CN116658307A - 耦合甲醇重整制氢及掺氢燃烧的间冷回热式燃气轮机系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了耦合甲醇重整制氢及掺氢燃烧的间冷回热式燃气轮机系统，包括间冷回热式燃气轮机动力系统和甲醇重整制氢系统，间冷回热式燃气轮机动力系统包括间冷器和回热器，间冷器设置在低压压气机与高压压气机之间，用于冷却低压压气机出口气体，回热器设置在高压压气机出口端，用于利用燃气轮机透平排气加热高压压气机出口气体；回热器的出口烟气为甲醇重整制氢系统提供热源，甲醇重整制氢系统为间冷回热式燃气轮机动力系统提供氢气。本发明利用回热器出口烟气为甲醇重整制氢反应提供热量，使得烟气所携带热量得到合理利用，降低了重整制氢反应成本，通过掺烧氢气降低了燃气轮机的燃料成本，提高了燃气轮机燃烧效率，降低了燃气轮机污染物排放。
Description
技术领域
本发明涉及燃气轮机技术领域，尤其涉及一种耦合甲醇重整制氢及掺氢燃烧的间冷回热式燃气轮机系统。
背景技术
1939年世界上第一台燃气轮机投入使用，至今已有84年历史。在这84年中燃气轮机得到了非常快速地发展，其性能、结构不断地得到提高和改善。燃气轮机目前已在火力发电、航空、船舶动力及管道运输等领域中扮演着重要角色。随着相关技术的不断完善，燃气轮机将会得到更广泛的应用。
相较于简单循环燃气轮机，采用间冷回热循环的燃气轮机利用间冷器对低压压气机出口压缩空气进行冷却大大降低了高压压气机压缩耗功，有效提高了燃气轮机出力。并且使用回热器利用透平排气加热高压压气机出口压缩空气，有效提高了燃烧室空气入口温度，减小燃料消耗量，提高了燃气轮机效率。但这种情况下回热器出口烟气依然具有较高的温度，含有较多的热能，若将这部分热能直接排放，将使得这部分能量被浪费。
由于氢气具有热值高、燃烧产物只有水、对环境没有任何污染、原料来源广泛等优点，它被认为是优秀的可替代清洁能源之一。另外，由于氢气具有火焰传播速度快、点火能量低和扩散系数大等优点，氢气的加入可以促进碳氢化合物的燃烧，提高燃烧效率。但是氢气的储存与运输极为困难，这成为制约氢能发展的一大障碍。通过现场制取氢气，并及时将氢气作为燃料进行掺烧是克服氢气储存运输困难的一种有效手段。在现有的制氢技术中，碳氢燃料催化重整是现场制氢最常用的方法之一，它通过采用低碳醇等高含氢量的可再生液态燃料在催化剂的作用下通过重整反应制取氢气。甲醇是重整反应中最具潜力的氢源，具有结构简单、易运输、易获得、重整反应温度低、重整产物中氢气含量高等优点。另外，甲醇重整制氢是强吸热过程，若要保持重整制氢反应的进行，必须持续为反应提供足够的热量。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的实施例提出一种耦合甲醇重整制氢及掺氢燃烧的间冷回热式燃气轮机系统。
本发明提出了一种耦合甲醇重整制氢及掺氢燃烧的间冷回热式燃气轮机系统，包括：
间冷回热式燃气轮机动力系统，所述间冷回热式燃气轮机动力系统包括间冷器和回热器，所述间冷器设置在低压压气机与高压压气机之间，用于冷却所述低压压气机出口气体，所述回热器设置在所述高压压气机出口端，用于利用燃气轮机透平排气加热所述高压压气机出口气体；
甲醇重整制氢系统，所述回热器的出口烟气为所述甲醇重整制氢系统提供热源，所述甲醇重整制氢系统为所述间冷回热式燃气轮机动力系统提供氢气燃料。
在一些实施例中，所述间冷器的热侧入口端连接所述低压压气机的出口端，所述间冷器的热侧出口端连接所述高压压气机的入口端，所述间冷器的冷侧通入冷却水。
在一些实施例中，所述间冷回热式燃气轮机动力系统还包括燃烧室和透平，所述燃烧室的出口端连接所述透平的入口端，所述回热器的冷侧入口端连接所述高压压气机的出口端，所述回热器的冷侧出口端连接所述燃烧室的入口端，所述回热器的热侧入口端连接所述透平的出口端。
在一些实施例中，所述甲醇重整制氢系统包括沿原料液流动方向上下游依次设置的预热器、气化器和反应器，所述回热器的出口烟气为所述气化器和所述反应器提供热源，反应产物为所述预热器提供热源，所述原料液在所述预热器中预热后进入所述气化器被加热气化，最后进入所述反应器中进行甲醇重整制氢反应。
在一些实施例中，所述反应器包括内部流动有相互独立的介质的管侧和壳侧，所述管侧入口端连接所述回热器的热侧出口端，所述管侧出口端连接所述气化器的热侧入口端，所述气化器的热侧出口端联通大气，所述壳侧入口端连接所述气化器的冷侧出口端，所述壳侧出口端连接所述预热器的热侧入口端。
在一些实施例中，所述气化器的冷侧入口端连接所述预热器的冷侧出口端，所述预热器的冷侧入口端连接原料液罐。
在一些实施例中，所述原料液罐包括甲醇储罐和脱盐水储罐，所述甲醇储罐用于存放甲醇，所述脱盐水储罐用于存放脱盐水。
在一些实施例中，所述甲醇重整制氢系统还包括上下游依次设置在所述预热器热侧出口端的冷却器、气液分离器、变压吸附器和氢气储罐，所述冷却器的热侧入口端连接所述预热器的热侧出口端，所述冷却器的热侧出口端连接所述气液分离器的入口端，所述冷却器的冷侧通入冷却水，所述气液分离器的液侧出口端连接所述预热器的冷侧入口端，所述气液分离器的气侧出口端连接所述变压吸附器的入口端。
在一些实施例中，所述变压吸附器的出口端连接所述氢气储罐的入口端，所述氢气储罐的出口端连接所述燃烧室的入口端。
在一些实施例中，所述透平的输出端连接负载，所述负载、所述高压压气机和所述低压压气机均由所述透平驱动。
相对于现有技术，本发明的有益效果为：
本发明利用回热器出口烟气为甲醇重整制氢反应提供热量，使得烟气所携带热量得到合理利用，提高了能量利用效率，降低了重整制氢反应成本，并且通过掺烧氢气降低了燃气轮机的燃料成本，提高了燃气轮机燃烧效率，降低了燃气轮机污染物排放。
本发明降低了燃气轮机压气机耗功，增大了燃气轮机压比，提高了燃烧室入口高压空气温度，提高了燃气轮机效率，并使燃气轮机透平排气所含热量得到更合理利用，降低了氢气生产制造成本，并通过掺烧氢气降低了燃气轮机燃料成本，增大了燃气轮机出力。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明耦合甲醇重整制氢及掺氢燃烧的间冷回热式燃气轮机系统的示意图；
附图标记说明：
低压压气机1、间冷器2、高压压气机3、回热器4、燃烧室5、透平6、脱盐水储罐7、甲醇储罐8、甲醇原料液泵9、预热器10、气化器11、反应器12、冷却器13、气液分离器14、变压吸附器15、氢气储罐16。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的耦合甲醇重整制氢及掺氢燃烧的间冷回热式燃气轮机系统。
如图1所示，本发明的耦合甲醇重整制氢及掺氢燃烧的间冷回热式燃气轮机系统，包括间冷回热式燃气轮机动力系统和甲醇重整制氢系统。
间冷回热式燃气轮机动力系统包括低压压气机1、高压压气机3、间冷器2、回热器4、燃烧室5和透平6，其中，间冷器2设置在低压压气机1与高压压气机3之间，间冷器2用于冷却低压压气机1出口气体，间冷器2的热侧入口端连接低压压气机1的出口端，间冷器2的热侧出口端连接高压压气机3的入口端，间冷器2的冷侧通入冷却水。在间冷器2中利用冷却水冷却经低压压气机1压缩后的空气，压缩的空气降温后进入高压压气机3进行进一步压缩，利用间冷器2对低压压气机1出口的压缩空气进行冷却，使得高压压气机3入口空气温度降低，从而减少了高压压气机3的压缩能耗，提升了透平6的输出功率。
回热器4设置在高压压气机3出口端，用于利用燃气轮机透平排气加热高压压气机3出口气体，回热器4的冷侧入口端连接高压压气机3的出口端，回热器4的冷侧出口端连接燃烧室5的入口端，燃烧室5的出口端连接透平6的入口端，回热器4的热侧入口端连接透平6的出口端。燃烧室5燃烧产生的高温烟气进入透平6做功后，从透平6的出口端流出，经回热器4的热侧入口端进入回热器4中，加热从高压压气机3出口端流出的压缩气体，在回热器4中被加热的压缩空气进入燃烧室5与燃料燃烧后产生高温高压的烟气。间冷回热式燃气轮机动力系统采用回热器4，利用透平6排气所携带的热量加热高压压气机3出口压缩空气，提高了燃烧室5入口空气温度，降低了燃气轮机燃料消耗，提高了燃气轮机效率。
透平6的输出端连接负载，负载、高压压气机3和低压压气机1均由透平6驱动。
甲醇重整制氢系统包括沿原料液流动方向上下游依次设置的预热器10、气化器11和反应器12，回热器4的出口烟气为气化器11和反应器12提供热源，反应产物为预热器10提供热源，原料液在预热器10中预热后进入气化器11被加热气化，最后进入反应器12中进行甲醇重整制氢反应。
具体为，反应器12包括内部流动有相互独立的介质的管侧和壳侧，管侧入口端连接回热器4的热侧出口端，经回热器4热侧出口端流出的烟气进入反应器12的管侧，为甲醇重整制氢过程提供热源；管侧出口端连接气化器11的热侧入口端，从管侧出口端流出的烟气进入气化器11的热侧为甲醇原料液的气化过程提供热源；气化器11的热侧出口端联通大气，从气化器11的热侧出口端流出的烟气排向大气，至此烟气的热量已得到充分地利用。壳侧入口端连接气化器11的冷侧出口端，气化后的甲醇原料液从气化器11的冷侧出口端流出，并流向反应器12的壳侧，反应器12的壳侧内放置催化剂，气化后的甲醇原料液在反应器12的壳侧进行甲醇重整制氢反应。壳侧出口端连接预热器10的热侧入口端，甲醇重整制氢的产物(氢气和二氧化碳)及未反应完的气态甲醇和水蒸汽进入预热器10的热侧为甲醇原料液的预热过程提供热源。气化器11的冷侧入口端连接预热器10的冷侧出口端，甲醇原料液在预热器10中预热后进入气化器11的冷侧，在气化器11的热侧烟气的作用下加热气化；预热器10的冷侧入口端连接原料液罐，原料液罐包括甲醇储罐8和脱盐水储罐7，甲醇储罐8用于存放甲醇，脱盐水储罐7用于存放脱盐水，甲醇和脱盐水按照一定比例混合后变成甲醇原料液进入预热器10中预热。
在工作过程中，如图1所示，脱盐水储罐7中的脱盐水与甲醇储罐8中的甲醇按照一定比例混合后成为甲醇原料液，甲醇原料液在甲醇原料液泵9的作用下进入预热器10的冷侧预热，预热后的甲醇原料液进入气化器11中气化为气态的反应原料，气化后的甲醇原料液进入反应器12的壳侧，在位于反应器12壳侧的催化剂的作用下发生甲醇重整制氢反应，完成甲醇重整制氢反应的反应产物及未完全反应的反应物从反应器12壳侧出口端流出进入预热器10中预热甲醇原料液。
在一些实施例中，甲醇重整制氢系统还包括上下游依次设置在预热器10热侧出口端的冷却器13、气液分离器14、变压吸附器15和氢气储罐16。冷却器13的热侧入口端连接预热器10的热侧出口端，冷却器13的冷侧通入冷却水，从预热器10的热侧出口端流出的反应产生及未反应的反应物进入冷却器13的热侧，被冷却器13冷侧通入的冷却水冷却；冷却器13的热侧出口端连接气液分离器14的入口端，气液分离器14的液侧出口端连接预热器10的冷侧入口端，气液分离器14的气侧出口端连接变压吸附器15的入口端。在气液分离器14中，气相与液相实现分离，未反应的甲醇和水作为液相从气液分离器14的液侧出口端流出并最终流向预热器10的冷侧，作为原料液重新参与甲醇重整制氢反应；反应产生的氢气和二氧化碳作为气相从气液分离器14的气侧出口端流出并流向变压吸附器15。变压吸附器15的出口端连接氢气储罐16的入口端，氢气储罐16的出口端连接燃烧室5的入口端，在变压吸附器15中，气相中的二氧化碳被吸附，未被吸附的氢气则从变压吸附器15的出口端流出并流向氢气储罐16，氢气存储在氢气储罐16中。储存于氢气储罐16中的氢气与燃料按照一定比例混合后进入燃烧室5为燃气轮机提供燃料。将甲醇重整制氢反应产生的氢气先放入氢气储罐16中再进行掺氢燃烧，降低了甲醇重整制氢反应氢气产生量变化对于掺氢燃烧进程的影响。并且通过掺氢燃烧消耗氢气，降低了氢气储罐16所需的尺寸，减小了氢气的储存难度和储存成本。由于氢气具有热值高、火焰传播速度快、点火能量低和扩散系数大等优点，氢气的加入可以促进碳氢化合物的燃烧，提高燃气轮机燃烧效率。另外，由于氢气燃烧产物只有水，燃气轮机通过掺氢燃烧既能减少燃料的消耗，也可有效提升燃气轮机的排放性能。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述可以针对不同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种耦合甲醇重整制氢及掺氢燃烧的间冷回热式燃气轮机系统，其特征在于，包括：
间冷回热式燃气轮机动力系统，所述间冷回热式燃气轮机动力系统包括间冷器和回热器，所述间冷器设置在低压压气机与高压压气机之间，用于冷却所述低压压气机出口气体，所述回热器设置在所述高压压气机出口端，用于利用燃气轮机透平排气加热所述高压压气机出口气体；
甲醇重整制氢系统，所述回热器的出口烟气为所述甲醇重整制氢系统提供热源，所述甲醇重整制氢系统为所述间冷回热式燃气轮机动力系统提供氢气燃料。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述间冷器的热侧入口端连接所述低压压气机的出口端，所述间冷器的热侧出口端连接所述高压压气机的入口端，所述间冷器的冷侧通入冷却水。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述间冷回热式燃气轮机动力系统还包括燃烧室和透平，所述燃烧室的出口端连接所述透平的入口端，所述回热器的冷侧入口端连接所述高压压气机的出口端，所述回热器的冷侧出口端连接所述燃烧室的入口端，所述回热器的热侧入口端连接所述透平的出口端。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述甲醇重整制氢系统包括沿原料液流动方向上下游依次设置的预热器、气化器和反应器，所述回热器的出口烟气为所述气化器和所述反应器提供热源，反应产物为所述预热器提供热源，所述原料液在所述预热器中预热后进入所述气化器被加热气化，最后进入所述反应器中进行甲醇重整制氢反应。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述反应器包括内部流动有相互独立的介质的管侧和壳侧，所述管侧入口端连接所述回热器的热侧出口端，所述管侧出口端连接所述气化器的热侧入口端，所述气化器的热侧出口端联通大气，所述壳侧入口端连接所述气化器的冷侧出口端，所述壳侧出口端连接所述预热器的热侧入口端。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述气化器的冷侧入口端连接所述预热器的冷侧出口端，所述预热器的冷侧入口端连接原料液罐。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述原料液罐包括甲醇储罐和脱盐水储罐，所述甲醇储罐用于存放甲醇，所述脱盐水储罐用于存放脱盐水。
8.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述甲醇重整制氢系统还包括上下游依次设置在所述预热器热侧出口端的冷却器、气液分离器、变压吸附器和氢气储罐，所述冷却器的热侧入口端连接所述预热器的热侧出口端，所述冷却器的热侧出口端连接所述气液分离器的入口端，所述冷却器的冷侧通入冷却水，所述气液分离器的液侧出口端连接所述预热器的冷侧入口端，所述气液分离器的气侧出口端连接所述变压吸附器的入口端。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述变压吸附器的出口端连接所述氢气储罐的入口端，所述氢气储罐的出口端连接所述燃烧室的入口端。
10.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述透平的输出端连接负载，所述负载、所述高压压气机和所述低压压气机均由所述透平驱动。
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| CN202310626270.2A CN116658307A (zh) | 2023-05-30 | 2023-05-30 | 耦合甲醇重整制氢及掺氢燃烧的间冷回热式燃气轮机系统 |
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| CN202310626270.2A CN116658307A (zh) | 2023-05-30 | 2023-05-30 | 耦合甲醇重整制氢及掺氢燃烧的间冷回热式燃气轮机系统 |
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2023
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