CN108167086A - 一种高压富氧燃烧斯特林发电系统及其控制方法 - Google Patents

一种高压富氧燃烧斯特林发电系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种发电系统，包括：依次连通的高压燃烧斯特林发动机、余热利用斯特林发动机、换热装置和储存罐；还包括发电机，发电机的动力输入端分别与高压燃烧斯特林发动机的动力输出端、余热利用斯特林发动机的动力输出端连接。一种控制方法，包括如下步骤：将高压燃烧斯特林发动机的第一燃烧室内的第一高温烟气通入余热利用斯特林发动机进行余热利用；余热利用斯特林发动机的第二燃烧室的第二高温烟气通入换热装置中进行降温，分离第二高温烟气中水蒸汽和CO2；液态CO2被通入储存罐内进行保存；发电系统的压力始终大于6MPa。本发明通过利用对第一高温烟气的余热进行利用，提高了发电效率，同时将CO2收集起来，实现CO2的零排放。

Description

一种高压富氧燃烧斯特林发电系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及发动机发电系统领域，尤其涉及一种高压富氧燃烧斯特林发电系统及其控制方法。
背景技术
斯特林发动机是通过气缸内工作介质经过冷却、压缩、吸热、膨胀为一个周期的循环来输出动力，因此又被称为热气机。热气机是一种由外部供热使气体在不同温度下作周期性压缩和膨胀的闭式循环往复式发动机。
斯特林发动机被广泛应用于工业发电中，虽然采用外部燃烧供热，但是在燃料燃烧后依旧会产生高温烟气，该高温烟气若直接排入大气中，高温烟气会污染大气，而且传统的应用斯特林发动机进行发电，由于无法有效利用燃料燃烧后产生的高温烟气中的热量，因此采用斯特林发动机进行发电的发电效率不高。
因此，本申请人致力于提供一种高压富氧燃烧斯特林发电系统及其控制方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种高压富氧燃烧斯特林发电系统及其控制方法，能够实现CO2的零排放，实现高温烟气的余热利用，从而提高发电效率。
本发明提供的技术方案如下：
一种高压富氧燃烧斯特林发电系统，包括：依次连通的高压燃烧斯特林发动机、余热利用斯特林发动机、换热装置和储存罐；所述高压燃烧斯特林发动机设有第一燃烧室，所述第一燃烧室设有气体入口，燃料入口和第一烟气出口；所述余热利用斯特林发动机设有第二燃烧室，所述第二燃烧室设有第二烟气入口和第二烟气出口，所述第二烟气入口与所述第一烟气出口连通；所述换热装置设有第三烟气入口、冷凝水出口和液态CO2出口，所述第三烟气入口与第二烟气出口连通；所述储存罐设有液态CO2入口，所述液态CO2入口与所述液态CO2出口连通；还包括发电机，所述发电机的动力输入端分别与所述高压燃烧斯特林发动机的动力输出端、余热利用斯特林发动机的动力输出端连接。
上述结构中，通过将高压燃烧斯特林发动机燃烧得到的高温烟气通入后续的余热利用斯特林发动机进行余热利用，在降低高温烟气温度的同时高温烟气的余热驱动了余热利用斯特林发动机的运转，提高了整个发电系统的发电效率，且采用换热装置对高温烟气进行进一步冷却，能够通过降温将高温烟气中的水蒸汽和CO2先后变为冷凝水和液态CO2，从而实现冷凝水和液态CO2的分离，并将液态CO2通入后续的储存罐中进行保存，实现了高温烟气的CO2的零排放，避免排入大气中，造成空气的污染。
优选地，所述高压燃烧斯特林发动机设有第一冷却水通道，所述余热利用斯特林发动机设有第二冷却水通道，所述换热装置设有第三冷却水通道；所述第一冷却水通道、第二冷却水通道与第三冷却水通道依次连通并形成回路；所述回路处还设有用于冷却循环冷却水的冷却水装置。
上述结构中，将高压燃烧斯特林发动机、余热利用斯特林发动机和换热装置的冷却水通道连成同一回路，并运用一个冷却水装置对冷却水通道内的流动的循环冷却水进行冷却，相较于每个装置均对应设置一个冷却水装置，减少了发电系统的占地面积，减少了冷却水装置数量的同时节约了成本。
优选地，所述换热装置与储存罐通过压缩泵连通。
上述结构中，通过对液态CO2进行压缩增压，能够减小液态CO2的体积的同时增加液态CO2的密度，从而减小后续的储存罐的体积，进而减小储存罐的制造成本，储存罐体积更小也便于后续处理时运输。
优选地，所述第一燃烧室内设有气体引射器，所述气体引射器设有纯氧入口，所述纯氧入口与所述第一燃烧室的气体入口连通。
上述结构中，通过在第一燃烧室内设置气体引射器，能够将一部分高温烟气与纯氧混合均匀，并在富氧的状态下进行燃烧，提高了燃烧效率，而且一部分高温烟气会对纯氧先进行一次预热，从而进一步提高了高压燃烧斯特林发动机的效率，进而提高整体发电系统的发电效率。
一种高压富氧燃烧斯特林发电系统的控制方法，包括如下步骤：S100：将高压燃烧斯特林发动机的第一燃烧室内的第一高温烟气通入余热利用斯特林发动机进行余热利用；S200：余热利用斯特林发动机的第二燃烧室的第二高温烟气通入换热装置中进行降温，分离第二高温烟气中水蒸汽和CO2，水蒸汽经过降温变为冷凝水，CO2经过降温变为液态CO2；S300：液态CO2被通入储存罐内进行保存；其中，高压燃烧斯特林发动机和余热利用斯特林发动机分别与发电机分别与发电机连接并提供所述发电机动力，用于驱动所述发电机发电；所述发电系统的压力始终大于6MPa。
现有技术中，在标准大气压下，需要将CO2的温度降低到零下才能实现CO2的液化。上述方法中，通过将发电系统的压力限制在大于6MPa，能够保证整个发电系统在发电过程均处于高压状态，从而降低了高温烟气中的气态CO2的冷凝点，当需要将气态CO2液化时，只需要将气态CO2的温度降低到50℃～60℃即可实现CO2的液化，减少了CO2从气态变为液态需要降低的温度，从而节约换热装置内的循环冷却水的量。通过利用第一高温烟气的余热驱动余热利用斯特林发动机，能够提高整个发电系统的发电效率，而且余热利用斯特林发动机在利用余热的同时会降低第二高温烟气的温度，进一步减少了循环冷却水的量。
优选地，所述发电系统的压力为6～10MPa。
由于加压需要消耗很多能源，所以将压力限制在6～10MPa之间，能够在保证CO2的零排放的同时成本较低。
优选地，所述步骤S200中的所述液态CO2通入压缩泵进行压缩增压至13MPa以上。
优选地，所述步骤S100中的第一高温烟气分为两部分，第一部分通入余热利用斯特林发动机进行余热利用，第二部分被纯氧引射并将其点燃燃烧；其中，所述第二部分第一高温烟气与纯氧的质量流量比值为5～20。
通过限制第二部分第一高温烟气与纯氧的质量流量比值能够保证第一燃烧室能够更加充分燃烧，提高高压燃烧斯特林发动机的燃烧效率。
优选地，所述高压燃烧斯特林发动机的第一冷却水通道、余热利用斯特林发动机的第二冷却水通道和换热装置的第三冷却水通道依次连通并形成回路，所述回路中的循环冷却水通过冷却水装置进行降温冷却。
本发明提供的一种高压富氧燃烧斯特林发电系统及其控制方法，能够带来以下有益效果：
通过利用高压燃烧斯特林发动机产生的高温烟气中的余热来驱动余热利用斯特林发动机，能够提高整个发电系统的发电效率，且通过换热装置对高温烟气进行降温后能够实现CO2的液化，并储存在储存罐中，避免排入大气中造成大气污染。
附图说明
下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对高压富氧燃烧斯特林发电系统及其控制方法的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。
图1是本发明的高压富氧燃烧斯特林发电系统的一种实施方式的结构示意图。
附图标号说明：
1-高压燃烧斯特林发动机，1a-第一燃烧室，1b-气体引射器，1c-气体入口，1d-燃料入口，1e-第一烟气出口，2-余热利用斯特林发动机，2a-第二燃烧室，3-冷却器，4-储存罐，5-发电机，6-压缩泵，A-纯氧，B-燃料，C-冷凝水，D-液态CO2，E-循环冷却水。
具体实施方式
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，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
为使图面简洁，各图中的只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。
【实施例1】
如图1所示，实施例1公开了一种高压富氧燃烧斯特林发电系统的具体实施方式，包括：依次连通的高压燃烧斯特林发动机1、余热利用斯特林发动机2、换热装置和储存罐4。其中，高压燃烧斯特林发动机1设有第一燃烧室1a，第一燃烧室1a设有气体入口1c，燃料入口1d和第一烟气出口1e。余热利用斯特林发动机2设有第二燃烧室2a，第二燃烧室2a设有第二烟气入口和第二烟气出口，第二烟气入口与第一烟气出口1e连通，用于接收来自第一燃烧室1a内的第一高温烟气。换热装置设有第三烟气入口、冷凝水出口和液态CO2出口，第三烟气入口与第二烟气出口连通。储存罐4设有液态CO2入口，液态CO2入口与液态CO2出口连通。
还包括：发电机5，该发电机5的动力输入端分别与高压燃烧斯特林发动机1的动力输出端、余热利用斯特林发动机2的动力输出端连接，高压燃烧斯特林发动机1与余热利用斯特林发动机2用以提供动力带动发电机5发电。
高压富氧燃烧斯特林发电系统的工作情况如下：
1、先向高压燃烧斯特林发动机1中加入燃料B和空气，高压燃烧斯特林发动机1带动发电机5进行发电；
2、高压燃烧斯特林发动机1产生的第一高温烟气输送至余热利用斯特林发动机2进行余热利用的同时对第一高温烟气降温得到第二高温烟气，余热利用斯特林发动机2带动发电机5发电；
3、第二高温烟气通入换热装置中进行降温，将第二高温烟气中的水蒸汽和CO2液化后分离；
4、液态CO2D通入储存罐4中加以储存。
高压燃烧斯特林发动机1的第一燃烧室1a的压力大于6MPa，余热斯特林发动机和换热器能够耐6MPa以上压力，储存罐4能够耐13MPa以上压力。
本实施例中，通过利用第一高温烟气的余热来驱动余热利用斯特林发动机2，从而为发电机5提供动力发电，提高了整个发电系统的发电效率。同样的，第一高温烟气中的余热被利用后，得到了温度下降的第二高温烟气，进一步减少了后续换热装置冷却第二高温烟气时需要的循环冷却水E的量。通过将第二高温烟气进行降温，能够将CO2液化后储存在储存罐4中，避免排入大气进而造成空气污染。
【实施例2】
如图1所示，实施例2在实施例1的基础上，实施例2的高压燃烧斯特林发动机1设有第一冷却水通道，所述余热利用斯特林发动机2设有第二冷却水通道，所述换热装置设有第三冷却水通道，第一冷却水通道、第二冷却水通道与第三冷却水通道依次连通并形成回路且该回路上设有用于冷却循环冷却水E的冷却水装置。
通过将上述三个装置的冷却水通道串联起来并通过一个冷却水装置对循环冷却水E进行降温处理，相较于现有技术中的一个冷却水装置对应一个斯特林发动机来说，这样的做法可以减少冷却水装置的数量，从而减少整个发电系统的占地面积。
【实施例3】
如图1所示，实施例3在实施例1或2的基础上，实施例3的换热装置与储存罐4之间还设有压缩泵6，本实施例中，换热装置为冷却器3，换热装置与储存罐4通过压缩泵6连通，压缩泵6用于压缩自换热装置流出的液态CO2D，并对其进行压缩增压，将其压力提高到13MPa以上，进而减小液态CO2D的体积和增加CO2的密度，有效减小了后续的储存罐4的体积，减少了储存罐4的制造成本的同时方便后续处理时运输。
【实施例4】
如图1所示，实施例4在实施例1～3的基础上，实施例4的第一燃烧室1a内还设有气体引射器1b，该气体引射器1b上设有纯氧A入口，该纯氧A入口与第一燃烧室1a的气体入口1c连通，用于向气体引射器1b内通入纯氧A，当第一燃烧室1a在工作时，利用气体引射器1b将纯氧A和一部分第一高温烟气进行混合，而另一部分第一高温烟气则排入后续的余热利用斯特林发动机2中进行余热利用，这样的做法能够使得第一燃烧室1a内进行富氧燃烧，进而提高高压燃烧斯特林发动机1的效率，而且一部分的高温烟气的温度较高，可以对纯氧A进行预热，进一步提高了高压燃烧斯特林发动机1的效率。
【实施例5】
如图1所示，实施例5公开了一种高压富氧燃烧斯特林发电系统的控制方法，包括如下步骤：
S100：将高压燃烧斯特林发动机1的第一燃烧室1a内的第一高温烟气通入余热利用斯特林发动机2进行余热利用；
S200：余热利用斯特林发动机2的第二燃烧室2a的第二高温烟气通入换热装置中进行降温，分离第二高温烟气中水蒸汽和CO2，水蒸汽经过降温变为冷凝水C，CO2经过降温变为液态CO2D；
S300：液态CO2D被通入储存罐4内进行保存。
其中，高压燃烧斯特林发动机1和余热利用斯特林发动机2分别与发电机5分别与发电机5连接并提供发电机5动力，用于驱动发电机5发电，并维持发电系统的压力为6.5MPa。
通过第一高温烟气的余热利用来提高整个发电系统的发电效率，又由于整个发电系统的压力维持在大于6MPa，能够使得CO2的冷凝点降低至50℃～60℃，进而减少用于冷却第二高温烟气的CO2的循环冷却水E的用量。并将液态CO2D通入储存罐4中储存起来，避免对大气造成污染。
【实施例6】
如图1所示，实施例6在实施例5的基础上，实施例6的除储存罐4外，整个发电系统的压力维持在7.5MPa，且将换热装置排出的7.5MPa的液态CO2D输送至压缩泵6中进行压缩增压，将液态CO2D的压力增加至13.5MPa，并将增压后的液态CO2D通入储存罐4中进行储存。
由于压力越大，CO2的冷凝点就越高，相较于实施例5，用于降低CO2的温度所用的循环冷却水E的量也越少。
【实施例7】
如图1所示，实施例7在实施例5的基础上，实施例7的除储存罐4外，整个发电系统的压力维持在9MPa，且将换热装置排出的具有9MPa压强的液态CO2D输送至压缩泵6中进行压缩增压，将液态CO2D的压力增加至15MPa，并将增压后的液态CO2D通入储存罐4中进行储存。其中，步骤S100中的第一高温烟气被分为两部分，第一部分与纯氧A混合继续在第一燃烧室1a内燃烧，第二部分通入后续的余热利用斯特林发动机2中进行余热利用，且第二部分第一高温烟气与纯氧A的质量流量比值为5。
相较于实施例6，由于经过压缩泵6增压的液态CO2D的压力更大，所以后续储存罐4的体积更小，更加节约制造成本，且由于将第一高温烟气的其中一部分作为燃料B与纯氧A混合后再次进行燃烧，并限制两者的质量流量的比值，能够实现混合气体的富氧燃烧，提高高压燃烧斯特林发动机1的效率。
【实施例8】
如图1所示，实施例8在实施例7的基础上，实施例8的整个发电系统的压力维持在10MPa，且将换热装置排出的具有10MPa压强的液态CO2D输送至压缩泵6中进行压缩增压，将液态CO2D的压力增加至16MPa，且第二部分第一高温烟气与纯氧A的质量流量比值为12。
【实施例9】
如图1所示，实施例9在实施例7的基础上，实施例9的整个发电系统的压力维持在8MPa，且将换热装置排出的具有8MPa压强的液态CO2D输送至压缩泵6中进行压缩增压，将液态CO2D的压力增加至14MPa，且第二部分第一高温烟气与纯氧A的质量流量比值为18。
【实施例10】
如图1所示，实施例10在实施例5～9的基础上，实施例10中的高压燃烧斯特林发动机1的第一冷却水通道、余热利用斯特林发动机2的第二冷却水通道和换热装置的第三冷却水通道依次连通并形成回路，所述回路中的循环冷却水E通过冷却水装置进行降温冷却。
应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种高压富氧燃烧斯特林发电系统，其特征在于，包括：
依次连通的高压燃烧斯特林发动机、余热利用斯特林发动机、换热装置和储存罐；
所述高压燃烧斯特林发动机设有第一燃烧室，所述第一燃烧室设有气体入口，燃料入口和第一烟气出口；
所述余热利用斯特林发动机设有第二燃烧室，所述第二燃烧室设有第二烟气入口和第二烟气出口，所述第二烟气入口与所述第一烟气出口连通；
所述换热装置设有第三烟气入口、冷凝水出口和液态CO2出口，所述第三烟气入口与第二烟气出口连通；
所述储存罐设有液态CO2入口，所述液态CO2入口与所述液态CO2出口连通；
还包括发电机，所述发电机的动力输入端分别与所述高压燃烧斯特林发动机的动力输出端、余热利用斯特林发动机的动力输出端连接。
2.根据权利要求1所述的高压富氧燃烧斯特林发电系统，其特征在于：
所述高压燃烧斯特林发动机设有第一冷却水通道，所述余热利用斯特林发动机设有第二冷却水通道，所述换热装置设有第三冷却水通道；
所述第一冷却水通道、第二冷却水通道与第三冷却水通道依次连通并形成回路；
所述回路处还设有用于冷却循环冷却水的冷却水装置。
3.根据权利要求1所述的高压富氧燃烧斯特林发电系统，其特征在于：
所述换热装置与储存罐通过压缩泵连通。
4.根据权利要求1所述的高压富氧燃烧斯特林发电系统，其特征在于：
所述第一燃烧室内设有气体引射器，所述气体引射器设有纯氧入口，所述纯氧入口与所述第一燃烧室的气体入口连通。
5.一种权利要求1～4中任一项所述的高压富氧燃烧斯特林发电系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S100：将高压燃烧斯特林发动机的第一燃烧室内的第一高温烟气通入余热利用斯特林发动机进行余热利用；
S200：余热利用斯特林发动机的第二燃烧室的第二高温烟气通入换热装置中进行降温，分离第二高温烟气中水蒸汽和CO2，水蒸汽经过降温变为冷凝水，CO2经过降温变为液态CO2；
S300：液态CO2被通入储存罐内进行保存；
其中，高压燃烧斯特林发动机和余热利用斯特林发动机分别与发电机分别与发电机连接并提供所述发电机动力，用于驱动所述发电机发电；
所述发电系统的压力始终大于6MPa。
6.根据权利要求5所述的高压富氧燃烧斯特林发电系统的控制方法，其特征在于：
所述发电系统的压力为6～10MPa。
7.根据权利要求5所述的高压富氧燃烧斯特林发电系统的控制方法，其特征在于：
所述步骤S200中的所述液态CO2通入压缩泵进行压缩增压至13MPa以上。
8.根据权利要求5所述的高压富氧燃烧斯特林发电系统的控制方法，其特征在于：
所述步骤S100中的第一高温烟气分为两部分，第一部分通入余热利用斯特林发动机进行余热利用，第二部分被纯氧引射并将其点燃燃烧；
其中，所述第二部分第一高温烟气与纯氧的质量流量比值为5～20。
9.根据权利要求5所述的高压富氧燃烧斯特林发电系统的控制方法，其特征在于：
所述高压燃烧斯特林发动机的第一冷却水通道、余热利用斯特林发动机的第二冷却水通道和换热装置的第三冷却水通道依次连通并形成回路，所述回路中的循环冷却水通过冷却水装置进行降温冷却。
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