[发明专利]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及方法

摘要

本发明公开了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及方法；该系统有机集成了煤气化及净化子系统、二氧化碳捕集及封存或利用子系统、燃气轮机子系统以及超临界二氧化碳布雷顿循环发电子系统四个子系统；本发明特点在于将现有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，可以进一步节约水资源，提高发电效率，减少设备体积，并且充分利用了捕集后的二氧化碳，实现二氧化碳近零排放。

主权项

1.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，其特征在于：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)和发电机(25)；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)和发电机(38)；发电机(38)将第二轴(37)输出的机械能转变为电能。