带捕碳装置的燃煤发电系统
技术领域
本实用新型涉及一种带捕碳装置的燃煤发电系统及方法，属于清洁燃煤发电技术领域。
背景技术
2018年10月8日，联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)在韩国仁川发布“全球升温1.5℃特别报告”。报告显示，如果气候变暖以目前的速度持续下去，预计全球气温在2030年至2052年间就会比工业化之前水平升高1.5摄氏度。将全球升温控制在1.5摄氏度以内，对人类和生态系统会有更多益处，相关专家呼吁各国采取行动，为把升温控制在1.5摄氏度之内而努力。在此背景下，控制温室气体排放刻不容缓，而二氧化碳作为最大的温室效应贡献源，其减排任务首当其冲。在当前形势下，我国大力发展可再生能源发电的同时，燃煤发电对我国仍是保障能源安全所不可或缺的能源利用方式。减少燃煤发电的二氧化碳排放，一方面通过提高电站发电效率，减少煤耗，从而减少二氧化碳排放，另一方面需要加快推动捕碳技术的研发及规模化应用。
由于捕碳过程耗能大，对于现有燃煤电厂而言，将导致电厂经济性恶化。为了确保带捕碳装置的电厂的经济性，一方面需要通过技术或运营手段大幅降低捕碳过程的成本，另一方面需要研究捕碳过程与发电过程的互补性，挖掘系统集成效益。近年来，各种新型捕碳技术和发电技术层出不穷，为开发更先进的带捕碳发电系统提供了广阔的探索空间。例如：超临界二氧化碳循环发电是一种新型高效发电方法，可用于高效燃煤发电；二氧化碳凝华捕碳方法被认为能耗低于其他捕碳方法。然而，目前，技术人员对于这些新方法的集成考虑的比较少。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是：如何提高带捕碳装置的燃煤发电厂的经济性，实现煤炭的高效率低碳排，乃至零碳排利用。
为了解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是提供一种带捕碳装置的燃煤发电系统，包括超临界二氧化碳循环子系统和和捕碳子系统；
所述超临界二氧化碳循环子系统包括二氧化碳压缩机，二氧化碳压缩机出口连接二氧化碳回热器高压二氧化碳进口，二氧化碳回热器高压二氧化碳出口连接燃煤锅炉高压二氧化碳进口，燃煤锅炉高压二氧化碳出口连接高压透平进口，高压透平第一乏气出口连接二氧化碳回热器高压透平乏气进口，二氧化碳回热器高压透平乏气出口连接预冷器进口，预冷器出口连接冷却器高压透平乏气进口，冷却器高压透平乏气出口连接二氧化碳压缩机进口；此回路构成一个低压比的超临界二氧化碳回路。
高压二氧化碳泵出口连接冷却器高压二氧化碳进口，冷却器高压二氧化碳出口连接二氧化碳回热器高压二氧化碳进口，二氧化碳回热器高压二氧化碳出口连接燃煤锅炉高压二氧化碳进口，燃煤锅炉高压二氧化碳出口连接高压透平进口，高压透平第二乏气出口连接燃煤锅炉低压二氧化碳进口，燃煤锅炉低压二氧化碳出口连接低压透平进口，低压透平出口连接二氧化碳回热器低压透平乏气进口，二氧化碳回热器低压透平乏气出口连接冷凝器低压透平乏气进口，冷凝器低压透平乏气出口连接高压二氧化碳泵进口；此回路构成一个高压比的超临界二氧化碳回路。
所述捕碳子系统包括空气液化装置，空气液化装置的液化空气出口连接液化空气储罐进口，液化空气储罐出口连接液化空气泵进口，液化空气泵出口连接二氧化碳凝华分离器空气进口，二氧化碳凝华分离器空气出口连接水汽凝华分离器空气进口，水汽凝华分离器空气出口连接水汽凝结分离器空气进口，凝结分离器空气出口连接大气环境；此回路构成液化空气冷却回路。
储热装置的高温侧端口分别连接二氧化碳回热器传热介质进口和空气液化装置传热介质出口，储热装置的低温侧端口分别连接二氧化碳回热器传热介质出口和空气液化装置传热介质进口；此回路构成空气液化装置余热回收回路。
烟气预处理装置进口连接燃煤锅炉烟气出口，烟气预处理装置出口连接水汽凝结分离器烟气进口，水汽凝结分离器烟气出口连接水汽凝华分离器烟气进口，水汽凝华分离器烟气出口连接二氧化碳凝华分离器烟气进口，二氧化碳凝华分离器脱碳气出口连接水汽凝华分离器脱碳气进口，水汽凝华分离器脱碳气出口连接水汽凝结分离器脱碳器进口，水汽凝结分离器脱碳气出口连接引风机进口，引风机出口连接大气环境；二氧化碳凝华分离器干冰出口连接干冰输送装置进口，干冰输送装置出口连接冷凝器干冰进口，冷凝器干冰融化成的液态二氧化碳出口连接低压二氧化碳泵进口，低压二氧化碳泵出口连接冷却器干冰融化成的液态二氧化碳进口，冷却器干冰融化成的液态二氧化碳出口连接二氧化碳收集装置进口。此回路构成二氧化碳凝华捕碳回路。
优选地，所述二氧化碳回热器为多股流换热器，由一个以上换热器串联和/ 或并联组合而成。
优选地，所述冷却器为多股流换热器，由一个以上换热器串联和/或并联组合而成。
优选地，所述高压透平、低压透平与发电机同轴连接，所述高压透平和低压透平推动发电机产生电能。
优选地，所述水汽凝结分离器设有凝结水排出口。
优选地，所述水汽凝华分离器设有除冰装置和冰排出口。
优选地，所述烟气预处理装置设有烟气脱硫及脱水装置。
本实用新型还提供了一种带捕碳装置的燃煤发电方法，其特征在于：采用上述的带捕碳装置的燃煤发电系统，步骤为：煤炭在燃煤锅炉中燃烧产生热量，所述热量提供给超临界二氧化碳循环子系统发电，同时燃煤锅炉排放富含二氧化碳的烟气，所述烟气通过捕碳子系统脱碳，并完成二氧化碳捕集；与此同时，捕碳子系统将多余的热量和冷量提供给超临界二氧化碳循环子系统；在发电低谷时，空气液化装置加大负荷，并储存液化空气和余热；在发电高峰时，空气液化装置减小负荷，并释放储存的液化空气和余热。
优选地，所述超临界二氧化碳循环子系统的工作过程是：
二氧化碳压缩机将液态二氧化碳工质升压，同时高压二氧化碳泵将液态二氧化碳工质升到相同的压力，两股升压后的二氧化碳工质汇合进入二氧化碳回热器吸收热量，再进入燃煤锅炉加热，然后进入高压透平膨胀做功，高压透平排气分为两路：
一路直接进入二氧化碳回热器；高压透平乏气经二氧化碳回热器释放热量后进入预冷器冷却，再进入冷却器进一步冷却凝结成液态，然后进入二氧化碳压缩机；
另一路回到燃煤锅炉被再热，然后进入低压透平膨胀做功，再进入二氧化碳回热器；低压透平乏气经二氧化碳回热器释放热量后进入冷凝器与来自干冰输送装置的干冰换热转变成液态二氧化碳，然后这部分液态二氧化碳进入高压二氧化碳泵。
优选地，所述捕碳子系统的工作过程是：
空气液化装置将空气液化后储存于液化空气储罐中，液化空气泵将液化空气储罐中的液化空气输送至二氧化碳凝华分离器，液化空气依次经二氧化碳凝华分离器、水汽凝华分离器、水汽凝结分离器逐级释放冷量，最后排至大气环境；空气液化中压缩过程产生的余热通过传热介质储存于储热装置中，这部分热量通过传热介质经二氧化碳回热器低温段传递给来自二氧化碳压缩机和高压二氧化碳泵的二氧化碳工质；燃煤锅炉排出的烟气先经烟气预处理装置脱硫并脱除部分水，再经水汽凝结分离器冷却进一步脱水，再经水汽凝华分离器进一步冷却至水的凝华温度以下，烟气中的水分凝华成冰，再经二氧化碳凝华分离器深冷至二氧化碳的凝华温度以下，烟气中的二氧化碳凝华成干冰，脱碳后的烟气将余冷从水汽凝华分离器、水汽凝结分离器释放，最后排至大气环境；
二氧化碳凝华分离器产出的干冰经干冰输送装置输送至冷凝器中，干冰与低压透平乏气换热转变为液态二氧化碳，然后这部分液态二氧化碳进入低压二氧化碳泵增压，再经冷却器释放余冷，最后进入二氧化碳收集装置收集。
优选地，所述空气液化装置在发电低谷时段调高产量，在发电高峰时段调低产量。
优选地，所述二氧化碳压缩机和高压二氧化碳循环泵将二氧化碳工质增压至20MPa以上。
优选地，所述高压透平进口工质温度为600℃以上。
优选地，所述高压透平出口工质压力不高于6MPa。
优选地，所述低压透平出口工质压力不高于1MPa。
优选地，所述低压二氧化碳泵出口二氧化碳压力为8～10MPa。
优选地，所述二氧化碳收集装置收集的二氧化碳可用于工业用途、增强型石油开采或者进行封存。
优选地，所述储热装置的传热介质为水。
相比现有技术，本实用新型提供的带捕碳装置的燃煤发电系统及方法具有如下有益效果：
1、可实现燃煤电厂的零二氧化碳排放，烟气可被液化空气冷却至-150℃以下，此时烟气中二氧化碳饱和分压力低于10-5MPa，烟气中二氧化碳含量低于大气中二氧化碳含量。
2、空气液化过程的余热可被回收并提供给超临界二氧化碳循环用于发电，同时，液化空气的冷量传递给干冰再传递给超临界二氧化碳循环用于冷端工质冷凝，大大提高了超临界二氧化碳循环发电效率，这两方面因素相当于使捕碳过程的净能耗降低，提高了电厂的经济性。
3、空气液化过程具有储能功能，使发电系统在上网低谷时仍保持较高的负荷，有利于增大电厂负荷调节能力。
附图说明
图1为本实施例提供的带捕碳装置的燃煤发电系统示意图；
附图标记说明：
1—二氧化碳压缩机，2—二氧化碳回热器，3—燃煤锅炉，4—高压透平，5 —预冷器，6—高压二氧化碳泵，7—冷却器，8—低压透平，9—冷凝器，10—发电机，11—空气液化装置，12—液化空气储罐，13—液化空气泵，14—二氧化碳凝华分离器，15—水汽凝华分离器，16—水汽凝结分离器，17—烟气预处理装置， 18—引风机，19—干冰输送装置，20—低压二氧化碳泵，21—二氧化碳收集装置， 22—储热装置。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型。
图1为本实施例提供的带捕碳装置的燃煤发电系统示意图，所述的带捕碳装置的燃煤发电系统包括超临界二氧化碳循环子系统和和捕碳子系统。
所述超临界二氧化碳循环子系统包括二氧化碳压缩机1、二氧化碳回热器2、燃煤锅炉3、高压透平4、预冷器5、高压二氧化碳泵6、冷却器7、低压透平8、冷凝器9、发电机10。
所述二氧化碳压缩机1出口连接二氧化碳回热器2高压二氧化碳进口，二氧化碳回热器2高压二氧化碳出口连接燃煤锅炉3高压二氧化碳进口，燃煤锅炉3 高压二氧化碳出口连接高压透平4进口，高压透平4两个出口中的一个出口连接二氧化碳回热器2高压透平乏气进口，二氧化碳回热器2高压透平乏气出口连接预冷器5进口，预冷器5出口连接冷却器7高压透平乏气进口，冷却器7高压透平乏气出口连接二氧化碳压缩机1进口。
高压二氧化碳泵6出口连接冷却器7高压二氧化碳进口，冷却器7高压二氧化碳出口连接二氧化碳回热器2高压二氧化碳进口，二氧化碳回热器2高压二氧化碳出口连接燃煤锅炉3高压二氧化碳进口，燃煤锅炉3高压二氧化碳出口连接高压透平4进口，高压透平4两个出口中的另一个出口连接燃煤锅炉3低压二氧化碳进口，燃煤锅炉3低压二氧化碳出口连接低压透平8进口，低压透平8出口连接二氧化碳回热器2低压透平乏气进口，二氧化碳回热器2低压透平乏气出口连接冷凝器9低压透平乏气进口，冷凝器9低压透平乏气出口连接高压二氧化碳泵6进口。高压透平4、低压透平8与发电机10同轴连接。
所述捕碳子系统包括空气液化装置11、液化空气储罐12、液化空气泵13、二氧化碳凝华分离器14、水汽凝华分离器15、水汽凝结分离器16、烟气预处理装置17、引风机18、干冰输送装置19、低压二氧化碳泵20、二氧化碳收集装置 21、储热装置22。
所述空气液化装置11的液化空气出口连接液化空气储罐12进口，液化空气储罐12出口连接液化空气泵13进口，液化空气泵13出口连接二氧化碳凝华分离器14空气进口，二氧化碳凝华分离器14空气出口连接水汽凝华分离器15空气进口，水汽凝华分离器15空气出口连接水汽凝结分离器16空气进口，凝结分离器16空气出口连接大气环境。
所述储热装置22的高温侧端口分别连接二氧化碳回热器2传热介质进口和空气液化装置11传热介质出口，储热装置22的低温侧端口分别连接二氧化碳回热器2传热介质出口和空气液化装置11传热介质进口。
所述烟气预处理装置17进口连接燃煤锅炉3烟气出口，烟气预处理装置17 出口连接水汽凝结分离器16烟气进口，水汽凝结分离器16烟气出口连接水汽凝华分离器15烟气进口，水汽凝华分离器15烟气出口连接二氧化碳凝华分离器 14烟气进口，二氧化碳凝华分离器14脱碳气出口连接水汽凝华分离器15脱碳气进口，水汽凝华分离器15脱碳气出口连接水汽凝结分离器16脱碳器进口，水汽凝结分离器16脱碳气出口连接引风机18进口，引风机18出口连接大气环境。二氧化碳凝华分离器14干冰出口连接干冰输送装置19进口，干冰输送装置19 出口连接冷凝器9干冰进口，冷凝器9干冰融化成的液态二氧化碳出口连接低压二氧化碳泵20进口，低压二氧化碳泵20出口连接冷却器7干冰融化成的液态二氧化碳进口，冷却器7干冰融化成的液态二氧化碳出口连接二氧化碳收集装置 21进口。
各回路中的设备之间通过管道连接，根据系统运行和控制需要，管道上可布置阀门、流体机械、仪表。组成系统的其它部分还有辅助设施、电气系统、仪控系统等，以及为满足安全要求的设施。
本实施例提供的带捕碳装置的燃煤发电系统使用时的具体工作过程如下：
二氧化碳压缩机1将液态二氧化碳工质升到30MPa高压，同时高压二氧化碳泵6将液态二氧化碳工质升到相同的高压。两股二氧化碳工质汇合进入二氧化碳回热器2吸收热量，再进入燃煤锅炉3加热至620℃，高温高压的二氧化碳工质进入高压透平4膨胀做功，压力降至6MPa。高压透平4排气分为两路：
一路直接进入二氧化碳回热器2；高压透平4乏气经二氧化碳回热器2释放热量后进入预冷器5冷却，再进入冷却器7进一步冷却凝结成液态，然后进入二氧化碳压缩机1；
另一路回到燃煤锅炉3被再热至620℃，然后进入低压透平8膨胀做功，压力降至1MPa，再进入二氧化碳回热器2。低压透平8乏气经二氧化碳回热器2 释放热量后进入冷凝器9与来自干冰输送装置19的干冰换热转变成液态二氧化碳，然后这部分液态二氧化碳进入高压二氧化碳泵6。
高压透平4和低压透平8推动发电机10产生电能。
空气液化装置11将空气液化后储存于液化空气储罐12中，液化空气泵13 将液化空气储罐12中的液化空气输送至二氧化碳凝华分离器14，液化空气依次经二氧化碳凝华分离器14、水汽凝华分离器15、水汽凝结分离器16逐级释放冷量，最后排至大气环境。空气液化中压缩过程产生的余热通过传热介质储存于储热装置22中，这部分热量通过传热介质经二氧化碳回热器2低温段传递给来自二氧化碳压缩机1和高压二氧化碳泵6的二氧化碳工质。燃煤锅炉3排出的烟气先经烟气预处理装置17脱硫并脱除部分水，再经水汽凝结分离器16冷却进一步脱水，再经水汽凝华分离器15进一步冷却至水的凝华温度以下，烟气中的水分凝华成冰，再经二氧化碳凝华分离器14深冷至二氧化碳的凝华温度以下，烟气中的二氧化碳凝华成干冰，脱碳后的烟气将余冷从水汽凝华分离器15、水汽凝结分离器16释放，最后排至大气环境。
二氧化碳凝华分离器14产出的干冰经干冰输送装置19输送至冷凝器9中，干冰与低压透平8乏气换热转变为液态二氧化碳，然后这部分液态二氧化碳进入低压二氧化碳泵20增压至9MPa，再经冷却器7释放余冷，最后进入二氧化碳收集装置21收集。空气液化装置11在发电低谷时段调高产量，在发电高峰时段调低产量。
按照上述运行方法，所述带捕碳装置的燃煤发电系统可实现零碳排，当采用高效率透平机械和换热器时，有望达到常规燃煤发电系统的效率。
以上所述，仅为本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型方法的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本实用新型的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本实用新型的等效实施例；同时，凡依据本实用新型的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本实用新型的技术方案的范围内。
