一种CO2液化过程与深冷空分耦合的IGFC发电系统及方法与流程

本发明属于洁净煤发电技术领域，具体涉及一种co2液化过程与深冷空分耦合的igfc发电系统及方法。

背景技术：

整体煤气化燃料电池igfc发电系统是将煤气化发电与高温燃料电池结合的发电系统，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。

igfc系统通常由煤气化、深冷空分、煤气净化、燃料电池、余热锅炉、汽轮机、co2液化等设备或子系统组成。其中，深冷空分系统主要作用是制取煤气化过程所需要的工业纯氧，除此之外，燃料电池尾气的催化燃烧过程以及硫回收等过程均需要一定量的纯氧。co2液化过程也需要冷量，从而实现igfc系统中捕集出的气态co2向液态co2的转变,导致该系统总体能耗较高。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种co2液化过程与深冷空分耦合的igfc发电系统及方法，解决了现有的igfc系统中总体能耗较高的缺陷。

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co2液化过程与深冷空分耦合的igfc发电系统，包括备煤单元、气化炉、废热锅炉、循环气压缩机、除尘脱硫单元、引射器、燃料电池、纯氧燃烧器、燃气透平、阴极空气压缩机、阴极回热器、空气透平、余热锅炉、主空压机、空分冷凝器、主冷换热器、膨胀透平、低压精馏塔和氧气机，备煤单元的干煤粉出口连接气化炉的入口，气化炉顶部的高温粗合成气出口连接废热锅炉的入口，废热锅炉的饱和蒸汽出口连接余热锅炉的进口；

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，循环气压缩机的出口连接废热锅炉的入口；另一路经过除尘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；

引射器的合成气出口连接燃料电池的阳极入口，燃料电池的阳极出口连接纯氧燃烧器的入口，纯氧燃烧器的燃烧尾气出口连接燃气透平的入口，燃料透平的尾气出口连接余热锅炉的入口，余热锅炉的该部分尾气连接co2冷凝器的入口，co2冷凝器的出口连接液态二氧化碳储罐；

阴极空气压缩机的出口连接阴极回热器的冷侧入口，阴极回热器的冷侧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空气透平，空气透平的尾气出口连接余热锅炉的入口；

主空压机的出口经过空分冷凝器连接主冷换热器的入口，主冷换热器的出口经过膨胀透平连接低压精馏塔，低压精馏塔的底部液氧出口连接co2冷凝器冷侧入口，co2冷凝器的冷侧出口经过主冷换热器的热侧出口连接氧气机的入口。

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，另一路连接除尘脱硫单元的入口。

优选地，除尘脱硫单元包括水洗塔、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，另一路连接水洗塔的入口，水洗塔的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脱硫单元的入口，脱硫单元的洁净合成气出口连接引射器的入口。

优选地，废热锅炉的粗合成气出口和水洗塔之间设置有第一气气加热器，其中，第一气气加热器的热侧入口连接废热锅炉的粗合成气出口，第一气气加热器的热侧出口连接水洗塔的入口；

水洗塔的出口和羰基硫水解反应器的入口之间设置有第二气气加热器，其中，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。

优选地，燃气透平的燃烧尾气出口连接余热锅炉的入口，余热锅炉中该部分燃烧尾气的出口还设置有一个支路，该支路连接有二氧化碳压缩机，二氧化碳压缩机的出口连接气化炉的入口。

优选地，主冷换热器的出口还设置有一个支路，该支路连接高压精馏塔的入口，高压精馏塔的底部出口连接有过冷器，过冷器的出口连接低压精馏塔；

高压精馏塔的顶部气体出口连接过冷器的气体入口，过冷器的出口连接低压精馏塔。

一种co2液化过程与深冷空分耦合的igfc发电方法，基于一种co2液化过程与深冷空分耦合的igfc发电系统，包括以下步骤：

原煤在备煤单元中磨煤、干燥后形成干煤粉，由高压二氧化碳气体输送至气化炉，氧压机出口的部分纯氧与少量汽轮机中部抽取的中压蒸汽同时送入气化炉进行反应，气化炉顶部产生的高温粗合成气与循环气压缩机出口的低温合成气混合激冷后，送入废热锅炉；废热锅炉产生饱和蒸汽送入余热锅炉中进一步加热，经过废热锅炉回收余热后的粗合成气一部分循环至循环气压缩机入口，另一部分进行降温脱硫处理，之后产生的洁净合成气送入引射器，引射燃料电池阳极出口的部分尾气，引射器出口的合成气进入燃料电池阳极进行反应；燃料电池阳极出口的其余尾气进入纯氧燃烧器与氧压机出口的部分纯氧进行催化燃烧反应，产生的燃烧尾气经过燃气透平做功后，送入余热锅炉，余热锅炉的燃烧尾气送入co2冷凝器，之后进入液态二氧化碳储罐；

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，冷侧出口的高温空气送入燃料电池阴极入口，在燃料电池中进行反应后送入阴极回热器热侧入口，降温后送入空气透平，驱动空气透平转动做功后，送入余热锅炉进行余热回收后排入大气；

一股空气送入主空压机，加压后送入空分冷凝器，随后送入主冷换热器进行降温，之后经过膨胀透平送入低压精馏塔，低压精馏塔底部出口液氧送入co2冷凝器冷侧与二氧化碳气体进行热交换，随后送入主冷换热器复热后，送入氧压机入口。

优选地，主冷换热器的出口还设置有一个支路，该支路送入高压精馏塔，高压精馏塔底部出口的富氧液空送入过冷器，减压后送入低压精馏塔；

高压精馏塔顶部出口的气体送入过冷器，减压后送入低压精馏塔。

优选地，燃气透平做功后，其尾气送入余热锅炉进行降温，之后该部分尾气还设置有一个分支，该分支尾气送入二氧化碳压缩机入口，二氧化碳压缩机产生的高压二氧化碳气体将干煤粉输送至气化炉。

与现有技术相比，本发明的有益效果是；

本发明提供的一种co2液化过程与深冷空分耦合的igfc发电系统，通过主空压机、空分冷凝器、膨胀透平和低压精馏塔实现液氧的制备，将液氧送入co2冷凝器的冷侧入口，与高温的气体二氧化碳进行热交换，实现二氧化碳的液化收集，该系统通过将co2液化过程与深冷空分进行耦合，使得igfc发电系统省去了co2液化过程所需得制冷设备，简化了流程，减少了设备投资与运行成本；同时，实现了能量的优化利用，可提高igfc系统发电效率。

本发明提供的一种co2液化过程与深冷空分耦合的igfc发电方法，通过主空压机、空分冷凝器、膨胀透平和低压精馏塔实现液氧的制备，将液氧送入co2冷凝器的冷侧入口，与高温的气体二氧化碳进行热交换，实现二氧化碳的液化收集，该系统通过将co2液化过程与深冷空分进行耦合，使得igfc发电系统省去了co2液化过程所需得制冷设备，简化了流程，减少了设备投资与运行成本；同时，实现了能量的优化利用，可提高igfc系统发电效率。

附图说明

图1是本发明涉及的igfc发电系统结构示意图；

其中，1、备煤单元2、气化炉3、废热锅炉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、纯氧燃烧器19、燃气透平20、空气压缩机21、阴极回热器22、空气透平23、余热锅炉24、汽轮机25、羰基硫水解反应器26、co2冷凝器27、co2加压泵28、主空压机29、空分冷凝器30、主冷换热器31、膨胀透平32、高压精馏塔33、低压精馏塔34、过冷器35、氧压机。

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co2液化过程与深冷空分耦合的igfc发电系统，包括备煤单元1、气化炉2、废热锅炉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、合成气冷却器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、纯氧燃烧器18、燃气透平19、空气压缩机20、阴极回热器21、空气透平22、余热锅炉23、汽轮机24、二氧化碳压缩机25、co2冷凝器26、co2加压泵27、主空压机28、空分冷凝器29、主冷换热器30、膨胀透平31、高压精馏塔32、低压精馏塔33、过冷器34和氧压机35，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顶部的高温粗合成气出口连接废热锅炉3的入口，废热锅炉3的饱和蒸汽出口连接余热锅炉23的进口；废热锅炉3的粗合成气出口连接除尘单元4的入口，除尘单元4的合成气出口分为两路，一路连接循环气压缩机5的入口，循环气压缩机5的出口连接废热锅炉3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的洁净合成气出口连接湿化器13的入口，湿化器13的出口连接第一气气加热器6冷侧的入口，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；脱硫单元12的废水与废气出口分别连接水处理单元14的入口和硫回收单元15的入口；引射器16的合成气出口连接燃料电池17的阳极入口，燃料电池17的阳极出口连接纯氧燃烧器18的入口，纯氧燃烧器18的燃烧尾气出口连接燃气透平19的入口，燃气透平19的尾气出口连接余热锅炉23的入口，余热锅炉23的尾气出口分为两路，一路连接co2冷凝器26的入口，co2冷凝器26的出口经过co2加压泵27连接液态二氧化碳储罐；另一路连接二氧化碳压缩机25的入口，二氧化碳压缩机25的出口连接气化炉2的入口；

阴极空气压缩机20的出口分为两路，一路连接阴极回热器21的冷侧入口，阴极回热器21的冷侧出口连接燃料电池17的阴极入口，燃料电池17的阴极出口连接阴极回热器21的热侧入口，阴极回热器21的热侧出口连接空气透平22的入口，空气透平22的尾气出口连接余热锅炉23的入口，余热锅炉23的尾气出口连通大气；

另一路连接主空压机28的入口，主空压缩机28的出口连接空分冷凝器29的入口，空分冷凝器29的出口连接主冷换热器30的入口，主冷换热器30的出口分为两路，一路连接膨胀透平31的入口，膨胀透平31的出口经过低压精馏塔33连接高压精馏塔32的入口，高压精馏塔32的底部出口连接过冷器34的入口，过冷器34的出口连接低压精馏塔33的入口；高压精馏塔32的顶部出口连接过冷器34的入口，过冷器34的出口连接低压精馏塔33的入口，低压精馏塔33的顶部出口经过过冷器34连接主冷换热器30的入口；低压精馏塔33的底部出口连接co2冷凝器26的冷侧入口，co2冷凝器26的冷侧出口连接主冷换热器30的入口，主冷换热器30的出口连接氧压机35的入口，氧压机35的出口分为两路，一路连接气化炉2的入口；另一路连接纯氧燃烧器18的纯氧入口；

余热锅炉23的高压过热蒸汽出口连接汽轮机24的入口，汽轮机24的中压蒸汽出口连接气化炉2的入口。

该系统流程为：

原煤在备煤单元1中磨煤、干燥后形成干煤粉，由二氧化碳压缩机25产生的高压二氧化碳气体输送至气化炉2，氧压机35出口的部分纯氧与少量汽轮机24中部抽取的中压蒸汽同时送入气化炉2反应，气化炉2炉底产生炉渣，顶部产生的高温粗合成气与循环气压缩机5出口的低温合成气混合激冷后，送入废热锅炉3；废热锅炉3产生饱和蒸汽送入余热锅炉23中进一步加热，经过废热锅炉回收余热后的粗合成气送入除尘单元4，经过降温除尘后的一部分合成气循环至循环气压缩机5入口，另一部分合成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出口合成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，合成气经过复热后，进入低温余热回收单元10，随后进入合成气冷却器11，将合成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合成气送入湿化器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冷侧出口合成气送入引射器16，引射燃料电池17阳极出口的部分尾气，引射器16出口的合成气进入燃料电池17阳极，进行反应；燃料电池17阳极出口的其余尾气进入纯氧燃烧器18与氧压机35出口的部分纯氧进行催化燃烧反应，产生燃烧尾气，其主要成分为水蒸气与二氧化碳，经过燃气透平19做功后，送入余热锅炉23，燃烧尾气经过降温后分为两股，第一股送入二氧化碳压缩机25入口，第二股送入co2冷凝器26，再送入co2加压泵27，最终形成高纯度的液态二氧化碳。

一股空气经过阴极空气压缩机20加压后，一部分送入阴极回热器21冷侧入口，冷侧出口的高温空气送入燃料电池17阴极入口，在燃料电池17中进行反应后送入阴极回热器21热侧入口，降温后送入空气透平22，驱动空气透平22转动做功后，送入余热锅炉23，回收余热后排入大气。

一股空气送入主空压机28，加压后送入空分冷凝器29，随后送入主冷换热器30降温后，分为两股，第一股送入膨胀透平31后，送入低压精馏塔33，第二股送入高压精馏塔32。高压精馏塔32底部出口的富氧液空送入过冷器34，减压后送入低压精馏塔33；高压精馏塔32顶部出口的气体送入过冷器34，减压后送入低压精馏塔33。低压精馏塔33顶部出口污氮气送入过冷器34后，再送入主冷换热器30，回收冷量后排入大气；低压精馏塔33底部出口液氧送入co2冷凝器26冷侧，随后送入主冷换热器30复热后，送入氧压机35入口。余热锅炉23回收燃气透平19与空气透平22排除尾气的回热，同时对废热锅炉3产生的饱和蒸汽进行过热，余热锅炉23产生高压过热蒸汽送入汽轮机24。该系统发出的电能由燃料电池17、燃气透平19、空气透平22、以及汽轮机24产生。