一种二氧化碳近零排放的高经济性能源热转换系统及方法

摘要

本发明提供了一种二氧化碳近零排放的高经济性能源热转换系统及方法。系统主要包括空气分离设备、承压氮气存储设备、承压氧气存储设备、能源热转换设备、除尘设备、气体再循环设备、二氧化碳置换设备、热回收设备、引风机、气体压缩设备和承压可燃性气体存储设备。燃料在能源热转换设备中发生氧化反应，生成以二氧化碳和水蒸气为主要成分的高温气体；一部分高温气体进入二氧化碳置换设备中，二氧化碳与含碳燃料发生反应，生成可燃性气体，实现二氧化碳的近零排放；另一部分高温气体重新进入能源热转换设备，维持系统的稳定运行。通过对可燃性气体的利用，实现能源热转换系统经济性的大幅提高，弥补了现有能源热转换系统中二氧化碳减排技术的不足。

说明书

技术领域

本发明属于能源热转换技术领域，涉及一种二氧化碳近零排放的高经济性能源热转换系统及方法。

背景技术

现有的能源热转换系统在运行过程中排放出大量的二氧化碳，可对地球生态环境造成恶劣的影响。控制能源热转换过程中二氧化碳的排放已成为全球各国共同关注的话题，并为之制定了不同程度的二氧化碳减排计划。2013年，我国二氧化碳的排放量已经超出了美国和欧洲的总和，其中人均二氧化碳的排放量也首次超过欧洲水平。2014年，我国在《中美气候变化联合声明》中承诺，二氧化碳排放量在2030年达到峰值。然而，我国独特的能源结构决定了，在未来相当长的时间内能源热转换技术仍将占据主导地位。2017年全国碳排放交易市场将启动，发展新型低碳能源热转换技术，大幅减少二氧化碳的排放具有极为重要的环境保护意义和经济价值。

捕集能源热转换过程中产生的二氧化碳是当前主流的技术路线。捕集后的二氧化碳可用于驱油、驱气、打入合适地质的深层地下或海底，实现封存，达到减排二氧化碳的目的。该类技术又称为二氧化碳捕集与封存技术。然而，该类技术主要存在以下两点不足：

(1)二氧化碳捕集、压缩、分离、提纯、运输等导致能源热转换整体系统的效率和经济性大幅下降；

(2)封存二氧化碳逃逸和泄露的可能性极大。

上述不足也从根本上限制了二氧化碳捕集与封存技术的商业化进程，不利于国家二氧化碳减排目标的实现。

因此，如何在减少能源热转换过程中二氧化碳排放的同时，保证系统经济性是当前新型能源热转换技术发展所面临的重大挑战。

发明内容

针对现有的能源热转换二氧化碳减排技术所存在的不足，本发明的目的在于提供一种二氧化碳近零排放的高经济性能源热转换系统及方法，其具有经济性高、效率高、能耗低、安全性高且系统简单的优点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种二氧化碳近零排放的高经济性能源热转换系统，包括空气分离设备、承压氮气存储设备、承压氧气存储设备、能源热转换设备、第一除尘设备、气体再循环设备、二氧化碳置换设备、第一热回收设备、第二热回收设备、第二除尘设备、引风机、气体压缩设备、承压可燃性气体存储设备；

所述空气分离设备具有空气入口、氮气出口和氧气出口，空气入口与大气相通，氮气出口经管道与承压氮气存储设备相连，氧气出口经管道与承压氧气存储设备相连；所述承压氧气存储设备出口经管道与能源热转换设备入口相连；所述能源热转换设备经管道与第一除尘设备入口和二氧化碳置换设备入口相连，能源热转换设备上设有第一燃料加料口、第一固态产物排出口；所述第一除尘设备出口经管道与气体再循环设备入口相连；所述气体再循环设备出口与承压氧气存储设备出口一起经管道与所述第一燃料加料口相连；所述二氧化碳置换设备上设有第二燃料加料口、第二固态产物排出口和气体产物排出口，第二固态产物排出口经管道与第一热回收设备相连，气体产物排出口经管道与第二热回收设备相连；所述第一热回收设备上热回收介质的出口经管道与能源热转换设备相连，第一热回收设备上的冷却固体出口经管道与所述第一燃料加料口相连；所述第二热回收设备上的热回收介质出口经管道与能源热转换设备相连；所述第二热回收设备上的气体出口经管道与第二除尘设备入口相连；所述第二除尘设备出口经管道与引风机入口相连；所述引风机出口经管道与气体压缩设备入口相连；所述气体压缩设备出口经管道与承压可燃性气体存储设备入口相连。

进一步地，所述能源热转换设备包括煤粉锅炉、流化床锅炉、层燃炉和窑炉。

本发明一种二氧化碳近零排放的高经济性能源热转换方法，包括步骤：

所述方法包括步骤：

所述空气分离装置分离出氮气和氧气，氮气经管道进入承压氮气存储设备，氧气经管道进入承压氧气存储设备，以防系统运行过程中氧气的供应不足；氧气经管道与燃料混合均匀后进入能源热转换设备，在能源热转换设备中发生反应，生成以二氧化碳和水蒸气为主要成分，同时含有部分氧气和飞灰的高温气体；一部分高温气体经冷却、除尘后经管道进入所述气体再循环设备，而后重新进入所述能源热转换设备，维持设备的稳定运行；另一部分高温气体未经冷却和除尘， 直接经管道进入所述二氧化碳置换设备中，二氧化碳和水蒸气与含碳燃料发生气化反应，生成以一氧化碳、氢气和甲烷为主，含有灰尘的高温可燃性气体，氧气与含碳燃料发生燃烧反应为所述气化反应提供反应热；所述二氧化碳置换设备中的高温可燃气体通过气体产物排出口经管道进入所述第二热回收设备进行冷却；冷却后的可燃性气体经所述第二除尘设备除尘，除尘后的可燃性气体经过所述引风机进入所述气体压缩设备；可燃性气体经压缩后经管道进入承压可燃性气体储存设备。

进一步地，能源热转换设备出口的高温气体中，氧气的体积浓度低于10％。

进一步地，未经冷却和除尘的高温气体温度在800摄氏度以上，保证气化反应和氧化反应的发生。

进一步地，进入二氧化碳置换反应器内的部分高温气体体积占据总高温气体体积的30％以上。

进一步地，所述二氧化碳置换反应器所用的燃料为固体含碳燃料。如煤、生物质等。

进一步地，所述二氧化碳置换反应器内未反应尽的固体产物在第一热回收设备内冷却后，进入所述能源热转换设备进一步利用。

进一步地，所述第一热回收设备和第二热回收设备中选用的热回收介质为水或者导热油。当选用的热回收介质为水时，加热后的水进入所述能源热转换设备的水循环体系，当选用的热回收介质为导热油时，加热后的导热油用于干燥高水分燃料。

总体而言，本发明的技术方案相对于现有技术而言，具有以下优点：

(1)本发明首次提出了能源热转换系统中，通过资源化利用二氧化碳的方式，达到能源热转换系统中二氧化碳近零排放的目的，克服了现有二氧化碳减排技术下二氧化碳难以处理的难题。

(2)本发明创新性基于能源热转换系统中生成的烟气特性，结合化学反应条件，使二氧化碳与固体含碳燃料(煤、生物质、固体废弃物等)发生反应，生成可燃性气体。通过对可燃性气体的进一步利用，大幅提高了能源热转换系统的经济性，解决了现有二氧化碳减排技术大大降低系统经济性的问题。

(3)本发明系统结构紧凑，能源利用效率高，既可用于改造现有的能源热转 换系统又可用于新能源热转换系统的设计，应用前景广阔。

附图说明

图1是本发明的二氧化碳近零排放的高经济性能源热转换系统的结构示意图；

其中，1-空气分离设备；2-承压氧气存储设备；3-承压氮气存储设备；4-能源热转换设备；5-气体再循环设备；6-第一除尘设备；7-二氧化碳置换设备；8-第一热回收设备；9-第二热回收设备；10-第二除尘设备；11-引风机；12-气体压缩设备；13-承压可燃性气体存储设备。

其中，A-空气；B-氮气；C-氧气；D-二氧化碳与水蒸气；E-燃料；F-燃料反应后的固体产物；G-含碳固体燃料；H-未反应尽的固体产物；I-热回收介质；J-可燃性气体。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案更加清晰，下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明的基本思想和目的是：如能将能源热转换过程生成的二氧化碳进行资源化利用，在达到二氧化碳近零排放目的的同时提高了系统的经济性，对推动二氧化碳减排技术的发展具有极为重要的现实意义。

用于实现这一目的的二氧化碳近零排放的高经济性能源热转换系统如图1所示。利用这一系统，实现二氧化碳近零排放的高经济性能源热转换的方式如下：

空气分离设备1将空气A中的氮气B和氧气C分离，氮气B进入承压氮气存储设备3，氧气C经管道进入承压氧气存储设备2，以防生产过程中氧气的供应不足；氧气C经管道与燃料E进入能源热转换设备，在能源热转换设备4中发生反应，生成以二氧化碳和水蒸气为主要成分，同时含有部分氧气和飞灰的高温气体D，高温气体D中氧气浓度低于10％；由引风机11将至少30％未经冷却和除尘的高温气体D引入二氧化碳置换设备7；在二氧化碳置换设备7中二氧化碳和水蒸气与含碳固体燃料G发生气化反应，生成以一氧化碳、氢气和甲烷为主，含有灰尘的高温可燃性气体J；同时高温气体D中含有的低浓度氧气与含碳燃料发生氧化反应为气化反应提供反应热；二氧化碳置换设备7中生成的高温可燃气体J在第二热回收设备9中进行冷却，热量回收；冷却后的可燃性气体J在 第二除尘设备内除尘；除尘后的可燃性气体J经引风机11进入气体压缩设备12；可燃性气体J经压缩后由承压可燃性气体储存设备存储；能源热转换设备4生成的剩余至多70％的高温气体D，经冷却、除尘后经管道与氧气C和燃料E一起重新进入到能源热转换设备，保证燃料燃烧产生的高温气体中二氧化碳的浓度；至此，能源热转换生成的二氧化碳已经置换成为可燃性气体，实现了二氧化碳的近零排放；同时，可燃性气体进一步的利用可大大提高系统的经济性。

为进一步提高资源的利用率，二氧化碳置换设备7中未完全反应尽的燃料G生成高温固体产物H，高温固体产物H在第一热回收设备8中冷却，冷却后的固体产物H与气体D，氧气C，燃料E一同进入能源热转换设备4中。此外，第一热回收设备8和第二热回收设备9回收的热量可进一步利用。

下面结合实施例，对此发明加以进一步说明。

参照图1所示，针对某600MWth级煤粉燃烧机组的二氧化碳近零排放的高经济性系统。能源热转换设备4采用煤粉炉，煤粉燃烧机组选用的燃料为典型的烟煤，含碳量80％，低位发热量27000千焦/千克。二氧化碳置换设备7采用气化炉，气化炉选用的燃料为生物质。气体再循环设备5采用再循环风机。

空气分离设备1将空气A中的氮气B和氧气C分离，氧气C经管道进入承压氧气存储设备2，保证生产过程中的氧气供应充足；氧气C经管道与烟煤E进入煤粉炉，发生剧烈的燃烧反应释放热量，并生成以二氧化碳和水蒸气为主要成分，同时含有部分氧气和飞灰的高温烟气D；煤粉炉炉膛出口处的高温烟气D中氧气浓度控制在10％以下；在烟气温度800摄氏度以上的煤粉炉烟道处开设旁路，经引风机11将约30％的高温烟气D引入气化炉；在气化炉中，烟气中所含的氧气与生物之发生氧化反应为气化反应提供反应热，二氧化碳和水蒸气与生物质G发生气化反应，生成以一氧化碳、氢气和甲烷为主，含有灰尘的高温可燃性气体J，气化炉中未反应尽的固体产物H在第一热回收设备8中冷却，冷却后进入煤粉炉内充分利用；气化炉出口高温可燃气体J在第二热回收设备9中冷却，回收热量；冷却后的可燃性气体J经第二除尘设备10除尘后，经引风机11进入气体压缩设备12；可燃性气体J经压缩后由承压可燃性气体储存设备13存储，可用于销售，提高电站的经济性。

煤粉炉燃烧生成的剩余70％左右的高温气体D在锅炉尾部烟道经冷却、除 尘后，经管道与氧气C和烟煤E及气化炉内未反应尽固体产物H一起进入到煤粉炉炉膛，维持炉膛温度稳定和烟气中高二氧化碳浓度；至此，能源热转换生成的二氧化碳已经置换成为可燃性气体J，实现了二氧化碳的近零排放。

依据煤的燃烧反应特性，该燃煤机组1千克烟煤燃烧后生成约2.9千克的二氧化碳。依据该机组出力，煤炭消耗量约为180,000千克/小时，则每小时生成的二氧化量为522,000千克。二氧化碳与生物质在气化炉内发生气化反应，每小时生成一氧化碳的量为664,000千克。以煤粉炉每年运行7,000小时计算，气化炉效率90％计算，每年产生的一氧化碳量约为4,180,000,000千克。一氧化碳价格以1.2元每千克计算，通过出售一氧化碳可收入5,000,000,000元，极大提高了系统的经济效益。需说明的是，该计算方法尚未考虑2017年实行碳交易后，通过减排二氧化碳获得的收益。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。