一种耦合有机朗肯循环的煤炭发电碳捕集系统及运行方法

本发明涉及煤炭高效低碳发电，具体涉及一种耦合有机朗肯循环的煤炭发电碳捕集系统及运行方法。

背景技术：

1、煤炭在一次能源供应中占有较大比重，依然是最大的单一发电来源。然而，传统的煤炭燃烧过程造成了大量的环境污染和碳排放问题，当碳捕集技术应用于常规燃煤电站中时，将导致系统热效率损失9％-13％。因此，有必要探索更加高效低碳的新型煤炭发电技术。

2、超临界水气化作为一种新型煤炭转化技术，能够将煤炭的化学能转化为富氢合成气，有效避免煤炭直接燃烧造成的能质损失，在发电、制氢等方面具有大量应用。与常规气化技术相比，煤炭超临界水气化技术具有产氢率高、氮硫元素易沉积、易实现碳捕集等优点，是燃煤电厂高效低碳排放的潜在技术基础。在构建基于超临界水气化技术的煤电系统时，应综合考虑动力循环配置、气化水预热过程、余热回收布置等问题，以实现煤炭高效清洁低碳发电。

技术实现思路

1、为实现煤炭高效清洁低碳发电，本发明的目的在于提出了一种耦合有机朗肯循环的煤炭发电碳捕集系统及运行方法，所述系统基于超临界水气化技术，易于实现二氧化碳的完全碳捕集。混合工质透平的排气先预热气化给水，再驱动有机朗肯循环发电，高效实现系统余热的梯级利用。通过在系统热流端耦合有机朗肯循环，进一步回收透平排气的大量潜热，提高系统的净发电效率。

2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种耦合有机朗肯循环的煤炭发电碳捕集系统，包括气化反应器1、燃烧器2、混合工质透平3、给水换热器4、蒸发器5、膨胀机6、冷凝器7、工质泵8、冷却器9、气液分离器10和给水泵11；煤炭经过输煤管道连接至气化反应器1入口，给水经过给水换热器4的冷端出口分两路，一路进入气化反应器1入口，另一路进入燃烧器2入口，氧气经过输氧管道分别进入气化反应器1入口和燃烧器2入口；灰分从气化反应器1出口经过排灰管道排至外界环境，气化反应器1的合成气出口连接至燃烧器2入口；燃烧器2的混合工质出口连接至混合工质透平3入口，混合工质透平3的排气出口连接至给水换热器4的热端入口，给水换热器4热端出口的透平排气连接至蒸发器5的热端入口；当在系统热流端耦合有机朗肯循环时，有机工质经过工质泵8加压后进入蒸发器5的冷端入口，蒸发器5冷端出口的有机工质连接至膨胀机6入口，膨胀机6出口的有机工质连接至冷凝器7入口，冷凝器7出口的有机工质连接至工质泵8入口；经过有机朗肯循环的余热回收后，蒸发器5热端出口的透平排气连接至冷却器9入口，冷却器9出口的透平排气连接至气液分离器10入口；气液分离器10气相出口的二氧化碳进行完全碳捕集，气液分离器10液相出口的水再循环连接至给水泵11入口，给水泵11出口的给水连接至给水换热器4的冷端入口。

4、所述气化反应器1的运行温度为500℃-800℃，运行压力为23mpa-30mpa。

5、进入系统的氧气分流成两路，一路氧气进入气化反应器1中，与煤炭和气化给水发生部分氧化的超临界水气化反应，使得释放热量恰好提供气化反应所需的热量；另一路氧气进入燃烧器2中，与合成气发生完全氧化反应，所述燃烧器2的出口工质为超临界水和超临界二氧化碳的混合工质。

6、所述混合工质透平3的进口温度为700℃-1500℃；

7、通过改变进入燃烧器2中的给水流量，调节所述混合工质透平3的进口温度，满足不同透平的入口参数限制，提高系统运行的灵活性。

8、当混合工质透平3的进口温度较低时，为了增加系统中透平的发电量，提高系统的净发电效率，对所述系统增加再热配置，即在燃烧器2与混合工质透平3之间增加回热器12，在混合工质透平3与给水换热器4之间增加回热器12和低压透平13，以对混合工质透平3的排气进行再热。

9、所述混合工质透平3的排气压力为0.05mpa-0.2mpa。

10、所述给水换热器4热端出口的透平排气具有大量潜热，通过在系统热流端耦合有机朗肯循环发电，进一步回收透平的排气余热。

11、在系统有机朗肯循环发电过程中，有机工质可选择r134a制冷剂。

12、所述冷却器9的出口工质温度为25℃-32℃。

13、所述的一种耦合有机朗肯循环的煤炭发电碳捕集系统的运行方法为：氧气经过输氧管道分别进入气化反应器1和燃烧器2中，给水经过给水换热器4预热后分别进入气化反应器1和燃烧器2中；在气化反应器1中，煤炭与超临界水和氧气发生部分氧化的超临界水气化反应，生成高热值的富氢合成气；富氢合成气与氧气在燃烧器2中发生完全氧化反应，生成以超临界水和超临界二氧化碳为主要成分的混合工质；燃烧器2出口的高温高压混合工质进入混合工质透平3中膨胀做功发电；通过改变进入燃烧器2中的给水流量，调节混合工质透平3的进口温度，以满足不同透平入口参数的要求；混合工质透平3出口的透平排气具有大量的显热和潜热，可进行余热回收利用；混合工质透平3的排气余热先通过给水换热器4，以预热进入气化反应器1和燃烧器2中的给水；给水换热器4出口的透平排气具有大量潜热，再通过耦合有机朗肯循环发电，进一步回收透平的排气余热；在有机朗肯循环发电过程中，冷凝器7出口的有机工质经过工质泵8加压后，进入蒸发器5中与透平排气进行换热，蒸发器5出口的有机工质蒸汽进入膨胀机6中做功发电，膨胀机6出口的有机工质再进入冷凝器7中进行冷却，完成一个闭合的有机朗肯循环；蒸发器5出口的透平排气通过在有机朗肯循环中的回收利用后降低到一定温度，进入冷却器9中进一步冷却，冷却器9出口的透平排气进入气液分离器10中进行气液分离；气液分离器10气相出口的二氧化碳可进行完全碳捕集，气液分离器10液相出口的冷凝水再循环至系统中，经过给水泵11的加压后进入给水换热器4中进行预热；添加再热配置的所述系统的运行方法为：燃烧器2出口工质进入回热器12中与混合工质透平3的排气进行换热，再进入混合工质透平3中膨胀做功，混合工质透平3的排气在回热器12中再热后进入低压透平13中膨胀做功，低压透平13的排气后续再通过给水换热器4和耦合有机朗肯循环，以回收透平的排气余热。

14、本发明具有以下有益效果：

15、(1)本发明基于超临界水气化技术，氮硫元素易沉积，可进行二氧化碳的完全碳捕集，实现煤炭高效清洁低碳发电。

16、(2)本发明中混合工质透平排气先预热气化给水，再驱动有机朗肯循环发电，高效实现系统余热的梯级利用。

17、(3)本发明通过在系统热流端耦合有机朗肯循环，进一步回收透平排气的大量潜热，增加系统的净发电量，提高系统的能源利用效率。

技术特征：

1.一种耦合有机朗肯循环的煤炭发电碳捕集系统，其特征在于：所述系统包括气化反应器(1)、燃烧器(2)、混合工质透平(3)、给水换热器(4)、蒸发器(5)、膨胀机(6)、冷凝器(7)、工质泵(8)、冷却器(9)、气液分离器(10)和给水泵(11)；煤炭经过输煤管道连接至气化反应器(1)入口，给水经过给水换热器(4)的冷端出口分两路，一路进入气化反应器(1)入口，另一路进入燃烧器(2)入口，氧气经过输氧管道分别进入气化反应器(1)入口和燃烧器(2)入口；灰分从气化反应器(1)出口经过排灰管道排至外界环境，气化反应器(1)的合成气出口连接至燃烧器(2)入口；燃烧器(2)的混合工质出口连接至混合工质透平(3)入口，混合工质透平(3)的排气出口连接至给水换热器(4)的热端入口，给水换热器(4)热端出口的透平排气连接至蒸发器(5)的热端入口；当在系统热流端耦合有机朗肯循环时，有机工质经过工质泵(8)加压后进入蒸发器(5)的冷端入口，蒸发器(5)冷端出口的有机工质连接至膨胀机(6)入口，膨胀机(6)出口的有机工质连接至冷凝器(7)入口，冷凝器(7)出口的有机工质连接至工质泵(8)入口；经过有机朗肯循环的余热回收后，蒸发器(5)热端出口的透平排气连接至冷却器(9)入口，冷却器(9)出口的透平排气连接至气液分离器(10)入口；气液分离器(10)气相出口的二氧化碳进行完全碳捕集，气液分离器(10)液相出口的水再循环连接至给水泵(11)入口，给水泵(11)出口的给水连接至给水换热器(4)的冷端入口。

2.根据权利要求1所述的耦合有机朗肯循环的煤炭发电碳捕集系统，其特征在于：所述气化反应器(1)的运行温度为500℃-800℃，运行压力为23mpa-30mpa。

3.根据权利要求1所述的耦合有机朗肯循环的煤炭发电碳捕集系统，其特征在于：进入系统的氧气分流成两路，一路氧气进入气化反应器(1)中，与煤炭和气化给水发生部分氧化的超临界水气化反应，使得释放热量恰好提供气化反应所需的热量；另一路氧气进入燃烧器(2)中，与合成气发生完全氧化反应，所述燃烧器(2)的出口工质为超临界水和超临界二氧化碳的混合工质。

4.根据权利要求1所述的耦合有机朗肯循环的煤炭发电碳捕集系统，其特征在于：所述混合工质透平(3)的进口温度为700℃-1500℃；

5.根据权利要求1所述的耦合有机朗肯循环的煤炭发电碳捕集系统，其特征在于：为了增加系统中透平的发电量，提高系统的净发电效率，对所述系统增加再热配置，即在燃烧器(2)与混合工质透平(3)之间增加回热器(12)，在混合工质透平(3)与给水换热器(4)之间增加回热器(12)和低压透平(13)，以对混合工质透平(3)的排气进行再热。

6.根据权利要求1所述的耦合有机朗肯循环的煤炭发电碳捕集系统，其特征在于：所述混合工质透平(3)的排气压力为0.05mpa-0.2mpa。

7.根据权利要求1所述的耦合有机朗肯循环的煤炭发电碳捕集系统，其特征在于：所述给水换热器(4)热端出口的透平排气具有大量潜热，通过在系统热流端耦合有机朗肯循环发电，进一步回收透平的排气余热。

8.根据权利要求7所述的耦合有机朗肯循环的煤炭发电碳捕集系统，其特征在于：在系统有机朗肯循环发电过程中，有机工质选择r134a制冷剂。

9.根据权利要求1所述的耦合有机朗肯循环的煤炭发电碳捕集系统，其特征在于：所述冷却器(9)的出口工质温度为25℃-32℃。

10.权利要求1至9任一项所述的耦合有机朗肯循环的煤炭发电碳捕集系统的运行方法，其特征在于：氧气经过输氧管道分别进入气化反应器(1)和燃烧器(2)中，给水经过给水换热器(4)预热后分别进入气化反应器(1)和燃烧器(2)中；在气化反应器(1)中，煤炭与超临界水和氧气发生部分氧化的超临界水气化反应，生成高热值的富氢合成气；富氢合成气与氧气在燃烧器(2)中发生完全氧化反应，生成以超临界水和超临界二氧化碳为主要成分的混合工质；燃烧器(2)出口的高温高压混合工质进入混合工质透平(3)中膨胀做功发电；通过改变进入燃烧器(2)中的给水流量，调节混合工质透平(3)的进口温度，以满足不同透平入口参数的要求；混合工质透平(3)出口的透平排气具有大量的显热和潜热，进行余热回收利用；混合工质透平(3)的排气余热先通过给水换热器(4)，以预热进入气化反应器(1)和燃烧器(2)中的给水；给水换热器(4)出口的透平排气具有大量潜热，再通过耦合有机朗肯循环发电，进一步回收透平的排气余热；在有机朗肯循环发电过程中，冷凝器(7)出口的有机工质经过工质泵(8)加压后，进入蒸发器(5)中与透平排气进行换热，蒸发器(5)出口的有机工质蒸汽进入膨胀机(6)中做功发电，膨胀机(6)出口的有机工质再进入冷凝器(7)中进行冷却，完成一个闭合的有机朗肯循环；蒸发器(5)出口的透平排气通过在有机朗肯循环中的回收利用后降低到一定温度，进入冷却器(9)中进一步冷却，冷却器(9)出口的透平排气进入气液分离器(10)中进行气液分离；气液分离器(10)气相出口的二氧化碳进行完全碳捕集，气液分离器(10)液相出口的冷凝水再循环至系统中，经过给水泵(11)的加压后进入给水换热器(4)中进行预热；添加再热配置的所述系统的运行方法为：燃烧器(2)出口工质进入回热器(12)中与混合工质透平(3)的排气进行换热，再进入混合工质透平(3)中膨胀做功，混合工质透平(3)的排气在回热器(12)中再热后进入低压透平(13)中膨胀做功，低压透平(13)的排气后续再通过给水换热器(4)和耦合有机朗肯循环，以回收透平的排气余热。

技术总结
本发明公开了一种耦合有机朗肯循环的煤炭发电碳捕集系统及运行方法，该系统包括气化反应器，燃烧器，混合工质透平，给水换热器、蒸发器、膨胀机、冷凝器、工质泵、冷却器、气液分离器、给水泵。本发明基于超临界水气化技术，气化反应所需热量通过燃料的部分氧化过程提供，形成自热式气化反应系统；混合工质透平的排气先预热气化给水，再驱动有机朗肯循环发电，高效实现系统余热的梯级利用；本发明通过在热流端耦合有机朗肯循环，进一步回收透平排气的大量潜热，增加系统的净发电量，提高系统的能源利用效率，可实现二氧化碳的完全碳捕集，促进高效低碳煤电技术的发展。

技术研发人员：穆瑞琪,黄艳,杨亚利,刘明,符悦,高军,郝黎明,严俊杰
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/27