本發(fā)明是一種實(shí)現(xiàn)CO2分離和捕集的超臨界CO2發(fā)電裝置及方法，特別是基于化學(xué)鏈燃燒法提供熱量和實(shí)現(xiàn)燃燒產(chǎn)物CO2分離并結(jié)合超臨界CO2發(fā)電的裝置和方法。
背景技術(shù)：
《中美氣候變化聯(lián)合聲明》規(guī)定中國(guó)將在2030年前停止CO2排放量的增加，火力發(fā)電作為主要的碳排放來(lái)源之一，減排必不可少。將CO2捕集和儲(chǔ)存技術(shù)和發(fā)電設(shè)備結(jié)合，是大幅度減少火電站CO2排放的有效措施，利用空氣分離設(shè)備分離純氧燃燒和吸附脫附塔捕集產(chǎn)物中的CO2是目前常規(guī)且成熟的兩種技術(shù)。電站耦合常規(guī)技術(shù)后會(huì)導(dǎo)致設(shè)備繁多和系統(tǒng)復(fù)雜的問(wèn)題，大量附屬設(shè)備也使電廠自耗電更高，降低了其整體發(fā)電效率?；瘜W(xué)鏈燃燒是指通過(guò)載氧體的轉(zhuǎn)移，將傳統(tǒng)的空氣和燃料接觸的反應(yīng)分離成空氣反應(yīng)器和燃料反應(yīng)器中的兩塊反應(yīng)，這種燃燒方式具有在空氣中燃燒下具備內(nèi)富集CO2的優(yōu)勢(shì)，因此利用化學(xué)鏈燃燒的方式捕集CO2可以省去高耗能的空分裝置和吸附塔等設(shè)備，更廉價(jià)高效。
常規(guī)的火力發(fā)電系統(tǒng)采用了水蒸汽作為循環(huán)工質(zhì)，但水蒸汽乏氣在冷凝過(guò)成中有大量的汽化潛熱放出，這部分熱被冷卻水帶走無(wú)法利用，造成了較大的冷端損失。超臨界CO2發(fā)電技術(shù)是一種新型發(fā)電技術(shù)，利用超臨界CO2作為循環(huán)工質(zhì)，由于的工質(zhì)CO2在循環(huán)中冷凝時(shí)沒有汽化潛熱，冷端損失遠(yuǎn)小蒸汽系統(tǒng)。超臨界CO2發(fā)電系統(tǒng)通常結(jié)合大回?zé)嵫h(huán)，工質(zhì)平均吸熱溫度遠(yuǎn)高于蒸汽系統(tǒng)，根據(jù)卡諾循環(huán)原理，平局吸熱溫度越高，熱效率更高。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，在以煤作為燃料時(shí)超臨界CO2循環(huán)發(fā)電的效率比常規(guī)電站的效率高出5-10％，是一種未來(lái)極具潛力的能源轉(zhuǎn)化方式。
在能源利用高效率低排放的戰(zhàn)略目標(biāo)下，兼具高效捕集CO2和高循環(huán)效率的新型發(fā)電模式將擁有廣闊的應(yīng)用前景。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
技術(shù)問(wèn)題：本發(fā)明基于化學(xué)鏈燃燒和超臨界CO2發(fā)電理論，通過(guò)部署設(shè)備，設(shè)計(jì)合理的換熱流程，提出了一種實(shí)現(xiàn)CO2分離和捕集的超臨界CO2發(fā)電裝置及方法。
本發(fā)明的一種實(shí)現(xiàn)CO2分離和捕集的超臨界CO2發(fā)電裝置如下：
該裝置包括CO2捕集單元，化學(xué)鏈燃燒單元和超臨界CO2循環(huán)發(fā)電單元；
化學(xué)鏈燃燒單元主體由燃料反應(yīng)器和空氣反應(yīng)器組成，燃料反應(yīng)器上端出口連接第一旋風(fēng)分離器，第一旋風(fēng)分離器底部通過(guò)第一立管連接燃料反應(yīng)器的中部，第一旋風(fēng)分離器頂部出口連接過(guò)熱器；內(nèi)部布置水冷壁的空氣反應(yīng)器上端出口連接第二旋風(fēng)分離器，第二旋風(fēng)分離器底部通過(guò)第二立管連接燃料反應(yīng)器，第二旋風(fēng)分離器頂部出口連接再熱器；燃料反應(yīng)器和空氣反應(yīng)器下端通過(guò)返料管相連；
超臨界CO2循環(huán)發(fā)電單元包括透平、第一壓縮機(jī)、第二壓縮機(jī)、再熱器、冷凝器、省煤器，第二壓縮機(jī)出口氣體分為兩條支路即第五支路⑤、第六支路⑥，第五支路⑤通過(guò)省煤器連接水冷壁進(jìn)水口，第六支路⑥通過(guò)換熱器連接過(guò)熱器，水冷壁出口、過(guò)熱器出口、第五支路⑤、第六支路⑥匯合連接透平的高壓缸；透平中部抽汽管路經(jīng)過(guò)再熱器后連接透平的中壓缸；透平出口管道經(jīng)過(guò)省煤器后分為第三支路③和第四支路④，第三支路③連接壓縮機(jī)入口，壓縮機(jī)出口匯合第六支路⑥連接過(guò)熱器，第四支路④連接冷凝器，冷凝器出口連接壓縮機(jī)；
CO2捕集單元包括換熱器過(guò)熱器、空氣預(yù)熱器、換熱器和壓縮機(jī)，過(guò)熱器出口分為第一支路①、第二支路②，第一支路①連接給煤管路相連，第二支路②與空氣預(yù)熱器相連，空氣預(yù)熱器出口與CO2壓縮機(jī)相連，CO2壓縮機(jī)出口連接換熱器；
燃料被第一支路①的CO2和H2O預(yù)熱后，被CO2送入燃料反應(yīng)器；空氣經(jīng)空氣預(yù)熱器預(yù)熱后進(jìn)入空氣反應(yīng)器。
所述燃料反應(yīng)器處于鼓泡流態(tài)化，采用CO2作為流化介質(zhì)，空氣反應(yīng)器處于快速流化態(tài)，采用空氣為流化介質(zhì)。
本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)CO2分離和捕集的超臨界CO2發(fā)電裝置的發(fā)電方法如下：
燃料被過(guò)熱器出口燃燒產(chǎn)物CO2預(yù)熱后，從底部被送入燃料反應(yīng)器，與高溫的載氧體MOx發(fā)生還原反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)旋風(fēng)分離器離開燃料反應(yīng)器，溫度為800-950℃的含有少量水蒸氣的CO2從旋風(fēng)分離器頂端離開進(jìn)入過(guò)熱器，分離剩下的固體經(jīng)第一立管返回燃料反應(yīng)器，載氧體被還原為MOx-1，并通過(guò)返料管進(jìn)入空氣反應(yīng)器；空氣在空氣預(yù)熱器被燃燒產(chǎn)物CO2加熱后進(jìn)入空氣反應(yīng)器，流化并氧化載氧體MOx-1，固體產(chǎn)物MOx和反應(yīng)后氣體從上部離開空氣反應(yīng)器并經(jīng)過(guò)旋風(fēng)分離器分離，反應(yīng)后氣體經(jīng)上部管道進(jìn)入再熱器，出口氣體溫度在850-1000℃之間，MOx經(jīng)過(guò)下降管進(jìn)入燃料反應(yīng)器；
超臨界CO2工質(zhì)在燃料反應(yīng)器出口、空氣反應(yīng)器出口和自身回?zé)岬膿Q熱器三塊區(qū)域吸熱；工質(zhì)CO2被冷水冷卻至20-40℃后，被壓縮機(jī)壓縮至約30-35MPa；其后支路⑤工質(zhì)在省煤器吸收空氣反應(yīng)器出口氣體和做功后CO2乏氣的熱量后溫度升至500℃-530℃，經(jīng)水冷壁繼續(xù)吸熱至溫度約為600-630℃，然后進(jìn)入透平高壓缸做功；第六支路⑥工質(zhì)在換熱器吸收壓縮CO2產(chǎn)生的熱后，進(jìn)入過(guò)熱器吸收燃料反應(yīng)器氣體產(chǎn)物CO2的熱量，至600-630℃后進(jìn)入透平高壓缸做功；工質(zhì)在高壓缸做功后，進(jìn)入再熱器中吸熱至600-630℃進(jìn)透平中壓缸做功；透平出口工質(zhì)進(jìn)入省煤器對(duì)入口低溫工質(zhì)加熱，降溫后的工質(zhì)在第三支路③被壓縮機(jī)壓縮至30-35MPa，與換熱器出口的工質(zhì)混合，在支路④進(jìn)入冷凝器冷卻后進(jìn)入壓縮機(jī)返回循環(huán)初始點(diǎn)；
燃料反應(yīng)器出口氣體的混有少量水蒸氣的高溫CO2，在再熱器中加熱超臨界CO2工質(zhì)后，一部分通過(guò)支路①返回燃料反應(yīng)器，預(yù)熱和流化燃料，另一部分通過(guò)支路②被空氣預(yù)熱器中的空氣冷卻并被除去水后，進(jìn)入壓縮機(jī)被壓縮至高壓高溫，高溫CO2氣體在換熱器冷卻成為冷CO2用于儲(chǔ)存。
燃料燃燒采用化學(xué)鏈燃燒方式，燃料類型包括煤、甲烷、重油，通過(guò)化學(xué)鏈燃燒達(dá)到分離燃燒產(chǎn)物CO2的目的。
所述換熱器和壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)回?zé)嵫h(huán)，提高發(fā)電系統(tǒng)的熱效率。
所述的CO2工質(zhì)在燃料反應(yīng)器出口、空氣反應(yīng)器出口兩側(cè)吸熱。
燃料反應(yīng)器出口CO2在經(jīng)過(guò)降溫后循環(huán)使用，一部分用于加熱燃料并流化燃料和載氧體，一部分抽出繼續(xù)冷卻并被除去水后壓縮儲(chǔ)存，維持反應(yīng)器內(nèi)氣體量平衡。
所述空氣預(yù)熱器對(duì)壓縮機(jī)前的CO2進(jìn)行空冷，通過(guò)換熱器(1-4)回收壓縮氣體產(chǎn)生的熱，減少熱損失。
燃料反應(yīng)器出口氣體的混有少量水蒸氣的高溫CO2，在再熱器中加熱超臨界CO2工質(zhì)后，一部分返回燃料反應(yīng)器，預(yù)熱和流化燃料，另一部分被空氣預(yù)熱器中的空氣冷卻并除去水后，進(jìn)入CO2壓縮機(jī)被壓縮至高溫高壓，壓縮后溫度較高的流體在后置的換熱器中冷卻后儲(chǔ)存。
有益效果：
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：
(1)本發(fā)電裝置可以在燃料燃燒發(fā)電的同時(shí)捕集CO2，減少溫室氣體的排放。
(2)本發(fā)電裝置利用化學(xué)鏈燃燒的內(nèi)分離CO2特點(diǎn)捕集CO2，不需要通過(guò)添加附屬設(shè)備如空分裝置或者吸附脫附塔裝置，捕集方式更高效節(jié)能。
(3)本發(fā)明裝置通過(guò)化學(xué)鏈燃燒方式利用燃料熱能，燃燒的還原性氣氛使產(chǎn)物中NOx污染物更低。
(4)本發(fā)電裝置通添加換熱器，充分利用了壓縮機(jī)后的產(chǎn)熱，系統(tǒng)熱量浪費(fèi)少，熱效率高。
(5)本發(fā)電設(shè)備發(fā)電循環(huán)工質(zhì)為超臨界CO2，該工質(zhì)的電站循環(huán)冷端熱損失小，回?zé)嵫h(huán)使工質(zhì)平均吸熱溫度高，在同樣主氣參數(shù)下，相比以水蒸汽為工質(zhì)的系統(tǒng)具有更高的電站熱效率。
(6)本發(fā)電設(shè)備對(duì)燃料熱值的變化或者負(fù)荷的臨時(shí)變化時(shí)具有更好的調(diào)節(jié)性。閥門可以調(diào)節(jié)工質(zhì)CO2在空氣反應(yīng)器側(cè)和燃料反應(yīng)器側(cè)的吸熱比例，可以應(yīng)對(duì)負(fù)荷變化時(shí)的調(diào)節(jié)，當(dāng)負(fù)荷要求上升，燃料量增加時(shí)，還原段燃料吸熱更多，溫度低，則控制使流向燃料反應(yīng)器側(cè)的CO2工質(zhì)減少，減少吸熱，空氣反應(yīng)器側(cè)的流量增大，增加吸熱應(yīng)對(duì)負(fù)荷變化。
附圖說(shuō)明
圖1是本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)CO2分離和捕集的超臨界CO2發(fā)電裝置的流程構(gòu)造示意圖：
圖中：過(guò)熱器1-1；空氣預(yù)熱器1-2；壓縮機(jī)1-3、換熱器1-4；燃料反應(yīng)器2-1；氧化反應(yīng)器2-2；第一旋風(fēng)分離器2-1a、第二旋風(fēng)分離器2-2a；第一立管2-1b、第二立管2-2b；返料器2-1c；水冷壁2-2c；再熱器3-1；第一壓縮機(jī)3-2；透平3-3；冷凝器3-4；省煤器3-5；第二壓縮機(jī)3-6；冷凝水A；冷空氣B；壓縮儲(chǔ)存的CO2C；氧化態(tài)載氧體Mox D；還原態(tài)載氧體MOx-1 E；燃料F；冷卻水G，反應(yīng)后空氣H。
具體實(shí)施方式
實(shí)例一：
圖1為CO2分離和捕集的超臨界CO2發(fā)電裝置流程原理圖：裝置包括CO2捕集單元1，化學(xué)鏈燃燒單元2和超臨界CO2循環(huán)發(fā)電單元3。
本發(fā)明實(shí)現(xiàn)CO2分離和捕集的超臨界CO2發(fā)電裝置如下：
化學(xué)鏈燃燒單元2主體由燃料反應(yīng)器2-1和空氣反應(yīng)器2-2組成。燃料反應(yīng)器2-1上端出口連接旋風(fēng)分離器2-1a，旋風(fēng)分離器2-1a底部出口通過(guò)立管連接燃料反應(yīng)器2-1，頂部出口連接過(guò)熱器1-1；內(nèi)部布置水冷壁2-2c的空氣反應(yīng)器2-2上端出口連接旋風(fēng)分離器2-2a，旋風(fēng)分離器2-2a底部出口通過(guò)立管2-2b連接燃料反應(yīng)器2-1，頂部出口連接再熱器3-1；燃料反應(yīng)器2-1和空氣反應(yīng)器2-2下端通過(guò)返料管2-1c相連。
超臨界CO2循環(huán)發(fā)電單元3由透平3-3，壓縮機(jī)3-2、3-6，換熱器3-1、3-4、3-5組成。壓縮機(jī)3-6出口分為第五支路⑤、第六支路⑥，第五支路⑤連接省煤器3-5并在出口連接水冷壁2-2b入口，支路⑥連接換熱器1-4后連接過(guò)熱器1-1，水冷壁2-2b出口和過(guò)熱器1-1出口第五支路⑤、第六支路⑥匯合后進(jìn)入透平3-3的高壓缸；透平3-3中部抽汽管路經(jīng)過(guò)再熱器3-1后連接透平3-3中壓缸；透平3-3出口管道經(jīng)過(guò)省煤器3-5分為第三支路③和第四支路④，第三支路③連接壓縮機(jī)3-2入口，壓縮機(jī)3-2出口匯合支路⑥連接過(guò)熱器1-1，第四支路④連接冷凝器3-4，冷凝器3-4出口連接壓縮機(jī)3-6。
CO2捕集單元1包括換熱器1-1、1-2、1-4和壓縮機(jī)1-3。過(guò)熱器1-1出口分為第一支路①、第二支路②，第一支路①連接給煤管路相連，第二支路②與空氣預(yù)熱器1-2相連，空氣預(yù)熱器1-2出口與CO2壓縮機(jī)1-3相連，CO2壓縮機(jī)1-3出口連接換熱器1-4。
燃料F被第一支路①的CO2和H2O預(yù)熱后，通過(guò)氣力輸送的方式被CO2送入燃料反應(yīng)器2-1；空氣B經(jīng)空氣預(yù)熱器1-2預(yù)熱后進(jìn)入空氣反應(yīng)器2-2。
本發(fā)明裝置工作方式如下：
燃料F被過(guò)熱器1-1出口燃燒產(chǎn)物CO2預(yù)熱至400-450℃后，從底部被送入燃料反應(yīng)器2-1，與溫度為900-1000℃的載氧體MOxD發(fā)生還原反應(yīng)，產(chǎn)物經(jīng)旋風(fēng)分離器2-1a離開燃料反應(yīng)器2-1，溫度為800-950℃的含有少量水蒸氣的CO2從旋風(fēng)分離器2-1a頂端離開進(jìn)入過(guò)熱器1-1，剩下的燃料灰分和載氧體等經(jīng)下降管2-1b返回燃料反應(yīng)器2-1，載氧體被還原為MOx-1E，并通過(guò)返料管2-1c進(jìn)入空氣反應(yīng)器2-2；空氣B在空氣預(yù)熱器1-2被燃燒產(chǎn)物CO2加熱至300-350℃后進(jìn)入空氣反應(yīng)器2-2，和載氧體MOx-1E發(fā)生氧化反應(yīng)，反應(yīng)溫度在900-100℃之間，壓力為常壓，固體產(chǎn)物MOxD和反應(yīng)后氣體從上部離開空氣反應(yīng)器2-2并經(jīng)過(guò)旋風(fēng)分離器2-2a分離，反應(yīng)后氣體H經(jīng)上部管道進(jìn)入再熱器3-1，出口氣體溫度在850-1000℃之間，MOxD經(jīng)過(guò)下降管2-1進(jìn)入燃料反應(yīng)器2-1。
工質(zhì)CO2被冷水G冷卻至20-40℃后，被壓縮機(jī)3-6壓縮至約30-35MPa；其后第五支路⑤工質(zhì)在省煤器3-5吸收空氣反應(yīng)器2-2出口氣體和做功后CO2乏氣的熱量后，溫度升高至500-530℃，再經(jīng)水冷壁2-2b繼續(xù)吸熱至溫度約為600-630℃后進(jìn)入透平3-3高壓缸做功；第六支路⑥工質(zhì)在換熱器1-4吸收壓縮CO2產(chǎn)生的熱后，進(jìn)入過(guò)熱器1-1吸收燃料反應(yīng)器氣體產(chǎn)物CO2的熱量，至600-630℃后進(jìn)入透平3-3高壓缸做功；工質(zhì)在高壓缸做功后，壓力下降至15-20MPa，溫度下降至520-560℃，進(jìn)入再熱器3-1中吸熱至600-630℃進(jìn)透平3-3中壓缸做功；透平3-3出口工質(zhì)壓力下降至7-9MPa，溫度下降至520-560℃，乏氣進(jìn)入省煤器3-5放出熱量后的工質(zhì)在第三支路③被壓縮機(jī)3-2壓縮至30-35MPa，與換熱器1-4出口的工質(zhì)混合成為做功工質(zhì)，在第四支路④進(jìn)入冷凝器3-4冷卻后進(jìn)入壓縮機(jī)3-6。
燃料反應(yīng)器2-1出口氣體的混有少量水蒸氣的高溫CO2，在再熱器1-1中加熱超臨界CO2工質(zhì)后，一部分通過(guò)第一支路①返回燃料反應(yīng)器2-1，預(yù)熱和流化燃料F，另一部分通過(guò)第二支路②被空氣預(yù)熱器1-2中的20-35℃空氣冷卻至60-90℃并被除去水A后，進(jìn)入壓縮機(jī)1-3被壓縮至高壓高溫，高溫CO2氣體在換熱器1-4冷卻成為冷CO2C用于儲(chǔ)存。
本裝置中發(fā)電的循環(huán)工質(zhì)CO2在燃料反應(yīng)器2-1出口、空氣反應(yīng)器2-2出口分別吸熱，這種分段吸熱方式的存在可以提高系統(tǒng)應(yīng)對(duì)燃料熱值變化或系統(tǒng)負(fù)荷變化的能力。時(shí)當(dāng)負(fù)荷要求上升，燃料量增加時(shí)，燃料反應(yīng)器段還原反應(yīng)吸熱更多，溫度低，則降低第三支路③和第六支路⑥的流量使流向燃料反應(yīng)器2-1側(cè)的CO2工質(zhì)減少，減少吸熱，空氣反應(yīng)器2-2側(cè)的流量則會(huì)增大，吸熱量增加，應(yīng)對(duì)負(fù)荷變化。