以超临界二氧化碳为工质的整体煤气化联合循环发电系统的制作方法

本实用新型涉及煤气化、燃气蒸汽联合循环、以及以超临界二氧化碳为工质的布雷顿循环发电等多种领域，具体涉及一种以超临界二氧化碳为工质的整体煤气化联合循环发电系统。

背景技术：

整体煤气化联合循环(IGCC)是一种把煤气化和燃气蒸汽联合循环发电系统有机集成的清洁能源发电技术。IGCC主要系统流程为煤在气化炉中与气化剂反应成为中低热值合成气，经过净化工艺，成为清洁的气体燃料，然后送入燃气轮机燃烧并加热气体工质驱动燃气轮机透平做功发电，燃气轮机排气进入余热锅炉加热给水产生过热蒸汽驱动蒸汽轮机做功发电。IGCC相较传统燃煤发电具有发电效率高，环保性能突出，节约水资源以及易于经济的捕集CO2等优势。在IGCC 整个流程中，水/蒸汽作为工质用于部分回收煤气化过程产生的大量热量，还作为工质在余热锅炉、蒸汽轮机组成的蒸汽发电系统循环，此外蒸汽做为工质还为IGCC其他工艺流程，如净化等提供热量。 IGCC相较于常规燃煤电厂大大节约了发电用水量，但是仍然存在一定的水耗。二氧化碳具有相对稳定的化学性质，良好的物理性能，可靠的安全性，并且二氧化碳的临界温度和临界压力相对较低，易于达到超临界状态。超临界二氧化碳处于一种介于液体和气体之间的状态，具有流动性好，比体积小，可压缩性小，传热效率高等特点。因此，以超临界二氧化碳为工质的布雷顿循环具有发电效率高，设备尺寸小，节约水资源，二氧化碳近零排放等优势。

将IGCC整个流程的工质由水/蒸汽替换为超临界二氧化碳，将进一步节约水资源，提高发电效率，并将充分利用IGCC易于捕集二氧化碳的优势，减少二氧化碳排放。

技术实现要素：

本实用新型提出一种以超临界二氧化碳为工质的整体煤气化联合循环发电系统，利用超临界二氧化碳为工质的布雷顿循环替代现有 IGCC中的蒸汽循环，达到提升发电效率，减少设备体积，充分利用二氧化碳捕集系统捕集得到的CO2，减少水资源的消耗和二氧化碳排放的目的。

为了达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

以超临界二氧化碳为工质的整体煤气化联合循环发电系统，由煤气化及净化子系统、二氧化碳捕集及封存或利用子系统、燃气轮机子系统、超临界二氧化碳布雷顿循环发电子系统组成；

所述煤气化及净化子系统由空分系统1、磨煤及输粉系统2、气化炉3、废热锅炉4、合成气净化系统5、减压装置6及高温超临界二氧化碳储罐7组成；空分系统1入口连接至大气，空分系统1将空气分离成为氧气和氮气，空分系统1氧气出口连接至气化炉3氧气入口，空分系统1氮气出口提供氮气57供用户使用；磨煤及输粉系统 2将原料煤制备成为煤粉并将其采用气力方式输运至下游设备，磨煤及输粉系统2原料入口为煤43，磨煤及输粉系统2气体入口连接至减压装置6出口，磨煤及输粉系统2出口连接至气化炉3煤粉入口；气化炉3内煤粉与气化剂作用发生气化反应生成合成气，并放出大量热量被超临界二氧化碳回收，气化炉3上部出口连接废热锅炉4合成气入口，气化炉3下部出口为渣44出口，气化炉3内部设有独立且不与反应室连通的超临界二氧化碳通道，该通道入口连接至低温超临界二氧化碳储罐13，通道出口连接至高温超临界二氧化碳储罐7入口；废热锅炉4为高温粗合成气53与超临界二氧化碳换热设备，其内部合成气通道和超临界二氧化碳通道互相独立，互不连通，废热锅炉4合成气出口连接至合成气净化系统5合成气入口，废热锅炉4超临界二氧化碳入口连接至低温超临界二氧化碳储罐13，废热锅炉4 超临界二氧化碳出口连接至高温超临界二氧化碳储罐7入口；合成气净化系统5对合成气进行净化以除尘和脱除NH3，H2S等杂质气体，合成气净化系统5合成气出口连接至水煤气变换装置11合成气入口，合成气净化系统5内部设有独立且不与合成气通道连通的超临界二氧化碳通道以提供净化过程所需热量，该通道入口连接至高温超临界二氧化碳储罐7出口，该通道出口连接至低压二氧化碳透平36入口；减压装置6将自低温超临界二氧化碳储罐13来的超临界二氧化碳压力减至匹配磨煤及输粉系统2所需的压力，减压装置6入口连接至低温超临界二氧化碳储罐13，出口连接至磨煤及输粉系统2气体入口；高温超临界二氧化碳储罐7储存高温超临界二氧化碳，高温超临界二氧化碳储罐7入口分别连接气化炉3的超临界二氧化碳出口和废热锅炉4的超临界二氧化碳出口，高温超临界二氧化碳储罐7出口分别连接合成气净化系统5的超临界二氧化碳入口、水煤气变换装置11的超临界二氧化碳入口和二氧化碳捕集系统12的超临界二氧化碳入口；

所述二氧化碳捕集及封存或利用子系统由水煤气变换装置11、二氧化碳捕集系统12及低温超临界二氧化碳储罐13组成；水煤气变换装置11通过水煤气变换反应利用H2O，将CO转变为CO2和H2，该过程所需热量来自高温超临界二氧化碳，水煤气变换装置11合成气入口连接至合成气净化系统5合成气出口，水煤气变换装置11变换后合成气出口连接至二氧化碳捕集系统12变换后合成气入口，水煤气变换装置11内部设有独立且不与合成气通道连通的超临界二氧化碳通道以提供水煤气变换反应所需热量，该通道入口连接至高温超临界二氧化碳储罐7出口，该通道出口连接至低压二氧化碳透平36 入口；二氧化碳捕集系统12将变换后合成气分离为CO2和燃料气，该过程所需热量来自高温超临界二氧化碳，二氧化碳捕集系统12二氧化碳出口连接至二氧化碳低压压气机31入口，二氧化碳捕集系统 12燃料气出口连接至燃烧室22燃料气入口，二氧化碳捕集系统12 内部设有独立且不与变换后合成气通道连通的超临界二氧化碳通道以提供捕集过程所需热量，该通道入口连接至高温超临界二氧化碳储罐7出口，该通道出口连接至低压二氧化碳透平36入口；低温超临界二氧化碳储罐13储存低温超临界二氧化碳，低温超临界二氧化碳储罐13入口分别连接二氧化碳低压压气机31出口和回热器33的低压超临界二氧化碳出口，低温超临界二氧化碳储罐13出口分别连接气化炉3的超临界二氧化碳入口、废热锅炉4的超临界二氧化碳入口、减压装置6入口和二氧化碳封存或者再利用系统入口；

所述燃气轮机子系统由压气机21、燃烧室22、透平23、第一轴 24及第一发电机25组成；压气机21入口为大气，压气机21将空气 41压缩成为压缩空气62，压气机21出口连接燃烧室22空气入口；燃烧室22内部燃料气61和压缩空气62混合燃烧，燃烧室22燃料气入口连接二氧化碳捕集系统12燃料气出口，燃烧室22空气入口连接压气机21出口，燃烧室22出口连接透平23入口；透平23利用燃烧室22的高温高压排气63驱动透平叶片旋转做功，透平23的入口连接燃烧室22的出口，透平23的出口连接加热器34的透平排气入口；第一轴24连接压气机21、透平23和第一发电机25；第一发电机25 将第一轴24输出的机械能转变为电能；

所述超临界二氧化碳布雷顿循环发电子系统由二氧化碳低压压气机31，二氧化碳高压压气机32，回热器33，加热器34，高压二氧化碳透平35，低压二氧化碳透平36，第二轴37及第二发电机38组成；二氧化碳低压压气机31将二氧化碳气体71压缩成为超临界二氧化碳，二氧化碳低压压气机31入口连接至二氧化碳捕集系统12二氧化碳出口，二氧化碳低压压气机31出口分别连接低温超临界二氧化碳储罐13入口和二氧化碳高压压气机32入口；二氧化碳高压压气机 32进一步将超临界二氧化碳73压缩，二氧化碳高压压气机32出口连接回热器33高压超临界二氧化碳入口；回热器33是高压超临界二氧化碳74与低压二氧化碳透平排气78换热的设备，其内部分为独立且不连通的高压超临界二氧化碳通道和低压超临界二氧化碳通道，回热器33的高压超临界二氧化碳出口连接加热器34的超临界二氧化碳入口，回热器33的低压超临界二氧化碳入口连接低压二氧化碳透平 36出口，回热器33的低压超临界二氧化碳出口连接低温超临界二氧化碳储罐13入口；加热器34是透平排气64与预热的高压超临界二氧化碳75换热的设备，其内部分为独立且不连通的高压超临界二氧化碳通道和透平排气通道，加热器34的高压超临界二氧化碳出口连接高压二氧化碳透平35入口，加热器34透平排气入口连接透平23 出口，加热器34透平排气出口连接大气；高压二氧化碳透平35利用高温高压超临界二氧化碳76驱动透平叶片旋转做功，高压二氧化碳透平35出口连接低压二氧化碳透平36入口；低压二氧化碳透平36 汇集自高压二氧化碳透平35和合成气净化系统5、水煤气变换装置 11、二氧化碳捕集系统12来的超临界二氧化碳来驱动透平叶片旋转，低压二氧化碳透平36入口分别连接高压二氧化碳透平35出口、合成气净化系统5的超临界二氧化碳出口、水煤气变换装置11的超临界二氧化碳出口和二氧化碳捕集系统12的超临界二氧化碳出口，低压二氧化碳透平36出口连接回热器33的低压超临界二氧化碳入口；第二轴37连接二氧化碳低压压气机31、二氧化碳高压压气机32、高压二氧化碳透平35、低压二氧化碳透平36和第二发电机38；第二发电机38将第二轴37输出的机械能转变为电能。

本实用新型与现有技术相比，将整体煤气化联合循环中的工质由水/蒸汽替换为超临界二氧化碳，当热源温度(燃气轮机排气温度) 大于500℃时计算所得超临界二氧化碳布雷顿循环热效率要高于水/ 蒸汽循环，且随着热源温度的提升，超临界二氧化碳布雷顿循环热效率提升幅度越大。当热源温度升至600℃时，超临界二氧化碳布雷顿循环热效率相比水/蒸汽循环热效率最高可提升约5％。由于超临界二氧化碳能量密度高，二氧化碳压气机和二氧化碳透平的尺寸也显著小于同等规模的锅炉和蒸汽轮机，据理论计算，二氧化碳透平的尺寸约为同等发电能力蒸汽轮机的三十分之一。较小的设备尺寸有助于节省整个系统的初始设备投资。同时本实用新型也有利于节约水资源的利用，并且充分利用了捕集后的二氧化碳，可以达到二氧化碳近零排放。

附图说明

图1是以超临界二氧化碳为工质的整体煤气化联合循环发电系统组成及流程示意图。

图2是以超临界二氧化碳为工质的整体煤气化联合循环发电系统启动流程示意图。

图中：1-空分系统；2-磨煤及输粉系统；3-气化炉；4-废热锅炉； 5-合成气净化系统；6-减压装置；7-高温超临界二氧化碳储罐；11-水煤气变换装置；12-二氧化碳捕集系统；13-低温超临界二氧化碳储罐； 21-压气机；22-燃烧室；23-透平；24-第一轴；25-第一发电机；31- 二氧化碳低压压气机；32-二氧化碳高压压气机；33-回热器；34-加热器；35-高压二氧化碳透平；36-低压二氧化碳透平；37-第二轴；38- 第二发电机；41-空气；42-除盐水；43-煤；44-渣；51-氧气；52-以二氧化碳输送的煤粉；53-高温粗合成气；54-低温粗合成气；55-干净合成气；56-变换后的合成气；57-氮气；61-燃料气；62-压缩空气；63- 燃烧室排气；64-透平排气；65-排气；71-二氧化碳；72-超临界二氧化碳；73-超临界二氧化碳；74-高压超临界二氧化碳；75-预热的高压超临界二氧化碳；76-高温高压超临界二氧化碳；77-高压二氧化碳透平排气；78-低压二氧化碳透平排气；79-冷却的超临界二氧化碳；80- 进入磨煤及输粉系统的超临界二氧化碳；81-进入气化炉和废热锅炉的超临界二氧化碳；82-自合成气净化系统、水煤气变化装置及二氧化碳捕集系统来的进入低压二氧化碳透平的超临界二氧化碳；83-进入二氧化碳封存或者再利用系统的超临界二氧化碳。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本实用新型的实施方式。

如图1所示，煤气化及净化子系统工作流程如下，空分系统1以空气41为原料生产纯度大于99％，压力为3-4MPa的氧气51，优选氧气51纯度大于99.6％，压力为3.1MPa，空分系统1还副产纯度大于99％，压力大于7MPa的氮气，用于煤气化及净化系统的压力控制及吹扫，还可用于燃气轮机燃料气的热值调整。氧气51从气化炉3 的气化剂通道进入气化炉3。磨煤及输粉系统2将煤43磨至细度R90 小于0.2的煤粉，再由从低温超临界二氧化碳储罐13来的超临界二氧化碳80经减压装置6降压后生成的二氧化碳气体以气力方式输送至气化炉3，经气化炉3的燃料通道进入气化炉3。以二氧化碳输送的煤粉52与氧气51在气化炉3内部发生气化反应，生成以CO和 H2为主要组分的高温粗合成气53，同时产生的液态渣44则从气化炉 3下部排渣系统排出。气化过程会释放大量的热量，为了提高显热的回收效率，除了在气化炉3设置冷却夹层进行回收外，还设置废热锅炉4对流换热进一步回收高温粗合成气53的热量，气化炉3冷却夹层及废热锅炉4的冷却工质为超临界二氧化碳，均来自低温超临界二氧化碳储罐13，加热后的超临界二氧化碳进入高温超临界二氧化碳储罐7贮存。合成气净化系统5对从废热锅炉4来的低温粗合成气 54进行除尘和脱除NH3，H2S等杂质气体，该过程需要的热量由从高温超临界二氧化碳储罐7来的高温超临界二氧化碳提供。

如图1所示，二氧化碳捕集及封存或利用子系统工作流程如下，除盐水42进入水煤气变换装置11加热成为蒸汽，与来自合成气净化系统5的干净合成气55在催化剂的作用下发生水煤气变换反应，即 CO+H2O＝CO2+H2，生成富含CO2和H2的变换后合成气56，该过程 CO的转化效率高于90％。水煤气变换过程所需热量由从高温超临界二氧化碳储罐7来的高温超临界二氧化碳提供。变换后的合成气56 在二氧化碳捕集系统12中先由二氧化碳吸收剂将二氧化碳吸收，然后再在独立的容器内解吸释放二氧化碳，同时回收二氧化碳吸收剂以便循环使用。该过程可生产纯度大于99％的二氧化碳气体71，优选二氧化碳气体71纯度大于99.6％。分离二氧化碳后的气体中主要组分为氢气，还有少量CO及水蒸气等，可以作为燃料气61供燃气轮机使用。二氧化碳捕集系统12所需热量同样由从高温超临界二氧化碳储罐7来的高温超临界二氧化碳提供。低温二氧化碳储罐13储存有一定量的超临界二氧化碳，可以接受来自二氧化碳低压压气机31 的超临界二氧化碳72以及来自回热器33的冷却的超临界二氧化碳 79，低温超临界二氧化碳储罐13可以为磨煤及输粉系统2提供二氧化碳用于气力输送煤粉，还可以提供超临界二氧化碳81作为工质参与气化炉3和废热锅炉4的热量回收(吸热过程)以及合成气净化系统5、水煤气变换装置11和二氧化碳捕集系统12的热量利用(放热过程)。超出低温超临界二氧化碳储罐13储存能力的超临界二氧化碳 83则可以通过管道或者其他方式输送至二氧化碳封存系统或者二氧化碳再利用系统，实现二氧化碳近零排放。在以超临界二氧化碳为工质的包括二氧化碳捕集系统的整体煤气化联合循环发电系统的启动过程中，低温超临界二氧化碳储罐13可以提供储存的超临界二氧化碳供气化炉3、废热锅炉4、合成气净化系统5，水煤气变换装置11、二氧化碳捕集系统12及低压二氧化碳透平36使用。

如图1所示，燃气轮机子系统工作流程如下，燃气轮机的压气机 21将过滤的空气41压缩成为高温高压的状态从空气通道进入燃烧室 22，燃料气61则从燃料通道进入燃烧室22，燃料气和压缩空气在燃烧室22内部燃烧，产生的燃烧室排气63进入透平23，推动透平叶片旋转驱动第一轴24，第一发电机25则将第一轴24输出的机械功转化为电能。透平23的透平排气64在加热器34内与预热的高压超临界二氧化碳75对流换热进一步降温最终排出。为保持超临界二氧化碳布雷顿循环发电效率，要求正常运行过程中，透平排气64温度不能低于500℃，优选透平排气64温度设定为高于560℃。

如图1所示，超临界二氧化碳布雷顿循环发电子系统工作流程如下，从二氧化碳捕集系统12分离出来的高纯度的二氧化碳气体71进入二氧化碳低压压气机31加压至压力超过7.5MPa，成为超临界流体，其中部分超临界二氧化碳72直接进入低温超临界二氧化碳储罐13，另外一部分超临界二氧化碳73进入下一级二氧化碳高压压气机32继续压缩成为高压超临界二氧化碳74。高压超临界二氧化碳74先经过回热器33被低压二氧化碳透平排气78预热成为预热的高压超临界二氧化碳75，再经过加热器34被燃气轮机透平排气64加热成为高温高压超临界二氧化碳76，然后进入高压二氧化碳透平35推动叶片旋转驱动第二轴37，降温降压的高压二氧化碳透平排气77以及来自合成气净化系统5、水煤气变换装置11和二氧化碳捕集系统12的超临界二氧化碳82进入低压二氧化碳透平36推动叶片旋转驱动轴37，低压二氧化碳透平排气78经过回热器33被高压超临界二氧化碳74 进一步降温成为冷却的超临界二氧化碳79，最终进入低温超临界二氧化碳储罐13完成布雷顿循环。第二发电机38则将第二轴37输出的机械功转化为电能。

本实用新型以超临界二氧化碳为工质的整体煤气化联合循环发电系统的启动过程如图2所示为，

步骤S1，先开启空分系统1制备氧气进入气化炉3，利用低温超临界二氧化碳储罐13存储的超临界二氧化碳80减压后产生的二氧化碳气体气力输送磨煤及输粉系统2制备的煤粉进入气化炉3，启动气化炉3直至产生化学组分稳定的低温粗合成气54，气化炉3和废热锅炉4所需的冷却用超临界二氧化碳同样来自低温超临界二氧化碳储罐13。

步骤S2，在气化炉3启动过程中，适时利用电机驱动第二轴37 带动二氧化碳低压压气机31、二氧化碳高压压气机32和高压二氧化碳透平35、低压二氧化碳透平36，直至自合成气净化系统5、水煤气变换装置11和二氧化碳捕集系统12来的超临界二氧化碳82能够稳定带动低压二氧化碳透平36。在气化炉3启动完毕后，顺序启动合成气净化系统5(步骤S3)，启动水煤气变换装置11(步骤S4)和二氧化碳捕集系统12(步骤S5)直至化学组分稳定的燃料气61生成，该过程中由于燃气轮机还未启动，加热器34无法起到换热作用，二氧化碳捕集系统12生产的二氧化碳气体经二氧化碳低压压气机31压缩成为超临界状态，其中绝大部分直接进入低温超临界二氧化碳储罐 13。在二氧化碳捕集系统12能够生产稳定的燃料气61后，就可以启动燃气轮机子系统(步骤S6)，并逐步增加二氧化碳高压压气机32 进气量(步骤S7)，启动超临界二氧化碳布雷顿循环发电子系统，最终完成以超临界二氧化碳为工质的包括二氧化碳捕集系统的整体煤气化联合循环发电系统的启动过程。

以超临界二氧化碳为工质的整体煤气化联合循环发电系统正常停机过程则可以按照启动过程的反向顺序，即从步骤S7至步骤S1 进行停机。