燃煤机组实现近0碳排放的碳捕集系统的制作方法

燃煤机组实现近0碳排放的碳捕集系统
(一)技术领域：
1.本发明燃煤机组实现近0碳排放的碳捕集系统涉及一种与大、中型燃煤发电机组的热力系统相耦合的低能耗、低成本、超大型的电站锅炉排烟全额连续脱碳，燃煤机组实现近0碳排放的碳捕集系统；走出一条与欧、美、以弃煤为核心不同的技术路径，即，发展并保留相当比例的高效近0碳排放的燃煤热电冷联产机组和纯凝机组为支撑，与大型风光电基地为基础和以稳定安全可靠的特高压输变电线路为载体相结合的新型能源供给消纳体系。
(二)

背景技术：

2.2021年中国燃煤发电机组以不到50％的装机容量占比，提供了60％以上的电量，70％以上的高峰负荷；燃煤发电机组又是中国主要的碳排放源，约占到中国碳排放总量的43％；燃煤电站锅炉的排烟中，co2排放浓度约14％，比大气中co2的浓度421ppm要高多了。
3.中国燃煤电站锅炉的大气污染物近零排放标准，so235mg/m3、no
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50mg/m3、烟尘10mg/m3是全世界最严格的排放标准，至2021年12月，中国已有11亿kw装机容量的煤电机组已经达到或者优于上述标准。
4.ccus(carbon capture utilization and storage碳捕集、利用与封存)是一种行之有效的减碳技术，联合国政府间气候变化专门委会员(ipcc)评估，如果不采用ccus技术，全球碳减排的成本将成倍增加。
5.ccus是目前实现化石能源低碳化利用的唯一技术选择。中国能源系统规模庞大、需求多样，未来应积极构建以高比例可再生能源为主导，核能、化石能源等多元互补的清洁低碳、安全高效的现代能源体系。2019年，煤炭占中国能源消费的比例高达58％，根据已有研究的预测，到2050年，化石能源仍将扮演重要角色，占中国能源消费比例的10％-15％。ccus将是实现该部分化石能源近零排放的唯一技术选择。ccus是保持电力系统灵活性的主要技术手段。大幅度提高非化石电力比例，必将导致电力系统在供给端和消费端不确定性的显著增大，影响电力系统的安全稳定。充分考虑电力系统实现快速减排并保证灵活性、可靠性等多重需求，火电加装ccus是具有竞争力的重要技术手段，可实现近零碳排放，提供稳定清洁电力，平衡可再生能源发电的波动性，并在避免季节性或长期性的电力短缺方面发挥惯性支撑和频率控制等重要作用。ccus是钢铁水泥等难以减排行业低碳转型的可行技术选择。ccus与新能源耦合的负碳排放技术beccs是重要技术保障。
6.美国ccus项目可以通过联邦政府的45q税收抵免(tax credit)和加州政府的低碳燃料标准(california low carbon fuel standard)获得联邦政府和地方的财政支持。45q税收抵免政策经过2018年的修订后，补助金额大幅提升，co2地质封存的补贴价格由25.7美元/t co2递增至50美元/t co2，可以确保ccus项目现金流的长期稳定，大大降低财务风险。
7.在ccus技术当中，最关键的一项技术就是co2捕集技术。
8.现有技术的燃煤发电机组碳捕集技术的主流是醇胺吸收法。
9.对传统的醇胺吸收方法存在吸收再生能耗比较高，抗氧化程度比较低，吸收材料容易蒸发，对设备的腐蚀性比较强等问题，中国石化系统针对此情况，以mea(单乙醇胺)法
为主，添加活性胺、缓蚀剂、抗氧化剂等辅助成分复合msa溶剂，吸收能力提高了30％，再生能耗下降20％，氧化的降解率由3.08％下降到0.52％；日本的ccus开发团队发现，异佛尔酮二胺溶液可将空气中99％的二氧化碳转化为固体氨基甲酸沉淀物，且散落在溶液中的固体只需加热到60摄氏度即可将捕获的二氧化碳完全释放出来，使原始液体能被回收。
10.ccus目前整体技术还处在一种高能耗、高成本的状况，几十年以来发展缓慢，建成的示范工程使用率低，商业化前景不明朗；中国工程院建立了co2捕集技术发展图谱，这个图谱揭示，大概从现在成本350-400人民币每吨，到了2030年左右，可能降到250块钱每吨，到2050年左右或者2045年左右可以降到100块钱每吨左右。在驱油埋存的整个捕集、输送和注入过程当中，捕集成本大概占了70％，如果捕集成本能够大幅度下降，ccus整个的成本也就降下来了。
11.2021年建立的全国统一的碳交易市场的碳排放配额(cea)的平均价不到60元/吨，显然醇胺吸收法捕集co2，350-400元/吨的成本无法持续发展。以现职国家气候变化专家委员会副主任为代表，对ccus的看法更为负面：ccus技术最早应用于上世纪70年代的石油产业，通过将二氧化碳注入油田，提升油田采收率。但该技术和森林碳汇一样，不会起到关键性和实质性的作用。一方面，ccus技术成本高昂，不具备经济性；另一方面，受制于地质条件，碳封存能够实现的规模十分有限。从经济性来说，ccus成本居高不下，仅仅是增加捕集这一个环节，就会使煤电项目的成本翻一倍，这还不包括储存、运输、封存、监测等环节的费用。我在1997年担任联合国政府间气候变化专门委员会(ipcc)减缓工作组的高级经济学家，做有关气候变化的经济学减缓评估支撑工作，当时ccus被称为“地球工程”，但几十年过去了，该项技术的成本一直没有明显下降，在未来也很难具有经济性。绝不能作为减排的主要方式对于其寄予厚望。我认为以新能源+储能取代化石能源是主要的、唯一的解决方案。
12.至今，2022年10月，全世界还没有大、中型燃煤机组锅炉排烟全额连续脱碳，实现近0碳排放的工程记录。
13.当温度高于31.1℃，压力高于7.38mpa时，co2便进入到了超临界状态，在物理特性上超临界态co2兼有气体和液体的双重特性；co2的临界温度和临界压力远低于水的临界温度和临界压力，容易达到和保持超临界状态，有利于工程应用；超临界co2具有液体特性，密度大、传热效率高、做功能力强；超临界co2兼具气体特性，粘性小，流动性强，系统循环损耗小；在co2地质储存中，大多数储层的温度和压力均达到了co2临界点以上，co2常常是以超临界状态储存于地质体中。
14.我们正努力构建的新型电力系统在发电侧的最大特征是高比例清洁能源。一方面，随着经济社会向高质量发展阶段迈进，第三产业和居民用电占比不断攀升，负荷“尖峰化”、“季节性”特性显著；负荷侧大量分布式新能源接入导致源、荷界限模糊，给电力供应增加了挑战；另一方面，风电、光电固有的间歇性、波动性和随机性导致供应端的稳定性和可控性降低，叠加枯水期水电出力受阻，容易引发高比例可再生能源电力系统的结构性缺电。由于电力系统供需起始状态所跨的时间尺度和调节持续时间不同，灵活性需求还表现出短、中、长等不同尺度的时间特性。
15.风电、光电每mw装机容量所需要的投资，在近10年中显著下降，中国已连续多年保持风电、光电装机容量和装机容量增速世界第一；同一家发电公司的风电、光电板块大幅盈利，煤电板块则大幅亏损几乎成为高煤价下的常规；但是，风电、光电的低能量密度、低年利
用小时数，固有的间歇性、波动性和随机性并无改善；高比例的风电、光电必须配备高比例的储能和一定数量的具备高度灵活性的火电(包括煤电、气电、油电、联合循环发电)作为压仓石，否则新型电力系统不能安全运行。
16.vpp(virtual power plant虚拟电厂)是一种通过先进信息通信和监测控制技术，实现海量分布式新能源、储能系统、可控负荷、电动汽车等资源的聚合和协调优化，作为一个特殊电厂参与电力系统运行和电力市场交易的电源协调管理系统，对外表现为一个正、负可控电源，成为新型电力系统满足短、中、长等不同尺度的时间特性的灵活性需求的重要手段。
17.基于我国多煤、缺油、少气的能源禀赋，寻找节能又具有高经济性的大规模碳捕集技术路径，创造一种技术经济可行的燃煤机组实现近0碳排放的碳捕集系统，对我国保证能源安全和构建高比例清洁能源的新型电力系统，具有关键性和实质性的意义，或将重新定义绿色煤电，重新定义ccus，重新定义煤电的灵活性，在全世界也将有广阔的市场。
(三)

技术实现要素：

18.所要解决的技术问题：
19.寻找一种低能耗、低成本、超大型的电站锅炉排烟全额连续脱碳，燃煤机组实现近0碳排放的碳捕集系统。
20.解决其技术问题采用的技术方案：
21.本发明燃煤机组实现近0碳排放的碳捕集系统，摒弃醇胺吸收法和物理吸附方法，采取与现有技术完全不同的技术路线；在常温(20℃-50℃脱硫塔出口或湿式电除尘出口)下，将符合大气污染物近零排放标准的燃煤电站锅炉的净烟气，使用捕碳多级透平式压缩机绝热压缩，经a组、b组、c组凝结水加热器吸热降温后，打入超临界co2分离器，在超临界co2分离器内，压力超过7.38mpa后(由于气体压缩过程的热效应温度必然超过31.1℃)，排烟中的co2由气态转变为超临界流体，超临界流体的重度比气体重度大两个数量级，超临界co2与排烟中的氮气、氧气分离，集聚在超临界co2分离器的下部；在电站锅炉排烟中，主要成分为氮气(约79％)、co2(约14％)、氧气(约6％)，排烟中氮气加氧气的质量大约是co2质量的6倍，使用排烟压缩超临界相变法捕集电站锅炉全部排烟中的co2大约要消耗30％的发电机输出功率，成为难以接受的高能耗工艺；为有效降低排烟压缩超临界相变法碳捕集系统的能耗，本发明发现看似无用的高焓值氮气加氧气经多级透平式气体膨胀机绝热膨胀到1ata，成为低温氮气加氧气，经回转式净烟气预冷器，足以预冷从烟道吸入的符合大气污染物近零排放标准的燃煤电站锅炉的净烟气，并不增加捕碳多级透平式压缩机需要压缩的净烟气的质量流量，同时，净烟气中携带的少量水蒸汽、so2、so3、no
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及其他微量易凝结气体在回转式净烟气预冷器的传冷元件中凝结，从回转式净烟气预冷器底部的集液槽排出，净烟气中的微量粉尘也被携带排出；经预冷后的净烟气容积流量显著减少，重度增大，捕碳多级透平式气体压缩机所需要的轴功率显著下降；现代高速可调多级透平式压缩机在宽工况范围内的效率可以做到85％，现代定速多级透平式气体膨胀机的效率可以做到90％，定速多级透平式气体膨胀机回输的电能，本发明特有的回转式净烟气预冷器回冷技术带来的高速可调多级透平式压缩机轴功率的下降，再加上凝结水加热器对压缩热有效利用带来的主机增发的电量，使高速可调多级透平式压缩机的实际耗电量降到发电机输出功率的10％或者更低；以
1000mw的一次再热超超临界发电机组，年利用小时数7000小时框算，年发电量70亿kwh，用于捕碳净耗电7亿kwh，年捕碳350万吨co2，合200kwh/t co2，如按上网电价0.5元/kwh计，为100元/t co2，也就是已达到中国工程院建立的co2捕集技术发展图谱的2045年的期望值；如果按电厂的发电成本价0.3元/kwh计，为60元/t co2，大约与2021年碳排放配额(cea)的平均价60元/t co2持平，高效煤电+ccus已经具备与新能源+储能同场市场化竞争的基本经济性条件；10％的全额碳捕集电耗与75％的抽水蓄能效率、70％的新型压缩空气储能效率、70的电化学储能效率相比较，经济性并不一定处于下风；再加上与碳捕集的环节相关的一些技术政策，一些财税政策，降低碳捕集的成本，能够有效推动ccus技术进步；
22.本发明燃煤机组实现近0碳排放的碳捕集系统的技术特征是包括捕碳中频变频电源(1)、捕碳高速同步电动机(2)、捕碳多级透平式气体压缩机(3)、超临界co2分离器(4)、凝结水加热器(5)、回转式净烟气预冷器(6)、同步发电机(7)、多级透平式气体膨胀机(8)、超临界co2输送泵(9)、超临界co2暂存球罐(10)、超临界co2输出泵(11)、测量控制子系统；捕碳多级透平式气体压缩机(3)由同轴的a、b、c、3个压缩段构成；a压缩段为双流通道结构，第1级和第2级叶片使用航空锻铝材质，b压缩段和c压缩段单流，马氏体不锈钢叶片；捕碳中频变频电源(1)经捕碳高速同步电动机(2)直连驱动捕碳多级透平式气体压缩机(3)；捕碳多级透平式气体压缩机(3)与测量控制子系统协同保证捕碳多级透平式气体压缩机组在包括但不限于启动工况、0.1mpa到8.5mpa的超临界压力升压工况、不同烟气量负荷下稳定在8.5mpa的超临界压力工况下的安全和高效；全程变转速、变压缩比调节，以适应不同烟气量负荷和超临界co2分离器的即时压力及合理升压速度；在所述的a、b、c、3个压缩段的出口分别与凝结水加热器(5)连接，不仅可以明显降低捕碳多级透平式压缩机(3)需要的驱动轴功率，还可以控制超临界co2分离器(4)、超临界co2暂存球罐(10)的工作温度不超过350℃设计值，工作压力不超过12mpa设计值，降低造价，提高承压容器的抗疲劳寿命；超临界co2分离器(4)为切向进气的离心式分离器，马氏体不锈钢材质，或者碳钢不锈钢复合钢板制造，设计承压能力12mpa，设计温度350℃；回转式净烟气预冷器(6)为传冷元件回转式净烟气预冷器，2分仓结构，上下烟道、转子的分仓隔板及全部传冷元件采用不锈钢材质，全端面接触式密封，净烟气中携带的少量水蒸汽、so2、so3、no
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及其他微量易凝结气体在回转式净烟气预冷器的传冷元件中凝结，从回转式净烟气预冷器(6)底部的集液槽排出，净烟气中的微量粉尘也被携带排出；捕碳多级透平式气体膨胀机(8)由1个膨胀段构成，与同步发电机(7)直连，同步发电机(7)的输出与电网并列，同频同相，将高压氮气加氧气的内能高效转化回电网需要的电能的同时，输出常压低温氮气和氧气；所述的常压低温氮气和氧气经回转式净烟气预冷器(6)预冷符合大气污染物近零排放标准的燃煤电站锅炉的净烟气；超临界co2暂存球罐(10)的承压层由可焊性良好的珠光体低合金钢锻件焊接制成，内层堆焊马氏体不锈钢防止超临界态co2的腐蚀，承压层向外有真空隔热外壳层、硅酸铝棉毡耐高温保温层、聚氨脂泡沫保温层、铝质外护板，设计工作压力12mpa，设计工作温度350℃，底部有超临界态co2输出管道进口及相应的阀门；超临界co2输送泵(9)的进口连接超临界co2分离器(4)底部的超临界co2出口，超临界co2输送泵(9)的出口连接超临界co2暂存球罐(10)的超临界co2进口管道，始终维持输送全过程中，co2的超临界态；超临界co2暂存球罐(10)的超临界co2出口管道与超临界co2输出泵(11)的进口连接，超临界co2输出泵(11)的出口与超临界co2输出管道系统连接，超临界co2输出泵(11)的出口压力12mpa，最大输送距离250km，无需使用中途
升压泵，始终维持输送全过程中，co2的超临界态；捕碳中频变频电源(1)为巨型功率模块串联式高压变频电源，输入3相6kv/10kv工频、输出3相1hz到120hz、0.06kv/0.1kv-6kv/10kv、过载系数1.5；具有启动模式和节能模式两种运行模式；启动模式，包括0转速启动和旋转启动具有矢量控制特性；节能模式，具有vvvf特性；igbt功率电子器件水冷；捕碳中频变频电源(1)包括捕碳高速同步电动(2)所需要的静态励磁装置和同步发电机(7)所需要的静态励磁装置；捕碳中频变频电源(1)的主控板与静态励磁装置的主控板之间互相通讯，保证捕碳高速同步电动机(2)不失步，同时保持高效率、高功率因素；保证同步发电机(7)出口电压和功率因素在目标值；捕碳中频变频电源(1)在驱动捕碳多级透平式压缩机(3)的捕碳工况时，受测量控制子系统控制，全程使用捕碳中频变频电源(1)；全程提供同步发电机(7)需要的励磁电流，稳定同步发电机(7)的出口电压和功率因素在目标值；捕碳高速同步电动机(2)强制通风、水空冷、防护等级ip54；同步发电机(7)水氢氢方式冷却；多级透平式气体膨胀机(8)配有调速气门、自动主气门和旁路节流阀，自动准同期装置，具有使用高压氮气、氧气混合物，冲转、升速、暖机、同期并网的能力。
23.发明的有益效果：
24.●
中国具有全世界最严格的燃煤电站大气污染物排放标准，全国已有11亿kw以上装机容量的燃煤发电机组已完成大气污染物近零排放改造，所述的已完成的改造是排烟脱碳和排烟储能非常需要的预处理，既降低了排烟捕碳、储能系统能耗，也降低了排烟捕碳、储能的基建投资；
25.●
本发明燃煤机组实现近0碳排放的碳捕集系统属于燃烧后碳捕集，容易实现大型化、模块化，既适用于新建高效燃煤机组，也适合所有已完成大气污染物近零排放改造的现役燃煤机组，在推广以快速、节能、节水的启停方式提升燃煤机组的灵活性的语景下，一套近0碳排放的碳捕集系统可以通过烟道的连接和切换，为多台燃煤机组分时服务；
26.●
与燃煤机组相比较，单循环燃气轮机的尾气和复合循环燃气轮机的余热锅炉排烟的共有特点是水蒸汽的分压高，温度也偏高，在单循环燃气轮机的尾部和复合循环燃气轮机的余热锅炉排烟部位布置凝结式受热面(例如加热自来水，向社区供生活用热水)，回收烟气中的水份的凝结热，降低烟气温度后，也可以引入本发明进行近0碳排放改造；
27.●
燃煤发电机组成功完成大气污染物近零排放改造提示，水泥行业、化工行业、钢铁行业的含co2较高的尾气也可以通过余热利用、大气污染物近零排放改造，作为ccus的预处理；本发明燃煤机组实现近0碳排放的碳捕集系统可以移植到水泥、化工、钢铁行业，使水泥生产0碳化，使灰氢转变为绿氢并进一步开发氢+co2大规模生产甲醇的工艺；
28.●
捕碳多级透平式气体压缩机由同轴的a、b、c、3个压缩段构成；a压缩段为双流通道结构，第1级和第2级叶片使用航空锻铝材质，b压缩段和c压缩段单流，马氏体不锈钢叶片；捕碳中频变频电源经捕碳高速同步电动机直连驱动捕碳多级透平式气体压缩机，从0转速启动过程柔和、平稳，最大启动电流不会超过额定电流；全程变转速、变压缩比调节，可以在不同烟气量负荷条件下，将超临界co2分离器内的压力稳定在8.5mpa下经济运行；成为体量巨大的可控负荷，成为vpp改善新型电力系统满足短、中、长等不同尺度的时间特性的灵活性需求的重要手段；同样几何尺寸通流的捕碳多级透平式气体压缩机，使用高速同步电动机驱动时的最大轴功率是使用工频同步电动机驱动时的8倍，随着功率电子器件igbt的高频性能进一步改善，最大轴功率还有进一步提升的空间；
29.●
本发明燃煤机组实现近0碳排放的碳捕集系统的推广应用可以显著改善燃煤机组的生态，显著提高燃煤机组的年利用小时数，降低年平均发电煤耗，恢复燃煤机组的盈利能力，更好地发挥高效煤电的压仓石保底作用，高效煤电+ccus已经具备与新能源+储能同场市场化竞争的基本经济性条件；
30.●
多级透平式气体膨胀机的制冷能效显著高于节流膨胀调节阀，还可以输出可观的轴功率，经同步发电机反输回电网；
31.●
凝结水加热器由a、b、c、3组表面式换热器串联组成，分别与捕碳多级透平式气体压缩机的a、b、c、3个压缩段的出口连接，经凝结水冷却后的净烟气进入下一压缩段的进口或者超临界co2分离器的进口，所述的系统连接方式特别适合燃煤机组实现近0碳排放所需要的全额连续捕碳的压缩热的消纳，不受“储热、再热子系统”热容量有限的限制，是实现全额连续捕碳的压缩热的消纳的重要技术措施；
32.●
回转式净烟气预冷器在本发明中，低沸点的氮气和氧气成为回冷技术中冷能的携带者，每一kj的低温制冷成果都来之不易，回冷技术是低温制冷成果的重复使用，使co2捕集过程的能耗下降近6倍；
33.●
回转式净烟气预冷器的回冷效率(考虑容积泄漏、动密封面泄漏和绝热不理想带来的冷泄漏)可达99％，且具有金属耗量少，体积小和维护量小的优点；
34.●
本发明燃煤机组实现近0碳排放的碳捕集系统以10％的捕碳用电率达成全额高碳电(包括所述的10％左右的捕碳用电)向0碳电的转变，与“新能源+储能完全取代化石能源”相比较，其经济性具有强大的竞争力；高效煤电+低能耗ccus与新能源+储能互生共存，在充分市场化的竞争中共同发展，两条腿走路或许更加符合中国多煤、缺油、少气的能源禀赋；走出一条与欧、美、加以弃煤为核心不同的技术路径，对我国具有关键性和实质性的意义；
35.●
co2不可能在常压(1ata)低温下以液态形式储存、输送；常压(1ata)低温(-78.5℃)下，并不经过液态，直接由气态转为固态，反之亦然；超临界态co2在温度高于31.1℃，压力低于7.38mpa时，并不经过液态，直接由超临界态转为气态，反之亦然；长距离、高质量流量的co2管道输送，最方便的形态也是超临界态co2；本发明超临界co2输出泵的出口压力达12mpa或者更高，通过超临界co2管道输送系统，无需中途增压泵，最大输送距离达250km，还可以直接向匹配的地质体灌注，显著降低超临界态co2的输送、利用与封存的成本；
36.●
ccus与生物质能(例如大规模培植、掺烧芦竹)相结合的beccs(生物质能捕集与封存)是货真价实的负碳技术，可以大规模消减由于历史原因存留在大气中的co2，是新能源+储能无法做到的。
(四)附图说明：
37.图1为燃煤机组实现近0碳排放的碳捕集系统的系统图
38.在图1中：
39.1捕碳中频变频电源、
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2捕碳高速同步电动机、
40.3捕碳多级透平式气体压缩机、
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4超临界co2分离器、
41.5凝结水加热器、
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6回转式净烟气预冷器、
42.7同步发电机、
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8多级透平式气体膨胀机、
43.9超临界co2输送泵、
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10超临界co2暂存球罐、
44.11超临界co2输出泵。
(五)具体实施方式：
45.实施例1：
46.现结合图1以一台1000mw的超超临界一次再热燃煤机组实现近0碳排放的碳捕集系统为例，说明实现发明的优选方式。
47.本发明燃煤机组实现近0碳排放的碳捕集系统，摒弃醇胺吸收法和物理吸附方法，采取与现有技术完全不同的技术路线；在常温(20℃-50℃脱硫塔出口或湿式电除尘出口)下，将符合大气污染物近零排放标准的燃煤电站锅炉的净烟气，使用捕碳多级透平式压缩机绝热压缩，经a组、b组、c组凝结水加热器吸热降温后，打入超临界co2分离器，在超临界co2分离器内，压力超过7.38mpa后(由于气体压缩过程的热效应温度必然超过31.1℃)，排烟中的co2由气态转变为超临界流体，超临界流体的重度比气体重度大两个数量级，超临界co2与排烟中的氮气、氧气分离，集聚在超临界co2分离器的下部；在电站锅炉排烟中，主要成分为氮气(约79％)、co2(约14％)、氧气(约6％)，排烟中氮气加氧气的质量大约是co2质量的6倍，使用排烟压缩超临界相变法捕集电站锅炉全部排烟中的co2大约要消耗30％的发电机输出功率，成为难以接受的高能耗工艺；为有效降低排烟压缩超临界相变法碳捕集系统的能耗，本发明发现看似无用的高焓值氮气加氧气经多级透平式气体膨胀机绝热膨胀到1ata，成为低温氮气加氧气，经回转式净烟气预冷器，足以预冷从烟道吸入的符合大气污染物近零排放标准的燃煤电站锅炉的净烟气，同时，净烟气中携带的少量水蒸汽、so2、so3、no
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及其他微量易凝结气体在回转式净烟气预冷器的传冷元件中凝结，从回转式净烟气预冷器底部的集液槽排出，净烟气中的微量粉尘也被携带排出；经预冷后的净烟气容积流量显著减少，重度增大，捕碳多级透平式气体压缩机所需要的轴功率显著下降；现代高速可调多级透平式压缩机在宽工况范围内的效率可以做到85％，现代定速多级透平式气体膨胀机的效率可以做到90％，定速多级透平式气体膨胀机回输的电能，本发明特有的回转式净烟气预冷器回冷技术带来的高速可调多级透平式压缩机轴功率的下降，再加上凝结水加热器对压缩热有效利用带来的主机增发的电量，使高速可调多级透平式压缩机的实际耗电量降到发电机输出功率的10％或者更低；以1000mw的一次再热超超临界发电机组，年利用小时数7000小时框算，年发电量70亿kwh，用于捕碳净耗电7亿kwh，年捕碳350万吨co2，合200kwh/t co2，如按上网电价0.5元/kwh计，为100元/t co2，也就是已达到中国工程院建立的co2捕集技术发展图谱的2045年的期望值；如果按电厂的发电成本价0.3元/kwh计，为60元/t co2，大约与2021年碳排放配额(cea)的平均价60元/t co2持平，煤电+ccus已经具备与新能源+储能同场市场化竞争的基本条件；10％的全额碳捕集电耗与75％的抽水蓄能效率、70％的压缩空气储能效率、70的电化学储能效率相比较，并不一定处于下风；在碳捕集的环节相关的一些技术政策，一些财税政策，对降低碳捕集的成本，能够有效推动技术进步；
48.本发明燃煤机组实现近0碳排放的碳捕集系统的技术特征是包括捕碳中频变频电源(1)、捕碳高速同步电动机(2)、捕碳多级透平式气体压缩机(3)、超临界co2分离器(4)、凝结水加热器(5)、回转式净烟气预冷器(6)、同步发电机(7)、多级透平式气体膨胀机(8)、超临界co2输送泵(9)、超临界co2暂存球罐(10)、超临界co2输出泵(11)、测量控制子系统；
49.捕碳多级透平式气体压缩机(3)由同轴的a、b、c、3个压缩段构成；a压缩段为双流通道结构，第1级和第2级叶片使用航空锻铝材质，b压缩段和c压缩段单流马氏体不锈钢叶片；捕碳中频变频电源(1)经捕碳高速同步电动机(2)直连驱动；捕碳多级透平式气体压缩机(3)与测量控制子系统协同保证捕碳多级透平式气体压缩机组在包括但不限于启动工况、0.1mpa到8.5mpa的超临界压力升压工况、不同烟气量负荷下稳定在8.5mpa的超临界压力工况下的安全和高效；全程变转速、变压缩比调节，以适应不同烟气量负荷和超临界co2分离器的即时压力及合理升压速度；在所述的a、b、c、3个压缩段的出口分别与凝结水加热器(5)连接，不仅可以明显降低捕碳多级透平式压缩机(3)需要的驱动轴功率，还可以控制超临界co2分离器(4)、超临界co2暂存球罐(10)的工作温度不超过350℃设计值，工作压力不超过12mpa设计值，降低造价，提高承压容器的抗疲劳寿命；
50.超临界co2分离器(4)为切向进气的离心式分离器，马氏体不锈钢材质，或者碳钢不锈钢复合钢板制造，设计承压能力12mpa，设计温度350℃；
51.回转式净烟气预冷器(6)为传冷元件回转式净烟气预冷器，2分仓结构，上下烟道、转子的分仓隔板及全部传冷元件采用不锈钢材质，全端面接触式密封，净烟气中携带的少量水蒸汽、so2、so3、no
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及其他微量易凝结气体在回转式净烟气预冷器的传冷元件中凝结，从回转式净烟气预冷器底部的集液槽排出，净烟气中的微量粉尘也被携带排出；
52.捕碳多级透平式气体膨胀机(8)由1个膨胀段构成，与同步发电机(7)直连，同步发电机(7)的输出与电网并列，同频同相，将高压氮气加氧气的内能高效转化回电网需要的电能的同时，输出常压低温氮气和氧气；所述的常压低温氮气和氧气经回转式净烟气预冷器(6)预冷符合大气污染物近零排放标准的燃煤电站锅炉的净烟气；
53.超临界co2暂存球罐(10)的承压层由可焊性良好的珠光体低合金钢锻件焊接制成，内层堆焊马氏体不锈钢防止超临界态co2的腐蚀，承压层向外有真空隔热外壳层、硅酸铝棉毡耐高温保温层、聚氨脂泡沫保温层、铝质外护板，设计工作压力12mpa，设计工作温度350℃，底部有超临界态co2输出管道进口及相应的阀门；
54.超临界co2输送泵(9)的进口连接超临界co2分离器(4)底部的超临界co2出口，超临界co2输送泵(9)的出口连接超临界co2暂存球罐(10)的超临界co2进口管道，始终维持输送全过程中，co2的超临界态；超临界co2暂存球罐(10)的超临界co2出口管道与超临界co2输出泵(11)的进口连接，超临界co2输出泵(11)的出口压力12mpa与超临界co2输出管道系统连接，最大输送距离250km，无需中途升压泵，始终维持输出全过程中，co2的超临界态；
55.捕碳中频变频电源(1)为巨型功率模块串联式高压变频电源，输入3相6kv/10kv工频、输出3相1hz到120hz、0.06kv/0.1kv-6kv/10kv、过载系数1.5；具有启动模式和节能模式两种运行模式；启动模式，包括0转速启动和旋转启动具有矢量控制特性；节能模式，具有vvvf特性；igbt功率电子器件水冷；捕碳中频变频电源(1)包括捕碳高速同步电动(2)所需要的静态励磁装置和同步发电机(7)所需要的静态励磁装置；捕碳中频变频电源(1)的主控板与静态励磁装置的主控板之间互相通讯，保证捕碳高速同步电动机(2)不失步，同时保持高效率、高功率因素；保证同步发电机(7)出口电压和功率因素在目标值；捕碳中频变频电源(1)在驱动捕碳多级透平式压缩机(3)的捕碳工况时，受测量控制子系统控制，全程使用捕碳中频变频电源(1)；全程提供同步发电机(7)需要的励磁电流，稳定同步发电机(7)的出口电压和功率因素在目标值；捕碳高速同步电动机(2)强制通风、水空冷、防护等级ip54；同
步发电机(7)水氢氢方式冷却；多级透平式气体膨胀机(8)配有调速气门、自动主气门和旁路节流阀，自动准同期装置，具有使用高压氮气、氧气混合物，冲转、升速、暖机、同期并网的能力。

技术特征：
1.一种燃煤机组实现近0碳排放的碳捕集系统，其特征在于：包括捕碳中频变频电源(1)、捕碳高速同步电动机(2)、捕碳多级透平式气体压缩机(3)、超临界co2分离器(4)、凝结水加热器(5)、回转式净烟气预冷器(6)、同步发电机(7)、多级透平式气体膨胀机(8)、超临界co2输送泵(9)、超临界co2暂存球罐(10)、超临界co2输出泵(11)、测量控制子系统；捕碳多级透平式气体压缩机(3)由同轴的a、b、c、3个压缩段构成；a压缩段为双流通道结构，第1级和第2级叶片使用航空锻铝材质，b压缩段和c压缩段单流，马氏体不锈钢叶片；捕碳中频变频电源(1)经捕碳高速同步电动机(2)直连驱动捕碳多级透平式气体压缩机(3)；捕碳多级透平式气体压缩机(3)与测量控制子系统协同保证捕碳多级透平式气体压缩机组在包括但不限于启动工况、0.1mpa到8.5mpa的超临界压力升压工况、不同烟气量负荷下稳定在8.5mpa的超临界压力工况下的安全和高效；全程变转速、变压缩比调节，以适应不同烟气量负荷和超临界co2分离器的即时压力及合理升压速度；在所述的a、b、c、3个压缩段的出口分别与凝结水加热器(5)连接，不仅可以明显降低捕碳多级透平式压缩机(3)需要的驱动轴功率，还可以控制超临界co2分离器(4)、超临界co2暂存球罐(10)的工作温度不超过350℃设计值，工作压力不超过12mpa设计值，降低造价，提高承压容器的抗疲劳寿命；超临界co2分离器(4)为切向进气的离心式分离器，马氏体不锈钢材质，或者碳钢不锈钢复合钢板制造，设计承压能力12mpa，设计温度350℃；回转式净烟气预冷器(6)为传冷元件回转式净烟气预冷器，2分仓结构，上下烟道、转子的分仓隔板及全部传冷元件采用不锈钢材质，全端面接触式密封，净烟气中携带的少量水蒸汽、so2、so3、no
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及其他微量易凝结气体在回转式净烟气预冷器的传冷元件中凝结，从回转式净烟气预冷器(6)底部的集液槽排出，净烟气中的微量粉尘也被携带排出；捕碳多级透平式气体膨胀机(8)由1个膨胀段构成，与同步发电机(7)直连，同步发电机(7)的输出与电网并列，同频同相，将高压氮气加氧气的内能高效转化回电网需要的电能的同时，输出常压低温氮气和氧气；所述的常压低温氮气和氧气经回转式净烟气预冷器(6)预冷符合大气污染物近零排放标准的燃煤电站锅炉的净烟气；超临界co2暂存球罐(10)的承压层由可焊性良好的珠光体低合金钢锻件焊接制成，内层堆焊马氏体不锈钢防止超临界态co2的腐蚀，承压层向外有真空隔热外壳层、硅酸铝棉毡耐高温保温层、聚氨脂泡沫保温层、铝质外护板，设计工作压力12mpa，设计工作温度350℃，底部有超临界态co2输出管道进口及相应的阀门；超临界co2输送泵(9)的进口连接超临界co2分离器(4)底部的超临界co2出口，超临界co2输送泵(9)的出口连接超临界co2暂存球罐(10)的超临界co2进口管道，始终维持输送全过程中，co2的超临界态；超临界co2暂存球罐(10)的超临界co2出口管道与超临界co2输出泵(11)的进口连接，超临界co2输出泵(11)的出口与超临界co2输出管道系统连接，超临界co2输出泵(11)的出口压力12mpa，最大输送距离250km，无需使用中途升压泵，始终维持输送全过程中，co2的超临界态；捕碳中频变频电源(1)为巨型功率模块串联式高压变频电源，输入3相6kv/10kv工频、输出3相1hz到120hz、0.06kv/0.1kv-6kv/10kv、过载系数1.5；具有启动模式和节能模式两种运行模式；启动模式，包括0转速启动和旋转启动具有矢量控制特性；节能模式，具有vvvf特性；igbt功率电子器件水冷；捕碳中频变频电源(1)包括捕碳高速同步电动(2)所需要的静态励磁装置和同步发电机(7)所需要的静态励磁装置；捕碳中频变频电源(1)的主控板与静态励磁装置的主控板之间互相通讯，保证捕碳高速同步电动机(2)不失步，同时保持高效率、高功率因素；保证同步发电机(7)出口电压和功率因素在目标值；捕碳中频变频电源(1)在驱动捕碳多级透平式压缩机(3)的捕碳工况
时，受测量控制子系统控制，全程使用捕碳中频变频电源(1)；全程提供同步发电机(7)需要的励磁电流，稳定同步发电机(7)的出口电压和功率因素在目标值；捕碳高速同步电动机(2)强制通风、水空冷、防护等级ip54；同步发电机(7)水氢氢方式冷却；多级透平式气体膨胀机(8)配有调速气门、自动主气门和旁路节流阀，自动准同期装置，具有使用高压氮气、氧气混合物，冲转、升速、暖机、同期并网的能力。

技术总结
本发明燃煤机组实现近0碳排放的碳捕集系统涉及一种与大、中型燃煤发电机组的热力系统相耦合的低能耗、低成本、超大型的电站锅炉排烟全额连续脱碳，燃煤机组实现近0碳排放的碳捕集系统；本发明包括捕碳中频变频电源、捕碳高速同步电动机、捕碳多级透平式气体压缩机、超临界CO2分离器、凝结水加热器、回转式净烟气预冷器、同步发电机、多级透平式气体膨胀机、超临界CO2输送泵、超临界CO2暂存球罐、超临界CO2输出泵、测量控制子系统；容易实现超大型化、模块化，以10％左右的的捕碳用电率达成全额高碳电(包括所述捕碳用电)向0碳电的转变。电(包括所述捕碳用电)向0碳电的转变。电(包括所述捕碳用电)向0碳电的转变。


技术研发人员：章礼道
受保护的技术使用者：章礼道
技术研发日：2022.11.21
技术公布日：2023/6/27