本發(fā)明涉及先進(jìn)高效火力發(fā)電領(lǐng)域，具體為一種基于超臨界二氧化碳的煤基燃料化學(xué)鏈燃燒發(fā)電系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

在我國，燃煤火力發(fā)電是二氧化碳的最大排放源之一，研究開發(fā)新型煤基燃料發(fā)電技術(shù)對我國煤炭資源的清潔高效利用以及減少二氧化碳排放具有重要意義。目前的燃煤二氧化碳回收方法包括燃燒前捕集、燃燒中捕集和燃燒后捕集等，盡管能夠?qū)崿F(xiàn)燃煤二氧化碳的回收，但是獲取高濃度的二氧化碳會顯著降低發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率?；瘜W(xué)鏈燃燒技術(shù)，實現(xiàn)了燃料和空氣的非混合燃燒，以氧載體代替空氣，在燃料反應(yīng)器中，燃料與氧載體反應(yīng)，完成燃料的氧化，被還原的氧載體返回到空氣反應(yīng)器，與空氣進(jìn)行氧化反應(yīng)，實現(xiàn)氧載體的再生。化學(xué)鏈燃燒技術(shù)避免了燃料與空氣的直接接觸，可以顯著減少傳統(tǒng)燃煤方式下氮氧化物的生成，降低了氮氧化物的處理成本，在燃料反應(yīng)器中燃料完全氧化后，產(chǎn)物主要是二氧化碳和水蒸氣，只需要簡單的冷凝處理就可以得到高純度的二氧化碳，便于后續(xù)的捕集和封存。化學(xué)鏈燃燒與傳統(tǒng)的燃煤方式相比，既可以減少氮氧化物的排放，降低氮氧化物的處理成本，又可以得到高純度的二氧化碳，降低二氧化碳捕集的成本。

此外，超臨界二氧化碳具有能量密度大、傳熱效率高等特點，是環(huán)保、清潔的天然工質(zhì)流體。以超臨界二氧化碳為工質(zhì)的發(fā)電技術(shù)也是目前國際上新型、高效的發(fā)電技術(shù)之一。

因此，如果能夠開發(fā)出一種新的發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以將化學(xué)鏈燃燒技術(shù)和超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電技術(shù)進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合，則必然會對我國的傳統(tǒng)燃煤發(fā)電帶來巨大變化。但是，目前已公開的報道中關(guān)于煤基燃料超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電的都是以傳統(tǒng)空氣助燃、非接觸式間接換熱為主，如中國專利CN 104727868A和CN 105526576A等，還未曾有將化學(xué)鏈燃燒和超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電相結(jié)合的報道。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種基于超臨界二氧化碳的煤基燃料化學(xué)鏈燃燒發(fā)電系統(tǒng)及方法，不僅發(fā)電效率高，氮氧化物排放低，二氧化碳易于捕集，而且能夠?qū)⒒瘜W(xué)鏈燃燒技術(shù)和超臨界二氧化碳循化發(fā)電進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

一種基于超臨界二氧化碳的煤基燃料化學(xué)鏈燃燒發(fā)電系統(tǒng)，包括化學(xué)鏈燃燒系統(tǒng)和超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)；

所述的化學(xué)鏈燃燒系統(tǒng)包括空氣反應(yīng)器和燃燒反應(yīng)器；空氣反應(yīng)器的輸入端通入空氣，固體出口輸出氧載體連接燃燒反應(yīng)器的輸入端，氣體出口輸出高溫貧氧空氣依次連接高溫?fù)Q熱器的高溫介質(zhì)管路和凈化放空裝置；燃燒反應(yīng)器的輸入端還加入煤基燃料，氣體出口輸出高溫二氧化碳和水蒸氣經(jīng)低溫?fù)Q熱器的高溫介質(zhì)管路連接二氧化碳捕集裝置，一個固體出口排出灰渣，另一個固體出口輸出還原態(tài)氧載體連接空氣反應(yīng)器輸入端；

所述的超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)包括二氧化碳透平和分別連接在其驅(qū)動端的二氧化碳壓縮機(jī)和發(fā)電機(jī)；二氧化碳壓縮機(jī)的輸出端依次經(jīng)低溫?fù)Q熱器的低溫介質(zhì)管路和高溫?fù)Q熱器的低溫介質(zhì)管路連接到二氧化碳透平的輸入端；二氧化碳透平的輸出端連接二氧化碳壓縮機(jī)的輸入端；

經(jīng)二氧化碳捕集裝置捕集的部分二氧化碳經(jīng)二氧化碳加壓裝置通入二氧化碳壓縮機(jī)的輸入端。

優(yōu)選的，二氧化碳壓縮機(jī)的輸出端設(shè)置有預(yù)熱器；預(yù)熱器的高溫管路連接在高溫?fù)Q熱器的高溫介質(zhì)輸出端和凈化放空裝置之間，預(yù)熱器的低溫管路連接二氧化碳壓縮機(jī)的輸出端。

優(yōu)選的，二氧化碳壓縮機(jī)的輸出端設(shè)置有回?zé)崞?；回?zé)崞鞯母邷毓苈愤B接二氧化碳透平的輸出端，回?zé)崞鞯牡蜏毓苈愤B接二氧化碳壓縮機(jī)的輸出端。

優(yōu)選的，二氧化碳加壓裝置的輸出端和二氧化碳透平的輸出端并管后經(jīng)冷卻器的高溫介質(zhì)管路連接二氧化碳壓縮機(jī)的輸入端。

優(yōu)選的，燃燒反應(yīng)器的氣體輸出端輸出高溫二氧化碳和水蒸氣經(jīng)低溫?fù)Q熱器的高溫介質(zhì)管路后分為兩路，一路連接二氧化碳捕集裝置，另一路部分低溫二氧化碳和水蒸氣連接到燃燒反應(yīng)器的輸入端。

優(yōu)選的，二氧化碳捕集裝置捕集的另一部分二氧化碳輸出進(jìn)行二氧化碳封存或他用系統(tǒng)。

一種基于超臨界二氧化碳的煤基燃料化學(xué)鏈燃燒發(fā)電方法，根據(jù)本繁忙所述的發(fā)電系統(tǒng)，其包括如下步驟：

步驟1，在燃料反應(yīng)器中加入煤基燃料，在氧載體和二氧化碳和水蒸氣的作用下，發(fā)生氧化還原反應(yīng)，氧載體經(jīng)過反應(yīng)成為還原態(tài)氧載體，煤基燃料反應(yīng)后成為灰渣，同時生成高溫二氧化碳和水蒸氣；

步驟2，在空氣反應(yīng)器中，空氣與還原態(tài)氧載體反應(yīng)，還原態(tài)氧載體被空氣中的氧氣氧化成為氧載體，放出大量的熱，生成高溫貧氧空氣；

步驟3，高溫貧氧空氣經(jīng)過高溫?fù)Q熱器，將熱量傳遞給超臨界二氧化碳；

步驟4，高溫的貧氧空氣經(jīng)過高溫?fù)Q熱器后溫度降低，經(jīng)凈化放空裝置排出；

步驟5，燃料反應(yīng)器生成的高溫二氧化碳和水蒸氣，經(jīng)過低溫?fù)Q熱器，將熱量傳遞給超臨界二氧化碳；

步驟6，燃料反應(yīng)器生成的高溫二氧化碳和水蒸氣，依次經(jīng)過低溫?fù)Q熱器和二氧化碳捕集裝置后分為兩部分，一部分經(jīng)過加壓裝置進(jìn)入超臨界二氧化碳循環(huán)系統(tǒng)，另一部分進(jìn)行二氧化碳封存或他用系統(tǒng)；

步驟7，由二氧化碳壓縮機(jī)17排出的超臨界二氧化碳經(jīng)過低溫?fù)Q熱器和高溫?fù)Q熱器吸收熱量后，成為高溫高壓的超臨界二氧化碳，進(jìn)入二氧化碳透平，推動二氧化碳透平做功，帶動壓縮機(jī)壓縮混合超臨界二氧化碳，帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電；

步驟8，在二氧化碳透平中做功之后的乏氣超臨界二氧化碳經(jīng)二氧化碳透平的出口與來自二氧化加壓裝置的新鮮二氧化碳混合后，進(jìn)入壓縮機(jī)壓縮；

步驟9，混合超臨界二氧化碳經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮后，超臨界二氧化碳依次進(jìn)入低溫?fù)Q熱器和高溫?fù)Q熱器吸收熱量，再進(jìn)入二氧化碳透平，完成循環(huán)過程。

優(yōu)選的，還包括，

高溫的貧氧空氣依次經(jīng)過高溫?fù)Q熱器和預(yù)熱器降低溫度，經(jīng)凈化放空裝置排出的步驟；

二氧化碳透平做功之后輸出乏氣超臨界二氧化碳經(jīng)二氧化碳透平，通過回?zé)崞髋c來自二氧化加壓裝置的新鮮二氧化碳混合進(jìn)入冷卻器的步驟；

由二氧化碳壓縮機(jī)排出的超臨界二氧化碳依次經(jīng)過預(yù)熱器、回?zé)崞鳌⒌蜏負(fù)Q熱器和高溫?fù)Q熱器吸收熱量成為高溫高壓的超臨界二氧化碳的步驟；

混合超臨界二氧化碳在冷卻器中冷卻后，進(jìn)入壓縮機(jī)壓縮的步驟。

優(yōu)選的，在二氧化碳捕集裝置中，還包括對二氧化碳和水蒸氣的混合氣體進(jìn)行冷凝和分離的步驟。

優(yōu)選的，步驟1中，所述的二氧化碳和水蒸氣包括經(jīng)過低溫?fù)Q熱器后，返回燃料反應(yīng)器參與氧化還原反應(yīng)的部分低溫二氧化碳和水蒸氣。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：

本發(fā)明將化學(xué)鏈燃燒技術(shù)與超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電相結(jié)合，在實現(xiàn)利用超臨界二氧化碳發(fā)電的同時，對二氧化碳進(jìn)行捕集回收，部分捕集的二氧化碳加壓后還可以補(bǔ)充入超臨界二氧化碳循環(huán)系統(tǒng)，彌補(bǔ)循環(huán)系統(tǒng)中的部分泄漏量。

進(jìn)一步的，化學(xué)鏈燃燒的空氣反應(yīng)器中生成高溫?zé)煔鈳缀醪缓趸?，與傳統(tǒng)燃煤發(fā)電相比，降低了治理氮氧化物的成本，減少了氮氧化物的排放。

進(jìn)一步的，化學(xué)鏈燃燒的燃料反應(yīng)器中排放出二氧化碳和水蒸氣，二氧化碳的比例高達(dá)70％，經(jīng)過簡單冷卻后，二氧化碳比例會更高，大大降低二氧化碳捕集和封存的成本，有助于降低二氧化碳排放。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實例中所述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1為空氣、2為空氣反應(yīng)器、3為高溫貧氧空氣、4為氧載體、5為煤基燃料、6為燃料反應(yīng)器、7為還原態(tài)氧載體、8為灰渣、9為高溫二氧化碳和水蒸氣、10為低溫?fù)Q熱器、11為部分低溫二氧化碳和水蒸氣、12為二氧化碳捕集裝置、13為二氧化碳封存或他用系統(tǒng)、14為高溫?fù)Q熱器、15為預(yù)熱器、16為凈化放空裝置、17為二氧化碳壓縮機(jī)、18為二氧化碳透平、19為發(fā)電機(jī)、20為回?zé)崞鳌?1為冷卻器、22為二氧化碳加壓裝置。

具體實施方式

下面結(jié)合具體的實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，所述是對本發(fā)明的解釋而不是限定。

參考圖1，本發(fā)明所述的一種基于超臨界二氧化碳的煤基燃料化學(xué)鏈燃燒發(fā)電系統(tǒng)，包括依次相連的空氣反應(yīng)器2、燃料反應(yīng)器6和二氧化碳捕集裝置12，設(shè)置在燃料反應(yīng)器6和二氧化碳捕集裝置12連接管路上的低溫?fù)Q熱器10，依次連接在低溫?fù)Q熱器10低溫介質(zhì)輸出端的高溫?fù)Q熱器14的低溫介質(zhì)管路、二氧化碳透平18、回?zé)崞?0高溫介質(zhì)管路、冷卻器21高溫介質(zhì)管路、二氧化碳壓縮機(jī)17、預(yù)熱器15低溫介質(zhì)管路、回?zé)崞?0低溫介質(zhì)管路和低溫?fù)Q熱器10低溫介質(zhì)輸入端，二氧化碳壓縮機(jī)17和發(fā)電機(jī)19連接在二氧化碳透平18的輸出端，二氧化碳捕集裝置12的一個輸出端經(jīng)二氧化碳加壓裝置22與冷卻器21高溫介質(zhì)管路輸入端連接。

其中，空氣反應(yīng)器2的廢氣出口與高溫?fù)Q熱器14相連，高溫?fù)Q熱器14出口與預(yù)熱器15連接，之后與凈化放空裝置16連接，空氣反應(yīng)器2固體出口與燃料反應(yīng)器6相連，燃料反應(yīng)器6的氣體出口與低溫?fù)Q熱器10相連，低溫?fù)Q熱器10出口與二氧化碳捕集裝置12入口連接，燃料反應(yīng)器6一個固體出口與空氣反應(yīng)器2相連，另一個固體出口將灰渣8外排。二氧化碳捕集裝置12出口一部分與加壓裝置22進(jìn)口連接，另一部分與二氧化碳封存或他用系統(tǒng)13相連，加壓裝置22出口與超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)中的冷卻器21進(jìn)口連接。冷卻器21的出口與二氧化碳壓縮機(jī)17的進(jìn)口相連接，二氧化碳壓縮機(jī)17的出口與預(yù)熱器15進(jìn)口連接，預(yù)熱器15出口與回?zé)崞?0進(jìn)口連接，回?zé)崞?0出口與低溫?fù)Q熱器10進(jìn)口連接，低溫?fù)Q熱器10的出口與高溫?fù)Q熱器14的進(jìn)口相連接，高溫?fù)Q熱器14的出口與二氧化碳透平18的進(jìn)口相連接，二氧化碳透平18的出口與回?zé)崞?0高溫介質(zhì)管路連接，回?zé)崞?0高溫介質(zhì)管路出口與二氧化碳加壓裝置22出口合并后，與冷卻器21的進(jìn)口相連接。冷卻器21的冷卻工質(zhì)采用水或空氣。

本發(fā)明所述的方法中，空氣1進(jìn)入空氣反應(yīng)器2，與還原態(tài)氧載體7發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生高溫貧氧空氣3和氧載體4，氧載體4和煤基燃料5進(jìn)入燃料反應(yīng)器，發(fā)生還原反應(yīng)，生成還原態(tài)氧載體7、灰渣8和高溫二氧化碳和水蒸氣9，還原態(tài)氧載體7再次進(jìn)入空氣反應(yīng)器2，高溫二氧化碳和水蒸氣9經(jīng)過低溫?fù)Q熱器10，加熱超臨界二氧化碳，之后部分低溫二氧化碳和水蒸氣11返回燃料反應(yīng)器6，參與反應(yīng)，其余的二氧化碳和水蒸氣經(jīng)過二氧化碳捕集裝置12，被捕集的二氧化碳一部分經(jīng)過二氧化碳加壓裝置22后，補(bǔ)充到二氧化碳循環(huán)系統(tǒng)，彌補(bǔ)二氧化碳循環(huán)系統(tǒng)的泄露損失，另一部分二氧化碳封存或他用13，補(bǔ)充的新鮮二氧化碳與經(jīng)過回?zé)崞?0之后的乏氣超臨界二氧化碳混合后進(jìn)入冷卻器21，混合超臨界二氧化碳經(jīng)過冷卻后進(jìn)入二氧化碳壓縮機(jī)17，經(jīng)過壓縮后，超臨界二氧化碳依次進(jìn)入預(yù)熱器15，回?zé)崞?0，低溫?fù)Q熱器10和高溫?fù)Q熱器14，吸收熱量，成為高溫高壓的超臨界二氧化碳，之后進(jìn)入二氧化碳透平18做功，二氧化碳透平18帶動二氧化碳壓縮機(jī)17壓縮二氧化碳，帶動發(fā)電機(jī)19發(fā)電，做功之后的乏氣超臨界二氧化碳經(jīng)過回?zé)崞?0將熱量傳遞給經(jīng)預(yù)熱器15預(yù)熱過的超臨界二氧化碳，之后與來自二氧化碳壓縮裝置22的新鮮二氧化碳混合，進(jìn)入冷卻器21冷卻后進(jìn)入二氧化碳壓縮機(jī)17，開始另一個加壓、加熱和做功過程。

其中，燃料反應(yīng)器6生成的氣相產(chǎn)物包括質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為85％的二氧化碳、質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為15％水蒸氣以及少量的雜質(zhì)，所述的雜質(zhì)包括一氧化碳和氫氣等。

具體的包括如下步驟。

步驟1，在燃料反應(yīng)器6中加入煤基燃料5，在氧載體4和部分低溫二氧化碳和水蒸氣11的作用下，發(fā)生氧化還原反應(yīng)，氧載體4經(jīng)過反應(yīng)成為還原態(tài)氧載體7，煤基燃料5反應(yīng)后成為灰渣8，同時生成二氧化碳和水蒸氣9；

步驟2，在空氣反應(yīng)器2中，空氣1與還原態(tài)氧載體7反應(yīng)，還原態(tài)氧載體7被空氣7中的氧氣氧化成為氧載體4，放出大量的熱，生成高溫貧氧空氣3；

步驟3，高溫貧氧空氣3經(jīng)過高溫?fù)Q熱器14，將熱量傳遞給超臨界二氧化碳，進(jìn)行第四次加熱；

步驟4，高溫的貧氧空氣3經(jīng)過高溫?fù)Q熱器14后溫度降低，經(jīng)過預(yù)熱器15，將熱量傳遞給超臨界二氧化碳，進(jìn)行第一次加熱，之后貧氧空氣經(jīng)凈化放空裝置16排出；

步驟5，燃料反應(yīng)器6生成的高溫二氧化碳和水蒸氣9，經(jīng)過低溫?fù)Q熱器10，將熱量傳遞給超臨界二氧化碳，進(jìn)行第三次加熱；

步驟6，燃料反應(yīng)器6生成的高溫二氧化碳和水蒸氣9，經(jīng)過低溫?fù)Q熱器10后，部分低溫二氧化碳和水蒸氣11返回燃料反應(yīng)器6參與氧化還原反應(yīng)，剩余的低溫二氧化碳和水蒸氣經(jīng)過二氧化碳捕集裝置12后，一部分經(jīng)過加壓裝置22進(jìn)入超臨界二氧化碳循環(huán)系統(tǒng)，另一部分進(jìn)入封存或他用系統(tǒng)13；

步驟7，超臨界二氧化碳經(jīng)過預(yù)熱器15、回?zé)崞?0、低溫?fù)Q熱器10和高溫?fù)Q熱器14四次加熱后，成為高溫高壓的超臨界二氧化碳，進(jìn)入二氧化碳透平18，推動二氧化碳透平18做功，在帶動二氧化碳壓縮機(jī)17壓縮混合超臨界二氧化碳的同時，帶動發(fā)電機(jī)19發(fā)電；

步驟8，在二氧化碳透平18中做功之后的乏氣超臨界二氧化碳經(jīng)二氧化碳透平18的出口，進(jìn)入回?zé)崞?0，將熱量傳遞給超臨界二氧化碳，進(jìn)行第二次加熱；

步驟9，從回?zé)崞?0出來的乏氣超臨界二氧化碳與來自二氧化加壓裝置22的新鮮二氧化碳混合，進(jìn)入冷卻器21中；

步驟10，混合超臨界二氧化碳在冷卻器21中冷卻后，進(jìn)入壓縮機(jī)17壓縮；

步驟11，混合超臨界二氧化碳經(jīng)過壓縮機(jī)17壓縮后得到超臨界二氧化碳，依次進(jìn)入預(yù)熱器15、回?zé)崞?0、低溫?fù)Q熱器10和高溫?fù)Q熱器14四次加熱后，成為高溫高壓的超臨界二氧化碳，再進(jìn)入二氧化碳透平18，完成循環(huán)過程。

本優(yōu)選實例中，所述的煤基燃料5可以是原煤、焦炭、煤熱解后的半焦、煤熱解氣、煤基合成氣等。

本發(fā)明通過氧載體4的優(yōu)化、空氣反應(yīng)器2和燃料反應(yīng)器6的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使得化學(xué)鏈燃燒系統(tǒng)的效率會不斷提高，相應(yīng)的，超臨界二氧化碳工質(zhì)的參數(shù)也會更高，發(fā)電系統(tǒng)的效率也會不斷提高；從而能夠減少氮氧化物排放，降低氮氧化物處理成本，降低二氧化碳捕集成本。

需要指出的是，上述實施例只為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思和特點，具體的實施方法，如煤基燃料類型，超臨界二氧化碳流經(jīng)各換熱器的順序等等仍可進(jìn)行修改和改進(jìn)，但都不會由此而背離權(quán)利要求書中所規(guī)定的本發(fā)明的范圍和基本精神。