一种零碳排放的多级循环发电集成系统技术方案

本发明专利技术公开了一种零碳排放的多级循环发电集成系统。该系统包括了高温烟气一级循环发电系统和低沸点工质二级循环发电系统。在高温烟气一级循环发电系统中，LNG冷能和液氮冷能应用于压缩空气的预冷过程，从而降低空分制氧功耗。液氧冷能应用于燃烧烟气中CO2的冷凝回收，实现碳捕获的近零功耗过程。在低沸点工质二级循环发电系统中，以LNG作为冷源，环境和燃烧烟气余热作为热源，完成低沸点工质的朗肯循环发电过程，提高了低沸点工质二级循环发电系统的输出电效率。本发明专利技术以LNG的O2/H2O高压燃烧系统为依托，附加了低沸点工质二级循环发电系统，实现能量的梯级利用，在提高集成系统输出电效率的同时，实现系统碳的零排放。

Multi stage power generation integrated system with zero carbon emission

The invention discloses a multi cycle power generation integrated system with zero carbon emission. The system comprises a high temperature flue gas primary cycle power generation system and a low boiling point working medium two stage cycle power generation system. In the high temperature flue gas power generation system, LNG cold energy and liquid nitrogen cold energy can be used in the precooling process of compressed air. Liquid oxygen cold energy can be used in the recovery of CO2 from combustion flue gas to achieve near zero power consumption. In the low boiling point two cycle power generation system, using LNG as the cold source, the environment and the combustion gas as a heat source to complete the Rankine cycle power generation process of low boiling point refrigerants, improves the output power efficiency of low boiling refrigerant two cycle power generation system. The present invention uses O2/H2O high voltage LNG combustion system based on additional low boiling refrigerant two cycle power generation system, realize energy cascade utilization, improve integrated system output power efficiency at the same time, to achieve zero emissions of carbon system.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电力行业一种零碳排放的多级循环发电集成系统，具体涉及高温烟气一级循环发电系统和低沸点工质二级循环发电系统。
技术介绍
温室效应已经成为全球关注的焦点，大气中的CO2是对温室效应贡献最大的成分之一。碳捕获与封存技术(Carbon Capture and Storage，CCS)是目前公认最有前景的CO2减排手段之一。其中，富氧燃烧技术(O2/CO2)作为最易实现规模化碳捕获的技术之一，受到了广泛关注。与传统空气燃烧系统相比，O2/CO2系统增加了空分制氧过程和烟气压缩循环系统，从而导致系统输出电效率存在较大幅度的降低，约8-12个百分点。O2/H2O(oxy-steam)燃烧被认为可能是新一代的oxy-combustion燃烧方式。相比O2/CO2燃烧技术，O2/H2O燃烧具有以下优势：(1)取消了烟气循环系统，系统结构更紧凑；(2)工质完成循环的功耗降低了，因为循环H2O为液相加压，而循环CO2为气相加压过程；(3)以H2O为循环介质，机组启停更方便；(4)NOx和SOx排放量减少。若将O2/CO2燃烧电厂的中和介质替换为H2O，即采用O2/H2O燃烧技术，燃烧烟气中将近90％的成分均为水蒸气，其可以在环境条件下冷凝，实现与CO2的分离。在O2/H2O燃烧系统中，由于循环中CO2的含量少，LNG冷能及空分制氧过程所得液氧和液氮冷能的利用，使得集成系统的碳捕获和空分制氧过程功耗有所降低。此外，为避免对汽轮机造成损害，透平膨胀过程中不能出现液态，即燃烧烟气中的H2O气化潜热不能得到有效利用，这是导致系统发电效率不高的主要因素。
技术实现思路
本专利技术提供一种零碳排放的多级循环发电集成系统，以解决现有技术空分制氧和碳捕获能耗高、燃烧烟气潜热浪费严重、系统发电效率不高以及LNG冷能浪费严重的问题。通过对集成系统中LNG冷能、液氮冷能、液氧冷能、LNG化学能、烟气余热以及环境中的能量进行综合利用，降低系统功耗，提高集成系统的输出电效率，同时实现零碳排放。本专利技术提出的高温烟气一级循环发电系统，包括空气压缩机(a1)、第一换热器(a2)、精馏塔(a3)、液氧泵(a4)、第二换热器(a5)、第一空温器(a6)、第一LNG泵(a7)、第二空温器(a8)、燃烧器(a9)、第一透平机(a10)、第三换热器(a11)、循环水泵(a12)和气液分离器(a13)；所述第一换热器(a2)的输入端分别与空气压缩机(a1)、第一LNG泵(a7)的输出端以及精馏塔(a3)的液氮输出端相连；第一换热器(a2)的输出端分别与第二空温器(a8)的输入端、精馏塔(a3)的压缩空气输入端以及N2排放管路相连；所述精馏塔(a3)的液氧输出端还与液氧泵(a4)的输入端相连；所述第二换热器(a5)的输入端分别与液氧泵(a4)的输出端和气液分离器(a13)的气态CO2输出端相连，第二换热器(a5)的输出端分别与第一空温器(a6)的输入端和液态CO2收集管路相连；所述燃烧器(a9)的输入端分别与第一空温器(a6)、第二空温器(a8)和第三换热器(a11)的输出端相连，燃烧器(a9)的输出端与第一透平机(a10)的输入端相连；所述第三换热器(a11)的输入端分别与第一透平机(a10)和循环水泵(a12)的输出端相连，第三换热器(a11)的输出端还与所述低沸点工质二级循环发电系统的第六换热器(b8)的输入端相连；所述气液分离器(a13)的输入端与所述第六换热器(b8)的输出端相连，气液分离器(a13)的输出端分两路，一路与循环水泵(a12)的输入端相连，另一路连接排水管路；其中，空气压缩机(a1)用于供应一定压力的压缩空气，满足空分制氧的压力需求；第一换热器(a2)用于低温液氮和LNG与压缩空气换热，对压缩空气进行预冷处理；精馏塔(a3)用于将液态空气分离为液态氮气和液态氧气，分别送给第一换热器(a2)和液氧泵(a4)；液氧泵(a4)用于将液态氧气加压至所需压力后送入第二换热器(a5)；第二换热器(a5)用于液氧泵(a4)送来的液氧和气液分离器(a13)送来的气态CO2换热，将液氧气化送第一空温器(a6)，将气态CO2捕获回收，送入CO2储存装置完成碳捕获过程；第一空温器(a6)用于将气化后的氧气加热至接近环境温度，吸收环境热量以降低系统能耗；第一LNG泵(a7)用于将LNG加压至所需压力，输出满足燃烧器(a9)燃烧需求的LNG；第二空温器(a8)用于将气化后的天然气加热至接近环境温度，吸收环境热量以降低系统能耗；燃烧器(a9)用于完成天然气、氧气和H2O的燃烧反应，产生高压混合烟气用于做功；第一透平机(a10)用于输出热功；第三换热器(a11)用于乏汽和循环水换热，对进入燃烧器前的H2O进行预热，提高热能回收率；循环水泵(a12)用于将循环H2O加压至循环系统所需压力，满足燃烧器(a9)中的燃烧压力需求；气液分离器(a13)用于气态CO2和液态H2O的分离；工作中，第一换热器(a2)用于LNG、液氮和压缩空气换热，将LNG冷能和液氮冷能进行充分利用，从而达到降低空分制氧过程的压缩功耗的目的，对富氧燃烧系统实现节能减排，提高系统输出电效率具有重要的意义；第二换热器(a5)用于液氧和气态CO2换热，通过利用液氧的低温冷能，将气态CO2捕获回收，取代烟气压缩过程，降低了传统富氧燃烧碳捕获过程的功耗；流程中，LNG冷能和空气压缩机(a1)的部分电能转化为低温冷能储存于液态空气中，液态空气分离出的液氧和液氮均含有大量低温冷能，随后又将这部分冷能应用压缩空气的预冷及碳捕获过程，实现冷能的传递连续使用，在一定程度上提高了冷能的利用效率。进一步的，基于前述高温烟气一级循环发电系统，本专利技术还提出一种零碳排放的多级循环发电集成系统，还包括低沸点工质二级循环发电系统；其中，所述低沸点工质二级循环发电系统包括第二透平机(b1)、第四换热器(b2)、第五换热器(b3)、液体泵(b4)、第三空温器(b5)、第二LNG泵(b6)、第四空温器(b7)和第六换热器(b8)；所述第四换热器(b2)的输入端分别与第二透平机(b1)和液体泵(b4)的输出端相连，第四换热器(b2)的输出端分别与第五换热器(b3)和第三空温器(b5)的输入端相连；所述第五换热器(b3)的输入端还与第二LNG泵(b6)的输出端相连，第五换热器(b3)的输出端分别与第二LNG泵(b6)和第四空温器(b7)的输入端相连；所述第四空温器(b7)的输出端与输出燃气管道相连；所述第六换热器(b8)的输入端还与第三空温器(b5)的输出端相连，第六换热器(b8)的输出端还与第二透平机(b1)的输入端相连；其中，第二透平机(b1)用于高压循环低沸点工质输出热功；第四换热器(b2)用于高压低温液态低沸点循环工质与低压高温气态低沸点循环工质换热，对高压低温液态低沸点循环工质进行预热；第五换热器(b3)用于LNG和第四换热器(b2)输出的循环工质换热，将其冷凝液化；液体泵(b4)用于将第五换热器(b3)输出的低压低温液态低沸点循环工质加压至循环所需压力；第三空温器(b5)用于将第四换热器(b2)输出的另一路循环工质和环境换热，将其加热气化；第二LNG泵(b6)用于将LNG加压至所需压力；第四空温器(b7)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高温烟气一级循环发电系统，其特征在于，包括空气压缩机(a1)、第一换热器(a2)、精馏塔(a3)、液氧泵(a4)、第二换热器(a5)、第一空温器(a6)、第一LNG泵(a7)、第二空温器(a8)、燃烧器(a9)、第一透平机(a10)、第三换热器(a11)、循环水泵(a12)和气液分离器(a13)；所述第一换热器(a2)的输入端分别与空气压缩机(a1)、第一LNG泵(a7)的输出端以及精馏塔(a3)的液氮输出端相连；第一换热器(a2)的输出端分别与第二空温器(a8)的输入端、精馏塔(a3)的压缩空气输入端以及N2排放管路相连；所述精馏塔(a3)的液氧输出端还与液氧泵(a4)的输入端相连；所述第二换热器(a5)的输入端分别与液氧泵(a4)的输出端和气液分离器(a13)的气态CO2输出端相连，第二换热器(a5)的输出端分别与第一空温器(a6)的输入端和液态CO2收集管路相连；所述燃烧器(a9)的输入端分别与第一空温器(a6)、第二空温器(a8)和第三换热器(a11)的输出端相连，燃烧器(a9)的输出端与第一透平机(a10)的输入端相连；所述第三换热器(a11)的输入端分别与第一透平机(a10)和循环水泵(a12)的输出端相连，第三换热器(a11)的输出端还与所述低沸点工质二级循环发电系统的第六换热器(b8)的输入端相连；所述气液分离器(a13)的输入端与所述第六换热器(b8)的输出端相连，气液分离器(a13)的输出端分两路，一路与循环水泵(a12)的输入端相连，另一路连接排水管路；其中，空气压缩机(a1)用于供应一定压力的压缩空气，满足空分制氧的压力需求；第一换热器(a2)用于低温液氮和LNG与压缩空气换热，对压缩空气进行预冷处理；精馏塔(a3)用于将液态空气分离为液态氮气和液态氧气，分别送给第一换热器(a2)和液氧泵(a4)；液氧泵(a4)用于将液态氧气加压至所需压力后送入第二换热器(a5)；第二换热器(a5)用于液氧泵(a4)送来的液氧和气液分离器(a13)送来的气态CO2换热，将液氧气化送第一空温器(a6)，将气态CO2捕获回收，送入CO2储存装置完成碳捕获过程；第一空温器(a6)用于将气化后的氧气加热至接近环境温度，吸收环境热量以降低系统能耗；第一LNG泵(a7)用于将LNG加压至所需压力，输出满足燃烧器(a9)燃烧需求的LNG；第二空温器(a8)用于将气化后的天然气加热至接近环境温度，吸收环境热量以降低系统能耗；燃烧器(a9)用于完成天然气、氧气和H2O的燃烧反应，产生高压混合烟气用于做功；第一透平机(a10)用于输出热功；第三换热器(a11)用于乏汽和循环水换热，对进入燃烧器前的H2O进行预热，提高热能回收率；循环水泵(a12)用于将循环H2O加压至循环系统所需压力，满足燃烧器(a9)中的燃烧压力需求；气液分离器(a13)用于气态CO2和液态H2O的分离；工作中，所述高温烟气一级循环发电系统第一换热器(a2)用于LNG、液氮和压缩空气换热，将LNG冷能和液氮冷能进行充分利用，从而达到降低空分制氧过程的压缩功耗的目的，对富氧燃烧系统实现节能减排，提高系统输出电效率具有重要的意义；第二换热器(a5)用于液氧和气态CO2换热，通过利用液氧的低温冷能，将气态CO2捕获回收，取代烟气压缩过程，降低了传统富氧燃烧碳捕获过程的功耗；工作过程中，LNG冷能和空气压缩机(a1)的部分电能转化为低温冷能储存于液态空气中，液态空气分离出的液氧和液氮均含有大量低温冷能，随后又将这部分冷能应用压缩空气的预冷及碳捕获过程，实现冷能的传递连续使用，在一定程度上提高了冷能的利用效率。...

【技术特征摘要】
1.一种高温烟气一级循环发电系统，其特征在于，包括空气压缩机(a1)、第一换热器(a2)、精馏塔(a3)、液氧泵(a4)、第二换热器(a5)、第一空温器(a6)、第一LNG泵(a7)、第二空温器(a8)、燃烧器(a9)、第一透平机(a10)、第三换热器(a11)、循环水泵(a12)和气液分离器(a13)；所述第一换热器(a2)的输入端分别与空气压缩机(a1)、第一LNG泵(a7)的输出端以及精馏塔(a3)的液氮输出端相连；第一换热器(a2)的输出端分别与第二空温器(a8)的输入端、精馏塔(a3)的压缩空气输入端以及N2排放管路相连；所述精馏塔(a3)的液氧输出端还与液氧泵(a4)的输入端相连；所述第二换热器(a5)的输入端分别与液氧泵(a4)的输出端和气液分离器(a13)的气态CO2输出端相连，第二换热器(a5)的输出端分别与第一空温器(a6)的输入端和液态CO2收集管路相连；所述燃烧器(a9)的输入端分别与第一空温器(a6)、第二空温器(a8)和第三换热器(a11)的输出端相连，燃烧器(a9)的输出端与第一透平机(a10)的输入端相连；所述第三换热器(a11)的输入端分别与第一透平机(a10)和循环水泵(a12)的输出端相连，第三换热器(a11)的输出端还与所述低沸点工质二级循环发电系统的第六换热器(b8)的输入端相连；所述气液分离器(a13)的输入端与所述第六换热器(b8)的输出端相连，气液分离器(a13)的输出端分两路，一路与循环水泵(a12)的输入端相连，另一路连接排水管路；其中，空气压缩机(a1)用于供应一定压力的压缩空气，满足空分制氧的压力需求；第一换热器(a2)用于低温液氮和LNG与压缩空气换热，对压缩空气进行预冷处理；精馏塔(a3)用于将液态空气分离为液态氮气和液态氧气，分别送给第一换热器(a2)和液氧泵(a4)；液氧泵(a4)用于将液态氧气加压至所需压力后送入第二换热器(a5)；第二换热器(a5)用于液氧泵(a4)送来的液氧和气液分离器(a13)送来的气态CO2换热，将液氧气化送第一空温器(a6)，将气态CO2捕获回收，送入CO2储存装置完成碳捕获过程；第一空温器(a6)用于将气化后的氧气加热至接近环境温度，吸收环境热量以降低系统能耗；第一LNG泵(a7)用于将LNG加压至所需压力，输出满足燃烧器(a9)燃烧需求的LNG；第二空温器(a8)用于将气化后的天然气加热至接近环境温度，吸收环境热量以降低系统能耗；燃烧器(a9)用于完成天然气、氧气和H2O的燃烧反应，产生高压混合烟气用于做功；第一透平机(a10)用于输出热功；第三换热器(a11)用于乏汽和循环水换热，对进入燃烧器前的H2O进行预热，提高热能回收率；循环水泵(a12)用于将循环H2O加压至循环系统所需压力，满足燃烧器(a9)中的燃烧压力需求；气液分离器(a13)用于气态CO2和液态H2O的分离；工作中，所述高温烟气一级循环发电系统第一换热器(a2)用于LNG、液氮和压缩空气换热，将LNG冷能和液氮冷能进行充分利用，从而达到降低空分制氧过程的压缩功耗的目的，对富氧燃烧系统实现节能减排，提高系统输出电效率具有重要的意义；第二换热器(a5)用于液氧和气态CO2换热，通过利用液氧的低温冷能，将气态CO2捕获回收，取代烟气压缩过程，降低了传统富氧燃烧碳捕获过程的功耗；工作过程中，LNG冷能和空气压缩机(a1)的部分电能转化为低温冷能储存于液态空气中，液态空气分离出的液氧和液氮均含有大量低温冷能，随后又将这部分冷能应用压缩空气的预冷及碳捕获过程，实现冷能的传递连续使用，在一定程度上提高了冷能的利用效率。2.根据权利要求1所述发电系统的一种零碳排放的多级循环发电集成系统，其特征在于，还包括低沸点工质二级循环发电系统；所述低沸点工质二级循环发电系统包括第二透平机(b1)、第四换热器(b2)、第五换热器(b3)、液体泵(b4)、第三空温器(b5)、第二LNG泵(b6)、第四空温器(b7)和第六换热器(b8)；所述第四换热器(b2)的输入端分别与第二透平机(b1)和液体泵(b4)的输出端相连，第四换热器(b2)的输出端分别...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡磊，吴谋亮，管延文，刘文斌，韩逸骁，卢鉴莹，余露，林奇，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42