CN202108549U - 燃煤发电-co2捕获-供热一体化系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了属于节能减排设备领域的一种燃煤发电-CO2捕获-供热一体化系统。该系统主要包括：蒸汽发电子系统、CO2捕获单元、及供热子系统三大组成部分。三个子系统之间主要通过面试换热器、低温加热器、及第45阀门，第46阀门进行联通，构成燃煤发电-CO2捕获-供热一体化系统。该系统使得CO2捕获能耗大幅降低，实现了能量的梯级利用，能够有效的降低排碳的能耗和CO2排放、抑制由于碳减排带来的发电效率下降，同时可实现发电-脱碳-供热过程的一体化，获得较高的综合能源利用效率与技术经济性能；为热电联产机组碳减排提供重要技术支持。

Description

燃煤发电-CO2捕获-供热一体化系统
技术领域
本实用新型属于节能减排设备领域，特别涉及一种燃煤发电-CO2捕获-供热一体化系统；具体说，涉及从燃煤电厂的锅炉排烟中捕获CO2、回收汽水供热的发电系统，实现了能量的多级利用，有效地抑制了CO2排放，同时还能满足供热的需求。
背景技术
目前，我国火电机组装机总容量已达7亿千瓦，其中绝大部分都是烧煤粉的汽轮机电站，针对这类电厂，考虑到燃煤电厂烟道气流量大、CO2分压低、温度高、杂质成分复杂、杂质和惰性气体量大、具有腐蚀性等特点，主要采用在燃烧后从尾部烟气中采用化学吸收的方法捕集CO2。
化学吸收CO2分离是一种应用广泛、适应性强的烟气脱碳工艺技术，并已有示范电站应用。但是在燃煤电厂的燃烧后脱碳工艺中，为提供这部分热量，会从中压缸出口抽取全部蒸汽量的50％左右用于加热解析塔再沸器。这不仅仅会使电厂发电效率下降10～15个百分点，而且还会给汽轮机低压缸的正常运行带来严重冲击，从而引发一系列工程技术问题。
另一方面，在CO2捕获单元中，由再沸器从电厂汽水系统低压缸抽汽所获得的能量，除了很少一部分用于反应本身外，绝大部分还要以低温热的形式释放到环境中。其中包括解析塔顶部出口的CO2-水蒸气混合物的冷却放热(110～40℃)，贫液进入吸收塔之前的冷却放热(70～40℃)；此外，由耗功而产生的CO2多级压缩间冷放热量(160～35℃)也较大，但由于这些对外释放的热量大但温度太低，很难有效利用，因此关于CO2吸收捕获流程中低温放热的优化利用的技术几乎是空白，未见报道。
综上，燃煤电厂的燃烧后CO2捕获意义重大。适用于燃煤电厂的CO2化学吸收碳捕获方法虽技术较成熟，但能耗太大、成本太高，由此带来一系列技术经济上的问题，难以接受；同时，现有的CO2化学吸收分离方法还会向环境中排放大量难以利用的低温热，这不仅造成能源的巨大浪费、还会加重电站对环境的热污染。因此，发展新型一体化燃煤电厂脱碳、电力生产及余热利用的系统集成技术，对于燃煤电站乃至全社会碳减排的重要性不言而喻。
CN101910568公开了一种具有CO2捕获和压缩的发电厂，该电厂可以通过灵活的操作CO2捕获和压缩设备，在电网供电频率下降的情况下，通过降低CO2捕获系统的功率消耗，或者关闭系统来增加发电厂的净输出，从而保证电网的供电需求。但没有涉及捕获系统余热利用，也没有关于电力生产流程与脱碳流程之间的系统集成。，CN101666248公开了一种二氧化碳回收型蒸汽发电系统，用于从锅炉燃烧燃料生成蒸汽时所形成的排烟中回收CO2，此系统包括锅炉、汽机、CO2吸收单元和再生单元，此外在该系统中还包括再沸器，用以提供CO2再生所需要的热量。该发明在锅炉尾部烟道省煤器与空预器之间加入一个换热器，利用锅炉尾部烟气热加热该换热器，进而提供CO2捕获再沸器的热需求，从而有效的抑制了发电效率的下降。但该发明没有涉及对捕获系统释放的大量低温余热的合理利用。此外，在相关发明专利中，均未见将供热系统与脱碳流程进行集成的报道。
实用新型内容
本实用新型的目的是针对燃煤电厂的CO2化学吸收碳捕获方法虽技术较成熟，但能耗太大、成本太高，并且向环境中排放大量难以利用的低温热，这不仅造成能源的巨大浪费、还会加重电站对环境的热污染由此带来一系列技术经济上的问题的不足而提供一种燃煤发电-CO2捕获-供热一体化系统，其特征在于，该系统是燃煤电厂的蒸汽发电子系统、CO2捕获单元和供热子系统三个子系统集成为一体化系统，其中燃煤电厂蒸汽发电子系统、CO2捕获单元和供热子系统之间主要通过面试换热器24、低温加热器40、及第45阀门，第46阀门进行联通，构成燃煤发电-CO2捕获-供热一体化系统；具体而言，蒸汽发电子系统和CO2捕获单元之间由第45阀门经过L2管道与面式换热器24接通，面式换热器24再经过L10管道、L9管道连接至低温加热器40；蒸汽发电子系统和供热子系统之间由第46阀门经过L3管道连接至第47阀门、第48阀门的公共口，第48阀门通过L7管道与第二地暖加热器37和第一地暖加热器36联通，第47阀门通过L6管道与小透平25连接，小透平25和第一地暖加热器36再分别连接凝汽器15；CO2捕获单元的增压风机26的入口连接燃煤电厂蒸汽发电系统的锅炉9的烟气处理装置；CO2捕获单元和供热子系统之间由贫液冷却器28通过第49阀门、第50阀门并行连接至第一地暖加热器36，CO2冷却器31通过第51阀门、第52阀门并行连接至第二地暖加热器37；燃煤电厂蒸汽发电系统的凝汽器15通过输送泵、低温连通阀54及L8管道与供热系统的低温加热器40连接。
所述燃煤电厂蒸汽发电子系统由锅炉9、高压缸10、中压缸11、背压式低压缸12、凝汽式低压缸13和发电机14串联构成蒸汽发电系统，在凝汽式低压缸13的排汽口连接凝汽器15，在中压缸11的排汽口连接除氧器16，除氧器16再经过小中压缸11.1和凝汽器15的蒸汽入口连通；第一高温回热器17、第二高温回热器18和第三高温回热器19串联后，第一高温回热器17再分别连接到锅炉9和高压缸10的排汽口，第二高温回热器18连接在锅炉9和高压缸10通道上，第三高温回热器19和除氧器16接通，第20-第23低温回热器串联后，分别通过第41-第44低温回热阀门连接至背压式低压缸12与凝汽式低压缸13的各排汽口，第20低温回热器的一个出口和除氧器16接通，第23低温回热器的下出口与凝汽器15接通，背压式低压缸12的排汽口经过L1管道连接在第45阀门和第46阀门公共接口。
所述CO2捕获单元包括增压风机26的出口连接吸收塔27下部气体入口，贫液冷却器28分别连接吸收塔27上部液体入口和贫富液换热器30，贫富液换热器30分别连接解析塔32左边进、出口和吸收塔27底部的富液增压泵29；解析塔32底部连接再沸器35，解析塔32右边进、出口分别连接再沸器35和CO2冷却器31；CO2冷却器31通过CO2多级压缩机33和级间换热器34连接。
所述供热子系统的第一地暖加热器36、第二地暖加热器37串联在一起；第二地暖加热器37经过L7管道与第48阀门连接后与分散式用户地热采暖系统38联通，第一地暖加热器36通过循环增压泵39与分散式用户地热采暖系统38联通。
本实用新型的有益效果是该系统的CO2捕获-供热一体化集成方案能够有效的降低排碳的能耗和CO2排放、抑制由于碳减排带来的发电效率下降，同时可实现发电-脱碳-供热过程的一体化，获得较高的综合能源利用效率与技术经济性能。新型燃煤电厂燃烧后CO2捕获运行灵活。首次将电厂汽水流程、CO2捕获流程与供热系统进行了合理的一体化集成，实现了能源的合理高效利用，使得CO2捕获能耗大幅降低，为热电联产机组碳减排提供重要技术支持。
附图说明
图1为电厂汽水系统、CO2捕获系统，以及供热系统整合示意图。
具体实施方式
本实用新型提供一种新型燃煤发电-CO2捕获-供热一体化系统。下面结合附图和实施例予以说明。
如图1所示。该系统主要由燃煤电厂蒸汽发电子系统1、CO2捕获单元2和供热子系统3三个子系统组成，其中，
燃煤电厂蒸汽发电子系统由锅炉9、高压缸10、中压缸11、背压式低压缸12、凝汽式低压缸13和发电机14串联构成蒸汽发电系统，在凝汽式低压缸13的排汽口连接凝汽器15，在中压缸11的排汽口连接除氧器16，除氧器16再经过小中压缸11.1和凝汽器15的蒸汽入口连通；第一高温回热器17、第二高温回热器18和第三高温回热器19串联后，第一高温回热器17再分别连接到锅炉9和高压缸10的排汽口，第二高温回热器18连接在锅炉9和高压缸10通道上，第三高温回热器19和除氧器16接通，第20-第23低温回热器串联后，分别通过第41-第44低温回热阀门连接至背压式低压缸12与凝汽式低压缸13的各排汽口，第20低温回热器的一个出口和除氧器16接通，第23低温回热器的下出口与凝汽器15接通，背压式低压缸12的排汽口经过L1管道连接在第45阀门和第46阀门公共接口。
CO2捕获单元包括增压风机26的出口连接吸收塔27下部气体入口，贫液冷却器28分别连接吸收塔27上部液体入口和贫富液换热器30，贫富液换热器30分别连接解析塔32左边进、出口和吸收塔27底部的富液增压泵29；解析塔32底部连接再沸器35，解析塔32右边进、出口分别连接再沸器35和CO2冷却器31；CO2冷却器31通过CO2多级压缩机33和级间换热器34连接。
供热子系统的第一地暖加热器36、第二地暖加热器37串联在一起；第二地暖加热器37经过L7管道与第48阀门连接后与分散式用户地热采暖系统38联通，第一地暖加热器36通过循环增压泵39与分散式用户地热采暖系统38联通。
上述三个子系统之间主要通过面试换热器24、低温加热器40、及第45阀门，第46阀门进行联通，构成燃煤发电-CO2捕获-供热一体化系统；具体而言，蒸汽发电子系统和CO2捕获单元之间由第45阀门经过L2管道与面式换热器24接通，面式换热器24再经过L10管道、L9管道连接至低温加热器40；蒸汽发电子系统和供热子系统之间由第46阀门经过L3管道连接至第47阀门、第48阀门的公共口，第48阀门通过L7管道与第二地暖加热器37和第一地暖加热器36联通，第47阀门通过L6管道与小透平25连接，小透平25和第一地暖加热器36再分别连接凝汽器15；CO2捕获单元的增压风机26的入口连接燃煤电厂蒸汽发电系统的锅炉9的烟气处理装置；CO2捕获单元和供热子系统之间由贫液冷却器28通过第49阀门、第50阀门并行连接至第一地暖加热器36，CO2冷却器31通过第51阀门、第52阀门并行连接至第二地暖加热器37；燃煤电厂蒸汽发电系统的凝汽器15通过输送泵、低温连通阀54及L8管道与供热系统的低温加热器40连接。
燃煤发电-CO2捕获-供热一体化系统的工艺过程是在汽水侧，由锅炉9产生的主蒸汽进入高压缸10膨胀做功后，回到锅炉进行再热，再热蒸汽进入中压缸11继续膨胀做功，中压缸11的排汽继续进入背压式低压缸12和凝汽式低压缸13，其中凝汽式低压缸13的出口排汽压力为常规凝汽式机组排汽压力3～8kpa，排汽直接进入凝汽器15；背压式低压缸12的出口压力约为1.5～4.5bar，其排汽沿线路L1-L2-L4-L5管道，经过面式换热器24，进入再沸器35，提供CO2解析再沸热后，与来自凝汽器15的电厂冷凝水混合，一同回入电厂汽水系统。
在烟气CO2捕获侧，锅炉9的排烟经过SCR、WFGD脱除NOX和SOX等污染物后，通过增压风机26增压，然后进入吸收单元，供应至吸收塔27的下部，而吸收液(贫液)供应至吸收塔27的上部。彼此逆流接触，从而CO2被反应吸收下来，除去CO2后的干净烟气从吸收塔27顶部排入大气。从吸收塔27底部排出的富液(富含CO2的吸收液)经过增压泵29和贫富热交换器30后进入再生单元，供应至再生塔32顶部。同时，由再沸器35产生的再生蒸汽被供应至再生塔的下部。因此，CO2富液与再生蒸汽彼此逆流接触，富液被加热后释放CO2，由再生塔底部排出，进入CO2冷却器31，冷却排水后，进入多级压缩冷却系统，通过多级压缩机33压缩和级间冷却器34冷却排水后，达到工业用CO2纯度要求或用于CO2永久封存。释放CO2后的贫液由再生塔32底部排出，经贫富液换热器30和换热器28后，从新回入吸收单元。通过吸收剂的循环吸收、解析过程，来实现锅炉排烟气的CO2回收。
在地热供暖侧，通过第一地暖加热器36、第二地暖加热器37吸收来自捕获系统中CO2冷却器31和贫液冷却器28所释放的低品位热量，加热地热供暖循环水，此地暖循环水通过循环增压泵39提供的动力，循环地从第一地暖加热器36和第二地暖加热器37中吸热、到用户采暖系统38中放热，从而保证用户的采暖需求。在此系统中，可不断的从外界补充冷水，以弥补供暖输水时的水量损失。
本发实用新型的燃煤发电-CO2捕获-供热一体化系统，在CO2回收率90％的情况下，净发电效率为31.32％，对比无CO2捕获的600MW电厂而言，其减排效率降低仅为8.96％；而常规的采用化学吸收法从烟气中CO2捕获的燃煤电厂由于碳减排带来的效率惩罚可达10.5％以上，同时该系统可以提供用户采暖需求350MW，全厂热效率达55.88％。因此，本系统在实现了CO2捕获的同时，能源利用率保持较高水平；以很少的能耗代价下实现了CO2的大幅减排，为燃煤热电联产机组碳减排提供了独特的技术思路与方案。

Claims (4)

1.一种燃煤发电-CO2捕获-供热一体化系统，其特征在于，该系统是燃煤电厂的蒸汽发电系统(1)、CO2捕获单元(2)和供热系统(3)三个子系统集成为一体化系统，其中燃煤电厂蒸汽发电子系统、CO2捕获单元和供热子系统之间主要通过面试换热器(24)、低温加热器(40)、及第45阀门，第46阀门进行联通，构成燃煤发电-CO2捕获-供热一体化系统；具体而言，蒸汽发电子系统和CO2捕获单元之间由第45阀门经过L2管道与面式换热器(24)接通，面式换热器(24)再经过L10管道、L9管道连接至低温加热器(40)；蒸汽发电子系统和供热子系统之间由第46阀门经过L3管道连接至第47阀门、第48阀门的公共口，第48阀门通过L7管道与第二地暖加热器(37)和第一地暖加热器(36)联通，第47阀门通过L6管道与小透平(25)连接，小透平(25)和第一地暖加热器(36)再分别连接凝汽器(15)；CO2捕获单元的增压风机(26)的入口连接燃煤电厂蒸汽发电系统的锅炉(9)的烟气处理装置；CO2捕获单元和供热子系统之间由贫液冷却器(28)通过第49阀门、第50阀门并行连接至第一地暖加热器(36)，CO2冷却器(31)通过第51阀门、第52阀门并行连接至第二地暖加热器(37)；燃煤电厂蒸汽发电系统的凝汽器(15)通过输送泵、低温连通阀(54)及L8管道与供热系统的低温加热器(40)连接。
2.权利要求1所述燃煤发电-CO2捕获-供热一体化系统，其特征在于：所述燃煤电厂蒸汽发电子系统由锅炉(9)、高压缸(10)、中压缸(11)、背压式低压缸(12)、凝汽式低压缸(13)和发电机(14)串联构成蒸汽发电系统，在凝汽式低压缸(13)的排汽口连接凝汽器(15)，在中压缸(11)的排汽口连接除氧器(16)，除氧器(16)再经过小中压缸和凝汽器(15)的蒸汽入口连通；第一高温回热器(17)、第二高温回热器(18)和第三高温回热器(19)串联后，第一高温回热器(17)再分别连接到锅炉(9)和高压缸(10的排汽口，第二高温回热器(18)连接在锅炉(9)和高压缸(10)通道上，第三高温回热器(19)和除氧器(16)接通，第20-第23低温回热器串联后，分别通过第41-第44低温回热阀门连接至背压式低压缸(12)与凝汽式低压缸(13)的各排汽口，第20低温回热器的一个出口和除氧器(16)接通，第23低温回热器的下出口与凝汽器(15)接通，背压式低压缸(12)的排汽口经过L1管道连接在第45阀门和第46阀门公共接口。
3.权利要求1所述燃煤发电-CO2捕获-供热一体化系统，其特征在于：所述CO2捕获单元包括增压风机(26)的出口连接吸收塔(27)下部气体入口，贫液冷却器(28)分别连接吸收塔(27)上部液体入口和贫富液换热器(30)，贫富液换热器(30)分别连接解析塔(32)左边进、出口和吸收塔(27)底部的富液增压泵(29)；解析塔(32)底部连接再沸器(35)，解析塔(32)右边进、出口分别连接再沸器(35)和CO2冷却器(31)；CO2冷却器(31)通过CO2多级压缩机(33)和级间换热器(34)连接。
4.权利要求1所述燃煤发电-CO2捕获-供热一体化系统，其特征在于：所述供热子系统的第一地暖加热器(36)、第二地暖加热器(37)串联在一起；第二地暖加热器(37)经过L7管道与第48阀门连接后与分散式用户地热采暖系统(38)联通，第一地暖加热器(36)通过循环增压泵(39)与分散式用户地热采暖系统(38)联通。
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