CN107829825A - 联产水的燃气轮机系统及燃气轮机联产水的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开联产水的燃气轮机系统及方法，该系统包括氨供给装置、燃烧室、压气机、涡轮和水收集装置，该氨供给装置能连接燃烧室以将氨供给燃烧室，该燃烧室还接收空气供给，该燃烧室连接涡轮以通过燃烧室燃烧产生的排气推动涡轮转动，该燃烧室具有排气通路，该水收集装置设在排气通路上并收集排气中的水。该系统可以在产生动力的同时生产纯净的水，尤其适合在岛屿、海上平台、舰船等环境条件下应用。
Description
技术领域
本发明涉及能源动力供应系统，尤其涉及联产水的燃气轮机系统及燃气轮机联产水的方法。
背景技术
岛屿、海上平台、舰船等由于受自然区位等条件限制，导致了无法实现能源动力及饮用水自给。通过船舶运输能源和淡水进行补给，具有运输高成本、补给不稳定等问题。海水淡化技术的发展与工业应用，已有半个世纪的历史，在此期间形成了以多级闪蒸、反渗透和多效蒸发为主要代表的工业技术。专家普遍认为，今后三、四十年在工业应用上，仍将是以这三项技术为主。
燃气轮机是一种以连续流动的气体作为工质、把热能转换为机械功的旋转式动力机械。在空气和燃气的主要流程中，有空气压缩机、燃烧室和涡轮这三大部件组成的燃气轮机循环，通称为简单循环。大多数燃气轮机均采用简单循环方案，因为它的结构最简单，而且最能体现出燃气轮机所特有的体积小、重量轻、启动快、无需冷却水等一系列优点。然而，燃气轮机在现有技术中无法实现动力与水的联合生产与供给。
发明内容
本发明的目的在于提供联产水的燃气轮机系统以及动力与水联合供应方法，以克服现有技术中能源动力与淡水供应系统存在的上述问题。
本发明解决其技术问题的所采用的技术方案之一是：
联产水的燃气轮机系统，包括氨供给装置、燃烧室、压气机、涡轮和水收集装置，该氨供给装置能连接燃烧室以将氨供给燃烧室，该压气机连接燃烧室以压缩空气并供给到燃烧室，该燃烧室连接涡轮以通过燃烧室燃烧产生的气体推动涡轮运转并由排气通路排出，该水收集装置设在排气通路上并收集排气中的水。
联产水的燃气轮机系统可以在输出动力的同时供应水。由于燃烧室内不存在碳基燃料燃烧，氨燃烧后成为N2和H2O，因此本系统无二氧化碳排放。控制氨在燃烧室中完全燃烧，水收集装置中即可得到纯净水。排气通路中氨燃烧生成的水以水蒸气的形式存在，水蒸气经由自然降温冷凝在排气通路中，再经由水收集装置集中收集。
一实施例之中：该水收集装置包含有冷凝机构。冷凝机构可加速水蒸气的冷凝速率，提供液态纯净水的产生效率。
一实施例之中：该氨供给装置供给的氨为液态氨，该液态氨经过该冷凝机构而从液态氨变化为气态氨，而将排气通路中的水蒸气冷凝为液态水。由于液氨的气化潜热较高(在-33.41℃和101.325kPa下，气化潜热达1371.18kJ/kg)，可使水蒸气温度显著降低，甚至降低至冰点以下，联产纯度较高的冰。
一实施例之中：该氨供给装置供给的氨为液态氨，该液态氨经过该冷凝机构而从液态氨变化为气态氨，而将排气通路中的水蒸气冷凝为固态水。
一实施例之中：该联产水的燃气轮机系统还包括氮气收集装置，该氮气收集装置连接排气通路以收集氮气。由于氨在空气中燃烧反应的产物为水和氮气，水收集装置设在排气通路上收集排气中的水，该燃烧反应生成的氮气与空气中氮气一并被氮气收集装置收集为高纯氮。
一实施例之中：该联产水的燃气轮机系统还包括发电机，该涡轮连接发电机以驱动该发电机输出电能。进一步地实现电能和纯净水的联合生产。
一实施例之中：该联产水的燃气轮机系统，还包括氨裂解装置，该氨供给装置连接氨裂解装置以为氨裂解装置提供氨，该氨裂解装置分解氨并生成有氢气，该氨裂解装置连接燃烧室以为燃烧室提供包含有氢气的燃料。
该氨裂解装置能分解部分液氨并生成有氢气，该氨裂解装置连接燃烧室以为燃烧室提供包含有氢气和氨的燃料。其中：该氢的燃点低于氨的燃点，故氢在燃烧室内先燃烧放热以点燃燃烧室的氨，氢能加速燃烧进程，从而改善氨燃料的燃烧性能。本实施例中无需增加烃类燃料，因增加的烃类燃料需要额外的燃料存储、输送和控制系统，使系统趋于复杂。
一实施例之中：该联产水的燃气轮机系统，还包括热交换器，该热交换器配合燃烧室的排气，以使燃烧室的排气产生的热量经由换热器导入氨裂解装置以为氨裂解反应提供反应热。
氨裂解反应为吸热反应，氨裂解装置由燃烧室的排气产生的热量提供裂解反应温度，并且无需增加额外的加热能源，提升了该该联产水的燃气轮机系统的能源利用效率。
本发明解决其技术问题的所采用的技术方案之二是：
将空气压入燃烧室中与氨混合燃烧，燃烧产生的气体推动涡轮转动，并收集涡轮排气中的水。
在氨与空气在燃烧室中混合燃烧之前还包括将液氨气化为气态氨的步骤，该液氨气化为气态氨产生的冷量用于将涡轮排气中的水冷凝为液态水或者固态水。在氨与空气在燃烧室中混合燃烧之前还包括，将氨部分分解生成氢气的步骤，该燃烧产生的热为氨部分分解反应提供反应热。
本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：
该联产水的燃气轮机系统及方法在产生动力的同时生产纯净的水或冰。其中，该氨裂解装置能分解部分液氨并生成有氢气，氢能加速燃烧进程，从而改善氨燃料的燃烧性能，并且不会在纯净的水或冰中引入其它杂质。并且，氨裂解装置可由燃烧室的排气产生的热量提供裂解反应温度，无需增加额外的加热能源。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
图1是实施例一的联产水的燃气轮机系统的系统图；
图2是实施例二的联产水的燃气轮机系统的系统图；
图3是实施例三的联产水的燃气轮机系统的系统图；
图4是实施例四的联产水的燃气轮机系统的系统图。
具体实施方式
实施例1：
如图1所示的联产水的燃气轮机系统，包括燃烧室1、氨供给装置2、涡轮3、压气机4、排气通路5和水收集装置6，该氨供给装置2能连接燃烧室1以将氨供给燃烧室1，该燃烧室1还接收由压气机4压入的空气供给，该燃烧室1连接涡轮3以通过燃烧室1燃烧产生的气体推动涡轮3转动，涡轮3的排气经排气通路5排出，该水收集装置6设在排气通路5上并收集排气中的水。
该联产水的燃气轮机系统将氨与空气在燃烧室1中混合燃烧，燃烧产生的排气推动涡轮3转动。涡轮3驱动发电机9输出电能。同时收集涡轮3排气中的水，可以实现在输出电力的同时供应水。该装置尤其适合岛屿、海上平台、舰船等环境条件下的电力和饮用水联合供应。由于燃烧室1内不存在碳基燃料燃烧，氨燃烧后成为N2和H2O，因此本系统无二氧化碳排放。控制氨在燃烧室1中完全燃烧，水收集装置6中即可得到纯净水。排气通路5中氨燃烧生成的水以水蒸气的形式存在，水蒸气经由自然降温冷凝在排气通路中，再经由水收集装置6集中收集。
为了加速水蒸气的冷凝速率，提高液态纯净水的产生效率，水收集装置6中可包括冷凝机构。冷凝机构可以是热管余热回收器、间壁式换热器、蓄热式换热器、陶瓷换热器或喷射式混合加热器。热管余热回收器是利用热管的高效传热特性及其环境适应性制造的换热装置，其结构形式为：整体式、分离式或组合式。间壁式换热器换热器可以是：冷却塔(或称冷水塔)、气体洗涤塔(或称洗涤塔)、喷射式热交换器、混合式冷凝器。
实施例2：
如图2所示的联产水的燃气轮机系统，包括燃烧室1、氨供给装置2、涡轮3、压气机4、排气通路5和水收集装置6，该氨供给装置2中的液氨经气化后通入燃烧室1，该燃烧室1还接收经压气机4压缩的空气供给，该燃烧室1连接涡轮3以通过燃烧室1燃烧产生的气体推动涡轮3转动，该燃烧室1具有排气通路5，该水收集装置6设在排气通路5上并收集排气中的水。本实施例中，该氨供给装置2供给的氨为液态氨，该液态氨经过该水收集装置6(即冷凝机构)而从液态氨变化为气态氨，由于液氨的气化潜热较高(在-33.41℃和101.325kPa下，气化潜热达1371.18kJ/kg)，可使水蒸气温度显著降低，而将排气通路5中的水蒸气冷凝为液态水。可进一步增加液氨的换热量，水的温度降低至冰点以下，以联产纯度较高的冰。
实施例3：
如图3所示的联产水的燃气轮机系统，包括燃烧室1、氨供给装置2、涡轮3、压气机4、排气通路5、水收集装置6和氨裂解装置8，该氨供给装置2连接氨裂解装置8以为氨裂解装置8提供氨，该氨裂解装置8分解氨并生成有氢气，该氨裂解装置8连接燃烧室1以为燃烧室1提供包含有氢气的燃料。该燃烧室1还接收经压气机4压缩的空气供给，该燃烧室1连接涡轮3以通过燃烧室1燃烧产生的排气推动涡轮3转动，涡轮3驱动发电机9输出电能。该涡轮3连接排气通路5，水收集装置6设在排气通路5上并收集排气中的水。
该氨裂解装置8能分解部分液氨并生成有氢气，该氨裂解装置8连接燃烧室1以为燃烧室1提供包含有氢气和氨的燃料。其中：该氢的燃点低于氨的燃点，故氢在燃烧室1内先燃烧放热以点燃燃烧室1的氨，氢能加速燃烧进程，从而改善氨燃料的燃烧性能。本实施例中无需增加烃类燃料，因增加的烃类燃料需要额外的燃料存储、输送和控制系统，使系统趋于复杂。
本实施例之中：该联产水的燃气轮机系统还包括氮气收集装置7，该氮气收集装置7连接排气通路5以收集氮气。由于氨在空气中燃烧反应的产物为水和氮气，水收集装置6设在排气通路5上首先收集排气中的水，余下的为燃烧反应生成的氮气与空气中氮气，一并被氮气收集装置7收集为高纯氮。
实施例4：
如图4所示的联产水的燃气轮机系统，包括燃烧室1、氨供给装置2、涡轮3、压气机4、排气通路5、水收集装置6、热交换器7和氨裂解装置8。氨供给装置2连接氨裂解装置8以为氨裂解装置8提供氨，该氨裂解装置8分解氨并生成有氢气，该氨裂解装置8连接燃烧室1以提供包含有氢气的燃料。该燃烧室1还接收由压气机4压缩的空气供给，该燃烧室1连接涡轮3以通过燃烧室1燃烧产生的气体推动涡轮3转动。该涡轮3连接排气通路5，该水收集装置6设在排气通路5上并收集排气中的水。
该热交换器7配合排气通路5的排气，以使排气通路5中的排气产生的热量经由热交换器7导入氨裂解装置8中以为氨裂解反应提供的反应热。氨裂解反应为吸热反应，氨裂解装置8由排气通路5中的排气产生的热量提供裂解反应温度，并且无需增加额外的加热能源，提升了该该联产水的燃气轮机系统的能源利用效率。
在氨裂解催化剂的催化作用下，氨裂反应温度也需要保持为200℃以上。其中，氨裂解催化剂可以为负载有钌、铑、镍和/或铁的催化剂。燃烧室1的排出的气体推动涡轮3后，进入排气通路5中的排气余热温度仍可达到300-400℃，可以为氨裂解反应提供热量，并且无需增加额外的加热能源。由于在燃烧室1内由氨和氢混合燃烧，氨裂解装置6将氨部分地裂解为氢，较佳的氨裂解装置中的温度控制在200℃-400℃。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.联产水的燃气轮机系统，包括氨供给装置、燃烧室、压气机、涡轮和水收集装置，该氨供给装置能连接燃烧室以将氨供给燃烧室，该压气机连接燃烧室以压缩空气并供给到燃烧室，该燃烧室连接涡轮以通过燃烧室燃烧产生的气体推动涡轮运转并由排气通路排出，其特征在于：该水收集装置设在排气通路上并收集排气中的水。
2.根据权利要求1所述的联产水的燃气轮机系统，其特征在于：该水收集装置包含有冷凝机构。
3.根据权利要求2所述的联产水的燃气轮机系统，其特征在于：该氨供给装置供给的氨为液态氨，该液态氨经过该冷凝机构而从液态氨变化为气态氨，而将排气通路中的水蒸气冷凝为液态水或者固态水。
4.根据权利要求1所述的联产水的燃气轮机系统，其特征在于：还包括氮气收集装置，该氮气收集装置连接排气通路以收集氮气。
5.根据权利要求1所述的联产水的燃气轮机系统，其特征在于：还包括发电机，该涡轮连接发电机以驱动该发电机输出电能。
6.根据权利要求1至5中至少一项所述的联产水的燃气轮机系统，其特征在于：还包括氨裂解装置，该燃料供给装置连接氨裂解装置以为氨裂解装置提供氨，该氨裂解装置分解氨并生成有氢气，该氨裂解装置连接燃烧室以为燃烧室提供包含有氢气的燃料。
7.根据权利要求6所述的联产水的燃气轮机系统，其特征在于：还包括热交换器，该热交换器配合燃烧室的排气，以使燃烧室的排气产生的热量经由换热器导入氨裂解装置以为氨裂解反应提供反应热。
8.燃气轮机联产水的方法，其特征在于包括如下步骤：
将空气压入燃烧室中与氨混合燃烧，燃烧产生的气体推动涡轮转动，并收集涡轮排气中的水。
9.根据权利要求8所述的燃气轮机联产水的方法，其特征在于：
在氨与空气在燃烧室中混合燃烧之前还包括将液氨气化为气态氨的步骤，该液氨气化为气态氨产生的冷量用于将涡轮排气中的水冷凝为液态水或者固态水。
10.根据权利要求8或9中任一项所述的燃气轮机联产水的方法，其特征在于：在氨与空气在燃烧室中混合燃烧之前还包括，将氨部分分解生成氢气的步骤，该燃烧产生的热为氨部分分解反应提供反应热。
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201710981103.4A Pending CN107829825A (zh) | 2017-10-20 | 2017-10-20 | 联产水的燃气轮机系统及燃气轮机联产水的方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN107829825A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113650768A (zh) * | 2021-09-14 | 2021-11-16 | 哈尔滨工程大学 | 一种基于氨-氢驱动的复合型船舶混合动力系统 |
| CN115585061A (zh) * | 2022-10-18 | 2023-01-10 | 南京工程学院 | 一种基于氨合成与裂解的全天候冷热电多联产系统和方法 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102505990A (zh) * | 2011-11-08 | 2012-06-20 | 上海交通大学 | 凝汽式双工质燃气透平循环系统发电方法 |
| CN107100736A (zh) * | 2017-06-09 | 2017-08-29 | 厦门大学 | 燃气轮机联合系统 |
-
2017
- 2017-10-20 CN CN201710981103.4A patent/CN107829825A/zh active Pending
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102505990A (zh) * | 2011-11-08 | 2012-06-20 | 上海交通大学 | 凝汽式双工质燃气透平循环系统发电方法 |
| CN107100736A (zh) * | 2017-06-09 | 2017-08-29 | 厦门大学 | 燃气轮机联合系统 |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113650768A (zh) * | 2021-09-14 | 2021-11-16 | 哈尔滨工程大学 | 一种基于氨-氢驱动的复合型船舶混合动力系统 |
| CN115585061A (zh) * | 2022-10-18 | 2023-01-10 | 南京工程学院 | 一种基于氨合成与裂解的全天候冷热电多联产系统和方法 |
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