本發(fā)明屬于發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于IGCC的近零排放燃煤發(fā)電系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

以氣候變化為核心的全球環(huán)境問題日益嚴(yán)重，已經(jīng)成為威脅人類可持續(xù)發(fā)展的主要因素之一，削減溫室氣體排放以減緩氣候變化成為當(dāng)今國際社會關(guān)注的熱點。隨著全球?qū)厥覛怏w排放越來越關(guān)注，《京都議定書》、《巴厘島路線圖》的召開，進(jìn)一步明確了全球CO₂減排目標(biāo)和時間表，推動了全球低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)(Integrated Gasification Combined Cycle,IGCC)是將清潔的煤氣化技術(shù)與高效的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)相結(jié)合的發(fā)電技術(shù)，發(fā)電效率高且提升空間大，可實現(xiàn)污染物近零排放，是高效清潔燃煤發(fā)電技術(shù)的重要發(fā)展方向之一。

整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)技術(shù)(IGCC)同燃燒前CO₂捕集的聯(lián)合應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)電系統(tǒng)的CO₂近零排放，被認(rèn)為是溫室氣體深度減排的重要路徑之一。相對于其他碳捕集技術(shù)路線，燃燒前CO₂捕集所需處理的氣體壓力高、CO₂濃度高、雜質(zhì)少，有利于吸收法或其它分離方法對CO₂的脫除，在投資、運行費用和能耗的增量也會相應(yīng)降低。燃燒前CO₂捕集技術(shù)充分利用了煤制合成氣中CO₂的高濃度和高壓力，使得CO₂的捕集能耗大幅度下降，加上IGCC以及相應(yīng)的氫氣發(fā)電技術(shù)提高了發(fā)電效率，在保持電廠的總體效率不降低的前提下實現(xiàn)CO₂的捕集與封存，是未來綠色低碳發(fā)電技術(shù)的重要發(fā)展方向。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于IGCC的近零排放燃煤發(fā)電系統(tǒng)及方法，在基于整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)實現(xiàn)了燃燒前CO₂捕集，并且充分利用了氣化爐中產(chǎn)生的高溫合成氣的熱量，通過余熱鍋爐實現(xiàn)系統(tǒng)熱量的梯級利用，能夠使得系統(tǒng)的CO₂的捕集率大于90％，發(fā)電效率大于40％，大大提高了整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的環(huán)保特性，同時實現(xiàn)了CO₂的封存和資源化利用。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種基于IGCC的近零排放燃煤發(fā)電系統(tǒng)，包括空分裝置1，空分裝置1的入口通入空氣，空分裝置1的氧氣出口接氣化爐2的氧氣入口，空分裝置1的氮氣出口接氮氣分離器3；氣化爐2的煤入口加入煤，氣化爐2的蒸汽入口接余熱鍋爐4的蒸汽出口，氣化爐2的合成氣出口連接高溫?fù)Q熱器5的高溫氣體入口；氮氣分離器3的一個出口接高溫?fù)Q熱器5的低溫氣體入口，另一個出口接氮氣回收裝置6；高溫?fù)Q熱器5的高溫氣體出口接除塵裝置7的入口，高溫?fù)Q熱器5的低溫氣體出口接燃燒室13；除塵裝置7的出口接水汽變換裝置8的入口；水汽變換裝置8的蒸汽入口接余熱鍋爐4的蒸汽出口，水汽變換裝置8的氣體出口接脫硫脫碳裝置9的氣體入口；脫硫脫碳裝置9的H₂S出口接硫回收裝置11，脫硫脫碳裝置9的CO₂氣體出口接壓縮液化裝置10，脫硫脫碳裝置9的富氫氣體出口接燃燒加濕器12；硫回收裝置11的出口產(chǎn)出硫；燃料加濕器12的蒸汽入口接余熱鍋爐4的蒸汽出口，燃料加濕器12的富氫氣體出口接燃燒室13；燃燒室13的空氣入口接壓氣機(jī)14的高壓空氣出口，燃燒室13的燃?xì)獬隹诮尤細(xì)馔钙?5的燃?xì)馊肟?；壓氣機(jī)14的入口通入空氣；燃?xì)馔钙?5的出口接余熱鍋爐4的高溫氣體入口，燃?xì)馔钙?5與第一發(fā)電機(jī)16相連接，第一發(fā)電機(jī)16輸出電能；余熱鍋爐4的蒸汽出口連接蒸汽輪機(jī)17的蒸汽入口，余熱鍋爐4的給水入口連接蒸汽輪機(jī)17的給水出口，余熱鍋爐4的水入口中通入水；蒸汽輪機(jī)17與第二發(fā)電機(jī)18相連接，第二發(fā)電機(jī)18產(chǎn)出電能；壓縮液化裝置10的液態(tài)CO₂出口連接液態(tài)CO₂運輸裝置19液態(tài)CO₂入口，壓縮液化裝置10產(chǎn)生的液態(tài)CO₂輸入到液態(tài)CO₂運輸裝置19中，可用于驅(qū)油和地質(zhì)封存；液態(tài)CO₂運輸裝置19的出口連接CO₂驅(qū)替石油裝置20、CO₂驅(qū)替煤層氣裝置21以及CO₂地質(zhì)封存裝置22；CO₂驅(qū)替石油裝置20產(chǎn)出石油，CO₂驅(qū)替煤層氣裝置21產(chǎn)出煤層氣。

所述空分裝置1通過深冷法將空氣中的氧氣和氮氣進(jìn)行分離，氧氣被輸送至氣化爐2中，氮氣被送入到氮氣分離器3中。

所述氣化爐2內(nèi)反應(yīng)生成合成氣，合成氣主要成為是H₂、H₂O、CO、CO₂、CH₄、H₂S、COS等。

所述氮氣分離器3能夠?qū)⑼ㄈ氲牡獨獍凑赵O(shè)定的比例值進(jìn)行分離，一路氮氣通入到燃燒室13中，另外一路氮氣通入到氮氣回收裝置6中。

所述余熱鍋爐4，能夠回收利用燃?xì)馔钙?5的高溫尾氣的熱量，制取高溫高壓的蒸汽。

所述高溫?fù)Q熱器5，能夠?qū)饣癄t2產(chǎn)生的高溫合成氣與空分裝置1產(chǎn)生的低溫氮氣進(jìn)行熱交換，提高氮氣的溫度，回收利用合成氣的熱量。

所述氮氣回收裝置6，由儲氣罐組成，能夠儲存空分裝置1產(chǎn)生的氮氣。

所述除塵裝置7采用袋式除塵器或電除塵器或陶瓷過濾器，脫除合成氣中的顆粒物，使得礦塵含量小于100mg/Nm³。

所述水汽變換裝置8，采用耐硫水汽變換工藝，通過水汽變換反應(yīng)CO+H₂O＝H₂+CO₂將合成氣中的CO變換為H₂，使得出口氣體中CO比例低于0.5％，其中蒸汽來自于余熱鍋爐4。

所述脫硫脫碳裝置9采用低溫甲醇洗法或MDEA法，制得富氫氣體，富氫氣體中H₂S、COS含量小于1ppm。

所述壓縮液化裝置10，能夠?qū)鈶B(tài)的CO₂轉(zhuǎn)化為液態(tài)的CO₂，CO₂的濃度高于99％。

所述硫回收裝置11，能夠?qū)₂S分解為硫，回收其中的硫組分。

所述燃料加濕器12，采用蒸汽混合法，將富氫氣體與余熱鍋爐4所產(chǎn)生的部分蒸汽進(jìn)行混合，提高H₂燃料其中H₂O的含量，使得H₂O的摩爾含量>5％。

所述燃燒室13，富氫氣體、高溫氮氣以及高壓空氣在其中進(jìn)行燃燒，產(chǎn)生高溫燃?xì)狻?/p>

所述壓氣機(jī)14、燃?xì)馔钙?5以及第一發(fā)電機(jī)16，安裝到同一根軸上，燃?xì)馔钙?5在高壓高溫燃?xì)獾臎_擊下轉(zhuǎn)動帶動壓氣機(jī)14和第一發(fā)電機(jī)16轉(zhuǎn)動，壓縮機(jī)14使得空氣的壓力由常壓增大至4Mpa以上，第一發(fā)電機(jī)16則產(chǎn)生交流電能。

所述蒸汽輪機(jī)17和第二發(fā)電機(jī)18，安裝到同一根軸上，余熱鍋爐4產(chǎn)生的高溫高壓蒸汽沖擊蒸汽輪機(jī)17轉(zhuǎn)動，蒸汽輪機(jī)17帶動第二發(fā)電機(jī)18轉(zhuǎn)動產(chǎn)生電能。

所述液態(tài)CO₂運輸裝置19，為裝載液態(tài)CO₂儲罐的運輸車或運輸船。

所述CO₂驅(qū)替石油裝置20，能夠?qū)O₂注入到油田中提高石油采收率。

所述CO₂驅(qū)替煤層氣裝置21，能夠?qū)O₂注入到煤層氣田中，提高煤層氣采收率。

所述CO₂地質(zhì)封存裝置22，將CO₂注入到廢氣的油田中，將CO₂進(jìn)行永久性封存。

上述所述一種基于IGCC的近零排放燃煤發(fā)電系統(tǒng)的工作方法，煤、蒸汽和氧氣通入氣化爐2產(chǎn)生合成氣，合成氣的溫度為1000℃，組分為CO≈60％，H₂≈30％，CO₂≈7％，其余組分為N₂、H₂S、COS、CH₄雜質(zhì)氣；合成氣首先經(jīng)過高溫?fù)Q熱器5換熱，溫度降低至200℃以下，然后通入除塵裝置7，使得顆粒物成分低于50mg/Nm³；再通入到水汽變換裝置8中，使得合成氣中CO<0.5％，H₂>60％；接著通入到脫硫脫碳裝置9，使得H₂S和COS濃度低于1ppm，捕獲的H₂S通過硫回收裝置11回收其中的硫；同時在脫硫脫碳裝置9中脫除合成氣中的CO₂，使得CO₂的純度大于90％，然后通入到壓縮液化裝置10中，通過壓縮和液化獲得液態(tài)的CO₂，可用于驅(qū)油和封存；脫硫脫碳裝置9產(chǎn)生的富氫氣體中H₂含量大于90％，富氫氣體經(jīng)過燃料加濕器12，使得氣體中H₂O摩爾含量>5％，然后通入到燃燒室13中；空分裝置1產(chǎn)生的氮氣經(jīng)過氮氣分離器3，將70％的氮氣通入到氮氣回收裝置6中，其余30％通入到高溫?fù)Q熱器5中升溫至500℃，接著通入到燃燒室13中；壓氣機(jī)14在燃?xì)馔钙?5的帶動下轉(zhuǎn)動，將常壓的空氣升壓到5MPa，然后通入到燃燒室13中；在燃燒室13中，富氫氣體與高溫氮氣混合然后與高壓空氣進(jìn)行燃燒，產(chǎn)生高溫燃?xì)猓又ㄈ氲饺細(xì)馔钙?5中，推動燃?xì)馔钙?5轉(zhuǎn)動，并帶動第一發(fā)電機(jī)16轉(zhuǎn)動產(chǎn)生電能；燃?xì)馔钙?5排出700℃的尾氣通入到余熱鍋爐4中，回收其中的熱量，并使得尾氣的溫度低于200℃；余熱鍋爐4產(chǎn)生高溫高壓的蒸汽溫度為600℃，壓力為1.0MPa，用于氣化爐2、水汽變換裝置8、燃料加濕器12以及蒸汽輪機(jī)17中；在蒸汽輪機(jī)17中，高溫高壓蒸汽推動蒸汽輪機(jī)17轉(zhuǎn)動，并帶動第二發(fā)電機(jī)18轉(zhuǎn)動產(chǎn)生電能；經(jīng)過蒸汽輪機(jī)17后冷凝水又補(bǔ)給余熱鍋爐4中；壓縮液化裝置10產(chǎn)生的液態(tài)CO₂輸入到液態(tài)CO₂運輸裝置19中；液態(tài)CO₂運輸裝置19將液態(tài)CO₂運輸?shù)接吞?、煤層氣田以及廢氣油井處；通過CO₂驅(qū)替石油裝置20將CO₂注入到油田中，使得石油采收率提高10％；通過CO₂驅(qū)替煤層氣裝置21將CO₂注入到煤層氣田中，使得煤層氣采收率提高10％；通過CO₂地質(zhì)封存裝置22將CO₂注入到廢棄的油井中，將CO₂進(jìn)行永久性封存。

和現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明具備如下優(yōu)點：

(1)空分裝置1產(chǎn)生的部分氮氣經(jīng)過高溫?fù)Q熱器5回收了高溫合成氣的熱量，能夠提高系統(tǒng)的綜合發(fā)電效率。

(2)高溫氮氣與富氫氣體混合后通入到燃燒室13中，能夠提高氫氣在燃燒室13中的燃燒穩(wěn)定性。

(3)系統(tǒng)產(chǎn)生的液態(tài)CO₂，能夠直接用于埋存、驅(qū)油驅(qū)氣。

本發(fā)明在基于整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)實現(xiàn)了燃燒前CO₂捕集，并且充分利用了氣化爐中產(chǎn)生的高溫合成氣的熱量，通過余熱鍋爐實現(xiàn)系統(tǒng)熱量的梯級利用，能夠使得系統(tǒng)的CO₂的捕集率大于90％，發(fā)電效率大于40％，大大提高了整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的環(huán)保特性，同時實現(xiàn)了CO₂的封存和資源化利用。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種基于IGCC的近零排放燃煤發(fā)電系統(tǒng)的示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

實施案例

如圖1所示，煤、蒸汽和氧氣通入氣化爐2產(chǎn)生合成氣，合成氣的溫度為1000℃，組分為CO≈60％，H₂≈30％，CO₂≈7％，其余組分為N₂、H₂S、COS、CH₄等雜質(zhì)氣。合成氣首先經(jīng)過高溫?fù)Q熱器5換熱，溫度降低至200℃以下，然后通入除塵裝置7，使得顆粒物成分低于50mg/Nm³；再通入到水汽變換裝置8中，使得合成氣中CO<0.1％，H₂>60％；接著通入到脫硫脫碳裝置9，使得H₂S和COS濃度低于1ppm，捕獲的H₂S通過硫回收裝置11回收其中的硫。同時在脫硫脫碳裝置9中脫除合成氣中的CO₂，使得CO₂的純度大于90％，然后通入到壓縮液化裝置10中，通過壓縮和液化獲得液態(tài)的CO₂，可用于驅(qū)油和封存。脫硫脫碳裝置9產(chǎn)生的富氫氣體中H₂含量大于90％，富氫氣體經(jīng)過燃料加濕器12，使得氣體中H₂O摩爾含量>5％，然后通入到燃燒室13中。空分裝置1產(chǎn)生的氮氣經(jīng)過分離器3，將70％的氮氣通入到氮氣回收裝置6中，其余30％通入到高溫?fù)Q熱器5中升溫至500℃，接著通入到燃燒室13中。壓氣機(jī)14在燃?xì)馔钙?5的帶動下轉(zhuǎn)動，將常壓的空氣升壓到5MPa，然后通入到燃燒室13中。在燃燒室13中，富氫氣體與高溫氮氣混合然后與高壓空氣進(jìn)行燃燒，產(chǎn)生高溫燃?xì)猓又ㄈ氲饺細(xì)馔钙?5中，推動燃?xì)馔钙?5轉(zhuǎn)動，并帶動第一發(fā)電機(jī)16轉(zhuǎn)動產(chǎn)生電能。燃?xì)馔钙?5排出700℃的尾氣通入到余熱鍋爐4中，回收其中的熱量，并使得尾氣的溫度低于200℃。余熱鍋爐4產(chǎn)生高溫高壓的蒸汽溫度為600℃，壓力為1.0MPa，可用于氣化爐2、水汽變換裝置8、燃料加濕器12以及蒸汽輪機(jī)17中。在蒸汽輪機(jī)17中，高溫高壓蒸汽推動蒸汽輪機(jī)17轉(zhuǎn)動，并帶動第二發(fā)電機(jī)18轉(zhuǎn)動產(chǎn)生電能。經(jīng)過蒸汽輪機(jī)17后冷凝水又補(bǔ)給余熱鍋爐4中。壓縮液化裝置10產(chǎn)生的液態(tài)CO₂輸入到液態(tài)CO₂運輸裝置19中。液態(tài)CO₂運輸裝置19將液態(tài)CO₂運輸?shù)接吞?、煤層氣田以及廢氣油井處。通過CO₂驅(qū)替石油裝置20將CO₂注入到油田中，使得石油采收率提高10％。通過CO₂驅(qū)替煤層氣裝置21將CO₂注入到煤層氣田中，使得煤層氣采收率提高10％。通過CO₂地質(zhì)封存裝置22將CO₂注入到廢棄的油井中，將CO₂進(jìn)行永久性封存。