CN115142951A - 一种基于新型化学回注燃气轮机循环发电的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于新型化学回注燃气轮机循环发电的方法及系统，该方法包括以下步骤：天然气经压缩后进行重整反应，重整反应产生的合成气与经压缩的空气进行燃烧，燃烧产生的高温高压烟气透平发电形成中高温烟气，中高温烟气经压缩后为重整反应提供多种氧化剂并作为反应热源，完成一个循环；本发明通过创造性地引入一种化学回注方法，实现了对燃气轮机烟气余热的提质作用，提升了循环出功。值得注意的是，该方法中进行的天然气重整反应为甲烷混合重整，跟单一蒸汽或者二氧化碳重整相比，更具转化和安全两方面的优势。该方法的提出为“双碳政策”背景下的能源结构转型提供了技术储备，具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及燃气轮机发电技术和物理能和化学能综合梯级利用技术领域，尤其是一种基于新型化学回注燃气轮机循环发电的方法及系统。
背景技术
传统发电技术大多以煤炭为主要原料，但其具有发电效率低、污染大等缺点，因此逐渐被具有清洁、高效、低碳、灵活等特点的天然气发电所替代，天然气燃气轮机发电已是电力结构中的重要组成部分。而天然气燃气轮机系统大多以热电联产为主，而从热电联产拓展到冷热电联产是应用能的梯级利用原理的必然选择。
在传统冷热电联产系统中，热机排烟余热仍具有较高的能量品位，将吸收式制冷与热泵循环简单地用于热机循环的下游回收烟气余热时，存在较大的不可逆损失，会造成联产系统能量梯级利用不充分。而随着冷热电联产系统的快速发展和大规模应用，解决其中动力余热利用温度断层的难题将变得越来越迫切。
将天然气化学回热燃气轮机循环与分布式供能系统耦合可有效提高循环发电效率，同时可改造燃料品质以降低污染物排放。但在传统化学回热燃气轮机循环中，重整反应过程中只有单一的甲烷蒸汽或二氧化碳重整，因此存在转化效率不高、积碳等问题，而对烟气的利用仅在于烟气余热作为重整反应热，烟气中所含的大量氧化剂，包括H2O、CO2和O2未能得到有效利用。且系统效率的提升严重依赖去离子水的输入，水的汽化过程需要消耗大量中高温余热，从而减少系统制冷产热的潜力，不利于该技术在分布式供能领域中的推广应用。
因此探寻一种提高系统制冷产热的潜力、高效的余热利用手段成为了当前亟待解决的问题。
发明内容
为此，本发明的目的是提供一种基于新型化学回注燃气轮机循环发电的方法及系统，以实现对燃料化学能高效转化利用、制冷产热潜力提高、发电效率提升更合理的系统及方法。
为达到上述目的，本发明的技术方案是：一种基于新型化学回注燃气轮机循环发电的方法，该方法包括以下步骤：天然气经压缩后进行重整反应，重整反应产生的合成气与经压缩的空气进行燃烧，燃烧产生的高温高压烟气透平发电形成中高温烟气，中高温烟气经压缩后为重整反应提供多种氧化剂并作为反应热源，完成一个循环。
进一步改进，所述中高温烟气一部分用于预热压缩后的空气，一部分先对压缩后的天然气进行预热，后经压缩参与重整反应。
其烟气余热提质的根本原因在于：烟气为强吸热的重整反应提供热量的同时，为天然气重整反应提供多种氧化剂，包括水、二氧化碳和氧气，大幅提升了天然气中甲烷转化率，缓解了积碳问题。
本发明还提供一种基于新型化学回注燃气轮机循环发电方法的系统，该系统用于实现上述一种基于新型化学回注燃气轮机循环发电的方法，包括燃料压缩机、重整反应器、烟气压缩机、空气压缩机、燃烧室、透平机、发电机、分流器、燃料输入管道、空气输入管道和烟气输出管道；
所述燃料压缩机的入口连接燃料输入管道，燃料压缩机的出口连接重整反应器的燃料入口，重整反应器的合成气出口连接燃烧室的合成气入口；空气压缩机的入口连接空气输入管道，空气压缩机的出口连接燃烧室的空气入口；燃烧室的出口连接透平机的入口，透平机做功驱动发电机发电，透平机的出口连接分流器的入口，分流器的第一出口连接烟气输出管道，分流器的第二出口连接烟气压缩机的入口，烟气压缩机的出口连接重整反应器的烟气入口。
进一步改进，还包括第一回热器，所述第一回热器的冷侧入口连接空气压缩机出口，冷侧出口连接燃烧室的空气入口，第一回热器的热侧入口连接分流器的第一出口，热侧出口连接烟气输出管道。
进一步改进，还包括第二回热器，所述第二回热器的冷侧入口连接燃料压缩机的出口，冷侧出口连接重整反应器的燃料入口，第二回热器的热侧入口连接分流器的第二出口，热侧出口连接烟气压缩机的入口。
进一步改进，所述重整反应器为管式反应器、塔式反应器、釜式反应器、有固体颗粒床层的反应器、喷射反应器、固定床反应器、流化床反应器或腔体式反应器。
其中，燃料压缩机、烟气压缩机、空气压缩机、是气体增压装置，用于将一股低压气体物流提升为一股高压气体物流。重整反应器内部发生了天然气与水蒸气的重整反应以及其它可能发生的所有反应。第一回热器、第二回热器是一种换热设备，一股热流体与一股冷流体在该设备内部交换热量。燃烧室为燃烧反应的场所，内部发生了甲烷、氢气、一氧化碳的燃烧反应以及其他可能发生的所有反应，该装置也可以被其他能够为燃烧反应提供空间的装置替代。透平机是将流体介质中蕴含的能量转化为机械功的装置，可将高温烟气中的能量转化为机械功带动压缩机和发电机工作。分流器是气体分流装置，用于将股气体物流按照一定比例分离成两股气体物流。发电机是将其它形式的能转化为电能的装置，可将燃气透平输入发电机的机械能转化为电能。
通过本发明提供的技术方案，具有如下有益效果：
(1)烟气余热提质。本发明中的一部分中高温烟气在为强吸热的重整反应提供所需热量的同时，为天然气重整反应提供多种氧化剂，包括CO2、H2O和O2，将低品位的烟气转化为高品位的燃料化学能，从而减少了CO2的排放。
(2)重整反应性能改善。本发明进行的天然气重整反应包括甲烷蒸汽重整、甲烷二氧化碳重整和甲烷部分氧化重整反应在内的甲烷混合重整反应，通过将部分中高温烟气回注反应器，大幅提升了天然气中甲烷转化率，缓解了积碳问题，减少了蒸汽重整过程对水的依赖。
(3)发电效率大幅提高。本发明通过将部分中高温烟气回注反应器，与天然气共同进行重整反应，生成燃料总热值更高的合成气，剩余中高温烟气用于在第一回热器中预热高压空气，增加循环出功，进而提升系统的发电效率。
(4)制冷产热潜力提升。本发明与先进化学回热燃气轮机循环相比，实现了中高温余热的提质，而非在传统技术中的贬质。其原因在于：中高温烟气避开了对水的汽化的加热过程，因而提高了系统制冷产热的潜力，有利于该技术在分布式供能系统中进一步推广。
附图说明
图1是本发明实施例的基于新型化学回注燃气轮机循环发电方法的系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步详细说明。
一种基于新型化学回注燃气轮机循环发电的方法，该方法包括以下步骤：天然气经压缩后进行重整反应，重整反应产生的合成气与经压缩的空气进行燃烧，燃烧产生的高温高压烟气透平发电形成中高温烟气，中高温烟气经压缩后为重整反应提供多种氧化剂并作为反应热源，完成一个循环。
进一步改的，中高温烟气一部分用于预热压缩后的空气，一部分先对压缩后的天然气进行预热，后经压缩参与重整反应。
图1所示，一种基于新型化学回注燃气轮机循环发电方法的系统，用于实现上述一种基于新型化学回注燃气轮机循环发电的方法，该系统包括燃料压缩机1、重整反应器2、烟气压缩机3、空气压缩机4、第一回热器5、燃烧室6、透平机7、分流器8、发电机9、第二回热器10、空气输入管道11、烟气输入管道12、第一烟气输出管道13、第二烟气输出管道14、第三烟气输出管道15、燃料输入管道16、合成气输出管道17；
燃料压缩机1的燃料入口与燃料输入管道16前段相连接，燃料压缩机1的燃料出口与重整反应器2的燃料入口通过燃料输入管道16后段相连接，燃料输入管道16后段通过第二回热器10，并与其冷侧相通；
重整反应器2的合成气出口与燃烧室6的合成气入口通过合成气输出管道17相连接，重整反应器2的烟气入口与烟气压缩机3的出口通过第三烟气输出管道15后段相连接；
烟气压缩机3的入口与分流器8的第二出口通过第三烟气输出管道15前段相连接，第三烟气输出管道15前段通过第二回热器10，并与其热侧相通；
空气压缩机4的入口与空气输入管道11前段相连接，空气输入管道11通过第一回热器5并与其冷侧相连通后，与燃烧室6空气入口相连接；
燃烧室6的出口与透平机7的入口通过烟气输入管道12相连接，透平机7做功驱动发电机9发电，透平机7的出口与分流器8的入口通过第一烟气输出管道13相连接；
分流器8的第一出口与第二烟气输出管道14相连接，第二烟气输出管道14通过第一回热器5，并与其热侧相连通。
尽管结合优选实施例具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于新型化学回注燃气轮机循环发电的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：天然气经压缩后进行重整反应，重整反应产生的合成气与经压缩的空气进行燃烧，燃烧产生的高温高压烟气透平发电形成中高温烟气，中高温烟气经压缩后为重整反应提供多种氧化剂并作为反应热源，完成一个循环。
2.根据权利要求1所述的一种基于新型化学回注燃气轮机循环发电的方法，其特征在于：所述中高温烟气一部分用于预热压缩后的空气，一部分先对压缩后的天然气进行预热，后经压缩参与重整反应。
3.一种基于新型化学回注燃气轮机循环发电方法的系统，其特征在于：该系统用于实现权利要求1所述的一种基于新型化学回注燃气轮机循环发电的方法，包括燃料压缩机、重整反应器、烟气压缩机、空气压缩机、燃烧室、透平机、发电机、分流器、燃料输入管道、空气输入管道和烟气输出管道；
所述燃料压缩机的入口连接燃料输入管道，燃料压缩机的出口连接重整反应器的燃料入口，重整反应器的合成气出口连接燃烧室的合成气入口；空气压缩机的入口连接空气输入管道，空气压缩机的出口连接燃烧室的空气入口；燃烧室的出口连接透平机的入口，透平机做功驱动发电机发电，透平机的出口连接分流器的入口，分流器的第一出口连接烟气输出管道，分流器的第二出口连接烟气压缩机的入口，烟气压缩机的出口连接重整反应器的烟气入口。
4.根据权利要求3所述的一种基于新型化学回注燃气轮机循环发电方法的系统，其特征在于：还包括第一回热器，所述第一回热器的冷侧入口连接空气压缩机出口，冷侧出口连接燃烧室的空气入口，第一回热器的热侧入口连接分流器的第一出口，热侧出口连接烟气输出管道。
5.根据权利要求3或4所述的一种基于新型化学回注燃气轮机循环发电方法的系统，其特征在于：还包括第二回热器，所述第二回热器的冷侧入口连接燃料压缩机的出口，冷侧出口连接重整反应器的燃料入口，第二回热器的热侧入口连接分流器的第二出口，热侧出口连接烟气压缩机的入口。
6.根据权利要求3所述的一种基于新型化学回注燃气轮机循环发电方法的系统，其特征在于：所述重整反应器为管式反应器、塔式反应器、釜式反应器、有固体颗粒床层的反应器、喷射反应器、固定床反应器、流化床反应器或腔体式反应器。
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Legal Events
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