一种耦合二氧化碳捕集与利用的调峰发电系统与方法与流程

1.本发明属于发电领域，具体地说是一种耦合二氧化碳捕集与利用的调峰发电系统与方法。


背景技术：

2.在碳达峰、碳中和的目标下，随着以新能源为主体的新型电力系统建设推进，清洁能源电力的大规模增长对电网调度灵活性提出了严峻挑战，作为发电主力的火电机组支撑源荷平衡的重要性日益凸显。深度调峰已经成为火电机组，特别是纯凝机组灵活性改造的重要手段。
3.目前火电机组深度调峰面临锅炉稳燃、受热面超温、给水泵或引风机运行、干湿态转换、运行经济性等诸多问题，限制了火电机组灵活性改造向超深度调峰方向的发展。
4.碳捕集、利用与封存技术(carbon capture,utilization and storage，ccus)是火电参与零碳电力调峰的重要技术前提。ccus技术一方面可直接降低火电机组的碳排放水平，实现电源侧近零排放；另一方面ccus系统运行消耗蒸汽与电能，机组上网功率的降低等效于调峰深度增加，运行区间增大。
5.目前火电机组的ccus系统以化学吸收技术为主，其基本独立于发电系统，以保证二氧化碳捕集率与捕集量为目标，ccus系统运行水平的调整依靠改变再生塔底再沸器负荷实现，功率调节的能力有限。同时传统ccus系统仅增强机组低负荷下调峰能力，不能提供高负荷下的顶峰能力。火电机组调峰与ccus联合运行时，整体发电效率显著降低，运行不稳定性加剧，经济性进一步减弱。
6.因此，提供耦合二氧化碳捕集与利用的调峰发电系统与方法已经成为本领域内亟待解决的技术难题。


技术实现要素：

7.为克服上述现有技术存在的缺陷，本发明提供一种耦合二氧化碳捕集与利用的调峰发电系统与方法，其在为燃煤机组提供深度调峰能力、增强电网对新能源消纳水平的同时，可降低燃煤机组发电的碳排放水平，丰富二氧化碳的利用渠道。
8.为此，本发明采用的一种技术方案为：一种耦合二氧化碳捕集与利用的调峰发电系统，包括燃煤发电装置、二氧化碳捕集装置、二氧化碳压缩装置、水电解装置、甲醇合成装置和甲醇发电装置；
9.所述的二氧化碳捕集装置与燃煤发电装置连接，利用燃煤发电装置产生的电力和蒸汽，捕集燃煤发电装置排放烟气中的二氧化碳；
10.所述的二氧化碳压缩装置与二氧化碳捕集装置连接，利用燃煤发电装置产生的电力，将二氧化碳捕集装置捕集的二氧化碳压缩，用于后续储运；
11.所述的水电解装置利用燃煤发电装置产生的电力，电解水制取氢气和氧气；
12.所述的甲醇合成装置与二氧化碳捕集装置连接，通过排氢管道和回水管道与水电
解装置连接，利用燃煤发电装置产生的电力、二氧化碳捕集装置捕集的二氧化碳和水电解装置制取的氢气合成甲醇；
13.所述的甲醇发电装置通过燃料管道与甲醇合成装置连接，通过第三排烟管道与二氧化碳捕集装置连接，利用甲醇合成装置制取的甲醇燃烧产生电能，甲醇燃烧产生的烟气通过第三排烟管道进入二氧化碳捕集装置，实现二氧化碳的再利用。
14.在电网低负荷时，本发明提高二氧化碳捕集与压缩装置的运行水平以消纳燃煤机组富余的发电功率，进一步地可利用富余的电能将捕获的二氧化碳转化为甲醇实现化学储能；在电网高负荷时，本发明降低二氧化碳捕集与压缩装置的运行水平以提高燃煤机组上网功率，进一步地可将低谷期存储的甲醇送入内燃机中燃烧发电，提高燃煤机组的顶峰能力。
15.进一步地，所述的燃煤发电装置包括燃煤锅炉；
16.所述的二氧化碳捕集装置包括烟气预处理塔、二氧化碳吸收塔、二氧化碳再生塔和贫富液换热器；其中，烟气预处理塔与燃煤锅炉之间通过第一排烟管道相连，燃煤锅炉排烟经增压风机增压后，通过旁路阀分流，一部分烟气流向烟气预处理塔，其余烟气流向烟囱；
17.所述的烟气预处理塔与二氧化碳吸收塔通过烟气管道连接，预处理后烟气由二氧化碳吸收塔的气体入口进入，在二氧化碳吸收塔内被吸收液吸收，脱碳后的烟气由二氧化碳吸收塔的气体出口排出；吸收二氧化碳的冷富液由二氧化碳吸收塔的液体出口排出，通过冷富液泵泵送，经过贫富液换热器加热后，由二氧化碳再生塔的液体入口进入，在二氧化碳再生塔内释放二氧化碳，再生后的热贫液由二氧化碳再生塔的液体出口排出，通过热贫液泵泵送，经过贫富液换热器冷却后，由二氧化碳吸收塔的液体入口进入，构成吸收液的循环回路。
18.进一步地，所述的贫富液换热器与二氧化碳再生塔的液体入口间设有富液管道支路，该富液管道支路上设有富液调节阀、富液储液器、富液储液泵和富液流量计；
19.所述的贫富液换热器与二氧化碳吸收塔的液体入口间设有贫液管道支路，该贫液管道支路上设有贫液调节阀、贫液储液器、贫液储液泵和贫液流量计；
20.当需要提高二氧化碳捕集装置能耗水平时，富液储液器中存储的富液，通过富液储液泵泵送，由二氧化碳再生塔的液体入口进入；同时，贫液调节阀开启，由贫富液换热器冷却后的贫液，进入贫液储液器；
21.当需要降低二氧化碳捕集装置能耗水平时，富液调节阀开启，由贫富液换热器加热后的富液，进入富液储液器；同时，贫液储液器中存储的贫液，通过贫液储液泵泵送，由二氧化碳吸收塔的液体入口进入；
22.富液储液器流出、流入流量与贫液储液器流入、流出流量分别由富液流量计和贫液流量计计量，并通过富液调节阀与贫液调节阀控制流量一致。
23.进一步地，所述的热贫液泵与贫富液换热器之间设有贫液管道；冷富液泵与贫富液换热器之间设有富液管道。
24.进一步地，所述的燃煤发电装置还包括与燃煤锅炉相连的汽机发电机组；所述的二氧化碳捕集装置还包括再沸器，再沸器与汽机发电机组之间通过蒸汽管道相连，蒸汽管道上设有抽汽泵，所抽取蒸汽用于提供吸收液再生的能量，抽取的蒸汽流量通过抽汽泵调
节。
25.进一步地，所述的二氧化碳压缩装置包括二氧化碳压缩机和连接在二氧化碳压缩机上的第一冷凝器；
26.二氧化碳压缩机与二氧化碳再生塔通过第二排气管道相连，第二排气管道上设有第二冷凝器和回流泵，再生气体由二氧化碳再生塔的气体出口排出，通过第二冷凝器冷凝，冷凝的水通过回流泵泵回二氧化碳再生塔，冷凝后的气体进入二氧化碳压缩机压缩，以便后续的储运。
27.进一步地，用于烟气预处理塔与旁路阀连接的第二排烟管道上设置二氧化碳浓度第一测点与气体流量第一测点；用于二氧化碳吸收塔与环境大气连接的第一排气管道上设置二氧化碳浓度第二测点与气体流量第二测点；用于二氧化碳再生塔与二氧化碳压缩机连接的第二排气管道上设置二氧化碳浓度第三测点与气体流量第三测点。
28.进一步地，所述的甲醇合成装置包括气体混合器、压缩机、电热催化反应器、甲醇提纯器和甲醇储罐；
29.所述的气体混合器与二氧化碳捕集装置通过排气管道支路连接，排气管道支路上设置调节阀；气体混合器与水电解装置通过排氢管道连接；二氧化碳与氢气在气体混合器混合后，经由压缩机压缩，进入电热催化反应器反应，产生的反应混合物经甲醇提纯器分离，得到的甲醇产物进入甲醇储罐存储，其余反应混合物经净化器净化后，由循环水泵泵送，通过回水管道进入水电解装置循环利用，同时由设在回水管道上的补水口引入外部水保证电解耗水需求，压缩机和电热催化反应器由燃煤发电装置产生的电力提供能量。
30.进一步地，所述的甲醇发电装置包括甲醇内燃机和发电机，甲醇内燃机与甲醇储罐通过燃料管道相连，燃料管道上设置调节阀；利用甲醇合成装置制取的甲醇在甲醇内燃机中燃烧，带动发电机产生电能；甲醇内燃机还与二氧化碳捕集装置的烟气预处理塔通过第三排烟管道相连，第三排烟管道上设置烟气换热器，甲醇内燃机产生的高温烟气经过换热后进入二氧化碳捕集装置，循环利用二氧化碳。
31.本发明采用的另一种技术方案为：耦合二氧化碳捕集与利用的调峰发电方法，其利用上述耦合二氧化碳捕集与利用的调峰发电系统，包括以下步骤：
32.步骤1：判断燃煤发电装置实际上网功率是否大于电网需求功率，是，执行步骤2；否，执行步骤5；
33.步骤2：判断燃煤发电装置发电功率是否大于最低保证功率，是，降低燃煤发电装置发电功率；否，执行步骤3；
34.步骤3：判断二氧化碳捕集装置与二氧化碳压缩装置是否处于最高运行水平，是，执行步骤4；否，提高二氧化碳捕集装置与二氧化碳压缩装置运行水平；
35.步骤4：启动水电解装置与甲醇合成装置，使燃煤发电装置实际上网功率保持在电网需求功率；
36.步骤5：判断燃煤发电装置是否处于满负荷状态，是，执行步骤6；否，提高燃煤发电装置发电功率；
37.步骤6：判断二氧化碳捕集装置与二氧化碳压缩装置是否大于最低保证水平，是，降低二氧化碳捕集装置与二氧化碳压缩装置运行水平，关闭水电解装置和甲醇合成装置；否，执行步骤7；
38.步骤7：启动甲醇发电装置，使燃煤发电装置实际上网功率达到并保持在电网需求功率。
39.本发明具有的有益效果为：
40.1.以往的燃煤机组受超低负荷下运行能力的限制，在电网低负荷时机组深度调峰的能力不足，本发明在机组上网功率大于电网需求功率时，通过提高二氧化碳捕集与封存水平消耗富余电能，在保证机组稳定运行的前提下，降低实际上网功率达到调峰需求。
41.2.在电网低负荷时，富余电能还可供给水电解装置和甲醇合成装置，将电能以化学能的形式存储，增加机组超深度调峰能力。在电网高负荷时，可利用甲醇内燃机发电，提高机组顶峰能力。
42.3.二氧化碳捕集、利用与封存与燃煤机组灵活耦合，调节操作简便，在提供调峰能力的同时，可显著降低燃煤机组发电碳排放水平，丰富二氧化碳消纳渠道。
附图说明
43.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
44.图1为本发明耦合二氧化碳捕集利用与封存的调峰发电系统的结构框图；
45.图2为本发明耦合二氧化碳捕集利用与封存的调峰发电方法的流程图；
46.其中，a、燃煤发电装置；b、二氧化碳捕集装置；c、二氧化碳压缩装置；d、水电解装置；e、甲醇合成装置；f、甲醇发电装置；
47.1、燃煤锅炉；2、汽机发电机组；3、烟气预处理塔；4、二氧化碳吸收塔；5、二氧化碳再生塔；6、再沸器、7、贫富液换热器、8、贫液储液器、9、富液储液器；10、冷富液泵；11、热贫液泵；12、贫液调节阀；13、富液调节阀；14、贫液储液泵；15、富液储液泵；16、贫液流量计；17、富液流量计；18、二氧化碳压缩机；19、第一冷凝器；20、电解槽；21、氢气提纯器；22、氧气提纯器；23、气体混合器；24、压缩机；25、电热催化反应器；26、甲醇提纯器；27、甲醇储罐；28、甲醇内燃机；29、发电机；30、旁路阀；31、增压风机；32、抽汽泵；33、第二冷凝器；34、回流泵；35、第一调节阀；36、净化器；37、补水口；38、循环水泵；39、第二调节阀；40、烟气换热器；41、二氧化碳浓度第一测点；42、气体流量第一测点；43、二氧化碳浓度第二测点；44、气体流量第二测点；45、二氧化碳浓度第三测点；46、气体流量第三测点；47、第一排烟管道；48、蒸汽管道；49、第二排烟管道；50、烟气管道；51、第一排气管道；52、富液管道；53、贫液管道；54、富液管道支路；55、贫液管道支路；56、第二排气管道；57、排气管道支路；58、排氢管道；59、回水管道；60、燃料管道；61、第三排烟管道。
具体实施方式
48.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
49.实施例1
50.请参阅附图1为耦合二氧化碳捕集利用与封存的调峰发电系统的示意图，该系统包括燃煤发电装置a、二氧化碳捕集装置b、二氧化碳压缩装置c、水电解装置d、甲醇合成装置e、甲醇发电装置f。
51.燃煤发电装置包括燃煤锅炉1和汽机发电机组2。
52.二氧化碳捕集装置包括烟气预处理塔3、二氧化碳吸收塔4、二氧化碳再生塔5、再沸器6、贫富液换热器7、贫液储液器8和富液储液器9。其中烟气预处理塔3与燃煤锅炉1通过第一排烟管道47相连，第一排烟管道上设有旁路阀30和增压风机31。锅炉排烟由增压风机31增压后在旁路阀30处分流，一部分烟气去往烟气预处理塔3，烟气流量可由旁路阀30开度调节，其余烟气去往烟囱。
53.烟气预处理塔3与二氧化碳吸收塔4通过烟气管道50连接，预处理后烟气由二氧化碳吸收塔4的气体入口进入，在二氧化碳吸收塔4内被吸收液吸收，脱碳后的烟气由二氧化碳吸收塔4的气体出口排出。吸收二氧化碳的冷富液由二氧化碳吸收塔4的液体出口排出，通过冷富液泵10泵送，经过贫富液换热器7加热后，由二氧化碳再生塔5的液体入口进入，在二氧化碳再生塔5内释放二氧化碳，再生后的热贫液由二氧化碳再生塔5的液体出口排出，通过热贫液泵11泵送，经过贫富液换热器7冷却后，由二氧化碳吸收塔4的液体入口进入，构成吸收液的循环回路。
54.贫富液换热器7与二氧化碳再生塔5的液体入口间设有富液管道支路54，富液管道支路54上设有富液调节阀13、富液储液器9、富液储液泵15、富液流量计17。贫富液换热器7与二氧化碳吸收塔4的液体入口间设有贫液管道支路55，贫液管道支路55上设有贫液调节阀12、贫液储液器8、贫液储液泵14、贫液流量计16。当需要提高二氧化碳捕集装置能耗水平时，富液储液器9中存储的富液，通过富液储液泵15泵送，由二氧化碳再生塔5的液体入口进入；同时，贫液调节阀12开启，由贫富液换热器7冷却后的贫液，进入贫液储液器8。当需要降低二氧化碳捕集装置能耗水平时，富液调节阀13开启，由贫富液换热器7加热后的富液，进入富液储液器9；同时，贫液储液器8中存储的贫液，通过贫液储液泵14泵送，由二氧化碳吸收塔4的液体入口进入。富液储液器9流出、流入流量与贫液储液器8流入、流出流量分别由富液流量计17和贫液流量计16计量，并通过富液调节阀13与贫液调节阀12控制流量一致。所述的热贫液泵11与贫富液换热器7之间设有贫液管道53；冷富液泵10与贫富液换热器7之间设有富液管道52。
55.再沸器6与汽机发电机组2之间通过蒸汽管道48相连，蒸汽管道48上设有抽汽泵32，所抽取蒸汽用以提供吸收液再生的能量，抽取蒸汽流量可通过抽汽泵32调节。
56.二氧化碳压缩装置包括二氧化碳压缩机18和第一冷凝器19。二氧化碳压缩机18与二氧化碳再生塔5之间通过第二排气管道56相连，第二排气管道56上设有第二冷凝器33和回流泵34。再生气体由二氧化碳再生塔5的气体出口排出，通过第二冷凝器33冷凝，冷凝的水通过回流泵34泵回二氧化碳再生塔5，冷凝后的气体进入二氧化碳压缩机18压缩以便后续的储运。
57.烟气预处理塔3与燃煤锅炉1连接的第二排烟管道49上设置二氧化碳浓度第一测点41与气体流量第一测点42。二氧化碳捕集装置中二氧化碳吸收塔4与环境大气连接的第一排气管道51上设置二氧化碳浓度第二测点43与气体流量第二测点44。二氧化碳再生塔5
与二氧化碳压缩机18间连接的第二排气管道56上设置二氧化碳浓度第三测点45与气体流量第三测点46。
58.水电解装置包括电解槽20、氢气提纯器21和氧气提纯器22，由燃煤发电装置产生的电力提供水电解所需的能量。
59.甲醇合成装置包括气体混合器23、压缩机24、电热催化反应器25、甲醇提纯器26、甲醇储罐27。气体混合器23与二氧化碳捕集装置通过排气管道支路57连接，排气管道支路57上设置调节阀35；气体混合器23与水电解装置通过排氢管道58连接；二氧化碳与氢气在气体混合器23混合后，经由压缩机24压缩，进入电热催化反应器25反应，产生的反应混合物经甲醇提纯器26分离，甲醇产物进入甲醇储罐27存储。其余反应混合物经净化器36净化后，由循环水泵38泵送，通过回水管道59进入电解槽20循环利用，同时由补水口37引入外部水保证电解耗水需求。压缩机24和电热催化反应器25由汽机发电机组2产生的电力提供能量。
60.甲醇发电装置包括甲醇内燃机28和发电机29。甲醇内燃机28与甲醇储罐27通过燃料管道60相连，燃料管道60上设置调节阀39；利用甲醇合成装置制取的甲醇在甲醇内燃机28中燃烧，带动发电机29产生电能。甲醇内燃机28还与二氧化碳捕集装置的烟气预处理塔3通过第三排烟管道61相连，第三排烟管道61上设置烟气换热器40，甲醇内燃机28产生的高温烟气经过换热后进入二氧化碳捕集装置，循环利用二氧化碳。
61.实施例2
62.请参阅附图2为耦合二氧化碳捕集与利用的调峰发电方法的流程图，其采用实施例1所述的耦合二氧化碳捕集与利用的调峰发电系统，所述的调峰发电方法包括如下步骤：
63.步骤1：判断燃煤发电装置实际上网功率是否大于电网需求功率，是，执行步骤2；否，执行步骤5。
64.步骤2：判断燃煤发电装置发电功率是否大于最低保证功率，是，降低燃煤发电装置发电功率；否，执行步骤3。
65.步骤3：判断二氧化碳捕集装置与二氧化碳压缩装置是否处于最高运行水平，是，执行步骤4；否，提高二氧化碳捕集装置与二氧化碳压缩装置运行水平。
66.步骤4：启动水电解装置与甲醇合成装置，使燃煤发电装置实际上网功率保持在电网需求功率。
67.步骤5：判断燃煤发电装置是否处于满负荷状态，是，执行步骤6；否，提高燃煤发电装置发电功率。
68.步骤6：判断二氧化碳捕集装置与二氧化碳压缩装置是否大于最低保证的二氧化碳捕集率和捕集量，是，降低二氧化碳捕集装置与二氧化碳压缩装置运行水平，关闭水电解装置和甲醇合成装置；否，执行步骤7。
69.步骤7：启动甲醇发电装置，使燃煤发电装置实际上网功率达到并保持在电网需求功率。
70.二氧化碳的捕集率的计算公式为：
71.η
co2
＝(c
invin-c
outvout
)/c
invin
72.其中，η
co2
为二氧化碳捕集率；c
in
为进入二氧化碳吸收塔的烟气二氧化碳浓度，％；v
in
为进入二氧化碳吸收塔的烟气流量，nm3/h；c
out
为排出二氧化碳吸收塔的烟气二氧化碳浓度，％；v
out
为排出二氧化碳吸收塔的烟气流量，nm3/h。
73.二氧化碳捕集量的计算公式为：
74.q
co2
＝c
rvr
t
75.其中，q
co2
为二氧化碳捕集量，nm3；cr为排出二氧化碳再生塔的烟气二氧化碳浓度，％；vr为排出二氧化碳再生塔的烟气流量，nm3/h，t为二氧化碳捕集量考察时间，h。
76.在需要提高二氧化碳捕集装置运行水平时，增加汽机发电机组向再沸器提供的蒸汽流量，提高再沸器热负荷；在需要降低二氧化碳捕集装置运行水平时，减少汽机发电机组向再沸器提供的蒸汽流量，降低再沸器热负荷。
77.在需要提高二氧化碳捕集装置运行水平时，还可以在提高再沸器负荷的同时，增大燃煤锅炉与烟气预处理塔间排烟管道的旁路阀门开度，增加进入烟气预处理塔的烟气流量；在需要降低二氧化碳捕集装置运行水平时，还可以在降低再沸器负荷的同时，减小燃煤锅炉与烟气预处理塔间排烟管道的旁路阀门开度，减小进入烟气预处理塔的烟气流量。
78.在需要提高二氧化碳捕集装置运行水平时，还可以开启富液存储器与再生塔间阀门，向再生塔引入富液，同时开启贫液存储器与再生塔间阀门，向贫液存储器引入同等流量的贫液；在需要降低二氧化碳捕集装置运行水平时，还可以开启吸收塔与富液存储器间阀门，向富液存储器中引入富液，同时开启贫液存储器与吸收塔间阀门，向吸收塔引入同等流量的贫液。