CN106194283A - 一种低能耗实现燃气机组热电冷三联产零碳排放的方法 - Google Patents

一种低能耗实现燃气机组热电冷三联产零碳排放的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种低能耗实现燃气机组热电冷三联产零碳排放的方法，该方法中，空气经压气机(1)压缩后送入燃气轮机或内燃机(2)中，随后与喷入的天然气燃烧，生成高温高压的燃气推动叶轮旋转，带动发电机(3)发电；燃气轮机或内燃机的出口与碳酸化炉(4)的底部连接，用于将燃气轮机或内燃机生成的富含大量CO2的燃气通入碳酸化炉中，进而脱除燃气中的CO2；碳酸化后的钙基吸收剂送入煅烧炉/燃料反应器中煅烧再生，由天然气的化学链燃烧提供所需热量。本发明将钙循环工艺、燃气机组热电冷三联产系统和化学链燃烧进行了深层次耦合，低能耗地实现了燃气机组热电冷三联产系统的零碳排放，同时可以获得高浓度的可供压缩储存的CO2和N2。

Description

一种低能耗实现燃气机组热电冷三联产零碳排放的方法
技术领域
本发明是一种低能耗实现燃气机组零碳排放的方法，属于能源技术与环境保护技术交叉领域。
背景技术
热电冷三联产系统是一种重要的节能技术，符合能源梯级利用准则。首先利用天然气高品位热能驱动发电机发电，随后又利用发电所产生的废热进行供热和制冷。其中，利用废热制冷，可以有效减少夏季空调的需求，缓解了夏季用电紧张的局面。但是在热电冷三联产系统中，天然气等燃气的燃烧会排放大量CO2，加剧了温室效应。
钙循环工艺捕捉CO2是一种目前具有广泛应用前景的CO2减排技术，因工艺所需原料(钙基吸收剂)价格低廉、储量丰富等优点深受全世界关注。钙循环工艺主要利用了钙基吸收剂的可逆反应，即碳酸化反应和煅烧反应。然而在煅烧反应中，通常采取燃料的富氧燃烧提供热量。为实现富氧燃烧，必须增加空气分离器，这极大地增加了资金投入和运行成本。
化学链燃烧是一种清洁无污染的新型燃料利用方式，主要通过载氧体实现燃料反应器和空气反应器之间氧的转移，不仅符合能源梯级利用的原则，而且还可以得到高浓度的可供后续压缩储存的CO2。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种低能耗实现燃气机组热电冷三联产零碳排放的方法，以燃气机组热电冷三联产系统作为基础，首先耦合了钙循环工艺，实现了燃气机组热电冷三联产系统的零碳排放，然后耦合了化学链燃烧，为钙循环工艺中煅烧钙基吸收剂提供热量，最终还可以获得高浓度的可供压缩储存的CO2和N2。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供一种低能耗实现燃气机组热电冷三联产零碳排放的方法，压气机、燃气轮机或内燃机、发电机、碳酸化炉、膨胀机、余热锅炉、热交换器A、热交换器B、吸收式制冷机组、煅烧炉/燃料反应器、热交换器C、压缩机A、热交换器D、压缩机B、热交换器E、压缩机C、空气反应器、热交换器F、单向控制阀A、单向控制阀B、单向控制阀C、单向控制阀D、单向控制阀E、单向控制阀F；其中，燃气轮机或内燃机的出口与碳酸化炉的底部连接，用于将燃气轮机或内燃机产生的富含大量CO2的燃气通入碳酸化炉中，进而脱除燃气中CO2；天然气在煅烧炉/燃料反应器中无焰燃烧煅烧钙基吸收剂，实现钙基吸收剂的再生。具体步骤如下：
步骤一.空气经压气机压缩至指定压力后，送入燃气轮机或内燃机中，随后与喷入的天然气混合燃烧，产生高温高压的燃气推动叶轮旋转，带动发电机发电；
步骤二.当燃气在燃气轮机或内燃机内因膨胀做功温度降低至650～700℃时，将这部分仍然带有一定压力的燃气送入装有煅烧后的钙基吸收剂的碳酸化炉中，此时在碳酸化炉中，煅烧后的钙基吸收剂中的主要成分CaO与燃气中的CO2反应，生成CaCO3，从而脱除了燃气中的CO2；
步骤三.碳酸化后的钙基吸收剂经单向控制阀C送入煅烧炉/燃料反应器中煅烧再生，煅烧后的钙基吸收剂经单向控制阀D重新回到碳酸化炉中，继续吸收燃气中的CO2，实现一个完整的循环；多次循环后失活的钙基吸收剂从煅烧炉/燃料反应器的排渣口排出，同时添加适量新鲜的钙基吸收剂；
步骤四.经空气反应器氧化生成的载氧体与天然气在煅烧炉/燃料反应器内无焰燃烧，提供煅烧钙基吸收剂所需的热量；在煅烧炉/燃料反应器内被还原的载氧体经单向控制阀F重新回到空气反应器中，与空气发生氧化反应实现再生；再生后的载氧体经单向控制阀E进入煅烧炉/燃料反应器中与天然气反应，继续为煅烧钙基吸收剂提供热量；多次循环后失活的载氧体从空气反应器的排渣口排出，同时添加适量新鲜的载氧体；
步骤五.煅烧钙基吸收剂时释放的CO2和天然气无焰燃烧生成的CO2经过热交换器C放出热量后，依次进入压缩机A、压缩机B和压缩机C进行多级压缩后储存；其中，热交换器D、热交换器E分别对前级压缩后的CO2气流冷凝除水和降低温度；
步骤六.在碳酸化炉中脱除CO2后的燃气继续送入膨胀机内膨胀做功，带动步骤五中所提及的压缩机A、压缩机B和压缩机C压缩CO2气流；在膨胀机内做完功后的燃气送入余热锅炉中加热水蒸气，回收余热后的燃气送入热交换器A中，经冷凝除水后，热交换器A出口可以得到高浓度的N2；
步骤七.余热锅炉产生的水蒸气一部分通过单向控制阀A进入热交换器B，经热交换器B调节温度后作为热源进行供暖，剩余的水蒸气通过单向控制阀B送入吸收式制冷机组，为工质再生提供热量。
其中：
步骤一所述的燃气轮机或内燃机可以用其他具有相同功效的设备代替，并不仅局限于燃气轮机和内燃机这两种形式。
步骤二中钙基吸收剂为CaCO3或以CaO/Ca(OH)2/CaCO3为主要成分的天然矿物或废弃物。碳酸化炉中，反应温度为650～700℃，反应压力由进入碳酸化炉内的燃气的压力决定，燃气压力会随燃气轮机或内燃机型号不同而有所区别，但通常高于常压。
步骤三中煅烧钙基吸收剂所需要的温度为900～950℃，反应压力为常压。钙基吸收剂在碳酸化炉和煅烧炉中的循环分别可以通过两级锁气系统实现。
步骤四中载氧体是可以实现空气反应器和燃料反应器间氧转移的金属氧化物，主要包括镍基载氧体、铜基载氧体、锰基载氧体或铁基载氧体。对于天然气无焰燃烧煅烧钙基吸收剂，采取间接传热，或采取直接传热；对于间接传热，采用套管炉，内部为煅烧炉，外部为燃料反应器，反之也可；对于直接传热，此时载氧体与钙基吸收剂之间的密度差必须足够大，反应结束后两者可以利用密度差通过旋风分离器有效分离。
步骤五中热交换器C出口的CO2根据所需CO2的压力确定压缩机组级数。
步骤七中通过控制单向控制阀A和单向控制阀B的开度，从而控制制冷负荷和供暖负荷。
有益效果：本发明将钙循环工艺、化学链燃烧和燃气机组热电冷三联产系统进行了深层次耦合，首先利用钙循环工艺实现燃气机组热电冷三联产系统的零碳排放，其次又利用化学链燃烧实现钙循环工艺中钙基吸收剂的低能耗再生，最终又可以获得高浓度的可供压缩存储的副产品CO2和N2，充分发挥了钙循环工艺高效捕集CO2、燃气机组热电冷三联产系统能量梯级利用以及化学链燃烧低能耗、CO2内分离的优势，
1.不仅可以实现燃气机组发电、供热、制冷三种收益，而且还可以获得高浓度的CO2、N2；
2.充分符合能源梯级利用原则，低能耗；
3.整个系统实现了CO2的零排放，有利于缓解温室效应；
4.多次循环后失活的钙基吸收剂可以作为水泥生产厂的原料，进而提高整个系统的经济性。
附图说明
图1为实施例示意图。
图2为一种低能耗实现燃气机组热电冷三联产零碳排放方法的示意图。
图中有：压气机1、燃气轮机或内燃机2、发电机3、碳酸化炉4、膨胀机5、余热锅炉6、热交换器A 7、单向控制阀A 8、热交换器B 9、单向控制阀B 10、吸收式制冷机组11、单向控制阀C 12、煅烧炉/燃料反应器13、单向控制阀D 14、热交换器C 15、压缩机A 16、热交换器D17、压缩机B 18、热交换器E 19、压缩机C 20、单向控制阀E 21、单向控制阀F 22、空气反应器23、热交换器器F 24。
具体实施方式
实施例
下面结合实施例和附图对本发明做更进一步地解释。下述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均处于本发明的保护范围之中。
本发明的一种低能耗实现燃气机组热电冷三联产零碳排放的方法，如图1所示，包括如下步骤：
步骤一.空气经压气机压缩至指定压力后，送入燃气轮机中，随后与喷入的天然气混合燃烧，产生高温高压的燃气推动叶轮旋转，带动发电机发电。本实施例中燃烧装置选用燃气轮机，产生的燃气温度和压力分别为852℃和0.98MPa。为保证碳酸化炉中钙基吸收剂处于脱除CO2的最佳温度，本发明中燃气轮机排气温度选定为650℃。经计算，此时燃气轮机排气压力对应为0.44MPa。
步骤二.将燃气轮机排出的650℃、0.44MPa的燃气通入碳酸化炉中，炉中装有煅烧后的钙基吸收剂。燃气中的CO2和煅烧后的钙基吸收剂发生碳酸化反应，反应方程为CaO+CO2→CaCO3，从而脱除了燃气中的CO2。与此同时，燃气自身带有的压力有利于碳酸化反应的加速进行。
步骤三.碳酸化后的钙基吸收剂送入煅烧炉/燃料反应器中煅烧，反应方程为CaCO3→CaO+CO2。煅烧过后的钙基吸收剂又重新送回碳酸化炉中继续吸收燃气中的CO2，进而实现钙基吸收剂的循环利用。煅烧炉中反应温度通常为900～950℃，本实施例中设置为950℃。多次循环后失活的钙基吸收剂从煅烧炉的排渣口排出，同时添加适量新鲜的钙基吸收剂，从而保证碳酸化炉中较高的CO2脱除效率。
步骤四.载氧体与天然气在煅烧炉/燃料反应器内进行无焰燃烧，为钙基吸收剂提供煅烧所需的热量。本实施例中选取CuO作为载氧体，反应方程为CH4+8CuO→4Cu2O+CO2+2H2O。被还原的载氧体送入空气反应器中，与空气反应得以再生，反应方程为2Cu2O+O2→4CuO；再生后的载氧体又重新送入煅烧炉/燃料反应器中与天然气反应，煅烧钙基吸收剂。多次循环后失活的载氧体从空气反应器的排渣口排出，同时添加适量新鲜的载氧体以保证足够的热量煅烧钙基吸收剂。
步骤五.煅烧钙基吸收剂时释放的CO2和天然气无焰燃烧生成的CO2经过热交换器放出热量后，送入多级压缩机组压缩后储存。本实施例中选用三级压缩机组压缩CO2，并且分别对前级压缩过的CO2气流用热交换器冷凝脱水和降低温度。
步骤六.在碳酸化炉中脱除CO2后的燃气继续送入膨胀机内膨胀做功，带动步骤五中所提及的三级压缩机组压缩CO2气流。在膨胀机内做完功后的燃气送入余热锅炉中加热水蒸气，回收余热后的燃气送入热交换器中，经冷凝除水后，热交换器出口可以得到高浓度的N2。
步骤七.余热锅炉产生的水蒸气一部分通过单向控制阀经热交换器调节温度后作为热源进行供暖。剩余的水蒸气通过单向控制阀送入吸收式制冷机组，为工质再生提供热量。

Claims (10)

1.一种低能耗实现燃气机组热电冷三联产零碳排放的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一.空气经压气机(1)压缩至指定压力后，送入燃气轮机或内燃机(2)中，随后与喷入的天然气混合燃烧，产生高温高压的燃气推动叶轮旋转，带动发电机(3)发电；
步骤二.当燃气在燃气轮机或内燃机内因膨胀做功温度降低至650～700℃时，将这部分仍然带有一定压力的燃气送入装有煅烧后的钙基吸收剂的碳酸化炉(4)中，此时在碳酸化炉中，煅烧后的钙基吸收剂中的主要成分CaO与燃气中的CO2反应，生成CaCO3，从而脱除了燃气中的CO2；
步骤三.碳酸化后的钙基吸收剂经单向控制阀C(12)送入煅烧炉/燃料反应器(13)中煅烧再生，煅烧后的钙基吸收剂经单向控制阀D(14)重新回到碳酸化炉中，继续吸收燃气中的CO2，实现一个完整的循环；多次循环后失活的钙基吸收剂从煅烧炉/燃料反应器的排渣口排出，同时添加适量新鲜的钙基吸收剂；
步骤四.经空气反应器(23)氧化生成的载氧体与天然气在煅烧炉/燃料反应器内无焰燃烧，提供煅烧钙基吸收剂所需的热量；在煅烧炉/燃料反应器内被还原的载氧体经单向控制阀F(22)重新回到空气反应器中，与空气发生氧化反应实现再生；再生后的载氧体经单向控制阀E(21)进入煅烧炉/燃料反应器中与天然气反应，继续为煅烧钙基吸收剂提供热量；多次循环后失活的载氧体从空气反应器的排渣口排出，同时添加适量新鲜的载氧体；
步骤五.煅烧钙基吸收剂时释放的CO2和天然气无焰燃烧生成的CO2经过热交换器C(15)放出热量后，依次进入压缩机A(16)、压缩机B(18)和压缩机C(20)进行多级压缩后储存；其中，热交换器D(17)、热交换器E(19)分别对前级压缩后的CO2气流冷凝除水和降低温度；
步骤六.在碳酸化炉中脱除CO2后的燃气继续送入膨胀机(5)内膨胀做功，带动步骤五中所提及的压缩机A(16)、压缩机B(18)和压缩机C(20)压缩CO2气流；在膨胀机内做完功后的燃气送入余热锅炉(6)中加热水蒸气，回收余热后的燃气送入热交换器A(7)中，经冷凝除水后，热交换器A出口可以得到高浓度的N2；
步骤七.余热锅炉产生的水蒸气一部分通过单向控制阀A(8)进入热交换器B(9)，经热交换器B调节温度后作为热源进行供暖，剩余的水蒸气通过单向控制阀B(10)送入吸收式制冷机组(11)，为工质再生提供热量。
2.根据权利要求1所述的一种低能耗实现燃气机组热电冷三联产零碳排放的方法，其特征在于，步骤一所述的燃气轮机或内燃机可以用其他具有相同功效的设备代替，并不仅局限于燃气轮机和内燃机这两种形式。
3.根据权利要求1所述的一种低能耗实现燃气机组热电冷三联产零碳排放的方法，其特征在于，步骤二中钙基吸收剂为CaCO3或以CaO/Ca(OH)2/CaCO3为主要成分的天然矿物或废弃物。
4.根据权利要求1所述的一种低能耗实现燃气机组热电冷三联产零碳排放的方法，其特征在于，步骤二中碳酸化炉中，反应温度为650～700℃，反应压力由进入碳酸化炉内的燃气的压力决定，燃气压力会随燃气轮机或内燃机型号不同而有所区别，但通常高于常压。
5.根据权利要求1所述的一种低能耗实现燃气机组热电冷三联产零碳排放的方法，其特征在于，步骤三中煅烧钙基吸收剂所需要的温度为900～950℃，反应压力为常压。
6.根据权利要求1所述的一种低能耗实现燃气机组热电冷三联产零碳排放的方法，其特征在于，步骤三中钙基吸收剂在碳酸化炉和煅烧炉中的循环分别可以通过两级锁气系统实现。
7.根据权利要求1所述的一种低能耗实现燃气机组热电冷三联产零碳排放的方法，其特征在于，步骤四中载氧体是可以实现空气反应器和燃料反应器间氧转移的金属氧化物，主要包括镍基载氧体、铜基载氧体、锰基载氧体或铁基载氧体。
8.根据权利要求1所述的一种低能耗实现燃气机组热电冷三联产零碳排放的方法，其特征在于，步骤四中对于天然气无焰燃烧煅烧钙基吸收剂，采取间接传热，或采取直接传热；对于间接传热，采用套管炉，内部为煅烧炉，外部为燃料反应器，反之也可；对于直接传热，此时载氧体与钙基吸收剂间的密度差必须足够大，反应结束后两者可以利用密度差通过旋风分离器有效分离。
9.根据权利要求1所述的一种低能耗实现燃气机组热电冷三联产零碳排放的方法，其特征在于，步骤五中热交换器C出口的CO2根据所需CO2的压力确定压缩机组级数。
10.根据权利要求1所述的一种低能耗实现燃气机组热电冷三联产零碳排放的方法，其特征在于，步骤七中通过控制单向控制阀A和单向控制阀B的开度，从而控制制冷负荷和供暖负荷。
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