CN110711463A - 一种基于太阳能和lng冷能的燃气电厂co2捕集系统 - Google Patents

一种基于太阳能和lng冷能的燃气电厂co2捕集系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于太阳能和LNG冷能的燃气电厂CO2捕集系统，该系统包括燃气‑蒸汽联合循环发电子系统、CO2捕集子系统、中高温太阳能集热子系统和LNG气化子系统；其中，CO2捕集子系统采用化学吸收法对烟气中的CO2进行分离；中高温太阳能集热子系统提供CO2捕集子系统中解吸所需的热量，LNG气化子系统提供CO2液化所需的冷量。本发明在现有CO2处理方式的基础上，通过化学吸收提高了CO2的捕集浓度，采用太阳能提供解吸所需的热量，利用LNG气化过程中释放的冷能进行CO2液化，避免了CO2压缩液化的高能耗问题，进而提高了燃气‑蒸汽联合循环发电子系统的发电效率。本发明可以广泛应用于燃气电厂CO2捕集领域。

Description

一种基于太阳能和LNG冷能的燃气电厂CO2捕集系统
技术领域：
本发明涉及一种CO2捕集技术领域，特别涉及一种基于太阳能和LNG冷能的燃气电厂CO2捕集系统。
背景技术：
天然气完全燃烧时产生CO2和水，不产生NOx、SOx和粉尘等污染物。相比于其它化石能源，天然气是一种清洁型能源，其在我国一次能源消费结构中的占比正在逐渐提高。在此背景下，我国沿海地区液化天然气(Liquid Nature Gas,LNG)接收站的陆续建设和投入使用，天然气发电装机比重也在逐步提升。
化学吸收法具有吸收速度快、吸收能力强等优势，是一种较为高效的CO2捕集工艺，在电厂烟气处理方面具有广阔的应用前景。但是，化学吸收法存在解吸时热蒸汽消耗量大、CO2气体压缩液化的耗能大等阻碍。为了解决这些困难，本发明采用太阳能和LNG冷能分别为化学吸收法捕集到的CO2提供解吸所需的热量和液化所需的冷量，减少系统的能耗，从而提高CO2捕集的经济性。
申请公布号为CN 105258141A(申请公布日为2016.01.20)的专利文件中，公开了一种独立太阳能相变梯级蓄热间接热力驱动脱除CO2的系统，包括烟气预处理单元、中温集热组件、相变梯级蓄热器。该系统利用太阳能作为CO2解吸的热源，同时采用蓄热材料克服太阳能供热不连续问题，提高了太阳能热力驱动的可靠性。该系统解吸后的CO2采用压缩机进行压缩液化，需要消耗大量的电能。
授权专利号为US 9410736B2(授权公告日为2016.08.09)的专利文件中，公开了一种储存电能或机械能并将可冷凝的蒸汽从轻气体或液体中分离出来的方法，特别地，利用LNG气化过程中的冷能对烟气中的CO2进行液化分离，同时LNG气化后的天然气用来燃烧发电。该系统进行CO2液化捕集时需要对全部的烟气进行处理，造成LNG冷能的浪费。
鉴于此，实有必要提供一种可以解决上述技术问题且适用于燃气电厂CO2捕集系统。
发明内容：
本发明的目的在于：针对现有技术不足，提供一种基于太阳能和LNG冷能的燃气电厂CO2捕集系统，该系统能够实现烟气中CO2的高效捕集，同时避免了CO2液化的高耗能问题，具有显著的经济效益和社会效益，符合节能减排的基本国策。
所述的一种基于太阳能和LNG冷能的燃气电厂CO2捕集系统包括：燃气-蒸汽联合循环发电子系统、CO2捕集子系统、中高温太阳能集热子系统、LNG气化子系统。
所述的燃气-蒸汽联合发电子系统由空气压缩机、燃气轮机、第一发电机、余热锅炉、汽轮机、第二发电机、凝汽器、循环水加压泵、冷却塔、冷却水循环泵、抽气调节阀和抽气换热器经管道连接构成。
所述的CO2捕集子系统由烟气压缩机、烟气冷凝器、吸收塔、富液循环泵、贫富液换热器、贫液循环泵、解吸塔再沸器、解吸塔、CO2液化器和CO2储罐经管道连接构成。
所述的中高温太阳能集热子系统由中高温太阳能集热器阵列、蓄热流量调节阀、蓄热箱、导热油循环泵、放热流量调节阀、蓄热导热油泵、单向阀和解吸塔再沸器经管道连接构成。
所述的LNG气化子系统由LNG储罐、LNG流量调节阀、CO2液化器、烟气冷凝器、中间介质汽化器和天然气加压泵经管道连接构成。
所述的燃气-蒸汽联合发电子系统中，循环水的冷却通过凝汽器由冷却水实现；所述的凝汽器采用板式换热器。
所述的CO2捕集子系统中CO2和烟气的分离由吸收塔和解吸塔完成；解吸后的CO2气体具有较高的纯度，降低了CO2液化时所需的冷量；所述的中高温太阳能集热子系统为CO2解吸再沸器提供所需的热量，所述的蓄热箱能够有效克服太阳能不连续的缺点，保证CO2解吸的持续进行；CO2在液化器中吸收LNG气化过程中释放的冷能完成液化后进入CO2储罐，便于储存和运输，避免了CO2压缩液化的耗能。
所述的中高温太阳能集热子系统可实现五种运行模式：①直接+蓄热供热模式：太阳能辐射强度较大时，所述的中高温太阳能阵列中的导热油吸收的热量大于所述的解吸塔再沸器所需的热量，多余的热量进入所述的蓄热箱中进行蓄热；②直接供热模式：太阳能辐射强度较大时，所述的中高温太阳能阵列中的导热油直接为所述的解吸塔再沸器提供热量；③直接+辅热供热模式：太阳能辐射强度较小时，所述的中高温太阳能阵列的导热油不能完全满足所述的解吸塔再沸器需要的热量；此时，通过所述的抽气调节阀引入所述的汽轮机中的乏汽，所述的中高温太阳能集热子系统中的导热油通过所述的抽气换热器与乏汽换热，保证所述的解吸塔再沸器所需的热量；④蓄热供热模式：无太阳能辐射时，所述的蓄热箱为所述的解吸塔再沸器提供热量；⑤蓄热+辅热供热模式：无太阳能辐射强度且所述的蓄热箱不能满足CO2解吸时，所述的汽轮机中的乏汽进入到所述的抽气换热器，为所述的解吸塔再沸器提供热量，保证CO2解吸的正常进行。
所述的中高温太阳能集热子系统中的五种运行模式切换由所述的蓄热流量调节阀、放热流量调节阀和单向阀的开闭实现。
所述的中间介质汽化器中的热流体是空气或者海水。
所述的燃气-蒸汽联合发电子系统可以通过抽气调节阀会为所述的解吸塔再沸器提供补充热量。
本发明目的是为了提高燃气电厂CO2捕集效率和降低CO2液化耗能，根据CO2分离-解吸-液化用能特性所设计的。与现有技术相比，该发明具有以下优点：
1)燃气-蒸汽联合循环发电，以天然气为燃料，燃烧过程中污染排放物较少，尾气处理装置简单，同时可以充分利用燃气轮机烟气的热量，提高发电输出功率，进而提升热电转换效率。
2)充分利用LNG气化过程中的冷能，对分离捕集后的高浓度CO2气体进行液化，便于储存和运输，避免了CO2压缩液化的高能耗问题。
3)充分利用太阳能为CO2解吸提供热能，通过蓄热箱提供与CO2解吸过程相匹配的热量，既克服了太阳能不连续的缺点，又提高了换热效率，保证CO2吸收-解吸过程的可靠性和稳定性。
4)太阳能热量不足时，通过抽取汽轮机乏汽为CO2解吸塔补充热量，保证CO2捕集系统的正常运行。
附图说明：
图1为本发明的系统原理及结构示意图。
其中，101空气压缩机、102燃气轮机、103第一发电机、104余热锅炉、105汽轮机、106第二发电机、107凝汽器、108循环水加压泵、109冷却塔、110冷却水循环泵、111抽气调节阀、112抽气换热器。201烟气压缩机、202烟气冷凝器、203吸收塔、204富液循环泵、205贫富液换热器、206贫液循环泵、207解吸塔再沸器、208解吸塔、209CO2液化器、210 CO2储罐。301中高温太阳能集热器阵列、302蓄热流量调节阀、303蓄热箱、304导热油循环泵、305放热流量调节阀、306蓄热导热油循环泵、307单向阀。401LNG储罐、402LNG流量调节阀、403中间介质汽化器、404天然气压缩机。
具体实施方式：
以下结合优选实施例和附图1对本发明的技术方案作进一步说明。如图1所示，一种基于太阳能和LNG冷能的燃气电厂CO2捕集系统包括燃气-蒸汽联合发电子系统、CO2捕集子系统、中高温太阳能集热子系统和LNG气化子系统。
作为本发明的优选实施例，所述的燃气-蒸汽联合发电系统由空气压缩机101、燃气轮机102、第一发电机103、余热过炉104、汽轮机105、第二发电机106、凝汽器107、循环水加压泵108、冷却塔109、冷却水循环泵110、抽气调节阀111和抽气换热器112经管道连接构成；其中，抽气调节阀111控制抽气量，通过抽气换热器112为CO2解吸提供热量。
作为本发明的优选实施例，所述的CO2捕集子系统由烟气压缩机201、烟气冷凝器202、吸收塔203、富液循环泵204、贫富液换热器205、贫液循环泵206、解吸塔再沸器207、解吸塔208、CO2液化器209和液体CO2储罐210经管道连接构成；烟气经过烟气压缩机201和烟气冷凝器202后进入吸收塔203的底部，贫液由吸收塔203顶部流下，充分吸收CO2；被贫液冲淋过的烟气由吸收塔203顶部排出；贫液吸收CO2后变为富液，经富液循环泵204由吸收塔203底部抽出，随后依次进入贫富液换热器205和解吸塔208；解吸塔再沸器207提供富液中的CO2解吸所需的热量；富液解吸后变为贫液，经贫液循环泵206和贫富液换热器205后返回吸收塔203顶部；解吸后的CO2气体经过CO2液化器209，进入液体CO2储罐210，完成CO2捕集和储存。
作为本发明的优选实施例，所述的CO2捕集子系统采用的溶液可以为二醇胺、乙醇胺、三醇胺或者其他醇胺溶液。
作为本发明的优选实施例，所述的中高温太阳能集热子系统由中高温太阳能集热器阵列301、蓄热流量调节阀302、蓄热箱303、导热油循环泵304、放热流量调节阀305、蓄热导热油循环泵306、单向阀307、抽气换热器111和解吸塔再沸器207经管道连接构成。
作为本发明的优选实施例，所述的中高温太阳能集热子系统内的循环工质为导热油。所述的蓄热箱304中的蓄热材料为中高温有机或者无机相变材料，其相变温度为80～150℃。
作为本发明的优选实施例，所述的中高温太阳能集热子系统可以根据太阳辐射强度实现五种运行模式：①直接+蓄热供热模式：太阳能辐射强度较大时，经过中高温太阳能阵列301的导热油吸收的热量大于所述的解吸塔再沸器207所需的热量，多余的热量进入所述的蓄热箱303进行蓄热。②直接供热模式：太阳能辐射强度较大时，经过中高温太阳能阵列301的导热油可以直接为所述的解吸塔再沸器207提供热量。③直接+辅热供热模式：太阳能辐射强度较小时，经过中高温太阳能阵列301的导热油不能完全提供所述的解吸塔再沸器207所需的热量；此时，通过抽气调节阀111引入所述的汽轮机105的乏汽，所述的中高温太阳能集热子系统中的导热油通过抽气换热器112与乏汽换热，保证所述的解吸塔再沸器207所需的热量。④蓄热供热模式：无太阳能辐射时，所述的蓄热箱303可以提供所述的解吸塔再沸器207所需的热量。⑤蓄热+辅热供热模式：无太阳能辐射强度、所述的蓄热箱303不能满足CO2解吸时，通过抽气调节阀111，所述的汽轮机105乏汽进入到所述的抽气换热器112，为所述的解吸塔再沸器207提供所需的热量，保证CO2解吸的正常进行。
作为本发明的优选实施例，所述的LNG气化子系统由LNG储罐401、LNG流量调节阀402、CO2液化器209、烟气冷凝器202、中间介质汽化器403和天然气压缩机404经管道连接构成。LNG依次流经所述的CO2液化器209、烟气冷凝器202、中间介质汽化器403和压缩机404完成气化过程。所述的中间介质汽化器403以海水或者空气为热源，调节LNG进口温度，保证燃气轮机的正常运行。
以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于太阳能和LNG冷能的燃气电厂CO2捕集系统，其特征在于包括：燃气-蒸汽联合循环发电子系统、CO2捕集子系统、中高温太阳能集热子系统和LNG气化子系统；其中，所述的燃气-蒸汽联合循环发电子系统与所述的中高温太阳能集热子系统通过抽气换热器相连；所述的CO2捕集子系统与所述的中高温太阳能集热子系统通过解吸塔再沸器相连；所述的LNG气化子系统与所述的CO2捕集子系统通过烟气冷凝器和CO2液化器相连，为所述的燃气-蒸汽联合循环发电子系统提供天然气；所述的烟气通过烟气压缩机和烟气冷凝器后进入吸收塔完成CO2的捕集；吸收塔内的吸收液通过富液泵和贫富液换热器后，进入解吸塔；所述的中高温太阳能子系统通过解吸塔再沸器提供CO2解吸所需的热量；所述的LNG气化子系统通过CO2液化器提供CO2液化所需的冷量。
2.如权利要求1所述的一种基于太阳能和LNG冷能的燃气电厂CO2捕集系统，其特征在于：所述的中高温太阳能集热子系统采用的循环工质是导热油；所述的中高温太阳能集热子系统包括中高温太阳能集热器阵列、蓄热流量调节阀、蓄热箱、导热油泵、放热流量调节阀、蓄热导热油泵和单向阀；根据太阳能和发电负荷的匹配关系，所述的中高温太阳能集热子系统可实现五种运行模式：①直接+蓄热供热模式：太阳能辐射强度较大时，所述的中高温太阳能阵列中的导热油吸收的热量大于所述的解吸塔再沸器所需的热量，多余的热量进入所述的蓄热箱中进行蓄热；②直接供热模式：太阳能辐射强度较大时，所述的中高温太阳能阵列中的导热油直接为所述的解吸塔再沸器提供热量；③直接+辅热供热模式：太阳能辐射强度较小时，所述的中高温太阳能阵列的导热油不能完全满足所述的解吸塔再沸器需要的热量；此时，通过所述的抽气调节阀引入所述的汽轮机中的乏汽，所述的中高温太阳能集热子系统中的导热油通过所述的抽气换热器与乏汽换热，保证所述的解吸塔再沸器所需的热量；④蓄热供热模式：无太阳能辐射时，所述的蓄热箱为所述的解吸塔再沸器提供热量；⑤蓄热+辅热供热模式：无太阳能辐射强度且所述的蓄热箱不能满足CO2解吸时，所述的汽轮机中的乏汽进入到所述的抽气换热器，为所述的解吸塔再沸器提供热量，保证CO2解吸的正常进行。
3.如权利要求1所述的一种基于太阳能和LNG冷能的燃气电厂CO2捕集系统，其特征在于：所述的燃气-蒸汽联合循环发电子系统通过抽气调节阀控制进入抽气换热器的汽轮机乏汽，为所述的中高温太阳能集热子系统提供补充热量。
4.如权利要求1所述的一种基于太阳能和LNG冷能的燃气电厂CO2捕集系统，其特征在于：所述的LNG气化回路包括LNG流量调节阀、CO2液化器、烟气冷凝器、中间介质汽化器和天然气压缩机；所述的中间气质汽化器的热流体可以是海水或者空气。
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