加压富氧流化床驱动的超临界二氧化碳联合有机朗肯循环发电系统的制作方法

本发明属于煤炭清洁、高效发电领域，具体涉及一种加压富氧流化床驱动的超临界二氧化碳联合有机朗肯循环发电系统。

背景技术

我国是煤炭生产和消费大国，电力生产以煤电为主的基本格局在短期内难以改变。现有火电机组对于燃煤过程中排放的大量二氧化碳，尚无有效控制手段。当前，我国燃煤电厂排放的二氧化碳占到全国总排放量的40％左右。在应对气候变化和大力减排二氧化碳的国际背景下，亟需针对我国燃煤火力发电过程开发高效的二氧化碳捕集技术。

在现有碳捕集技术中，富氧燃烧技术对于燃烧后捕集具有显著优势，但富氧燃烧系统增加了空分制氧单元和二氧化碳纯化压缩单元，且与煤燃烧单元压力不匹配，造成系统净循环效率相比空气常规燃烧下降12％。加压富氧燃烧技术则有效解决了各单元间的压力匹配，同时可大量回收锅炉排烟中水蒸气的气化潜热，有效提高系统循环效率。相比煤粉炉，循环流化床锅炉燃烧温度较低，在污染物控制方面具有突出优势，通过炉内石灰石脱硫和优化分级燃烧等手段可有效减排硫、氮污染物，在增加二氧化碳捕集单元后即可实现燃烧产物的近零排放。

在发电循环侧，现有各热力循环系统的对比研究表明，以超临界二氧化碳为工质的闭式布雷顿循环具有更高的循环效率。仅在700-800℃时，超临界二氧化碳循环效率即可达到55％以上，远超蒸气朗肯循环效率(约45％)，且与循环流化床较低的燃烧温度更加吻合。将超临界二氧化碳循环应用于燃煤发电，系统效率提升潜力较大，能够补偿空分制氧及二氧化碳纯化压缩单元的能耗，保障全系统的热电转换效率。

技术实现要素：

发明目的：本发明旨在提供一种加压富氧流化床驱动的超临界二氧化碳联合有机朗肯循环发电系统，解决燃煤发电过程中由于二氧化碳捕集带来的能耗增加，同时提高燃煤发电系统的效率，并有效控制常规氮、硫污染物，实现燃煤发电过程的近零排放。

技术方案：本发明提供一种加压富氧流化床驱动的超临界二氧化碳联合有机朗肯循环发电系统，包括依次相连的空气分离制氧单元、加压富氧流化床驱动的超临界二氧化碳发电单元、余热锅炉驱动的有机朗肯循环单元和二氧化碳压缩捕集单元。

该系统采用加压富氧流化床为煤燃烧反应器，以超临界二氧化碳循环作为顶部循环对外发电，以有机朗肯循环作为底部循环对外做功并直接用于二氧化碳压缩，可在不降低全系统运行效率和经济效益的前提下，控制常规氮、硫污染物，并对二氧化碳进行捕集，实现燃煤发电过程的近零排放。

空气分离制氧单元包括沿空气或氧气流动方向依次相连的空气压缩机、热交换器、低温精馏塔、液氧泵和氧气预热器。空气分离制氧单元采用内压缩流程，空气通过空气压缩机压缩后，经热交换器预冷后，进入低温精馏塔分离得到液态氧气，经液氧泵加压至所需压力(约8.5mpa)后，液态氧气进入氧气预热器吸热并相变，产生适当压力的氧气，进入加压富氧流化床驱动的超临界二氧化碳发电单元，为后续加压富氧流化床驱动的超临界二氧化碳发电单元提供压力适当的氧气；得到的副产品氮气排放进入大气，不参与后续燃烧过程，避免了热力型氮氧化物的生成。

加压富氧流化床驱动的超临界二氧化碳发电单元为整个系统的核心单元，包括加压循环流化床锅炉、除尘器、烟气分流塔、一次再循环风机、二次再循环风机和以超临界二氧化碳为工质的发电循环；其中，加压循环流化床锅炉、除尘器和烟气分流塔沿烟气流动方向依次相连，烟气分流塔出口与一次再循环风机及二次再循环风机分别相连，一次再循环风机与空气分离制氧单元出口及加压循环流化床锅炉分别相连，二次再循环风机与空气分离制氧单元出口及加压循环流化床锅炉分别相连。加压循环流化床锅炉炉膛内设置有内设置有一级过热器和二级过热器，加压富氧流化床驱动的超临界二氧化碳发电单元还包括旋风分离器和返料器，加压循环流化床锅炉炉膛、旋风分离器和返料器依次相连形成回路，旋风分离器还连接除尘器。

超临界二氧化碳发电循环包括主透平、发电机、高温回热器、低温回热器、再压缩机、主压缩机、冷却器和主冷却塔，一级过热器、二级过热器、主透平、高温回热器低压侧和低温回热器低压侧沿超临界二氧化碳工质流动方向依次相连，低温回热器低压侧出口与再压缩机和冷却器分别相连，冷却器、主压缩机和低温回热器高压侧沿超临界二氧化碳工质流动方向依次相连，低温回热器高压侧出口和再压缩机出口通过管道连通后再与高温回热器高压侧入口相连，高温回热器高压侧出口与一级过热器入口相连，主透平连接发电机。

加压循环流化床锅炉进料为燃料和脱硫剂，燃料和脱硫剂由侧面进入炉膛，在加压流态化条件下发生燃烧反应生成高温烟气，燃料经过加压富氧燃烧生成的高温烟气，通过辐射、对流等方式将热量依次传递给一级过热器和二级过热器内的超临界二氧化碳工质，随后烟气进入旋风分离器，旋风分离器将烟气中所含的未燃尽燃料中较大的颗粒捕获，经返料器返回到炉膛中再次燃烧，其余烟气经除尘器净化后，进入烟气分流塔进行烟气分流，其中，一路烟气经一次再循环风机加压后，与空气分离制氧单元制得的加压氧气混合，形成一次风，由加压循环流化床锅炉底部风室送入，另一路烟气经二次再循环风机加压后与空分离制氧单元制得的加压氧气混合，形成二次风，由炉膛密相区上方分级送入，炉内实现分级燃烧，有效抑制燃料型氮氧化物的生成；剩余烟气则作为第三路进入余热锅炉驱动的有机朗肯循环单元。

以超临界二氧化碳为工质的发电循环采用目前效率最高的分流再压缩循环。

超临界二氧化碳作为循环工质，在加压循环流化床锅炉沿烟气方向顺流经过一级过热器、二级过热器，在加压循环流化床中吸热，加压循环流化床锅炉内二级过热器出口的高温、高压的超临界二氧化碳工质进入主透平中膨胀做功，带动发电机发电，输出电能；主透平出口侧的高温、低压的超临界二氧化碳工质依次进入高温回热器低压侧、低温回热器低压侧，在此过程中回收大量热量，并在低温回热器低压侧出口进行分流，其中，一路进入再压缩机压缩，另一路进入冷却器冷却后经主压缩机压缩，主压缩机出口的高压、低温的超临界二氧化碳工质经低温回热器高压侧加热后与再压缩机出口工质混合，进入高温回热器高压侧加热，该分流设计可有效解决传热“夹点”问题，提高循环效率，合流后的超临界二氧化碳工质再次进入依次进入加压循环流化床锅炉内一级过热器、二级过热器加热，构成闭式循环，冷却采用水冷方式，所需冷却水由主冷却塔提供。

余热锅炉驱动的有机朗肯循环单元包括沿烟气流动方向依次循环连接的余热锅炉、副透平、冷凝器和工质泵，余热锅炉与加压富氧流化床驱动的超临界二氧化碳发电单元的烟气出口以及二氧化碳压缩捕集单元入口分别相连，冷凝器连接副冷却塔。其中，余热锅炉回收烟气分流塔中排出的剩余烟气中余热，并加热有机工质，该工质进入副透平膨胀，对外输出功，做工后的有机工质进入冷凝器，之后经工质泵加压后，再次进入余热锅炉吸热，构成闭式循环，该循环所需冷却水由副冷却塔提供，余热锅炉出口的烟气进入二氧化碳压缩捕集单元。

二氧化碳压缩捕集单元包括沿烟气流动方向依次相连的烟气冷却器、烟气净化装置和压缩装置，烟气冷却器与余热锅炉驱动的有机朗肯循环单元的烟气出口相连。优选地，压缩装置采用多级压缩中间冷却形式；进一步优选地，压缩装置包括包括依次相连的一级压缩机、中间冷却器和二级压缩机。余热锅炉出口的烟气先进入烟气冷却器冷却，随后进入烟气净化装置进一步脱除硫、氮化物和飞灰等杂质，所获得的高纯度二氧化碳经过带有中间冷却的多级压缩机后，压缩液化成为液态二氧化碳，可进行封存或做其他使用。

余热锅炉驱动的有机朗肯循环单元中，副透平对外输出功直接用来带动二氧化碳压缩捕集单元中的一级压缩机、二级压缩机。

有益效果：本发明提出的加压富氧流化床驱动的超临界二氧化碳联合有机朗肯循环发电系统，采用加压富氧流化床为煤燃烧反应器，以超临界二氧化碳循环作为顶部循环对外发电，并联合有机朗肯循环作为底部循环对外做功并直接用于二氧化碳压缩，可显著改善燃烧系统的压力匹配，提高热力循环的发电效率，同时减免二氧化碳压缩环节的能耗。在不降低全系统运行效率和经济效益的前提下，控制常规氮、硫污染物，并对二氧化碳进行捕集，实现燃煤发电过程的近零排放。具体地，本发明的加压富氧流化床驱动的超临界二氧化碳联合有机朗肯循环发电系统具有如下的特色及优点：

1、本发明提出一种以加压富氧循环流化床为煤燃烧反应器，超临界二氧化碳联合有机朗肯循环的新型煤基发电系统，与现有富氧燃烧发电系统相比，该系统循环净效率可提高10％-12％，与现有空气常规燃烧发电系统的效率基本持平；

2、该系统以超临界二氧化碳循环作为顶部循环对外发电，以有机朗肯循环作为底部循环并直接驱动二氧化碳压缩机，通过能量的梯级利用，减少了二氧化碳捕集过程对燃煤发电系统运行效率和经济效益的影响；

3、通过燃料中添加脱硫剂如石灰石，硫化物在加压富氧流化床炉内完成脱除，氮氧化物通过富氧燃烧和分级配风共同控制，系统无需额外设置脱硫脱硝设备，进一步降低能耗，提高运行经济性和稳定性；

4、相同热输出情况下，加压富氧循环床锅炉尺寸较常压锅炉有明显减小，同时，超临界二氧化碳循环由于工质能量密度高，且在加热、冷却后不发生相变，因此主要设备，如透平仅为蒸汽透平体积的1/30，系统整体趋于小型化，初投资成本降低。

附图说明

图1为加压富氧流化床驱动的超临界二氧化碳联合朗肯循环发电系统的结构示意图。

图1中：1-空气压缩机；2-热交换器；3-低温精馏塔；4-液氧泵；5-氧气预热器；6-循环流化床锅炉；7-一级过热器；8-二级过热器；9-旋风分离器；10-返料器；11-除尘器；12-烟气分流塔；13-一次再循环风机；14-二次再循环风机；15-主透平；16-发电机；17-高温回热器；18-低温回热器；19-再压缩机；20-主压缩机；21-冷却器；22-主冷却塔；23-余热锅炉；24-副透平；25-冷凝器；26-工质泵；27-副冷却塔；28-烟气冷却器；29-烟气净化装置；30-一级压缩机；31-中间冷却器；32-二级压缩机。

具体实施方式

下面结合附图1对本发明作更进一步的说明。加压富氧流化床驱动的超临界二氧化碳联合有机朗肯循环发电系统包括依次相连的空气分离制氧单元i、加压富氧流化床驱动的超临界二氧化碳发电单元ii、余热锅炉驱动的有机朗肯循环单元iii和二氧化碳压缩捕集单元iv。

空气分离制氧单元i包括沿空气或氧气流动方向依次相连的空气压缩机1、热交换器2、低温精馏塔3、液氧泵4和氧气预热器5。

加压富氧流化床驱动的超临界二氧化碳发电单元ii包括加压循环流化床锅炉6、旋风分离器9、返料器10、除尘器11、烟气分流塔12、一次再循环风机13、二次再循环风机14和超临界二氧化碳发电循环。加压循环流化床锅炉6、除尘器11和烟气分流塔12沿烟气流动方向依次相连，烟气分流塔12出口与一次再循环风机13及二次再循环风机14分别相连，一次再循环风机13与空气分离制氧单元的氧气预热器5出口及加压循环流化床锅炉6分别相连，二次再循环风机14与空气分离制氧单元的氧气预热器5出口及加压循环流化床锅炉6分别相连。

加压循环流化床锅炉6炉膛内设置有内设置有一级过热器7和二级过热器8，超临界二氧化碳发电循环包括主透平15、发电机16、高温回热器17、低温回热器18、再压缩机19、主压缩机20、冷却器21和主冷却塔22。一级过热器7、二级过热器8、主透平15、高温回热器17低压侧、低温回热器18低压侧沿超临界二氧化碳工质流动方向依次相连，低温回热器18低压侧出口与再压缩机19和冷却器21分别相连，冷却器21、主压缩机20和低温回热器18高压侧依次相连，低温回热器18高压侧出口及再压缩机19出口通过管道连通后再与高温回热器17高压侧入口相连，高温回热器17高压侧出口与一级过热器7入口相连，主透平15连接发电机16。

加压循环流化床锅炉6炉膛、旋风分离器9和返料器10依次相连形成回路，旋风分离器9还连接除尘器11。

余热锅炉驱动的有机朗肯循环单元包括沿烟气流动方向依次循环连接的余热锅炉23、副透平24、冷凝器25和工质泵26，余热锅炉23入口与加压富氧流化床驱动的超临界二氧化碳发电单元中的烟气分流塔12烟气出口相连。冷凝器25连接副冷却塔27。

二氧化碳压缩捕集单元包括沿烟气流动方向依次相连的烟气冷却器28、烟气净化装置29、一级压缩机30、中间冷却器31和二级压缩机32。烟气冷却器28入口接余热锅炉23出口。一级压缩机30、中间冷却器31和二级压缩机32由余热锅炉驱动的有机朗肯循环单元中的副透平24驱动。

本发明提出的加压富氧流化床驱动的超临界二氧化碳联合有机朗肯循环发电系统，采用加压富氧流化床为煤燃烧反应器，以超临界二氧化碳循环作为顶部循环对外发电，并联合有机朗肯循环作为底部循环对外做功并直接用于二氧化碳压缩，以上可显著改善燃烧系统的压力匹配，提高热力循环的发电效率，同时减免二氧化碳压缩环节的能耗。在不降低全系统运行效率和经济效益的前提下，控制常规氮、硫污染物，并对二氧化碳进行捕集，实现燃煤发电过程的近零排放。

本发明的加压富氧流化床驱动的超临界二氧化碳联合有机朗肯循环发电系统基本思路如下：空气分离制氧单元i中将空气中的氧气分离出来，为系统提供燃烧所需压力条件下的氧气；加压富氧流化床驱动的超临界二氧化碳发电单元ii中，煤在加压富氧流化床6中燃烧，并将热量传递给超临界二氧化碳循环，将热量转化为电能输出；余热锅炉驱动的有机朗肯循环单元iii利用烟气中的余热，配合低温有机朗肯循环，将余热转化为机械能，并提供给二氧化碳压缩捕集单元iv，用于带动多级压缩机，将烟气中二氧化碳压缩成为液态，实现捕集。详述如下：

空气分离制氧单元i中，空气a通过空气压缩机1压缩后，进入热交换器2中进行预冷，再进入低温精馏塔3，实现液氧的低温分离，并通过液氧泵4增压，最后液氧进入氧气预热器5中吸热并相变为气态，最终得到3～4mpa，95％浓度的氧气，进入加压富氧流化床驱动的超临界二氧化碳发电单元ii，得到的氮气b排放进入大气；

加压富氧流化床驱动的超临界二氧化碳发电单元ii中，煤在加压循环流化床锅炉6中燃烧，生成950℃、3～4mpa的高温、高压烟气，并通过辐射、对流等方式将热量依次传递给一级过热器7和二级过热器8内的超临界二氧化碳工质，超临界二氧化碳吸热后进入主透平15膨胀做功，带动发电机16对外输出电能，实现热电转换，主透平15入口温度为700-800℃时，超临界二氧化碳循环效率可达到55％以上；

加压循环流化床锅炉6进料为燃料c和脱硫剂d，燃料c和脱硫剂d由侧面进入炉膛，在加压流态化条件下发生燃烧反应生成高温烟气，燃料经过加压富氧燃烧生成的高温烟气，通过辐射、对流等方式将热量依次传递给一级过热器7和二级过热器8内的超临界二氧化碳工质，随后烟气进入旋风分离器9，旋风分离器9将烟气中所含的未燃尽燃料中较大的颗粒捕获，经返料器10返回到炉膛中再次燃烧，其余烟气经除尘器11净化后，进入烟气分流塔12进行烟气分流：其中，第一路烟气经一次再循环风机13加压至3～4mpa后，与空气分离制氧单元i制得的氧气混合，构成一次风，由加压循环流化床锅炉6底部风室送入，保证物料流化，同时提供燃烧所需的部分氧量；第二路烟气经二次再循环风机14加压至3～4mpa后与空分离制氧单元i制得的氧气混合，构成二次风，由炉膛密相区上方分级送入，补充燃烧后续氧量、加强湍流混合强度，提高燃烧效率，并实现分级燃烧，有效抑制燃料型nox的生成，上述两路混合气(即一次风和二次风)的氧浓度控制在30～35％，进入炉膛的一次风与二次风配比为6∶4；其余烟气构成第三路烟气，约占燃烧总烟气量的70％，进入余热锅炉驱动的有机朗肯循环发电单元iii；

超临界二氧化碳循环中，加压循环流化床锅炉6内二级过热器8出口参数约为600℃，25mpa的超临界二氧化碳工质进入主透平15膨胀做功，输出电能e，带动发电机16并输出电能，主透平15出口的高温、低压的超临界二氧化碳工质依次进入高温回热器17低压侧、低温回热器18低压侧，回收大量热量，在低温回热器18低压侧出口进行分流，其中，约36％的超临界二氧化碳工质进入再压缩机19压缩，其余64％的工质进入冷却器21冷却至32℃，7.6mpa，经主压缩机20压缩至25.8mpa，主压缩机20出口的高压、低温的超临界二氧化碳工质经低温回热器18高压侧加热后与再压缩机19出口工质混合，进入高温回热器17高压侧加热，高温回热器17高压侧出口约414℃的超临界二氧化碳工质最后依次进入加压循环流化床锅炉6内一级过热器7、二级过热器8加热至600℃，构成闭式循环，冷却采用水冷方式，所需冷却水由主冷却塔提供。

余热锅炉驱动的有机朗肯循环单元iii中，余热锅炉23内回收600℃左右的高温烟气余热，并通过最下部设置的冷凝水集箱及排水口(图中未示出)，及时将烟气中的冷凝水排出，有机工质在余热锅炉23中吸热，进入副透平24中膨胀做功f，带动二氧化碳压缩捕集单元iv中的二氧化碳压缩机，余热锅炉出口处烟气中二氧化碳体积分数约为95％左右，压力2～3mpa，温度130℃左右，进入二氧化碳压缩捕集单元iv；

二氧化碳压缩捕集单元iv中，余热锅炉23出口的含高浓度的二氧化碳的烟气，经烟气冷却器28冷却、烟气净化装置29净化，并经多级压缩中间冷却至11mpa，30℃左右的液态二氧化碳g，进行封存或它用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。