CN107940432A - 基于蒸汽调温的富氧燃烧与开发天然气水合物联产系统与方法 - Google Patents

基于蒸汽调温的富氧燃烧与开发天然气水合物联产系统与方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于蒸汽调温的富氧燃烧与开发天然气水合物联产系统与方法，该系统包括空气分离装置、换热器、燃气锅炉、循环水加热器、烟气冷凝器、压缩冷却装置、以及天然气水合物储藏系统；空气分离装置的富氧出口与换热器的富氧进口连接，换热器的高温氧气出口与燃气锅炉的高温氧气进口连接；燃气锅炉的烟气出口与换热器的高温烟气进口连接，换热器的低温烟气出口与烟气冷凝器的烟气进口连接，烟气冷凝器的气体出口与压缩冷却装置的气体进口连接。本发明的系统实现了电厂燃料“自给自足”，且燃烧后不产生任何残渣和废气，降低了污染物的排放，减少了后续气体处理设备，节省了高昂的CO2捕集成本，具有经济与环保双重价值。

Description

基于蒸汽调温的富氧燃烧与开发天然气水合物联产系统与 方法
技术领域
本发明涉及二氧化碳捕集、封存和新能源开发的技术领域，具体涉及一种基于蒸汽调温的富氧燃烧与开发天然气水合物联产系统与方法。
背景技术
随着能源需求的快速增长和化石燃料使用量的增加，温室气体CO2的排放量增大，从而造成了全球气候变暖。为了实现能源与环境的可持续发展，应该创造性地探索和开拓既能够开发新能源又能够解决环境问题(温室效应)的一体化技术，以达到节能减排的目的。
目前，我国成功在南海完成可燃冰(天然气水合物)试采，标志着我国成为全球第一个实现了在海域可燃冰试开采中获得连续稳定产气的国家。这一开发技术获得了一次实质性突破，有望改变全球能源供应格局。天然气水合物一般存在于海底或陆地冻土带内，资源储量丰富，大约相当于全球已知煤、石油和天然气总资源量的两倍，被誉为“21世纪最理想的替代能源”。
至今，我国电厂燃煤锅炉数量约为53万台，占全国锅炉总数的85％。据调查，2014年燃煤锅炉排放量：烟尘约560×104t，二氧化碳约510×104t，氮氧化物约310×104t，由此可见，燃煤锅炉是烟尘、二氧化硫、氮氧化物的主要排放源。倘若，工业燃料“以气代煤”，大力推广燃气锅炉，将会大大降低污染物的排放量，改善大气环境。
随着我国经济的高速发展以及人们的环保意识的逐渐增强，高效、清洁的天然气发电在我国已经逐渐发展推广开来，尤其是沿海开放城市一些燃煤电厂逐渐对燃煤锅炉实施气代煤，促使天然气成为工业燃料中的“主角”。针对靠近南海区域的燃气电厂，天然气输送量大，输送距离远，燃料供给连续性差；此外，锅炉燃烧产生的CO2分离能耗大，捕集成本高。
因此，如何充分利用地域优势-靠近南海，集捕集与封存于一体，新能源与环境有机结合，从而构造一个高效、多产、低耗、“零排放”的联产系统，将会是一个减少对高碳化石能源的依赖和CO2排放的最现实、最有效的途径。
发明内容
本发明的目的在于克服上述背景技术的不足，而提供一种高效、多产、低耗、“零排放”的基于蒸汽调温的富氧燃烧与开发天然气水合物联产系统，本发明还提供一种利用基于蒸汽调温的富氧燃烧与开发天然气水合物联产系统的方法。
为实现上述目的，本发明所设计的基于蒸汽调温的富氧燃烧与开发天然气水合物联产系统，包括空气分离装置、换热器、燃气锅炉、循环水加热器、烟气冷凝器、压缩冷却装置、以及天然气水合物储藏系统；
所述空气分离装置上设置有空气进口、氮气出口以及富氧出口，所述空气分离装置的富氧出口与换热器的富氧进口连接，所述换热器的高温氧气出口与燃气锅炉的高温氧气进口连接；
所述燃气锅炉的烟气出口通过第一管路与换热器的高温烟气进口连接，所述换热器的低温烟气出口与烟气冷凝器的烟气进口连接；
所述烟气冷凝器的气体出口与压缩冷却装置的二氧化碳气体进口连接，所述烟气冷凝器的循环水出口与循环水加热器的循环水进口连接；
所述压缩冷却装置的二氧化碳气体出口与空气分离装置的氮气出口通过第二管路汇流后与天然气水合物储藏系统的混合气进口连接，所述天然气水合物储藏系统的甲烷气体出口通过第三管路与燃气锅炉的燃料进口连接。
上述技术方案中，所述循环水加热器上还设置有低温蒸汽出口，所述低温蒸汽出口与换热器和燃气锅炉之间的管路连接；。
上述技术方案中，所述燃气锅炉上还设置有用于发电的高温蒸汽出口。
本发明还提供一种利用上述基于蒸汽调温的富氧燃烧与开发天然气水合物联产系统的方法，包括如下步骤：
1)空气经过空气分离装置分离得到氮气和富氧，富氧经过换热器与烟气进行换热，加热后的氧气引入燃气锅炉作为氧化剂；燃气锅炉燃烧后产生高温蒸汽和含高浓度CO2的烟气，高温蒸汽用于电厂发电，烟气经过换热器后进入烟气冷凝器；
2)烟气送入烟气冷凝器进行处理之后，冷凝出的液态水经过循环水加热器加热成低温蒸汽，与加热后的氧气以低温蒸汽：氧气以体积比为74:26的比例混合送入锅炉炉膛与燃料一起燃烧，蒸汽能够很好调节炉膛内的燃烧温度；
3)由烟气冷凝器得到的高浓度CO2经过压缩冷却装置处理之后，得到超临界状态的CO2，与空气分离装置得到的氮气混合注入天然气水合物储藏系统，二氧化碳与天然气水合物发生置换反应，二氧化碳取代原甲烷的位置封存于地下，而获得的纯甲烷气体作为燃气锅炉的补给燃料。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
其一，本发明通过将蒸汽调温富氧燃烧技术引入电厂燃气锅炉，采用循环蒸汽实现燃烧温度的调节，在利用其物理性质(热容、扩散特性、辐射特性)的同时，并参与燃烧过程，巧妙地避免了锅炉因富氧燃烧温度过高而产生的一系列问题，从而减少了锅炉的改造成本；在这个过程中，由于空气中没有了N2的参与，燃烧过程中燃烧温度的降低，减少了碳黑和NOx的生成，使得污染物排放得到了协同控制，保护大气环境；同时大量高温氧气(高温烟气与富氧换热)的参与不仅使得燃料燃烧更充分，提高了锅炉的燃烧效率，也使得产生的CO2浓度更高，为后续置换反应提供了充足的反应物，从而开发出更多的天然气水合物。
其二，本发明充分利用地域优势靠近天然气水合物储藏系统(如南海)，集捕集与封存于一体，将新型清洁能源与环境有机结合，利用捕集到的二氧化碳置换开采南海区域天然气水合物中的甲烷，即二氧化碳取代原甲烷的位置封存于地下，不仅能够大量获取清洁能源甲烷，还能在不增加大气中二氧化碳的同时，保证采“空”区地层的安全。此外，将氮气同二氧化碳一起注入天然气水合物储藏系统，使得二氧化碳和天然气水合物的置换反应速率得到很大的提高。
其三，本发明将置换反应得到的纯甲烷气体(99.7％)作为燃气锅炉燃烧的补给燃料，实现了电厂燃料“自给自足”，且燃烧后不产生任何残渣和废气，降低了污染物的排放，减少了后续气体处理设备，节省了高昂的CO2捕集成本，具有经济与环保双重价值。
其四，本发明应用于靠近南海的燃气电厂具有很好的前景，按照此前对天然气水合物的开发计划，2006年-2020年是调查阶段，2020年-2030年是开发试生产阶段，从2030年起，天然气水合物的开发则会进入商业生产阶段。由此看来，不久的将来天然气水合物将会得到大规模商业性的开发，从而满足当前和未来天然气的供应。
附图说明
图1为一种基于蒸汽调温的富氧燃烧与开发天然气水合物联产系统的结构示意图；
图中：1-空气分离装置、1.1-空气进口、1.2-氮气出口、1.3-富氧出口、2-换热器、2.1-富氧进口、2.2-高温氧气出口、2.3-高温烟气进口、2.4-低温烟气出口、3-燃气锅炉、3.1-高温氧气进口、3.2-烟气出口、3.3-燃料进口、3.4-高温蒸汽出口、4-循环水加热器、4.1-循环水进口、4.2-低温蒸汽出口、5-烟气冷凝器、5.1-烟气进口、5.2-气体出口、5.3-循环水出口、6-压缩冷却装置、6.1-二氧化碳气体进口、6.2-二氧化碳气体出口、7.1-第一管路、7.2-第二管路、7.3-第三管路、8-天然气水合物储藏系统、8.1-混合气进口、8.2-甲烷气体出口。
具体实施方式
下面结合实施案例详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。
如图1所示本发明的一种基于蒸汽调温的富氧燃烧与开发天然气水合物联产系统，包括空气分离装置1、换热器2、燃气锅炉3、循环水加热器4、烟气冷凝器5、压缩冷却装置6、以及天然气水合物储藏系统8；空气分离装置1上设置有空气进口1.1、氮气出口1.2以及富氧出口1.3，空气分离装置1的富氧出口1.3与换热器2的富氧进口2.1连接，换热器2的高温氧气出口2.2与燃气锅炉3的高温氧气进口3.1连接。
燃气锅炉3的烟气出口3.2通过第一管路7.1与换热器2的高温烟气进口2.3连接，换热器2的低温烟气出口2.4与烟气冷凝器5的烟气进口5.1连接；烟气冷凝器5的气体出口5.2与压缩冷却装置6的二氧化碳气体进口6.1连接，烟气冷凝器5的循环水出口5.3与循环水加热器4的循环水进口4.1连接；循环水加热器4上还设置有低温蒸汽出口4.2，低温蒸汽出口4.2与换热器2和燃气锅炉3之间的管路连接。燃气锅炉3上还设置有用于发电的高温蒸汽出口3.4。压缩冷却装置6的二氧化碳气体出口6.2与空气分离装置1的氮气出口1.2通过第二管路7.2汇流后与天然气水合物储藏系统8的混合气进口8.1连接，天然气水合物储藏系统8的甲烷气体出口8.2通过第三管路7.3与燃气锅炉3的燃料进口3.3连接。
本发明一种基于蒸汽调温富氧燃烧的二氧化碳捕集和开发天然气水合物联产系统的工艺方法，包括如下步骤：
1)空气经过空气分离装置1分离得到氮气和富氧，富氧经过换热器2与烟气进行换热，加热后的氧气引入燃气锅炉3作为氧化剂；燃气锅炉3燃烧后产生高温蒸汽和含高浓度CO2的烟气，高温蒸汽用于电厂发电，烟气经过换热器2后进入烟气冷凝器5；
2)烟气送入烟气冷凝器5进行处理之后，冷凝出的液态水经过循环水加热器4加热成低温蒸汽，与加热后的氧气以低温蒸汽：氧气以体积比为74:26的比例混合送入锅炉炉膛与燃料一起燃烧，蒸汽能够很好调节炉膛内的燃烧温度；
3)由烟气冷凝器5得到的高浓度CO2经过压缩冷却装置6处理之后，得到超临界状态的CO2，与空气分离装置1得到的氮气混合注入天然气水合物储藏系统，二氧化碳与天然气水合物发生置换反应，二氧化碳取代原甲烷的位置封存于地下，而获得的纯甲烷气体(99.7％)作为燃气锅炉3的补给燃料。
其它未详细说明的均属于现有技术。

Claims (4)

1.一种基于蒸汽调温的富氧燃烧与开发天然气水合物联产系统，其特征在于，包括空气分离装置(1)、换热器(2)、燃气锅炉(3)、循环水加热器(4)、烟气冷凝器(5)、压缩冷却装置(6)、以及天然气水合物储藏系统(8)；
所述空气分离装置(1)上设置有空气进口(1.1)、氮气出口(1.2)以及富氧出口(1.3)，所述空气分离装置(1)的富氧出口(1.3)与换热器(2)的富氧进口(2.1)连接，所述换热器(2)的高温氧气出口(2.2)与燃气锅炉(3)的高温氧气进口(3.1)连接；
所述燃气锅炉(3)的烟气出口(3.2)通过第一管路(7.1)与换热器(2)的高温烟气进口(2.3)连接，所述换热器(2)的低温烟气出口(2.4)与烟气冷凝器(5)的烟气进口(5.1)连接；
所述烟气冷凝器(5)的气体出口(5.2)与压缩冷却装置(6)的二氧化碳气体进口(6.1)连接，所述烟气冷凝器(5)的循环水出口(5.3)与循环水加热器(4)的循环水进口(4.1)连接；
所述压缩冷却装置(6)的二氧化碳气体出口(6.2)与空气分离装置(1)的氮气出口(1.2)通过第二管路(7.2)汇流后与天然气水合物储藏系统(8)的混合气进口(8.1)连接，所述天然气水合物储藏系统(8)的甲烷气体出口(8.2)通过第三管路(7.3)与燃气锅炉(3)的燃料进口(3.3)连接。
2.根据权利要求1所述的基于蒸汽调温的富氧燃烧与开发天然气水合物联产系统，其特征在于，所述循环水加热器(4)上还设置有低温蒸汽出口(4.2)，所述低温蒸汽出口(4.2)与换热器(2)和燃气锅炉(3)之间的管路连接。
3.根据权利要求2所述的基于蒸汽调温的富氧燃烧与开发天然气水合物联产系统，其特征在于，所述燃气锅炉(3)上还设置有用于发电的高温蒸汽出口(3.4)。
4.一种利用权利要求1或2或3所述的基于蒸汽调温的富氧燃烧与开发天然气水合物联产系统的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)空气经过空气分离装置(1)分离得到氮气和富氧，富氧经过换热器(2)与烟气进行换热，加热后的氧气引入燃气锅炉(3)作为氧化剂；燃气锅炉(3)燃烧后产生高温蒸汽和含高浓度CO2的烟气，高温蒸汽用于电厂发电，烟气经过换热器(2)后进入烟气冷凝器(5)；
2)烟气送入烟气冷凝器(5)进行处理之后，冷凝出的液态水经过循环水加热器(4)加热成低温蒸汽，与加热后的氧气以低温蒸汽：氧气以体积比为74:26的比例混合送入锅炉炉膛与燃料一起燃烧，蒸汽用于调节炉膛内的燃烧温度；
3)由烟气冷凝器(5)得到的高浓度CO2经过压缩冷却装置(6)处理之后，得到超临界状态的CO2，与空气分离装置(1)得到的氮气混合注入天然气水合物储藏系统(8)，二氧化碳与天然气水合物发生置换反应，二氧化碳取代原甲烷的位置封存于地下，而获得的纯甲烷气体作为燃气锅炉(3)的补给燃料。
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