CN1869418A - 一种燃气动力循环系统及循环方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种燃气动力循环系统及循环方法,由O2/CO2化学回热动力循环和氨吸收式制冷循环相结合而成,经压缩的CO2气体与天然气在重整反应器中发生重整反应,重整产生的气体在燃烧室中与纯氧发生燃烧反应;燃烧产生的高温气体进入透平膨胀作功;透平排气先向重整反应器供热,然后再向氨吸收式制冷循环系统供热;氨吸收式制冷循环产生的冷量,既用于动力循环中CO2气体的冷却,亦用于输出;降温后的透平排气经冷凝器将水和CO2气体分离,水输出系统;分离出的CO2气体一部分作为循环气回到动力循环,另一部分转变成液态CO2输出系统。本发明实现了甲烷与CO2重整反应的化学回热与O2/CO2动力循环的高效能量集成系统,可以联产电和冷,并具有CO2捕集功能和节水功能。
Description
技术领域
本发明提出了一种燃气动力循环系统及循环方法,涉及化学回热、O2/CO2动力循环、氨吸收式制冷循环的系统结合及循环方法。可用于天然气发电系统。
背景技术
化学回热动力循环是一种有效利用透平排气余热的动力发电系统。采用化学回热的方法,系统回收透平高温排气的余热,用于甲烷、甲醇或二甲醚等燃料进行重整反应,将其转化为H2和CO的混合燃料。转化后的混合燃料的燃烧热大于未经重整的燃料,化学回热所回收的低品位余热转化成燃料的燃烧热,在高温下释放出。重整后的气体在燃烧室中燃烧,产生的高温气体进入透平膨胀作功。在化学回热反应中,提高燃料的重整反应转化率是提高系统能量利用效率的关键因素之一。美国专利US2002/0095931,提出了一种基于甲醇重整的化学回热动力循环系统,甲醇与水经重整反应器发生重整与变换反应,生成H2和CO2,与纯氧和经压气机增压后的工质,进入燃烧室发生燃烧反应。产生的高温气体进入透平膨胀作功;透平排气依次向蒸气发生器、重整反应器供热。然后,透平排气分流。一部分继续向给水加热器供热,然后作为循环工质气体进入压气机增压,送入燃烧室;另一部分进入低压透平膨胀作功,并经冷却冷凝脱离出水,送至多级间冷压缩机增压,冷却冷凝后转变成液态CO2输出系统。水经泵增压后,先后经过给水加热器和蒸气发生器,转变成蒸气,再经蒸气透平作功后,送入燃烧室。C.Carcasci等(Modular approach to analysis of chemicallyrecuperated gas turbine cycles.Energy Conversion and Management,1998,39(16-18):1693-1703)基于LM6000型燃气轮机的条件,对甲烷与水蒸气重整的化学回热系统进行研究。结果表明,甲烷与水蒸气重整的化学回热系统产生的水蒸气有限,在传热最小温差为20℃时,水蒸气与甲烷最大摩尔比为5.4,甲烷的重整转化率大约仅有30%。上述水蒸气重整的化学回热动力循环方法,受透平排气余热负荷制约,燃料的转化率受到限制。
O2/CO2动力循环也是一种新型动力循环,其特征在于以纯氧为氧化剂,循环工质为CO2。燃料与纯氧燃烧只有CO2和水蒸气生成,冷凝可以从透平排气中分离出水。一部分CO2经压缩和冷却冷凝后转变成液态CO2输出系统。另一部分CO2作为循环工质。1999年P.Mathieu(Sensitivity analysis of the MATIANTcycle.Energy Conversion and Management,1999,40(15-16):1687-1700)提出了温室气体零排放动力循环,其流程如图1所示。它包括超临界Rankine循环,并且有再热和回热。O2与循环CO2在混合器12混合,与经压气机8增压的甲烷注入燃烧室7,发生燃烧反应(O2与甲烷按化学计量数反应),产生1300℃高温气体,进入透平4膨胀作功;透平排气与O2在混合器9混合,与经压气机1增压的甲烷注入燃烧室2,发生燃烧反应(O2与甲烷按化学计量数反应),产生1300℃高温的再热气体,进入透平3膨胀作功;透平排气经换热器11换热,再经冷凝器13分离出液态水,水输出系统;气体CO2经四级间冷压缩系统15,转变为液态CO2。一部分液体CO2排出系统;另一部分液态CO2经泵16增压后,在换热器11汽化,在透平5膨胀作功,返回换热器11升温,然后送至混合器12。通常发电效率定义为输出的净功率除以输入的天然气热值(天然气消耗量×天然气低位热值)。该系统发电效率到达了44.3%,该循环没有采用化学回热方法,回收的透平排气余热仅仅作为相应物流的热源,进行一般加热使用,对提高系统发电效率的作用有限。
发明内容
本发明不同于上述水蒸气重整的化学回热动力循环,提出甲烷与CO2重整的化学回热动力循环,通过调整重整反应中CO2的比例,达到提高甲烷的重整转化率,更有效地利用透平排气余热,提供了O2/CO2化学回热动力循环的高效能量集成系统,工艺流程简明,可以利用廉价的天然气(相对对于甲醇和二甲醚燃料)联产电和冷,并具有CO2捕集功能和节水功能。
本发明提出的动力循环系统是由O2/CO2化学回热动力循环和氨吸收式制冷循环相结合而成,系统的化学回热动力循环的燃料为天然气,以纯氧为氧化剂,CO2为循环工质,主要由以下部件连接组成:分别对纯氧、CO2气体进行压缩的压缩机;由透平排气供热的CO2与天然气重整反应器;重整反应气体和纯氧发生燃烧反应的燃烧室;高温气体膨胀作功的透平和发电机;由透平排气供热的氨吸收式制冷;从透平排气中冷凝分离出CO2和水的冷凝器;连接动力循环回路与CO2压缩机的分流器;利用氨吸收式制冷产生的冷量冷却循环CO2的冷却器。
氨吸收式制冷循环主要由以下部件连接组成:由透平排气供热的精馏塔、冷凝器、向循环CO2冷却器供冷的蒸发器、向外界供冷的蒸发器、吸收器、节流阀和溶液循环泵构成。
本发明提出的上述动力循环的循环方法是:化学回热动力循环以天然气为燃料,以纯氧为氧化剂,并以CO2为循环工质;吸收式制冷循环以氨水溶液为工质。用压气机分别压缩纯氧和CO2气体;CO2与天然气在重整反应器中发生重整反应,重整产生的气体在燃烧室中与纯氧发生燃烧反应;燃烧产生的高温气体进入透平膨胀作功;透平排气先向重整反应器供热,然后再向氨吸收式制冷循环系统供热;氨吸收式制冷循环产生的冷量输送到动力循环回路中,用于冷却动力循环中的CO2气体,同时还作为冷量输出;降温后的透平排气经冷凝器将水和CO2气体分离,水输出系统;分离出的CO2气体一部分作为循环气送至冷却器回到动力循环,另一部分送至多级间冷压缩机增压,冷却冷凝后转变成液态CO2输出系统。
在上述的循环方法中,多级间冷压缩为2至4级间冷却压缩。
上述的氨吸收式制冷循环可以采用单级循环或双级循环,两个蒸发器可以采用串联或并连的方式,以输出不同温度位的冷量。
本发明把天然气的CO2重整、O2/CO2动力循环和氨吸收式制冷循环有机地整合在一起,实现了甲烷与CO2重整反应的化学回热与O2/CO2动力循环的高效能量集成系统,可以联产电和冷,并具有CO2捕集功能和节水功能。
与天然气的水蒸气重整化学回热动力循环相比,在天然气CO2重整化学回热动力循环中,CO2既是反应物,又作为循环工质,不仅提高了天然气重整的转化率,更重要的是提高了循环的发电效率。
本发明基于能量品位梯级利用的原理,采用CO2与天然气重整、内燃、利用化学回热和氨吸收式制冷循环回收透平高温排气余热,同时系统可以回收水和液态CO2,实现了CO2气体的捕集与节水方式的冷和电联产,使系统具有能源有效利用和环境保护的综合效益。本发明在燃气透平初温1300℃条件下,系统的发电效率达到47.3%,比在相同条件下的Matiant动力循环提高了3%,同时还能向外界供冷。本发明系统适用于我国西部天然气资源丰富而缺水的地区。
附图说明
图1为Matiant动力循环系统及流程示意图
图2为本发明动力循环系统及流程示意图
具体实施方式
如图2所示:本发明的系统由O2/CO2化学回热动力循环和氨吸收式制冷循环相结合而成。具体实施如下:
以天然气为燃料,以CO2为循环工质,在冷却器28冷却后的CO2经压气机18增压,与来自天然气管道的天然气在混合器24混合,进入重整反应器22发生重整反应,重整反应气体按化学计量数与氧气反应,重整反应方程式为: ; ,重整产物生成H2和CO,然后进入燃烧室20,与经压气机19增压的纯氧发生燃烧反应,燃烧反应方程式为: ; ; ,产生的高温气体在透平21膨胀作功。透平排气先进入重整反应器22换热,为重整反应提供热量;然后进入由精馏塔36(塔釜加热器25),冷凝器20、节流阀38、蒸发器39和40、吸收器41和溶液循环泵42构成的单级循环氨吸收式制冷循环系统换热,驱动氨吸收式制冷循环系统产生冷量。换热后气体经冷凝器26分离出CO2和H2O。液态H2O回收,CO2气体经分流器27,一部分作为循环气送至冷却器28回到动力循环;另一部分,经三级间冷却压缩机组(包括29、31、33为压缩机,30、32为中间冷却器)压缩后,经冷凝器34冷凝成液态CO2输入储罐35。氨吸收式制冷循环系统在为冷却进入压气机前的CO2提供冷量的同时,还可以通过蒸发器39对外界输出冷量。
本发明使用的氨吸收式制冷循环是通常定义的技术。在氨吸收式制冷循环中,可以是单级循环流程,也可以根据工况选择双级循环流程。根据系统的富余能量,吸收系统中可以采用两个以上串联或并连的蒸发器,以输出不同温度位的冷量。
若采用如下条件:压气机等熵效率为0.86,燃烧室效率为0.99,透平等熵效率为0.89,化学回热重整反应器最小传热温差为20℃;余热回收最小传热温差为20℃,压气机进气压损为1%,压气比为10,燃烧室压损为3%,重整反应器两侧压损3%,冷却器压损为2%,机电效率为98%,天然气成分为100%的CH4。氨吸收式循环制冷条件:热源温度为120℃,冷却水温度为32℃,制冷温度为-5℃,制冷系数为0.55,发生器压力为1.5MPa。空分耗功为:0.9MJ/kgO2(1bar,15℃,纯度为99.5%),而透平进气温度为1300℃或1400℃时,本发明系统在的性能分别如表1的数据所示。其中,系统的甲烷消耗量、产水量和产液态CO2量均分别为13.85kg/s、24.06kg/s和37.99kg/s。
表1系统整体性能数据
项目 | 燃气初温为1300℃ | 燃气初温为1400℃ |
甲烷消耗量(kg/s)输出净功率(MW)发电效率(%)输出冷量(MW) | 13.85327.7347.355.76 | 13.85340.6549.255.62 |
发电效率=净功率/(天然气消耗量×天然气低位热值)。
Claims (7)
1、一种燃气动力循环系统,其特征在于:由O2/CO2化学回热动力循环和氨吸收式制冷循环系统相结合而成,系统的化学回热动力循环的燃料为天然气,以纯氧为氧化剂,CO2为循环工质,主要由以下部件连接组成:分别对纯氧、CO2气体进行压缩的压缩机;由透平排气供热的CO2与天然气重整反应器;重整反应气体和纯氧发生燃烧反应的燃烧室;高温气体膨胀作功的透平和发电机;由透平排气供热的氨吸收式制冷系统;从透平排气中冷凝分离出CO2和水的冷凝器;连接动力循环回路与CO2压缩机的分流器;利用氨吸收式制冷产生的冷量冷却循环CO2的冷却器。
2、根据权利要求1所述的燃气动力循环系统,其特征在于:氨吸收式制冷循环系统主要由以下部件连接组成:由透平排气供热的精馏塔、冷凝器、向循环CO2冷却器供冷的蒸发器、向外界供冷的蒸发器、吸收器、节流阀和溶液循环泵构成。
3、根据权利要求2所述的燃气动力循环系统,其特征在于:向外界供冷的蒸发器为两个以上串联或并连的蒸发器。
4、一种采用权利要求1的燃气动力循环系统进行动力循环的燃气动力循环方法,其特征在于:系统的化学回热动力循环以天然气为燃料,以纯氧为氧化剂,并以CO2为循环工质;吸收式制冷循环以氨水溶液为工质;用压气机分别压缩纯氧和CO2气体;CO2与天然气在重整反应器中发生重整反应,重整产生的气体在燃烧室中与纯氧发生燃烧反应;燃烧产生的高温气体进入透平膨胀作功;透平排气先向重整反应器供热,然后再向氨吸收式制冷循环系统供热;氨吸收式制冷循环产生的冷量输送到动力循环回路中,并用于输出;降温后的透平排气经冷凝器将水和CO2气体分离,水输出系统;分离出的CO2气体一部分作为循环气送至冷却器回到动力循环,另一部分送至多级间冷压缩机增压,冷却冷凝后转变成液态CO2输出系统。
5、根据权利要求3所述的循环方法,其特征在于:多级间冷压缩为2至4级间冷却压缩。
6、根据权利要求3所述的循环方法,其特征在于,以天然气为燃料,重整反应气体按化学计量数与氧气反应。
7、根据权利要求3所述的循环方法,其特征在于:氨吸收式制冷循环可以采用单级循环或双级循环,将蒸发器采用串联或并连的方法,以输出不同温度位的冷量。
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