一种煤基高效高碳捕集率的半闭式-闭式耦合超临界二氧化碳发电系统

本发明涉及能源动力，尤其涉及一种煤基高效高碳捕集率的半闭式-闭式耦合超临界二氧化碳发电系统。

背景技术：

1、随着全球工业化迅速发展，二氧化碳排放量剧增，导致全球气候恶化。世界各国积极发展高效碳捕集与封存(carbon capture and storage，ccs)技术。目前，ccs技术的主要障碍在于其巨大的能耗。由于空气直接参与燃烧导致烟气中co2浓度较低，分离难度大，使得使用ccs技术的电厂效率下降7-11％。富氧燃烧作为一种更易于实施ccs技术的循环构型被提出，该技术采用高浓度氧气参与燃烧，从而大幅提高了co2浓度，降低了碳捕集难度。近年来超临界co2动力循环(sco2 power cycle)受到广大学者的广泛关注，在相同的中高温的热源条件下，超临界co2动力循环的效率高于以水为工质的传统朗肯循环。

2、半闭式超临界co2循环将富氧燃烧技术与超临界co2动力循环相结合并创新循环构型，在运行参数高获得高效率的同时可通过简单冷凝过程实现低成本高效碳捕集，是高效低碳发电的未来潜力技术。该循环的燃料通常为天然气以及煤制合成气等洁净燃料。当以天然气为燃料时，循环热效率可以达到55％以上。而以煤制合成气为燃料时，由于从原煤到合成气的冷煤气效率不高(65％-86％)，因此煤基半闭式超临界co2循环的循环效率大多在49.7％以下，明显低于以天然气为燃料时的性能。同时，由于设备材料的限制，煤气化过程中粗合成气高温热量的利用也是一大难点。基于以上问题，如何提高煤基半闭式sco2循环热效率是目前急需解决的重要问题。

技术实现思路

1、本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

2、为此，本发明的实施例提出一种煤基高效高碳捕集率的半闭式-闭式耦合超临界二氧化碳发电系统，同时对煤气化过程的高温热量进行充分且合理的利用。

3、本发明提出了一种煤基高效高碳捕集率的半闭式-闭式耦合超临界二氧化碳发电系统，其特征在于，包括煤气化系统、再压缩-再热结构闭式sco2循环系统、半闭式sco2循环系统以及空分系统，其中，

4、所述煤气化系统为所述半闭式sco2循环系统提供燃料，原煤经所述煤气化系统处理后得到以氢气和一氧化碳为主要成分的净合成气，所述净合成气进入所述半闭式sco2循环系统的燃烧室燃烧；

5、所述再压缩-再热结构闭式sco2循环系统通过再热对所述煤气化系统的粗合成气的热量进行利用，同时实现闭式sco2发电循环；

6、所述半闭式sco2循环系统通过将部分超临界co2再循环到所述燃烧室控制燃烧室温度，同时使用回热器对第一透平排气进行热回收，之后所述第一透平排气冷却后水分析出，实现co2高效捕集；

7、所述空分系统为所述煤气化系统和所述半闭式sco2循环系统提供氧气，同时为所述煤气化系统提供干燥用氮气。

8、在一些实施例中，所述煤气化系统包括干燥装置和设置在所述干燥装置下游的气化炉，原煤在所述干燥装置中经氮气干燥后与co2、o2、水蒸气同时被送入所述气化炉中气化产生粗合成气。

9、在一些实施例中，所述煤气化系统还包括上下游依次设置的旋风分离器、第四分流器、洗涤塔、第一换热器，所述粗合成气被激冷后依次通入所述再压缩-再热结构闭式sco2循环系统和所述半闭式sco2循环系统放热降温，之后进入所述旋风分离器除去固体杂质形成循环合成气，所述循环合成气经所述第四分流器分流后一部分用于激冷所述气化炉出口的粗合成气，一部分流经所述洗涤塔后进入所述第一换热器用于加热氮气，之后进入所述半闭式sco2循环系统放热，最后经冷却脱硫后形成净合成气。

10、在一些实施例中，所述煤气化系统还包括第二混合器、第二冷却器和设置在所述第二冷却器下游的脱硫单元，所述气化炉出口的粗合成气与所述第四分流器出口的一路循环合成气在所述第二混合器中混合以降低所述粗合成气的温度，进入所述半闭式sco2循环系统放热后的循环合成气依次流经所述第二冷却器冷却和所述脱硫单元脱硫后形成净合成气。

11、在一些实施例中，所述再压缩-再热结构闭式sco2循环系统包括第三透平、第三换热器、第四换热器、第二透平、第二换热器，co2在所述第三透平中做功后作为热源依次进入所述第三换热器和所述第四换热器后后分为两路，一路经冷却压缩后作为冷源进入所述第四换热器升温，一路经压缩后与所述第四换热器冷侧出口的co2混合后作为冷源进入所述第三换热器升温，随后作为冷源进入所述第二换热器进一步升温后驱动所述第二透平做功，之后再次进入所述第二换热器升温后驱动第三透平做功完成循环，所述第二换热器的热源为激冷后的所述粗合成气。

12、在一些实施例中，所述再压缩-再热结构闭式sco2循环系统还包括第五分流器、第三冷却器、第三压缩机、第四压缩机和第三混合器，所述第五分流器的入口端连接所述第四换热器的热侧出口端，所述第三冷却器和所述第三压缩机上下游依次设置在所述第五分流器一个出口支路上，所述第三压缩机的出口端连接所述第四换热器的冷侧入口端，所述第四压缩机和所述第三混合器上下游依次设置在所述第五分流器另一个出口支路上，所述第三混合器的出口端连接所述第三换热器的冷侧入口端，所述第四换热器冷侧出口端的co2与所述第四压缩机出口端的co2在所述第三混合器中混合后进入所述第三换热器的冷侧升温。

13、在一些实施例中，所述半闭式sco2循环系统包括所述燃烧室、所述回热器、第一透平和第一压缩机，所述净合成气经所述第一压缩机压缩后进入所述回热器升温而后进入所述燃烧室燃烧，燃烧产物进入所述第一透平做功。

14、在一些实施例中，所述半闭式sco2循环系统还包括上下游依次设置在所述第一透平下游的第一冷却器、水分离器、第一分流器、第一压缩冷却机组，所述第一透平的乏气进入所述回热器降温后流经所述第一冷却器和所述水分离器后得到较纯净的co2，而后经所述第一分流器分流，一部分进入碳捕集装置，一部分进入所述煤气化系统，一部分经所述第一压缩冷却机组压缩冷却后进入所述回热器升温。

15、在一些实施例中，所述半闭式sco2循环系统还包括第二分流器、上下游依次设置在所述第二分流器一个出口支路上的第一混合器和第二压缩机、上下游依次设置在所述第二分流器另一出口支路上的第二泵和第三分流器，氧气和所述第二分流器出口的一部分co2在所述第一混合器中混合后作为氧化剂流进入所述第二压缩机，经压缩后进入所述回热器升温，而后进入燃烧室，所述第二分流器出口的另一部分co2在经所述第二泵压缩后进入所述第三分流器分为两路，一路进入所述回热器升温后进入所述燃烧室，另一路进入所述回热器升温后进入所述第一透平以冷却所述第一透平的叶片。

16、在一些实施例中，所述空分系统用于分离得到氮气和氧气，氮气经加热后用于干燥原煤，氧气一部分经冷却压缩后进入气化炉，另一部分与co2混合后进入所述燃烧室参与燃烧。

17、相对于现有技术，本发明的有益效果为：

18、本发明通过精细的热集成方式大幅提高系统热效率，利用煤气化系统粗合成气的高温热量作为闭式sco2循环系统的热源，中低温热量通过半闭式sco2循环系统进一步回收，温度对口、梯级利用，最大程度回收煤气化过程的热量，从而提高煤基循环的总体转化效率。半闭式sco2循环系统进一步集成了空分系统的低温热量用于加热sco2工质以及空分系统氮气的热量来干燥原煤。

19、本发明提出的发电系统在大于98％碳捕集率的情况下实现了52％以上的循环热效率，优于目前煤基燃料驱动的单独闭式或半闭式循环的最高热效率。