CN108439336A - 一种零排放氢电联产系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种零排放氢电联产系统，包括：超临界二氧化碳循环子系统、天然气蒸汽重整制氢子系统和空分制氧子系统。本发明系统通过直燃加热的超临界二氧化碳循环发电，透平排气的高温段热量用于天然气蒸汽重整制氢过程，制氢尾气与补充的天然气混合气作为燃烧器燃料，空气装置提供纯氧，燃烧产生的二氧化碳全部捕集，水全部回收，不排放NOx气体。本发明系统还可通过外部提供低品位热能，节省燃料消耗。本发明系统的氢、电产量等级匹配性好，且集成现有技术，仅需改部分设备，研发投入小。
Description
技术领域
本发明涉及一种零排放氢电联产系统，属于能源技术领域。
背景技术
氢和电是零碳和无污染的能源载体，两者均在能源领域发挥着极其重要的作用。随着社会的进步，氢能日益受到重视，并被认为是未来能源的主体。现有的制氢厂和发电厂是相互独立的体系，前者主要是通过化学反应、电解、热分解等原理从含氢物质中获取氢，后者主要是通过热力循环原理将燃料燃烧、核裂变、太阳能辐照等产生的热量转变为电。近年来，氢电联产系统研究受到广泛关注，包括基于化石能源和核能的联产系统，这种联产系统可获得更好的综合效益。
超临界二氧化碳循环是当前的研究热点，其循环效率高，用途广，被认为具有良好的应用前景。直燃加热的超临界循环的特点是超临界二氧化碳在燃烧器中被燃气直接加热至高温，燃烧产物在透平出口后的处理工艺中排放或收集。由于直燃加热可以获得高的初参数，加上超临界二氧化碳循环所采用的回热、临界点附近压缩减少耗功等方法，使其具有极高的循环效率。
直燃加热的超临界二氧化碳循环透平进气温度和压力高，但透平膨胀比小，在最优膨胀比下，透平排气温度可达900℃以上，若直接进入回热器，会造成回热器高压侧热端温度过高，材料许用应力难以满足要求，这就不得不增大膨胀比，这就需要增加压缩设备，还会造成循环效率损失。工业制氢主要采用天然气蒸汽重整工艺，重整反应在800℃左右进行，所以，上述透平排气温度适用于天然气蒸汽重整制氢过程，且重整反应压力通常只有2.5MPa左右，不存在难以克服的材料问题。天然气蒸汽重整制氢技术非常成熟，与直燃加热的超临界二氧化碳循环互补性好，整个系统可实现高的能量转换效率，采用纯氧燃烧可避免产生NOx污染物，并可通过超临界二氧化碳循环完全捕集制氢产生的二氧化碳。
发明内容
本发明的目的是如何更清洁、高效地实现制氢和发电。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种零排放氢电联产系统，其特征在于包括：超临界二氧化碳循环子系统、天然气蒸汽重整制氢子系统和空分制氧子系统；
超临界二氧化碳循环子系统包括二氧化碳主压缩机，二氧化碳主压缩机出口连接回热器高压侧进口，回热器高压侧出口连接燃烧器进口，燃烧器出口连接透平进气口，回热器高压侧的一个支路连接透平冷却系统进口，透平连接发电机，透平排气口依次连接天然气蒸汽重整制氢子系统中的重整反应器和蒸发器的高压侧，再连接回热器低压侧进口，回热器低压侧出口连接冷凝器进口，冷凝器出口连接二氧化碳水分离器进口，二氧化碳水分离器出口连接冷却器进口，冷却器出口连接二氧化碳预压缩机进口，二氧化碳预压缩机出口分为两路，一路为主路连接二氧化碳主压缩机进口，另一路为支路连接二氧化碳收集器进口；燃料压缩机出口连接燃料器燃料进口。
天然气蒸汽重整制氢子系统包括天然气一次预热器，天然气一次预热器高温侧为变压吸附装置尾气的压缩气，天然气一次预热器原料侧进口连接天然气源的一个出口，天然气一次预热器原料侧出口连接天然气二次预热器原料侧进口，天然气二次预热器原料侧出口连接脱硫装置进口，脱硫装置出口连接天然气蒸汽预热器原料侧进口，天然气蒸汽预热器原料侧出口连接重整反应器低压侧进口，重整反应器低压侧出口连接天然气蒸汽预热器产物侧进口，天然气蒸汽预热器产物侧出口连接天然气二次预热器产物侧进口，天然气二次预热器产物侧出口连接变换反应器进口，变换反应器出口连接水预热器产物侧进口，水预热器产物侧出口连接天然气一次预热器产物侧进口，天然气一次预热器产物侧出口连接合成气冷却器进口，合成气冷却器的气体出口连接变压吸附装置进口，变压吸附装置的产品侧出口连接氢气收集器，变压吸附装置的尾气侧出口连接尾气压缩机进口，尾气压缩机出口连接天然气一次预热器尾气侧进口，天然气一次预热器尾气侧出口连接燃料气压缩机进口，天然气源的另一个出口也连接燃料气压缩机进口。
空分制氧子系统包括空分装置，空分装置的氧气产品侧出口连接氧压缩机进口，氧压缩机出口连接燃烧器氧气进口；循环水泵出口连接空分装置的余热排出侧进口，空分装置的余热排出侧出口连接蒸发器进口，循环水泵进口连接蒸发器出口；第一传热介质泵出口连接回热器传热介质侧进口，回热器传热介质侧出口连接空分装置的余热排出侧进口，空分装置的余热排出侧出口连接第一传热介质泵进口。
优选地，所述回热器可利用外部的低品位余热加热二氧化碳主压缩机出口的一部分二氧化碳工质，例如：利用中低温太阳能热、工业废热。
优选地，所述蒸发器可利用外部的低品位余热提供部分或全部热量，例如：利用中低温太阳能热、工业废热。
优选地，对所述尾气压缩机、燃料气压缩机的余热进行回收再利用。
优选地，回收的所述尾气压缩机、燃料气压缩机的余热用于加热二氧化碳工质、重整反应器给水、原料天然气、蒸发器等。
为了进一步开发氢电联产的潜力，本发明引入直燃加热的超临界二氧化碳循环，将直燃加热的超临界二氧化碳循环和天然气蒸汽重整过程相结合。
本发明将超临界二氧化碳循环透平排气的高温段热量提供给天然气蒸汽重整过程，再将透平排气的剩余热量通过回热器提供给二氧化碳主压缩机出口的超临界二氧化碳工质。天然气蒸汽重整反应通常需要700℃以上的高温，这与透平排气温度匹配，例如：透平进气压力30MPa，进气温度1200℃，当排气压力6MPa时，排气温度约920℃，透平排气中920℃至700℃的这段热量满足天然气蒸汽重整反应的要求，用于发电和用于制氢的热量相当，透平排气温度越高，可用于重整反应的热量越多。本发明中的燃烧器采用纯氧燃烧，不产生NOx气体，天然气蒸汽重整反应产生的二氧化碳连同制氢尾气和补充的天然气一并送入燃烧器燃烧，最后全部进入超临界二氧化碳子系统的二氧化碳收集器，获得高纯度的高压液态二氧化碳，满足输运要求。本发明中的超临界二氧化碳循环子系统产生的水经回收处理后可提供给天然气蒸汽重整制氢子系统，节省给水。
本发明基于现有技术，包括直燃加热的超临界二氧化碳循环系统及其设备、天然气蒸汽重整系统及其设备，空分制氧设备等，运用集成创新，实现零排放的氢电联电系统。本发明提供的一种氢电联电系统具有如下有益效果和特色：
1、系统能量利用效率高，燃烧产生的最高温度的热量用于发电，较高温度的热量用于制氢(化学能)，中低温热量通过多种方式回收。
2、系统产出的氢和电均为理想的绿色能源载体，可直接供生产、生活所需。
3、系统的氢、电产量等级匹配性好，发电和制氢均具备大型化条件，并且也可以进行小型化设计以满足分布式应用。
4、系统不排放污染物，100％捕集制氢和发电产生的二氧化碳，100％回收凝结水。
5、集成现有技术，仅需改造部分设备，研发投入小。
附图说明
图1为一种零排放氢电联产系统示意图；
其中：
1-二氧化碳主压缩机，2-回热器，3-燃烧器，4-透平，5-发电机，6-重整反应器，7-冷凝器，8-二氧化碳水分离器，9-冷却器，10-二氧化碳预压缩机，11-二氧化碳收集器，12-天然气源，13-天然气一次预热器，14-天然气二次预热器，15-脱硫装置，16-天然气蒸汽预热器，17-变换反应器，18-水处理装置，19-水预热器，20-蒸发器，21-合成气冷却器，22-合成气水分离器，23-变压吸附装置，24-氢气收集器，25-尾气压缩机，26-燃料气压缩机，27-空分装置，28-氧压缩机，29-第一传热介质泵，30-循环水泵，31-太阳能加热器，32-第二传热介质泵。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
图1为本实施例提供的一种零排放氢电联产系统的示意图，包括二氧化碳主压缩机1，回热器2，燃烧器3，透平4，发电机5，重整反应器6，冷凝器7，二氧化碳水分离器8，冷却器9，二氧化碳预压缩机10，二氧化碳收集器11，天然气源12，天然气一次预热器13，天然气二次预热器14，脱硫装置15，天然气蒸汽预热器16，变换反应器17，水处理装置18，水预热器19，蒸发器20，合成气冷却器21，合成气水分离器22，变压吸附装置23，氢气收集器24，尾气压缩机25，燃料气压缩机26，空分装置27，氧压缩机28，第一传热介质泵29，循环水泵30，太阳能加热器31，第二传热介质泵32。
二氧化碳主压缩机1，用于将超临界态二氧化碳工质增压至高压；
回热器2，具有多股流体换热设计，二氧化碳主压缩机1出口的二氧化碳工质经由高压侧进口进入回热器2，高压侧分出一小部分二氧化碳工质进入透平4的冷却系统进口，用于冷却透平4的高温部件，其余由高压侧出口输出至燃烧器3，高压二氧化碳工质在回热器2被经由低压侧进口进入的透平4排气加热，放热后的透平4排气工质再由回热器2低压侧出口输出，同时，空分装置27的部分余热也用于加热高压二氧化碳工质，第一传热介质泵29出口连接回热器2传热介质侧进口，回热器2传热介质侧出口连接空分装置27的余热排出侧进口；
燃烧器3，同时输入来自回热器2的二氧化碳工质、燃料气、氧气，燃料气与氧气燃烧反应产生的热量加热二氧化碳工质，在燃烧器出口，二氧化碳工质和燃烧产物及其它残余气体达到设定温度，然后输出至透平4进气口；
透平4，与发电机5相连，推动发电机5产生电能，做功后的排气进入重整反应器6，用于天然气蒸汽重整反应供热；
发电机5，用于将透平4的轴功转变为电能；
重整反应器6，用于天然气蒸汽重整反应；
冷凝器7，用于冷凝来自回热器2低压侧工质中的水分；
二氧化碳水分离器8，用于二氧化碳与水分离，分离后的水进入水处理装置18，分离后的二氧化碳进入二氧化碳预压缩机9；
冷却器9，用于冷却来自二氧化碳预压缩机9的二氧化碳；
二氧化碳预压缩机10，用于将二氧化碳压缩至满足输运要求的压力；
二氧化碳收集器11，用于收集二氧化碳；
天然气源12，用于为燃烧器3和重整反应器提供天然气；
天然气一次预热器13，用于将变压吸附装置23尾气经尾气压缩机25压缩产生的热量传递给天然气；
天然气二次预热器14，用于将天然气蒸汽重整反应的合成气的低温段热量传递给天然气；
脱硫装置15，用于天然气脱硫处理；
天然气蒸汽预热器16，用于将天然气蒸汽重整反应的合成气的高温段热量传递给天然气和蒸汽的混合气；
变换反应器17，用于一氧化碳与水的变换反应；
水处理装置18，用于回收和处理燃烧产物中的水和天然气蒸汽重整反应合成气中的水，并为天然气蒸汽重整反应提供水；
水预热器19，用于将天然气蒸汽重整反应的合成气的中温段热量传递给水；
蒸发器20，用于产生蒸汽；
合成气冷却器21，用于进一步冷却天然气蒸汽重整反应的合成气，使其中的水液化；
合成气水分离器22，用于分离天然气蒸汽重整反应的合成气中的水，分离后的水进入水处理装置18，分离后的气体进入变压吸附装置23；
变压吸附装置23，用于提取天然气蒸汽重整反应的合成气中的氢气；
氢气收集器24，用于收集氢气，并提供给输运或用氢设备；
尾气压缩机25，用于将变压吸附装置23排出尾气增压至天然气压力；
燃料气压缩机26，用于将变压吸附装置23排出尾气和天然气混合气体的增压，使燃烧器燃料气进气压力达到要求值；
空分装置27，用于制氧；
氧压缩机28，用于氧气增压，使燃烧器氧气进气压力达到要求值
第一传热介质泵29，用于输送空分装置27余热回收用传热介质；
循环水泵30，用于输送蒸发器20中的的水，从空分装置27或太阳能加热器31吸收热量；
太阳能加热器31，用于蒸发器20供热，也可为回热器2提供热量加热部分二氧化碳工质。
第二传热介质泵32，用于输送传热介质，从太阳能加热器31吸收热量传递给回热器2的高压侧二氧化碳工质；
各个设备之间通过管道连接，根据系统控制需要，管道上可布置阀门、仪表。组成系统的其它部分还有辅助设施、电气系统、控制系统等。
本实施例提供的一种零排放氢电联产系统的具体实施步骤如下：
超临界二氧化碳循环子系统的运行步骤为：二氧化碳工质经二氧化碳主压缩机1增压至高压(例如：30MPa)，经回热器2吸收透平4排气热量、空分装置27的余热和外部热量(如：太阳能加热器31的热量)，升温(例如：至680℃)，然后进入燃烧器3，燃料气压缩机26和氧压缩机28分别为燃烧器3提供燃料和氧气，二氧化碳工质吸收燃烧热量达到高温(例如：1200℃)，高温高压工质进入透平4膨胀做功，推动发电机5工作，回热器2中分出一股二氧化碳工质进入透平4的冷却系统用于冷却透平4的高温部件，透平4排气的温度和压力降低(例如：920℃/6MPa)，依次经重整反应器6、蒸发器20，降温至700℃左右，然后进入回热器2回收热量，再经冷凝器7冷却(例如：至35℃)，进入二氧化碳水分离器8，凝结水分离出来进入水处理装置18，脱水后的二氧化碳进入冷却器9冷却(例如：至18℃)，再经二氧化碳预压缩机10增压(例如：至10MPa)，将多余的二氧化碳送入二氧化碳收集器11，其余的二氧化碳返回二氧化碳主压缩机1。
天然气蒸汽重整制氢子系统的运行步骤为：天然气源12提供一定压力的天然气(例如：3MPa)，经天然气一次预热器13吸收变压吸附装置尾气压缩气的余热，经天然气二次预热器14吸收天然气蒸汽重整反应的合成气的余热，进入脱硫装置15(干法脱硫，温度350-400℃)，降低天然气中的硫含量以避免重整反应催化剂硫中毒；水处理装置18提供一定压力的给水(例如：3MPa)，经水预热器19吸收天然气蒸汽重整反应的合成气的余热，再进入变换反应器17吸收一氧化碳与水变换反应的放热，然后进入蒸发器20，从重整反应器6出来的工质热量、空分装置27的余热和太阳能加热器31的热量用于产生蒸汽，蒸发器20出来的蒸汽与脱硫装置15出来天然气的混合气进入天然气蒸汽预热器16，吸收天然气蒸汽重整反应的合成气的热量，温度升高(例如：至650℃)，再进入重整反应器6发生重整反应，产生的合成气经天然气蒸汽预热器16、天然气二次预热器14，进入变换反应器17发生一氧化碳与水变换反应，合成气再进入水预热器19释放余热，再经合成气冷却器21降温，凝结水通过合成气水分离器22分离，分离出来的水进入水处理装置18，合成气进入变压吸附装置23，提取的氢气进入氢气收集器24，尾气进入尾气压缩机25增压，再进入天然气一次预热器13释放余热，然后与来自天然气源12的天然气混合后进入燃料气压缩机26。
空分制氧子系统的运行步骤为：空分装置27产生的氧气进入氧压缩机28增压，向燃烧器3的供氧，空分装置27的余热通过第一传热介质泵29和循环水泵30将余热传递给回热器2和蒸发器20。
根据上述的实施例，对于105Nm3/h等级的制氢量，对应100MWe等级的发电量，因此，本发明的零排放氢电联产系统的氢、电产量匹配性好，制氢和发电均具备大型化条件，并且也可以进行小型化设计以满足分布式应用。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。
Claims (5)
1.一种零排放氢电联产系统，其特征在于，包括：超临界二氧化碳循环子系统、天然气蒸汽重整制氢子系统和空分制氧子系统；
超临界二氧化碳循环子系统包括二氧化碳主压缩机，二氧化碳主压缩机出口连接回热器高压侧进口，回热器高压侧出口连接燃烧器进口，燃烧器出口连接透平进气口，回热器高压侧的一个支路连接透平冷却系统进口，透平连接发电机，透平排气口依次连接天然气蒸汽重整制氢子系统中的重整反应器和蒸发器的高压侧，再连接回热器低压侧进口，回热器低压侧出口连接冷凝器进口，冷凝器出口连接二氧化碳水分离器进口，二氧化碳水分离器出口连接冷却器进口，冷却器出口连接二氧化碳预压缩机进口，二氧化碳预压缩机出口分为两路，一路为主路连接二氧化碳主压缩机进口，另一路为支路连接二氧化碳收集器进口；燃料压缩机出口连接燃料器燃料进口；
天然气蒸汽重整制氢子系统包括天然气一次预热器，天然气一次预热器高温侧为变压吸附装置尾气的压缩气，天然气一次预热器原料侧进口连接天然气源的一个出口，天然气一次预热器原料侧出口连接天然气二次预热器原料侧进口，天然气二次预热器原料侧出口连接脱硫装置进口，脱硫装置出口连接天然气蒸汽预热器原料侧进口，天然气蒸汽预热器原料侧出口连接重整反应器低压侧进口，重整反应器低压侧出口连接天然气蒸汽预热器产物侧进口，天然气蒸汽预热器产物侧出口连接天然气二次预热器产物侧进口，天然气二次预热器产物侧出口连接变换反应器进口，变换反应器出口连接水预热器产物侧进口，水预热器产物侧出口连接天然气一次预热器产物侧进口，天然气一次预热器产物侧出口连接合成气冷却器进口，合成气冷却器的气体出口连接变压吸附装置进口，变压吸附装置的产品侧出口连接氢气收集器，变压吸附装置的尾气侧出口连接尾气压缩机进口，尾气压缩机出口连接天然气一次预热器尾气侧进口，天然气一次预热器尾气侧出口连接燃料气压缩机进口，天然气源的另一个出口也连接燃料气压缩机进口；
空分制氧子系统包括空分装置，空分装置的氧气产品侧出口连接氧压缩机进口，氧压缩机出口连接燃烧器氧气进口；循环水泵出口连接空分装置的余热排出侧进口，空分装置的余热排出侧出口连接蒸发器进口，循环水泵进口连接蒸发器出口；第一传热介质泵出口连接回热器传热介质侧进口，回热器传热介质侧出口连接空分装置的余热排出侧进口，空分装置的余热排出侧出口连接第一传热介质泵进口。
2.如权利要求1所述的一种零排放氢电联产系统，其特征在于，所述回热器利用外部的低品位余热加热二氧化碳主压缩机出口的一部分二氧化碳工质。
3.如权利要求1所述的一种零排放氢电联产系统，其特征在于，所述蒸发器利用外部的低品位余热提供部分或全部热量。
4.如权利要求1所述的一种零排放氢电联产系统，其特征在于，对所述尾气压缩机、燃料气压缩机的余热进行回收再利用。
5.如权利要求4所述的一种零排放氢电联产系统，其特征在于，回收的所述尾气压缩机、燃料气压缩机的余热用于加热二氧化碳工质、重整反应器给水、原料天然气、蒸发器。
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