煤超临界水热燃烧与超临界二氧化碳循环耦合的发电系统技术方案

本发明专利技术公开了一种煤超临界水热燃烧与超临界二氧化碳循环耦合的发电系统，该发电系统包括煤的超临界水热燃烧反应装置、超临界二氧化碳循环发电装置和辅助加热装置；该发电系统中，煤的超临界水热燃烧反应装置和辅助加热装置提供热源，超临界二氧化碳循环发电装置中的超临界二氧化碳为循环工质。本发明专利技术以超临界二氧化碳为循环工质，煤超临界水热燃烧为主要热源，甲烷燃烧产生的热量为辅助热源，并通过能量梯级利用，促进煤电高效转化，综合实现燃煤高效发电的同时实现硫氧化物、氮氧化物、粉尘等污染物及二氧化碳温室气体的零排放。

【技术实现步骤摘要】
煤超临界水热燃烧与超临界二氧化碳循环耦合的发电系统
本专利技术属于煤的清洁燃烧发电领域，特别涉及一种煤超临界水热燃烧与超临界二氧化碳循环耦合的发电系统。
技术介绍
煤炭是我国乃至世界范围内最重要的化石燃料之一，它的清洁高效利用是实现我国经济与环境可持续发展战略的关键，而煤的清洁高效发电则又是其中的重中之重。针对当前燃煤火电机组能耗较高，污染物排放量大，脱除成本高，并且是二氧化碳等温室气体的主要排放源之一的现状，积极探索和发展高效清洁低碳的燃煤发电技术十分必要。煤的超临界水热燃烧是一种利用煤和氧化剂在超临界水中发生有火焰燃烧反应的新型煤燃烧技术。与煤的常规燃烧技术相比，煤的超临界水热燃烧无硫氧化物、氮氧化物、粉尘产生，二氧化碳捕集成本低等优势，不需脱硫、脱硝、除尘等末端装置即可实现污染物的源头控制，并可实现二氧化碳的低成本捕集和零排放，具有优越的环保性能和经济效益。以超临界二氧化碳为工质的闭式布雷顿循环在同等参数条件下可实现比蒸汽朗肯循环更高的循环效率，近年来受到国内外的广泛关注。超临界二氧化碳循环具有在临界点附近压缩功小，流动和传热特性良好，透平机械体积成倍缩小，系统结构紧凑，占地面积小等优势。将超临界二氧化碳循环应用于煤基发电，系统效率和经济效益提升潜力较大。公开号为CN103925587B的专利公开了一种燃煤的超临界水热燃烧发电装置，所述系统仍采用以水蒸汽为循环工质的传统朗肯循环，存在工质参数低，发电效率低等不足；公开号为CN105604618A的专利公开了一种超临界水煤粉直接氧化复合工质循环发电系统及方法，依靠超临界水反应器出口高温高压反应流体直接推动汽轮机做功发电，未负载间接加热的动力循环。
技术实现思路
专利技术目的：针对当前燃煤火电机组能耗较高，污染物排放量大，脱除成本高，并且是二氧化碳等温室气体的主要排放源之一的问题，提供一种以超临界二氧化碳为循环工质，煤超临界水热燃烧为主要热源，甲烷燃烧产生的热量为辅助热源的燃煤发电系统，并通过能量梯级利用，促进煤电高效转化，综合实现燃煤高效发电的同时实现硫氧化物、氮氧化物、粉尘等污染物及二氧化碳温室气体的零排放。技术方案：本专利技术提供一种煤超临界水热燃烧与超临界二氧化碳循环耦合的发电系统，该发电系统包括煤的超临界水热燃烧反应装置、超临界二氧化碳循环发电装置和辅助加热装置；该发电系统中，煤的超临界水热燃烧反应装置和辅助加热装置提供热源，超临界二氧化碳循环发电装置中的超临界二氧化碳为循环工质。煤的超临界水热燃烧反应装置包括水煤浆储罐、高压水煤浆泵、第一换热器、第二换热器、超临界水热燃烧反应器、循环水泵、第三换热器、第四换热器、二氧化碳分离器和氧气输送组件，第一换热器、第二换热器、第三换热器和第四换热器分别包括高温侧和低温侧；水煤浆储罐、高压水煤浆泵、第一换热器低温侧、第二换热器低温侧、超临界水热燃烧反应器、第三换热器高温侧、第四换热器高温侧以及二氧化碳分离器依次相连通，氧气输送组件的氧气输出口与超临界水热燃烧反应器的燃料入口相连通。第二换热器高温侧、第三换热器低温侧和循环水泵相连通形成循环水回路，煤燃烧过程中产生的灰渣落入灰渣收集器。超临界二氧化碳循环发电装置与煤的超临界水热燃烧反应装置通过超临界水热燃烧反应器相耦合。煤的超临界水热燃烧反应装置还包括颗粒物分离器、颗粒物收集器、气体透平、水轮机、废液处理装置和二氧化碳捕集装置；二氧化碳分离器设置有气相出口和液固相出口(即液相和固相的出口)，气相出口、气体透平和二氧化碳捕集装置依次相连，液固相出口与颗粒物分离器入口相连，颗粒物分离器设置有液相出口和固相出口，液相出口、水轮机和废液处理装置依次相连，固相出口与所述颗粒物收集器相连。氧气输送组件包括依次相连的空气分离装置、氧气压缩机和氧气预热器，氧气预热器包括高温侧和低温侧，氧气预热器低温侧出口(即氧气输出口)与超临界水热燃烧反应器相连。超临界二氧化碳循环发电装置包括冷却器、第一受热面、第二受热面、第三受热面、二氧化碳低压透平、二氧化碳高压透平、第五换热器、高温回热器、再压缩机、主压缩机、低温回热器和发电机，第五换热器、高温回热器和低温回热器分别包括高温侧和低温侧，第一受热面设置在超临界水热燃烧反应器中；第一受热面、第二受热面、二氧化碳高压透平、第三受热面、低压透平、高温回热器高温侧和低温回热器高温侧依次相连通，低温回热器高温侧出口分别与第一换热器高温侧入口和再压缩机入口相连通，第一换热器高温侧出口与冷却器入口相连通，冷却器出口与主压缩机入口相连通，主压缩机出口分别与低温回热器低温侧入口和第四换热器低温侧入口相连通，低温回热器低温侧出口分别与高温回热器低温侧入口和第五换热器低温侧入口相连通，第四换热器低温侧出口与第五换热器低温侧入口相连通，第五换热器低温侧出口和高温回热器低温侧出口分别与第一受热面入口相连通。辅助加热系统包括燃气轮机、甲烷燃烧室、冷凝器和二氧化碳分离器；甲烷燃烧室、燃气轮机、第五换热器高温侧、氧气预热器高温侧、冷凝器和二氧化碳分离器依次相连通，甲烷燃烧室入口与氧气输送组件的氧气输出口相互连通，二氧化碳分离器出口连接有二氧化碳捕集装置。第二受热面和第三受热面设置在甲烷燃烧室中。超临界二氧化碳循环发电装置与辅助加热装置通过甲烷燃烧室相耦合。氧气压缩机、主压缩机、再压缩机、高压透平、低压透平、燃气轮机、水轮机、气体透平和发电机同轴布置。循环水回路中循环水为传统火电锅炉给水。水煤浆按照发热量折算为标准煤的水煤浆，标准煤的质量浓度不低于35wt％。冷却器和冷凝器均采用冷却水冷却。本专利技术的工作原理是：水煤浆从水煤浆储罐出口泵出依次经高压水煤浆泵、第一换热器、第二换热器进入超临界水热燃烧反应器中燃烧，无硫氧化物、氮氧化物、粉尘等污染物排放。超临界水热燃烧反应器出口烟气依次经第三换热器、第四换热器冷却后，烟气中超临界水被冷却成液态水，烟气中二氧化碳经二氧化碳分离器分离送入气体透平做功，回收压能后送入二氧化碳捕集装置，二氧化碳得到低成本捕集并实现了零排放。二氧化碳分离器分离得到液体经颗粒物分离器去除颗粒物后进入水轮机做功，释放压能后经废液处理装置处理回收利用。流体压能得到有效回收，系统能量损耗降低，系统总体效率提高。以甲烷燃烧作为辅助热源，甲烷进入甲烷燃烧室反应后烟气进入燃气轮机做功，燃气轮机排气依次经第五换热器、氧气预热器、冷凝器冷却后，烟气中二氧化碳被二氧化碳分离器分离送入二氧化碳捕集装置，实现二氧化碳零排放。超临界二氧化碳经布置在超临界水热燃烧反应器内的第一受热面加热后，进入甲烷燃烧室内布置的第二受热面进行过热，二氧化碳高压透平出口超临界二氧化碳工质进入第三受热面进行一次再热，使循环高参数高效运行。在主压缩机出口使用超临界二氧化碳分流回收燃煤烟气余热，在高温回热器低温侧入口采用超临界二氧化碳分流回收燃气轮机烟气余热，在低温回热器低温侧出口采用超临界二氧化碳分流，流向主压缩机方向的支流先对水煤浆预热再进入冷却器，能量得到梯级利用，有效降低了热量损失，提高了系统整体效率。空气经空气分离装置制得氧气，氧气进入氧气压缩机压缩后，进一步经氧气预热器预热，在氧气预热器出口进行分流，一路通向超临界水热燃烧反应器，一路通向甲烷燃烧室。本专利技术具有以下有益效果：1.本专利技术的发电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种煤超临界水热燃烧与超临界二氧化碳循环耦合的发电系统，其特征在于，该发电系统包括煤的超临界水热燃烧反应装置、超临界二氧化碳循环发电装置和辅助加热装置。

【技术特征摘要】
1.一种煤超临界水热燃烧与超临界二氧化碳循环耦合的发电系统，其特征在于，该发电系统包括煤的超临界水热燃烧反应装置、超临界二氧化碳循环发电装置和辅助加热装置。2.根据权利要求1所述的煤超临界水热燃烧与超临界二氧化碳循环耦合的发电系统，其特征在于，该发电系统中，所述煤的超临界水热燃烧反应装置和所述辅助加热装置提供热源，所述超临界二氧化碳循环发电装置中的超临界二氧化碳为循环工质。3.根据权利要求1所述的煤超临界水热燃烧与超临界二氧化碳循环耦合的发电系统，其特征在于，所述煤的超临界水热燃烧反应装置包括水煤浆储罐(1)、高压水煤浆泵(2)、第一换热器(3)、第二换热器(5)、超临界水热燃烧反应器(6)、循环水泵(7)、第三换热器(8)、第四换热器(9)、二氧化碳分离器(10)和氧气输送组件，所述第一换热器(3)、第二换热器(5)、第三换热器(8)和第四换热器(9)分别包括高温侧和低温侧；所述水煤浆储罐(1)、高压水煤浆泵(2)、第一换热器(3)低温侧、第二换热器(5)低温侧、超临界水热燃烧反应器(6)、第三换热器(8)高温侧、第四换热器(9)高温侧和二氧化碳分离器(10)依次相连通，第二换热器(5)高温侧、循环水泵(7)和第三换热器(8)低温侧相连通形成循环水回路；所述氧气输送组件的氧气输出口与所述超临界水热燃烧反应器(6)的燃料入口相连通。4.根据权利要求3所述的煤超临界水热燃烧与超临界二氧化碳循环耦合的发电系统，其特征在于，所述超临界二氧化碳循环发电装置与所述煤的超临界水热燃烧反应装置通过超临界水热燃烧反应器(6)相耦合。5.根据权利要求3所述的煤超临界水热燃烧与超临界二氧化碳循环耦合的发电系统，其特征在于，所述煤的超临界水热燃烧反应装置还包括颗粒物分离器(11)、颗粒物收集器(12)、气体透平(13)、水轮机(14)、废液处理装置(15)和二氧化碳捕集装置(16)；所述二氧化碳分离器(10)设置有气相出口和液固相出口，所述气相出口、气体透平(13)和二氧化碳捕集装置(16)依次相连，所述液固相出口与所述颗粒物分离器(11)入口相连，所述颗粒物分离器(11)设置有液相出口和固相出口，所述液相出口、水轮机(14)和废液处理装置(15)依次相连，所述固相出口与所述颗粒物收集器(12)相连。6.根据权利要求3所述的煤超临界水热燃烧与超临界二氧化碳循环耦合的发电系统，其特征在于，所述氧气输送组件包括依次相连的空气分离装置(29)、氧气压缩机(28)和氧气预热器(27)，所述氧气预热器(...

【专利技术属性】
技术研发人员：李照志，钟文琪，刘雪娇，邵应娟，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32