CN216273131U - 一种采用固体氧化物脱碳的igcc系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种采用固体氧化物脱碳的IGCC系统，气化炉的合成气输出端与废热锅炉的进气口连接，废热锅炉的出气口与碳化反应器的进气口连接，碳化反应器的蒸汽输入端用于输入水蒸气，碳化反应器的物料输出端与再生反应器的物料输入端连接，再生反应器的物料输出端与碳化反应器的物料输入端连接，再生反应器的出气口与第一余热锅炉的进气口连接，第一余热锅炉的出气口与压缩机连接。本实用新型将脱碳过程与水煤气变换过程相结合，实现边变换边吸收，打破了常规水煤气变换反应温度限制的同时，可提高IGCC系统整体脱碳率，且避免了合成气先降温后升温引起的能量损失；产生的高浓度CO2带压，减少CO2压缩过程耗功。
Description
技术领域
本实用新型属于电力发电技术领域，具体涉及一种采用固体氧化物脱碳的IGCC系统。
背景技术
全球气候变暖日益显著，已成为各国政府和公众关注的焦点问题。人类活动导致的温室气体浓度上升是导致全球平均气温升高的主要原因。CO2作为主要的温室气体，其温室效应占所有温室气体的77％。减少CO2排放，对于应对全球气候变化十分必要，非常迫切。我国是世界上少数几个以煤为主的国家之一，煤的主要应用是发电。在我国，燃煤电站的CO2排放在总CO2排放量中占约50％的份额。近年来，随着中国经济的发展，对电力的需求逐年增加。中国的能源结构，决定了在以后相当长的一段时期内，电力行业以煤为主的格局不会改变。煤电带来的CO2排放问题至关重要。因此，重视和研究煤基电站CCS问题，对于我国电力行业的可持续发展具有重要意义。
对常规煤粉电站排放的CO2进行捕集，通常采用燃烧后捕集的方式。其主要优点是工艺成熟，原理简单，对现有电站的继承性好。缺点是，由于燃烧后烟气体积流量大，CO2的分压小，脱碳过程的能耗大，设备的投资和运行成本较高，捕集成本较高。
燃烧前捕集是指在燃料燃烧前将其中的含碳组分分离和捕集出来，主要用于整体煤气化联合循环IGCC电站。捕集过程为：气化炉产生的煤制气经净化后进入水煤气变换单元，其中的CO和水蒸气发生水煤气变换反应生成CO2和H2，提高气体中CO2的含量，而后对其中的CO2进行分离。与燃烧后捕集相比，燃烧前捕集所需处理的气体体积大幅度减少，CO2浓度显著增大，从而大大降低了分离过程的能耗和设备投资。在目前的技术水平下，燃烧前脱碳被普遍视为未来最有前景的脱碳技术之一。但是目前燃烧前脱碳存在如下缺陷：1、采用低温湿法脱碳的IGCC系统，合成气需先进行水煤气变换，而后进入CO2分离单元脱除CO2，工艺流程长，CO2再生能耗高；2、采用低温湿法脱碳的IGCC系统，合成气进入CO2分离单元前需先降温，脱碳后再吸收热量升温后进入燃气轮机燃烧室，此先降温后升温的过程，造成了较大的能量损失；3、常规合成气变换过程受热力学平衡限制，CO转化率有限，从而限制了IGCC系统整体脱碳率的提高；4、常压再生的CO2压缩至封存所需压力，消耗的电能较大，对系统整体净效率的影响显著。
实用新型内容
针对现有技术中存在的问题，本实用新型提供了一种采用固体氧化物脱碳的IGCC系统，利用固体吸收剂干法脱碳，将脱碳过程与水煤气变换过程相结合，实现边变换边吸收，打破了常规水煤气变换反应温度限制的同时，可提高IGCC系统整体脱碳率，且干法脱碳避免了合成气先降温后升温引起的能量损失；产生的高浓度CO2带压，减少CO2压缩过程耗功，有利于IGCC系统整体净效率的提高。
为了解决上述技术问题，本实用新型通过以下技术方案予以实现：
一种采用固体氧化物脱碳的IGCC系统，包括气化炉、废热锅炉、碳化反应器、再生反应器、第一余热锅炉和压缩机，所述气化炉的合成气输出端与所述废热锅炉的进气口连接，所述废热锅炉的出气口与所述碳化反应器的进气口连接，所述碳化反应器的蒸汽输入端用于输入水蒸气，所述碳化反应器的物料输出端与所述再生反应器的物料输入端连接，所述再生反应器的物料输出端与所述碳化反应器的物料输入端连接，所述再生反应器的出气口与所述第一余热锅炉的进气口连接，所述第一余热锅炉的出气口与所述压缩机连接。
进一步地，还包括燃气轮机，所述碳化反应器的出气口连接所述燃气轮机的燃烧室的输入端，所述燃气轮机的压气机的输出端连接所述燃气轮机的燃烧室的输入端，所述燃气轮机的燃烧室的输出端连接所述燃气轮机的透平。
进一步地，还包括第二余热锅炉和汽轮机，所述透平的烟气输出端连接所述第二余热锅炉的烟气输入端，所述第二余热锅炉的热水输出端连接所述第一余热锅炉的热水输入端，所述第一余热锅炉的蒸汽输出端连接所述第二余热锅炉的蒸汽输入端，所述第二余热锅炉的蒸汽输出端连接所述汽轮机的蒸汽输入端，所述汽轮机的冷凝水输出端连接所述第二余热锅炉的冷凝水输入端。
进一步地，还包括合成气冷却单元，所述碳化反应器的出气口连接所述合成气冷却单元的进气口，所述合成气冷却单元的出气口连接所述燃气轮机的燃烧室的输入端；所述第二余热锅炉的热水输出端连接所述合成气冷却单元的热水输入端，所述合成气冷却单元的蒸汽输出端连接所述第二余热锅炉的蒸汽输入端。
进一步地，所述第二余热锅炉的热水输出端连接所述废热锅炉的热水输入端，所述废热锅炉的蒸汽输出端连接所述第二余热锅炉的蒸汽输入端。
进一步地，还包括除尘装置，所述碳化反应器的出气口连接所述除尘装置的进气口，所述除尘装置的出气口连接所述合成气冷却单元的进气口。
进一步地，还包括空分装置，所述空分装置的氧气输出端连接所述再生反应器的进气口，所述气化炉的合成气输出端还连接所述再生反应器的进气口。
进一步地，所述空分装置的氧气输出端与所述气化炉的进气口连接。
进一步地，所述废热锅炉的蒸汽输出端还连接所述再生反应器的蒸汽输入端。
一种采用固体氧化物脱碳的IGCC系统的工作方法，所述气化炉中的合成气经过所述废热锅炉后进入所述碳化反应器，水蒸气进入所述碳化反应器，所述再生反应器中的固体氧化物吸收剂进入所述碳化反应器，所述碳化反应器中发生水煤气变换反应，生成的碳酸化合物进入所述再生反应器，所述再生反应器中发生分解反应，生成的固体氧化物吸收剂再次进入所述碳化反应器，生成的二氧化碳经过所述第一余热锅炉后进入所述压缩机，所述压缩机将二氧化碳压缩后输出到收集装置。
与现有技术相比，本实用新型至少具有以下有益效果：本实用新型提供的一种采用固体氧化物脱碳的IGCC系统，气化炉中的合成气经过废热锅炉后进入碳化反应器，水蒸气进入碳化反应器，再生反应器中的固体氧化物吸收剂进入碳化反应器，碳化反应器中发生水煤气变换反应，生成的碳酸化合物进入再生反应器，再生反应器中发生分解反应，生成的固体氧化物吸收剂再次进入碳化反应器，生成的二氧化碳经过第一余热锅炉后进入压缩机，压缩机将二氧化碳压缩后输出到收集装置。具体地说，在使用时，采用氧化物固体吸收剂吸收合成气中的CO2，合成气在碳化反应器中与注入的水蒸气和氧化物固体吸收剂反应，CO与H2O发生水煤气变换反应，反应产生的CO2被氧化物固体吸收剂吸收，实现了边变换边吸收，CO2被氧化物固体吸收剂吸收的同时促进了水煤气变换反应器的正向进行，打破了水煤气变换反应受温度的平衡限制，可有效提高CO转化率及CO2脱除率。氧化物固体吸收剂吸收CO2后生成的碳酸化合物在再生反应器中通过高温煅烧发生分解反应实现再生，再生后的固体氧化物吸收剂重新循环至碳化反应器再次吸收CO2。再生反应器的气体产物进入第一余热锅炉冷却后进入压缩机进行压缩后可供运输和封存。本实用新型提供的系统采用氧化物固体吸收剂脱碳，脱碳过程的操作温度在300-700℃，操作温度高，合成气无需先降温后升温，减少了换热过程的能量损失，有助于进一步提高系统效率。此外，再生反应器产生的CO2带压(20-30atm)，经冷却后再压缩至运输封存压力所需要消耗的功比常压压缩更少，可减少CO2压缩过程对系统净效率的影响。
进一步地，碳化反应器中输出的合成气进入燃气轮机的燃烧室，燃气轮机的压气机向燃气轮机的燃烧室输入空气，合成气与空气在燃气轮机的燃烧室燃烧的能量提供给燃气轮机的透平，实现发电。
进一步地，透平向第二余热锅炉输入烟气，烟气中的热量被第二余热锅炉利用，实现能源的利用。第二余热锅炉的热水输入第一余热锅炉，热水被第一余热锅炉加热成蒸汽后进入第二余热锅炉，之后进入汽轮机实现发电。
进一步地，碳化反应器输出的合成气的热量被合成气冷却单元置换，合成气冷却单元吸收热量后将第二余热锅炉输入的热水加热成水蒸气，水蒸气通过第二余热锅炉，之后进入汽轮机实现发电。
进一步地，第二余热锅炉的热水被废热锅炉加热成水蒸气，水蒸气通过第二余热锅炉，之后进入汽轮机实现发电。
进一步地，利用除尘装置将碳化反应器输出的合成气中的固定杂质除掉，提高气体的洁净度。
进一步地，利用高温合成气分流进入再生反应器供热而非煤燃烧供热，避免煤粉燃烧带入的灰污染吸收剂，能够提高吸收剂循环次数。
进一步地，废热锅炉的蒸汽输出端还连接再生反应器的蒸汽输入端，能够降低再生反应器内部CO2分压，以促进分解反应的正向进行。
为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式中的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型一种采用固体氧化物脱碳的IGCC系统的示意图。
图中：1-气化炉；2-废热锅炉；3-碳化反应器；4-再生反应器；5-第一余热锅炉；6-压缩机；7-第二余热锅炉；8-汽轮机；9-燃烧室；10-压气机；11-透平；12-合成气冷却单元；13-除尘装置；14-空分装置；15-烟气冷凝器。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
作为本实用新型的某一具体实施方式，如图1所示，一种采用固体氧化物脱碳的IGCC系统，包括气化炉1、废热锅炉2、碳化反应器3、再生反应器4、第一余热锅炉5、压缩机6、第二余热锅炉7、汽轮机8、燃气轮机、合成气冷却单元12、除尘装置13、空分装置14和烟气冷凝器15，空分装置14的输入端用于输入空气，空分装置14的氧气输出端与气化炉1的进气口连接，气化炉1的合成气输出端与废热锅炉2的进气口连接，优选的，空分装置14的氧气输出端连接再生反应器4的进气口，气化炉1的合成气输出端还连接再生反应器4的进气口。废热锅炉2的出气口与碳化反应器3的进气口连接，碳化反应器3的蒸汽输入端用于输入水蒸气，碳化反应器3的物料输出端与再生反应器4的物料输入端连接，再生反应器4的物料输出端与碳化反应器3的物料输入端连接，再生反应器4的出气口与第一余热锅炉5的进气口连接，第一余热锅炉5的出气口与烟气冷凝器15的输入端连接，烟气冷凝器15的输出端与压缩机6连接。碳化反应器3的出气口连接除尘装置13的进气口，除尘装置13的出气口连接合成气冷却单元12的进气口，合成气冷却单元12的出气口连接燃气轮机的燃烧室9的输入端，燃气轮机的压气机10的输出端连接燃气轮机的燃烧室9的输入端，燃气轮机的燃烧室9的输出端连接燃气轮机的透平11。透平11的烟气输出端连接第二余热锅炉7的烟气输入端，第二余热锅炉7的热水输出端连接第一余热锅炉5的热水输入端，第一余热锅炉5的蒸汽输出端连接第二余热锅炉7的蒸汽输入端，第二余热锅炉7的蒸汽输出端连接汽轮机8的蒸汽输入端，汽轮机8的冷凝水输出端连接第二余热锅炉7的冷凝水输入端。
优选的，第二余热锅炉7的热水输出端连接合成气冷却单元12的热水输入端，合成气冷却单元12的蒸汽输出端连接第二余热锅炉7的蒸汽输入端。
优选的，第二余热锅炉7的热水输出端连接废热锅炉2的热水输入端，废热锅炉2的蒸汽输出端连接第二余热锅炉7的蒸汽输入端。更加优选的，废热锅炉2的蒸汽输出端还连接再生反应器4的蒸汽输入端。
煤经预处理后进入气化炉1，一股水蒸气和氧气作为气化反应的原料同时送入气化炉1，煤在气化炉1中与水蒸气、O2发生气化反应生成粗合成气，气化炉1炉渣从底部排出。粗合成气进入废热锅炉2进行冷却，同时将来自第二余热锅炉7的热水加热至水蒸气，水蒸气返回第二余热锅炉7继续过热后送入蒸汽轮机发电。
出废热锅炉2的合成气进入碳化反应器3，并与输入的水蒸气和自再生反应器4循环回来的CaO发生反应，生成气体产物H2和固态产物CaCO3，同时合成气中H2S与CaO反应生成CaS，实现同步脱硫。碳化反应器3气体产物(以H2为主)进入除尘装置13脱除其中的固体后，进入合成气冷却单元12进行冷却，冷却过程放热用于加热来自第二余热锅炉7的热水，水蒸气返回第二余热锅炉7继续过热后送入蒸汽轮机发电。出合成气冷却单元12的气体被输送至燃气轮机的燃烧室9，作为IGCC底循环的燃料，与燃气轮机的压气机10输入的空气燃烧后给燃气轮机的透平11提供内能。
碳化反应器3中的固体物料(CaCO3、CaS等)循环至再生反应器4中进行再生。一股粗合成气和氧气被通入再生反应器4，用于燃烧产生热量以满足CaCO3分解的能量需求。其中，其中进入再生反应器4的粗合成气来自于气化炉1后气体分流一股，O2来自于空分装置14。同时，再生反应器4还被输入一股水蒸气，用于降低再生反应器4内部CO2分压，以促进CaCO3的分解反应。再生反应器4还被输入一股新鲜CaCO3，用于补充由于反复循环而带来的吸收剂损失。再生反应器4的气体产物进入第一余热锅炉5冷却后进入烟气冷凝器15进一步冷却并冷凝出其中的水分，出烟气冷凝器15的物料为高纯度CO2，进入CO2压缩机6进行压缩后可供运输和封存。
本实用新型将固体吸收剂吸收CO2引入IGCC系统，将水煤气变化过程与脱碳过程集成，实现了在高温下吸收CO2，且打破了水煤气变换反应的温度平衡限制，可促进CO的转化率及CO2的吸收率。通过合理配置系统流程，利用高温粗合成气分流燃烧的方式供给再生反应器热量，可避免吸收剂被污染，提高吸收剂的循环次数。系统产生的CO2带压，可减少后续CO2压缩压力。与常规湿法脱碳相比，合成气无需先降温后升温，减少传热过程引起的能量损失，本实用新型与常规IGCC脱碳系统相比，效率提高明显。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本实用新型的具体实施方式，用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，本实用新型的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种采用固体氧化物脱碳的IGCC系统，其特征在于，包括气化炉(1)、废热锅炉(2)、碳化反应器(3)、再生反应器(4)、第一余热锅炉(5)和压缩机(6)，所述气化炉(1)的合成气输出端与所述废热锅炉(2)的进气口连接，所述废热锅炉(2)的出气口与所述碳化反应器(3)的进气口连接，所述碳化反应器(3)的蒸汽输入端用于输入水蒸气，所述碳化反应器(3)的物料输出端与所述再生反应器(4)的物料输入端连接，所述再生反应器(4)的物料输出端与所述碳化反应器(3)的物料输入端连接，所述再生反应器(4)的出气口与所述第一余热锅炉(5)的进气口连接，所述第一余热锅炉(5)的出气口与所述压缩机(6)连接。
2.根据权利要求1所述的一种采用固体氧化物脱碳的IGCC系统，其特征在于，还包括燃气轮机，所述碳化反应器(3)的出气口连接所述燃气轮机的燃烧室(9)的输入端，所述燃气轮机的压气机(10)的输出端连接所述燃气轮机的燃烧室(9)的输入端，所述燃气轮机的燃烧室(9)的输出端连接所述燃气轮机的透平(11)。
3.根据权利要求2所述的一种采用固体氧化物脱碳的IGCC系统，其特征在于，还包括第二余热锅炉(7)和汽轮机(8)，所述透平(11)的烟气输出端连接所述第二余热锅炉(7)的烟气输入端，所述第二余热锅炉(7)的热水输出端连接所述第一余热锅炉(5)的热水输入端，所述第一余热锅炉(5)的蒸汽输出端连接所述第二余热锅炉(7)的蒸汽输入端，所述第二余热锅炉(7)的蒸汽输出端连接所述汽轮机(8)的蒸汽输入端，所述汽轮机(8)的冷凝水输出端连接所述第二余热锅炉(7)的冷凝水输入端。
4.根据权利要求3所述的一种采用固体氧化物脱碳的IGCC系统，其特征在于，还包括合成气冷却单元(12)，所述碳化反应器(3)的出气口连接所述合成气冷却单元(12)的进气口，所述合成气冷却单元(12)的出气口连接所述燃气轮机的燃烧室(9)的输入端；所述第二余热锅炉(7)的热水输出端连接所述合成气冷却单元(12)的热水输入端，所述合成气冷却单元(12)的蒸汽输出端连接所述第二余热锅炉(7)的蒸汽输入端。
5.根据权利要求3所述的一种采用固体氧化物脱碳的IGCC系统，其特征在于，所述第二余热锅炉(7)的热水输出端连接所述废热锅炉(2)的热水输入端，所述废热锅炉(2)的蒸汽输出端连接所述第二余热锅炉(7)的蒸汽输入端。
6.根据权利要求4所述的一种采用固体氧化物脱碳的IGCC系统，其特征在于，还包括除尘装置(13)，所述碳化反应器(3)的出气口连接所述除尘装置(13)的进气口，所述除尘装置(13)的出气口连接所述合成气冷却单元(12)的进气口。
7.根据权利要求1所述的一种采用固体氧化物脱碳的IGCC系统，其特征在于，还包括空分装置(14)，所述空分装置(14)的氧气输出端连接所述再生反应器(4)的进气口，所述气化炉(1)的合成气输出端还连接所述再生反应器(4)的进气口。
8.根据权利要求7所述的一种采用固体氧化物脱碳的IGCC系统，其特征在于，所述空分装置(14)的氧气输出端与所述气化炉(1)的进气口连接。
9.根据权利要求1所述的一种采用固体氧化物脱碳的IGCC系统，其特征在于，所述废热锅炉(2)的蒸汽输出端还连接所述再生反应器(4)的蒸汽输入端。
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