CN114471401A - 基于化学回热氨源部分裂解的布雷顿循环系统及循环方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于化学回热氨源部分裂解的布雷顿循环系统及循环方法，包括汽化器、分流器、氨裂解反应器、混合器、燃烧室、空气输入装置和燃气透平，分流器的第一输出口与氨裂解反应器的反应物输入口连接，分流器的第二输出口与混合器的氨输入口连接，氨裂解反应器的混合气出口与混合器的混合气输入口连接，混合器的输出口与燃烧室的燃料入口连接，燃烧室的烟气出口与燃气透平的输入口连接，燃气透平的输出口与氨裂解反应器的烟气入口连接，氨裂解反应器的烟气出口与汽化器的热流股入口连接。本发明通过化学回热将高温烟气中的物理显然转换为氢气和氮气中的化学能，可提高氨的利用效率，且无二氧化碳排放，对环境友好。
Description
技术领域
本发明涉及布雷顿循环系统技术领域，具体涉及一种基于化学回热氨源部分裂解的布雷顿循环系统及循环方法。
背景技术
全球气候变暖给人类当今社会带来了巨大的挑战，例如海平面上升、海上酸化等。造成全球气候变暖主要原因为温室气体排放量日益增大，其中对气候变暖的造成贡献最大的气体是二氧化碳，其对气候变暖造成了约为30％的影响。化石燃料的燃烧是温室气体的重要来源，因此采用清洁的可再生能源替代传统能源有望减少二氧化碳排放。然而，大多数可再生能源，如风能、太阳能和潮汐能具有间歇性，还需考虑能源存贮的效率和成本等问题，在短期内还无法有效的解决这些问题。因此，寻找一种无碳燃料取代传统的化石燃料便显得至关重要。
氢气作为一种无碳燃料且高位热值高达143KJ/mol，受到了人们的广泛关注。而氢气作为一种二次能源，必须要通过其它燃料转换获得，且如何将氢气进行液化存储和运输仍是当前亟需解决的问题，因此氢气的运用在一定程度上受到了限制。
氨是一种高效的载氢物质，它的氢密度通常比液态氢高且氨比纯氢更容易液化。目前生成氨的规模已达到工业化的水准，而氢能作为刚起步的能源，氢能产业链面临着许多挑战，因此，在未来很长的一段时间内，氨具有较好的发展前景。考虑到氨的燃烧特性较差，若直接将氨用于动力循环系统上，会导致氨的利用效率不高的问题。因此，探寻一种能高效利用氨、综合考虑系统经济性的高效利用氨的手段成为了当前亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了基于化学回热氨源部分裂解的布雷顿循环系统，其主要解决的是现有技术的动力循环系统对氨的利用效率不高的技术问题。
为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
基于化学回热氨源部分裂解的布雷顿循环系统，包括汽化器、分流器、氨裂解反应器、混合器、燃烧室、空气输入装置和燃气透平，其中，汽化器具有冷流股入口、冷流股出口、热流股入口和热流股出口，汽化器的冷流股入口与外部氨源连接，汽化器的冷流股出口通过管路与分流器的输入口连接，分流器的第一输出口通过管路与氨裂解反应器的反应物输入口连接，分流器的第二输出口通过管路与混合器的氨输入口连接，氨裂解反应器的混合气出口通过管路与混合器的混合气输入口连接，混合器的输出口通过管路与燃烧室的燃料入口连接，空气输入装置的输出口通过管路与燃烧室的空气入口连接，燃烧室的烟气出口通过管路与燃气透平的输入口连接，燃气透平的输出口通过管路与氨裂解反应器的烟气入口连接，氨裂解反应器的烟气出口通过管路与汽化器的热流股入口连接，汽化器的热流股出口通过管路与外界连通。
进一步，还包括预热器，预热器为换热器结构，预热器具有冷流股入口、冷流股出口、热流股入口和热流股出口，空气输入装置的输出口通过管路与预热器的冷流股入口连接，预热器的冷流股出口通过管路与燃烧室的空气入口连接，燃气透平的输出口通过管路与预热器的热流股入口连接，预热器的热流股出口通过管路与氨裂解反应器的烟气入口连接。
进一步，空气输入装置为空压机结构。
进一步，氨裂解反应器为管式反应器、塔式反应器、固定颗粒床层式反应器、釜式反应器、喷射反应器、固定床反应器、流化床反应器和腔体式反应器中的任意一种。
进一步，燃气透平外接发电机，以将燃气透平输入的机械功能转化为电能。
基于同一发明构思，本发明还提供了基于化学回热氨源部分裂解的布雷顿循环系统的循环方法，包括如下步骤：S1，外部氨源中的液氨首先经过汽化器的汽化形成氨气并通入到分流器中去，随后氨气在分流器中一分为二形成两股氨气，其中一股氨气通入到氨裂解反应器中发生氨裂解反应以生成氢气和氮气并输入到混合器中，另一股氨气直接输入到混合器中并与氨裂解反应生成的氢气和氮气在混合器中混合形成混合气，接着混合气通入到燃烧室中；S2，外部空气通过空气输入装置进行加压，经过预热器后通入到燃烧室中并与燃烧室内的混合气发生燃烧反应，燃烧产生的高温烟气通入到燃气透平中以将高温烟气的热能转化为机械功；S3，燃气透平排出的高温烟气通入到预热器中并对经过预热器的空气进行预热，随后高温烟气从氨裂解反应器的烟气入口通入到氨裂解反应器内部以进一步驱动氨裂解反应的发生，而后由氨裂解反应器的烟气出口排出的中温烟气通入到汽化器中对氨进行预热。
上述技术方案具有如下优点或有益效果：
本发明所述的基于化学回热氨源部分裂解的布雷顿循环系统及循环方法中，由于燃气透平的输出口通过管路与氨裂解反应器的烟气入口连接，氨裂解反应器的烟气出口通过管路与汽化器的热流股入口连接，因此，可以有效实现高温烟气的能量梯级应用，通过回收高温烟气中的高温预热用于驱动氨裂解产生氢气和氮气，接着利用从氨裂解反应器的烟气出口排出的中温烟气为汽化器中液氨汽化提供热源，充分地利用了系统中高温烟气的能量，并且，通过化学回热将高温烟气中的物理显热转换为氢气和氮气中的化学能，同时，由于分流器将氨气一分为二，一股通入氨裂解反应器进行氨裂解反应产生氢气和氮气后将氢气和氮气通入到混合器中，而另一股氨气直接通入到混合器中与氢气和氮气混合在一起，进而形成由氢气、氮气和氨气按预设比例混合形成的混合气并输入到燃烧室燃烧，有效解决了氢气单独燃烧的缺陷，提高了氨的利用效率，且无二氧化碳排放，对环境友好。
附图说明
图1是本发明实施例的循环系统流程示意图。
标号说明：
1、汽化器，2、分流器，3、氨裂解反应器，4、混合器，5、燃烧室，6、空气输入装置，7、燃气透平，8、预热器，9、发电机。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
请参照附图1，本发明的一种实施例提供一种基于化学回热氨源部分裂解的布雷顿循环系统，包括汽化器1、分流器2、氨裂解反应器3、混合器4、燃烧室5、空气输入装置6和燃气透平7，其中，汽化器1具有冷流股入口、冷流股出口、热流股入口和热流股出口，汽化器1的冷流股入口与外部氨源连接，汽化器1的冷流股出口通过管路与分流器2的输入口连接，分流器2的第一输出口通过管路与氨裂解反应器3的反应物输入口连接，分流器2的第二输出口通过管路与混合器4的氨输入口连接，氨裂解反应器3的混合气出口通过管路与混合器4的混合气输入口连接，混合器4的输出口通过管路与燃烧室5的燃料入口连接，空气输入装置6的输出口通过管路与燃烧室5的空气入口连接，燃烧室5的烟气出口通过管路与燃气透平7的输入口连接，燃气透平7的输出口通过管路与氨裂解反应器3的烟气入口连接，氨裂解反应器3的烟气出口通过管路与汽化器1的热流股入口连接，汽化器1的热流股出口通过管路与外界连通。
本实施例中，汽化器1可以是换热设备，一股热流体与一股冷流体在该换热设备内部交换热量，因此，外部的液氨经过汽化器1后能够被汽化进而形成氨气，分流器2是气体分流装置，用于将输入的气体按照预设比例分流形成两股气流，氨裂解反应器3是给输入进来的氨气提供氨裂解反应以及其他可能发生的反应的装置，混合器4是气体混合装置，用于将输入到混合器4内的两股气体按照预设比例混合成一股气体输出，空气输入装置6是气体增压装置，用于将空气加压后输送至燃烧室5，燃烧室5是能够为氢气和氨的燃烧提供反应场所，燃气透平7是将流体介质中蕴含的能量转化为机械功的装置，可将高温烟气中的热能转化为机械功。
可以理解的是，本实施例中，由于燃气透平7的输出口通过管路与氨裂解反应器3的烟气入口连接，氨裂解反应器3的烟气出口通过管路与汽化器1的热流股入口连接，因此，可以有效实现高温烟气的能量梯级应用，通过回收高温烟气中的高温预热用于驱动氨裂解产生氢气和氮气，接着利用从氨裂解反应器3的烟气出口排出的中温烟气为汽化器1中液氨汽化提供热源，充分地利用了系统中高温烟气的能量，并且，通过化学回热将高温烟气中的物理显热转换为氢气和氮气中的化学能，同时，由于分流器2将氨气一分为二，一股通入氨裂解反应器3进行氨裂解反应产生氢气和氮气后将氢气和氮气通入到混合器4中，而另一股氨气直接通入到混合器4中与氢气和氮气混合在一起，进而形成由氢气、氮气和氨气按预设比例混合形成的混合气并输入到燃烧室5燃烧，有效解决了氢气单独燃烧的缺陷，提高了氨的利用效率，且无二氧化碳排放，对环境友好。
请参照附图1，其中一种较优实施例中，还包括预热器8，预热器8为换热器结构，预热器8具有冷流股入口、冷流股出口、热流股入口和热流股出口，空气输入装置6的输出口通过管路与预热器8的冷流股入口连接，预热器8的冷流股出口通过管路与燃烧室5的空气入口连接，燃气透平7的输出口通过管路与预热器8的热流股入口连接，预热器8的热流股出口通过管路与氨裂解反应器3的烟气入口连接。可以理解的是，本实施例中，通过增加预热器8，将燃气透平7的输出口排出的高温烟气通入到预热器8中为输入到燃烧室5内的空气进行预热，能够进一步提高高温烟气的余热利用率。
请参照附图1，其中一种较优实施例中，空气输入装置6为空压机结构。空气输入装置6可以是空压机或鼓风机等结构，本领域技术人员可以根据具体需要具体选择。
请参照附图1，其中一种较优实施例中，氨裂解反应器3为管式反应器、塔式反应器、固定颗粒床层式反应器、釜式反应器、喷射反应器、固定床反应器、流化床反应器和腔体式反应器中的任意一种。然而，本领域技术人员应理解，在其他实施例中，氨裂解反应器3也可以是现有技术中其他类型的氨裂解反应器结构，并不局限于本实施例中所公开的具体实施方式，本领域技术人员可以根据具体需要具体选择。
请参照附图1，其中一种较优实施例中，燃气透平7外接发电机9，以将燃气透平7输入的机械功能转化为电能。此外，燃气透平7还可以连接空气输入装置6以带动其工作。
请参照附图1，本发明的一种实施例还提供一种基于化学回热氨源部分裂解的布雷顿循环系统的循环方法，包括如下步骤：S1，外部氨源中的液氨首先经过汽化器1的汽化形成氨气并通入到分流器2中去，随后氨气在分流器2中一分为二形成两股氨气，其中一股氨气通入到氨裂解反应器3中发生氨裂解反应以生成氢气和氮气并输入到混合器4中，另一股氨气直接输入到混合器4中并与氨裂解反应生成的氢气和氮气在混合器4中混合形成混合气，接着混合气通入到燃烧室5中；S2，外部空气通过空气输入装置6进行加压，经过预热器8后通入到燃烧室5中并与燃烧室5内的混合气发生燃烧反应，燃烧产生的高温烟气通入到燃气透平7中以将高温烟气的热能转化为机械功；S3，燃气透平7排出的高温烟气通入到预热器8中并对经过预热器8的空气进行预热，随后高温烟气从氨裂解反应器3的烟气入口通入到氨裂解反应器3内部以进一步驱动氨裂解反应的发生，而后由氨裂解反应器3的烟气出口排出的中温烟气通入到汽化器1中对氨进行预热。
以上所述，实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中的部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，因此本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.基于化学回热氨源部分裂解的布雷顿循环系统，其特征在于：包括汽化器(1)、分流器(2)、氨裂解反应器(3)、混合器(4)、燃烧室(5)、空气输入装置(6)和燃气透平(7)，其中，汽化器(1)具有冷流股入口、冷流股出口、热流股入口和热流股出口，汽化器(1)的冷流股入口与外部氨源连接，汽化器(1)的冷流股出口通过管路与分流器(2)的输入口连接，分流器(2)的第一输出口通过管路与氨裂解反应器(3)的反应物输入口连接，分流器(2)的第二输出口通过管路与混合器(4)的氨输入口连接，氨裂解反应器(3)的混合气出口通过管路与混合器(4)的混合气输入口连接，混合器(4)的输出口通过管路与燃烧室(5)的燃料入口连接，空气输入装置(6)的输出口通过管路与燃烧室(5)的空气入口连接，燃烧室(5)的烟气出口通过管路与燃气透平(7)的输入口连接，燃气透平(7)的输出口通过管路与氨裂解反应器(3)的烟气入口连接，氨裂解反应器(3)的烟气出口通过管路与汽化器(1)的热流股入口连接，汽化器(1)的热流股出口通过管路与外界连通。
2.根据权利要求1所述的基于化学回热氨源部分裂解的布雷顿循环系统，其特征在于：还包括预热器(8)，预热器(8)为换热器结构，预热器(8)具有冷流股入口、冷流股出口、热流股入口和热流股出口，空气输入装置(6)的输出口通过管路与预热器(8)的冷流股入口连接，预热器(8)的冷流股出口通过管路与燃烧室(5)的空气入口连接，燃气透平(7)的输出口通过管路与预热器(8)的热流股入口连接，预热器(8)的热流股出口通过管路与氨裂解反应器(3)的烟气入口连接。
3.根据权利要求2所述的基于化学回热氨源部分裂解的布雷顿循环系统，其特征在于：空气输入装置(6)为空压机结构。
4.根据权利要求2所述的基于化学回热氨源部分裂解的布雷顿循环系统，其特征在于：氨裂解反应器(3)为管式反应器、塔式反应器、固定颗粒床层式反应器、釜式反应器、喷射反应器、固定床反应器、流化床反应器和腔体式反应器中的任意一种。
5.根据权利要求2所述的基于化学回热氨源部分裂解的布雷顿循环系统，其特征在于：燃气透平(7)外接发电机(9)，以将燃气透平(7)输入的机械功能转化为电能。
6.根据权利要求2至5任一项所述的基于化学回热氨源部分裂解的布雷顿循环系统的循环方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1，外部氨源中的液氨首先经过汽化器(1)的汽化形成氨气并通入到分流器(2)中去，随后氨气在分流器(2)中一分为二形成两股氨气，其中一股氨气通入到氨裂解反应器(3)中发生氨裂解反应以生成氢气和氮气并输入到混合器(4)中，另一股氨气直接输入到混合器(4)中并与氨裂解反应生成的氢气和氮气在混合器(4)中混合形成混合气，接着混合气通入到燃烧室(5)中；
S2，外部空气通过空气输入装置(6)进行加压，经过预热器(8)后通入到燃烧室(5)中并与燃烧室(5)内的混合气发生燃烧反应，燃烧产生的高温烟气通入到燃气透平(7)中以将高温烟气的热能转化为机械功；
S3，燃气透平(7)排出的高温烟气通入到预热器(8)中并对经过预热器(8)的空气进行预热，随后高温烟气从氨裂解反应器(3)的烟气入口通入到氨裂解反应器(3)内部以进一步驱动氨裂解反应的发生，而后由氨裂解反应器(3)的烟气出口排出的中温烟气通入到汽化器(1)中对氨进行预热。
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