CN1869418A - 一种燃气动力循环***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***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***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***；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***。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***，可以联产电和冷，并具有CO2捕集功能和节水功能。

Description

一种燃气动力循环***及循环方法
技术领域
本发明提出了一种燃气动力循环***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***结合及循环方法。可用于天然气发电***。
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***。采用化学回热的方法，***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***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***，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***。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***进行研究。结果表明，甲烷与水蒸气重整的化学回热***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***。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***；气体CO2经四级间冷压缩***15，转变为液态CO2。一部分液体CO2排出***；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***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***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***，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***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，***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***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***；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***。
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***，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***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***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，***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***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***及流程示意图
图2为本发明动力循环***及流程示意图
具体实施方式
如图2所示：本发明的***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***换热，驱动氨吸收式制冷循环***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***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***的富余能量，吸收***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***在的性能分别如表1的数据所示。其中，***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***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***，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***相结合而成，***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。
2、根据权利要求1所述的燃气动力循环***，其特征在于：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。
3、根据权利要求2所述的燃气动力循环***，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***进行动力循环的燃气动力循环方法，其特征在于：***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***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***；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***。
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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