一種二氧化碳近零排放的高經濟性能源熱轉換系統及方法
【專利摘要】本發明提供了一種二氧化碳近零排放的高經濟性能源熱轉換系統及方法。系統主要包括空氣分離設備、承壓氮氣存儲設備、承壓氧氣存儲設備、能源熱轉換設備、除塵設備、氣體再循環設備、二氧化碳置換設備、熱回收設備、引風機、氣體壓縮設備和承壓可燃性氣體存儲設備。燃料在能源熱轉換設備中發生氧化反應，生成以二氧化碳和水蒸氣為主要成分的高溫氣體；一部分高溫氣體進入二氧化碳置換設備中，二氧化碳與含碳燃料發生反應，生成可燃性氣體，實現二氧化碳的近零排放；另一部分高溫氣體重新進入能源熱轉換設備，維持系統的穩定運行。通過對可燃性氣體的利用，實現能源熱轉換系統經濟性的大幅提高，彌補了現有能源熱轉換系統中二氧化碳減排技術的不足。
【專利說明】
一種二氧化碳近零排放的高經濟性能源熱轉換系統及方法
技術領域
[0001]本發明屬于能源熱轉換技術領域，涉及一種二氧化碳近零排放的高經濟性能源熱轉換系統及方法。
【背景技術】
[0002 ]現有的能源熱轉換系統在運行過程中排放出大量的二氧化碳，可對地球生態環境造成惡劣的影響。控制能源熱轉換過程中二氧化碳的排放已成為全球各國共同關注的話題，并為之制定了不同程度的二氧化碳減排計劃。2013年，我國二氧化碳的排放量已經超出了美國和歐洲的總和，其中人均二氧化碳的排放量也首次超過歐洲水平。2014年，我國在《中美氣候變化聯合聲明》中承諾，二氧化碳排放量在2030年達到峰值。然而，我國獨特的能源結構決定了，在未來相當長的時間內能源熱轉換技術仍將占據主導地位。2017年全國碳排放交易市場將啟動，發展新型低碳能源熱轉換技術，大幅減少二氧化碳的排放具有極為重要的環境保護意義和經濟價值。
[0003]捕集能源熱轉換過程中產生的二氧化碳是當前主流的技術路線。捕集后的二氧化碳可用于驅油、驅氣、打入合適地質的深層地下或海底，實現封存，達到減排二氧化碳的目的。該類技術又稱為二氧化碳捕集與封存技術。然而，該類技術主要存在以下兩點不足:
[0004](I) 二氧化碳捕集、壓縮、分離、提純、運輸等導致能源熱轉換整體系統的效率和經濟性大幅下降；
[0005](2)封存二氧化碳逃逸和泄露的可能性極大。
[0006]上述不足也從根本上限制了二氧化碳捕集與封存技術的商業化進程，不利于國家二氧化碳減排目標的實現。
[0007]因此，如何在減少能源熱轉換過程中二氧化碳排放的同時，保證系統經濟性是當前新型能源熱轉換技術發展所面臨的重大挑戰。
【發明內容】
[0008]針對現有的能源熱轉換二氧化碳減排技術所存在的不足，本發明的目的在于提供一種二氧化碳近零排放的高經濟性能源熱轉換系統及方法，其具有經濟性高、效率高、能耗低、安全性高且系統簡單的優點。
[0009 ]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:
[0010]一種二氧化碳近零排放的高經濟性能源熱轉換系統，包括空氣分離設備、承壓氮氣存儲設備、承壓氧氣存儲設備、能源熱轉換設備、第一除塵設備、氣體再循環設備、二氧化碳置換設備、第一熱回收設備、第二熱回收設備、第二除塵設備、引風機、氣體壓縮設備、承壓可燃性氣體存儲設備；
[0011]所述空氣分離設備具有空氣入口、氮氣出口和氧氣出口，空氣入口與大氣相通，氮氣出口經管道與承壓氮氣存儲設備相連，氧氣出口經管道與承壓氧氣存儲設備相連;所述承壓氧氣存儲設備出口經管道與能源熱轉換設備入口相連;所述能源熱轉換設備經管道與第一除塵設備入口和二氧化碳置換設備入口相連，能源熱轉換設備上設有第一燃料加料口、第一固態產物排出口 ；所述第一除塵設備出口經管道與氣體再循環設備入口相連;所述氣體再循環設備出口與承壓氧氣存儲設備出口一起經管道與所述第一燃料加料口相連;所述二氧化碳置換設備上設有第二燃料加料口、第二固態產物排出口和氣體產物排出口，第二固態產物排出口經管道與第一熱回收設備相連，氣體產物排出口經管道與第二熱回收設備相連;所述第一熱回收設備上熱回收介質的出口經管道與能源熱轉換設備相連，第一熱回收設備上的冷卻固體出口經管道與所述第一燃料加料口相連;所述第二熱回收設備上的熱回收介質出口經管道與能源熱轉換設備相連;所述第二熱回收設備上的氣體出口經管道與第二除塵設備入口相連;所述第二除塵設備出口經管道與引風機入口相連;所述引風機出口經管道與氣體壓縮設備入口相連;所述氣體壓縮設備出口經管道與承壓可燃性氣體存儲設備入口相連。
[0012]進一步地，所述能源熱轉換設備包括煤粉鍋爐、流化床鍋爐、層燃爐和窯爐。
[0013 ]本發明一種二氧化碳近零排放的高經濟性能源熱轉換方法，包括步驟:
[0014]所述方法包括步驟:
[0015]所述空氣分離裝置分離出氮氣和氧氣，氮氣經管道進入承壓氮氣存儲設備，氧氣經管道進入承壓氧氣存儲設備，以防系統運行過程中氧氣的供應不足;氧氣經管道與燃料混合均勻后進入能源熱轉換設備，在能源熱轉換設備中發生反應，生成以二氧化碳和水蒸氣為主要成分，同時含有部分氧氣和飛灰的高溫氣體;一部分高溫氣體經冷卻、除塵后經管道進入所述氣體再循環設備，而后重新進入所述能源熱轉換設備，維持設備的穩定運行;另一部分高溫氣體未經冷卻和除塵，直接經管道進入所述二氧化碳置換設備中，二氧化碳和水蒸氣與含碳燃料發生氣化反應，生成以一氧化碳、氫氣和甲烷為主，含有灰塵的高溫可燃性氣體，氧氣與含碳燃料發生燃燒反應為所述氣化反應提供反應熱;所述二氧化碳置換設備中的高溫可燃氣體通過氣體產物排出口經管道進入所述第二熱回收設備進行冷卻;冷卻后的可燃性氣體經所述第二除塵設備除塵，除塵后的可燃性氣體經過所述引風機進入所述氣體壓縮設備;可燃性氣體經壓縮后經管道進入承壓可燃性氣體儲存設備。
[0016]進一步地，能源熱轉換設備出口的高溫氣體中，氧氣的體積濃度低于10%。
[0017]進一步地，未經冷卻和除塵的高溫氣體溫度在800攝氏度以上，保證氣化反應和氧化反應的發生。
[0018]進一步地，進入二氧化碳置換反應器內的部分高溫氣體體積占據總高溫氣體體積的30%以上。
[0019]進一步地，所述二氧化碳置換反應器所用的燃料為固體含碳燃料。如煤、生物質等。
[0020]進一步地，所述二氧化碳置換反應器內未反應盡的固體產物在第一熱回收設備內冷卻后，進入所述能源熱轉換設備進一步利用。
[0021]進一步地，所述第一熱回收設備和第二熱回收設備中選用的熱回收介質為水或者導熱油。當選用的熱回收介質為水時，加熱后的水進入所述能源熱轉換設備的水循環體系，當選用的熱回收介質為導熱油時，加熱后的導熱油用于干燥高水分燃料。
[0022]總體而言，本發明的技術方案相對于現有技術而言，具有以下優點:
[0023](I)本發明首次提出了能源熱轉換系統中，通過資源化利用二氧化碳的方式，達到能源熱轉換系統中二氧化碳近零排放的目的，克服了現有二氧化碳減排技術下二氧化碳難以處理的難題。
[0024](2)本發明創新性基于能源熱轉換系統中生成的煙氣特性，結合化學反應條件，使二氧化碳與固體含碳燃料(煤、生物質、固體廢棄物等)發生反應，生成可燃性氣體。通過對可燃性氣體的進一步利用，大幅提高了能源熱轉換系統的經濟性，解決了現有二氧化碳減排技術大大降低系統經濟性的問題。
[0025](3)本發明系統結構緊湊，能源利用效率高，既可用于改造現有的能源熱轉換系統又可用于新能源熱轉換系統的設計，應用前景廣闊。
【附圖說明】
[0026]圖1是本發明的二氧化碳近零排放的高經濟性能源熱轉換系統的結構示意圖；
[0027]其中，1-空氣分離設備;2-承壓氧氣存儲設備;3-承壓氮氣存儲設備;4-能源熱轉換設備;5-氣體再循環設備;6-第一除塵設備;7-二氧化碳置換設備;8-第一熱回收設備;9-第二熱回收設備；10-第二除塵設備；11-引風機；12-氣體壓縮設備；13-承壓可燃性氣體存儲設備。
[0028]其中，A-空氣;B-氮氣;C-氧氣;D-二氧化碳與水蒸氣;E-燃料;F-燃料反應后的固體產物;G-含碳固體燃料;H-未反應盡的固體產物;1-熱回收介質;J-可燃性氣體。
【具體實施方式】
[0029]為使本發明的目的、技術方案更加清晰，下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
[0030]本發明的基本思想和目的是:如能將能源熱轉換過程生成的二氧化碳進行資源化利用，在達到二氧化碳近零排放目的的同時提高了系統的經濟性，對推動二氧化碳減排技術的發展具有極為重要的現實意義。
[0031]用于實現這一目的的二氧化碳近零排放的高經濟性能源熱轉換系統如圖1所示。利用這一系統，實現二氧化碳近零排放的高經濟性能源熱轉換的方式如下:
[0032]空氣分離設備I將空氣A中的氮氣B和氧氣C分離，氮氣B進入承壓氮氣存儲設備3，氧氣C經管道進入承壓氧氣存儲設備2，以防生產過程中氧氣的供應不足;氧氣C經管道與燃料E進入能源熱轉換設備，在能源熱轉換設備4中發生反應，生成以二氧化碳和水蒸氣為主要成分，同時含有部分氧氣和飛灰的高溫氣體D，高溫氣體D中氧氣濃度低于10% ;由引風機11將至少30%未經冷卻和除塵的高溫氣體D引入二氧化碳置換設備7;在二氧化碳置換設備7中二氧化碳和水蒸氣與含碳固體燃料G發生氣化反應，生成以一氧化碳、氫氣和甲烷為主，含有灰塵的高溫可燃性氣體J;同時高溫氣體D中含有的低濃度氧氣與含碳燃料發生氧化反應為氣化反應提供反應熱;二氧化碳置換設備7中生成的高溫可燃氣體J在第二熱回收設備9中進行冷卻，熱量回收;冷卻后的可燃性氣體J在第二除塵設備內除塵;除塵后的可燃性氣體J經引風機11進入氣體壓縮設備12;可燃性氣體J經壓縮后由承壓可燃性氣體儲存設備存儲;能源熱轉換設備4生成的剩余至多70%的高溫氣體D，經冷卻、除塵后經管道與氧氣C和燃料E—起重新進入到能源熱轉換設備，保證燃料燃燒產生的高溫氣體中二氧化碳的濃度；至此，能源熱轉換生成的二氧化碳已經置換成為可燃性氣體，實現了二氧化碳的近零排放；同時，可燃性氣體進一步的利用可大大提高系統的經濟性。
[0033]為進一步提高資源的利用率，二氧化碳置換設備7中未完全反應盡的燃料G生成高溫固體產物H，高溫固體產物H在第一熱回收設備8中冷卻，冷卻后的固體產物H與氣體D，氧氣C，燃料E—同進入能源熱轉換設備4中。此外，第一熱回收設備8和第二熱回收設備9回收的熱量可進一步利用。
[0034]下面結合實施例，對此發明加以進一步說明。
[0035]參照圖1所示，針對某600Mffth級煤粉燃燒機組的二氧化碳近零排放的高經濟性系統。能源熱轉換設備4采用煤粉爐，煤粉燃燒機組選用的燃料為典型的煙煤，含碳量80 %，低位發熱量27000千焦/千克。二氧化碳置換設備7采用氣化爐，氣化爐選用的燃料為生物質。氣體再循環設備5采用再循環風機。
[0036]空氣分離設備I將空氣A中的氮氣B和氧氣C分離，氧氣C經管道進入承壓氧氣存儲設備2，保證生產過程中的氧氣供應充足;氧氣C經管道與煙煤E進入煤粉爐，發生劇烈的燃燒反應釋放熱量，并生成以二氧化碳和水蒸氣為主要成分，同時含有部分氧氣和飛灰的高溫煙氣D;煤粉爐爐膛出口處的高溫煙氣D中氧氣濃度控制在10%以下;在煙氣溫度800攝氏度以上的煤粉爐煙道處開設旁路，經引風機11將約30%的高溫煙氣D引入氣化爐;在氣化爐中，煙氣中所含的氧氣與生物之發生氧化反應為氣化反應提供反應熱，二氧化碳和水蒸氣與生物質G發生氣化反應，生成以一氧化碳、氫氣和甲烷為主，含有灰塵的高溫可燃性氣體J，氣化爐中未反應盡的固體產物H在第一熱回收設備8中冷卻，冷卻后進入煤粉爐內充分利用;氣化爐出口高溫可燃氣體J在第二熱回收設備9中冷卻，回收熱量;冷卻后的可燃性氣體J經第二除塵設備10除塵后，經引風機11進入氣體壓縮設備12;可燃性氣體J經壓縮后由承壓可燃性氣體儲存設備13存儲，可用于銷售，提高電站的經濟性。
[0037]煤粉爐燃燒生成的剩余70%左右的高溫氣體D在鍋爐尾部煙道經冷卻、除塵后，經管道與氧氣C和煙煤E及氣化爐內未反應盡固體產物H—起進入到煤粉爐爐膛，維持爐膛溫度穩定和煙氣中高二氧化碳濃度;至此，能源熱轉換生成的二氧化碳已經置換成為可燃性氣體J，實現了二氧化碳的近零排放。
[0038]依據煤的燃燒反應特性，該燃煤機組I千克煙煤燃燒后生成約2.9千克的二氧化碳。依據該機組出力，煤炭消耗量約為180,000千克/小時，則每小時生成的二氧化量為522，000千克。二氧化碳與生物質在氣化爐內發生氣化反應，每小時生成一氧化碳的量為664,000千克。以煤粉爐每年運行7，000小時計算，氣化爐效率90 %計算，每年產生的一氧化碳量約為4,180,000，000千克。一氧化碳價格以1.2元每千克計算，通過出售一氧化碳可收入5，000，000，000元，極大提高了系統的經濟效益。需說明的是，該計算方法尚未考慮2017年實行碳交易后，通過減排二氧化碳獲得的收益。
[0039]以上所述僅為本發明的較佳實施方式，本發明的保護范圍并不以上述實施方式為限，但凡本領域普通技術人員根據本發明所揭示內容所作的等效修飾或變化，皆應納入權利要求書中記載的保護范圍內。
【主權項】
1.一種二氧化碳近零排放的高經濟性能源熱轉換系統，其特征在于，所述系統包括空氣分離設備、承壓氮氣存儲設備、承壓氧氣存儲設備、能源熱轉換設備、第一除塵設備、氣體再循環設備、二氧化碳置換設備、第一熱回收設備、第二熱回收設備、第二除塵設備、引風機、氣體壓縮設備、承壓可燃性氣體存儲設備； 所述空氣分離設備具有空氣入口、氮氣出口和氧氣出口，空氣入口與大氣相通，氮氣出口經管道與承壓氮氣存儲設備相連，氧氣出口經管道與承壓氧氣存儲設備相連;所述承壓氧氣存儲設備出口經管道與能源熱轉換設備入口相連;所述能源熱轉換設備經管道與第一除塵設備入口和二氧化碳置換設備入口相連，能源熱轉換設備上設有第一燃料加料口、第一固態產物排出口；所述第一除塵設備出口經管道與氣體再循環設備入口相連;所述氣體再循環設備出口與承壓氧氣存儲設備出口 一起經管道與所述第一燃料加料口相連;所述二氧化碳置換設備上設有第二燃料加料口、第二固態產物排出口和氣體產物排出口，第二固態產物排出口經管道與第一熱回收設備相連，氣體產物排出口經管道與第二熱回收設備相連;所述第一熱回收設備上熱回收介質的出口經管道與能源熱轉換設備相連，第一熱回收設備上的冷卻固體出口經管道與所述第一燃料加料口相連;所述第二熱回收設備上的熱回收介質出口經管道與能源熱轉換設備相連;所述第二熱回收設備上的氣體出口經管道與第二除塵設備入口相連;所述第二除塵設備出口經管道與引風機入口相連;所述引風機出口經管道與氣體壓縮設備入口相連;所述氣體壓縮設備出口經管道與承壓可燃性氣體存儲設備入口相連。2.根據權利要求1所述的一種二氧化碳近零排放的高經濟性能源熱轉換系統，其特征在于，所述能源熱轉換設備包括煤粉鍋爐、流化床鍋爐、層燃爐和窯爐。3.利用如權I所述的一種二氧化碳近零排放的高經濟性能源熱轉換系統的方法，其特征在于，所述方法包括步驟: 所述空氣分離裝置分離出氮氣和氧氣，氮氣經管道進入承壓氮氣存儲設備，氧氣經管道進入承壓氧氣存儲設備，以防系統運行過程中氧氣的供應不足;氧氣經管道與燃料混合均勻后進入能源熱轉換設備，在能源熱轉換設備中發生反應，生成以二氧化碳和水蒸氣為主要成分，同時含有部分氧氣和飛灰的高溫氣體;一部分高溫氣體經冷卻、除塵后經管道進入所述氣體再循環設備，而后重新進入所述能源熱轉換設備，維持設備的穩定運行；另一部分高溫氣體未經冷卻和除塵，直接經管道進入所述二氧化碳置換設備中，二氧化碳和水蒸氣與含碳燃料發生氣化反應，生成以一氧化碳、氫氣和甲烷為主，含有灰塵的高溫可燃性氣體，氧氣與含碳燃料發生燃燒反應為所述氣化反應提供反應熱;所述二氧化碳置換設備中的高溫可燃氣體通過氣體產物排出口經管道進入所述第二熱回收設備進行冷卻;冷卻后的可燃性氣體經所述第二除塵設備除塵，除塵后的可燃性氣體經過所述引風機進入所述氣體壓縮設備;可燃性氣體經壓縮后經管道進入承壓可燃性氣體儲存設備。4.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，能源熱轉換設備出口的高溫氣體中，氧氣的體積濃度低于10%。5.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，未經冷卻和除塵的高溫氣體溫度在800攝氏度以上，保證氣化反應和氧化反應的發生。6.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，進入二氧化碳置換反應器內的部分高溫氣體體積占據總高溫氣體體積的30 %以上。7.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，所述二氧化碳置換反應器所用的燃料為固體含碳燃料。8.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，所述二氧化碳置換反應器內未反應盡的固體產物在第一熱回收設備內冷卻后，進入所述能源熱轉換設備進一步利用。9.根據權利要求3至8之一所述的方法，其特征在于，所述第一熱回收設備和第二熱回收設備中選用的熱回收介質為水或者導熱油。10.根據權利要求9所述的方法，其特征在于，所述第一熱回收設備和第二熱回收設備中選用的熱回收介質為水時，加熱后的水進入所述能源熱轉換設備的水循環體系，所述第一熱回收設備和第二熱回收設備中選用的熱回收介質為導熱油時，加熱后的導熱油用于干燥高水分燃料。
【文檔編號】C10J3/86GK105861057SQ201610256844
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月22日
【發明人】卜昌盛, 申成, 盧路, 龍芳, 顧婷婷, 鄭際童, 宮潤, 樸桂林, 盧平
【申請人】南京師范大學