超临界水煤粉直接氧化复合工质循环发电系统及方法

摘要

本发明属于发电系统技术领域，特别涉及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。所述系统包括空气分离装置、空气压缩机、水煤浆储存罐、高压泵、超临界水反应器、固体排渣收集装置、分离器、颗粒物收集装置、高压汽轮机、低压汽轮机、抽气器、凝汽器、凝结水泵、低压加热器、除氧器、给水泵、高压加热器和预热器。本发明充分利用了超临界水的强氧化特性，使燃煤在超临界水中直接发生氧化放热反应，提高了换热效率，整体发电效率可超过50％，且无任何污染物排放，环境效益好，是一种极具发展潜力的新型清洁煤利用发电技术。

说明书

技术领域

本发明属于发电系统技术领域，特别涉及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。

背景技术

近年来，我国经济一直保持着较快的发展势头，与之相适应，电力工业也得到了蓬勃发展。在我国“富煤、贫油、少气”的现有条件下，煤炭仍将长期占据我国能源结构的主体地位。但传统燃煤发电效率低、污染严重，与当前电力行业绿色经济的要求不符，同时现役及新建机组的脱硫、脱硝、除尘设备投资巨大，加装二氧化碳捕捉设备使净发电效率降低5％以上，燃煤发电机组的经济效益降低。

为此，寻求一种低污染、零排放、高效率的先进燃煤发电系统对于能源的高效利用、环境的可持续发展意义重大。燃煤在超临界水中直接氧化放热的超临界发电系统充分利用了超临界水的强氧化特性，使水煤浆在超临界反应器中直接燃烧放热，改变了传统锅炉通过煤粉燃烧加热给水的换热方式，提高了换热效率，同时燃烧后形成的CO₂与超临界水充分混合，作为循环双工质直接推动汽轮机做功，实现了CO₂零排放。

超临界水(SupercriticalWater，SCW)指的是温度和压力均超过其临界点(T_c＝374.15℃，P_c＝22.15MPa)的水。超临界水的密度、黏度、离子积和介电常数明显下降，扩散系数较高，传质性能好，与非极性气体和烃类物质完全互溶，盐类溶解度很低。超临界水分离成H⁺(酸)和OH^-(碱)分子，同时为强酸和强碱的物质，能快速破解有机聚合物中的弱链，利用此特性可使煤中有机物直接氧化放出热量，同时生成小分子物质。

发明内容

本发明提供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，具体技术方案如下：

所述发电系统中，空气分离装置1、空气压缩机2和超临界水反应器5顺次相连，水煤浆储存罐3、高压泵4和超临界水反应器5顺次相连；超临界水反应器5的过热蒸汽出口与分离器7进口连接，抽气出口与预热器18蒸汽侧进口连接，超临界水反应器5底部出口与固体排渣收集装置6连接；

分离器7、高压汽轮机9、低压汽轮机10、凝汽器12、凝结水泵13、低压加热器14、除氧器15、给水泵16、高压加热器17和预热器18顺次相连；凝汽器12的排气口与抽气器11连接；

高压加热器17疏水出口与除氧器15连接；预热器18疏水出口与除氧器15连接；

分离器7底部出口与颗粒物收集装置8连接。

利用如上所述的发电系统进行燃煤超临界发电的方法，具体步骤如下：

空气经空气分离装置1，将氧气分离出来；氧气经空气压缩机2加压至30MPa后，作为氧化剂进入超临界水反应器5中；制备好的水煤浆进入水煤浆储存罐3中，由高压泵4加压至30MPa后，作为燃料进入超临界反应器5中，水煤浆与氧气在超临界水环境中直接发生氧化放热反应，生成无污染的H₂O、CO₂、N₂、固态灰渣与无机盐类；

固态灰渣与无机盐类通过减压阀，收集到固体排渣收集装置6中；水煤浆氧化反应放出的热量用于加热预热器18内的给水，经过换热后，超临界反应器5出口的工质为CO₂和超临界水形成的混合工质，参数为600℃、30MPa；混合工质进入分离器7中进一步分离出工质内的悬浮颗粒，悬浮颗粒通过减压阀进入颗粒物收集装置8中进行收集储存；

经过净化后的CO₂、超临界水混合工质进入高压汽轮机9中膨胀做功；为达到能量的梯级利用，混合工质由高压汽轮机9出口进入低压汽轮机10进一步膨胀做功；低压汽轮机10出口的混合工质进入凝汽器12进行冷凝，混合工质中的蒸汽经换热冷凝后形成凝结水进入凝结水泵13，混合工质中CO₂通过抽气器11进入碳捕捉装置直接封存；凝结水通过凝结水泵13进入低压加热器14进行加热，低压加热器14的热源来自低压汽轮机10的抽汽；低压加热器14出口的给水进入除氧器15中进一步加热；除氧器15出口的给水进入给水泵16升压至30MPa；给水进入高压加热器17进一步加热，高压加热器17的热源来自高压汽轮机9的抽汽；高压加热器17出口给水进入预热器18进一步加热，使参数达到380℃、30MPa的超临界态，预热器18的热源来自超临界反应器5的抽汽；预热器18出口的超临界水进入超临界反应器5中，吸收水煤浆氧化放热反应放出的热量，与水煤浆氧化反应生成的H₂O、CO₂，形成CO₂和超临界水的混合工质，进入分离器7中，完成一个循环。

本发明以超临界水为介质，在超临界反应器中水煤浆直接发生氧化放热反应。一方面，碳元素与氢元素生成无污染的气态产物CO₂、H₂O进入汽轮机做功，硫元素转化为SO₄^2-、氮元素主要转化为N₂，煤中的金属元素生成稳定的无机盐类，相对于传统燃煤发电而言，由于燃烧温度低，几乎不生成污染物SO_X、NO_X；另一方面，有机物与氧化剂在超临界水环境下形成均相反应体系，消除了二者之间的传质阻力，反应速度大大增加。超临界CO₂与超临界水形成均相的复合工质推动新型汽轮机做功。做功后在凝汽器中使用抽气器将不凝结的纯CO₂直接抽出后封存，节省了大量CCS耗费的能量，实现了碳的零排放。凝结水重新进入回热系统，开始新的循环。

本发明充分利用了超临界水的强氧化特性，使燃煤在超临界水中直接发生氧化放热反应，水煤浆直接氧化生成的N₂、CO₂、H₂O产物循环做功，提高了换热效率，整体发电效率可超过50％。

CO₂在凝汽器后实现了直接封存，水煤浆产生的固态灰渣与无机盐类则通过固态排渣装置进行了收集，无任何污染物排放，环境效益好，是一种极具发展潜力的新型清洁煤利用发电技术。

附图说明

图1为本发明所述的超临界水煤粉直接氧化复合工质循环发电系统的结构示意图；

图中各标号的具体含义如下：1-空气分离装置，2-空气压缩机，3-水煤浆储存罐，4-高压泵，5-超临界水反应器，6-固体排渣收集装置，7-分离器，8-颗粒物收集装置，9-高压汽轮机，10-低压汽轮机，11-抽气器，12-凝汽器，13-凝结水泵，14-低压加热器，15-除氧器，16-给水泵，17-高压加热器，18-预热器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

本发明所述的发电系统中，空气分离装置1、空气压缩机2和超临界水反应器5顺次相连，水煤浆储存罐3、高压泵4和超临界水反应器5顺次相连；超临界水反应器5的过热蒸汽出口与分离器7进口连接，抽气出口与预热器18蒸汽侧进口连接，超临界水反应器5底部出口与固体排渣收集装置6连接；

分离器7、高压汽轮机9、低压汽轮机10、凝汽器12、凝结水泵13、低压加热器14、除氧器15、给水泵16、高压加热器17和预热器18顺次相连；凝汽器12的排气口与抽气器11连接；

高压加热器17疏水出口与除氧器15连接；预热器18疏水出口与除氧器15连接；

分离器7底部出口与颗粒物收集装置8连接。

利用如上所述的发电系统进行燃煤超临界发电的具体步骤如下：

空气经空气分离装置1，将氧气分离出来；氧气经空气压缩机2加压至30MPa后，作为氧化剂进入超临界水反应器5中；制备好的水煤浆进入水煤浆储存罐3中，由高压泵4加压至30MPa后，作为燃料进入超临界反应器5中，水煤浆与氧气在超临界水环境中直接发生氧化放热反应，生成无污染的H₂O、CO₂、N₂、固态灰渣与无机盐类；

固态灰渣与无机盐类通过减压阀，收集到固体排渣收集装置6中；水煤浆氧化反应放出的热量用于加热预热器18内的给水，经过换热后，超临界反应器5出口的工质为CO₂和超临界水形成的混合工质，参数为600℃、30MPa；混合工质进入分离器7中进一步分离出工质内的悬浮颗粒，悬浮颗粒通过减压阀进入颗粒物收集装置8中进行收集储存；

经过净化后的CO₂、超临界水混合工质进入高压汽轮机9中膨胀做功；为达到能量的梯级利用，混合工质由高压汽轮机9出口进入低压汽轮机10进一步膨胀做功；低压汽轮机10出口的混合工质进入凝汽器12进行冷凝，混合工质中的蒸汽经换热冷凝后形成凝结水进入凝结水泵13，混合工质中CO₂通过抽气器11进入碳捕捉装置直接封存；凝结水通过凝结水泵13进入低压加热器14进行加热，低压加热器14的热源来自低压汽轮机10的抽汽；低压加热器14出口的给水进入除氧器15中进一步加热；除氧器15出口的给水进入给水泵16升压至30MPa；给水进入高压加热器17进一步加热，高压加热器17的热源来自高压汽轮机9的抽汽；高压加热器17出口给水进入预热器18进一步加热，使参数达到380℃、30MPa的超临界态，预热器18的热源来自超临界反应器5的抽汽；预热器18出口的超临界水进入超临界反应器5中，吸收水煤浆氧化放热反应放出的热量，与水煤浆氧化反应生成的H₂O、CO₂，形成CO₂和超临界水的混合工质，进入分离器7中，完成一个循环。