一種基于氮氣資源化利用降低富氧燃燒電站能耗的系統及方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于富氧燃燒技術領域，涉及一種基于氮氣資源化利用降低富氧燃燒電站能耗的系統及方法。
【背景技術】
[0002]中國在2013年二氧化碳的排放量已經超出美國和歐洲的總和，人均二氧化碳排放量也首次超過歐洲水平，降低二氧化碳排放已成為國家重大戰略并關乎到國際地位及影響力。我國獨特的能源結構決定燃煤電站是二氧化碳最為主要的排放源。“十二五”期間，國家出臺的一系列科技規劃均將燃煤電站二氧化碳捕捉、利用和封存(CCUS技術)列入，包括《國家“十二五”科學和技術發展規劃》、《中國應對氣候變化科技專項行動》、《國家“十二五”應對氣候變化科技發展專項規劃》、《“十二五”控制溫室氣體排放工作方案》、《碳捕集、利用與封存技術科技發展“十二五”專項規劃》以及《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006年?2020年)》。
[0003]2017年我國將啟動碳交易市場，控制燃煤電站二氧化碳排放迫在眉睫。迄今，經過國內外眾多科研工作者多年來的不懈努力，已經發展了多種針對燃煤電站二氧化碳捕集的技術手段，如燃燒前碳捕集、燃燒中碳捕集(富氧燃燒或氧氣/ 二氧化碳燃燒)和燃燒后碳捕集等。其中，富氧燃燒具有成本及技術風險低、易規模化、可直接運用于現有燃煤電站等優勢而被認為是最可能大規模推廣和商業化的碳捕集技術之一。富氧燃燒碳捕集技術是利用空氣分離設備(Air Separat1n Unit, ASU)制取的高純度氧氣(95%以上)與部分循環煙氣的混合來代替空氣與燃料組織燃燒，從而提高煙氣中二氧化碳的濃度，煙氣經壓縮和提純設備(Compress1n and Purificat1n Unit, CPU)處理后便可得到高純度二氧化碳，可用于封存或資源化利用。
[0004]相較于常規空氣燃燒燃煤電站，富氧燃燒電站中增設了空氣分離設備及二氧化碳壓縮和分離設備，上述兩設備的運行使得整體電站效率相較于常規電站的下降高達12個百分點，直接導致了能源消耗量增加、二氧化碳生成量增多、電價上漲等諸多不利后果，這一原因也直接限制了富氧燃燒技術的商業化運用。
[0005]為提高富氧燃燒電站的運行效率，當前有國內外學者提出提高鍋爐進口氧氣體積濃度至30?50%，甚至更高。在此條件下，鍋爐效率得到提升；同時，鍋爐尺寸進一步減小，達到降低鍋爐建造成本的目的。然而，上述措施并沒有從根本上解決空氣分離設備及二氧化碳壓縮和分離設備運行能耗過高，降低富氧燃燒電站系統效率的問題。
[0006]迄今為止，未見到有效解決富氧燃燒電站空氣分離設備及二氧化碳壓縮和分離設備運行能耗的相關專利公開。
[0007]除此之外，空氣經分離后成產的氮氣量約是氧氣量的四倍，而當前富氧燃燒系統僅利用氧氣勢必會造成氮氣的一大浪費。
[0008]因此，如何資源化利用氮氣，以及解決富氧燃燒電站空氣分離設備及二氧化碳壓縮和分離設備運行能耗是富氧燃燒電站發展的一大契機，也是富氧燃燒電站面臨的重大挑占戈。

【發明內容】

[0009]針對現有富氧燃燒電站技術存在的不足，本發明的目的在于提供一種基于氮氣資源化利用降低富氧燃燒電站能耗的系統及方法，其具有效率高、能耗低、成本低、安全性高且系統簡單的優點。
[0010]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:
[0011]—種基于氮氣資源化利用降低富氧燃燒電站能耗的系統，所述系統包括空氣分離裝置、第二發電機、第二透平、第二熱交換器、鍋爐、二氧化碳壓縮和提純裝置、第一發電機、第一透平和第一熱交換器；
[0012]所述空氣分離裝置具有空氣入口、氮氣出口和氧氣出口，空氣入口與大氣相通，氮氣出口經管道與第二熱交換器相連，氧氣出口經管道與所述鍋爐相連；所述鍋爐分別連接第一熱交換器及二氧化碳壓縮和提純裝置；所述第一熱交換器依次與第一透平和第一發電機串連連接，所述第一透平與第二熱交換器通過管道連接；所述第二熱交換器依次與第二透平和第二發電機串連連接，第二透平排出氮氣進行資源化利用，第二發電機產生的電力輸送至所述空氣分離裝置及二氧化碳壓縮和提純裝置；所述第二熱交換器通過管道與第一熱交換器相連。
[0013]所述空氣分離裝置分離出的氮氣的壓力值大于或等于2MPa。
[0014]進一步地，所述空氣分離裝置采用低溫精餾的方式來分離空氣。
[0015]進一步地，所述鍋爐產生的部分煙氣，即水蒸氣和二氧化碳，可進入鍋爐循環使用。
[0016]進一步地，所述鍋爐為煤粉鍋爐或循環流化床鍋爐。
[0017]—種基于氮氣資源化利用降低富氧燃燒電站能耗的方法，包括步驟:
[0018]所述空氣分離裝置分離出氮氣和氧氣，氮氣經管道進入第二熱交換器；氧氣進入鍋爐內與燃料發生燃燒反應生成以水蒸汽和二氧化碳為主要成分的煙氣，煙氣經管道進入二氧化碳壓縮和提純裝置，在二氧化碳壓縮和提純裝置內實現水與二氧化碳的分離，實現燃煤電站二氧化碳的捕集；同時鍋爐內發生燃燒反應釋放的大量熱量將第一熱交換器內的水加熱為高溫高壓蒸汽，高溫高壓蒸汽進入第一透平推動第一發電機發電；第一透平排出高溫蒸汽進入第二熱交換器與所述氮氣換熱，生成高溫高壓氮氣；高溫高壓氮氣進入第二透平推動第二發電機發電，產生的電力輸送至空氣分離裝置和二氧化碳壓縮和提純裝置，達到降低富氧燃燒電站系統能耗的目的。
[0019]所述空氣分離裝置分離出的氮氣的壓力值大于或等于2MPa，以保證第二透平及第二發電機運行效率。
[0020]總體而言，本發明所構思的技術方案相對于現有技術而言，具有以下優點:
[0021](I)本發明首次提出了富氧燃燒電站系統中，通過氮氣的資源化利用，即空氣分離裝置生產的高壓氮氣經蒸汽透平排氣加熱后形成高溫高壓氮氣，推動透平帶動發電機發電，產生的電量輸送至空氣分離裝置和二氧化碳壓縮和提純裝置，解決了富氧燃燒電站中，由于空氣分離設備及二氧化碳壓縮和提純設備運行導致電站整體系統效率下降的難題，達到降低富氧燃燒電站系統的能耗，提高電站系統效率的目的，而且大大降低了投資和運行成本。
[0022](2)在鍋爐內生成以水蒸汽和二氧化碳為主要成分的煙氣，一部分煙氣進入二氧化碳壓縮和提純設備，通過壓縮提純得到高純度二氧化碳，有效實現二氧化碳的捕集，二氧化碳可用于封存或各種資源化利用。
[0023](3)本發明采用氮氣代替傳統水作為余熱利用的工質，有效避免了透平中水蒸汽冷凝等現象發生，提高了系統運行的安全性與穩定性。
[0024](4)本發明系統簡單，結構緊湊，能夠大幅度減少系統的體積；此外，本發明系統既可用于改造現有富氧燃燒電站又可用于設計新富氧燃燒電站的優點，市場適用性更強。
【附圖說明】
[0025]圖1是本發明的基于氮氣資源化利用降低富氧燃燒電站能耗的系統的結構示意圖；
[0026]圖2是本發明實施例的結構示意圖；
[0027]其中，1-空氣分離裝置；2_第二發電機；3_第二透平；4_第二熱交換器；5_鍋爐；6- 二氧化碳壓縮和提純裝置；7_第一發電機；8_第一透平；9_第一熱交換器；10-煤粉爐；
[0028]其中，A-空氣；B_高壓氮氣；C_氧氣；D_ 二氧化碳；E_水蒸氣；F_高溫高壓水蒸氣。
【具體實施方式】
[0029]為使本發明的目的、技術方案更加清晰，下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
[0030]本發明的基本思想是:空氣分離裝置I生產的高壓氮氣B，通過蒸汽透平排氣加熱后，推動透平帶動發電機發電，實現降低富氧燃燒電站系統能耗，提高電站系統效率的目的。
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