CN109854321B - 一种纯氧燃烧超临界二氧化碳循环发电系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种纯氧燃烧超临界二氧化碳循环发电系统及方法，包括：二氧化碳泵、中间冷却器、回热器、透平、发电机、预热器、纯氧燃烧锅炉、除尘器、冷却器、水分离器、冷凝器、不凝气体分离器、燃料供给装置、氧气供给装置等。将燃烧室布置到透平排气口下游，产生的热量传递给透平排气工质和燃烧产物气体的混合气，通过回热器将此热量传递给透平进气，混合气冷却后将二氧化碳与水、不凝气体进行分离和处置，燃烧产生的多余二氧化碳直接捕集。本发明系统能量利用率高，纯氧燃烧锅炉的燃烧热量得到充分利用，并且循环系统发电效率高；系统无烟囱，并可100％捕集二氧化碳，方便地处理排放的氮氧化物、硫氧化物污染气体。
Description
技术领域
本发明涉及一种纯氧燃烧超临界二氧化碳循环发电系统，属于动力循环技术领域。
背景技术
超临界二氧化碳动力循环是当前的研究热点，其循环效率高，用途广，被认为具有良好的应用前景。超临界二氧化碳动力循环可分为两类：一类采用直燃加热方式，超临界二氧化碳在燃烧器中被燃气直接加热至高温，燃烧产物在透平出口后的处理工艺中排放或收集；另一类采用间接加热方式，超临界二氧化碳由主加热器加热至高温，主加热器可由燃料燃烧、聚光太阳能热、核能等多种方式提供热量。由于直燃加热可以获得高的初参数，加上超临界二氧化碳循环所采用的回热、临界点附近压缩减少耗功等方法，使直燃加热循环具有远高于间接加热循环的热效率，并且可以直接捕碳。但是，直燃加热的超临界二氧化碳循环不宜采用煤炭或其它的固体燃料，主要问题是燃烧产生的固体颗粒物会进入到透平，可能导致透平失效。
如何充分利用在二氧化碳气氛下燃料纯氧燃烧的捕碳优势和超临界二氧化碳循环的效率优势，并且避免固体颗粒物损伤透平，是本领域技术人员致力于解决的难题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：如何充分发挥纯氧燃烧直接加热的捕碳优势和超临界二氧化碳循环的效率优势，构建新型高效的纯氧燃烧超临界二氧化碳循环发电系统。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种纯氧燃烧超临界二氧化碳循环发电系统，其特征在于包括：第一二氧化碳泵，第一二氧化碳泵出口连接中间冷却器进口，中间冷却器出口连接第二二氧化碳泵进口，第二二氧化碳泵出口连接低温回热器低温侧进口，低温回热器低温侧出口连接高温回热器低温侧进口，高温回热器低温侧出口连接透平进口，透平连接发电机，透平出口连接预热器低温侧进口，预热器低温侧出口连接纯氧燃烧锅炉工质进口，燃料供给装置和氧气供给装置分别连接纯氧燃烧锅炉燃料进口和氧气进口，纯氧燃烧锅炉工质出口连接除尘器进口，除尘器出口连接高温回热器高温侧进口，高温回热器高温侧出口连接预热器高温侧进口，预热器高温侧出口连接低温回热器高温侧进口，低温回热器高温侧出口连接冷却器进口，冷却器出口连接水分离器进口，水分离器出口连接冷凝器进口，冷凝器出口连接不凝气体分离器进口，不凝气体分离器出口连接第一二氧化碳泵进口。
优选地，所述燃料供给装置提供煤炭或其它固体燃料。
本发明还提供了一种纯氧燃烧超临界二氧化碳循环发电方法，采用上述的纯氧燃烧超临界二氧化碳循环发电系统，步骤为：液态二氧化碳工质经第一二氧化碳泵增压后，经中间冷却器冷却后，进入第二二氧化碳泵进一步增压，再经低温回热器和高温回热器吸热，然后进入透平膨胀做功推动发电机产生电力，透平排气进入预热器加热，再进入纯氧燃烧锅炉被燃料和氧气燃烧加热，形成的混合工质进入除尘器除尘，然后依次进入高温回热器、预热器、低温回热器释放热量，再经冷却器冷却，进入水分离器除湿，再进入冷凝器将二氧化碳凝结成液态，然后经不凝气体分离器将不凝气体排出至处理环节，液体的二氧化碳回到第一二氧化碳泵。
优选地，所述处理环节中，燃烧产生的多余二氧化碳排出后收集。
优选地，所述第一二氧化碳循环泵出口压力为15～25MPa。
优选地，所述第二二氧化碳循环泵出口压力为25～40MPa。
优选地，所述透平的进气温度为600～850℃。
优选地，所述透平的排气压力为8MPa以下。
优选地，所述纯氧燃烧超临界二氧化碳循环发电系统的发电容量为50MWe～1000MWe。
优选地，所述不凝气体分离器排出的不凝气体，如：氮氧化物、硫氧化物，经分离后可用于化工用途。
优选地，所述水分离器排出的水，经处理后可获得高纯度的硫酸。
相比现有技术，本发明提供的纯氧燃烧超临界二氧化碳循环发电系统具有如下有益效果：系统能量利用率高，纯氧燃烧锅炉的燃烧热量得到充分利用，并且循环系统发电效率高；系统无烟囱，并可100％捕集二氧化碳，方便地处理排放的氮氧化物、硫氧化物污染气体。
附图说明
图1为本实施例提供的纯氧燃烧超临界二氧化碳循环发电系统示意图；
附图标记说明：
1-第一二氧化碳泵，2-中间冷却器，3-第二二氧化碳泵，4-低温回热器，5-高温回热器，6-透平，7-发电机，8-预热器，9-纯氧燃烧锅炉，10-除尘器，11-冷却器，12-水分离器，13-冷凝器，14-不凝气体分离器，15-燃料供给装置，16-氧气供给装置。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
本实施例为了充分利用在二氧化碳气氛下燃料纯氧燃烧的捕碳优势和超临界二氧化碳循环的效率优势，并且避免固体颗粒物损伤透平，将燃烧室布置到透平排气口下游，产生的热量传递给透平排气工质和燃烧产物气体的混合气，通过回热器将此热量传递给透平进气，混合气冷却后将二氧化碳与水、不凝气体进行分离和处置，燃烧产生的多余二氧化碳直接捕集。
图1为本实施例提供的纯氧燃烧超临界二氧化碳循环发电系统的示意图，所述的纯氧燃烧超临界二氧化碳循环发电系统包括第一二氧化碳泵1，第一二氧化碳泵1出口连接中间冷却器2进口，中间冷却器2出口连接第二二氧化碳泵3进口，第二二氧化碳泵3出口连接低温回热器4低温侧进口，低温回热器4低温侧出口连接高温回热器5低温侧进口，高温回热器5低温侧出口连接透平6进口，透平6连接发电机7，透平6出口连接预热器8低温侧进口，预热器8低温侧出口连接设置有排渣口的纯氧燃烧锅炉9的工质进口，燃料供给装置15和氧气供给装置16的出口分别连接纯氧燃烧锅炉9燃料进口和氧气进口，纯氧燃烧锅炉9工质出口连接设置有排灰口的除尘器10进口，除尘器10出口连接高温回热器5高温侧进口，高温回热器5高温侧出口连接预热器8高温侧进口，预热器8高温侧出口连接低温回热器4高温侧进口，低温回热器4高温侧出口连接冷却器11进口，冷却器11出口连接设置有排水口的水分离器12进口，水分离器12出口连接冷凝器13进口，冷凝器13出口连接设置有排气口的不凝气体分离器14进口，不凝气体分离器14出口连接第一二氧化碳泵1进口。
上述循环系统中各个设备之间通过管道连接，根据系统控制需要，管道上可布置阀门、仪表，组成系统的其它部分还有辅助设施、电气系统、控制系统等。
本实施例提供的纯氧燃烧超临界二氧化碳循环发电系统的具体实施步骤如下：
液态二氧化碳工质经第一二氧化碳泵1增压至15MPa后，经中间冷却器2冷却，然后进入第二二氧化碳泵3进一步增压至30MPa，再经低温回热器4和高温回热器5吸热至750℃，高温高压工质进入透平6膨胀至约6MPa，透平6做功推动发电机7产生电力，透平6排气进入预热器8加热，再进入纯氧燃烧锅炉9被燃料和氧气燃烧加热，形成的高温混合工质进入除尘器10除尘，然后进入高温回热器5、预热器8、低温回热器4释放热量，然后经冷却器11冷却，进入水分离器12除湿，再进入冷凝器13将二氧化碳凝结成液态(约20℃)，然后经不凝气体分离器14将不凝气体排出至处理环节，燃烧产生的多余二氧化碳排出后收集，其余的二氧化碳回到第一二氧化碳泵1。
根据上述的实施例，可组成50MWe～1000MWe的中、大容量等级的机组，扣除氧气供应装置(如：空分设备)及其它厂用电后，发电的净效率可达50％以上，并且100％捕碳、无污染物排放，具有相当优良的环境效益。
应当理解的是，虽然在这里可能使用量术语“第一”、“第二”等等来描述各个单元，但是这些单元不应当受这些术语限制。使用这些术语仅仅是为了将一个单元与另一个单元进行区分。举例来说，在不背离示例性实施例的范围的情况下，第一单元可以被称为第二单元，并且类似地第二单元可以被称为第一单元。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明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，在不脱离本发明方法的前提下，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发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明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，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明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，均仍属于本发明的技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种纯氧燃烧超临界二氧化碳循环发电系统，其特征在于：包括第一二氧化碳泵(1)，第一二氧化碳泵(1)出口连接中间冷却器(2)进口，中间冷却器(2)出口连接第二二氧化碳泵(3)进口，第二二氧化碳泵(3)出口连接低温回热器(4)低温侧进口，低温回热器(4)低温侧出口连接高温回热器(5)低温侧进口，高温回热器(5)低温侧出口连接透平(6)进口，透平(6)连接发电机(7)，透平(6)出口连接预热器(8)低温侧进口，预热器(8)低温侧出口连接纯氧燃烧锅炉(9)工质进口，燃料供给装置(15)和氧气供给装置(16)分别连接纯氧燃烧锅炉(9)燃料进口和氧气进口，纯氧燃烧锅炉(9)工质出口连接除尘器(10)进口，除尘器(10)出口连接高温回热器(5)高温侧进口，高温回热器(5)高温侧出口连接预热器(8)高温侧进口，预热器(8)高温侧出口连接低温回热器(4)高温侧进口，低温回热器(4)高温侧出口连接冷却器(11)进口，冷却器(11)出口连接水分离器(12)进口，水分离器(12)出口连接冷凝器(13)进口，冷凝器(13)出口连接不凝气体分离器(14)进口，不凝气体分离器(14)出口连接第一二氧化碳泵(1)进口。
2.如权利要求1所述的一种纯氧燃烧超临界二氧化碳循环发电系统，其特征在于：所述燃料供给装置(16)提供固体燃料。
3.如权利要求2所述的一种纯氧燃烧超临界二氧化碳循环发电系统，其特征在于：所述固体燃料包括但不限于煤炭。
4.一种纯氧燃烧超临界二氧化碳循环发电方法，其特征在于：采用如权利要求1～3任一项所述的纯氧燃烧超临界二氧化碳循环发电系统，步骤为：液态二氧化碳工质经第一二氧化碳泵(1)增压后，经中间冷却器(2)冷却，然后进入第二二氧化碳泵(3)进一步增压，再经低温回热器(4)和高温回热器(5)吸热，然后进入透平(6)膨胀做功推动发电机(7)产生电力，透平(6)排气进入预热器(8)加热，再进入纯氧燃烧锅炉(9)被燃料和氧气燃烧加热，形成的混合工质进入除尘器(10)除尘，然后依次进入高温回热器(5)、预热器(8)、低温回热器(4)释放热量，再经冷却器(11)冷却，进入水分离器(12)除湿，再进入冷凝器(13)将二氧化碳凝结成液态，然后经不凝气体分离器(14)将不凝气体排出至处理环节，液态的二氧化碳回到第一二氧化碳泵(1)。
5.如权利要求4所述的一种纯氧燃烧超临界二氧化碳循环发电方法，其特征在于：所述处理环节中，燃烧产生的多余二氧化碳排出后收集。
6.如权利要求4所述的一种纯氧燃烧超临界二氧化碳循环发电方法，其特征在于：所述第一二氧化碳泵(1)出口压力为15～25MPa。
7.如权利要求4所述的一种纯氧燃烧超临界二氧化碳循环发电方法，其特征在于：所述第二二氧化碳泵(3)出口压力为25～40MPa。
8.如权利要求4所述的一种纯氧燃烧超临界二氧化碳循环发电方法，其特征在于：所述透平(6)的进气温度为600～850℃、排气压力为8MPa以下。
9.如权利要求4所述的一种纯氧燃烧超临界二氧化碳循环发电方法，其特征在于：所述不凝气体分离器(14)排出的不凝气体经分离后用于化工用途。
10.如权利要求4所述的一种纯氧燃烧超临界二氧化碳循环发电方法，其特征在于：所述水分离器(12)排出的水，经处理后得到硫酸。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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