一种适用煤气化的超临界二氧化碳循环系统及其操作方法技术方案

本发明专利技术公开了一种适用煤气化的超临界二氧化碳循环系统及其操作方法，包括：气化炉与第一换热器相连通，第一换热器的第一出口与燃烧室相连通；燃烧室的出口与第一透平相连通，第一透平与第二换热器相连通，第二换热器的第一出口与第三换热器相连通；第三换热器的第一出口与冷却器以及第二压缩机相连通；冷却器与第一压缩机相连通，第一压缩机的第一出口与第三换热器相连通，第三换热器与第二换热器相连通；第二压缩机与第二换热器相连通，第二换热器与燃烧室相连通；第一压缩机与第一换热器相连通，第一换热器与第二透平相连通，第二透平与冷却器相连通。本发明专利技术可减少二氧化碳排放，能够提升煤气化集成发电的能量转化效率。

A supercritical carbon dioxide cycle system suitable for coal gasification and its operation method

【技术实现步骤摘要】
一种适用煤气化的超临界二氧化碳循环系统及其操作方法
本专利技术属于煤化工
，特别涉及一种适用煤气化的超临界二氧化碳循环系统。
技术介绍
煤炭能源的清洁利用是我国能源领域的重点研究方向之一。目前的整体煤气化联合循环(IGCC)是其中一种有效的清洁发电技术，其将煤气化和燃气蒸汽联合循环发电系统有机集成，具有发电效率高、环保性能突出等优势，但是该现有技术仍然存在一定的水耗。二氧化碳由于其临界压力相对适中(7.38MPa，31℃)，稳定性好，存量丰富；在超临界状态下与普通惰性气体相比具有密度大的优势，可以有效减小动力循环中设备的尺寸；具有较好的稳定性和物理性质，在一定的温度范围内表现出惰性气体的性质，以及其无毒、储量丰富、天然存在等特性，将其应用在IGCC中极具前景。现有技术如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(中国专利技术申请号为201810981675.7)仍存在一些问题：1)超临界二氧化碳循环中所需的热量由气化炉壁温及燃气轮机排气提供，属于间接加热，换热面积大，影响工程推广；2)循环热源由于是间接加热，存在运行参数不高、能量转化效率较低等缺点；3)现有技术虽然能够降低二氧化碳排放，但燃气轮机等处的二氧化碳排放依旧不能忽略。综上，亟需开发一种适用煤气化的超临界二氧化碳循环系统，以替代现有技术方案，充分利用煤气化工业过程中的能源，减少二氧化碳排放并提升发电效率。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种适用煤气化的超临界二氧化碳循环系统及其操作方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本专利技术可减少二氧化碳排放，能够提升煤气化集成发电的能量转化效率。为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术的一种适用煤气化的超临界二氧化碳循环系统，包括：气化炉、第一换热器、燃烧室、第一透平、第二换热器、第三换热器、冷却器、第一压缩机、第二压缩机和第二透平；所述气化炉用于通入煤和氧气完成煤的气化，生成合成气；气化炉的出口与第一换热器的第一入口相连通，第一换热器的第一出口与燃烧室的第一进口相连通；燃烧室的出口与第一透平的工质入口相连通，第一透平的工质出口与第二换热器的第一入口相连通，第二换热器的第一出口与第三换热器的第一入口相连通；第三换热器的第一出口与冷却器的第一进口以及第二压缩机的入口相连通；冷却器的出口与第一压缩机的入口相连通，第一压缩机的第一出口与第三换热器的第二入口相连通，第三换热器的第二出口与第二换热器的第二入口相连通；第二压缩机的出口与第二换热器的第二入口相连通，第二换热器的第二出口与燃烧室的第二进口相连通；第一压缩机的第二出口与第一换热器的第二入口相连通，第一换热器的第二出口与第二透平的工质入口相连通，第二透平的工质出口与冷却器的第二进口相连通。本专利技术的进一步改进在于，还包括：煤的前处理装置，所述煤的前处理装置用于完成煤的准备与供给；其中，煤的前处理装置的出口与气化炉的第一入口相连通。本专利技术的进一步改进在于，还包括：空气分离器，所述空气分离器用于从空气中分离出氧气；其中，空气分离器的第一出口与气化炉的第二入口相连通。本专利技术的进一步改进在于，还包括：第三压缩机，所述第三压缩机的进口与空气分离器的第二出口相连通，所述第三压缩机的出口与第三换热器的第三进口相连通；第三换热器的第三出口与燃烧室的第三进口相连通。本专利技术的进一步改进在于，第一透平、第一压缩机和第二压缩机同轴设置。本专利技术的进一步改进在于，最高工作压力可达30MPa，最高工作温度可达1100℃，最高效率可超过60％。本专利技术的一种适用煤气化的超临界二氧化碳循环系统的操作方法，包括：通过气化炉，将煤及氧气制备获得高温合成气；通过第一换热器，吸收高温合成气的热量，并供给系统运行；通过燃烧室完成换热后的合成气与氧气的燃烧，对超临界二氧化碳工质进行直接加热；通过第一透平进行工质膨胀，做功发电；通过第二换热器将第一透平的工质余热供给系统工质；通过第三换热器吸收第二换热器出口的工质余热供给系统工质；通过冷却器冷却系统工质并捕集回收多余的二氧化碳和水；通过第一压缩机完成部分工质的压缩；其中，一部分工质返回第三换热器吸收热量，另一部分工质至第一换热器吸收合成气热量；通过第二压缩机完成所述另一部分工质的压缩并返回第二换热器吸收热量；通过第二透平对吸收合成气热量的部分工质进行膨胀做功发电。本专利技术的进一步改进在于，所述循环系统还包括：煤的前处理装置、空气分离器和第三压缩机；通过煤的前处理装置完成煤的准备与供给；通过空气分离器从空气中分离出氧气；通过第三压缩机压缩部分氧气；通过第三换热器吸收所述部分氧气压缩后的热量供给系统工质。本专利技术的进一步改进在于，最高工作压力可达30MPa，最高工作温度可达1100℃，最高效率可超过60％。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：不同于现有技术中的间接加热，本专利技术的适用煤气化的超临界二氧化碳循环系统中，采用二氧化碳进入燃烧室直接加热获取热量，相比于间接加热，能够最大限度地利用潜在热量，提升循环运行参数及发电效率。此外，由于采用直接加热模式，燃烧产生的CO2增量能够被循环系统捕集进行做功，同时在冷却器处分离回收，使循环工质总流量保持不变，相比于传统技术，碳排放更低。本专利技术针对合成气的高温特性，采用了换热器进行吸热并设置子循环，能够进一步提升循环的发电效率；而本专利技术采用的超临界二氧化碳循环布置为再压缩循环，且O2分流，能够提高CO2流量与透平净输出功。其中，间接加热循环的最高工作压力约为20MPa，最高工作温度约为700℃，最高效率约为50％，而本系统最高工作压力可达30MPa，最高工作温度可达1100℃，最高效率预计能超过60％。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本专利技术实施例的一种适用煤气化的超临界二氧化碳循环系统的示意图；图1中，1、煤的前处理装置；2、空气分离器；3、气化炉；4、第一换热器；5、燃烧室；6、第一透平；7、第二换热器；8、第三换热器；9、冷却器；10、第一压缩机；11、第二压缩机；12、第二透平；13、第三压缩机。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术效果及技术方案更加清楚，下面结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例。基于本专利技术公开的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，都应属于本专利技术保护的范围。请参阅图1，本专利技术实施例的一种适用煤气化的超临界二氧化本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用煤气化的超临界二氧化碳循环系统，其特征在于，包括：气化炉(3)、第一换热器(4)、燃烧室(5)、第一透平(6)、第二换热器(7)、第三换热器(8)、冷却器(9)、第一压缩机(10)、第二压缩机(11)和第二透平(12)；/n所述气化炉(3)用于通入煤和氧气完成煤的气化，生成合成气；/n气化炉(3)的出口与第一换热器(4)的第一入口相连通，第一换热器(4)的第一出口与燃烧室(5)的第一进口相连通；/n燃烧室(5)的出口与第一透平(6)的工质入口相连通，第一透平(6)的工质出口与第二换热器(7)的第一入口相连通，第二换热器(7)的第一出口与第三换热器(8)的第一入口相连通；/n第三换热器(8)的第一出口与冷却器(9)的第一进口以及第二压缩机(11)的入口相连通；/n冷却器(9)的出口与第一压缩机(10)的入口相连通，第一压缩机(10)的第一出口与第三换热器(8)的第二入口相连通，第三换热器(8)的第二出口与第二换热器(7)的第二入口相连通；第二压缩机(11)的出口与第二换热器(7)的第二入口相连通，第二换热器(7)的第二出口与燃烧室(5)的第二进口相连通；/n第一压缩机(10)的第二出口与第一换热器(4)的第二入口相连通，第一换热器(4)的第二出口与第二透平(12)的工质入口相连通，第二透平(12)的工质出口与冷却器(9)的第二进口相连通。/n...

【技术特征摘要】
1.一种适用煤气化的超临界二氧化碳循环系统，其特征在于，包括：气化炉(3)、第一换热器(4)、燃烧室(5)、第一透平(6)、第二换热器(7)、第三换热器(8)、冷却器(9)、第一压缩机(10)、第二压缩机(11)和第二透平(12)；
所述气化炉(3)用于通入煤和氧气完成煤的气化，生成合成气；
气化炉(3)的出口与第一换热器(4)的第一入口相连通，第一换热器(4)的第一出口与燃烧室(5)的第一进口相连通；
燃烧室(5)的出口与第一透平(6)的工质入口相连通，第一透平(6)的工质出口与第二换热器(7)的第一入口相连通，第二换热器(7)的第一出口与第三换热器(8)的第一入口相连通；
第三换热器(8)的第一出口与冷却器(9)的第一进口以及第二压缩机(11)的入口相连通；
冷却器(9)的出口与第一压缩机(10)的入口相连通，第一压缩机(10)的第一出口与第三换热器(8)的第二入口相连通，第三换热器(8)的第二出口与第二换热器(7)的第二入口相连通；第二压缩机(11)的出口与第二换热器(7)的第二入口相连通，第二换热器(7)的第二出口与燃烧室(5)的第二进口相连通；
第一压缩机(10)的第二出口与第一换热器(4)的第二入口相连通，第一换热器(4)的第二出口与第二透平(12)的工质入口相连通，第二透平(12)的工质出口与冷却器(9)的第二进口相连通。


2.根据权利要求1所述的一种适用煤气化的超临界二氧化碳循环系统，其特征在于，还包括：
煤的前处理装置(1)，所述煤的前处理装置(1)用于完成煤的准备与供给；其中，煤的前处理装置(1)的出口与气化炉(3)的第一入口相连通。


3.根据权利要求1所述的一种适用煤气化的超临界二氧化碳循环系统，其特征在于，还包括：
空气分离器(2)，所述空气分离器(2)用于从空气中分离出氧气；其中，空气分离器(2)的第一出口与气化炉(3)的第二入口相连通。


4.根据权利要求3所述的一种适用煤气化的超临界二氧化碳循环系统，其特征在于，还包括：
第三压缩机(13)，所述第三压缩机(13)的进口与空气分离器(2)的第二出口相连通，所述第三压缩机(13)的出口与第三换热...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢永慧，王鼎，孙磊，张荻，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61