將lng冷能用于空分制氧和碳捕獲的天然氣富氧燃燒系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電力行業(yè)天然氣富氧燃燒電廠的集成系統(tǒng)，具體涉及LNG冷能空分制氧子系統(tǒng)、富氧高壓加水燃燒循環(huán)發(fā)電子系統(tǒng)、高壓液氧碳捕獲子系統(tǒng)和高壓液氮再循環(huán)制氧子系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]目前國(guó)內(nèi)外電力行業(yè)的發(fā)電系統(tǒng)大多采用的是空氣燃燒，燃料以煤為主。燃燒產(chǎn)物中形成N0x/S0x等大量的污染物，同時(shí)燃燒產(chǎn)生大量的二氧化碳直接排入大氣，造成溫室效應(yīng)；
[0003]天然氣富氧電廠可以顯著降低N0x/S0x等污染物的排放，同時(shí)實(shí)現(xiàn)碳捕獲。但是目前富氧燃燒示范電廠中所需要的氧氣是通過(guò)空氣分離裝置分離空氣中的氧氣而來(lái)，空分制氧過(guò)程會(huì)使得電廠的發(fā)電效率降低10%左右，能耗巨大；同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)碳捕獲，需要對(duì)煙氣中的二氧化碳進(jìn)行壓縮，碳捕獲過(guò)程會(huì)使得電廠的發(fā)電效率降低8 %左右?？辗种蒲鹾吞疾东@過(guò)程中消耗的能量會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)電效率的顯著降低。目前LNG電廠中一般是將LNG常壓氣化后的天然氣作為燃料送入燃燒器，LNG冷能沒(méi)有得到利用，能量浪費(fèi)嚴(yán)重。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供了一套將LNG冷能應(yīng)用于空分制氧過(guò)程，同時(shí)實(shí)現(xiàn)碳捕獲的天然氣富氧燃燒電廠集成系統(tǒng)，解決LNG富氧電廠空分制氧能耗高、碳捕獲回收成本高以及LNG冷能浪費(fèi)量大的問(wèn)題，對(duì)節(jié)能減排具有重大意義。
[0005]本發(fā)明所提供的天然氣富氧燃燒電廠集成系統(tǒng)，其特征在于，包括LNG冷能空分制氧子系統(tǒng)、富氧高壓加水燃燒循環(huán)發(fā)電子系統(tǒng)和高壓液氧碳捕獲子系統(tǒng);其中所述LNG冷能空分制氧子系統(tǒng)包括多級(jí)壓縮機(jī)、低溫栗、第一換熱器、第一分流器和精餾塔;所述第一換熱器輸入端分別與多級(jí)壓縮機(jī)和低溫栗的輸出端相連，輸出端分別與精餾塔和所述第一分流器的輸入端相連;所述精餾塔的輸出端與高壓液氧碳捕獲子系統(tǒng)的第三換熱器相連;所述第一分流器輸出端分別接高壓燃?xì)夤芫W(wǎng)和富氧高壓加水燃燒循環(huán)發(fā)電子系統(tǒng)的反應(yīng)器；
[0006]其中，多級(jí)壓縮機(jī)用于產(chǎn)生高壓空氣，低溫栗用于將輸入的LNG加壓至高壓狀態(tài)；第一換熱器用于高壓空氣和高壓LNG換熱，將高壓LNG氣化為高壓天然氣，將高壓空氣液化；精餾塔用于將高壓空氣精餾分離為高壓液氧和高壓液氮，向第三換熱器供應(yīng)低溫高壓液氧;第一分流器用于將高壓天然氣分成兩路，一路供給高壓燃?xì)夤芫W(wǎng)，一路供給反應(yīng)器；
[0007]所述富氧高壓加水燃燒循環(huán)發(fā)電子系統(tǒng)，包括反應(yīng)器、第一透平機(jī)、第二換熱器、冷凝器、分離器、第二分流器和水栗;反應(yīng)器與第一分流器、第二換熱器和高壓液氧碳捕獲子系統(tǒng)的第三換熱器的輸出端相連，分別用于獲取高壓天然氣、高壓水蒸氣和高壓氧氣;反應(yīng)器輸出端經(jīng)第一透平機(jī)與第二換熱器的輸入端相連，用于將反應(yīng)器生成的二氧化碳和水蒸氣高壓混合物膨脹做功，隨后送入第二換熱器;所述第二換熱器輸入端還與水栗的輸出端相連，實(shí)現(xiàn)經(jīng)第一透平機(jī)膨脹做功后的二氧化碳和水蒸氣混合物與水栗輸入的高壓水換熱;第二換熱器輸出端分別與反應(yīng)器和冷凝器的輸入端相連;冷凝器輸出端與分離器輸入端相連，用于將第二換熱器送來(lái)的二氧化碳和水蒸氣混合物冷凝;所述分離器輸出端分別與第三換熱器和第二分流器輸入端相連，用于實(shí)現(xiàn)水和二氧化碳的分離;所述第二分流器的兩個(gè)輸出端分別與水栗和排水管路相連，用于將一部分水回送至水栗進(jìn)行循環(huán)利用，一部分水向外排出；
[0008]所述高壓液氧碳捕獲子系統(tǒng)包括第三換熱器，其輸入端分別與精餾塔和分離器的輸出端相連，輸出端分別與反應(yīng)器的輸入端和CO2回收管路相連，用于將所述精餾塔分離出的低溫高壓液氧與分離器分離出的氣態(tài)二氧化碳換熱，將氣態(tài)二氧化碳液化冷凝回收，完成碳捕獲過(guò)程；同時(shí)，將高壓液氧氣化為高壓氧氣，送入富氧高壓加水燃燒循環(huán)發(fā)電子系統(tǒng)中的反應(yīng)器參與高壓燃燒反應(yīng)；
[0009]工作中，輸入的LNG在LNG冷能空分制氧子系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)冷能置換，將高壓空氣冷凝為低溫高壓液態(tài)空氣，隨后低溫高壓液態(tài)空氣在精餾塔中分離出高壓液氧和高壓液氮，實(shí)現(xiàn)了利用LNG冷能的空分制氧過(guò)程;所述高壓液氧送入高壓液氧碳捕獲子系統(tǒng)，換熱成為高壓氣態(tài)氧氣送入反應(yīng)器，同時(shí)其冷能將富氧高壓加水燃燒循環(huán)發(fā)電子系統(tǒng)產(chǎn)生的二氧化碳冷凝液化，完成碳捕獲過(guò)程。
[0010]進(jìn)一步的，天然氣富氧燃燒電廠集成系統(tǒng)還包括高壓液氮再循環(huán)制氧子系統(tǒng)，其包括第四換熱器、第五換熱器、第二透平機(jī)、第六換熱器和第三透平機(jī);所述第四換熱器輸入端分別與多級(jí)壓縮機(jī)和第六換熱器的輸出端相連，輸出端分別與第五換熱器輸入端和氮?dú)馀欧殴芟噙B;第五換熱器輸入端還與精餾塔輸出端相連，輸出端分別與第二透平機(jī)和第三透平機(jī)相連;第二透平機(jī)和第三透平機(jī)輸出端均與第六換熱器相連;第六換熱器輸出端分別與第四換熱器和精餾塔的輸入端相連；
[0011]工作時(shí)，多級(jí)壓縮機(jī)產(chǎn)生的高壓空氣經(jīng)過(guò)第四換熱器和第五換熱器換熱，通過(guò)第二透平機(jī)膨脹做功后，壓力有所降低的高壓空氣再經(jīng)過(guò)第六換熱器換熱，冷凝為高壓液態(tài)空氣，輸入LNG冷能空分制氧子系統(tǒng)的精餾塔;所述精餾塔分離出來(lái)的高壓液氮經(jīng)過(guò)第五換熱器為所述高壓空氣提供冷量，再由第三透平機(jī)膨脹做功，降溫降壓后依次送入第六換熱器和第四換熱器為所述高壓空氣提供冷量，實(shí)現(xiàn)高壓液氮再循環(huán)制氧過(guò)程，高壓液氮冷能和壓力能得到充分利用。
[0012]進(jìn)一步的，所述天然氣富氧燃燒電廠集成系統(tǒng)，系統(tǒng)中各管路的壓力以保持管路中流體正常流動(dòng)為下限。
[0013]進(jìn)一步的，所述天然氣富氧燃燒電廠集成系統(tǒng)，從多級(jí)壓縮機(jī)末端出口，經(jīng)第四換熱器、第五換熱器至第二透平機(jī)入口的這一區(qū)段，高壓空氣的壓力范圍為80-150bar。
[0014]進(jìn)一步的，所述天然氣富氧燃燒電廠集成系統(tǒng)，LNG冷能空分制氧子系統(tǒng)至反應(yīng)器區(qū)段、高壓液氧碳捕獲子系統(tǒng)的液氧氣化至反應(yīng)器區(qū)段，以及從第二透平機(jī)出口經(jīng)第六換熱器、精餾塔、第五換熱器至第三透平機(jī)入口區(qū)段，和從水栗出口經(jīng)第二換熱器、反應(yīng)器至第一透平機(jī)入口區(qū)段，這些區(qū)段內(nèi)的流體壓力范圍為30-100bar。
[0015]進(jìn)一步的，所述天然氣富氧燃燒電廠集成系統(tǒng)，從第一透平機(jī)出口經(jīng)第二換熱器、冷凝器、分離器至第三換熱器區(qū)段，以及分離器經(jīng)第二分流器至水栗入口的區(qū)段，壓力為Ibar左右。此壓力與常規(guī)電廠汽輪機(jī)出口壓力的0.04bar左右相比，壓力提高了許多，乏汽中水蒸氣的露點(diǎn)溫度也由35°C左右提高到100°C左右;所以在第二換熱器的回?zé)徇^(guò)程中，乏汽中水蒸氣的很大一部分潛熱可以回收，有效地提高系統(tǒng)發(fā)電效率。
[0016]進(jìn)一步的，所述天然氣富氧燃燒電廠集成系統(tǒng)，從第三透平機(jī)出口經(jīng)第六換熱器至第四換熱器出口區(qū)段，壓力范圍為0.01-lbar。
[0017]本發(fā)明的技術(shù)效果:
[0018]1.本發(fā)明將LNG冷能應(yīng)用于空分制氧過(guò)程，為天然氣富氧燃燒電廠集成系統(tǒng)提供氧氣，取代了常規(guī)用電空分制氧的方式，高效利用LNG冷能的同時(shí)，有效地提高了電廠發(fā)電效率；
[0019]2.利用LNG冷能所制取的低溫高壓液氧中含有大量的冷能，這部分冷能又巧妙地用于碳捕獲過(guò)程，填補(bǔ)了碳捕獲過(guò)程所需要的額外冷能，有效地提高了系統(tǒng)發(fā)電效率；
[0020]LNG冷能先用于空分制氧過(guò)程，所得到的低溫高壓液氧又將冷能傳遞到碳捕獲過(guò)程，這種冷能連續(xù)傳遞利用的方式同時(shí)解決了富氧燃燒電廠空分制氧能耗高，碳捕獲成本大的兩大難題。
[0021 ] 3.利用LNG冷能所制取的低溫高壓液氮中同樣含有大量的冷能，所制取的低溫高壓液氮再用于空氣液化冷凝過(guò)程，通過(guò)第四換熱器、第五換熱器、第六換熱器和第三透平機(jī)分別將低溫高壓液氮中的低溫冷能和壓力能進(jìn)行了充分利用，有效地降低了空分制氧過(guò)程的能耗；
[0022]4.通過(guò)改變系統(tǒng)LNG的輸入量，可以根據(jù)需要改變LNG冷能空分制氧子系統(tǒng)的空分制氧量，燃燒所需氧氣不足的部分可由高壓液氮再循環(huán)制氧子系統(tǒng)制取;這種靈活分配的方式可以保證優(yōu)先利用既有的LNG冷能，從而盡量減少額外能量的消耗。
[0023]5.進(jìn)入反應(yīng)器的天然氣、氧氣和水蒸氣均是由高壓液相直接氣化而得到的高壓氣體，高壓氣體直接進(jìn)入反應(yīng)器進(jìn)行高壓燃燒，充分利用上游子系統(tǒng)高壓液相的壓力能，減少過(guò)程中的壓力能損失。
[0024]6.第一透平機(jī)的出口壓力為I bar左右，與常規(guī)電廠汽輪機(jī)出口壓力的0.04bar左右相比，壓力提高了很多，乏汽中水蒸氣的露點(diǎn)溫度也由35°C左右提高