一種基于氮?dú)赓Y源化利用降低富氧燃燒電站能耗的系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于富氧燃燒技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于氮?dú)赓Y源化利用降低富氧燃燒電站能耗的系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]中國在2013年二氧化碳的排放量已經(jīng)超出美國和歐洲的總和，人均二氧化碳排放量也首次超過歐洲水平，降低二氧化碳排放已成為國家重大戰(zhàn)略并關(guān)乎到國際地位及影響力。我國獨(dú)特的能源結(jié)構(gòu)決定燃煤電站是二氧化碳最為主要的排放源?！笆濉逼陂g，國家出臺(tái)的一系列科技規(guī)劃均將燃煤電站二氧化碳捕捉、利用和封存(CCUS技術(shù))列入，包括《國家“十二五”科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃》、《中國應(yīng)對(duì)氣候變化科技專項(xiàng)行動(dòng)》、《國家“十二五”應(yīng)對(duì)氣候變化科技發(fā)展專項(xiàng)規(guī)劃》、《“十二五”控制溫室氣體排放工作方案》、《碳捕集、利用與封存技術(shù)科技發(fā)展“十二五”專項(xiàng)規(guī)劃》以及《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006年?2020年)》。
[0003]2017年我國將啟動(dòng)碳交易市場(chǎng)，控制燃煤電站二氧化碳排放迫在眉睫。迄今，經(jīng)過國內(nèi)外眾多科研工作者多年來的不懈努力，已經(jīng)發(fā)展了多種針對(duì)燃煤電站二氧化碳捕集的技術(shù)手段，如燃燒前碳捕集、燃燒中碳捕集(富氧燃燒或氧氣/ 二氧化碳燃燒)和燃燒后碳捕集等。其中，富氧燃燒具有成本及技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)低、易規(guī)?；⒖芍苯舆\(yùn)用于現(xiàn)有燃煤電站等優(yōu)勢(shì)而被認(rèn)為是最可能大規(guī)模推廣和商業(yè)化的碳捕集技術(shù)之一。富氧燃燒碳捕集技術(shù)是利用空氣分離設(shè)備(Air Separat1n Unit, ASU)制取的高純度氧氣(95%以上)與部分循環(huán)煙氣的混合來代替空氣與燃料組織燃燒，從而提高煙氣中二氧化碳的濃度，煙氣經(jīng)壓縮和提純?cè)O(shè)備(Compress1n and Purificat1n Unit, CPU)處理后便可得到高純度二氧化碳，可用于封存或資源化利用。
[0004]相較于常規(guī)空氣燃燒燃煤電站，富氧燃燒電站中增設(shè)了空氣分離設(shè)備及二氧化碳?jí)嚎s和分離設(shè)備，上述兩設(shè)備的運(yùn)行使得整體電站效率相較于常規(guī)電站的下降高達(dá)12個(gè)百分點(diǎn)，直接導(dǎo)致了能源消耗量增加、二氧化碳生成量增多、電價(jià)上漲等諸多不利后果，這一原因也直接限制了富氧燃燒技術(shù)的商業(yè)化運(yùn)用。
[0005]為提高富氧燃燒電站的運(yùn)行效率，當(dāng)前有國內(nèi)外學(xué)者提出提高鍋爐進(jìn)口氧氣體積濃度至30?50%，甚至更高。在此條件下，鍋爐效率得到提升；同時(shí)，鍋爐尺寸進(jìn)一步減小，達(dá)到降低鍋爐建造成本的目的。然而，上述措施并沒有從根本上解決空氣分離設(shè)備及二氧化碳?jí)嚎s和分離設(shè)備運(yùn)行能耗過高，降低富氧燃燒電站系統(tǒng)效率的問題。
[0006]迄今為止，未見到有效解決富氧燃燒電站空氣分離設(shè)備及二氧化碳?jí)嚎s和分離設(shè)備運(yùn)行能耗的相關(guān)專利公開。
[0007]除此之外，空氣經(jīng)分離后成產(chǎn)的氮?dú)饬考s是氧氣量的四倍，而當(dāng)前富氧燃燒系統(tǒng)僅利用氧氣勢(shì)必會(huì)造成氮?dú)獾囊淮罄速M(fèi)。
[0008]因此，如何資源化利用氮?dú)猓约敖鉀Q富氧燃燒電站空氣分離設(shè)備及二氧化碳?jí)嚎s和分離設(shè)備運(yùn)行能耗是富氧燃燒電站發(fā)展的一大契機(jī)，也是富氧燃燒電站面臨的重大挑占戈。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]針對(duì)現(xiàn)有富氧燃燒電站技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種基于氮?dú)赓Y源化利用降低富氧燃燒電站能耗的系統(tǒng)及方法，其具有效率高、能耗低、成本低、安全性高且系統(tǒng)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。
[0010]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
[0011]—種基于氮?dú)赓Y源化利用降低富氧燃燒電站能耗的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括空氣分離裝置、第二發(fā)電機(jī)、第二透平、第二熱交換器、鍋爐、二氧化碳?jí)嚎s和提純裝置、第一發(fā)電機(jī)、第一透平和第一熱交換器；
[0012]所述空氣分離裝置具有空氣入口、氮?dú)獬隹诤脱鯕獬隹冢諝馊肟谂c大氣相通，氮?dú)獬隹诮?jīng)管道與第二熱交換器相連，氧氣出口經(jīng)管道與所述鍋爐相連；所述鍋爐分別連接第一熱交換器及二氧化碳?jí)嚎s和提純裝置；所述第一熱交換器依次與第一透平和第一發(fā)電機(jī)串連連接，所述第一透平與第二熱交換器通過管道連接；所述第二熱交換器依次與第二透平和第二發(fā)電機(jī)串連連接，第二透平排出氮?dú)膺M(jìn)行資源化利用，第二發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電力輸送至所述空氣分離裝置及二氧化碳?jí)嚎s和提純裝置；所述第二熱交換器通過管道與第一熱交換器相連。
[0013]所述空氣分離裝置分離出的氮?dú)獾膲毫χ荡笥诨虻扔?MPa。
[0014]進(jìn)一步地，所述空氣分離裝置采用低溫精餾的方式來分離空氣。
[0015]進(jìn)一步地，所述鍋爐產(chǎn)生的部分煙氣，即水蒸氣和二氧化碳，可進(jìn)入鍋爐循環(huán)使用。
[0016]進(jìn)一步地，所述鍋爐為煤粉鍋爐或循環(huán)流化床鍋爐。
[0017]—種基于氮?dú)赓Y源化利用降低富氧燃燒電站能耗的方法，包括步驟:
[0018]所述空氣分離裝置分離出氮?dú)夂脱鯕?，氮?dú)饨?jīng)管道進(jìn)入第二熱交換器；氧氣進(jìn)入鍋爐內(nèi)與燃料發(fā)生燃燒反應(yīng)生成以水蒸汽和二氧化碳為主要成分的煙氣，煙氣經(jīng)管道進(jìn)入二氧化碳?jí)嚎s和提純裝置，在二氧化碳?jí)嚎s和提純裝置內(nèi)實(shí)現(xiàn)水與二氧化碳的分離，實(shí)現(xiàn)燃煤電站二氧化碳的捕集；同時(shí)鍋爐內(nèi)發(fā)生燃燒反應(yīng)釋放的大量熱量將第一熱交換器內(nèi)的水加熱為高溫高壓蒸汽，高溫高壓蒸汽進(jìn)入第一透平推動(dòng)第一發(fā)電機(jī)發(fā)電；第一透平排出高溫蒸汽進(jìn)入第二熱交換器與所述氮?dú)鈸Q熱，生成高溫高壓氮?dú)?；高溫高壓氮?dú)膺M(jìn)入第二透平推動(dòng)第二發(fā)電機(jī)發(fā)電，產(chǎn)生的電力輸送至空氣分離裝置和二氧化碳?jí)嚎s和提純裝置，達(dá)到降低富氧燃燒電站系統(tǒng)能耗的目的。
[0019]所述空氣分離裝置分離出的氮?dú)獾膲毫χ荡笥诨虻扔?MPa，以保證第二透平及第二發(fā)電機(jī)運(yùn)行效率。
[0020]總體而言，本發(fā)明所構(gòu)思的技術(shù)方案相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)而言，具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0021](I)本發(fā)明首次提出了富氧燃燒電站系統(tǒng)中，通過氮?dú)獾馁Y源化利用，即空氣分離裝置生產(chǎn)的高壓氮?dú)饨?jīng)蒸汽透平排氣加熱后形成高溫高壓氮?dú)?，推?dòng)透平帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，產(chǎn)生的電量輸送至空氣分離裝置和二氧化碳?jí)嚎s和提純裝置，解決了富氧燃燒電站中，由于空氣分離設(shè)備及二氧化碳?jí)嚎s和提純?cè)O(shè)備運(yùn)行導(dǎo)致電站整體系統(tǒng)效率下降的難題，達(dá)到降低富氧燃燒電站系統(tǒng)的能耗，提高電站系統(tǒng)效率的目的，而且大大降低了投資和運(yùn)行成本。
[0022](2)在鍋爐內(nèi)生成以水蒸汽和二氧化碳為主要成分的煙氣，一部分煙氣進(jìn)入二氧化碳?jí)嚎s和提純?cè)O(shè)備，通過壓縮提純得到高純度二氧化碳，有效實(shí)現(xiàn)二氧化碳的捕集，二氧化碳可用于封存或各種資源化利用。
[0023](3)本發(fā)明采用氮?dú)獯鎮(zhèn)鹘y(tǒng)水作為余熱利用的工質(zhì)，有效避免了透平中水蒸汽冷凝等現(xiàn)象發(fā)生，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性。
[0024](4)本發(fā)明系統(tǒng)簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊，能夠大幅度減少系統(tǒng)的體積；此外，本發(fā)明系統(tǒng)既可用于改造現(xiàn)有富氧燃燒電站又可用于設(shè)計(jì)新富氧燃燒電站的優(yōu)點(diǎn)，市場(chǎng)適用性更強(qiáng)。
【附圖說明】
[0025]圖1是本發(fā)明的基于氮?dú)赓Y源化利用降低富氧燃燒電站能耗的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖2是本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]其中，1-空氣分離裝置；2_第二發(fā)電機(jī)；3_第二透平；4_第二熱交換器；5_鍋爐；6- 二氧化碳?jí)嚎s和提純裝置；7_第一發(fā)電機(jī)；8_第一透平；9_第一熱交換器；10-煤粉爐；
[0028]其中，A-空氣；B_高壓氮?dú)?；C_氧氣；D_ 二氧化碳；E_水蒸氣；F_高溫高壓水蒸氣。
【具體實(shí)施方式】
[0029]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案更加清晰，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0030]本發(fā)明的基本思想是:空氣分離裝置I生產(chǎn)的高壓氮?dú)釨，通過蒸汽透平排氣加熱后，推動(dòng)透平帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，實(shí)現(xiàn)降低富氧燃燒電站系統(tǒng)能耗，提高電站系統(tǒng)效率的目的。
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