CN208982172U - 一种零碳排放的三循环整体煤气化燃料电池发电系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供的一种零碳排放的三循环整体煤气化燃料电池发电系统，包括备煤单元、气化炉、废热锅炉、循环气压缩机、第一气气加热器、水洗塔、第二气气加热器、羰基硫水解反应器、脱硫单元、湿化器、引射器、燃料电池、纯氧燃烧器、燃气透平、空气压缩机、阴极回热器、空气透平、余热锅炉、汽轮机、第一二氧化碳压缩机、第二二氧化碳压缩机、深冷空分单元和氧压机，组成三循环发电系统，其一为燃料电池发电，其二为燃气透平发电，其三为蒸汽机发电，从化学能与物理能两个方面最大限度地实现了能量的梯级利用。
Description
技术领域
本实用新型属于洁净煤发电技术领域，具体涉及一种零碳排放的三循环整体煤气化燃料电池发电系统。
背景技术
煤炭是我国最重要的基础能源，其地位将在未来相当长时期内不会改变。我国的燃煤发电技术经过十多年的努力取得了长足的进步，百万千瓦二次再热超超临界燃煤发电机组的供电煤耗可到达265克/千瓦时，处于国际领先地位，污染物的排放指标持续提高，超低排放污染物控制技术可将燃煤机组主要污染物控制在天然气联合循环发电的排放水平。我国于2012年建成投产了首套25万千瓦规模的整体煤气化联合循环IGCC示范电站，其净效率设计为41％，电站实际运行的环保性能可达甚至优于天然气联合循环发电的排放水平，可实现常规污染物的近零排放。
美国环境保护署日前公布发电技术的二氧化碳排放标准为636克CO2/kWh。经过测算，现有技术水平下超超临界燃煤发电机组与IGCC很难达到此碳排放指标。这意味着煤基发电技术仍需进一步提高净效率或者进行二氧化碳捕集。700℃先进超超临界燃煤机组与高参数IGCC可以大幅提高煤基发电技术净效率，但700℃先进超超临界燃煤机组距离实现商业示范还存在瓶颈问题。使用现有技术或近期可行的技术进行二氧化碳捕集不仅将大幅增加设备投资，还会显著降低发电效率。
整体煤气化燃料电池发电系统IGFC是将IGCC与高温燃料电池结合的发电系统，其能源转化效率不受卡诺循环效率的限制，能大幅提高煤电效率，易于实现污染物及二氧化碳近零排放，是洁净煤发电技术的一个重要发展方向。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种零碳排放的三循环整体煤气化燃料电池发电系统，解决了现有的超超临界燃煤发电机组与IGCC存在很难达到碳排放指标的缺陷，本实用新型能进一步提高煤基发电系统的净发电效率。
为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：
本实用新型提供的一种零碳排放的三循环整体煤气化燃料电池发电系统，包括备煤单元、气化炉、废热锅炉、循环气压缩机、第一气气加热器、水洗塔、第二气气加热器、羰基硫水解反应器、脱硫单元、湿化器、引射器、燃料电池、纯氧燃烧器、燃气透平、空气压缩机、阴极回热器、空气透平、余热锅炉、汽轮机、第一二氧化碳压缩机、第二二氧化碳压缩机、深冷空分单元和氧压机，其中，备煤单元的出口与气化炉的煤粉入口连接，气化炉顶部的高温粗合成气出口连接废热锅炉入口，废热锅炉的饱和蒸汽出口连接余热锅炉的入口，废热锅炉的粗合成气出口连接循环气压缩机的入口和第一气气加热器的热侧入口，循环气压缩机的低温合成气出口连接废热锅炉的入口；
第一气气加热器的热侧出口经过水洗塔连接第二气气加热器的热侧入口，第二气气加热器的热侧出口经过羰基硫水解反应器连接第二气气加热器的冷侧入口，第二气气加热器的冷侧出口连接脱硫单元的入口，脱硫单元的出口经过湿化器连接第一气气加热器的冷侧入口，第一气气加热器的冷侧出口经过引射器连接燃料电池的阳极入口，燃料电池的阳极尾气出口连接引射器的入口和纯氧燃烧器的入口；
纯氧燃烧器的纯氧入口连接氧压机的氧气出口，纯氧燃烧器的出口连接燃气透平，燃气透平的尾气出口连接余热锅炉；
空气压缩机的出口连接阴极回热器的冷侧入口，阴极回热器的冷侧出口连接燃料电池的阴极入口，燃料电池的阴极出口连接阴极回热器的热侧入口，阴极回热器的热侧出口连接空气透平的入口，空气透平的尾气出口连接余热锅炉；
空气压缩机的出口还连接深冷空分单元的入口，深冷空分单元的氧气出口连接氧压机的入口；氧压机的纯氧出口连接气化炉的氧气入口；
余热锅炉的高压过热蒸汽出口连接汽轮机，汽轮机的部分中压蒸汽出口连接气化炉的入口。
优选地，余热锅炉的燃烧尾气出口与引射器之间设置有第二二氧化碳压缩机，引射器的入口还与汽轮机的部分中压蒸汽出口连接。
优选地，余热锅炉的燃烧尾气出口与气化炉之间设置有第一二氧化碳压缩机。
优选地，余热锅炉的燃烧尾气出口还连接有第一余热回收换热器的入口，第一余热回收换热器的出口连接多级压缩机的入口；多级压缩机的出口连接液态二氧化碳储液罐。
优选地，废热锅炉的粗合成气出口连接有除尘单元，所述除尘单元连接循环气压缩机的入口和第一气气加热器的热侧入口。
优选地，脱硫单元上设置有废水出口和废气出口，其中，废水出口与废气出口分别连接有水处理单元与硫回收单元。
优选地，第二气气加热器的冷侧出口依次连接有低温余热回收单元和合成气冷却器，其中，合成气冷却器的出口连接脱硫单元的入口。
优选地，空气压缩机的出口和深冷空分单元的入口之间设置有第二余热回收换热器。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
本实用新型提供的一种零碳排放的三循环整体煤气化燃料电池发电系统，设置了三循环发电系统，其一为燃料电池发电，其二为燃气透平发电，其三为蒸汽机发电，从化学能与物理能两个方面最大限度地实现了能量的梯级利用；同时，该系统省去了CO水汽变换反应单元，简化发电系统流程，同时避免了因CO水汽变换反应过程造成的合成气热值大幅降低，提高了系统的净发电效率；该系统因为输送煤粉采用的CO2气体和纯氧输送，并且CO2气体和纯氧中除了水，其它成分含量极少，因此燃料电池的燃烧尾气中除了水蒸气其余绝大部分为CO2气体，膨胀降温后无需采用提纯装置，即可产生高纯度的CO2产品。
进一步的，空分单元产生的纯氧也因设置了氩气分离工艺后，氧气纯度高。
附图说明
图1是本实用新型的三循环整体煤气化燃料电池发电系统结构示意图；
其中，1、备煤单元 2、气化炉 3、废热锅炉 4、除尘单元 5、循环气压缩机 6、第一气气加热器 7、水洗塔 8、第二气气加热器 9、羰基硫水解反应器 10、余热回收单元 11、合成气冷却器 12、脱硫单元 13、湿化器 14、水处理单元 15、硫回收单元 16、引射器 17、燃料电池 18、纯氧燃烧器 19、燃气透平 20、空气压缩机 21、第一热回收换热器 22、阴极回热器 23、空气透平 24、余热锅炉 25、汽轮机 26、第一二氧化碳压缩机 27、第二二氧化碳压缩机 28、第二余热回收换热器 29、二氧化碳多级压缩机 30、深冷空分单元 31、氧压机
具体实施方式
下面结合附图，对本实用新型进一步详细说明。
如图1所示，本实用新型提供的一种零碳排放的三循环整体煤气化燃料电池发电系统，包括备煤单元1、气化炉2、废热锅炉3、除尘单元4、循环气压缩机5、第一气气加热器6、水洗塔7、第二气气加热器8、羰基硫水解反应器9、余热回收单元10、合成气冷却器11、脱硫单元12、湿化器13、水处理单元14、硫回收单元15、引射器16、燃料电池17、纯氧燃烧器18、燃气透平19、空气压缩机20、第一热回收换热器21、阴极回热器22、空气透平23、余热锅炉24、汽轮机25、第一二氧化碳压缩机26、第二二氧化碳压缩机27、第二余热回收换热器28、第三压缩机29、深冷空分单元30和氧压机31，其中，备煤单元1的出口与气化炉2的煤粉入口连接，气化炉2顶部的高温粗合成气出口连接废热锅炉3入口，废热锅炉3的饱和蒸汽出口连接余热锅炉24的入口，废热锅炉3的粗合成气出口经过除尘单元4分别连接循环气压缩机5的入口和第一气气加热器6的热侧入口，循环气压缩机5的低温合成气出口连接废热锅炉3的入口；
第一气气加热器6的热侧出口经过水洗塔7连接第二气气加热器8的热侧入口，第二气气加热器8的热侧出口连接羰基硫水解反应器9的入口，羰基硫水解反应器9的出口连接第二气气加热器8的冷侧入口，第二气气加热器8的冷侧出口连接低温余热回收单元10的入口，低温余热回收单位10的出口连接合成气冷却器11的入口，合成气冷却器11的出口连接脱硫单元12的入口，脱硫单元12的出口经过湿化器13连接第一气气加热器6的冷侧入口，第一气气加热器6的冷侧出口经过引射器16连接燃料电池17的阳极入口，燃料电池17的阳极出口分别连接引射器16的入口和纯氧燃烧器18的入口；
纯氧燃烧器18的纯氧入口连接氧压机31的氧气出口，纯氧燃烧器18的出口连接燃气透平19，燃气透平19的尾气出口连接余热锅炉24；
空气压缩机20的出口连接阴极回热器22的冷侧入口，阴极回热器22的冷侧出口连接燃料电池17的阴极入口，燃料电池17的阴极出口连接阴极回热器22的热侧入口，阴极回热器22的热侧出口连接空气透平23的入口，空气透平23的出口连接余热锅炉24；
空气压缩机20的出口还连接第二余热回收换热器21的入口，第二余热回收换热器21的出口连接深冷空分单元30的入口，深冷空分单元30的氧气出口连接氧压机31的入口；氧压机31的纯氧出口还连接纯氧燃烧器18的入口；
余热锅炉24的高压过热蒸汽出口连接汽轮机25，汽轮机25的部分中压蒸汽出口连接气化炉2的入口；
余热锅炉24的燃烧尾气出口分别连接第一二氧化碳压缩机26的入口、第二二氧化碳压缩机27的入口和第一余热回收换热器28的入口；第一二氧化碳压缩机26的出口连接引射器16的入口；第二二氧化碳压缩机27的出口连接气化炉2的入口；
第一余热回收换热器28的出口连接多级压缩机29的入口；多级压缩机29的出口连接液态二氧化碳储液罐。
发电系统流程：
原煤在备煤单元1中磨煤、干燥后形成干煤粉，由第二二氧化碳压缩机27产生的高压二氧化碳气体输送至气化炉2，氧压机31出口的部分纯氧与少量汽轮机25中部抽取的中压蒸汽同时送入气化炉2反应，气化炉2炉底产生炉渣，顶部产生的高温粗合成气与循环气压缩机5出口的低温合成气混合激冷后，送入废热锅炉3；废热锅炉3产生饱和蒸汽送入余热锅炉24中进一步加热，经过废热锅炉回收余热后的粗合成气送入除尘单元4，经过降温除尘后的一部分合成气循环至循环气压缩机5入口，另一部分合成气进入第一气气加热器6热侧入口，降温后送入水洗塔7，水洗塔7出口合成气送入第二气气加热器8热侧入口，进一步降温后送入羰基硫水解反应器9，随后进入第二气气加热器8冷侧入口，合成气经过复热后，进入低温余热回收单元10，随后进入合成气冷却器11，将合成气降低至脱硫过程所需的温度后，进入脱硫单元12，脱硫单元产生的洁净合成气送入湿化器13加湿后进入第一气气加热器6冷侧，脱硫单元12产生的废水与废气分别进入水处理单元14与硫回收单元15，分别形成固态盐与硫磺；
第一气气加热器6冷侧出口合成气与汽轮机25中部抽取的中压蒸汽、第一二氧化碳压缩机26产生的高压二氧化碳气体混合后，对合成气中一氧化碳气体形成稀释后，送入引射器16，引射燃料电池17阳极出口的部分尾气，引射器16出口的合成气进入燃料电池17阳极，进行反应；
燃料电池17阳极出口的其余尾气进入纯氧燃烧器18与氧压机31出口的部分纯氧进行催化燃烧反应，产生燃烧尾气，其主要成分为水蒸气与二氧化碳，经过燃气透平19做功后，送入余热锅炉24，余热锅炉24的燃烧尾气经过降温后分为三股，第一股送入第二二氧化碳压缩机27入口，第二股送入第一二氧化碳压缩机26入口，第三股送入第一余热回收换热器28，冷凝降温、脱除水分后送入二氧化碳多级压缩机29，最终形成高纯度的液态二氧化碳；
一股空气经过阴极空气压缩机20加压后，一部分送入阴极回热器22冷侧入口，冷侧出口的高温空气送入燃料电池17阴极入口，在燃料电池17中进行反应后送入阴极回热器22热侧入口，降温后送入空气透平23，驱动空气透平23转动做功后，送入余热锅炉24，回收余热后排入大气；
阴极空气压缩机20出口的另一部分空气送入第二余热回收换热器21，随后送入深冷空分单元30，深冷空分单元30内设置氩气分离工艺，深冷空分单元30产生的污氮排入大气，产生的纯氩气可作为产品，产生高纯度氧气送入氧压机31入口；
余热锅炉24回收燃气透平19与空气透平23排除尾气的回热，同时对废热锅炉3产生的饱和蒸汽进行过热，余热锅炉24产生高压过热蒸汽送入汽轮机25。该系统发出的电能由燃料电池17、燃气透平19、空气透平23、以及汽轮机25产生。
Claims (8)
1.一种零碳排放的三循环整体煤气化燃料电池发电系统，其特征在于，包括备煤单元(1)、气化炉(2)、废热锅炉(3)、循环气压缩机(5)、第一气气加热器(6)、水洗塔(7)、第二气气加热器(8)、羰基硫水解反应器(9)、脱硫单元(12)、湿化器(13)、引射器(16)、燃料电池(17)、纯氧燃烧器(18)、燃气透平(19)、空气压缩机(20)、阴极回热器(22)、空气透平(23)、余热锅炉(24)、汽轮机(25)、第一二氧化碳压缩机(26)、第二二氧化碳压缩机(27)、深冷空分单元(30)和氧压机(31)，其中，备煤单元(1)的出口与气化炉(2)的煤粉入口连接，气化炉(2)顶部的高温粗合成气出口连接废热锅炉(3)入口，废热锅炉(3)的饱和蒸汽出口连接余热锅炉(24)的入口，废热锅炉(3)的粗合成气出口连接循环气压缩机(5)的入口和第一气气加热器(6)的热侧入口，循环气压缩机(5)的低温合成气出口连接废热锅炉(3)的入口；
第一气气加热器(6)的热侧出口经过水洗塔(7)连接第二气气加热器(8)的热侧入口，第二气气加热器(8)的热侧出口经过羰基硫水解反应器(9)连接第二气气加热器(8)的冷侧入口，第二气气加热器(8)的冷侧出口连接脱硫单元(12)的入口，脱硫单元(12)的出口经过湿化器(13)连接第一气气加热器(6)的冷侧入口，第一气气加热器(6)的冷侧出口经过引射器(16)连接燃料电池(17)的阳极入口，燃料电池(17)的阳极尾气出口连接引射器(16)的入口和纯氧燃烧器(18)的入口；
纯氧燃烧器(18)的纯氧入口连接氧压机(31)的氧气出口，纯氧燃烧器(18)的出口连接燃气透平(19)，燃气透平(19)的尾气出口连接余热锅炉(24)；
空气压缩机(20)的出口连接阴极回热器(22)的冷侧入口，阴极回热器(22)的冷侧出口连接燃料电池(17)的阴极入口，燃料电池(17)的阴极出口连接阴极回热器(22)的热侧入口，阴极回热器(22)的热侧出口连接空气透平(23)的入口，空气透平(23)的尾气出口连接余热锅炉(24)；
空气压缩机(20)的出口还连接深冷空分单元(30)的入口，深冷空分单元(30)的氧气出口连接氧压机(31)的入口；氧压机(31)的纯氧出口连接气化炉(2)的氧气入口；
余热锅炉(24)的高压过热蒸汽出口连接汽轮机(25)，汽轮机(25)的部分中压蒸汽出口连接气化炉(2)的入口。
2.根据权利要求1所述的一种零碳排放的三循环整体煤气化燃料电池发电系统，其特征在于，余热锅炉(24)的燃烧尾气出口与引射器(16)之间设置有第一二氧化碳压缩机(26)，引射器(16)的入口还与汽轮机(25)的部分中压蒸汽出口连接。
3.根据权利要求1所述的一种零碳排放的三循环整体煤气化燃料电池发电系统，其特征在于，余热锅炉(24)的燃烧尾气出口与气化炉(2)之间设置有第二二氧化碳压缩机(27)。
4.根据权利要求1所述的一种零碳排放的三循环整体煤气化燃料电池发电系统，其特征在于，余热锅炉(24)的燃烧尾气出口还连接有第一余热回收换热器(28)的入口，第一余热回收换热器(28)的出口连接多级压缩机(29)的入口；多级压缩机(29)的出口连接液态二氧化碳储液罐。
5.根据权利要求1所述的一种零碳排放的三循环整体煤气化燃料电池发电系统，其特征在于，废热锅炉(3)的粗合成气出口连接有除尘单元(4)，所述除尘单元(4)连接循环气压缩机(5)的入口和第一气气加热器(6)的热侧入口。
6.根据权利要求1所述的一种零碳排放的三循环整体煤气化燃料电池发电系统，其特征在于，脱硫单元(12)上设置有废水出口和废气出口，其中，废水出口与废气出口分别连接有水处理单元(14)与硫回收单元(15)。
7.根据权利要求1所述的一种零碳排放的三循环整体煤气化燃料电池发电系统，其特征在于，第二气气加热器(8)的冷侧出口依次连接有低温余热回收单元(10)和合成气冷却器(11)，其中，合成气冷却器(11)的出口连接脱硫单元(12)的入口。
8.根据权利要求1所述的一种零碳排放的三循环整体煤气化燃料电池发电系统，其特征在于，空气压缩机(20)的出口和深冷空分单元(30)的入口之间设置有第二余热回收换热器(21)。
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