CN202485229U

CN202485229U - 天然气燃烧供热***

Info

Publication number: CN202485229U
Application number: CN2012200402472U
Authority: CN
Inventors: 苏庆泉; 米万良; 郑晓明
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2012-02-08
Filing date: 2012-02-08
Publication date: 2012-10-10
Anticipated expiration: 2022-02-08

Abstract

本实用新型是关于一种天然气燃烧供热***，包括天然气燃烧装置和二氧化碳捕集装置。天然气燃烧装置包括两个并联设置的第一化学链燃烧反应器和第二化学链燃烧反应器，以及通过第一阀门连接于所述第一化学链燃烧反应器和第二化学链燃烧反应器的重整反应器；二氧化碳捕集装置连接于上述的天然气燃烧装置，接收第一化学链燃烧反应器和第二化学链燃烧反应器排放的二氧化碳。本***由于具有两个并联的化学链燃烧反应器，这两个反应器可以交替进行载氧体的氧化还原反应，从而使整个***可以连续供热。本***还具有二氧化碳的捕集装置，从而可以使***生成的二氧化碳转化为液态进行回收和储运，从而实现整个***二氧化碳的大幅度减排。

Description

天然气燃烧供热***

技术领域

本实用新型涉及能源领域的燃烧技术，特别是涉及一种天然气等碳氢化合物的燃烧供热***。

背景技术

减少温室气体CO₂的排放量成为全世界关注的焦点，CO₂的减排可通过提高能源的转化和利用效率，提高可再生能源的使用比例(如风能、太阳能、地热能等)。但是，今后相当一段时间内，化石原料仍将是主要的使用能源，如果通过从常规燃烧的烟气中分离和捕集CO₂，会消耗大量的能量，导致***整体的能量效率明显降低。基于此种情况，化学链燃烧(chemical-looping combustion，CLC)技术具有先天性的捕集CO₂的功能，而且不需要额外的能量消耗，因而是实现原料高效洁净利用的一个新技术，具有广阔的发展前景。但目前的化学链燃烧***多采用反应温度高达900℃以上的循环流化床，高温下***的密封性问题以及载氧体的烧结劣化与流动磨损比较严重，导致使用寿命过短等问题，因而迄今仍未有实际的应用。

减少化石燃料燃烧的CO₂排放主要有两个途径：一是提高能源利用效率、二是从燃烧烟气中捕集CO₂，并加以利用、贮留或封存。在CO₂的脱除技术中，用氨水喷淋火电站锅炉排烟烟气来吸收CO₂，不仅可以达到CO₂减排的目的，还可以获得优质化肥。但是，由于在高于60℃的环境温度下碳酸氢铵会分解为氨气、水和CO₂，造成CO₂重新返回大气，故这种CO₂减排方法的应用还需进一步研究。CO₂的脱除技术还有CaO碳酸化-煅烧循环的CO₂分离(CCR)技术、高分子膜脱除CO₂、O₂/CO₂循环燃烧技术等。但上述技术往往工业化实施成本较高。

有人提出了利用化学吸收法从火力发电厂的燃烧废气中分离回收二氧化碳的方案(请参照：清原正高，从发电用锅炉排气中回收CO₂的试验，能源.资源，能源.资源学会，1993年，第14卷，第1其，91-97页)。根据这一方案，尽管随条件的不同而不同，但二氧化碳的分离回收率能够达到80％以上。然而，采用传统的化学吸收法从燃烧烟气中分离回收二氧化碳所需的能耗高达750～900kcal/kg-CO₂，因此分离回收的运行成本非常高。

而气态二氧化碳的液化通常采用二级或者三级压缩之后冷凝的工艺。由于该工艺中二氧化碳的压缩是由压缩机来进行的，因而电耗比较大。综上所述，传统燃烧方式所排烟气中的CO2由于被大量的氮气所稀释，其浓度仅有8～15％，因而分离与回收的能耗与成本非常高。

另一方面，在现有的化石燃料燃烧供热***，尤其是低压蒸汽锅炉或者热水锅炉中，具有很高品位的燃烧热并没有得到合理的梯度利用。如北方地区用于冬季集中供暖的燃气热水锅炉***，用1000℃以上的燃烧热来获取60～90℃的热水，如此之高的能量品位并没有得到有效的利用。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于，克服现有的燃料燃烧供热***存在的缺陷，而提供一种新的天然气燃烧供热***，所要解决的技术问题是大幅度降低化学链反应所需的工作温度，进而并联设置两个化学链燃烧反应器，实现连续供热并提高热效率，同时对二氧化碳进行浓缩和捕集，降低碳排放，从而更加适于实用。

本实用新型的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本实用新型提出的一种天然气燃烧供热***包括：天然气燃烧装置，其包括两个并联设置的第一化学链燃烧反应器和第二化学链燃烧反应器；以及二氧化碳捕集装置，其连接于上述的天然气燃烧装置，接收第一化学链燃烧反应器和第二化学链燃烧反应器排放的二氧化碳。

优选的，前述的天然气燃烧供热***，所述的天然气燃烧装置还包括重整反应器，该重整反应器通过第一阀门连接于所述第一化学链燃烧反应器和第二化学链燃烧反应器；所述的第一化学链燃烧反应器通过第二阀门连接于二氧化碳捕集装置，所述的第二化学链燃烧反应器通过第三阀门连接于二氧化碳捕集装置。

优选的，前述的天然气燃烧供热***，所述的第一化学链燃烧反应器与第二阀门之间设有第一换热器；所述的第二化学链燃烧反应器与第三阀门之间设有第二换热器；所述的重整反应器与第一阀门之间设有第三换热器。

优选的，前述的天然气燃烧供热***，所述的二氧化碳捕集装置包括：

二氧化碳吸收塔，通过第二阀门连接于所述的第一化学链燃烧反应器，通过第三阀门连接于所述的第二化学链燃烧反应器；

二氧化碳吸收液再生塔，连接于所述的二氧化碳吸收塔，所述的二氧化碳吸收塔还包括有再沸器，再沸器所需的热源由第一化学链燃烧反应器和/或第二化学链燃烧反应器的反应热提供；

水蒸气冷凝换热器，连接于所述的二氧化碳吸收液再生塔，

第二气液分离器，连接于所述的水蒸气冷凝换热器；以及

二氧化碳储罐，连接于所述的第二气液分离器。

优选的，前述的天然气燃烧供热***，所述的二氧化碳储罐中还包括二氧化碳冷凝换热器。

优选的，前述的天然气燃烧供热***，所述的天然气燃烧装置还包括燃烧器，用于向重整反应器提供热量；所述的二氧化碳吸收塔的顶部的排气口连接于该燃烧器。

优选的，前述的天然气燃烧供热***，所述的二氧化碳捕集装置还包括第二气液分离器，设置于二氧化碳吸收塔与第一化学链燃烧反应器和第二化学链燃烧反应器连接的管道上。

优选的，前述的天然气燃烧供热***，天然气燃烧装置还包括空气输入管道，该空气输入管道上设有第四阀门，该第四阀门分别连接于第一化学链燃烧反应器和第二化学链燃烧反应器，用于将空气输送至第一化学链燃烧反应器或者第二化学链燃烧反应器。

优选的，前述的天然气燃烧供热***，所述的第一阀门、第二阀门、第三阀门和第四阀门为三向切换阀门或者是由两个或多个阀门组成的具有切换输送方向的阀门组。

优选的，前述的天然气燃烧供热***，所述的第一化学链燃烧反应器和第二化学链燃烧反应器分别为内置有换热夹套的固定床反应器。

借由上述技术方案，本实用新型天然气燃烧供热***至少具有下列优点：

本***以天然气等碳氢化合物为原料，其先进行重整反应产生氢气和一氧化碳，而该重整反应的反应产物具有极强的还原性，所以载氧体的还原反应可以在300-500℃的较低温度下进行，可避免载氧体的积碳和烧结，从而提高载氧体寿命。

本***的化学链反应器为内置有换热夹套的固定床反应器，不仅可以避免载氧体的流化磨损，还可以消除载氧体的局部过热，从而提高载氧体寿命。

本***具有两个并联的化学链燃烧反应器，这两个反应器可以交替进行载氧体的氧化还原反应，从而使整个***可以连续供热。

本***通过梯度利用高品位的天然气燃烧热即天然气的化学链燃烧反应的反应热来进行二氧化碳捕集与增压。在此，所述的反应热并没有被用掉排走，而是转化为虽品位显著降低但温度依然高于所需供热温度的水蒸气冷凝热在水蒸气冷凝换热器进行回收，从而照样可以实现对用户供热。即，可在供热的同时实现二氧化碳的低能耗甚至是零能耗捕集。

通过在本实用新型中采用化学链燃烧方式，由于化学链燃烧反应器的反应产物气体的水蒸气露点非常高，因而天然气燃烧生成的水蒸气的潜热可得到基本完全的回收，从而可使高位热值基准的供热效率达到90％以上，因而较传统燃气锅炉的节能率可达10％以上；

由于化学链燃烧过程在300-500℃的较低温度下进行，因而几乎不产生热力型NOx，从而可显著减少大气污染物质的排放；

由于化学链燃烧反应器供给吸收塔的反应产物气体的二氧化碳浓度很高，使得CO₂化学吸收剂的转化率极高，因而本实用新型化学吸收溶液再生过程可在高压下进行。即本实用新型可获得增压的CO₂气体，通过对增压后CO₂进行冷凝，可同时提供液体CO₂产品。由于本发明的二氧化碳增压并非是采用电驱动的压缩机来进行的，因而耗电量不足常规液体CO₂制备方法的30％，因此，经济效益显著。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本实用新型的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是本实用新型的天然气燃烧供热***的流程示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本实用新型为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本实用新型提出的天然气燃烧供热***的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

请参阅图1所示，是本实用新型提出的天然气燃烧供热***，其包括天然气燃烧装置A和二氧化碳捕集装置B。所述燃料燃烧装置A用于天然气燃烧，其包括重整反应器100、第一化学链燃烧反应器200、第二化学链燃烧反应器300和燃烧器800。所述二氧化碳捕集装置B用于捕集并增压产自天然气燃烧装置的二氧化碳，其包括第一气液分离器40、二氧化碳吸收塔10、二氧化碳吸收液再生塔20、再沸器26、水蒸气冷凝换热器31、第二气液分离器32和二氧化碳储罐33。

所述的重整反应器100，用于对原料天然气进行重整反应，其可以采用现有技术来实现。第一化学链燃烧反应器200和第二化学链燃烧反应器300，内装有载氧体，用于进行载氧体的还原反应或者载氧体的氧化即再生反应，较佳的采用内置有换热夹套201、换热夹套301的固定床反应器，化学链反应热通过换热夹套提供给再沸器26或者直接提供给用户。所述的载氧体优选为氧化铜。所述的第一化学链燃烧反应器200和第二化学链燃烧反应器300为并联设置，所述的重整反应器100的出口物料在第一阀门210的调节下择一进入第一化学链燃烧反应器200或者第二化学链燃烧反应器300，也就是说在同一时刻，重整反应器的出口物料只进入一个化学链燃烧反应器。该重整反应器出口物料管线设有第三换热器110用于调节进入第一化学链燃烧反应器或者第二化学链燃烧反应器的物料的温度。在第一化学链燃烧反应器200还连接有第一换热器120，该第一换热器120用于将第一化学链燃烧反应器的出口物料所携带的热量提供给用户。空气输入管道分别连接于所述的第一化学链燃烧反应器和所述的第二化学链燃烧反应器300，在该空气输入管道上设有第四阀门220，用于将空气择一输送给第一化学链燃烧反应器200或者第二化学链燃烧反应器300。在第二化学链燃烧反应器300还连接有第二换热器130，该第二换热器130用于将第二化学链燃烧反应器的出口物料所携带的热量提供给用户。所述换热器120的出口管道上设有第二阀门230，在该第二阀门230的调节下将该换热器出口物料输送至第一气液分离器40或者氮气放空管道250。所述第二换热器130的出口管道上设有第三阀门240，在该第三阀门240的调节下将该第二换热器130的出口物料输送至第一气液分离器40或者氮气放空管道250。所述第一气液分离器40，用于分离来自第一化学链燃烧反应器200或者第二化学链燃烧反应器300的含有二氧化碳和水的物料，在该第一气液分离器40中形成液态水沉降在分离器的底部。第一气液分离器40底部的冷凝水通过管道以及输送泵900输送至重整反应器100中作为重整反应所需的重整剂。

所述的燃烧器8以燃料气和空气为原料进行燃烧，用于向重整反应器提供重整反应所需要的热量，其中一部分燃料则是来自于二氧化碳吸收塔10的剩余气体。上述实施例提出的天然气燃烧供热***，其中的各个组成部件之间皆采用管道连接用于物料的输送。所述的第一阀门21、第四阀门22、第二阀门23和第三阀门24具有物料切换输送的功能，即只能将输入的物料输送至两个方向中的其中之一，其可以是三向切换阀门，也可以是由两个或多个阀门组成的阀门组，只要能够实现对物料输送方向的切换功能即可为被实用新型所使用。

在重整反应器1中进行的重整过程包括反应式(1)的CH₄(天然气)水蒸汽重整反应和反应式(2)的CO变换反应：

CH₄(g)+H₂O(g)→CO(g)+3H₂(g)ΔH₂₉₈ ⁰＝206kJmol^-1 (1)

CO(g)+H₂O(g)→CO₂(g)+H₂(g)ΔH₂₉₈ ⁰＝-41kJmol^-1 (2)

上述的第一化学链燃烧反应器200和第二化学链燃烧反应器300交替进行载氧体的还原反应，当其中一个化学链燃烧反应器进行载氧体还原反应时，另一个化学链燃烧反应器可以进行被还原后的载氧体的氧化反应。

载氧体的还原反应方程式如下：

H₂(g)+CuO(s)→Cu(s)+H₂O(g) ΔH_298°＝-86.6kJmol^-1 (3)

CO(g)+CuO(s)→Cu(s)+CO₂(g) ΔH_298°＝-127.8kJmol^-1 (4)

被还原后的载氧体的氧化反应方程式如下：

Cu(s)+1/2O₂(g)→CuO(s) ΔH_298°＝-155.2kJmol^-1 (5)

也就是说，当第一阀门210将重整反应器出口物料切换至第一化学链燃烧反应器200时，第四阀门220将空气切换至第二化学链燃烧反应器300，同时第二阀门230将第一化学链燃烧反应器出口物料切换至第一气液分离器40，第三阀门240将第二化学链燃烧反应器300的出口物料切换至氮气放空管道250。

而当第一阀门210将重整反应器出口物料切换至第二化学链燃烧反应器300时，第四阀门220将空气切换至第一化学链燃烧反应器200，同时第二阀门230将第二化学链燃烧反应器300出口物料切换至第一气液分离器40，第三阀门240将第一化学链燃烧反应器200的出口物料切换至氮气放空管道250。

所述的二氧化碳捕集装置B用于收集来自燃料燃烧装置的二氧化碳并使其得到增压和冷凝，形成液态二氧化碳。该二氧化碳捕集装置B包括第一气液分离器40、二氧化碳吸收塔10、二氧化碳吸收液再生塔20、再沸器26、水蒸气冷凝换热器31、气液分离器32和二氧化碳储罐33。

所述的二氧化碳吸收塔10，用于吸收产自燃料燃烧装置的二氧化碳。所述的二氧化碳吸收塔10包括：塔底11，用于容纳吸收富液，所述吸收富液是吸收了二氧化碳的二氧化碳吸收液；填料层12，设置在该二氧化碳吸收塔10内的中部位置，其作用在于使二氧化碳吸收液与进入塔内的气体有更大的接触表面；供气口16，设置在上述填料层12之下，用于向吸收塔内提供产自燃料燃烧装置的二氧化碳原料气体；排气口15，设置在二氧化碳吸收塔10的顶部，用于排出原料气被吸收完二氧化碳后的剩余气体(主要是未反应的天然气和氢气，还有少量的二氧化碳)，并将该剩余气体输送到燃烧器800。喷淋设备13，设置在上述填料层12之上，用于均匀喷洒二氧化碳吸收液。在该吸收塔内，二氧化碳吸收液在吸收塔内自上而下淋下，气体自下而上流动，二氧化碳吸收液与进入吸收塔内的原料气接触，并吸收其中的二氧化碳。二氧化碳吸收塔10的塔底设有换热器17，用于将吸收二氧化碳时产生的热量输出、供给用户。所述的二氧化碳吸收液为碳酸钾、三氧化二砷、一乙醇胺、二乙醇胺、甲基二乙醇胺、氨基乙酸、碳酸丙烯酯和聚乙二醇二甲醚其中之一或者上述各物质的混合物的水溶液。

所述的二氧化碳吸收液再生塔20，连接有再沸器26，再沸器26所需的热源由第一化学链燃烧反应器200和/或第二化学链燃烧反应器300的反应热提供，二氧化碳吸收液再生塔20的上部设有喷淋设备23，连接于所述吸收塔10底部的吸收富液出口。在二氧化碳吸收液再生塔20的中部设有填料层22，用于使吸收富液可以充分再生，二氧化碳吸收液再生塔的底部为塔底21用于容纳再生后的吸收贫液，二氧化碳吸收液再生塔20顶部设有排气口25，该排气口25连接于水蒸气冷凝换热器31。通过管道将二氧化碳吸收塔底部的吸收富液输送至二氧化碳吸收液再生塔进行吸收液的再生，形成气体和液体两相。该气体的主要成分为二氧化碳和水蒸气，从排气口输出供应给水蒸气冷凝换热器31。所述液体为吸收贫液，由于经过再生吸收贫液含有的二氧化碳浓度即吸收剂的转化率大大降低。通过管道将塔底21和喷淋设备13连接，将吸收贫液送至二氧化碳吸收塔10中，可再次用于吸收二氧化碳。再沸器26，用于加热塔底21内的吸收溶液，以产生大量的水蒸气用于气提，并保持二氧化碳吸收液再生塔20内的温度，从而使二氧化碳吸收液在高温下得到再生。再沸器26采用来自换热夹套201或换热夹套301的热源进行加热。这样，天然气燃烧产生的燃烧热最终从冷却盘管311、第一换热器120、第二换热器130、第三换热器110和换热器17输出，虽然输出热量的温度低于化学链燃烧反应温度和供给再沸器热量的温度，但仍可以满足如居民供暖等所需的60～90℃。

较佳的，可以设置有换热器24，用于使从二氧化碳吸收液再生塔20的塔底输出的二氧化碳吸收液和从二氧化碳吸收塔10塔底11输出的二氧化碳吸收液进行换热，从而减少进行二氧化碳吸收液再生时所需的热量。

所述水蒸气冷凝换热器31，用于冷却二氧化碳和水蒸气的混合气体，使混合气体中的水蒸气冷凝为液态水。在水蒸气冷凝换热器内设有水蒸气冷凝冷却盘管311和冷却盘管312，盘管内流动有换热介质，其吸收混合气体的热量后输出。两个冷却盘管内流动不同温度的冷媒，从而可以在不同的冷凝温度下对水蒸气的潜热进行回收，其中上游的冷却盘管311在较高的冷凝温度下工作，将回收的冷凝热作为热源向外部供热，而下游的冷却盘管312在较低的冷凝温度下工作，用于对水蒸气进行深度去除。所述气液分离器32通过管道连接于所述的水蒸气冷凝换热器31，用于分离来自水蒸气冷凝换热器31的液态水和二氧化碳气体，形成的液态水储存在该气液分离器中，分离出的二氧化碳气体被输出。所述二氧化碳储罐33连接于所述第二气液分离器32的气体输出口，用于容纳二氧化碳，在二氧化碳储罐33内设有二氧化碳冷凝冷却盘管331，盘管内流动有冷媒，其吸收气态二氧化碳的冷凝热后输出。

由于本天然气燃烧供热***具有两个化学链燃烧反应器，这两个反应器可以交替进行载氧体的氧化还原反应，因此可以连续向用户供热。且当一个化学链燃烧反应器进行载氧体还原反应时，另一个化学链燃烧反应器可以进行被还原后的载氧体的氧化反应，从而保证其可以再次进行还原反应。因此本***具备连续供热的能力。由于使用固定床作为化学链燃烧反应器，载氧体在反应器内无需流动，所以可以避免载氧体磨损，提高载氧体的使用寿命。

另外，本***还具有对二氧化碳进行压缩液化的功能，可以在二氧化碳储罐33直接得到液态二氧化碳，从而使本***的碳排放大幅度减少，更加有利于气候变暖的缓解，同时也可副产有价值的液体二氧化碳产品。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims

1.一种天然气燃烧供热***，其特征在于包括：

天然气燃烧装置，其包括两个并联设置的第一化学链燃烧反应器和第二化学链燃烧反应器；以及

二氧化碳捕集装置，其连接于上述的天然气燃烧装置，接收第一化学链燃烧反应器和第二化学链燃烧反应器排放的二氧化碳。

2.根据权利要求1所述的天然气燃烧供热***，其特征在于所述的天然气燃烧装置还包括重整反应器，该重整反应器通过第一阀门连接于所述第一化学链燃烧反应器和第二化学链燃烧反应器；所述的第一化学链燃烧反应器通过第二阀门连接于二氧化碳捕集装置，所述的第二化学链燃烧反应器通过第三阀门连接于二氧化碳捕集装置。

3.根据权利要求2所述的天然气燃烧供热***，其特征在于，所述的第一化学链燃烧反应器与第二阀门之间设有第一换热器；所述的第二化学链燃烧反应器与第三阀门之间设有第二换热器；所述的重整反应器与第一阀门之间设有第三换热器。

4.根据权利要求2所述的天然气燃烧供热***，其特征在于，所述的二氧化碳捕集装置包括：

水蒸气冷凝换热器，连接于所述的二氧化碳吸收液再生塔，

第二气液分离器，连接于所述的水蒸气冷凝换热器；以及

二氧化碳储罐，连接于所述的第二气液分离器。

5.根据权利要求4所述的天然气燃烧供热***，其特征在于，所述的二氧化碳储罐中还包括二氧化碳冷凝换热器。

6.根据权利要求4所述的天然气燃烧供热***，其特征在于，所述的天然气燃烧装置还包括燃烧器，用于向重整反应器提供热量；所述的二氧化碳吸收塔的顶部的排气口连接于该燃烧器。

7.根据权利要求4所述的天然气燃烧供热***，其特征在于，所述的二氧化碳捕集装置还包括第一气液分离器，设置于二氧化碳吸收塔与第一化学链燃烧反应器和第二化学链燃烧反应器连接的管道上。

8.根据权利要求2所述的天然气燃烧供热***，其特征在于，还包括空气输入管道，该空气输入管道上设有第四阀门，该第四阀门分别连接于第一化学链燃烧反应器和第二化学链燃烧反应器，用于将空气输送至第一化学链燃烧反应器或者第二化学链燃烧反应器。

9.根据权利要求8所述的天然气燃烧供热***，其特征在于，所述的第一阀门、第二阀门、第三阀门和第四阀门为三向切换阀门或者是由两个或多个阀门组成的具有切换输送方向的阀门组。

10.根据权利要求1-9任一项所述的天然气燃烧供热***，其特征在于，所述的第一化学链燃烧反应器和第二化学链燃烧反应器分别为内置有换热夹套的固定床反应器。