專利名稱：：利用液氫冷的二氧化碳零排放的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種利用液氫(LH2)冷傭進(jìn)行發(fā)電技術(shù)和二氧化碳(C02)減排技術(shù)相結(jié)合的Bmyton(布雷頓)循環(huán)系統(tǒng)及流程。
背景技術(shù)：
：目前與本發(fā)明相關(guān)的技術(shù)主要包括利用低溫液態(tài)燃料(LNG、LH2等)冷傭發(fā)電技術(shù)和C02減排技術(shù)，其各自技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r和系統(tǒng)特征如下1、利用低溫液態(tài)燃料冷傭發(fā)電技術(shù)與傳統(tǒng)的化石燃料(煤炭、石油等)相比，天然氣、氫氣等氣態(tài)燃料具有高能、清潔的優(yōu)點(diǎn)?；谶h(yuǎn)程運(yùn)輸、儲(chǔ)存的考慮，氣態(tài)燃料在由產(chǎn)地向遠(yuǎn)程用戶輸送前多被加壓液化為液態(tài)燃料，如液化天然氣(LNG)、液氫(LH2)等。過程中大量的能量被消耗用于氣體的壓縮冷卻(約為0.5kWh/kg.LNG，5~10kWh/kg'LH2)，最終得到的液態(tài)燃料均處于超低溫狀態(tài)(LNG約為一162°C、LH2約為一253'C)，具有相當(dāng)大的物理冷傭。液態(tài)燃料在送達(dá)接收站后，先壓縮升壓再加熱氣化配送用戶，氣化過程將釋放大量的冷擁。低溫液態(tài)燃料氣化方式主要有三種以海水或空氣為熱源通過換熱器加熱氣化；浸沒燃燒氣化器加熱氣化；通過換熱器對液態(tài)燃料低溫冷傭進(jìn)行回收利用。需要指出的是，前兩種方式都沒有利用液態(tài)燃料的低溫冷傭，而且用海水來作為氣化熱源不利于海洋生態(tài)。目前，低溫液態(tài)燃料冷傭已成功應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，如液化分離空氣、冷傭發(fā)電、冷凍倉庫、液化碳酸和干冰生產(chǎn)、低溫粉碎處理廢棄物及低溫醫(yī)療等。利用低溫液態(tài)燃料(LNG、LH2等)冷擁發(fā)電可以分為兩大類1)以低溫液態(tài)燃料為冷源、環(huán)境或低溫廢熱為熱源組成相對獨(dú)立的發(fā)電系統(tǒng)；2)利用低溫液態(tài)燃料冷擁改進(jìn)動(dòng)力循環(huán)的特性。利用低溫液態(tài)燃料氣化冷傭的獨(dú)立發(fā)電方式主要有直接膨脹法，閉式Rankine循環(huán)法及復(fù)合法等。直接膨脹法將高壓LNG或LH2用海水加熱到過熱狀態(tài)后送入透平膨脹作功，然后將得到的低壓氣態(tài)燃料(天然氣或氫氣)輸送到用戶。該方式的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)簡單。但是僅僅回收了高壓氣態(tài)燃料的壓力能，氣化冷傭被白白浪費(fèi)。閉式Rankine循環(huán)法是將低溫液態(tài)燃料作為冷源，環(huán)境(通常是海水)作為熱源，采用某種物質(zhì)為工質(zhì)組成閉式循環(huán)，該方法的冷傭回收率較高。復(fù)合法綜合了直接膨脹法和閉式Rankine循環(huán)法，低溫液態(tài)燃料首先被壓縮增壓，然后通過冷凝器吸熱，帶動(dòng)閉式Rankine循環(huán)對外作功，最后高壓氣體通過膨脹透平作功，其冷湘回收率較高。利用低溫液態(tài)燃料冷傭改進(jìn)動(dòng)力循環(huán)特性最簡單的方式是利用其冷能冷卻循環(huán)水，以提高凝汽器的真空，從而提高蒸汽動(dòng)力循環(huán)或聯(lián)合循環(huán)的效率。該方式具有技術(shù)成熟、附加投資少的優(yōu)點(diǎn)，而且在沒有低溫液態(tài)燃料的條件下系統(tǒng)可以繼續(xù)運(yùn)行。但是對低溫冷擁利用不充分，聯(lián)合循環(huán)效率提高幅度小。利用低溫液態(tài)燃料冷擁改進(jìn)動(dòng)力循環(huán)特性的其它常見方式還包括:利用低溫液態(tài)燃料氣化冷傭冷卻燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)壓氣機(jī)進(jìn)氣等。但是由于液氫(LH2)溫度極低(約-253"C)，因此若直接用其冷卻燃機(jī)進(jìn)氣，會(huì)存在加大換熱溫差，從而造成LH2冷傭大幅損失。基于此，Bisio等在1995年提出了一個(gè)利用LH2冷擁的氦工質(zhì)燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)。該系統(tǒng)中底循環(huán)為氦工質(zhì)Brayton循環(huán)，頂循環(huán)為常規(guī)燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)，底循環(huán)以頂循環(huán)排煙為熱源，利用LH2氣化過程產(chǎn)生的低溫(50K)冷源，該循環(huán)的總能效率可以達(dá)到74%。但是，該系統(tǒng)仍未實(shí)現(xiàn)對LH2冷傭較為充分的利用，LH2離開系統(tǒng)時(shí)仍具有-153。C的低溫，需要采用海水或空氣熱源對其進(jìn)行進(jìn)一步的氣化加熱。2.二氧化碳(C02)減排分離技術(shù)當(dāng)今世界，溫室效應(yīng)引起的全球氣候變暖已經(jīng)引起各國廣泛的重視。導(dǎo)致溫室效應(yīng)的溫室氣體主要有二氧化碳、甲烷、氟化物和一氧化二氮等。而燃用化石燃料則是導(dǎo)致大氣中C02平衡破壞的根本原因?；剂系闹饕梅绞街皇前l(fā)電，國際能源署(正A)在2002年度《國際能源展望》中指出從2000年至2030年，發(fā)電部門差不多將占全球二氧化碳排放增加量的一半。因此，如何降低發(fā)電系統(tǒng)C02排放水平已成為關(guān)注的焦點(diǎn)。提高系統(tǒng)效率可以相應(yīng)減少單位發(fā)電的C02排放量，但是難以實(shí)現(xiàn)大幅減排。因此，開發(fā)在燃料轉(zhuǎn)化、燃燒過程以及從尾氣中減排分離C02的技術(shù)將成為今后發(fā)展的主要方向。目前，分離C02的技術(shù)大體可以分為三類(1)從燃燒后的煙氣中分離。該方法主要用作對現(xiàn)有發(fā)電系統(tǒng)的C02分離減排措施。在保持原有的發(fā)電系統(tǒng)基本不變的情況下，可以采用吸收法、吸附法、膜分離及深冷分離等傳統(tǒng)技術(shù)分離回收C02。但是煙氣中C02濃度低，因此該分離過程伴隨大量的耗功、耗熱，使系統(tǒng)效率降低約5%，輸出功率降低約10%。(2)CVC02循環(huán)系統(tǒng)。該系統(tǒng)是基于C02零排放的動(dòng)力系統(tǒng)。其特點(diǎn)在于以C02為循環(huán)工質(zhì)、02(通過空分裝置制得)為燃料的氧化劑；當(dāng)C02冷凝壓力為67MPa(相應(yīng)的冷凝溫度為2030。C)，循環(huán)效率可以達(dá)到3549%。StaicoviciMD.于2002年在相關(guān)研究中，將熱吸收制冷技術(shù)應(yīng)用于02/0)2循環(huán)，使得C02的冷凝溫度降至環(huán)境溫度以下(3MPa，5.5°C)，循環(huán)效率達(dá)到54%。(3)天然氣重整與聯(lián)合循環(huán)結(jié)合的系統(tǒng)。首先對天然氣進(jìn)行重整，得到CO和H2，然后通過轉(zhuǎn)化反應(yīng)使CO轉(zhuǎn)化為C02，再將C02分離出來予以回收。得到的富氫燃料通過燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)發(fā)電。1989年，日本中央電力公司利用LNG冷傭?qū)l(fā)電系統(tǒng)分離出的C02進(jìn)行液化后回收。1998年，日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)(NEDO)的報(bào)告對從混合氣體中分離C02進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得到了-55X:至(TC之間的壓力和濃度的氣液平衡曲線，對利用LNG冷傭從混合氣體中分離C02的技術(shù)進(jìn)行了研究。2005年，鄧世敏等提出了利用液化天然氣(LNG)冷傭分離C02的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)及流程(專利號ZL02107780.0)。該循環(huán)采用氮?dú)夤べ|(zhì)，氮?dú)馀c空氣的混合氣體被LNG冷卻后送入壓氣機(jī)，燃?xì)馔钙脚艢馔ㄟ^LNG氣化單元實(shí)現(xiàn)放熱過程，C02和H20分別冷凝為固體和液體后加以分離回收，然后連同多余氮?dú)獗慌懦鱿到y(tǒng)。該循環(huán)的特點(diǎn)是避免了空分耗能，將對LNG冷傭的利用與無功耗分離C02結(jié)合起來。其系統(tǒng)效率相對于已有的LNG冷畑發(fā)電系統(tǒng)提高了10至15個(gè)百分點(diǎn)。但是該循環(huán)只能分離回收約80%由燃燒過程產(chǎn)生的C02，尚未實(shí)現(xiàn)C02零排放?？梢姡瑹o論是在燃料的轉(zhuǎn)化過程中還是從燃燒后的煙氣中分離C02，都要消耗額外的能量，從而使系統(tǒng)效率明顯下降。目前的技術(shù)水平下，co2分離過程通常會(huì)使系統(tǒng)效率下降510%。從理論上說，解決C02問題的最佳方法是采用無碳清潔燃料，可以從根本上杜絕C02的產(chǎn)生。最典型的方案就是由中、美、日三國學(xué)者在20世紀(jì)90年代提出的氫氧聯(lián)合循環(huán)。該循環(huán)以H2作為燃料，將之與02按摩爾比2:1混合進(jìn)行完全燃燒得到水蒸氣作為工質(zhì)。在高溫區(qū)相當(dāng)于有一個(gè)內(nèi)燃Brayton循環(huán)，但在低溫區(qū)因工質(zhì)為水，還可以在常溫下進(jìn)行冷凝而相當(dāng)于Rankine循環(huán)。這樣，頂?shù)籽h(huán)渾然一體，沒有一般聯(lián)合循環(huán)的高、低溫區(qū)間傳遞的熱損失。從環(huán)保性能看，氫氣和氧氣完全反應(yīng)只生成水，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的C02零排放，不會(huì)給大氣和環(huán)境帶來任何污染。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的之一是利用低溫液氫(LH2)的冷傭，大幅提高動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)的性能。采用內(nèi)燃、半閉式、回?zé)酈rayton循環(huán)，以氮?dú)庾鳛檠h(huán)工質(zhì)。通過與LH2氣化過程的整合，利用LH2低溫冷能對壓氣機(jī)入口工質(zhì)進(jìn)行冷卻，從而節(jié)省了壓縮耗功、提高了循環(huán)溫比，為高效利用LH2冷傭開拓了新的方向。本發(fā)明的另一個(gè)目的就是實(shí)現(xiàn)C02零排放。Brayton循環(huán)以氮?dú)鉃檠h(huán)工質(zhì)，以LH2氣化得到的H2作為燃料與空氣混合燃燒，燃燒產(chǎn)物只包括EbO、N2和微量02,實(shí)現(xiàn)了無碳燃燒，從而在無需額外耗能的前提下實(shí)現(xiàn)了C02零排放。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種利用液氫(LH2)冷傭的二氧化碳(C02)零排放的Brayton循環(huán)系統(tǒng)，包括由以氮?dú)鉃檠h(huán)工質(zhì)的半閉式、回?zé)酈rayton循環(huán)及LH2氣化系統(tǒng)，主要設(shè)備包括LH2增壓泵對低壓LH2進(jìn)行壓縮升壓，連接LH2氣化器；LH2氣化器將LH2加熱氣化并對壓氣機(jī)進(jìn)氣進(jìn)行冷卻，連接LH2增壓泵和換熱器；壓氣機(jī)將氮?dú)饧翱諝獾幕旌蠚怏w升壓至Brayton循環(huán)的最高壓力，連接LH2氣化器和回?zé)崞鳎蝗紵沂箽錃夂脱鯕獍l(fā)生燃燒反應(yīng)，得到高溫氣體，連接回?zé)崞骱腿細(xì)馔钙?；燃?xì)馔钙绞垢邷厝細(xì)馀蛎涀龉?，連接燃燒室和回?zé)崞?；回?zé)崞鲗簹鈾C(jī)出口氣體進(jìn)行加熱并冷卻透平排氣，熱側(cè)分別連接燃?xì)馔钙胶蛽Q熱器，冷側(cè)分別連接壓氣機(jī)和燃燒室；換熱器將LH2加熱氣化為接近常溫的氫氣，同時(shí)冷卻透平排氣，連接回?zé)崞骱头炙?；分水?將冷凝水自透平排氣中分離排出系統(tǒng)，連接換熱器和分流器；混合器將氮?dú)馀c空氣混合作為循環(huán)基本工質(zhì)，連接分流器和LH2氣化器；分流器對循環(huán)物流進(jìn)行質(zhì)量分流，連接分水器和混合器，或連接換熱器和燃燒器；發(fā)電機(jī)發(fā)電設(shè)備，連接燃?xì)馔钙健Ｉ鲜龈髟O(shè)備之間的連接均為通常采用的管道連接。本發(fā)明提供的一種利用液氫(LH2)冷傭的二氧化碳零排放的Brayton循環(huán)系統(tǒng)的流程，其主要為液氫(LH2)氣化單元中，LH2經(jīng)增壓泵升至超臨界蒸發(fā)壓力，再依次經(jīng)LH2氣化器、換熱器被工質(zhì)加熱氣化為接近常溫的氫氣，少部分作為燃料送入燃燒室，絕大部分送往外網(wǎng)用戶。Bmyton循環(huán)中，空氣與氮?dú)庠诨旌掀髦谢旌虾蠼?jīng)LH2氣化器被冷卻至循環(huán)最低溫度，再經(jīng)壓氣機(jī)升至Brayton循環(huán)最高壓力，經(jīng)回?zé)崞鞅煌钙脚艢忸A(yù)熱后送入燃燒室與來自LH2氣化單元的氫氣混合發(fā)生完全燃燒反應(yīng)，生成的高溫燃?xì)馑腿胪钙脚蛎涀鞴?；透平排氣依次?jīng)回?zé)崞骱蛽Q熱器冷卻，冷凝水被回收，多余的氮?dú)庠诮咏h(huán)境溫度下被排出，其余氮?dú)庾鳛檠h(huán)基本工質(zhì)與空氣混合，重新開始循環(huán)。本發(fā)明流程中，當(dāng)LH2為低壓力時(shí)先經(jīng)過LH2增壓泵升至超臨界壓力，然后在LH2氣化器中加熱氣化。本發(fā)明流程中，采用半閉式內(nèi)燃、回?zé)酈rayton循環(huán)；以氮?dú)鉃檠h(huán)工質(zhì)，氫氣為燃料，空氣作為燃燒反應(yīng)氧化劑。本發(fā)明流程中，Bmyton循環(huán)中，氮?dú)馀c燃燒所需理論空氣量首先混合經(jīng)LH2氣化器冷卻后再送入壓氣機(jī)，從而減少壓縮耗功、提高循環(huán)溫比。本發(fā)明流程中，壓氣機(jī)壓縮后的氣體經(jīng)回?zé)崞鞅蝗細(xì)馔钙脚艢饧訜岷笏腿肴紵摇１景l(fā)明流程中，以惰性氣體一氮?dú)?N2)作為Brayton循環(huán)工質(zhì)，從而避免了H2燃燒過程，以及H2泄漏可能帶來的安全問題。本發(fā)明流程中，為防止純氮?dú)庠诟邷叵聦Σ牧系膿p害，氮?dú)庋h(huán)工質(zhì)中保持0.5%的氧氣含量。本發(fā)明流程中，燃燒反應(yīng)的產(chǎn)物只包括H20、N2和少量02，無任何對環(huán)境有害的污染物生成。本發(fā)明流程中，燃燒產(chǎn)物中的H20經(jīng)LH2氣化系統(tǒng)冷凝析出，多余氮?dú)?由空氣帶入)被排出系統(tǒng)。本發(fā)明流程中，由系統(tǒng)排出的氮?dú)饧兌雀哌_(dá)99.5%，含氧量0.5。X。本發(fā)明在燃?xì)馔钙匠鯗?30(TC、壓氣機(jī)壓比為10的條件下，系統(tǒng)總能(發(fā)電)效率達(dá)到78.9%，傭效率達(dá)到52.1%;無C02產(chǎn)生；系統(tǒng)中利用的LH2冷傭相當(dāng)于使系統(tǒng)凈輸出功增加了53.8%。本發(fā)明通過系統(tǒng)集成把熱力循環(huán)、LH2冷傭一體化利用和C02零排放有機(jī)結(jié)合為一個(gè)整體，實(shí)現(xiàn)了熱力循環(huán)(動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng))的高效性和優(yōu)秀的環(huán)保性能；同時(shí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單，運(yùn)行可靠安全；此外，半閉式回?zé)嵫h(huán)發(fā)電系統(tǒng)不消耗水，對于缺水地區(qū)來說，大大提高了工程應(yīng)用的范圍；氫氣燃燒過程產(chǎn)生的水還可以回收，這對于未來日益緊張的淡水資源形式，無疑是很有吸引力的動(dòng)力系統(tǒng)?？梢?，整個(gè)循環(huán)是一個(gè)符合能源有效綜合利用、可持續(xù)發(fā)展原則的極具吸引力的新型動(dòng)力系統(tǒng)。本發(fā)明的系統(tǒng)采用內(nèi)燃方式，可以充分利用現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)高初溫的優(yōu)勢，而且釆用回?zé)峥梢蕴岣哐h(huán)的平均吸熱溫度，為其高效性提供了保證;以潔凈的氫氣(LH2氣化得到)為燃料，以氮?dú)鉃楣べ|(zhì)，可以用LH2對透平排氣直接冷卻，為采用半閉式燃?xì)廨啓C(jī)單循環(huán)提供了條件。與現(xiàn)有利用低溫液態(tài)燃料冷擁的動(dòng)力系統(tǒng)相比，本發(fā)明的發(fā)電系統(tǒng)效率更高，系統(tǒng)更簡單。與傳統(tǒng)的回?zé)崛細(xì)廨啓C(jī)循環(huán)相比，本循環(huán)將LH2氣化系統(tǒng)與動(dòng)力循環(huán)整合，使壓氣機(jī)入口的工質(zhì)被冷卻，提高了循環(huán)的溫比、節(jié)省了壓縮耗功；同時(shí)還使LH2得以氣化，因此具有一舉兩得的作用。與傳統(tǒng)的回?zé)酈rayton循環(huán)不同，本發(fā)明采用半閉式循環(huán)。循環(huán)工質(zhì)與燃燒所需的理論空氣量(為維持壓氣機(jī)入口氧氣成分穩(wěn)定有少量的過?？諝?混合并經(jīng)LH2冷卻后送入壓氣機(jī)，在燃燒室加入天然氣燃料，燃燒反應(yīng)的生成物中，水通過冷凝液化分離，多余的氮?dú)庠诮咏貢r(shí)被排除系統(tǒng)，以保持系統(tǒng)的工質(zhì)平衡。在LH2氣化器中被冷卻的工質(zhì)主要是氮?dú)?，從而保證了LH2氣化器的安全運(yùn)行；為防止純氮?dú)鈱Σ牧系膿p害，在被冷卻的工質(zhì)中有微量的氧氣；在接近常溫下排放氮?dú)獾耐瑫r(shí)，一部分氧氣也被排除系統(tǒng)，同時(shí)保持循環(huán)工質(zhì)中氧氣的含量為0.5%。氫氣燃燒產(chǎn)生的水蒸汽在LH2氣化過程中被凝結(jié)析出，在此過程中不僅可以實(shí)現(xiàn)對水的回收，而且空氣中的堿性成分可以被排除，避免了其在系統(tǒng)內(nèi)的積聚。從系統(tǒng)排除的多余氮?dú)饧兌冗_(dá)到99.5%，含氧量約為0.5%，可以作為其它工業(yè)過程的工藝用氣。與分離C02的o2/co2的循環(huán)系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)不需要制造氧氣的空氣分離裝置，避免了因制造氧氣帶來的廠用電率上升的缺點(diǎn)。本發(fā)明利用理論空氣量燃燒方式和氮?dú)庋h(huán)工質(zhì)，使燃燒產(chǎn)物的主要成分為氮?dú)夂虷20，便于利用冷傭進(jìn)行分離。目前分離co2的技術(shù)都伴隨著大量能耗，使系統(tǒng)效率不可避免的出現(xiàn)較大幅度的降低。本系統(tǒng)中以氫氣作為燃料，以空氣為氧化劑，燃燒產(chǎn)物只包括H20和N2及微量的02，在無需額外耗功的前提下從根本上杜絕了包括C02在內(nèi)的各種對環(huán)境有害排放的產(chǎn)生，這是本發(fā)明的一大特點(diǎn)。本發(fā)明的提出，基于能量的品位梯級利用原理和系統(tǒng)集成方法論，采用內(nèi)燃、回?zé)帷⒏邷乇菳rayton循環(huán)，采用氫氣燃料與空氣完全燃燒方式，燃燒產(chǎn)物主要包括氮?dú)夂虷20。循環(huán)以氮?dú)鉃楣べ|(zhì)，在不消耗額外的能量的前提下，通過與LH2氣化系統(tǒng)的整合，直接利用LH2低溫冷炳對壓氣機(jī)進(jìn)氣進(jìn)行冷卻，節(jié)省了壓縮耗功，提高了循環(huán)溫比，實(shí)現(xiàn)了C02的零排放。因此，該系統(tǒng)具有系統(tǒng)簡單、熱力性能優(yōu)秀、經(jīng)濟(jì)性好和環(huán)保性強(qiáng)等顯著優(yōu)點(diǎn)。下面將結(jié)合相應(yīng)附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述。圖1為根據(jù)本發(fā)明的利用液氫(LH2)冷傭的二氧化碳(C02)零排放的Brayton循環(huán)系統(tǒng)流程圖。具體實(shí)施例方式參看圖1，本發(fā)明的主要部分為由以N2為循環(huán)工質(zhì)的半閉式、回?zé)酈rayton循環(huán)及液氫(LH2)氣化單元。該循環(huán)中l(wèi)一混合器；2—LH2氣化器；3—壓氣機(jī)；4一回?zé)崞鳎?—燃燒室；6—燃?xì)馔钙剑?—發(fā)電機(jī)；8—換熱器；9—分水器；IO—分流器；11一LH2增壓泵。上述系統(tǒng)中的連接為公知技術(shù)，本發(fā)明在此不作具體描述。系統(tǒng)流程描述Brayton循環(huán)中，空氣(Sl)與氮?dú)?S2，含少量02)在混合器1中混合后經(jīng)LH2氣化器2放熱并被LH2冷卻至循環(huán)最低溫度(S4);然后送入壓氣機(jī)3升壓至Brayton循環(huán)最高壓力(S5)，經(jīng)回?zé)崞?被透平排氣(S8)預(yù)熱后送入燃燒室5;混合氣體(S6)在燃燒室中與來自LHb氣化單元的氫氣燃料(S18)混合、發(fā)生完全燃燒反應(yīng)，生成的高溫燃?xì)?S7)包括水蒸汽和氮?dú)獗凰腿胪钙?膨脹作功并通過發(fā)電機(jī)7實(shí)現(xiàn)作功輸出；透平排氣(S8)依次經(jīng)回?zé)崞?和換熱器8放熱冷卻至環(huán)境溫度(S10)后，經(jīng)分水器9將冷凝水(S11)排出，隨空氣(S1)帶入系統(tǒng)的氮?dú)?S12，含少量02)經(jīng)分流器IO排出，其余氮?dú)?S2)作為循環(huán)基本工質(zhì)送回混合器1與空氣(Sl)混合重新開始循環(huán)。LH2氣化單元中，LH2(S14)經(jīng)增壓泵11升至高壓蒸發(fā)壓力(S15)，然后依次經(jīng)LH2氣化器2、換熱器8分別被壓氣機(jī)進(jìn)氣(S3)和透平排氣(S9)加熱氣化為常溫氫氣(S17)，其中除少部分作為燃料(S18)送入燃燒室5外，絕大部分(S19)送往外網(wǎng)用戶。本發(fā)明的系統(tǒng)的平衡工況性能參數(shù)見表l。有關(guān)條件為系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀況下，壓氣機(jī)等熵效率為87%;燃燒室燃燒效率為100%，壓損為3%;燃?xì)馔钙降褥匦蕿?0%，透平進(jìn)氣溫度1300°C;回?zé)崞骷皳Q熱器最小傳熱溫差均為15。C;LH2氣化器最小傳熱溫差為2(TC;回?zé)嵯到y(tǒng)(回?zé)崞?、換熱器)壓損為3%;LH2氣化系統(tǒng)壓損為3%;LH2增壓泵效率為75%。在氫氣輸送壓力為10MPa時(shí)，壓氣機(jī)壓比為IO，送入燃燒室的氮?dú)夤べ|(zhì)溫度為698.5°C，LH2質(zhì)量流率為8.956kg/s的條件下，系統(tǒng)輸入的燃料能量為109.1MW,LH2冷擁為56MW(其中53.8%可用于產(chǎn)功發(fā)電)，機(jī)組凈輸出功率達(dá)到86.09MW，總能(發(fā)電)效率達(dá)到78.9%，擁效率達(dá)到52.1%。目前的發(fā)電系統(tǒng)中分離C02使系統(tǒng)效率降低510%。而本系統(tǒng)由于采用了系統(tǒng)集成、氫氧燃燒和氮?dú)庋h(huán)工質(zhì)，在實(shí)現(xiàn)包括C02在內(nèi)的所有污染零排放的同時(shí)，又完全避免了co2分離過程耗能對系統(tǒng)性能產(chǎn)生的不利影響。同時(shí)，在熱力參數(shù)(表l)，循環(huán)工質(zhì)流量及燃料輸入能量相同的條件下，與采用環(huán)境冷源的氮?dú)夤べ|(zhì)Brayton循環(huán)相比，本發(fā)明通過回收利用LH2冷傭使得凈輸出功和總能效率均相對增加了53.8%。因此本發(fā)明的系統(tǒng)在利用LH2冷傭提高系統(tǒng)效率和C02減排方面都取得了突破。本發(fā)明效率較高的根本原因在于利用冷卻使得壓氣機(jī)進(jìn)氣溫度大幅降低，使得壓縮耗功減少，循環(huán)溫比升高；采用內(nèi)燃、回?zé)岬腂myton循環(huán)，避免了外燃式透平初溫低的缺陷，也充分利用了回?zé)崽岣哐h(huán)平均吸熱溫度的優(yōu)勢；此外，以空氣作為燃燒氧化劑、氫氣作為燃料避免了空分過程耗能和CCb分離耗能。本發(fā)明的系統(tǒng)和流程可以回收氫氣燃燒生成的全部水，具有優(yōu)秀的環(huán)保性能和良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。本發(fā)明作為一個(gè)二氧化碳零排放的動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)，其流程簡單、運(yùn)行可靠性高，使用常規(guī)的動(dòng)力循環(huán)設(shè)備(燃?xì)廨啓C(jī)、壓縮裝置等)，不消耗水，在發(fā)電的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了C02零排放和對環(huán)境的零污染，因此具有廣闊的工程應(yīng)用前景。表1系統(tǒng)主要性能參數(shù)<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>表2.循環(huán)平衡工況狀態(tài)參數(shù)<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>注混合器入口N2工質(zhì)(流股2)質(zhì)量流率設(shè)為100kg/s<table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table>注燃料比率是指燃料氫氣占?xì)饣^程全部LH2的質(zhì)量流率比例。表3中效率的計(jì)算公式總能效率=凈輸出功率/(H2燃料質(zhì)量流率xH2低位熱值)二凈輸出功率/燃料能輸入傭效率二凈輸出功率/(H2燃料質(zhì)量流率xH2低位熱值+LH2質(zhì)量流率xLH2單位冷傭)二凈輸出功率/(燃料能輸入+LH2冷傭輸入)權(quán)利要求1、一種利用液氫冷id="icf0001"file="A2008101047640002C1.tif"wi="4"he="4"top="30"left="75"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/>的二氧化碳零排放的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)，其包括由以氮?dú)鉃檠h(huán)工質(zhì)的半閉式、回?zé)酈rayton循環(huán)及液氫(LH2)氣化系統(tǒng)，主要設(shè)備包括LH2增壓泵對低壓LH2進(jìn)行壓縮升壓，連接LH2氣化器；LH2氣化器將LH2加熱氣化并對壓氣機(jī)進(jìn)氣進(jìn)行冷卻，連接LH2增壓泵和換熱器；壓氣機(jī)將氮?dú)饧翱諝獾幕旌蠚怏w升壓至Brayton循環(huán)的最高壓力，連接LH2氣化器和回?zé)崞鳎蝗紵沂箽錃夂脱鯕獍l(fā)生燃燒反應(yīng)，得到高溫氣體，連接回?zé)崞骱腿細(xì)馔钙?；燃?xì)馔钙绞垢邷厝細(xì)馀蛎涀龉ΓB接燃燒室和回?zé)崞?；回?zé)崞鲗簹鈾C(jī)出口氣體進(jìn)行加熱并冷卻透平排氣，熱側(cè)分別連接燃?xì)馔钙胶蛽Q熱器，冷側(cè)分別連接壓氣機(jī)和燃燒室；換熱器將LH2加熱氣化為接近常溫的氫氣，同時(shí)冷卻透平排氣，連接回?zé)崞骱头炙?；分水器將冷凝水自透平排氣中分離排出系統(tǒng)，連接換熱器和分流器；混合器將氮?dú)馀c空氣混合作為循環(huán)基本工質(zhì)，連接分流器和LH2氣化器；分流器對循環(huán)物流進(jìn)行質(zhì)量分流，連接分水器和混合器，或連接換熱器和燃燒器；發(fā)電機(jī)發(fā)電設(shè)備，連接燃?xì)馔钙健?、一種利用液氫(LH2)冷傭的二氧化碳(C02)零排放的熱力循環(huán)系統(tǒng)的流程，其主要為液氫(LH2)氣化單元中，LH2經(jīng)增壓泵升至超臨界蒸發(fā)壓力，再依次經(jīng)LH2氣化器、換熱器被工質(zhì)加熱氣化為接近常溫的氫氣，部分作為燃料送入燃燒室，部分送往外網(wǎng)用戶；Bmyton循環(huán)中，空氣與氮?dú)庠诨旌掀髦谢旌虾蠼?jīng)LH2氣化器被冷卻至循環(huán)最低溫度，再經(jīng)壓氣機(jī)升至Brayton循環(huán)最高壓力，經(jīng)回?zé)崞鞅煌钙脚艢忸A(yù)熱后送入燃燒室與來自LH2氣化單元的氫氣混合發(fā)生完全燃燒反應(yīng)，生成的高溫燃?xì)馑腿胪钙脚蛎涀鞴?；透平排氣依次?jīng)回?zé)崞骱蛽Q熱器冷卻，冷凝水被回收，多余的氮?dú)庠诮咏h(huán)境溫度下被排出，其余氮?dú)庾鳛檠h(huán)基本工質(zhì)與空氣混合，重新開始循環(huán)。3、如權(quán)利要求2所述的流程，其特征在于當(dāng)LH2為低壓力時(shí)先經(jīng)過LH2增壓泵升至超臨界壓力，然后在LH2氣化器中加熱氣化。4、如權(quán)利要求2所述的流程，其特征在于采用半閉式內(nèi)燃、回?zé)酈rayton循環(huán)；以氮?dú)鉃檠h(huán)工質(zhì)，氫氣為燃料，空氣作為燃燒反應(yīng)氧化劑。5、如權(quán)利要求2所述的流程，其特征在于Bmyton循環(huán)中，氮?dú)馀c燃燒所需理論空氣量首先混合經(jīng)LH2氣化器冷卻后再送入壓氣機(jī)，從而減少壓縮耗功、提高循環(huán)溫比。6、如權(quán)利要求2所述的流程，其特征在于壓氣機(jī)壓縮后的氣體經(jīng)回?zé)崞鞅蝗細(xì)馔钙脚艢饧訜岷笏腿肴紵摇?、如權(quán)利要求2所述的流程，其特征在于以惰性氣體一氮?dú)庾鳛锽myton循環(huán)工質(zhì)。8、如權(quán)利要求2所述的流程，其特征在于氮?dú)庋h(huán)工質(zhì)中保持0.5Q/^的氧氣含量。9、如權(quán)利要求2所述的流程，其特征在于燃燒反應(yīng)的產(chǎn)物包括H20、N2和02。10、如權(quán)利要求2所述的流程，其特征在于燃燒產(chǎn)物中的1120經(jīng)LH2氣化系統(tǒng)冷凝析出，多余氮?dú)庥煽諝鈳氡慌懦鱿到y(tǒng)。全文摘要本發(fā)明涉及能源
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別是一種利用液氫(LH₂)冷的二氧化碳(CO₂)零排放的Brayton循環(huán)系統(tǒng)及流程。該系統(tǒng)由半閉式、回?zé)酈rayton循環(huán)和液氫(LH₂)氣化單元耦合而成，后者作為前者的低溫冷源，使其冷凝過程獲得遠(yuǎn)低于環(huán)境溫度的低溫，Brayton循環(huán)采用氮?dú)夤べ|(zhì)，氫氣燃料，燃燒過程無CO₂生成，從而在無需額外耗能的情況下實(shí)現(xiàn)了包括CO₂在內(nèi)的各種對環(huán)境有害污染的零排放。同時(shí)，相對于常規(guī)的以環(huán)境作為冷源的氮?dú)夤べ|(zhì)Brayton循環(huán)，本發(fā)明的熱力性能有了較大提高，因此具有良好的經(jīng)濟(jì)性和廣闊的工程應(yīng)用前景。文檔編號F02C7/22GK101566104SQ20081010476公開日2009年10月28日申請日期2008年4月23日優(yōu)先權(quán)日2008年4月23日發(fā)明者猛劉,娜張,諾姆·里奧申請人:中國科學(xué)院工程熱物理研究所