CN108729965A - 联合钙基链的部分富氧燃烧的发电***及co2捕集方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种联合钙基链的部分富氧燃烧的发电***及CO2捕集方法，以空气、氧气及再循环烟气的混合气作为助燃剂的部分富氧方法，使锅炉出口烟气CO2气体浓度提高至30％～60％，此烟气进入基于钙基的化学链燃烧后捕捉装置，钙基反应性大为提高，CO2捕捉效率达到95％以上，并提高了总发电量。本发明兼顾了制氧成本、载碳体成本、能耗和CO2捕捉效率的综合效率最佳，将部分富氧燃烧和钙基化学链两种先进的碳捕捉技术相结合，具有经济性好，工艺简单，能耗低、碳捕捉效率高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及燃煤发电技术与电力行业CO2捕捉领域，特别涉及一种联合钙基化学链的部分富氧燃烧的燃煤发电***及CO2捕集方法。
背景技术
自从工业文明以来，地球大气中的CO2浓度由于人类的生产活动而急剧上升。中国人口众多，经济发展水平相对较低，正处于工业化、城镇化加快发展的重要阶段，CO2的控制面临着巨大压力和特殊困难。电力生产是一个集中的CO2排放源，控制和减缓电力生产中CO2排放对于解决温室效应问题具有重要意义。根据***政府间气候变化委员会(IPCC)的调查，将碳捕获与封存技术(CCS)技术应用于燃料能源利用过程中，能将全球CO2排放量减少20％～40％，将对减缓气候变化产生积极的影响。
电力行业的CO2捕集主要有燃烧前捕获、燃烧后捕获及富氧燃烧捕获3种技术路线。其中富氧燃烧技术又被称为氧燃料燃烧技术(Oxy-Fuel Combustion)，是指锅炉尾部排烟的一部分烟气经再循环***送至炉前，与空气分离装置制取的高浓度氧气(O2含量在95％以上)按一定比例混合后，携带燃料经燃烧器送入炉膛进行燃烧，并完成传热过程。富氧燃烧的吸引力在于烟气量小，CO2浓度提升，不需要溶剂，便于大规模化、低成本地压缩冷却回收CO2；***设备尺寸相对较小，与现有电厂在主流技术上有良好的承接性，适用于现有改造和新建机组，容易被电力行业接受。
但是由于富氧燃烧需要大量的纯氧供燃料燃烧，目前工业化应用的空气分离器能耗过高，使得全厂效率降低8～10％左右，大大增加了发电成本，严重制约了该技术的发展。此外，富氧燃烧会导致锅炉炉内温度较高，既需要新增大功率的再循环风机，通入大量循环烟气以维持燃烧温度，炉体还需要采用耐高温材料。部分富氧燃烧采用混合空气、氧气和循环烟气的方式降低了炉温，减少了所需的氧气量和循环烟气量，从而降低了空气分离器和循环风机的能耗，也降低了对炉体和燃烧器材料的要求，有利于减少锅炉和燃烧器成本。但是部分富氧燃烧使得锅炉出口烟气CO2浓度下降，降低了CO2捕捉率。
基于钙基的化学链燃烧具备CO2分离的特点，单独作为燃烧后捕捉方式，载碳体与CO2浓度为10～15％左右的烟气反应活性略差，CO2捕捉率不高，但其便于与其他***耦合实现CO2高效捕捉。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种联合钙基链的部分富氧燃烧的发电***，在实现部分富氧燃烧过程的同时有效降低需氧量和制氧能耗，在实现基于钙基化学链的燃烧后捕捉CO2的同时，增强载碳体反应活性，提高CO2捕捉效率和发电量。
本发明的另一目的在于提供一种基于上述发电***的CO2捕集方法。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种联合钙基链的部分富氧燃烧的发电***，包括：烟气循环部分富氧燃煤锅炉，主蒸汽发电***，基于钙基的化学链燃烧后捕捉装置，CO2冷却压缩装置和空气分离器；
空气分离器分别与燃煤锅炉和化学链燃烧后捕捉装置连接，燃煤锅炉的烟气其中一路进入化学链燃烧后捕捉装置，然后化学链燃烧后捕捉装置继续与CO2冷却压缩装置连接；同时燃煤锅炉与主蒸汽发电***连接。
优选的，在燃煤锅炉中进行部分富氧燃烧，所产生的热量通过主汽水循环，推动主汽轮机(6)做功，主发电机(17)发电。
优选的，燃煤锅炉烟气出口依次连接空气预热器(2)和除尘器(3)，除尘器经主循环风机(5)又连接回空气预热器(2)，燃煤锅炉(1)出口的烟气经过空气预热器(2)和除尘器(3)，燃煤锅炉(1)出口的烟气第一路经主循环风机(5)进入空气预热器(2)，并与预热空气和空气分离器制取的氧气混合后进入燃煤锅炉。
进一步的，除尘器(3)继续连接冷循环风机(7)，燃煤锅炉(1)出口的烟气第二路作为煤仓的燃煤输送动力，经冷循环风机(7)携带煤粉送入燃煤锅炉(1)炉膛。
进一步的，除尘器(3)继续连接压缩机(8)、换热器(9)和引风机(10)，燃煤锅炉(1)出口的烟气第三路通过压缩机(8)、换热器(9)和引风机(10)进入化学链燃烧后捕捉装置。
优选的，除尘器(3)出口与脱硫设备(4)相连，脱硫设备(4)连接冷循环风机(7)，燃煤锅炉(1)出口的烟气第二路作为煤仓的燃煤输送动力，流经脱硫设备(4)后，经冷循环风机(7)携带煤粉送入燃煤锅炉(1)炉膛。
进一步的，脱硫设备(4)继续连接压缩机(8)、换热器(9)和引风机(10)，燃煤锅炉(1)出口的烟气经过脱硫设备(4)净化后第三路通过压缩机(8)、换热器(9)和引风机(10)进入化学链燃烧后捕捉装置。
优选的，化学链燃烧后捕捉装置包括依次连接的煅烧反应器(12)、载碳体循环换热设备(13)和吸收反应器(11)，空气分离器(19)制取的氧气其中一路送入煅烧反应器(12)与煤燃烧，为CaCO3煅烧提供热量，燃煤锅炉的烟气其中一路进入吸收反应器(11)，烟气在吸收反应器(11)脱除杂质包括CO2和SO2；生成的CaCO3通过载碳体循环换热设备(13)进入煅烧反应器(12)裂解和再生。
优选的，化学链燃烧后捕捉装置连接次蒸汽发电***，次蒸汽发电***包括汽水***、次汽轮机(14)和次发电机(18)，吸收反应器(11)出口连接烟气冷却器(20)，煅烧反应器(12)连接二氧化碳冷却器(15)，吸收反应器(11)出口的净化烟气和煅烧反应器(12)的高纯CO2气体温度高，所携带热量分别通过烟气冷却器(20)和二氧化碳冷却器(15)被回收利用，以增加次蒸汽发电***发电量。
优选的，吸收反应器(11)出口的已被脱碳脱硫的高温净化烟气，依次经过烟气冷却器(20)和换热器(9)降温后，被排出。
优选的，除尘器(3)还与灰斗(21)连接。
优选的，空气分离器(19)采用深冷法制取纯度90％以上的氧气。
一种联合钙基链的部分富氧燃烧的发电***CO2捕集方法，以空气、氧气及再循环烟气的混合气作为助燃剂的部分富氧方法，使锅炉出口烟气CO2气体浓度提高至30％～60％，此烟气进入基于钙基的化学链燃烧后捕捉装置，再进行深度脱除CO2。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
(1)将部分富氧燃烧技术与基于钙链化学链燃烧技术集成，与单独的富氧燃烧技术相比，能减少了所需的氧气量和循环烟气量，从而降低了空气分离器和循环风机的能耗，也降低了对炉体和燃烧器材料的要求，有利于减少锅炉和燃烧器成本，并增加发电量。
(2)将部分富氧燃烧技术与基于钙链化学链燃烧技术集成，与单独的化学链燃烧后捕捉技术相比，经部分富氧循环燃烧后烟气中CO2浓度提升，钙基吸附剂与CO2的反应活性提高，有效控制锅炉排烟中CO2浓度进一步富集到95％以上。
(3)第二路循环烟气作为煤仓的燃煤输送动力，经冷循环风机携带煤粉送入燃煤锅炉炉膛，节约了煤粉输送的能耗，也有利于锅炉的稳燃。
附图说明
图1是实施例***结构示意图。
图1中：1-锅炉；2-空气预热器；3-除尘器；4-脱硫设备；5-主循环风机；6-主汽轮机；7-冷循环风机；8-压缩机；9-换热器；10-引风机；11-吸收反应器；12-煅烧反应器；13-载碳体循环换热设备；14-次汽轮机；15-二氧化碳冷却器，16-二氧化碳压缩机；17-主发电机；18-次发电机；19-空气分离器；20-烟气冷却器，21-灰斗。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
一种联合钙基化学链的部分富氧燃烧的燃煤发电***及CO2捕集方法，以空气、氧气及再循环烟气的混合气作为助燃剂的部分富氧方法，使锅炉出口烟气CO2气体浓度提高至30％～60％，此烟气进入基于钙基的化学链燃烧后捕捉装置，再进行深度脱除CO2。
联合钙基化学链的部分富氧燃烧的燃煤发电***主要包括烟气循环部分富氧燃煤锅炉，烟气除尘和脱硫装置，主蒸汽发电***，基于钙基的化学链燃烧后捕捉装置，次蒸汽发电***，CO2冷却压缩装置和空气分离器。
锅炉出口烟气CO2气体浓度比例可通过调整空气、氧气及再循环烟气的比例进行优化控制，在燃煤锅炉(1)中进行部分富氧燃烧，所产生的热量可通过主汽水循环，推动主汽轮机(6)做功，主发电机(17)发电。
空气分离器(19)采用深冷法制取纯度90％以上的氧气，高浓度氧气分为两路，一路氧气与预热空气及部分经除尘净化的循环烟气混合后送入燃煤锅炉(1)供煤燃烧；另一路氧气送入煅烧反应器(12)与煤燃烧，为CaCO3煅烧提供热量。
燃煤锅炉(1)出口的烟气经过空气预热器(2)和除尘器(3)，部分烟气经主循环风机(5)进入空气预热器(2)，并与预热空气和氧气混合后进入炉膛；第二路循环烟气作为煤仓的燃煤输送动力，流经脱硫设备(4)后，经冷循环风机(7)携带煤粉送入炉膛，传统空气燃烧条件下，空气中氧含量相对较高，为了防止磨煤机发生***，送粉温度最高不能超过120℃；富氧燃烧条件下使用循环烟气送粉，因为烟气中氧含量很低，不会发生***危险，进入磨粉机的烟温可在200℃左右；剩余净化后的烟气依次流经压缩机(8)、换热器(9)和引风机(10)，以较高温度进入化学链燃烧后捕捉***的吸收反应器(11)。
基于钙基的化学链燃烧后捕捉装置主要包括吸收反应器(11)、煅烧反应器(12)和载碳体循环换热设备(13)，其中烟气在吸收反应器(11)脱除CO2和SO2等杂质，反应温度为650℃；生成的CaCO3通过载碳体循环换热设备(13)进入煅烧反应器(12)裂解和再生,煅烧温度约为1000℃。
所述煅烧反应器(12)中CaCO3分解是强吸热过程，热量由煤与来自空气分离器(19)的纯氧反应提供，而吸收反应器(11)是强放热反应，产生的多余热量通过汽水***与次汽轮机(14)用于发电。
上述方案中，吸收反应器(11)出口的已被脱碳脱硫的高温净化烟气，依次经过载烟气冷却器(20)和换热器(9)降温后，被排出。
由于化学链为高温常压过程，吸收反应器(11)出口的净化烟气和煅烧反应器(12)的高纯CO2气体温度较高，所携带热量可分别通过烟气冷却器(20)和二氧化碳冷却器(15)被回收利用，以增加次汽轮机(14)做功量和次发电机(18)发电量。
上述方案中，除尘设备包括除尘器(3)和灰斗(21)，除尘器(3)入口与空气预热器(2)相连，出口与脱硫设备(4)相连。由于部分富氧燃料能减少SO2等硫化物，后续的钙基化学链捕捉方式对硫化物也一定的净化作用，因为若所用燃料为低硫煤，基于湿法脱硫法的脱硫设备(4)可以省略，除尘器(3)出口直接与压缩机(8)相连。若电厂所用燃料为高硫煤、中硫煤，为保证满足我国对电厂气体污染物最新最严的排放标准的要求，脱硫设备(4)仍需保留。
实施例2
如图1所示，图1是联合钙基化学链的部分富氧燃烧的燃煤发电***的示意图。如图1所示，它以空气、氧气及再循环烟气的混合气作为助燃剂，其中氧气的质量流量为96.4kg/s，循环烟气量为616kg/s，烟气循环比例为72％，预热空气的质量流量为100.2kg/s，使锅炉出口烟气CO2气体浓度提高至45％，此烟气进入基于钙基的化学链燃烧后捕捉装置，进行深度脱除，CO2的捕捉效率提高至97.6％。
联合钙基化学链的部分富氧燃烧的燃煤发电***主要包括烟气循环部分富氧燃煤锅炉，烟气除尘和脱硫装置，主蒸汽发电***，基于钙基的化学链燃烧后捕捉装置，次蒸汽发电***，CO2冷却压缩装置和空气分离器。
在燃煤锅炉(1)中进行部分富氧燃烧，产生的热量可通过主汽水循环，推动主汽轮机(6)做功，主发电机(17)发电，净发电量为502.3MW。
空气分离器(19)采用深冷法制取纯度为95％的氧气，高浓度氧气分为两路，一路氧气与预热空气及部分经除尘净化的循环烟气混合后送入燃煤锅炉(1)供煤燃烧；另一路氧气送入煅烧反应器(12)与煤燃烧，为CaCO3煅烧提供热量。两路氧气的质量流量分别为96.35kg/s和61.0kg/s。
燃煤锅炉(1)出口的烟气经过空气预热器(2)和除尘器(3)，第一路循环烟气经主循环风机(5)进入空气预热器(2)，并与预热空气和氧气混合后进入炉膛；第二路循环烟气作为煤仓的燃煤输送动力，流经脱硫设备(4)后，经冷循环风机(7)携带煤粉送入炉膛，循环烟气的质量总流量为616kg/s，第一路和第二路循环烟气的比例为8:2，煤粉量为42kg/s，传统空气燃烧条件下，空气中氧含量相对较高，为了防止磨煤机发生***，送粉温度最高不能超过120℃；富氧燃烧条件下使用循环烟气送粉，因为烟气中氧含量很低，不会发生***危险，进入磨粉机的烟温可在200℃左右；而剩余的烟气依次流经压缩机(8)、换热器(9)和引风机(10)，以170℃进入化学链燃烧后捕捉***的吸收反应器(11)，剩余烟气的质量流量为240kg/s。
基于钙基的化学链燃烧后捕捉装置主要包括吸收反应器(11)、煅烧反应器(12)和载碳体循环换热设备(13)，其中烟气在吸收反应器(11)脱除CO2和SO2等杂质，反应温度为650℃；生成的CaCO3通过载碳体循环换热设备(13)进入煅烧反应器(12)裂解和再生,煅烧温度约为1000℃。
所述煅烧反应器(12)中CaCO3分解是强吸热过程，热量由煤与来自空气分离器(19)的纯氧反应提供，进入的氧气量和煤粉量分别是61.3kg/s和23.4kg/s。而吸收反应器(11)是强放热反应，产生的多余热量通过汽水***与次汽轮机(14)用于发电。
所述吸收反应器(11)出口的已被脱碳脱硫的高温净化烟气，依次经过载烟气冷却器(20)和换热器(9)降温后，被排出。
由于化学链为高温常压过程，吸收反应器(11)出口的净化烟气和煅烧反应器(12)的高纯CO2气体温度较高，所携带热量可分别通过烟气冷却器(20)和二氧化碳冷却器(15)被回收利用，以增加次汽轮机(14)做功量和次发电机(18)发电量，次发电机(18)的净发电量为126.5MW。
所述除尘设备包括除尘器(3)和灰斗(21)，除尘器(3)入口与空气预热器(2)相连，出口与脱硫设备(4)相连。本实施例，电厂所用燃料为典型中硫烟煤，其组分和热值如表1所示，为保证满足我国对电厂气体污染物最新最严的排放标准的要求，脱硫设备(4)仍需保留。
表1煤炭的特性
为全面评价***性能，采用Aspen Plus模拟进行模拟。与常规空气燃烧的超临界燃煤机组作对比(热效率下降为38.5％，总发电量上升为478.6MW)，发现联合钙基化学链的部分富氧燃烧的燃煤发电***的热效率下降为29.8％，但总发电量上升为622.2MW。联合钙基化学链的部分富氧燃烧的燃煤发电***及CO2捕集方法,CO2的捕捉效率为97.6％，明显高于富氧燃烧技术约90％的CO2捕捉效率、和钙基化学链燃烧捕捉技术约80～85％的CO2捕捉效率。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.联合钙基链的部分富氧燃烧的发电***，其特征在于，包括：烟气循环部分富氧燃煤锅炉，主蒸汽发电***，基于钙基的化学链燃烧后捕捉装置，CO2冷却压缩装置和空气分离器；
空气分离器分别与燃煤锅炉和化学链燃烧后捕捉装置连接，燃煤锅炉的烟气其中一路进入化学链燃烧后捕捉装置，然后化学链燃烧后捕捉装置继续与CO2冷却压缩装置连接；同时燃煤锅炉与主蒸汽发电***连接。
2.根据权利要求1所述的联合钙基链的部分富氧燃烧的发电***，其特征在于，在燃煤锅炉中进行部分富氧燃烧，所产生的热量通过主汽水循环，推动主汽轮机(6)做功，主发电机(17)发电。
3.根据权利要求1所述的联合钙基链的部分富氧燃烧的发电***，其特征在于，燃煤锅炉烟气出口依次连接空气预热器(2)和除尘器(3)，除尘器经主循环风机(5)又连接回空气预热器(2)，燃煤锅炉(1)出口的烟气经过空气预热器(2)和除尘器(3)，燃煤锅炉(1)出口的烟气第一路经主循环风机(5)进入空气预热器(2)，并与预热空气和空气分离器制取的氧气混合后进入燃煤锅炉。
4.根据权利要求3所述的联合钙基链的部分富氧燃烧的发电***，其特征在于，除尘器(3)继续连接冷循环风机(7)，燃煤锅炉(1)出口的烟气第二路作为煤仓的燃煤输送动力，经冷循环风机(7)携带煤粉送入燃煤锅炉(1)炉膛。
5.根据权利要求3所述的联合钙基链的部分富氧燃烧的发电***，其特征在于，除尘器(3)继续连接压缩机(8)、换热器(9)和引风机(10)，燃煤锅炉(1)出口的烟气第三路通过压缩机(8)、换热器(9)和引风机(10)进入化学链燃烧后捕捉装置。
6.根据权利要求3或4所述的联合钙基链的部分富氧燃烧的发电***，其特征在于，除尘器(3)出口与脱硫设备(4)相连，脱硫设备(4)连接冷循环风机(7)和压缩机(8)。
7.根据权利要求1所述的联合钙基链的部分富氧燃烧的发电***，其特征在于，化学链燃烧后捕捉装置包括依次连接的煅烧反应器(12)、载碳体循环换热设备(13)和吸收反应器(11)，空气分离器(19)制取的氧气其中一路送入煅烧反应器(12)与煤燃烧，为CaCO3煅烧提供热量，燃煤锅炉的烟气其中一路进入吸收反应器(11)，烟气在吸收反应器(11)脱除杂质包括CO2和SO2；生成的CaCO3通过载碳体循环换热设备(13)进入煅烧反应器(12)裂解和再生。
8.根据权利要求7所述的联合钙基链的部分富氧燃烧的发电***，其特征在于，化学链燃烧后捕捉装置连接次蒸汽发电***，次蒸汽发电***包括汽水***、次汽轮机(14)和次发电机(18)，吸收反应器(11)出口连接烟气冷却器(20)，煅烧反应器(12)连接二氧化碳冷却器(15)，吸收反应器(11)出口的净化烟气和煅烧反应器(12)的高纯CO2气体所携带热量分别通过烟气冷却器(20)和二氧化碳冷却器(15)被回收利用，以增加次蒸汽发电***发电量。
9.根据权利要求7所述的联合钙基链的部分富氧燃烧的发电***，其特征在于，吸收反应器(11)出口的已被脱碳脱硫的高温净化烟气，依次经过烟气冷却器(20)和换热器(9)降温后，被排出。
10.基于权利要求1所述的发电***的CO2捕集方法，其特征在于，以空气、氧气及再循环烟气的混合气作为助燃剂的部分富氧方法，使燃煤锅炉出口烟气CO2气体浓度提高至30％～60％，此烟气进入基于钙基的化学链燃烧后捕捉装置，再进行深度脱除CO2。
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