本發(fā)明涉及發(fā)電系統(tǒng)。更具體地，涉及一種基于化學(xué)鏈空分制氧和燃燒前co2捕集的發(fā)電系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

2009年11月25日我國國務(wù)院常務(wù)會議決定，到2020年單位國內(nèi)生產(chǎn)總值co2排放比2005年下降40-45％，首次正式對外宣布控制溫室氣體排放的行動目標。我國電力工業(yè)發(fā)展受到資源和環(huán)境的雙重壓力，為此必須探索新的發(fā)展模式。整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)代表著潔凈煤電技術(shù)的發(fā)展方向，而帶燃燒前co2捕捉的整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)更是將這種環(huán)保性能極強的優(yōu)勢做到了極致。該發(fā)電系統(tǒng)可以將多種含碳燃料進行氣化產(chǎn)生合成氣，合成氣經(jīng)過凈化后送去燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電。這種技術(shù)集成了空分、煤氣化、煤氣凈化、燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)等技術(shù)，能夠比較好的實現(xiàn)煤化學(xué)能的梯級利用，因其高效環(huán)保的特性，被公認為是世界上最清潔的發(fā)電技術(shù)，由于發(fā)電過程中合成氣的壓力高，體積流量小，經(jīng)過水氣轉(zhuǎn)換后的濃度高，采用燃燒前捕集，可以有效減少能耗和降低設(shè)備尺寸。整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)技術(shù)以其獨有的工藝過程繞開了從傳統(tǒng)燃煤發(fā)電廠尾部煙氣中捕集能耗居高不下的技術(shù)瓶頸，加之其本身具有很高的發(fā)電效率預(yù)期，有望在捕集的同時保持較高的發(fā)電效率，成為未來火力發(fā)電及減排的主力技術(shù)。

常用的制氧方法可分為兩類，一類是分離法，即將空氣中的氧與氮通過物理的方法進行分離，獲得不同濃度的氧氣，如深冷法、變壓吸附法和膜分離法；另一類為制取法，即采用化學(xué)試劑，通過氧化分解反應(yīng)，從無到有地產(chǎn)生氧氣，如超氧化物制氧、氯酸鹽分解、電解水和陶瓷制氧等。針對富氧燃燒系統(tǒng)所消耗的氧氣量而言，目前技術(shù)上唯一可行的制氧方案是深冷空分法。深冷空氣分離裝備的單套生產(chǎn)能力已超過100000立方米每小時，氧氣純度高(大于99.6％氧氣)，有著工藝成熟、運行穩(wěn)定、可靠性高的優(yōu)點，但也有投資高、運行成本高及存在爆炸隱患等缺點。

化學(xué)鏈空分制氧是一種全新的制氧技術(shù)，具有投資低、能耗小的特點，能有效降低制氧能耗，提高富氧氣化系統(tǒng)經(jīng)濟性，能夠適用于不同規(guī)模的制氧場合?；瘜W(xué)鏈空分制氧主要包括氧化反應(yīng)器和還原反應(yīng)器兩部分，載氧體是連接兩個反應(yīng)器的紐帶，還原態(tài)載氧體在氧化反應(yīng)器中與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)，氧化后的載氧體被輸送至還原反應(yīng)器，在合適的溫度、壓力下，載氧體脫氧釋放出o2。根據(jù)勒夏特勒原理，通常在還原反應(yīng)器中加入惰性組分(如水蒸氣或co2)，可降低氧氣平衡分壓，使脫氧過程更易進行。以mexoy/mexoy-2載氧體為例，氧化反應(yīng)器和還原反應(yīng)器中分別發(fā)生如下所示反應(yīng)：

mexoy-2(s)+o2(g)→mexoy(s)(1)

mexoy(s)→mexoy-2(s)+o2(g)(2)

氧化反應(yīng)是放熱反應(yīng)，還原反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，通過載氧體吸氧和解吸反應(yīng)過程中的熱量，以達到制氧單元的熱量自我維持平衡，從而降低制氧能耗，實現(xiàn)從空氣中分離氧氣。利用這種新型制氧方法，可以改造現(xiàn)有的傳統(tǒng)整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)機組，實現(xiàn)二氧化碳零排放?；瘜W(xué)鏈空分制氧與整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的集成能夠解決傳統(tǒng)技術(shù)難題，例如，傳統(tǒng)深冷空分技術(shù)給機組帶來的全廠效率下降。

對于燃燒前捕集常用的方法是物理吸收法，是在加壓條件下用有機溶劑對酸性氣體進行吸收來分離脫除酸氣成分。溶劑的再生通過降壓實現(xiàn)，所需再生能量相對較少。典型物理吸收法有聚乙二醇二甲醚法、低溫甲醇洗等。物理吸收法適用于氣體中co2濃度較高且在較高操作壓力時co2的分離。由于傳統(tǒng)整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的局限性，本發(fā)明提出了一種新型的化學(xué)鏈空氣分離與帶有燃燒前二氧化碳捕集的整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)的集成系統(tǒng)工藝。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的一個目的在于提供一種基于化學(xué)鏈空分制氧和燃燒前co2捕集的發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)既能實現(xiàn)二氧化碳近零排放，又能減少能源損耗。

為達到上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：

一種基于化學(xué)鏈空分制氧和燃燒前co2捕集的發(fā)電系統(tǒng)，所述發(fā)電系統(tǒng)包括：氧化還原單元、氣化反應(yīng)器、除塵器、水煤氣變換單元、脫硫裝置、脫碳單元、燃氣輪機裝置和余熱鍋爐-蒸汽輪機裝置；

所述氧化還原單元、氣化反應(yīng)器、除塵器、水煤氣變換單元、脫硫裝置、脫碳單元、燃氣輪機裝置和余熱鍋爐-蒸汽輪機裝置依次通過管路連接。

進一步，所述氧化還原單元包括：第一換熱器、氧化反應(yīng)器、第一氣固分離器、還原反應(yīng)器、第二氣固分離器、第二換熱器、第一冷凝器和第一壓縮機；

所述水煤氣變換單元包括第三換熱器、第四換熱器、第五換熱器、高溫反應(yīng)器和低溫反應(yīng)器；

所述脫碳單元包括：吸收塔、沉淀池、液力透平、三級閃蒸罐、第三壓縮機、第四壓縮機、第一混合器和第一冷卻器；

所述燃氣輪機裝置包括：燃燒室、加熱器、第二壓縮機、分流器、第二冷卻器、第二混合器、第三混合器和氣輪機；

所述余熱鍋爐-蒸汽輪機裝置包括：泵、余熱鍋爐、蒸汽輪機和第二冷凝器。

進一步，所述氣化反應(yīng)器所需氧氣是通過氧化還原單元化學(xué)鏈空分制氧得到的。

進一步，所述氧化反應(yīng)器和還原反應(yīng)器的壓力均為0.5-1.5bar；優(yōu)選地，所述氧化反應(yīng)器和還原反應(yīng)器的壓力均為1bar。

進一步，所述還原反應(yīng)器中可加入惰性組分水蒸氣；一方面，用來降低氧氣平衡分壓，促進脫氧過程；另一方面，有利于從還原反應(yīng)器出來的產(chǎn)物經(jīng)過降溫冷凝得到純氧。

進一步，所述氣化反應(yīng)器生成以h2和co為主的第一粗合成氣，通過水煤氣變換單元變?yōu)橐詇2和co2為主的第二粗合成氣；所述第二粗合成氣經(jīng)過脫硫裝置和脫碳單元變?yōu)橐詇2為主的凈合成氣進入燃氣輪機裝置中燃燒。

進一步，所述高溫反應(yīng)器的溫度為300-350℃，低溫反應(yīng)器的溫度為150-200℃。

進一步，所述第三換熱器、第四換熱器和第五換熱器的余熱回收至余熱鍋爐。

進一步，所述高溫反應(yīng)器中水蒸氣和co的摩爾比為2-4；優(yōu)選地，所述高溫反應(yīng)器中水蒸氣和co的摩爾比為3。

進一步，所述第一混合器中需通入聚乙二醇二甲醚溶液；所述第一換熱器中需通入空氣；所述第二換熱器中需通入水；所述氣化反應(yīng)器中需通入水蒸氣和煤粉；所述高溫反應(yīng)器需通入水蒸氣。

進一步，所述三級閃蒸罐包括第一閃蒸罐、第二閃蒸罐和第三閃蒸罐；所述液力透平的輸出端與三級閃蒸罐的輸入端相連接，所述三級閃蒸罐貧液的輸出端與第一混合器的輸入端相連接，具體是通過如下連接關(guān)系實現(xiàn)的：所述液力透平的輸出端與第一閃蒸罐的輸入端相連接，第一閃蒸罐的輸出端與第二閃蒸罐的輸入端相連接，第二閃蒸罐的輸出端分別與第三壓縮機和第三閃蒸罐的輸入端相連接，第三閃蒸罐的輸出端分別與第四壓縮機和第一混合器的輸入端相連接。

進一步，所述氣輪機輸出端輸出的氣體溫度為550-700℃。

進一步，所述系統(tǒng)不僅適用于煤發(fā)電；還可適用于生物質(zhì)、可燃城市固體廢棄物發(fā)電。

一種基于化學(xué)鏈空分制氧和燃燒前co2捕集的發(fā)電系統(tǒng)的工作原理：

氧化還原單元通過化學(xué)鏈空分制氧釋放出的氧氣被送至氣化反應(yīng)器。煤粉、氧氣和少量的水蒸氣在氣化反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生氣化反應(yīng)，生成以h2和co為主的粗煤氣，這部分粗煤氣經(jīng)除塵器去除其中的未反應(yīng)碳、飛灰等顆粒物，而后冷卻進入水煤氣變換單元，幾乎使所有的co轉(zhuǎn)換為co2，生成以h2和co2為主的合成氣再進入脫硫裝置脫除其中的含硫組分，隨后進入脫碳單元捕集高濃度的co2，剩余的以h2為主的凈合成氣氣從脫碳單元出來，經(jīng)過升溫后送去燃氣輪機裝置，與燃氣輪機裝置里的空氣作用進行發(fā)電。燃氣輪機裝置的透平排氣進入余熱鍋爐-蒸汽輪機裝置，排氣通過余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽，驅(qū)動蒸汽輪機做功；從余熱鍋爐排出的煙氣釋放到大氣環(huán)境中。水煤氣變換單元的余熱回收到余熱鍋爐-蒸汽輪機裝置。該工藝的整體流程如圖1所示。

所述氧化還原單元通過化學(xué)鏈空分制氧的具體過程：載氧體在氧化反應(yīng)器中吸收空氣中的氧氣，被氧化的載氧體再進入還原反應(yīng)器中發(fā)生還原反應(yīng)釋放出氧氣。

本發(fā)明通過水煤氣變換單元能夠使氣化生成的co幾乎全部轉(zhuǎn)變?yōu)閏o2，運用燃燒前co2捕集的方法在co2濃度較高、壓力較高的情況下，有利于減少裝置尺寸、降低能耗和便于co2儲存，從而實現(xiàn)co2的近零排放。

本發(fā)明的發(fā)電系統(tǒng)中化學(xué)鏈空分制氧過程的載氧體可以實現(xiàn)循環(huán)再生。

本發(fā)明的有益效果如下：

1、本發(fā)明的發(fā)電系統(tǒng)通過化學(xué)鏈空分制氧可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的深冷空分制氧，解決整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)純氧來源的問題，從而實現(xiàn)了化學(xué)鏈空分制氧過程的載氧體循環(huán)再生。

2、本發(fā)明系統(tǒng)采用化學(xué)鏈空分制氧工藝，氧化反應(yīng)放出的熱量可以加熱還原反應(yīng)器所需要的熱量，減少還原反應(yīng)從外界吸收的熱量，從而降低制氧能耗；因此，本發(fā)明系統(tǒng)具有裝置簡單、能耗低的優(yōu)點。

3、本發(fā)明的系統(tǒng)通過燃燒前二氧化碳捕集，可以實現(xiàn)二氧化碳近零排放。

附圖說明

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作進一步詳細的說明。

圖1示出了一種基于化學(xué)鏈空分制氧和燃燒前co2捕集的發(fā)電系統(tǒng)工藝流程圖。

圖2示出了一種基于化學(xué)鏈空分制氧和燃燒前co2捕集的發(fā)電系統(tǒng)。

其中，1、第一換熱器；2、氧化反應(yīng)器；3、第一氣固分離器；4、還原反應(yīng)器；5、第二氣固分離器；6、第二換熱器；7、第一冷凝器；8、第一壓縮機；9、氣化反應(yīng)器；10、除塵器；11、第三換熱器；12、高溫反應(yīng)器；13、第四換熱器；14、低溫反應(yīng)器；15、第五換熱器；16、脫硫裝置；17、吸收塔；18、沉淀池；19、液力透平；20、第一閃蒸罐；21、第二閃蒸罐；22、第三壓縮機；23、第三閃蒸罐；24、第四壓縮機；25、第一混合器；26、第一冷卻器；27、加熱器；28、燃燒室；29、第二壓縮機；30、分流器；31、第二冷卻器；32、第二混合器；33、氣輪機；34、第三混合器；35、余熱鍋爐；36、蒸汽輪機；37、第二冷凝器；38、泵。

具體實施方式

為了更清楚地說明本發(fā)明，下面結(jié)合優(yōu)選實施例和附圖對本發(fā)明做進一步的說明。附圖中相似的部件以相同的附圖標記進行表示。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當理解，下面所具體描述的內(nèi)容是說明性的而非限制性的，不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護范圍。

所述氧化反應(yīng)器的輸入端分別與第一換熱器的輸出端、第二氣固分離器載氧體的輸出端相連接，氧化反應(yīng)器的輸出端與第一氣固反應(yīng)器的輸入端相連接；所述第一氣固分離器氣體的輸出端與第一換熱器的輸入端相連接，還原反應(yīng)器的輸入端分別與第一氣固分離器載氧體的輸出端和第二換熱反應(yīng)器水蒸氣的輸出端相連接；所述還原反應(yīng)器的輸出端與第二氣固反應(yīng)器的輸入端相連接。所述第二換熱反應(yīng)器的輸入端與第二氣固分離器氣體的輸出端相連接；第二換熱反應(yīng)器氣體的輸出端、第一冷凝器、第一壓縮機、氣化反應(yīng)器、除塵器、第三換熱器、高溫反應(yīng)器、第四換熱器、低溫反應(yīng)器、第五換熱器、脫硫裝置的輸入端依次連接。

所述吸收塔的輸入端分別與脫硫裝置氣體的輸出端、第一冷卻器的輸出端和沉淀池氣體的輸出端相連接，吸收塔流體的輸出端與沉淀池的輸入端相連接；所述沉淀池富液的輸出端與液力透平的輸入端相連接；所述液力透平的輸出端與三級閃蒸罐的輸入端相連接；所述三級閃蒸罐貧液的輸出端與第一混合器的輸入端相連接；所述第一混合器的輸出端與第一冷卻器的輸入端相連接；所述吸收塔凈合成氣的輸出端與加熱器的輸入端相連接。

所述加熱器的輸出端和燃燒室凈合成氣的輸入端相連接；所述分流器的輸出端分別與燃燒室空氣的輸入端、第三混合器空氣的輸入端和第二冷卻器的輸入端相連接，分流器的輸入端和第二壓縮機相連接；所述第二混合器的輸入端分別與燃燒室的輸出端和第二冷卻器的輸出端相連接，第二混合器的輸出端與氣輪機的輸入端相連接；所述氣輪機的輸出端與第三混合器的其它氣體輸入端相連接；

所述余熱鍋爐的輸入端分別與第三混合反應(yīng)器的輸出端和泵的輸出端相連接，余熱鍋爐的輸出端、蒸汽輪機、第二冷凝器和泵的輸入端依次連接。

實施例1

載氧體與空氣在氧化反應(yīng)器2中發(fā)生氧化反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)過第一氣固分離器3分離后，被氧化的載氧體進入還原反應(yīng)器4中發(fā)生還原反應(yīng)，分離的氣體進入第一換熱器1對進來的空氣預(yù)熱；所述氧化反應(yīng)器2和還原反應(yīng)器4的壓力都控制在1bar；所述還原反應(yīng)器4生成的產(chǎn)物再次經(jīng)過第二氣固分離器5分離后，還原的載氧體返回氧化反應(yīng)器2進行反應(yīng)，分離后的氣體進入第二換熱器6，并將第二換熱器6中的水加熱成水蒸氣，所述水蒸氣進入還原反應(yīng)器，從第二換熱器6出來的氣體通過第一冷凝器7得到純氧，純氧通過第一壓縮機8升壓進入氣化反應(yīng)器9。

煤粉與氧氣以及少量的水蒸氣在氣化反應(yīng)器9中發(fā)生氣化反應(yīng)，反應(yīng)壓力控制在2.0-3.0mpa，反應(yīng)最終產(chǎn)物溫度控制在1275℃左右，氣化反應(yīng)器9中的氧煤質(zhì)量比控制在0.7-0.8，水煤質(zhì)量比控制在0.055-0.065。氣化反應(yīng)器9中生成的以h2和co為主的合成氣進入到除塵器10中除去固體飛灰等顆粒物，然后進入第三換熱器11中冷卻，合成氣降溫至300-400℃后進入高溫反應(yīng)器12中進行反應(yīng)；所述高溫反應(yīng)器12中的水蒸氣與co摩爾比為3；所述高溫反應(yīng)器12生成物進入第四換熱器13中冷卻至180-220℃，然后進入低溫反應(yīng)器14中進行反應(yīng)，低溫反應(yīng)器14生成物在第五換熱器15中進行降溫；降溫后進入脫硫裝置16中脫除其中的硫化物。

所述第三換熱器11、第四換熱器13和第五換熱器15排出的余熱回收至余熱鍋爐35。

脫除硫組分的粗合成氣(co、h2等)進入吸收塔17中吸收大部分的co2氣體，隨后進入沉淀池18中，沉淀池18中少量的未被吸收的co2氣體從沉淀池18返回吸收塔17重新接觸，沉淀池18中排出的富液先通過液力透平19再依次通過第一閃蒸罐20、第二閃蒸罐21和第三閃蒸罐23使co2再生，經(jīng)第三壓縮機22和第四壓縮機24升壓后得到高濃度co2，從第三閃蒸罐排23出的貧液與新鮮的聚乙二醇二甲醚在第一混合器25中混合后通過第一冷卻器26冷卻至5-12℃，然后重新返回吸收塔17中。

從所述吸收塔17氣體的輸出端輸出的以h2為主的凈合成氣經(jīng)加熱器27預(yù)熱后進入燃燒室28燃燒，助燃介質(zhì)空氣經(jīng)第二壓縮機29升壓升溫后，通過分流器30，一部分約83％的空氣用于燃料的燃燒，另兩部分作為冷卻空氣，燃燒后產(chǎn)物與經(jīng)過第二冷卻器31冷卻的空氣在第二混合器32中混合后進入氣輪機33做功，做功后的氣體與冷卻空氣在第三混合器34中混合至580-620℃排出。

第三混合器34輸出端輸出的排氣(n2、h2o、o2等)進入余熱鍋爐35產(chǎn)生蒸汽，驅(qū)動蒸汽輪機36做功，做功后的乏汽進入第二冷凝器37，凝結(jié)水經(jīng)泵38升壓后再次進入余熱鍋爐35吸熱成為蒸汽。余熱鍋爐35排出的煙氣釋放到大氣環(huán)境中。

顯然，本發(fā)明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實施方式的限定，對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動，這里無法對所有的實施方式予以窮舉，凡是屬于本發(fā)明的技術(shù)方案所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護范圍之列。