火电厂空分储能耦合富氧燃烧碳捕集一体化集成系统及方法
阅读说明：本技术 火电厂空分储能耦合富氧燃烧碳捕集一体化集成系统及方法 (Air separation energy storage coupling oxygen-enriched combustion carbon capture integrated system and method for thermal power plant ) 是由 姬海民 薛宁 徐党旗 敬小磊 张知翔 于 2021-01-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了火电厂空分储能耦合富氧燃烧碳捕集一体化集成系统及方法,锅炉连接透平,透平连接发电机；发电机的输出端分为两路,一路能够与电网连接,一路与空分装置连接；空分装置与氧气储存罐以及防爆增压风机连接,空分装置与氧气储存罐的连接管路上以及空分装置与防爆增压风机连接的管路上分别设有第一防爆调节阀和第二防爆调节阀,氧气储存罐的出口与防爆增压风机连接且连接管路上设有第三防爆调节阀；送风机锅炉的氧气入口连接,防爆增压风机的出口与送风机出口连通；烟气处理系统与锅炉的烟气出口连接,尾气分离回收系统与烟气处理系统出口连接。本发明结构简单,即解决了深度调峰,又实现了碳减排且效果佳,整体经济效益较好。(The invention discloses an integrated system and a method for air separation energy storage coupling oxygen-enriched combustion carbon capture in a thermal power plant, wherein a boiler is connected with a turbine, and the turbine is connected with a generator; the output end of the generator is divided into two paths, one path can be connected with a power grid, and the other path is connected with an air separation device; the air separation device is connected with the oxygen storage tank and the explosion-proof booster fan, a first explosion-proof regulating valve and a second explosion-proof regulating valve are respectively arranged on a connecting pipeline of the air separation device and the oxygen storage tank and a pipeline of the air separation device connected with the explosion-proof booster fan, an outlet of the oxygen storage tank is connected with the explosion-proof booster fan, and a third explosion-proof regulating valve is arranged on the connecting pipeline; the oxygen inlet of the blower boiler is connected, and the outlet of the explosion-proof booster fan is communicated with the outlet of the blower; the flue gas treatment system is connected with a flue gas outlet of the boiler, and the tail gas separation and recovery system is connected with an outlet of the flue gas treatment system. The invention has simple structure, solves the problem of deep peak regulation, realizes carbon emission reduction, and has good effect and better overall economic benefit.)
技术领域
本发明属于火电厂深度调峰领域，涉及火电厂空分储能耦合富氧燃烧碳捕集一体化集成系统及方法。
背景技术
针对目前提出碳减排的重点政策要求，而火电机组是最重要控制碳排放的对象，利用传统技术已经不能实现碳减排。随着近几年国家电力政策的变化，火电厂主要职能也同时发生转变，由供电主力转变为参与配合电网进行深度调峰。同时国家出台深度调峰电价补贴政策，大大刺激火电厂进行机组深度调峰改造的积极性。当前火电面临产能结构性过剩的风险，新能源面临极大的消纳压力。火电势必为了给新能源发展让路。火电机组面临着深度调峰。对于“三北”地区来说，供暖期的风火矛盾尤为突出，风力资源最好的时期正值冬季供暖期，加之部分省区热电机组占比过高、其他类别调峰电源相对匮乏，不断增长的供热需求和持续增加的清洁能源装机，造成调峰空间非常有限。特别是东北地区，火电绝大部分为热电联产机组，调峰能力仅为10％，影响新能源存量消纳和新能源增量发展，调峰容量的硬缺口造成部分区域新能源限电严重，致使热电机组唯有通过改造实现深度调峰。
目前，参与深度调峰的机组长时间偏离设计值运行，造成机组安全性经济性下降。而目前兼顾火电机组深度调峰及碳减排的技术路线还在探索阶段，未提出一条经济可行的技术路线。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了火电厂空分储能耦合富氧燃烧碳捕集一体化集成系统及方法，该系统及方法能够满足火电厂机组灵活深度调峰的要求，又实现了碳减排且效果佳，且具有安全性、经济性较高的特点。
本发明采用的技术方案如下：
火电厂空分储能耦合富氧燃烧碳捕集一体化集成系统，包括锅炉、透平、发电机、空分装置、氧气储存罐、防爆增压风机、送风机、烟气处理系统和尾气分离回收系统，锅炉连接透平，透平连接发电机；发电机的输出端分为两路，一路能够与电网连接，一路与空分装置连接；空分装置与氧气储存罐以及防爆增压风机连接，空分装置与氧气储存罐的连接管路上以及空分装置与防爆增压风机连接的管路上分别设有第一防爆调节阀和第二防爆调节阀，氧气储存罐的出口与防爆增压风机连接且连接管路上设有第三防爆调节阀；送风机锅炉的氧气入口连接，防爆增压风机的出口与送风机出口连通；烟气处理系统与锅炉的烟气出口连接，尾气分离回收系统与烟气处理系统出口连接，尾气分离回收系统还与发电机连接。
优选的，发电机输出端能够与电网连接的一路线路上设有第一逆变器和第一电源开关。
优选的，发电机与空分装置连接的线路上设有第二逆变器和第二电源开关。
优选的，氧气储存罐的出口还设有与氧气用户连接的管路，该管路上设有第四防爆调节阀。
优选的，空分装置还连接有氮气储存罐，空分装置与氮气储存罐连接的管路上设有第五防爆调节阀。
优选的，氮气储存罐的出口设有与氮气用户连接的管路，该管路上设有第六防爆调节阀。
优选的，烟气处理系统包括冷凝器、除尘装置和一体化污染物脱除装置，冷凝器入口与锅炉的烟气出口连接，除尘装置入口与冷凝器气体出口连接，除尘装置气体出口与一体化污染物脱除装置气体入口连接。
优选的，空分装置包括空气压缩机、换热器、膨胀机和第一低温蒸馏塔，空气压缩机域换热器连接，换热器与膨胀机连接，膨胀机和第一低温蒸馏塔连接，空气压缩机还与发电机连接，第一低温蒸馏塔的氮气出口与氮气储存罐连接。
优选的，尾气分离回收系统包括CO2压缩机和第二低温蒸馏塔，第二低温蒸馏塔的入口与一体化污染物脱除装置气体出口连接，第二低温蒸馏塔具有氮气出口和CO2出口，第二低温蒸馏塔的氮气出口与氮气储存罐连接第二低温蒸馏塔的CO2出口与CO2压缩机入口连接，CO2压缩机还分别与发电机和膨胀机连接。
本发明还提供了火电厂空分储能耦合富氧燃烧碳捕集一体化方法，该方法通过本发明如上所述的火电厂空分储能耦合富氧燃烧碳捕集一体化集成系统实施，包括如下过程：
将发电机的输出端与电网连接；
当火电机组需要深度调峰时，使空分装置工作，打开第一防爆调节阀及第二防爆调节阀，空分装置得到的氧气一部分储存在氧气储存罐中，另一部分送入到防爆增压风机入口；通过防爆增压风机对氧气增压后在送风机出口混合，一起送入到锅炉进行富养燃烧；
当火电机组发电供电需求增加时，空分装置停止工作，关闭第一防爆调节阀及第二防爆调节阀，打开第三防爆调节阀，氧气储存罐中的氧气送入防爆增压风机入口；通过防爆增压风机对氧气增压后在送风机出口混合，一起送入到锅炉进行富养燃烧；
锅炉工作过程中，锅炉的尾气经烟气处理系统净化除杂后得到纯净的CO2与氮气的混合气体，纯净的CO2与氮气的混合气体经尾气分离回收系统进行分离、回收。
优选的，本发明火电厂空分储能耦合富氧燃烧碳捕集一体化方法还包括将氧气储存罐中储存的多余的氧气供给氧气客户的过程；
还包括空分装置分离出氮气，将分离出的氮气供氮气用户使用的过程。
优选的，当火电机组需要深度调峰时，空气压缩机将空气进行压缩后并利用换热器进行换热，使得压缩空气温度达到膨胀机的工作温度，膨胀机将压缩空气送入第一低温蒸馏塔，第一低温蒸馏塔从空气中分离出氧气和氮气，氮气进入氮气储存罐；膨胀机驱动CO2压缩机进行工作；第二低温蒸馏塔将分离出的氮气送入氮气储存罐，将分离出的CO2送入CO2压缩机进行压缩、回收；
当火电机组发电供电需求增加时，膨胀机停止驱动CO2压缩机进行工作，发电机驱动CO2压缩机进行工作；第二低温蒸馏塔将分离出的氮气送入氮气储存罐，将分离出的CO2送入CO2压缩机进行压缩、回收。
本发明具有如下有益效果：
本发明火电厂空分储能耦合富氧燃烧碳捕集一体化集成系统通过设置空分装置，当机组需要进行深度调峰时，将部分发电量通过空分装置消纳，利用空分装置能够对空气进行分离，得到产生实用价值高的氧气，通过设置氧气储存罐能够将得到的一部分氧气储存起来，通过设置防爆增压风机和送风机，能够将空分装置分离得到的一部分样气送入锅炉进行富氧燃烧，提高锅炉效率，减少污染物排放，减少碳排放，整体经济效益较。当机组需要发电量时，可控制空分装置停止工作，此时可将氧气储罐中储存的氧气通过防爆增压风机和送风机送入锅炉进行富氧燃烧，提高锅炉效率，减少污染物排放，减少碳排放，整体经济效益较。综上，本发明的火电厂空分储能耦合富氧燃烧碳捕集一体化集成系统无论是在深度调峰还是需要发电量时，锅炉均能够进行富氧燃烧，提高了燃料的利用率和锅炉的效率。此外，通过烟气处理系统和尾气分离回收系统能够净化锅炉烟气以及对锅炉烟气中的氮气和CO2进行回收，使得燃烧产生的CO2得以捕集封存，减少碳排放，同时将燃烧时由空气中带入的氮气一并进行回收、可以用作他用，提高了能源的利用率和减少资源的浪费。综上所述，本发明火电厂空分储能耦合富氧燃烧碳捕集一体化集成系统能提高锅炉效率，减少污染物排放，减少碳排放，且具有系统简单、能量利用效率高、深度调峰潜力大、碳减排及捕集效果好的特点，同时安全性及经济性较高。
本发明火电厂空分储能耦合富氧燃烧碳捕集一体化方法能够使得锅炉在火电机组需要深度调峰时以及火电机组发电供电需求增加时均能够进行富氧燃烧，因此提高了锅炉效率，减少污染物排放，同时对烟气中的CO2进行回收，减少了碳排放，同时将燃烧时由空气中带入的氮气一并进行回收、可以用作他用，提高能源的利用率，整体经济效益较好。
附图说明
图1为本发明火电厂空分储能耦合富氧燃烧碳捕集一体化集成系统的结构示意图。
图2为本发明空分装置的结构示意图。
其中，1为锅炉、2为透平、3为发电机、4为第一逆变器、5为第一电源开关、6为电网、7为第二逆变器、8为第二电源开关、9为空分装置、10为氮气储存罐、11为氧气储存罐、12为防爆增压风机、13为送风机、14为冷凝器、15为除尘装置、16为一体化污染物脱除装置、17为CO2压缩机、18为第五防爆调节阀、19为第六防爆调节阀、20为第一防爆调节阀、21为第四防爆调节阀、22为第三防爆调节阀、23为第二防爆调节阀、24为空气低压压缩机、25为低温换热器、26为空气高压压缩机、27为高温换热器、28为膨胀机、29为第一低温蒸馏塔、30为第二低温蒸馏塔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来对本发明做进一步的说明。
参照图1，本发明火电厂空分储能耦合富氧燃烧碳捕集一体化集成系统，包括锅炉1、透平2、发电机3、空分装置9、氧气储存罐11、防爆增压风机12、送风机13、烟气处理系统和尾气分离回收系统，锅炉1连接透平2，透平2连接发电机3；发电机3的输出端分为两路，一路能够与电网6连接，一路与空分装置9连接；空分装置9与氧气储存罐11以及防爆增压风机12连接，空分装置9与氧气储存罐11的连接管路上以及空分装置9与防爆增压风机12连接的管路上分别设有第一防爆调节阀20和第二防爆调节阀23，氧气储存罐11的出口与防爆增压风机12连接且连接管路上设有第三防爆调节阀22；送风机13锅炉1的氧气入口连接，防爆增压风机12的出口与送风机13出口连通；烟气处理系统与锅炉1的烟气出口连接，尾气分离回收系统与烟气处理系统出口连接，尾气分离回收系统还与发电机3连接。
作为本发明优选的实施方案，发电机3输出端能够与电网6连接的一路线路上设有第一逆变器4和第一电源开关5，通过第一电源开关5能够控制发电机3与电网6之间的通/断路。
作为本发明优选的实施方案，发电机3与空分装置9连接的线路上设有第二逆变器7和第二电源开关8，通过第二逆变器7和第二电源开关8能够实现发电机3对空分装置9的供电，使得空分装置9工作，不用对空分装置9额外提供电源，通过第二电源开关8能够控制发电机3与空分装置9之间的通/断路，在需要空分装置9工作时让其工作，不需要工作时停止工作。
作为本发明优选的实施方案，氧气储存罐11的出口还设有与氧气用户连接的管路，该管路上设有第四防爆调节阀21，通过该管路和第四防爆调节阀21能够将氧气储存罐11中储存的多余的氧气进行合理利用，节约成本并能创造一定的经济效益。
作为本发明优选的实施方案，空分装置9还连接有氮气储存罐10，空分装置9与氮气储存罐10连接的管路上设有第五防爆调节阀18，利用氮气储存罐10还能够将空分装置9分离出的氮气进行储存，然后进行利用或出售，也能够节约成本并能创造一些经济效益。
作为本发明优选的实施方案，氮气储存罐10的出口设有与氮气用户连接的管路，该管路上设有第六防爆调节阀19，因此能够将氮气储存罐10中的氮气直接提供给氮气用户，创造一定的经济效益。
作为本发明优选的实施方案，烟气处理系统包括冷凝器14、除尘装置15和一体化污染物脱除装置16，冷凝器14入口与锅炉1的烟气出口连接，除尘装置15入口与冷凝器14气体出口连接，除尘装置15气体出口与一体化污染物脱除装置16气体入口连接；通过冷凝器14能够将锅炉烟气中的水气分离并对烟气进行降温，通过除尘装置15能够将降温后的烟气中颗粒物进行去除，一体化污染物脱除装置能够将除尘后的烟气中水分、灰尘及污染物脱除，得到纯净的CO2，尾气分离回收系统能够将分离处理得到的纯净CO2进行回收，用作他用，实现了CO2的减排，同时回收的纯净CO2还能够进一步产生一定的经济效益，变害为宝。
作为本发明优选的实施方案，空分装置9包括空气压缩机、换热器、膨胀机28和第一低温蒸馏塔29，空气压缩机域换热器连接，换热器与膨胀机28连接，膨胀机28和第一低温蒸馏塔29连接，空气压缩机还与发电机3连接，第一低温蒸馏塔29的氮气出口与氮气储存罐10连接。
作为本发明优选的实施方案，所述空分装置9中可设置多级空气压缩机和换热器，以两级空气压缩机和换热器为例进行说明，两级空气压缩机和换热器中，包括空气低压压缩24、低温换热器25、空气高压压缩26和高温换热器27，空气低压压缩24、低温换热器25、空气高压压缩26和高温换热器27依次连接，高温换热器27与膨胀机28连接，低温蒸馏塔29上设置气体出口，空气低压压缩24和空气高压压缩26均与发电机3连接。通过设置低温换热器25和温换热器27既能够实现对压缩空气的降温，使得压缩空气的温度满足膨胀机的工作要求，同时还能够通过低温换热器25和温换热器27中的冷媒将压缩空气中的热能进行回收利用，实现节能减排、以及能源的有效利用。
作为本发明优选的实施方案，尾气分离回收系统包括CO2压缩机17和第二低温蒸馏塔30，第二低温蒸馏塔30的入口与一体化污染物脱除装置16气体出口连接，第二低温蒸馏塔30具有氮气出口和CO2出口，第二低温蒸馏塔30的氮气出口与氮气储存罐10连接第二低温蒸馏塔30的CO2出口与CO2压缩机17入口连接，CO2压缩机17还分别与发电机3和膨胀机28连接。
本发明还提供了火电厂空分储能耦合富氧燃烧碳捕集一体化方法，该方法通过本发明如上所述的火电厂空分储能耦合富氧燃烧碳捕集一体化集成系统实施，包括如下过程：
将发电机3的输出端与电网连接；
当火电机组需要深度调峰时，使空分装置9工作，打开第一防爆调节阀20及第二防爆调节阀23，空分装置9得到的氧气一部分储存在氧气储存罐11中，另一部分送入到防爆增压风机12入口；通过防爆增压风机12对氧气增压后在送风机13出口混合，一起送入到锅炉1进行富养燃烧；
当火电机组发电供电需求增加时，空分装置9停止工作，关闭第一防爆调节阀20及第二防爆调节阀23，打开第三防爆调节阀22，氧气储存罐11中的氧气送入防爆增压风机12入口；通过防爆增压风机12对氧气增压后在送风机13出口混合，一起送入到锅炉1进行富养燃烧；
锅炉1工作过程中，锅炉1的尾气经烟气处理系统净化除杂后得到纯净的CO2与氮气的混合气体，纯净的CO2与氮气的混合气体经尾气分离回收系统进行分离、回收。
作为本发明优选的实施方案，当本发明中采用上述的空分装置9和尾气分离回收系统时，即空分装置9包括空气压缩机、换热器、膨胀机28和第一低温蒸馏塔29，空气压缩机域换热器连接，换热器与膨胀机28连接，膨胀机28和第一低温蒸馏塔29连接，第一低温蒸馏塔29的氮气出口与氮气储存罐10连接；尾气分离回收系统包括CO2压缩机17和第二低温蒸馏塔30，第二低温蒸馏塔30的入口与一体化污染物脱除装置16气体出口连接，第二低温蒸馏塔30具有氮气出口和CO2出口，第二低温蒸馏塔30的氮气出口与氮气储存罐10连接第二低温蒸馏塔30的CO2出口与CO2压缩机17入口连接，CO2压缩机17还分别与发电机3和膨胀机28连接；
当火电机组需要深度调峰时，空气压缩机将空气进行压缩后并利用换热器进行换热，使得压缩空气温度达到膨胀机28的工作温度，膨胀机28将压缩空气送入第一低温蒸馏塔29，第一低温蒸馏塔29从空气中分离出氧气和氮气，氮气进入氮气储存罐10；膨胀机28驱动CO2压缩机17进行工作；第二低温蒸馏塔30将分离出的氮气送入氮气储存罐10，将分离出的CO2送入CO2压缩机17进行压缩、回收。在该实施方案中，膨胀机可利用压缩空气中的热量进行对外做功驱动CO2压缩机17进行工作，这样能够将空分过程中多余的能量进行充分利用，能够进一步的节能降耗。
当火电机组发电供电需求增加时，膨胀机28停止驱动CO2压缩机17进行工作，发电机3驱动CO2压缩机17进行工作；第二低温蒸馏塔30将分离出的氮气送入氮气储存罐10，将分离出的CO2送入CO2压缩机17进行压缩、回收。
在上述实施方案中，通过设置第二低温蒸馏塔30能够将处理后的纯净的尾气中的CO2和氮气进行分离，得到的CO2可经CO2压缩机17压缩后补集利用，得到的氮气可被氮气储存罐10储存利用，因此本发明还能够将尾气中较高纯度的CO2和氮气进行补集和资源化利用，进一步减少了资源的浪费。
实施例
本实施例的火电厂空分储能耦合富氧燃烧碳捕集一体化集成系统，包括锅炉1、透平2、发电机3、第一逆变器4、第一电源开关5、第二逆变器7、第二电源开关8、空分装置9、氮气储存罐10、氧气储存罐11、防爆增压风机12、送风机13、冷凝器14、除尘装置15、一体化污染物脱除装置16、CO2压缩机17、第二低温蒸馏塔30以及多个防爆调节阀；锅炉1连接透平2，透平2连接发电机3。发电机3分两路，一路余电网6连接，发电机3与电网6之间的连接线路上设置了第一逆变器4和第一电源开关5；发电机3的另一路连接空分装置9，发电机3与空分装置9之间连接的线路上设置第二逆变器7和第二电源开关8。锅炉1的烟气出口沿烟气流程方向依次布置冷凝气14、冷凝器14、除尘装置15、一体化污染物脱除装置16、第二低温蒸馏塔30和CO2压缩机17，第二低温蒸馏塔30的氮气出口与氮气储存罐10连接第二低温蒸馏塔30的CO2出口与CO2压缩机17入口连接。空分装置9的出口分三路，一路依次连接第五防爆调节阀18、氮气储存罐10、第六防爆调节阀19到用户；其次一路依次连接第一防爆调节阀20、氧气储存罐11、第四防爆调节阀21到用户；最后一路连接第二防爆调节阀23，接入到防爆增压风机12。氧气储存罐11分两路，一路直接连接防爆调节阀21到用户，另一路连接防爆调节阀22到增压风机入口。送风机13与防爆增压风机12连接锅炉1，为锅炉燃烧供应氧化剂。本实施例中，空分装置9采用上述两级空气压缩机和换热器的结构形式。
本实施例火电厂空分储能耦合富氧燃烧碳捕集一体化集成系统的工作方法，包括以下过程：
当火电机组需要深度调峰时，闭合第二电源开关8，使空分装置9通电工作，打开第五防爆调节阀18，将氮气储存在氮气储存罐10，若用户时时需要氮气就打开第六防爆调节阀19，供用户使用。打开第一防爆调节阀20及第二防爆调节阀23，一部分将氧气储存在氧气储存罐11，另一部分直接送入到防爆增压风机12入口。通过防爆增压风机12增压后在送风机13出口混合，一起送入到锅炉1进行富养燃烧。若用户时时需要氧气时，打开第四防爆调节阀21，供用户使用，多余的氧气储存在氧气储存罐11。在空分装置9运行时，空气低压压缩机24将常温常压的空气压缩到2-2.5Mpa，空气低压压缩机24出口的压缩空气温度为510-560℃，空气低压压缩机24输出的压缩空气经过低温换热器25进行换热，温度控制到200-250℃；低温换热器25输出的压缩空气然后再进入空气高压压缩机26，空气高压压缩机26将空气压缩到4-4.5Mpa，空气高压压缩机26出口的压缩空气温度为670-720℃，空气高压压缩机26输出的压缩空气进入高温换热器换热27进行换热，将高温换热器换热27输出的压缩空气温度控制在350-400℃、并送入到膨胀机28中，做功产生电能或者机械能；做功后膨胀机出口排气压力0.1-0.2Mpa，温度为50-100℃，膨胀机28将压缩空气送入到第一低温蒸馏塔29内分离氧气与氮气，氮气进入氮气储存罐10，第二低温蒸馏塔30将分离出的氮气送入氮气储存罐10，将分离出的CO2送入CO2压缩机17进行压缩、回收。
当火电机组发电供电需求增加时，则断开第二电源开关8，此时空气低压压缩机24、空气高压压缩机26和膨胀机28不再工作，锅炉1单独运行进行发电，同时CO2压缩机17的动力来源切换至发电机3供电。关闭第五防爆调节阀18、第一防爆调节阀20和第二防爆调节阀23，打开第六防爆调节阀19和第三防爆调节阀22，利用储存在氮气储存罐10的氮气供用户使用。利用储存在氧气储存罐11的氧气通过防爆增压风机12，与空气混合送入到炉1内进行富养燃烧。此时锅炉仍能保证处于富氧燃烧阶段，提高了锅炉效率，降低了污染物排放，减少了碳排放。
本发明不论火电机组发电需求量大还是需要深度调峰时，锅炉燃烧系统始终处于富氧燃烧阶段，燃烧产物含有80％以上CO2，烟气通过冷凝器14将烟气中的水全部冷凝，再经过除尘装置15、一体化污染物脱除装置16将烟气中污染物NOx、SO2脱除，得到纯净的CO2与氮气的混合气体，纯净的CO2与氮气的混合气体经第二低温蒸馏塔30进行分离和分别回收，其中通过CO2压缩机17得以捕集封存，减少碳排放，氮气被送入氮气储存罐10进行资源化利用。
综上可以看出，本发明火电厂空分储能耦合富氧燃烧碳捕集一体化集成系统结构简单，即解决了深度调峰，又实现了碳减排且效果佳，整体经济效益较好。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：用于回转式空气预热器的换热板及空气预热器