CN109973165A - 一种天然气低碳燃烧及余热发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种天然气低碳燃烧及余热发电系统，包括天然气供气子系统、烟气处理子系统及发电子系统，其中，天然气供气子系统与烟气处理子系统之间通过第一天然气‑烟气换热器及第二天然气‑烟气换热器相连接，烟气处理子系统与发电子系统之间通过第一烟气‑发电工质换热器相连接。本发明利用天然气余压进行发电，利用做功后的低温天然气对工业炉窑烟气进行二氧化碳捕集，同时以工业炉窑排放的高温烟气为热源，以脱碳后的低温烟气为冷源，通过卡琳娜循环发电，提高了能源利用效率，实现了低碳燃烧，降低了对环境的污染，具有巨大的经济效益及生态效益。

Description

一种天然气低碳燃烧及余热发电系统
技术领域
本发明涉及一种燃烧及余热发电系统，具体为一种天然气低碳燃烧及余热发电系统。
背景技术
天然气是一种清洁能源，其基本组成成分为甲烷，它与纯氧发生燃烧反应后产物只有二氧化碳和水，对周围环境造成的污染较小，因而日益成为人工煤气、液化石油气的替代品。截止至2015年，我国国民天然气总消费量达到1933亿立方米；我国能源中长期发展规划明确指出将天然气作为大力发展对象，预计在2030年天然气将占到一次能源消耗量的10％，天然气终将为我国能源结构中一个重要组成部分和重要支柱。
天然气输气管道通常采用高压输气，来自管道的在供给用户前都要在各城市的天然气接收门站经调压站根据下游用户的供气压力要求进行调压。我国西气东输管道、陕京线及二线系统和冀宁联络线输气管道的设计输气压力为10Mpa，西气东输二线管道设计压力为12MPa，这其中蕴含着较大的压能，而天然气接收门站通过节流的方式对高压天然气进行降压使天然气中所蕴含的压能被白白的浪费。
工业炉窑燃烧时会排放大量的烟气，这些烟气的温度通常为300℃至800℃不等，其中除蕴含着大量的热能外也含有大量温室气体——二氧化碳，对烟气不加处理直接排放不仅会造成巨大的能量浪费，同时也会加剧温室效应，造成环境的恶化。
近年来，随着节能减排力度的不断加大，生产技术的革新，炉窑热效率大幅提高，排烟温度大幅降低，余热回收难度加大。
发明内容
针对上述缺陷和不足，本发明要解决的问题是提供一种通过对工业炉窑所排放的高温烟气中余热的回收利用及二氧化碳的捕集，实现节能减排、提高能源利用率的天然气低碳燃烧及余热发电系统。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
本发明一种天然气低碳燃烧及余热发电系统，包括天然气供气子系统、烟气处理子系统及发电子系统，其中，天然气供气子系统与烟气处理子系统之间通过第一天然气-烟气换热器及第二天然气-烟气换热器相连接，烟气处理子系统与发电子系统之间通过第一烟气-发电工质换热器相连接。
所述天然气供气子系统依次由第三透平机的天然气出口、第二天然气-烟气换热器的天然气侧、第一天然气-烟气换热器的天然气侧及工业炉窑的天然气入口串联构成。
所述烟气处理子系统包括工业炉窑、第一烟气-发电工质换热器、第一天然气-烟气换热器、第二天然气-烟气换热器、第二气液分离器以及第二烟气-发电工质换热器，工业炉窑的烟气出口依次与第一烟气-发电工质换热器的烟气侧、第一天然气-烟气换热器的烟气侧、第二天然气-烟气换热器的烟气侧及第二气液分离器的入口串联连接，第二气液分离器的气相出口与第二烟气-发电工质换热器的烟气侧入口相连。
所述工业炉窑燃料采用天然气，工业炉窑的天然气入口前设置有天然气调压阀。
所述发电子系统包括第一烟气-发电工质换热器、第一气液分离器、第一透平机以及第二透平机，第一烟气-发电工质换热器的发电工质侧出口经发电工质循环泵与第一气液分离器的入口相连，第一气液分离器的气相出口经第一透平机与混合器相连，第一气液分离器的液相出口经第二透平机与混合器相连，混合器的出口依次经第二烟气-发电工质换热器的发电工质侧、储液罐与第一烟气-发电工质换热器的发电工质侧入口相连。
所述第一透平机、第二透平机及第三透平机分别与第一发电机、第二发电机及第三发电机同轴相连。
所述第二透平机采用气液两相膨胀机。
所述发电工质采用氨-水混合物。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明利用天然气余压发电，实现了对天然气压力能的回收利用，避免了能量的浪费；
2.本发明利用等熵膨胀后的低温天然气对烟气中的二氧化碳进行低温捕集，降低了二氧化碳排量，减轻了对环境的污染，实现了低碳燃烧；
3.本发明以工业炉窑排放的高温烟气为热源，以脱碳后的低温烟气为冷源，通过卡琳娜循环发电，实现了余热的回收利用。
附图说明
图1为本发明一种天然气低碳燃烧及余热发电系统原理图。
其中，1为工业炉窑，2为烟气除尘器，3为烟气引风机，4为第一气液分离器，5为第一透平机，6为第一发电机，7为第一烟气-发电工质换热器，8为第二透平机，9为第二发电机，10为混合器，11为发电工质循环泵，12为第二烟气-发电工质换热器，13为储液罐，14为第三发电机，15为第三透平机，16为天然气调压阀，17为第一天然气-烟气换热器，18为第二天然气-烟气换热器，19为第二气液分离器。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明作进一步阐述。
如图1所示，本发明一种天然气低碳燃烧及余热发电系统，包括天然气供气子系统、烟气处理子系统及发电子系统，其中，天然气供气子系统与烟气处理子系统之间通过第一天然气-烟气换热器17及第二天然气-烟气换热器18相连接，烟气处理子系统与发电子系统之间通过第一烟气-发电工质换热器7相连接。
天然气供气子系统依次由第三透平机15的天然气出口、第二天然气-烟气换热器18的天然气侧、第一天然气-烟气换热器17的天然气侧及工业炉窑1的天然气入口串联构成。
所述烟气处理子系统包括工业炉窑1、第一烟气-发电工质换热器7、第一天然气-烟气换热器17、第二天然气-烟气换热器18、第二气液分离器19以及第二烟气-发电工质换热器12，工业炉窑1的烟气出口依次与第一烟气-发电工质换热器7的烟气侧、第一天然气-烟气换热器17的烟气侧、第二天然气-烟气换热器18的烟气侧及第二气液分离器19的入口串联连接，第二气液分离器19的气相出口与第二烟气-发电工质换热器12的烟气侧入口相连。
发电子系统包括第一烟气-发电工质换热器7、第一气液分离器4、第一透平机5以及第二透平机8，第一烟气-发电工质换热器7的发电工质侧出口经发电工质循环泵11与第一气液分离器4的入口相连，第一气液分离器4的气相出口经第一透平机5与混合器10相连，第一气液分离器4的液相出口经第二透平机8与混合器10相连，混合器10的出口依次经第二烟气-发电工质换热器12的发电工质侧、储液罐13与第一烟气-发电工质换热器7的发电工质侧入口相连。
本实施例中，工业炉窑1的天然气入口前设置有天然气调压阀16；第一透平机5、第二透平机8及第三透平机15分别与第一发电机6、第二发电机9及第三发电机14同轴相连；第二透平机8采用气液两相膨胀机；所述工业炉窑1燃料采用天然气；发电工质采用氨-水混合物。
本发明的工作过程及原理如下：
来自天然气管网的天然气温度约30℃，压力约4MPa，天然气在第三透平机15中等熵膨胀做功，推动第三透平机15带动第三发电机14对外输出电能，做功后的天然气温度至约-68℃，低温天然气依次经第二天然气-烟气换热器18、第一天然气-烟气换热17与烟气换热后温度升至常温，之后经天然气调压阀16调压后送入工业炉窑1中作为燃料燃烧。
工业炉窑1燃烧后产生的温度约200℃的高温烟气在烟气引风机3的驱动下从烟道排出，经烟气除尘器2除尘后进入第一烟气-发电工质换热器7中与氨-水混合物换热，作为卡琳娜循环的热源，换热后的烟气依次经第一天然气-烟气换热17、第二天然气-烟气换热器18与低温天然气换热温度降至-57℃以下，烟气中的二氧化碳发生冷凝，之后液态二氧化碳经第二气液分离器19的液相出口流出并被收集，脱碳后的低温烟气则经第二气液分离器19的气相出口流出进入第二烟气-发电工质换热器12中与氨-水混合物换热，作为卡琳娜循环的冷源。
发电子系统的发电工质氨-水混合物经发电工质循环泵11被增压至约2.4MPa，之后进入第一烟气-发电工质换热器7被加热至约140℃，加热后的氨-水混合物进入第一气液分离器4进行气液分离，富氨蒸汽经第一气液分离器4的气相出口进入第一透平机5内做功，带动第一发电机6对外输出电能，做功后的富氨蒸汽进入混合器10；贫氨溶液经第一气液分离器4的液相出口进入第二透平机8内做功，带动第二发电机9对外输出电能，做功后的贫氨溶液进入混合器10与富氨蒸汽混合后经第二烟气-发电工质换热器12与低温烟气换热后冷凝为液态并在发电工质循环泵11的驱动下经储液罐13返回第一烟气-发电工质换热器7。
以上，仅为本发明的较佳实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，凡采用等同替换或等效变换所形成的技术方案，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种天然气低碳燃烧及余热发电系统，其特征在于：包括天然气供气子系统、烟气处理子系统及发电子系统，其中，天然气供气子系统与烟气处理子系统之间通过第一天然气-烟气换热器及第二天然气-烟气换热器相连接，烟气处理子系统与发电子系统之间通过第一烟气-发电工质换热器相连接。
2.根据权利要求1所述的天然气低碳燃烧及余热发电系统，其特征在于：所述天然气供气子系统依次由第三透平机的天然气出口、第二天然气-烟气换热器的天然气侧、第一天然气-烟气换热器的天然气侧及工业炉窑的天然气入口串联构成。
3.根据权利要求1所述的天然气低碳燃烧及余热发电系统，其特征在于：所述烟气处理子系统包括工业炉窑、第一烟气-发电工质换热器、第一天然气-烟气换热器、第二天然气-烟气换热器、第二气液分离器以及第二烟气-发电工质换热器，工业炉窑的烟气出口依次与第一烟气-发电工质换热器的烟气侧、第一天然气-烟气换热器的烟气侧、第二天然气-烟气换热器的烟气侧及第二气液分离器的入口串联连接，第二气液分离器的气相出口与第二烟气-发电工质换热器的烟气侧入口相连。
4.根据权利要求3所述的天然气低碳燃烧及余热发电系统，其特征在于：所述工业炉窑燃料采用天然气，工业炉窑的天然气入口前设置有天然气调压阀。
5.根据权利要求1所述的天然气低碳燃烧及余热发电系统，其特征在于：所述发电子系统包括第一烟气-发电工质换热器、第一气液分离器、第一透平机以及第二透平机，第一烟气-发电工质换热器的发电工质侧出口经发电工质循环泵与第一气液分离器的入口相连，第一气液分离器的气相出口经第一透平机与混合器相连，第一气液分离器的液相出口经第二透平机与混合器相连，混合器的出口依次经第二烟气-发电工质换热器的发电工质侧、储液罐与第一烟气-发电工质换热器的发电工质侧入口相连。
6.根据权利要求2或5所述的天然气低碳燃烧及余热发电系统，其特征在于：所述第一透平机、第二透平机及第三透平机分别与第一发电机、第二发电机及第三发电机同轴相连。
7.根据权利要求5所述的天然气低碳燃烧及余热发电系统，其特征在于：所述第二透平机采用气液两相膨胀机。
8.根据权利要求1所述的天然气低碳燃烧及余热发电系统，其特征在于：所述发电工质采用氨-水混合物。
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