一種基于IGCC的近零排放燃煤發電系統及方法與流程

本發明屬于發電技術領域，尤其涉及一種基于IGCC的近零排放燃煤發電系統及方法。

背景技術：

以氣候變化為核心的全球環境問題日益嚴重，已經成為威脅人類可持續發展的主要因素之一，削減溫室氣體排放以減緩氣候變化成為當今國際社會關注的熱點。隨著全球對溫室氣體排放越來越關注，《京都議定書》、《巴厘島路線圖》的召開，進一步明確了全球CO₂減排目標和時間表，推動了全球低碳經濟的發展。

整體煤氣化聯合循環發電技術(Integrated Gasification Combined Cycle,IGCC)是將清潔的煤氣化技術與高效的燃氣-蒸汽聯合循環相結合的發電技術，發電效率高且提升空間大，可實現污染物近零排放，是高效清潔燃煤發電技術的重要發展方向之一。

整體煤氣化聯合循環技術(IGCC)同燃燒前CO₂捕集的聯合應用，能夠實現發電系統的CO₂近零排放，被認為是溫室氣體深度減排的重要路徑之一。相對于其他碳捕集技術路線，燃燒前CO₂捕集所需處理的氣體壓力高、CO₂濃度高、雜質少，有利于吸收法或其它分離方法對CO₂的脫除，在投資、運行費用和能耗的增量也會相應降低。燃燒前CO₂捕集技術充分利用了煤制合成氣中CO₂的高濃度和高壓力，使得CO₂的捕集能耗大幅度下降，加上IGCC以及相應的氫氣發電技術提高了發電效率，在保持電廠的總體效率不降低的前提下實現CO₂的捕集與封存，是未來綠色低碳發電技術的重要發展方向。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種基于IGCC的近零排放燃煤發電系統及方法，在基于整體煤氣化聯合循環系統實現了燃燒前CO₂捕集，并且充分利用了氣化爐中產生的高溫合成氣的熱量，通過余熱鍋爐實現系統熱量的梯級利用，能夠使得系統的CO₂的捕集率大于90％，發電效率大于40％，大大提高了整體煤氣化聯合循環發電系統的環保特性，同時實現了CO₂的封存和資源化利用。

為了達到上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種基于IGCC的近零排放燃煤發電系統，包括空分裝置1，空分裝置1的入口通入空氣，空分裝置1的氧氣出口接氣化爐2的氧氣入口，空分裝置1的氮氣出口接氮氣分離器3；氣化爐2的煤入口加入煤，氣化爐2的蒸汽入口接余熱鍋爐4的蒸汽出口，氣化爐2的合成氣出口連接高溫換熱器5的高溫氣體入口；氮氣分離器3的一個出口接高溫換熱器5的低溫氣體入口，另一個出口接氮氣回收裝置6；高溫換熱器5的高溫氣體出口接除塵裝置7的入口，高溫換熱器5的低溫氣體出口接燃燒室13；除塵裝置7的出口接水汽變換裝置8的入口；水汽變換裝置8的蒸汽入口接余熱鍋爐4的蒸汽出口，水汽變換裝置8的氣體出口接脫硫脫碳裝置9的氣體入口；脫硫脫碳裝置9的H₂S出口接硫回收裝置11，脫硫脫碳裝置9的CO₂氣體出口接壓縮液化裝置10，脫硫脫碳裝置9的富氫氣體出口接燃燒加濕器12；硫回收裝置11的出口產出硫；燃料加濕器12的蒸汽入口接余熱鍋爐4的蒸汽出口，燃料加濕器12的富氫氣體出口接燃燒室13；燃燒室13的空氣入口接壓氣機14的高壓空氣出口，燃燒室13的燃氣出口接燃氣透平15的燃氣入口；壓氣機14的入口通入空氣；燃氣透平15的出口接余熱鍋爐4的高溫氣體入口，燃氣透平15與第一發電機16相連接，第一發電機16輸出電能；余熱鍋爐4的蒸汽出口連接蒸汽輪機17的蒸汽入口，余熱鍋爐4的給水入口連接蒸汽輪機17的給水出口，余熱鍋爐4的水入口中通入水；蒸汽輪機17與第二發電機18相連接，第二發電機18產出電能；壓縮液化裝置10的液態CO₂出口連接液態CO₂運輸裝置19液態CO₂入口，壓縮液化裝置10產生的液態CO₂輸入到液態CO₂運輸裝置19中，可用于驅油和地質封存；液態CO₂運輸裝置19的出口連接CO₂驅替石油裝置20、CO₂驅替煤層氣裝置21以及CO₂地質封存裝置22；CO₂驅替石油裝置20產出石油，CO₂驅替煤層氣裝置21產出煤層氣。

所述空分裝置1通過深冷法將空氣中的氧氣和氮氣進行分離，氧氣被輸送至氣化爐2中，氮氣被送入到氮氣分離器3中。

所述氣化爐2內反應生成合成氣，合成氣主要成為是H₂、H₂O、CO、CO₂、CH₄、H₂S、COS等。

所述氮氣分離器3能夠將通入的氮氣按照設定的比例值進行分離，一路氮氣通入到燃燒室13中，另外一路氮氣通入到氮氣回收裝置6中。

所述余熱鍋爐4，能夠回收利用燃氣透平15的高溫尾氣的熱量，制取高溫高壓的蒸汽。

所述高溫換熱器5，能夠將氣化爐2產生的高溫合成氣與空分裝置1產生的低溫氮氣進行熱交換，提高氮氣的溫度，回收利用合成氣的熱量。

所述氮氣回收裝置6，由儲氣罐組成，能夠儲存空分裝置1產生的氮氣。

所述除塵裝置7采用袋式除塵器或電除塵器或陶瓷過濾器，脫除合成氣中的顆粒物，使得礦塵含量小于100mg/Nm³。

所述水汽變換裝置8，采用耐硫水汽變換工藝，通過水汽變換反應CO+H₂O＝H₂+CO₂將合成氣中的CO變換為H₂，使得出口氣體中CO比例低于0.5％，其中蒸汽來自于余熱鍋爐4。

所述脫硫脫碳裝置9采用低溫甲醇洗法或MDEA法，制得富氫氣體，富氫氣體中H₂S、COS含量小于1ppm。

所述壓縮液化裝置10，能夠將氣態的CO₂轉化為液態的CO₂，CO₂的濃度高于99％。

所述硫回收裝置11，能夠將H₂S分解為硫，回收其中的硫組分。

所述燃料加濕器12，采用蒸汽混合法，將富氫氣體與余熱鍋爐4所產生的部分蒸汽進行混合，提高H₂燃料其中H₂O的含量，使得H₂O的摩爾含量>5％。

所述燃燒室13，富氫氣體、高溫氮氣以及高壓空氣在其中進行燃燒，產生高溫燃氣。

所述壓氣機14、燃氣透平15以及第一發電機16，安裝到同一根軸上，燃氣透平15在高壓高溫燃氣的沖擊下轉動帶動壓氣機14和第一發電機16轉動，壓縮機14使得空氣的壓力由常壓增大至4Mpa以上，第一發電機16則產生交流電能。

所述蒸汽輪機17和第二發電機18，安裝到同一根軸上，余熱鍋爐4產生的高溫高壓蒸汽沖擊蒸汽輪機17轉動，蒸汽輪機17帶動第二發電機18轉動產生電能。

所述液態CO₂運輸裝置19，為裝載液態CO₂儲罐的運輸車或運輸船。

所述CO₂驅替石油裝置20，能夠將CO₂注入到油田中提高石油采收率。

所述CO₂驅替煤層氣裝置21，能夠將CO₂注入到煤層氣田中，提高煤層氣采收率。

所述CO₂地質封存裝置22，將CO₂注入到廢氣的油田中，將CO₂進行永久性封存。

上述所述一種基于IGCC的近零排放燃煤發電系統的工作方法，煤、蒸汽和氧氣通入氣化爐2產生合成氣，合成氣的溫度為1000℃，組分為CO≈60％，H₂≈30％，CO₂≈7％，其余組分為N₂、H₂S、COS、CH₄雜質氣；合成氣首先經過高溫換熱器5換熱，溫度降低至200℃以下，然后通入除塵裝置7，使得顆粒物成分低于50mg/Nm³；再通入到水汽變換裝置8中，使得合成氣中CO<0.5％，H₂>60％；接著通入到脫硫脫碳裝置9，使得H₂S和COS濃度低于1ppm，捕獲的H₂S通過硫回收裝置11回收其中的硫；同時在脫硫脫碳裝置9中脫除合成氣中的CO₂，使得CO₂的純度大于90％，然后通入到壓縮液化裝置10中，通過壓縮和液化獲得液態的CO₂，可用于驅油和封存；脫硫脫碳裝置9產生的富氫氣體中H₂含量大于90％，富氫氣體經過燃料加濕器12，使得氣體中H₂O摩爾含量>5％，然后通入到燃燒室13中；空分裝置1產生的氮氣經過氮氣分離器3，將70％的氮氣通入到氮氣回收裝置6中，其余30％通入到高溫換熱器5中升溫至500℃，接著通入到燃燒室13中；壓氣機14在燃氣透平15的帶動下轉動，將常壓的空氣升壓到5MPa，然后通入到燃燒室13中；在燃燒室13中，富氫氣體與高溫氮氣混合然后與高壓空氣進行燃燒，產生高溫燃氣，接著通入到燃氣透平15中，推動燃氣透平15轉動，并帶動第一發電機16轉動產生電能；燃氣透平15排出700℃的尾氣通入到余熱鍋爐4中，回收其中的熱量，并使得尾氣的溫度低于200℃；余熱鍋爐4產生高溫高壓的蒸汽溫度為600℃，壓力為1.0MPa，用于氣化爐2、水汽變換裝置8、燃料加濕器12以及蒸汽輪機17中；在蒸汽輪機17中，高溫高壓蒸汽推動蒸汽輪機17轉動，并帶動第二發電機18轉動產生電能；經過蒸汽輪機17后冷凝水又補給余熱鍋爐4中；壓縮液化裝置10產生的液態CO₂輸入到液態CO₂運輸裝置19中；液態CO₂運輸裝置19將液態CO₂運輸到油田、煤層氣田以及廢氣油井處；通過CO₂驅替石油裝置20將CO₂注入到油田中，使得石油采收率提高10％；通過CO₂驅替煤層氣裝置21將CO₂注入到煤層氣田中，使得煤層氣采收率提高10％；通過CO₂地質封存裝置22將CO₂注入到廢棄的油井中，將CO₂進行永久性封存。

和現有技術相比較，本發明具備如下優點：

(1)空分裝置1產生的部分氮氣經過高溫換熱器5回收了高溫合成氣的熱量，能夠提高系統的綜合發電效率。

(2)高溫氮氣與富氫氣體混合后通入到燃燒室13中，能夠提高氫氣在燃燒室13中的燃燒穩定性。

(3)系統產生的液態CO₂，能夠直接用于埋存、驅油驅氣。

本發明在基于整體煤氣化聯合循環系統實現了燃燒前CO₂捕集，并且充分利用了氣化爐中產生的高溫合成氣的熱量，通過余熱鍋爐實現系統熱量的梯級利用，能夠使得系統的CO₂的捕集率大于90％，發電效率大于40％，大大提高了整體煤氣化聯合循環發電系統的環保特性，同時實現了CO₂的封存和資源化利用。

附圖說明

圖1是本發明一種基于IGCC的近零排放燃煤發電系統的示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明做進一步說明。

實施案例

如圖1所示，煤、蒸汽和氧氣通入氣化爐2產生合成氣，合成氣的溫度為1000℃，組分為CO≈60％，H₂≈30％，CO₂≈7％，其余組分為N₂、H₂S、COS、CH₄等雜質氣。合成氣首先經過高溫換熱器5換熱，溫度降低至200℃以下，然后通入除塵裝置7，使得顆粒物成分低于50mg/Nm³；再通入到水汽變換裝置8中，使得合成氣中CO<0.1％，H₂>60％；接著通入到脫硫脫碳裝置9，使得H₂S和COS濃度低于1ppm，捕獲的H₂S通過硫回收裝置11回收其中的硫。同時在脫硫脫碳裝置9中脫除合成氣中的CO₂，使得CO₂的純度大于90％，然后通入到壓縮液化裝置10中，通過壓縮和液化獲得液態的CO₂，可用于驅油和封存。脫硫脫碳裝置9產生的富氫氣體中H₂含量大于90％，富氫氣體經過燃料加濕器12，使得氣體中H₂O摩爾含量>5％，然后通入到燃燒室13中。空分裝置1產生的氮氣經過分離器3，將70％的氮氣通入到氮氣回收裝置6中，其余30％通入到高溫換熱器5中升溫至500℃，接著通入到燃燒室13中。壓氣機14在燃氣透平15的帶動下轉動，將常壓的空氣升壓到5MPa，然后通入到燃燒室13中。在燃燒室13中，富氫氣體與高溫氮氣混合然后與高壓空氣進行燃燒，產生高溫燃氣，接著通入到燃氣透平15中，推動燃氣透平15轉動，并帶動第一發電機16轉動產生電能。燃氣透平15排出700℃的尾氣通入到余熱鍋爐4中，回收其中的熱量，并使得尾氣的溫度低于200℃。余熱鍋爐4產生高溫高壓的蒸汽溫度為600℃，壓力為1.0MPa，可用于氣化爐2、水汽變換裝置8、燃料加濕器12以及蒸汽輪機17中。在蒸汽輪機17中，高溫高壓蒸汽推動蒸汽輪機17轉動，并帶動第二發電機18轉動產生電能。經過蒸汽輪機17后冷凝水又補給余熱鍋爐4中。壓縮液化裝置10產生的液態CO₂輸入到液態CO₂運輸裝置19中。液態CO₂運輸裝置19將液態CO₂運輸到油田、煤層氣田以及廢氣油井處。通過CO₂驅替石油裝置20將CO₂注入到油田中，使得石油采收率提高10％。通過CO₂驅替煤層氣裝置21將CO₂注入到煤層氣田中，使得煤層氣采收率提高10％。通過CO₂地質封存裝置22將CO₂注入到廢棄的油井中，將CO₂進行永久性封存。