一种基于氮气资源化利用降低富氧燃烧电站能耗的系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于富氧燃烧技术领域，涉及一种基于氮气资源化利用降低富氧燃烧电站能耗的系统及方法。
【背景技术】
[0002]中国在2013年二氧化碳的排放量已经超出美国和欧洲的总和，人均二氧化碳排放量也首次超过欧洲水平，降低二氧化碳排放已成为国家重大战略并关乎到国际地位及影响力。我国独特的能源结构决定燃煤电站是二氧化碳最为主要的排放源。“十二五”期间，国家出台的一系列科技规划均将燃煤电站二氧化碳捕捉、利用和封存(CCUS技术)列入，包括《国家“十二五”科学和技术发展规划》、《中国应对气候变化科技专项行动》、《国家“十二五”应对气候变化科技发展专项规划》、《“十二五”控制温室气体排放工作方案》、《碳捕集、利用与封存技术科技发展“十二五”专项规划》以及《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006年?2020年)》。
[0003]2017年我国将启动碳交易市场，控制燃煤电站二氧化碳排放迫在眉睫。迄今，经过国内外众多科研工作者多年来的不懈努力，已经发展了多种针对燃煤电站二氧化碳捕集的技术手段，如燃烧前碳捕集、燃烧中碳捕集(富氧燃烧或氧气/ 二氧化碳燃烧)和燃烧后碳捕集等。其中，富氧燃烧具有成本及技术风险低、易规模化、可直接运用于现有燃煤电站等优势而被认为是最可能大规模推广和商业化的碳捕集技术之一。富氧燃烧碳捕集技术是利用空气分离设备(Air Separat1n Unit, ASU)制取的高纯度氧气(95%以上)与部分循环烟气的混合来代替空气与燃料组织燃烧，从而提高烟气中二氧化碳的浓度，烟气经压缩和提纯设备(Compress1n and Purificat1n Unit, CPU)处理后便可得到高纯度二氧化碳，可用于封存或资源化利用。
[0004]相较于常规空气燃烧燃煤电站，富氧燃烧电站中增设了空气分离设备及二氧化碳压缩和分离设备，上述两设备的运行使得整体电站效率相较于常规电站的下降高达12个百分点，直接导致了能源消耗量增加、二氧化碳生成量增多、电价上涨等诸多不利后果，这一原因也直接限制了富氧燃烧技术的商业化运用。
[0005]为提高富氧燃烧电站的运行效率，当前有国内外学者提出提高锅炉进口氧气体积浓度至30?50%，甚至更高。在此条件下，锅炉效率得到提升；同时，锅炉尺寸进一步减小，达到降低锅炉建造成本的目的。然而，上述措施并没有从根本上解决空气分离设备及二氧化碳压缩和分离设备运行能耗过高，降低富氧燃烧电站系统效率的问题。
[0006]迄今为止，未见到有效解决富氧燃烧电站空气分离设备及二氧化碳压缩和分离设备运行能耗的相关专利公开。
[0007]除此之外，空气经分离后成产的氮气量约是氧气量的四倍，而当前富氧燃烧系统仅利用氧气势必会造成氮气的一大浪费。
[0008]因此，如何资源化利用氮气，以及解决富氧燃烧电站空气分离设备及二氧化碳压缩和分离设备运行能耗是富氧燃烧电站发展的一大契机，也是富氧燃烧电站面临的重大挑占戈。
【发明内容】
[0009]针对现有富氧燃烧电站技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于氮气资源化利用降低富氧燃烧电站能耗的系统及方法，其具有效率高、能耗低、成本低、安全性高且系统简单的优点。
[0010]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0011]—种基于氮气资源化利用降低富氧燃烧电站能耗的系统，所述系统包括空气分离装置、第二发电机、第二透平、第二热交换器、锅炉、二氧化碳压缩和提纯装置、第一发电机、第一透平和第一热交换器；
[0012]所述空气分离装置具有空气入口、氮气出口和氧气出口，空气入口与大气相通，氮气出口经管道与第二热交换器相连，氧气出口经管道与所述锅炉相连；所述锅炉分别连接第一热交换器及二氧化碳压缩和提纯装置；所述第一热交换器依次与第一透平和第一发电机串连连接，所述第一透平与第二热交换器通过管道连接；所述第二热交换器依次与第二透平和第二发电机串连连接，第二透平排出氮气进行资源化利用，第二发电机产生的电力输送至所述空气分离装置及二氧化碳压缩和提纯装置；所述第二热交换器通过管道与第一热交换器相连。
[0013]所述空气分离装置分离出的氮气的压力值大于或等于2MPa。
[0014]进一步地，所述空气分离装置采用低温精馏的方式来分离空气。
[0015]进一步地，所述锅炉产生的部分烟气，即水蒸气和二氧化碳，可进入锅炉循环使用。
[0016]进一步地，所述锅炉为煤粉锅炉或循环流化床锅炉。
[0017]—种基于氮气资源化利用降低富氧燃烧电站能耗的方法，包括步骤:
[0018]所述空气分离装置分离出氮气和氧气，氮气经管道进入第二热交换器；氧气进入锅炉内与燃料发生燃烧反应生成以水蒸汽和二氧化碳为主要成分的烟气，烟气经管道进入二氧化碳压缩和提纯装置，在二氧化碳压缩和提纯装置内实现水与二氧化碳的分离，实现燃煤电站二氧化碳的捕集；同时锅炉内发生燃烧反应释放的大量热量将第一热交换器内的水加热为高温高压蒸汽，高温高压蒸汽进入第一透平推动第一发电机发电；第一透平排出高温蒸汽进入第二热交换器与所述氮气换热，生成高温高压氮气；高温高压氮气进入第二透平推动第二发电机发电，产生的电力输送至空气分离装置和二氧化碳压缩和提纯装置，达到降低富氧燃烧电站系统能耗的目的。
[0019]所述空气分离装置分离出的氮气的压力值大于或等于2MPa，以保证第二透平及第二发电机运行效率。
[0020]总体而言，本发明所构思的技术方案相对于现有技术而言，具有以下优点:
[0021](I)本发明首次提出了富氧燃烧电站系统中，通过氮气的资源化利用，即空气分离装置生产的高压氮气经蒸汽透平排气加热后形成高温高压氮气，推动透平带动发电机发电，产生的电量输送至空气分离装置和二氧化碳压缩和提纯装置，解决了富氧燃烧电站中，由于空气分离设备及二氧化碳压缩和提纯设备运行导致电站整体系统效率下降的难题，达到降低富氧燃烧电站系统的能耗，提高电站系统效率的目的，而且大大降低了投资和运行成本。
[0022](2)在锅炉内生成以水蒸汽和二氧化碳为主要成分的烟气，一部分烟气进入二氧化碳压缩和提纯设备，通过压缩提纯得到高纯度二氧化碳，有效实现二氧化碳的捕集，二氧化碳可用于封存或各种资源化利用。
[0023](3)本发明采用氮气代替传统水作为余热利用的工质，有效避免了透平中水蒸汽冷凝等现象发生，提高了系统运行的安全性与稳定性。
[0024](4)本发明系统简单，结构紧凑，能够大幅度减少系统的体积；此外，本发明系统既可用于改造现有富氧燃烧电站又可用于设计新富氧燃烧电站的优点，市场适用性更强。
【附图说明】
[0025]图1是本发明的基于氮气资源化利用降低富氧燃烧电站能耗的系统的结构示意图；
[0026]图2是本发明实施例的结构示意图；
[0027]其中，1-空气分离装置；2_第二发电机；3_第二透平；4_第二热交换器；5_锅炉；6- 二氧化碳压缩和提纯装置；7_第一发电机；8_第一透平；9_第一热交换器；10-煤粉炉；
[0028]其中，A-空气；B_高压氮气；C_氧气；D_ 二氧化碳；E_水蒸气；F_高温高压水蒸气。
【具体实施方式】
[0029]为使本发明的目的、技术方案更加清晰，下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0030]本发明的基本思想是:空气分离装置I生产的高压氮气B，通过蒸汽透平排气加热后，推动透平带动发电机发电，实现降低富氧燃烧电站系统能耗，提高电站系统效率的目的。
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