本發(fā)明屬于氧化鈣循環(huán)脫碳技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種集成二次碳化過程氧化鈣循環(huán)脫碳系統(tǒng)的燃煤電站系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
過量溫室氣體的排放對自然生態(tài)系統(tǒng)及人類生活環(huán)境造成了一系列的影響。隨著人類社會的發(fā)展，全球溫室氣體排放量還在逐年升高，其中CO2占到溫室氣體排放總量的60％。傳統(tǒng)化石燃料電站是工業(yè)生產(chǎn)中最集中的二氧化碳排放源之一，因此化石燃料電站的碳減排成為近年來的研究熱點。
帶二次碳化過程的氧化鈣循環(huán)脫碳系統(tǒng)在傳統(tǒng)的雙流化床氧化鈣循環(huán)脫碳流程基礎(chǔ)上進行改進，可有效地將鈣吸收劑的活性提高兩倍以上。新系統(tǒng)在碳化器后增加了一個二次碳化反應(yīng)器，從煅燒器中抽出煅燒器生成的高濃度CO2與碳化器中排出的吸收劑進行飽和碳酸化反應(yīng)，以提高CaO顆粒吸收CO2的能力，進而減少脫碳系統(tǒng)中鈣吸收劑的質(zhì)量以及新鮮吸收劑的補充量。但帶二次碳化過程的氧化鈣循環(huán)脫碳系統(tǒng)中一次碳化器與二次碳化器均會產(chǎn)生大量高品質(zhì)的熱量，如果不對這部分能量加以妥善的利用，將會造成極大的能量浪費。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明公開了一種集成二次碳化過程氧化鈣循環(huán)脫碳系統(tǒng)的燃煤電站系統(tǒng)及應(yīng)用，具體技術(shù)方案如下：
集成二次碳化過程氧化鈣循環(huán)脫碳系統(tǒng)的燃煤電站系統(tǒng)，其中，一次碳化器1、第一分離器2、二次碳化器3、第二分離器4、第三分離器5、第四換熱器6、煅燒器7、第四分離器8、第五分離器9、第三換熱器10、一次碳化器1依次相連；第四分離器8與二次碳化器3相連；第三換熱器10與煅燒器7相連；第五分離器9與第五換熱器11相連；
凝汽器13、給水泵a1、低壓省煤器LPE依次相連，并在低壓省煤器LPE處分為三路，第一路依次經(jīng)低壓蒸發(fā)器LPB、低壓過熱器LPS通入汽輪機低壓缸LP；第二路依次經(jīng)中壓省煤器IPE、中壓蒸發(fā)器IPB、中壓過熱器IPS、再熱器RH通入汽輪機中壓缸IP；第三路依次經(jīng)第一級高壓省煤器HPE1、第二級高壓省煤器HPE2、高壓蒸發(fā)器HPB、高壓過熱器HPS進入汽輪機高壓缸HP。
還包括CO2壓縮系統(tǒng)，由泵22、第六換熱器b1、第一壓縮機c1、第七換熱器b2、第二壓縮機c2、第八換熱器b3、第三壓縮機c3、第九換熱器b4、第四壓縮機c4和第十換熱器b5依次連接組成。
如上所述的燃煤電站系統(tǒng)的應(yīng)用：
燃煤電站排出的煙氣流入一次碳化器1并與CaO固體流反應(yīng)生成CaCO3，脫除85％的CO2后進入第一分離器2；CaO固體流經(jīng)第一分離器2分離后，未反應(yīng)的部分進入二次碳化器3，與從煅燒器7中排出并經(jīng)第四分離器8分離的高溫高濃度CO2流進行飽和碳酸反應(yīng)，之后進入第二分離器4，分離出的高溫CO2流進入余熱鍋爐回收熱量，分離出的吸收劑固體進入第三分離器5，排出廢棄固體流，包括部分失活的CaCO3、CaO和CaSO4；排出的廢棄固體流與將要進入煅燒器7的新鮮石灰石固體在第四換熱器6中換熱，之后進入煅燒器7中煅燒；煅燒器7中CaCO3受熱全部分解為CaO，生成高濃度的CO2；CaO和CO2混合流進入第四分離器8，分離出的高溫高濃度CO2流進入二次碳化器3，CaO固體流在第五分離器9中排出灰渣后，在第三換熱器10中與即將進入煅燒器7的純氧進行熱交換，之后再次進入一次碳化器1；第五分離器9中排出的高溫灰渣與即將進入煅燒器的優(yōu)質(zhì)煤粉在第五換熱器11中進行熱交換，溫度降至60℃。
所述二次碳化器3反應(yīng)后釋放的熱量Qrecar在第二換熱器19中加熱脫碳系統(tǒng)脫碳后的貧CO2電站煙氣，使煙氣溫度從650℃提升至695℃，之后與二次碳化器3中排出的高濃度CO2一起引入余熱鍋爐做功，余熱鍋爐排煙溫度為81.2℃。之后，將一次碳化器1釋放的熱量Qcar引入余熱鍋爐部分，在第一換熱器12中將余熱鍋爐排出的冷CO2氣體加熱到638℃，再熱后的CO2氣體再次進入余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽，之后經(jīng)凈化模塊14去除雜質(zhì)后進入壓縮系統(tǒng)，流程中增加風(fēng)機18以提高CO2氣體進入余熱鍋爐前的壓力。
從汽輪機低壓缸LP排出的蒸汽經(jīng)凝汽器13、給水泵a1進入低壓省煤器LPE，出口工質(zhì)分成三股，其中一股經(jīng)低壓汽包17、低壓蒸發(fā)器LPB后變成低壓飽和蒸汽，最終在低壓過熱器LPS中吸熱變成低壓過熱蒸汽與中壓缸IP排汽混合通入低壓缸LP，做功后的蒸汽流入冷凝器；第二股工質(zhì)經(jīng)中壓給水泵a3加壓，依次流經(jīng)中壓省煤器IPE、中壓汽包16、中壓蒸發(fā)器IPB、中壓過熱器IPS，完成過冷水到中壓飽和水、中壓飽和蒸汽、中壓過熱蒸汽的轉(zhuǎn)化過程，最終和高壓缸HP排汽混合進入再熱器RH，工質(zhì)再熱后進入汽輪機中壓缸IP；第三股給水經(jīng)高壓給水泵a2加壓后依次進入第一級高壓省煤器HPE1、第二級高壓省煤器HPE2、高壓汽包15、高壓蒸發(fā)器HPB、高壓過熱器HPS，吸收排煙熱量成為高壓過熱蒸汽，之后進入汽輪機高壓缸HP做功。
經(jīng)余熱鍋爐余熱回收后的CO2氣體流溫度下降至70℃～90℃，在第十換熱器b5中進一步降溫，在凈化模塊14中去除雜質(zhì)氣體，之后進入CO2壓縮系統(tǒng)回收。
本發(fā)明采用四級間冷壓縮(由泵、壓縮機和換熱器組成的系統(tǒng)，即由泵22、第六換熱器b1、第一壓縮機c1、第七換熱器b2、第二壓縮機c2、第八換熱器b3、第三壓縮機c3、第九換熱器b4、第四壓縮機c4和第十換熱器b5依次連接組成的系統(tǒng))，將常壓CO2從0.1MPa壓縮至7.9MPa，冷卻至常溫后，CO2液化，然后由泵將壓力提升至11MPa，儲存CO2。
所述第三換熱器10、第四換熱器6、第五換熱器11分別利用高溫CaO固體(950℃)、高溫失活固體(750℃)和高溫灰渣(950℃)加熱即將進入煅燒器的純氧、即將進入煅燒器的新鮮石灰石固體和即將進入煅燒器的優(yōu)質(zhì)煤粉。
本發(fā)明從提高整個系統(tǒng)熱效率的角度進行了帶二次碳化過程氧化鈣循環(huán)脫碳系統(tǒng)與傳統(tǒng)燃煤電站以及余熱鍋爐系統(tǒng)的集成。集成單元包括600MW超臨界燃煤電站系統(tǒng)、帶二次碳化過程的氧化鈣循環(huán)脫碳系統(tǒng)、三壓再熱余熱鍋爐系統(tǒng)、CO2壓縮系統(tǒng)。
本發(fā)明的有益效果為：
(1)二次碳化過程的引入在一定程度上提升CaO吸收劑的循環(huán)活性，因而可減少循環(huán)中CaO吸收劑的質(zhì)量和新鮮吸收劑的補充量，降低了煅燒器部分的能耗，提升了系統(tǒng)總效率。
(2)充分利用了一次碳化器釋放的高品位熱量Qcar，將余熱鍋爐排出的冷CO2氣體再熱，通過CO2氣體的再循環(huán)以達(dá)到回收熱量Qcar，增加余熱鍋爐出功的目的。
(3)充分利用了二次碳化器釋放的高品位熱量Qrecar，將脫碳后的電站煙氣溫度盡可能提升，以達(dá)到回收熱量Qrecar，增加余熱鍋爐出功的目的。
附圖說明
圖1為本發(fā)明所述集成二次碳化過程氧化鈣循環(huán)脫碳系統(tǒng)的燃煤電站系統(tǒng)流程示意圖。
圖中各編號的具體含義為：1-一次碳化器；2-第一分離器；3-二次碳化器；4-第二分離器；5-第三分離器；6-第四換熱器；7-煅燒器；8-第四分離器；9-第五分離器；10-第三換熱器；11-第五換熱器；12-第一換熱器；13-凝汽器；14-凈化模塊；15-高壓汽包；16-中壓汽包；17-低壓汽包；18-風(fēng)機；19-第二換熱器；20-燃煤電站；21-發(fā)電機；22-泵；23-發(fā)電機；HP-汽輪機高壓缸；IP-汽輪機中壓缸；LP-汽輪機低壓缸；LPE-低壓省煤器；LPB-低壓蒸發(fā)器；LPS-低壓過熱器；IPE-中壓省煤器；IPB-中壓蒸發(fā)器；IPS-中壓過熱器；HPE1-第一級高壓省煤器；HPE2-第二級高壓省煤器；HPB-高壓蒸發(fā)器；HPS-高壓過熱器；RH-再熱器；a1-給水泵，a2-高壓給水泵，a3-中壓給水泵；b1-第六換熱器，b2-第七換熱器，b3-第八換熱器，b4-第九換熱器，b5-第十換熱器；c1-第一壓縮機，c2-第二壓縮機，c3-第三壓縮機，c4-第四壓縮機；Qrecar為二次碳化器的余熱耗散；Qcar為脫碳系統(tǒng)中一次碳化器的熱耗散；
具體實施方式
本發(fā)明提供了一種集成二次碳化過程氧化鈣循環(huán)脫碳系統(tǒng)的燃煤電站系統(tǒng)及應(yīng)用，下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步的說明。
如圖1所示的集成二次碳化過程氧化鈣循環(huán)脫碳系統(tǒng)的燃煤電站系統(tǒng)，其中，一次碳化器1、第一分離器2、二次碳化器3、第二分離器4、第三分離器5、第四換熱器6、煅燒器7、第四分離器8、第五分離器9、第三換熱器10、一次碳化器1依次相連；第四分離器8與二次碳化器3相連；第三換熱器10與煅燒器7相連；第五分離器9與第五換熱器11相連；
凝汽器13、給水泵a1、低壓省煤器LPE依次相連，并在低壓省煤器LPE處分為三路，第一路依次經(jīng)低壓蒸發(fā)器LPB、低壓過熱器LPS通入汽輪機低壓缸LP；第二路依次經(jīng)中壓省煤器IPE、中壓蒸發(fā)器IPB、中壓過熱器IPS、再熱器RH通入汽輪機中壓缸IP；第三路依次經(jīng)第一級高壓省煤器HPE1、第二級高壓省煤器HPE2、高壓蒸發(fā)器HPB、高壓過熱器HPS進入汽輪機高壓缸HP。
還包括CO2壓縮系統(tǒng)，由泵22、第六換熱器b1、第一壓縮機c1、第七換熱器b2、第二壓縮機c2、第八換熱器b3、第三壓縮機c3、第九換熱器b4、第四壓縮機c4和第十換熱器b5依次連接組成。
如上所述的燃煤電站系統(tǒng)的應(yīng)用：
燃煤電站排出的煙氣流入一次碳化器1并與CaO固體流反應(yīng)生成CaCO3，脫除85％的CO2后進入第一分離器2；CaO固體流經(jīng)第一分離器2分離后，未反應(yīng)的部分進入二次碳化器3，與從煅燒器7中排出并經(jīng)第四分離器8分離的高溫高濃度CO2流進行飽和碳酸反應(yīng)，之后進入第二分離器4，分離出的高溫CO2流進入余熱鍋爐回收熱量，分離出的吸收劑固體進入第三分離器5，排出廢棄固體流，包括部分失活的CaCO3、CaO和CaSO4；排出的廢棄固體流與將要進入煅燒器7的新鮮石灰石固體在第四換熱器6中換熱，之后進入煅燒器7中煅燒；煅燒器7中CaCO3受熱全部分解為CaO，生成高濃度的CO2；CaO和CO2混合流進入第四分離器8，分離出的高溫高濃度CO2流進入二次碳化器3，CaO固體流在第五分離器9中排出灰渣后，在第三換熱器10中與即將進入煅燒器7的純氧進行熱交換，之后再次進入一次碳化器1；第五分離器9中排出的高溫灰渣與即將進入煅燒器的優(yōu)質(zhì)煤粉在第五換熱器11中進行熱交換，溫度降至60℃。
所述二次碳化器3反應(yīng)后釋放的熱量Qrecar在第二換熱器19中加熱脫碳系統(tǒng)脫碳后的貧CO2電站煙氣，使煙氣溫度從650℃提升至695℃，之后與二次碳化器3中排出的高濃度CO2一起引入余熱鍋爐做功，余熱鍋爐排煙溫度為81.2℃。之后，將一次碳化器1釋放的熱量Qcar引入余熱鍋爐部分，在第一換熱器12中將余熱鍋爐排出的冷CO2氣體加熱到638℃，再熱后的CO2氣體再次進入余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽，之后經(jīng)凈化模塊14去除雜質(zhì)后進入壓縮系統(tǒng)，流程中增加風(fēng)機18以提高CO2氣體進入余熱鍋爐前的壓力。
從汽輪機低壓缸LP排出的蒸汽經(jīng)凝汽器13、給水泵a1進入低壓省煤器LPE，出口工質(zhì)分成三股，其中一股經(jīng)低壓汽包17、低壓蒸發(fā)器LPB后變成低壓飽和蒸汽，最終在低壓過熱器LPS中吸熱變成低壓過熱蒸汽與中壓缸IP排汽混合通入低壓缸LP，做功后的蒸汽流入冷凝器；第二股工質(zhì)經(jīng)中壓給水泵a3加壓，依次流經(jīng)中壓省煤器IPE、中壓汽包16、中壓蒸發(fā)器IPB、中壓過熱器IPS，完成過冷水到中壓飽和水、中壓飽和蒸汽、中壓過熱蒸汽的轉(zhuǎn)化過程，最終和高壓缸HP排汽混合進入再熱器RH，工質(zhì)再熱后進入汽輪機中壓缸IP；第三股給水經(jīng)高壓給水泵a2加壓后依次進入第一級高壓省煤器HPE1、第二級高壓省煤器HPE2、高壓汽包15、高壓蒸發(fā)器HPB、高壓過熱器HPS，吸收排煙熱量成為高壓過熱蒸汽，之后進入汽輪機高壓缸HP做功。
經(jīng)余熱鍋爐余熱回收后的CO2氣體流溫度下降至70℃～90℃，在第十換熱器b5中進一步降溫，在凈化模塊14中去除雜質(zhì)氣體，之后進入CO2壓縮系統(tǒng)回收。
本發(fā)明采用四級間冷壓縮(由泵、壓縮機和換熱器組成的系統(tǒng)，即由泵22、第六換熱器b1、第一壓縮機c1、第七換熱器b2、第二壓縮機c2、第八換熱器b3、第三壓縮機c3、第九換熱器b4、第四壓縮機c4和第十換熱器b5依次連接組成的系統(tǒng))，將常壓CO2從0.1MPa壓縮至7.9MPa，冷卻至常溫后，CO2液化，然后由泵將壓力提升至11MPa，儲存CO2。
所述第三換熱器10、第四換熱器6、第五換熱器11分別利用高溫CaO固體(950℃)、高溫失活固體(750℃)和高溫灰渣(950℃)加熱即將進入煅燒器的純氧、即將進入煅燒器的新鮮石灰石固體和即將進入煅燒器的優(yōu)質(zhì)煤粉。
下面結(jié)合算例，對本發(fā)明的效果作一下說明。
系統(tǒng)初始條件：
本文基準(zhǔn)燃煤發(fā)電系統(tǒng)凈發(fā)電量為601.84MW，凈效率為41.57％，給水溫度為271.2℃，主蒸汽參數(shù)為24.2MPa/566℃，再熱蒸汽參數(shù)為4.047MPa/566℃，其他技術(shù)參數(shù)、煙氣成分及燃煤化學(xué)分析如表1～表2所示。系統(tǒng)1為集成傳統(tǒng)氧化鈣循環(huán)脫碳系統(tǒng)的燃煤電站系統(tǒng)，系統(tǒng)2為本發(fā)明所述的集成二次碳化過程氧化鈣循環(huán)脫碳系統(tǒng)的燃煤電站系統(tǒng)。表3、表4為傳統(tǒng)氧化鈣循環(huán)脫碳系統(tǒng)和與帶二次碳化過程氧化鈣循環(huán)脫碳系統(tǒng)的主要參數(shù)。表5為脫碳系統(tǒng)煅燒器燃料化學(xué)分析表。(注：在表4中，SP1,SP2,SP3,SP4,SP5依次表示第一分離器、第二分離器、第三分離器、第四分離器、第五分離器，X1,X2,X3依次表示第三換熱器、第四換熱器、第五換熱器，CAR表示一次碳化器，RECAR表示二次碳化器，CAL表示煅燒器。)
表1、基準(zhǔn)燃煤電站的主要參數(shù)
表2、基準(zhǔn)燃煤電站燃料的化學(xué)分析
表4、帶二次碳化過程氧化鈣循環(huán)脫碳系統(tǒng)的主要參數(shù)
表5、脫碳系統(tǒng)煅燒器燃料化學(xué)分析
計算結(jié)果及對比如表6。
表6、計算結(jié)果及對比
*已扣除余熱鍋爐給水泵功及CO2循環(huán)風(fēng)機耗功
如表6所示，在相同的基準(zhǔn)運行條件下，系統(tǒng)1(與傳統(tǒng)氧化鈣循環(huán)脫碳系統(tǒng)集成的燃煤電站系統(tǒng))、系統(tǒng)2(本發(fā)明所述集成二次碳化過程氧化鈣循環(huán)脫碳系統(tǒng)的燃煤電站系統(tǒng))均達(dá)到了85％的CO2捕捉率，系統(tǒng)凈發(fā)電量較基準(zhǔn)燃煤電站增大。系統(tǒng)2效率較系統(tǒng)1效率提升3.59個百分點。對比可以發(fā)現(xiàn)，采用本發(fā)明的方法后，氧化鈣循環(huán)脫碳系統(tǒng)中吸收劑的循環(huán)量和補充量大大減少，進而帶來了煅燒器燃煤量和耗氧量的下降。