CN109266396B - 一种采用超临界co2底循环的整体煤气化燃料电池发电***及方法 - Google Patents
一种采用超临界co2底循环的整体煤气化燃料电池发电***及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供的一种采用超临界CO2底循环的整体煤气化燃料电池发电***及方法，包括备煤单元、气化炉、煤气冷却器、循环气压缩机、引射器、燃料电池、阴极空气压缩机、阴极回热器、压缩机、纯氧燃烧器、CO2燃气透平、回热器、余热锅炉和汽轮机；在整体煤气化燃料电池发电***的基础上增加CO2的捕集，并利用CO2冷却加压装置将二氧化碳气体转化为超临界态CO2，并该超临界态CO2作为底循环，与纯氧、燃料电池阳极出口的尾气一起在纯氧燃烧器内进行反应，产生的高温高压气体在二氧化碳燃气透平中做功发电；该结构使得在燃料电池发电高效发电的基础上，进一步提高发电效率；同时，本***同时兼顾了CO2捕集功能，可高效、低成本地实现煤电发电的CO2减排。
Description
技术领域
本发明属于洁净煤发电技术领域，具体涉及一种整体煤气化燃料电池发电与超临界CO2循环发电***。
背景技术
整体煤气化燃料电池发电***IGFC是将煤气化发电技术与高温燃料电池结合的发电***，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。
超临界二氧化碳循环发电***是一种新型发电技术，是以超临界状态的二氧化碳为工质的布雷顿循环***，其循环过程是：首先，超临界二氧化碳经过压缩机升压；然后，利用换热器将工质等压加热；其次，工质进入热力透平，推动透平做功，透平带动电机发电；最后，工质进入冷却器，恢复到初始状态，再进入压气机形成闭式循环。超临界二氧化碳发电***具有能量密度大，传热效率高，***简单等先天优势，可以大幅提高热功转换效率，减小设备体积，具有很高的经济性和应用前景。
IGFC***中燃料电池尾气的主要成分为CO与H2，具有较高的热值，通常采用纯氧燃烧的方式，再使用燃气透平梯级利用尾气热量；这种传统利用方式的底循环效率较低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采用超临界CO2底循环的整体煤气化燃料电池发电***及方法，解决了现有的在IGFC***中，存在底循环效率较低的问题。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明提供的一种采用超临界CO2底循环的整体煤气化燃料电池发电***，包括备煤单元、气化炉、煤气冷却器、循环气压缩机、引射器、燃料电池、阴极空气压缩机、阴极回热器、压缩机、纯氧燃烧器、CO2燃气透平、回热器、余热锅炉和汽轮机，其中，备煤单元的干煤粉出口、高压氮气管道的出口、纯氧管道出口均连接至气化炉的入口，气化炉的顶部高温粗煤气出口连接煤气冷却器的入口，煤气冷却器的粗煤气出口分为两路，一路连接循环气压缩机的入口，另一路经过降温脱硫单元连接引射器的入口，引射燃料电池阳极出口的部分尾气，引射器的煤气出口连接燃料电池的阳极入口，燃料电池的阳极出口经过压缩机连接纯氧燃烧器的入口，纯氧燃烧器的高温高压气体出口连接CO2燃气透平的入口；
阴极空气压缩机的出口连接阴极回热器的冷侧入口，阴极回热器的高温空气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余热锅炉；
余热锅炉的燃烧尾气出口连接CO2冷却加压装置的入口，CO2冷却加压装置的超临界CO2出口连接回热器的冷侧入口。
优选地，CO2冷却加压装置包括尾气冷凝器、气水分离器、CO2压缩机、CO2冷凝器和CO2加压泵，其中，余热锅炉的燃烧尾气出口连接尾气冷凝器的入口，尾气冷凝器的出口连接气水分离器的入口，气水分离器的顶部气体出口依次连接CO2压缩机、CO2冷凝器和CO2加压泵的入口，CO2加压泵的出口连接回热器的冷侧入口。
优选地，废热锅炉的粗合成气出口连接有除尘单元，除尘单元的出口分为两路，一路连接循环气压缩机的入口，另一路连接降温脱硫单元的入口。
优选地，降温脱硫单元包括第一气气加热器、水洗塔、第二气气加热器、羰基硫水解反应器和脱硫单元，其中，废热锅炉的粗合成气出口分为两路，一路连接循环气压缩机的入口，另一路连接第一气气加热器的热侧入口，第一气气加热器的热侧出口连接水洗塔的入口；
水洗塔的出口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连接羰基硫水解反应器的入口，羰基硫水解反应器的出口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。
优选地，第二气气加热器的冷侧出口和脱硫单元之间设置有低温余热回收单元和合成气冷却器，其中，第二气气加热器的冷侧出口连接低温余热回收单元的入口，低温余热回收单元的出口连接合成气冷却器的入口，合成气冷却器的出口连接脱硫单元的入口，脱硫单元的出口连接引射器的入口。
优选地，脱硫单元的出口和引射器之间设置有湿化器，其中，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连接引射器的入口。
优选地，该发电***还包括深冷空分单元，深冷空分单元的氧气出口连接氧压机的入口，氧压机的出口分为两路，一路连接气化炉的氧气入口，另一路连接纯氧燃烧器的氧气入口；深冷空分单元的氮气出口连接氮压机的入口，氮压机的出口连接气化炉的入口。
优选地，煤气冷却器的饱和蒸汽出口连接余热锅炉的进口，余热锅炉的过热蒸汽出口连接汽轮机的入口，汽轮机的部分中压抽汽蒸汽出口连接气化炉的入口。
一种采用超临界CO2底循环的整体煤气化燃料电池发电方法，基于一种采用超临界CO2底循环的整体煤气化燃料电池发电***，包括以下步骤：
原煤在备煤单元中磨煤、干燥后形成干煤粉，由高压氮气输送至气化炉，与通入的纯氧在气化炉中发生气化反应，气化炉顶部产生的高温粗煤气与循环气压缩机出口的低温煤气混合激冷后，送入煤气冷却器；
经过煤气冷却器回收余热后的粗煤气一部分煤气循环至循环气压缩机入口，另一部分煤气经过降温脱硫处理后送入引射器，引射燃料电池阳极出口的部分尾气，引射器出口的煤气进入燃料电池阳极，作为燃料进行反应；
燃料电池阳极出口的其余尾气进入压缩机加压后，送至纯氧燃烧器与纯氧、以及回热器冷侧出口的超临界态CO2进行燃烧反应，产生的高温高压气体送至CO2燃气透平进行做功发电；
一股空气经过阴极空气压缩机加压后，送入阴极回热器冷侧入口，产生的高温空气送至燃料电池阴极入口，高温空气在燃料电池中进行反应后送入阴极回热器热侧入口，随后送入余热锅炉经过回收余热后排入大气；
CO2燃气透平出口的燃烧尾气先送入回热器热侧入口，再送入余热锅炉继续回收热量；余热锅炉产生的过热蒸汽送入汽轮机进行做功发电；
余热锅炉出口的燃烧尾气经过CO2冷却加压装置形成超临界CO2，该超临界CO2送入回热器冷侧入口，如此形成超临界CO2循环。
优选地，余热锅炉出口的燃烧尾气经过尾气冷凝器降温后，送入气水分离器；气水分离器的顶部出口气体主要成分为CO2，送入CO2压缩机加压后，再送入CO2冷凝器继续降温，CO2冷凝器出口为液态CO2，该部分液态CO2继续循环至CO2加压泵，CO2加压泵出口的超临界CO2送入回热器冷侧入口，如此形成超临界CO2循环。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的一种采用超临界CO2底循环的整体煤气化燃料电池发电***，在整体煤气化燃料电池发电***的基础上增加CO2的捕集，并利用CO2冷却加压装置将二氧化碳气体转化为超临界态CO2，并该超临界态CO2作为底循环，与纯氧、燃料电池阳极出口的尾气一起在纯氧燃烧器内进行反应，产生的高温高压气体在二氧化碳燃气透平中做功发电；该结构使得在燃料电池发电高效发电的基础上，进一步提高发电效率；同时，底循环采用超临界二氧化碳循环发电***，使得***简单、设备体积大幅减小；本***同时兼顾了CO2捕集功能，可高效、低成本地实现煤电发电的CO2减排。
本发明提供的一种采用超临界CO2底循环的整体煤气化燃料电池发电方法，在整体煤气化燃料电池发电***的基础上增加CO2的捕集，并利用CO2冷却加压装置将二氧化碳气体转化为超临界态CO2，并该超临界态CO2作为底循环，与纯氧、燃料电池阳极出口的尾气一起在纯氧燃烧器内进行反应，产生的高温高压气体在二氧化碳燃气透平中做功发电；该结构使得在燃料电池发电高效发电的基础上，进一步提高发电效率；同时，底循环采用超临界二氧化碳循环发电***，使得***简单、设备体积大幅减小；本***同时兼顾了CO2捕集功能，可高效、低成本地实现煤电发电的CO2减排。
附图说明
图1是本发明涉及的发电***的结构示意图；
其中，1、备煤单元 2、气化炉 3、煤气冷却器 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、低温余热回收单元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、阴极空气压缩机 19、阴极回热器 20、压缩机 21、阴纯氧燃烧器 22、阴极回热器透平 23、回热器 24、余热锅炉 25、尾气冷凝器 26、水分离器 27、CO2压缩机 28、CO2冷凝器 29、CO2加压泵 30、汽轮机 31、深冷空分单元 32、氧压机 33、氮压机。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，本发明提供的一种采用超临界CO2底循环的整体煤气化燃料电池发电***，包括备煤单元1、气化炉2、煤气冷却器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、低温余热回收单元10、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、阴极空气压缩机18、阴极回热器19、压缩机20、纯氧燃烧器21、CO2燃气透平22、回热器23、余热锅炉24、尾气冷凝器25、气水分离器26、CO2压缩机27、CO2冷凝器28、CO2加压泵29、汽轮机30、深冷空分单元31、氧压机32和氮压机33，其中，备煤单元1的干煤粉出口连接气化炉2的入口，气化炉2的底部设置有炉渣出口，气化炉2顶部的高温粗煤气出口连接煤气冷却器3的入口，煤气冷却器3的饱和蒸汽出口连接余热锅炉24的入口；
煤气冷却器3的粗煤气出口连接除尘单元4的入口，除尘单元4的出口分为两路，一路连接循环气压缩机5的入口，另一路连接第一气气加热器6的热侧入口，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的冷侧出口经过低温余热回收单元10连接冷却器11的入口，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，脱硫单元12上设置有废水出口和废气出口，其中，废水出口连接水处理单元14的入口，废气出口连接硫回收单元15的入口；
第一气气加热器6的冷侧出口连接引射器16的入口，引射燃料电池17阳极出口的部分尾气；引射器16的煤气出口连接燃料电池17的阳极入口，燃料电池17的阳极出口连接压缩机20的入口，压缩机20的出口连接纯氧燃烧器21的入口，纯氧燃烧器21的高温高压气体出口连接CO2燃气透平22的入口；
阴极空气压缩机18的出口连接阴极回热器19的冷侧入口，阴极回热器19的高温空气出口连接燃料电池17的阴极入口，燃料电池17的阴极出口连接阴极回热器19的热侧入口，阴极回热器19的热侧出口连接余热锅炉24，余热锅炉24的过热蒸汽出口连接汽轮机30的入口，汽轮机30的部分中压抽汽蒸汽出口连接气化炉2的入口；
余热锅炉24的燃烧尾气出口连接尾气冷凝器25的入口，尾气冷凝器25的出口连接气水分离器26的入口，气水分离器26的底部设置有凝水出口；气水分离器26的顶部气体出口连接CO2压缩机27的入口，CO2压缩机27的出口连接CO2冷凝器28的入口，CO2冷凝器28的液态CO2出口分为两路，一路作为产品送出；另一路经过CO2加压泵29连接回热器23的冷侧入口，回热器23的冷侧出口连接纯氧燃烧器21的入口；
深冷空分单元31的氧气出口连接氧压机32的入口，氧压机32的出口分为两路，一路连接气化炉2的氧气入口，另一路连接纯氧燃烧器21的氧气入口；深冷空分单元31的氮气出口连接氮压机33的入口，氮压机33的出口连接气化炉2的入口。
该***流程为：
原煤在备煤单元1中磨煤、干燥后形成干煤粉，由氮压机33出口的高压氮气输送至气化炉2，氧压机32出口的部分纯氧与少量汽轮机30中部抽取的蒸汽同时送入气化炉2发生气化反应，气化炉2炉底产生炉渣，顶部产生的高温粗煤气与循环气压缩机5出口的低温煤气混合激冷后，送入煤气冷却器3，煤气冷却器3产生饱和蒸汽送入余热锅炉24中进一步加热。
经过煤气冷却器3回收余热后的粗煤气送入除尘单元4，经过降温除尘后的一部分煤气循环至循环气压缩机5入口，另一部分煤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出口煤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，煤气经过复热后，进入低温余热回收单元10，随后进入冷却器11，将煤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煤气送入湿化器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冷侧出口煤气送入引射器16，引射燃料电池17阳极出口的部分尾气，引射器16出口的煤气进入燃料电池17阳极，作为燃料进行反应。
燃料电池17阳极出口的其余尾气进入压缩机20加压后，送至纯氧燃烧器21与氧压机32出口的部分纯氧、以及回热器23冷侧出口的超临界态CO2进行燃烧反应，产生的高温高压气体送至CO2燃气透平22，做功发电。
一股空气经过阴极空气压缩机18加压后，送入阴极回热器19冷侧入口，产生的高温空气送至燃料电池17阴极入口，高温空气在燃料电池17中进行反应后送入阴极回热器19热侧入口，随后送入余热锅炉24，回收余热后排入大气。
CO2燃气透平22出口的燃烧尾气先送入回热器23热侧入口，再送入余热锅炉24继续回收热量；余热锅炉24产生的过热蒸汽送入汽轮机30，做功发电。
余热锅炉24出口的燃烧尾气经过尾气冷凝器25降温后，送入气水分离器26。气水分离器26底部出口送出凝水，顶部出口气体主要成分为CO2，送入CO2压缩机27加压后，再送入CO2冷凝器28继续降温，CO2冷凝器28出口为液态CO2，一部分作为产品送出***，另一部分继续循环至CO2加压泵29，CO2加压泵29出口的超临界态CO2，送入回热器23冷侧入口，如此形成超临界CO2循环。
深冷空分单元31以空气为输入原料，产生的污氮排入大气，产生纯氧送入氧压机32入口，产生的纯氮送入氮压机33入口。该***发出的电能由燃料电池17、CO2燃气透平22、以及汽轮机30产生。
Claims (10)
1.一种采用超临界CO2底循环的整体煤气化燃料电池发电***，其特征在于，包括备煤单元(1)、气化炉(2)、煤气冷却器(3)、循环气压缩机(5)、降温脱硫单元、引射器(16)、燃料电池(17)、阴极空气压缩机(18)、阴极回热器(19)、压缩机(20)、纯氧燃烧器(21)、CO2燃气透平(22)、回热器(23)、余热锅炉(24)和汽轮机(30)，其中，备煤单元(1)的干煤粉出口、高压氮气管道的出口、纯氧管道出口均连接至气化炉(2)的入口，气化炉(2)的顶部高温粗煤气出口连接煤气冷却器(3)的入口，煤气冷却器(3)的粗煤气出口分为两路，一路连接循环气压缩机(5)的入口，另一路经过降温脱硫单元连接引射器(16)的入口，引射燃料电池(17)阳极出口的部分尾气，引射器(16)的煤气出口连接燃料电池(17)的阳极入口，燃料电池(17)的阳极出口经过压缩机(20)连接纯氧燃烧器(21)的入口，纯氧燃烧器(21)的高温高压气体出口连接CO2燃气透平(22)的入口；
阴极空气压缩机(18)的出口连接阴极回热器(19)的冷侧入口，阴极回热器(19)的高温空气出口连接燃料电池(17)的阴极入口，燃料电池(17)的阴极出口连接阴极回热器(19)的热侧入口，阴极回热器(19)的热侧出口连接余热锅炉(24)；
余热锅炉(24)的燃烧尾气出口连接CO2冷却加压装置的入口，CO2冷却加压装置的超临界CO2出口连接回热器(23)的冷侧入口。
2.根据权利要求1所述的一种采用超临界CO2底循环的整体煤气化燃料电池发电***，其特征在于，CO2冷却加压装置包括尾气冷凝器(25)、气水分离器(26)、CO2压缩机(27)、CO2冷凝器(28)和CO2加压泵(29)，其中，余热锅炉(24)的燃烧尾气出口连接尾气冷凝器(25)的入口，尾气冷凝器(25)的出口连接气水分离器(26)的入口，气水分离器(26)的顶部气体出口依次连接CO2压缩机(27)、CO2冷凝器(28)和CO2加压泵(29)的入口，CO2加压泵(29)的出口连接回热器(23)的冷侧入口。
3.根据权利要求1所述的一种采用超临界CO2底循环的整体煤气化燃料电池发电***，其特征在于，煤气冷却器(3)的粗合成气出口连接有除尘单元(4)，除尘单元(4)的出口分为两路，一路连接循环气压缩机(5)的入口，另一路连接降温脱硫单元的入口。
4.根据权利要求1所述的一种采用超临界CO2底循环的整体煤气化燃料电池发电***，其特征在于，降温脱硫单元包括第一气气加热器(6)、水洗塔(7)、第二气气加热器(8)、羰基硫水解反应器(9)和脱硫单元(12)，其中，煤气冷却器(3)的粗合成气出口分为两路，一路连接循环气压缩机(5)的入口，另一路连接第一气气加热器(6)的热侧入口，第一气气加热器(6)的热侧出口连接水洗塔(7)的入口；
水洗塔(7)的出口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)的冷侧出口连接脱硫单元(12)的入口。
5.根据权利要求4所述的一种采用超临界CO2底循环的整体煤气化燃料电池发电***，其特征在于：第二气气加热器(8)的冷侧出口和脱硫单元(12)之间设置有低温余热回收单元(10)和合成气冷却器(11)，其中，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，低温余热回收单元(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)的出口连接引射器(16)的入口。
6.根据权利要求5所述的一种采用超临界CO2底循环的整体煤气化燃料电池发电***，其特征在于：脱硫单元(12)的出口和引射器(16)之间设置有湿化器(13)，其中，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)的冷侧出口连接引射器(16)的入口。
7.根据权利要求1所述的一种采用超临界CO2底循环的整体煤气化燃料电池发电***，其特征在于：该发电***还包括深冷空分单元(31)，深冷空分单元(31)的氧气出口连接氧压机(32)的入口，氧压机(32)的出口分为两路，一路连接气化炉(2)的氧气入口，另一路连接纯氧燃烧器(21)的氧气入口；深冷空分单元(31)的氮气出口连接氮压机(33)的入口，氮压机(33)的出口连接气化炉(2)的入口。
8.根据权利要求1所述的一种采用超临界CO2底循环的整体煤气化燃料电池发电***，其特征在于：煤气冷却器(3)的饱和蒸汽出口连接余热锅炉(24)的进口，余热锅炉(24)的过热蒸汽出口连接汽轮机(30)的入口，汽轮机(30)的部分中压抽汽蒸汽出口连接气化炉(2)的入口。
9.一种采用超临界CO2底循环的整体煤气化燃料电池发电方法，其特征在于，基于权利要求1所述的一种采用超临界CO2底循环的整体煤气化燃料电池发电***，包括以下步骤：
原煤在备煤单元(1)中磨煤、干燥后形成干煤粉，由高压氮气输送至气化炉(2)，与通入的纯氧在气化炉(2)中发生气化反应，气化炉(2)顶部产生的高温粗煤气与循环气压缩机(5)出口的低温煤气混合激冷后，送入煤气冷却器(3)；
经过煤气冷却器(3)回收余热后的粗煤气一部分煤气循环至循环气压缩机(5)入口，另一部分煤气经过降温脱硫处理后送入引射器(16)，引射燃料电池(17)阳极出口的部分尾气，引射器(16)出口的煤气进入燃料电池(17)阳极，作为燃料进行反应；
燃料电池(17)阳极出口的其余尾气进入压缩机(20)加压后，送至纯氧燃烧器(21)与纯氧、以及回热器(23)冷侧出口的超临界态CO2进行燃烧反应，产生的高温高压气体送至CO2燃气透平(22)进行做功发电；
一股空气经过阴极空气压缩机(18)加压后，送入阴极回热器(19)冷侧入口，产生的高温空气送至燃料电池(17)阴极入口，高温空气在燃料电池(17)中进行反应后送入阴极回热器(19)热侧入口，随后送入余热锅炉(24)经过回收余热后排入大气；
CO2燃气透平(22)出口的燃烧尾气先送入回热器(23)热侧入口，再送入余热锅炉(24)继续回收热量；余热锅炉(24)产生的过热蒸汽送入汽轮机(30)进行做功发电；
余热锅炉(24)出口的燃烧尾气经过CO2冷却加压装置形成超临界CO2，该超临界CO2送入回热器(23)冷侧入口，如此形成超临界CO2循环。
10.根据权利要求9所述的一种采用超临界CO2底循环的整体煤气化燃料电池发电方法，其特征在于，余热锅炉(24)出口的燃烧尾气经过尾气冷凝器(25)降温后，送入气水分离器(26)；气水分离器(26)的顶部出口气体主要成分为CO2，送入CO2压缩机(27)加压后，再送入CO2冷凝器(28)继续降温，CO2冷凝器(28)出口为液态CO2，该部分液态CO2继续循环至CO2加压泵(29)，CO2加压泵(29)出口的超临界CO2送入回热器(23)冷侧入口，如此形成超临界CO2循环。
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