CN109184830A - 一种燃料/氧燃烧产物与co2混合工质循环发电装置 - Google Patents

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Abstract

一种燃料/氧燃烧产物与CO2混合工质循环发电装置由燃烧室组、透平发电机组、换热器组、泵、气液分离器及干燥器等组成。以燃料/氧燃烧产物和循环CO2混合产生的高温高压CO2/H2O为工质在透平中膨胀作功，透平乏气在换热器中放热冷却后经气液分离器与干燥器分离出水分，CO2气体再被冷却水冷却凝结后，捕集与燃烧产物对应的CO2并排出系统，其余经泵加压作为循环工质。本发明的发电装置之系统设备结构简单、紧凑，循环效率较高；通过液氧制备消耗低谷电实现规模电力移峰，并对燃料产生的CO2实现全捕集和零NOx排放。

Description

一种燃料/氧燃烧产物与CO2混合工质循环发电装置
技术领域
本发明涉及一种发电装置，尤其一种燃料/氧燃烧产物与CO2混合工质循环发电装置。
背景技术
光伏和风力发电负荷的间隙性和不稳定性，使得现有电网难以容纳吸收，不得不大量废弃。现代三班倒企业的减少也使得电网峰谷差增大。抽水蓄能电站受地理因素等方面的限制不能大量投入使用。因此发展清洁能源间歇式发电装置已成为当前和未来智能电网平衡负荷、消减峰谷负荷波动，保障电力系统安全可靠的关键技术。因为便于运输和贮存，液化天然气成为沿海地区调峰发电的主要燃料，燃气调峰发电及规模储能将是未来智能电网实现峰谷平衡、稳定电网运行的主要手段。与此同时，以CO2为主的温室气体排放及造成的气候变化与环境问题受到全球的普遍关注，我国承诺的巴黎气候协定要求我国在2050年将CO2减排至目前的三分之一左右。其中CO2捕集与封存技术(CCS)是解决气候变化问题的必要技术手段。然而现有的CO2捕集方案存在捕集过程能源消耗代价太大的问题。
燃气蒸汽联合循环是目前常用的调峰发电方式，但其系统复杂、价格昂贵，特别是燃气轮机的技术主要掌握在发达国家手里，发电成本很高。国外最新研究的Allam循环仍然没有脱开燃气轮机循环的思路，采用压缩机来对循环工质CO2加压，不仅系统较复杂，而且还降低了效率。
发明内容
本发明目的是提供一种燃烧产物与CO2混合作为工质的动力循环发电装置，具有电网规模调峰、二氧化碳回收、氮氧化物零排放、高效发电等特点。
本发明为实现上述目的采用如下技术方案：
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1.循环热效率较高，且具有电网规模调峰的功能。由于燃烧室组比锅炉紧凑得多，材料消耗较少，所以高温部件有条件使用比较昂贵的耐高温材料，以提高装置的运行参数即透平工质的进口压力和温度；在CO2全捕集条件下，本发明的发电机组的循环热效率可达到45％～56％。考虑制氧消耗的谷电电价和机组的低成本特点，其发电机组的效率和经济效益远高于常规发电方案。此外由于可以用燃烧来调节透平负荷，即透平负荷的调节不是依靠透平进口阀(4-4)的调节，而是依靠燃烧室燃料进口调节阀(4-1)和燃烧室氧气进口调节阀(4-2)从燃烧侧调节，同时依靠燃烧室CO2进口调节阀(4-3)跟踪调节透平进口温度，因此部分负荷时机组也具有较高的效率。燃料发电所需液氧在电网谷电时段生产并贮存，贮存所需的空间较小，同时调峰设施不受地质条件限制，投资也可以大幅降低。根据初步估算，制氧储能耗功转移的电能大致占机组发电量的25％～30％。
2.循环系统较为简单。本发明的循环系统结构紧凑，所需热力部件少，不仅比燃气蒸汽联合循环简单得多，而且与常规电厂相比，用燃烧室组替代锅炉，材料消耗和占地空间都大大节省，从而可以大大减少设备投资与运行的费用；此循环采用了两个回热器(换热器A与E)分别来加热进入燃烧室中的循环工质与燃料和氧气，免去了传统电厂的抽汽回热系统数量繁多的高压给水加热器组与低压加热器组；另外采用三个换热器(换热器B、C与D)，用于将工质冷却冷凝为液体，其中换热器D利用燃料和液氧的冷能用于将冷却水降温。本发明的透平背压较高，省去了传统电厂中压透平与低压透平，无透平乏气带液问题。与国外学者Allam提出的循环相比，不仅省去了压缩机组，而且循环效率还有所提高。
3.二氧化碳全捕集。二氧化碳的捕集过程是在实现热力循环过程中通过对透平乏气进行冷却、分离、冷凝等物理过程完成，系统简单，无需额外增加代价或费用。燃料/氧燃烧产物加循环CO2形成以CO2为主，含少量H2O的混合工质动力循环，混合工质在透平中膨胀到略低于临界压力后进入回热过程，冷却后进入气液分离器与干燥器，CO2被分离后被冷却水液化；将燃烧产物对应的CO2排出系统，从而实现二氧化碳的全捕集。所捕集的高品质CO2可用于增加废弃油田的产量，本身则被埋藏到地下，也可用于其他利用场合。由于燃烧产物也作为循环工质，因此消除了排烟损失，同时燃烧过程中没有空气中氮气的参与，避免了NOx的生成，有优良的环保效益。
附图说明
图1是本发明实施例的流程示意图；
图2是本发明实施例的燃烧室示意图；
图3是本发明实施例的循环过程在CO2压-焓(p-h)图中的示意图。
具体实施方式
下面结合图1对本发明的技术方案进行详细说明：
实施例：
一种燃料/氧燃烧产物与CO2混合工质循环发电装置，
本发明之工作流程如下：
在电网低谷时段，空气分离装置消耗低谷电能制备液氧并进行储存；在峰电时段该发电装置可根据电网负荷需要投入调峰运行；发电机组运行时，燃料/氧在燃烧室1中燃烧，同时有CO2从火焰筒1-3的孔隙中渗入并与燃烧产物混合，大部分CO2则沿着火焰筒与燃烧室壳体1-1之间的环形空间在螺旋折流板1-4引导的螺旋通道流动，限制了耐压的燃烧室壳体的温度，将混合工质的压力、温度调整到设备的安全运行限域内，最终形成以CO2为主的CO2/H2O混合工质，在透平2中膨胀发电；透平乏气分流经过换热器A与换热器E分别加热循环CO2与燃料/氧气。由于CO2泵10出口的循环CO2温度较高，所以换热器A的透平乏气出口温度较高，将其引入换热器B中进一步冷却，然后在分离器进口三通15-2与在换热器E中被燃料/氧气冷却的透平乏气汇合。此时的CO2为气态，H2O为液态，在气液分离器7中液态H2O通过排水阀4-6排出系统，气态CO2经干燥器8进一步干燥除湿后进入换热器C。冷却水在换热器D中被液态燃料与氧气冷却后，再依次进入换热器C和换热器B。冷却后凝结为液体的循环CO2经过CO2泵加压再经换热器A加热后去燃烧室，多余的液体CO2经捕集CO2阀4-7排出系统。

Claims (4)

1.一种燃料/氧燃烧产物与CO2混合工质循环发电装置，其特征在于，由燃烧室组(1)、透平(2)、发电机(3)、阀组(4)、换热器A(5)、换热器B(6)、气液分离器(7)、干燥器(8)、换热器C(9)、CO2泵(10)、换热器D(11)、换热器E(12)、燃料供给系统(13)、液氧供给系统(14)和三通组(15)组成；
所述燃料/氧燃烧产物与CO2混合工质循环发电装置采用燃料和氧的燃烧产物加上循环工质CO2作为混合工质；以LNG为燃料为例，其化学成分主要为CO2和少量H2O；循环工质CO2的加压不采用压缩机而是采用泵；液氧的制备采用空气分离装置消耗低谷电，以实现规模电力移峰；并且可以对燃料产生的CO2实现全捕集；
所述燃烧室组(1)由多个燃烧室并联排列组成，每个燃烧室由燃烧室壳体(1-1)、燃烧器(1-2)、火焰筒(1-3)、螺旋折流板(1-4)组成，在燃烧室壳体(1-1)左端侧面设有燃烧室进CO2接管(1-5)，在燃烧室壳体的右端设有燃烧室出口接管(1-6)；所述燃烧器(1-2)设有燃烧室进燃料接管(1-7)和燃烧室进氧气接管(1-8)；所述火焰筒(1-3)的筒体上分布有冷却气孔；所述螺旋折流板(1-4)在燃烧室壳体(1-1)与火焰筒(1-3)之间的环形空间形成螺旋通道；所述阀组(4)包括燃烧室燃料进口调节阀(4-1)、燃烧室氧气进口调节阀(4-2)、燃烧室CO2进口调节阀(4-3)、透平进口阀(4-4)、分流阀(4-5)、排水阀(4-6)及捕集CO2阀(4-7)；所述三通组(15)包括透平出口三通(15-1)、分离器进口三通(15-2)和CO2泵进口三通(15-3)；
所述换热器A(5)设有HA乏气侧进口(5-1)、HA乏气侧出口(5-2)、HA-CO2侧进口(5-3)与HA-CO2侧出口(5-4)；换热器B(6)设有HB乏气侧进口(6-1)、HB乏气侧出口(6-2)、HB水侧进口(6-3)和HB水侧出口(6-4)；换热器C(9)设有HC-CO2侧进口(9-1)、HC-CO2侧出口(9-2)、HC水侧进口(9-3)和HC水侧出口(9-4)；换热器D(11)设有HD水侧进口(11-1)、HD水侧出口(11-2)、HD燃料侧进口(11-3)、HD燃料侧出口(11-4)、HD液氧侧进口(11-5)与HD氧气侧出口(11-6)；换热器E(12)设有HE乏气侧进口(12-1)、HE乏气侧出口(12-2)、HE燃料侧进口(12-3)、HE燃料侧出口(12-4)、HE氧气侧进口(12-5)和HE氧气侧出口(12-6)；
所述燃料供给系统(13)包括燃料储罐(13-1)与燃料泵(13-2)；
所述液氧供给系统(14)包括液氧储罐(14-1)与液氧泵(14-2)；
所述燃烧室进燃料接管(1-7)通过燃烧室燃料进口调节阀(4-1)与换热器E(12)的HE燃料侧出口(12-4)相连接；所述燃烧室进氧气接管(1-8)通过燃烧室氧气进口调节阀(4-2)与换热器E(12)的HE氧气侧出口(12-6)相连接；燃烧室进CO2接管(1-5)通过燃烧室CO2进口调节阀(4-3)与换热器A(5)的HA-CO2侧出口(5-4)相连接；燃烧室出口接管(1-6)通过透平进口阀(4-4)连接透平的进气室；
换热器A(2-1)的HA乏气侧进口(5-1)通过透平出口三通(15-1)与透平出口接管连接，HA乏气侧出口(5-2)与换热器B(6)的HB乏气侧进口(6-1)连接；HB乏气侧出口(6-2)通过分离器进口三通(15-2)与气液分离器(7)的进口接管连接；气液分离器(7)的液体出口连接排水阀(4-6)，气液分离器(7)的气体出口连接干燥器(8)的进口，干燥器(8)的出口与换热器C(9)的HC-CO2侧进口(9-1)相连接；HC-CO2侧出口(9-2)通过CO2泵进口三通(15-3)与CO2泵(10)的进口相连接，且CO2泵进口三通(15-3)的岔管与捕集CO2阀(4-7)相连接；CO2泵(10)的出口与换热器A(5)的HA-CO2侧进口(5-3)相连接；换热器D(11)的HD水侧出口(11-2)与换热器C(9)的HC水侧进口(9-3)连接；HC水侧出口(9-4)与HB水侧进口(6-3)相连接；
所述燃料储罐(13-1)的出口与燃料泵(13-2)的进口相连接，燃料泵(13-2)的出口与换热器D(11)的HD燃料侧进口(11-3)相连接，HD燃料侧出口(11-4)与换热器E(12)的HE燃料侧进口(12-3)相连接；所述液氧储罐(14-1)的出口与液氧泵(14-2)的进口相连接，液氧泵(14-2)的出口与换热器D(11)的HD氧气侧进口(11-5)相连接，HD氧气侧出口(11-6)与换热器E(12)的HE氧气侧进口(12-5)相连接；换热器E(12)的HE乏气侧进口(12-1)通过分流阀(4-5)与透平出口三通(15-1)的岔管相连接，HE乏气侧出口(12-2)与分离器进口三通(15-2)的岔管相连接。
2.根据权利要求1所述的一种燃料/氧燃烧产物与CO2混合工质循环发电装置，其特征在于，所述燃料供给系统(13)、液氧供给系统(14)所提供的燃料和液氧的冷量被用于在换热器D(11)中冷却循环冷却水，进而通过较低的HC水侧进口(9-3)处的温度，来降低HC-CO2侧出口(9-2)处的温度，由于此处对应于CO2饱和点，所以可以降低透平乏气压力；所述透平(1-2)出口的乏气压力在CO2的临界点附近(5～7.3MPa)，主要取决于冷却水温度。
3.根据权利要求1所述的一种燃料/氧燃烧产物与CO2混合工质循环发电装置，其特征在于，所述气液分离器的排水阀(4-6)出口流出的是H2O液体，所述捕集CO2阀(4-7)出口流出的是CO2液体。
4.根据权利要求1、2、3所述的一种燃料/氧燃烧产物与CO2混合工质循环发电装置，其特征在于，可以与其他燃料气化和净化装置如煤气化系统配合实现。
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