專利名稱：CO₂近零排放中低溫太陽熱能化石能源互補(bǔ)系統(tǒng)及流程的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種CO2近零排放中低溫太陽熱能和化石能源綜合互補(bǔ)的熱力循環(huán)系統(tǒng)(ZE-S0LRGT)及其流程。
背景技術(shù)：
目前與本發(fā)明相關(guān)的技術(shù)主要包括中低溫太陽能利用技術(shù)和中低溫太陽能與化石能源相結(jié)合的多能源互補(bǔ)系統(tǒng)發(fā)電技術(shù)，其各自技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r和系統(tǒng)特征如下I、中低溫太陽能利用技術(shù)鑒于化石能源資源的有限性及其利用過程中產(chǎn)生污染的嚴(yán)重性，開拓新型潔凈能源資源(特別是非碳能源)轉(zhuǎn)換利用成為可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重要方面。近年來，太陽能以其獨(dú)具的儲(chǔ)量無限性、存在的普遍性、開發(fā)利用的清潔性以及逐步提升的經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)勢(shì)獲得廣泛關(guān)注，成為解決能源短缺、環(huán)境污染和溫室效應(yīng)的有效途徑之一。當(dāng)前，太陽能利用技術(shù)的主要發(fā)展方向是太陽能光電轉(zhuǎn)化和光熱轉(zhuǎn)化，其中光熱轉(zhuǎn)化的太陽能熱動(dòng)力發(fā)電又是未來二三十年最具吸引力的太陽能技術(shù)。但是諸如儲(chǔ)能難和能量轉(zhuǎn)化效率低等造成的太陽能發(fā)電技術(shù)成本居高不下，一直是困擾太陽能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)大規(guī)模發(fā)展和工程應(yīng)用的重大瓶頸。究其原因，一方面是太陽能能量密度低、時(shí)空分布不連續(xù)；另一方面且更為重要的是太陽能集熱效率與熱力循環(huán)熱功轉(zhuǎn)換效率一直存在難以調(diào)和的矛盾。目前太陽能熱發(fā)電技術(shù)以及新興的熱化學(xué)能量轉(zhuǎn)換技術(shù)(如天然氣重整的熱化學(xué)能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)等)研究多集中在900 1200°C的高溫太陽熱能的轉(zhuǎn)化和利用，且多為高溫集熱和熱化學(xué)轉(zhuǎn)換等部件性能的提聞和相關(guān)新材料的研發(fā)。100CTC以上的聞溫集熱無不以設(shè)備復(fù)雜、投資成本高和光熱轉(zhuǎn)換效率低為代價(jià)。相對(duì)而言，當(dāng)前150 350°C的中低溫太陽能熱利用技術(shù)以其良好的集熱性能和經(jīng)濟(jì)簡單的集熱裝置獲得大規(guī)模商業(yè)化。這個(gè)溫度范圍的集熱器大多采用低聚光比的簡單聚光裝置，集熱性能良好，集熱效率一般能達(dá)到60%以上，且有效避免了高溫太陽能能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的高成本代價(jià)。然而，由工程熱力學(xué)原理可知工質(zhì)的溫度越低，實(shí)現(xiàn)熱轉(zhuǎn)功越困難，目前中低溫?zé)崃康睦蒙腥狈π兄行У募夹g(shù)。2、中低溫太陽能與化石能源相結(jié)合的多能源互補(bǔ)系統(tǒng)發(fā)電技術(shù)與太陽能不同，常規(guī)能源利用系統(tǒng)經(jīng)過百余年的發(fā)展，技術(shù)和工藝已日臻完善，如先進(jìn)的燃?xì)廨啓C(jī)工質(zhì)溫度已達(dá)1400°C以上。設(shè)想太陽能等可再生能源如果得以在常規(guī)能源系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換和釋放，不但可以替代部分化石能源消耗，減少相應(yīng)的污染物排放，更將極大地提高可再生能源能量釋放品位和熱轉(zhuǎn)功效率，同時(shí)緩解其不穩(wěn)定、不連續(xù)的供給難題。中低溫太陽能和化石燃料的互補(bǔ)梯級(jí)利用有望為同時(shí)解決太陽能能量轉(zhuǎn)化效率低和實(shí)現(xiàn)化石燃料的清潔利用提供一條全新的途徑。多能源互補(bǔ)系統(tǒng)中，中低溫太陽能可以和熱力系統(tǒng)中某些物理吸熱過程相集成 (熱集成)，如蒸發(fā)過程、回?zé)徇^程；也可以和某些吸熱化學(xué)反應(yīng)相集成(熱化學(xué)集成)，如熱解反應(yīng)和重整反應(yīng)等。前者如N. Lior和K. Koai提出的蒸汽朗肯循環(huán)互補(bǔ)系統(tǒng)，低溫段工質(zhì)水吸收約100°C太陽能熱量蒸發(fā)，高溫段化石燃料燃燒提供熱量使蒸汽過熱，形成不同熱源在不同溫度段的匹配利用，太陽能熱輸入份額高達(dá)80%，系統(tǒng)熱效率可達(dá)18%。后者如H. Hong和H. Jin提出的一種中低溫太陽能與化石燃料熱化學(xué)互補(bǔ)的聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，利用甲醇燃料在中低溫條件下的熱解特性，以200 300°C的太陽能驅(qū)動(dòng)甲醇熱解吸熱反應(yīng)，生成以H2和CO為主要成分的合成氣，從而使低品位太陽能轉(zhuǎn)化為高品位合成氣化學(xué)能；合成氣驅(qū)動(dòng)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)做功，實(shí)現(xiàn)了中低溫太陽能品位的提升和其在動(dòng)力系統(tǒng)中的高效轉(zhuǎn)化。其案例分析中，太陽能熱輸入比例為18%，太陽能發(fā)電凈效率和系統(tǒng)煳效率分別達(dá)到35%和60. 7%，但該計(jì)算忽略了透平葉片冷卻影響。有報(bào)道(作者張娜)在間冷化學(xué)回?zé)嵫h(huán)的基礎(chǔ)上，提出了一種中低溫太陽熱能品位間接提升的方法及據(jù)此提出的太陽能和化石能源綜合互補(bǔ)的化學(xué)回?zé)嵫h(huán)系統(tǒng) (SOLRGT)(如圖I所示)。由于中低溫太陽熱能與甲烷重整反應(yīng)所需溫度不相匹配(反應(yīng)在鎳基催化劑下一般需要900 1000°C以上的高溫)，SOLRGT先用中低溫太陽能加熱水使其蒸發(fā)，再由蒸汽參與甲烷重整反應(yīng)，使得太陽能品位間接提升至合成氣化學(xué)能，并最終借助先進(jìn)燃機(jī)循環(huán)實(shí)現(xiàn)高效熱功轉(zhuǎn)換。相對(duì)常規(guī)間冷化學(xué)回?zé)嵫h(huán)，SOLRGT實(shí)現(xiàn)了中低溫太陽能與化石燃料的梯級(jí)互補(bǔ)利用，化石能源節(jié)約率可達(dá)20 30%。系統(tǒng)中太陽能的引入替代了部分化石燃料，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的污染物減排。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目在于提供一種CO2近零排放中低溫太陽熱能化石能源互補(bǔ)系統(tǒng)及流程。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的一種CO2近零排放中低溫太陽熱能和化石能源綜合互補(bǔ)的熱力循環(huán)系統(tǒng)，主要包括氧氣壓氣機(jī)將氧氣升壓至Brayton循環(huán)的最高壓力；煙氣壓氣機(jī)將回流煙氣升壓至Brayton循環(huán)的最高壓力；燃料節(jié)流閥將燃料氣體降壓至重整反應(yīng)的壓力；淡水增壓泵將淡水升壓至Rankine循環(huán)的最高壓力；重整器由煙氣供熱，使燃料與水蒸汽在一定的壓力下進(jìn)行化學(xué)重整反應(yīng)；預(yù)重整器絕熱反應(yīng)器，經(jīng)預(yù)熱的燃料與水蒸汽混合物在其中催化劑作用下發(fā)生預(yù)重整，即天然氣中的重組分發(fā)生重整反應(yīng)；燃燒室合成氣和氧氣發(fā)生燃燒反應(yīng)，得到高溫氣體；高溫燃?xì)馔钙礁邷馗邏喝細(xì)馀蛎涀龉?；低壓燃?xì)馔钙椒至骱蟮牟糠种袦氐蛪喝細(xì)膺M(jìn)一步膨脹做功；高壓蒸汽透平中溫高壓蒸汽膨脹做功；發(fā)電機(jī)與透平連接，將透平產(chǎn)生機(jī)械功轉(zhuǎn)化為電能輸出；蒸發(fā)器利用太陽能將加壓水蒸發(fā)；太陽能槽式集熱器收集太陽能；水冷凝器對(duì)富含水蒸汽的低壓燃?xì)馔钙脚艧熯M(jìn)行冷凝，分離以CO2為主的氣體和液態(tài)水；CO2間冷多效壓氣機(jī)將CO2氣體壓縮至高壓，便于冷凝成液態(tài)CO2 ；
CO2冷凝器將高壓CO2氣體冷凝成液態(tài)CO2。所述的CO2近零排放中低溫太陽熱能和化石能源綜合互補(bǔ)的熱力循環(huán)系統(tǒng)，其中， 還包括以下設(shè)備第一換熱器經(jīng)第二換熱器初步回?zé)嶂蟮闹卣鞒隹诤铣蓺鈱?duì)預(yù)重整器進(jìn)口的燃料、蒸汽混合物進(jìn)行預(yù)熱；第二換熱器重整器出口合成氣對(duì)預(yù)重整器出口的經(jīng)過預(yù)重整的混合氣進(jìn)行回執(zhí).第三換熱器低壓燃?xì)馔钙降呐艧煂?duì)水進(jìn)行初步加熱；第四換熱器回流至燃燒室的煙氣對(duì)水進(jìn)一步加熱；第五換熱器高溫燃?xì)馔钙脚艧熈鹘?jīng)并聯(lián)的重整器和第六換熱器后經(jīng)混合，對(duì)蒸汽進(jìn)行過熱；第六換熱器部分高溫燃?xì)馔钙脚艧煂?duì)第五換熱器冷側(cè)出口的蒸汽進(jìn)一步過熱；第一分流器將第五換熱器熱側(cè)出口的高溫燃?xì)馔钙脚艧煼譃閮晒梢徊糠只亓髦寥紵?，另一部分送至低壓燃?xì)馔钙嚼^續(xù)膨脹；第二分流器將高溫燃?xì)馔钙脚艧煼譃閮晒梢徊糠謱?duì)重整器進(jìn)行加熱，另一部分流經(jīng)第六換熱器，提供熱源；第三分流器將高壓蒸汽透平乏汽分為兩股一部分送入燃燒室，另一部分與燃料氣體混合，送入預(yù)重整器。所述的CO2近零排放中低溫太陽熱能和化石能源綜合互補(bǔ)的熱力循環(huán)系統(tǒng)，其中， 重整器熱側(cè)進(jìn)口為高溫燃?xì)馔钙脚艧?，出口連接回?zé)岬牡谖鍝Q熱器，冷側(cè)進(jìn)口與第二換熱器熱側(cè)出口連接，出口與第二換熱器熱側(cè)進(jìn)口連接。所述的CO2近零排放中低溫太陽熱能和化石能源綜合互補(bǔ)的熱力循環(huán)系統(tǒng)，其中， 預(yù)重整器無熱源，進(jìn)口是經(jīng)預(yù)熱的燃料與蒸汽的混合氣，在催化劑作用下發(fā)生一定程度的重整反應(yīng)，出口是有待進(jìn)一步重整的合成氣。所述的CO2近零排放中低溫太陽熱能和化石能源綜合互補(bǔ)的熱力循環(huán)系統(tǒng)，其中， 蒸發(fā)器所需熱量由太陽能槽式集熱器提供，冷側(cè)進(jìn)口與第四換熱器相連，出口與第五換熱器相連。本發(fā)明提供的CO2近零排放中低溫太陽熱能和化石能源綜合互補(bǔ)的熱力循環(huán)的流程，其主要包括(I)重整過程通過回收重整反應(yīng)生成高溫合成氣的余熱，蒸汽與天然氣的混合反應(yīng)物預(yù)熱，進(jìn)入預(yù)重整器發(fā)生預(yù)重整，即天然氣中的重組分發(fā)生重整反應(yīng)。混合反應(yīng)物溫度下降，又經(jīng)高溫合成氣回?zé)峒訜幔M(jìn)入重整器，由透平排煙供熱，在略高于燃燒室壓力下重整，最終生成富含H2與CO的高溫合成氣，經(jīng)回?zé)犷A(yù)重整氣溫度下降后，進(jìn)入燃燒室，避免噴嘴處燃料溫度過高；(2)燃?xì)馍蛇^程燃料合成氣與壓縮后的氧氣發(fā)生燃燒反應(yīng)(純氧燃燒)，氧氣過量系數(shù)為2%。氧氣由空分制得。同時(shí)，為降低燃燒室出口溫度至1300°C左右，燃燒室內(nèi)回注部分煙氣以及系統(tǒng)中生成的蒸汽，最終生成高溫燃?xì)猓?3)蒸汽生成過程依靠透平排煙余熱回收與太陽能槽式集熱器加熱，系統(tǒng)輸入水變?yōu)楦邷馗邏赫羝?br> (4)出功過程燃燒室中生成的高溫燃?xì)膺M(jìn)入高溫燃?xì)馔钙匠龉?，回?zé)岷蟛糠诌M(jìn)入低壓燃?xì)馔钙匠龉?，系統(tǒng)加熱生成的高溫高壓蒸汽進(jìn)入高壓蒸汽透平出功；(5)煙氣分流一部分進(jìn)行余熱回收，加熱水的同時(shí)進(jìn)行冷卻，再經(jīng)過壓縮后回注燃燒室。這部分煙氣回流減少了因透平排煙所含大量蒸汽潛熱而產(chǎn)生的損失，構(gòu)成了 ZE-S0LRGT系統(tǒng)中的類勃雷登循環(huán)；另一部分在低壓燃?xì)馔钙街信蛎浿霖?fù)壓以增大出功， 再經(jīng)回?zé)?、冷凝、分離CO2后，剩下的大部分水又注入循環(huán)作補(bǔ)充工質(zhì)，構(gòu)成了 ZE-S0LRGT系統(tǒng)中的類朗肯循環(huán)；(6)乏汽分流一部分送入重整器作反應(yīng)物，一部分回注入燃燒室；(7)分離出的CO2經(jīng)七級(jí)間冷壓縮至IlObar后，再經(jīng)冷凝即成為液態(tài)CO2,供進(jìn)一步處理，實(shí)現(xiàn)CO2近零排放。所述的流程，其中，煙氣自高溫燃?xì)馔钙脚懦龊?，溫度從高到低依次流?jīng)并聯(lián)的重整器和第六換熱器，以及第五換熱器進(jìn)行余熱回收，再去分流。所述的流程，其中，進(jìn)入循環(huán)的水經(jīng)第三換熱器、第四換熱器中透平排煙加熱至飽和水，再在太陽能槽式集熱器供熱的蒸發(fā)器中由中低溫太陽能加熱為蒸汽，最后經(jīng)第五換熱器、第六換熱器里透平排煙過熱。所述的流程，其中，蒸發(fā)器利用了太陽能槽式集熱器吸收的中低溫太陽能，以熔鹽為傳熱介質(zhì)對(duì)水的定溫蒸發(fā)段加熱，以減小傳熱溫差，減小換熱過程 損。本發(fā)明在SOLRGT基礎(chǔ)上引入純氧燃燒，建立了新的CO2近零排放中低溫太陽能化石能源互補(bǔ)系統(tǒng)(ZE-S0LRGT)，可看作由類勃雷登循環(huán)和類朗肯循環(huán)構(gòu)成的準(zhǔn)聯(lián)合循環(huán)，主要工質(zhì)為水。系統(tǒng)綜合了勃雷登循環(huán)的透平進(jìn)口高溫優(yōu)勢(shì)，以及朗肯循環(huán)的高壓比優(yōu)勢(shì)。相對(duì)S0LRGT，熱效率、煳效率提高。太陽能的引入既改善了系統(tǒng)換熱匹配，又使得系統(tǒng)輸入水的工質(zhì)流量大幅增長，透平工質(zhì)增加，比功增加，熱力性能得以加強(qiáng)。ZE-S0LRGT實(shí)現(xiàn)了 CO2 分離與中低溫太陽能在多能源互補(bǔ)系統(tǒng)中高效轉(zhuǎn)化利用的一體化集成，具有良好的發(fā)展前景。


圖I是公知技術(shù)中的太陽能品位間接提升的SOLRGT系統(tǒng)流程圖。圖2是本發(fā)明的CO2近零排放中低溫太陽熱能化石能源互補(bǔ)系統(tǒng)(ZE-S0LRGT)流程圖；圖2中的主要標(biāo)記說明1-1、1_2、…、1-6第一換熱器、第二換熱器、…、第六換熱器；2-燃料節(jié)流閥；3-預(yù)重整器；4_重整器；5_氧氣壓氣機(jī)；6_燃燒室；7-1、7-2、7-3第一分流器、第二分流器、第三分流器；8_高溫燃?xì)馔钙剑?_煙氣壓氣機(jī)；10_低壓燃?xì)馔钙剑?1-發(fā)電機(jī)；12-水冷凝器; 13-淡水增壓泵；14_蒸發(fā)器；15_太陽能槽式集熱器；16_高壓蒸汽透平；17-C02間冷多效壓氣機(jī)；18-C02冷凝器；S1、S2、…、S37-流股編號(hào)。圖3是CO2近零排放中低溫太陽熱能化石能源互補(bǔ)系統(tǒng)(ZE-S0LRGT)溫熵圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的目的是實(shí)現(xiàn)CO2近零排放與高效能量轉(zhuǎn)化利用之間的有機(jī)結(jié)合，提出多能源互補(bǔ)的能源環(huán)境一體化系統(tǒng)集成方案。
如圖2所示，是本發(fā)明提供的CO2近零排放中低溫太陽熱能化石能源互補(bǔ)系統(tǒng) (ZE-S0LRGT)，該系統(tǒng)主要包括CO2近零排放中低溫太陽熱能化石能源互補(bǔ)系統(tǒng)，將中低溫太陽熱能化石能源互補(bǔ)裝置SOLRGT和CO2分離有機(jī)結(jié)合起來(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)。本發(fā)明的系統(tǒng)流程描述如下天然氣甲烷(SI)經(jīng)燃料節(jié)流閥2節(jié)流降壓后，與水蒸汽(S33)混合生成混合氣
(S2)，在第一換熱器1-1中經(jīng)預(yù)熱后(S3)進(jìn)入預(yù)重整器3，混合氣的重組分發(fā)生重整反應(yīng)， 合成氣(S4)再經(jīng)第二換熱器1-2加熱(S5)，進(jìn)入重整器4，重整生成的合成氣(S6)先在第二換熱器1-2中回?zé)?S7)，再在第一換熱器1-1中提供熱源(S8)，最后進(jìn)入燃燒室6?？辗种频玫难鯕?S9)經(jīng)氧氣壓氣機(jī)5壓縮后(SlO)進(jìn)入燃燒室6，與合成氣(S8) 發(fā)生燃燒反應(yīng)(純氧燃燒)，燃燒室6內(nèi)回注部分煙氣(S21)以及系統(tǒng)中生成的蒸汽(S34)， 最終生成高溫燃?xì)?Sll)，進(jìn)入高溫燃?xì)馔钙?膨脹做功。高溫透平排煙(S12)經(jīng)第二分流器7-2分流為兩部分，一部分(S13)在第一換熱器1-6中進(jìn)行回?zé)?S14)，另一部分(S15)對(duì)重整器4提供熱源(S16)，兩股煙氣再一次混合后(S17)，進(jìn)入第五換熱器1-5回?zé)?S18)，然后又再經(jīng)第一分流器7-1分流。此時(shí)，一部分煙氣(S19)經(jīng)第四換熱器1-4回?zé)?S20)，進(jìn)入煙氣壓氣機(jī)9壓縮，回注燃燒室6(S21)， 另一部分煙氣(S22)在低壓燃?xì)馔钙?0中膨脹至負(fù)壓以增大出功，排煙(S23)經(jīng)第三換熱器1-3回?zé)岷?S24)，經(jīng)水冷凝器12冷凝，分離出C02(S35)后，剩下的大部分水(S25)又注入循環(huán)作補(bǔ)充工質(zhì)。水(S25)經(jīng)淡水增壓泵13加壓后(S26)，進(jìn)入第三換熱器1_3加熱生成蒸汽 (S27)，后又依次經(jīng)第四換熱器1-4 (S28)、太陽能蒸發(fā)器14 (由太陽能槽式集熱器15供熱) (S29)、第五換熱器1-5 (S30)、第六換熱器1-6加熱變?yōu)楦邷馗邏赫羝?S31)，進(jìn)入高壓蒸汽透平16膨脹做功。生成的乏汽(S32)經(jīng)第三分流器7-3分流，一部分去做重整反應(yīng)的反應(yīng)物(S33)，一部分回注燃燒室6調(diào)節(jié)溫度(S34)。分離出的CO2 (S35)經(jīng)CO2間冷多效壓氣機(jī)17七級(jí)間冷壓縮至IlObar后(S36)，再經(jīng)CO2冷凝器18冷凝成為液態(tài)CO2 (S37)，可供進(jìn)一步處理，如埋存等，實(shí)現(xiàn)CO2近零排放。能源互補(bǔ)系統(tǒng)集成CO2分離的主要方式分為“燃燒前分離”、“燃燒中分離(純氧燃燒)”和“燃燒后分離”:S0LRGT系統(tǒng)排出尾氣中CO2量大且濃度低，采用燃燒后分離將產(chǎn)生過高的能耗；S0LRGT只利用透平排煙余熱回收來進(jìn)行部分重整，甲烷轉(zhuǎn)化率低，不滿足燃燒前分離要求(燃料轉(zhuǎn)化率> 95% )，若要提高碳轉(zhuǎn)化率，需要大幅度提高重整溫度，如采用燃料補(bǔ)燃等方式，但會(huì)額外消耗大量的能量，降低系統(tǒng)效率；SOLRGT尾氣中含有大量的水蒸氣，直接排放帶來的潛熱損失較大，如煙氣(部分)回注循環(huán)，則損失減小，系統(tǒng)能源利用效率提高，與純氧燃燒中的尾氣回注相契合；同時(shí)，SOLRGT本身有大量的水作為補(bǔ)充工質(zhì)， 如采用純氧燃燒，則工質(zhì)主要成分僅H2O和CO2，燃燒室煳損將大幅降低。相比之下，SOLRGT 系統(tǒng)采用純氧燃燒的CO2分離方式較為有利。將純氧燃燒引入中低溫太陽熱能化石能源互補(bǔ)系統(tǒng)S0LRGT，合成氣與純氧進(jìn)行燃燒，煙氣分級(jí)膨脹，其中部分經(jīng)壓縮回流至燃燒室，部分繼續(xù)膨脹做功；引入水，通過回收排煙余熱、中低溫太陽能加熱，生成高溫高壓蒸汽，膨脹做功，乏汽部分參加重整反應(yīng)，部分回注燃燒室，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)相對(duì)SOLRGT系統(tǒng)性能進(jìn)一步改善、CO2近零排放。ZE-S0LRGT主要設(shè)備包括氧氣壓氣機(jī)6 :將氧氣升壓至Brayton循環(huán)的最高壓力；煙氣壓氣機(jī)9 :將回流煙氣升壓至Brayton循環(huán)的最高壓力；燃料節(jié)流閥2 :將燃料氣體降壓至重整反應(yīng)的壓力(考慮壓損)；淡水增壓泵13 :將淡水升壓至Rankine循環(huán)的最高壓力(考慮壓損)；重整器4 :煙氣供熱，燃料與水蒸汽在一定的壓力下進(jìn)行化學(xué)重整反應(yīng)；預(yù)重整器3 :絕熱反應(yīng)器，天然氣中的重組分催化劑作用下發(fā)生重整反應(yīng)。燃燒室6 :合成氣和氧氣發(fā)生燃燒反應(yīng)，得到高溫氣體；高溫燃?xì)馔钙? :高溫高壓燃?xì)馀蛎涀龉?；低壓燃?xì)馔钙?0 :分流后的部分中溫低壓燃?xì)膺M(jìn)一步膨脹做功；高壓蒸汽透平16 :中溫高壓蒸汽膨脹做功；發(fā)電機(jī)11 :與透平連接，將透平產(chǎn)生機(jī)械功轉(zhuǎn)化為電能輸出蒸發(fā)器14 :利用太陽能將加壓水蒸發(fā)；太陽能槽式集熱器15 :收集太陽能；水冷凝器12 :對(duì)富含水蒸汽的低壓燃?xì)馔钙脚艧熯M(jìn)行冷凝，分離以CO2為主的氣體和液態(tài)水；CO2間冷多效壓氣機(jī)17 :將CO2氣體壓縮至高壓，便于冷凝成液態(tài)CO2 ；CO2冷凝器18 :將高壓CO2氣體冷凝成液態(tài)CO2。第一換熱器1-1 :對(duì)預(yù)重整器進(jìn)口的燃料、蒸汽混合物進(jìn)行預(yù)熱；第二換熱器1-2 :對(duì)預(yù)重整器出口的經(jīng)過預(yù)重整的混合氣進(jìn)行回?zé)幔坏谌龘Q熱器1-3 :對(duì)水進(jìn)行初步加熱；第四換熱器1-4 :對(duì)水進(jìn)一步加熱；第五換熱器1-5 :對(duì)蒸汽進(jìn)行過熱；第六換熱器1-6 :對(duì)蒸汽進(jìn)一步過熱；第一分流器7-1 :將透平排煙分為兩股一部分回流至燃燒室，另一部分送至低壓燃?xì)馔钙嚼^續(xù)膨脹；第二分流器7-2 :將高溫燃?xì)馔钙脚艧煼譃閮晒梢徊糠謱?duì)重整器進(jìn)行加熱，另一部分對(duì)蒸汽過熱；第三分流器7-3 :將乏汽分為兩股一部分送入燃燒室，另一部分與燃料氣體混合，送入預(yù)重整器。上述系統(tǒng)中的相互連接為公知技術(shù)，各設(shè)備之間的連接均為通常采用的管道連接，本發(fā)明在此不作具體描述。本發(fā)明的0)2近零排放中低溫太陽熱能化石能源互補(bǔ)系統(tǒng)(ZE-S0LRGT)，其特征在于重整器4熱側(cè)進(jìn)口為高溫燃?xì)馔钙?排煙，出口連接回?zé)岬牡谖鍝Q熱器1-5，冷側(cè)進(jìn)口與第二換熱器1-2熱側(cè)出口連接，出口與第二換熱器1-2熱側(cè)進(jìn)口連接；預(yù)重整器3無熱源，進(jìn)口是經(jīng)預(yù)熱的燃料與蒸汽的混合氣，在催化劑作用下發(fā)生一定程度的重整反應(yīng)，出口是有待進(jìn)一步重整的合成氣；蒸發(fā)器14所需熱量由太陽能槽式集熱器15提供，冷側(cè)進(jìn)口與第四換熱器1-4相連，出口與第五換熱器1-5相連。
本發(fā)明的CO2近零排放中低溫太陽熱能化石能源互補(bǔ)系統(tǒng)(ZE-S0LRGT)的流程重整生成的合成氣與壓縮后的氧氣發(fā)生燃燒反應(yīng)(純氧燃燒)，燃燒室內(nèi)回注部分煙氣以及系統(tǒng)中生成的蒸汽，最終生成高溫燃?xì)?，進(jìn)入高溫燃?xì)馔钙?出功。煙氣一部分進(jìn)行余熱回收，加熱水的同時(shí)進(jìn)行冷卻，再經(jīng)過壓縮后回注燃燒室6，另一部分在低壓燃?xì)馔钙?0中膨脹至負(fù)壓以增大出功，再經(jīng)回?zé)?、冷凝、分離CO2后，剩下的大部分水又注入循環(huán)作補(bǔ)充工質(zhì)。依靠透平排煙余熱回收與太陽能加熱，系統(tǒng)輸入水變?yōu)楦邷馗邏赫羝?，進(jìn)入高壓蒸汽透平16出功。乏汽一部分送入重整器4作反應(yīng)物，一部分回注入燃燒室6。分離出的CO2經(jīng)七級(jí)間冷壓縮至IlObar后，再經(jīng)冷凝即成為液態(tài)CO2,可供進(jìn)一步處理，如埋存等，實(shí)現(xiàn)CO2近零排放。所述的CO2近零排放中低溫太陽熱能化石能源互補(bǔ)系統(tǒng)(ZE-S0LRGT)的流程，其特征在于(I)太陽能的引入系統(tǒng)類朗肯循環(huán)中，通過引入太陽能，一方面水的等溫蒸發(fā)過程與太陽能形成熱集成，燃?xì)廨啓C(jī)余熱則可以完全和變溫吸熱過程耦合，極大地改善了透平排煙余熱回收過程熱匹配，減小了傳熱煳損；另一方面補(bǔ)充工質(zhì)水的流量得以增加，提升系統(tǒng)出功。(2)準(zhǔn)聯(lián)合循環(huán)的構(gòu)成(第一分流器7-1的分流)煙氣分流后，ZE-S0LRGT可以看作一個(gè)由類勃雷登循環(huán)和類朗肯循環(huán)構(gòu)成的準(zhǔn)聯(lián)合循環(huán)，如圖3所示，圖3中的狀態(tài)點(diǎn)請(qǐng)參考圖2中流股編號(hào)。勃雷登循環(huán)具有透平進(jìn)口溫度較高的優(yōu)勢(shì)，朗肯循環(huán)具有透平進(jìn)口壓力較大的優(yōu)勢(shì)，都有利于系統(tǒng)輸出功的增加。通過調(diào)節(jié)分流比，還可優(yōu)化系統(tǒng)性能。(3)煙氣的回流煙氣的部分回流減少了因透平排煙帶走大量蒸汽潛熱而產(chǎn)生的損失。(4)膨脹比的提高分流煙氣在低壓燃?xì)馔钙街信蛎浿霖?fù)壓，從而使得系統(tǒng)類朗肯循環(huán)的膨脹比大為提高，增加了系統(tǒng)出功。(5)分流器7-2的分流使重整器4與第六換熱器1-6并聯(lián)，從而同時(shí)滿足重整器4和高壓蒸汽透平16對(duì)高溫的需求，提高高壓蒸汽透平16進(jìn)口溫度，增大出功。如系統(tǒng)去掉第二分流器7-2，重整器4與第六換熱器1-6變?yōu)榇?lián)(且第六換熱器1-6在重整器下游)，則高壓蒸汽透平16出功、系統(tǒng)總出功下降。重整生成的合成氣(S8)與壓縮后的氧氣(SlO)發(fā)生燃燒反應(yīng)(純氧燃燒)，燃燒室6內(nèi)回注部分煙氣(S21)以及系統(tǒng)中生成的蒸汽(S34)，最終生成高溫燃?xì)?Sll)， 進(jìn)入高溫燃?xì)馔钙?出功。煙氣一部分進(jìn)行余熱回收，加熱水的同時(shí)進(jìn)行冷卻，再經(jīng)過壓縮后回注燃燒室6(S19-S20-S21)，另一部分在低壓燃?xì)馔钙?0中膨脹至負(fù)壓以增大出功 (S22-S23)，再經(jīng)回?zé)?S24)、冷凝、分離CO2后，剩下的大部分水(S25)又注入循環(huán)作補(bǔ)充工質(zhì)。依靠透平排煙余熱回收與太陽能加熱，系統(tǒng)輸入水變?yōu)楦邷馗邏赫羝?S31)，進(jìn)入高壓蒸汽透平16出功。乏汽一部分送入重整器4作反應(yīng)物(S33)，一部分回注入燃燒室6 (S34)。 分離出的CO2經(jīng)七級(jí)間冷壓縮至IlObar后，再經(jīng)冷凝即成為液態(tài)CO2 (S37)，可供進(jìn)一步處理，如埋存等，實(shí)現(xiàn)CO2近零排放。具體實(shí)施例在平衡工況性能參數(shù)見表I。主要有關(guān)條件為系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀況下， 壓氣機(jī)效率88% ;燃燒室氧氣過量系數(shù)2%，壓損為3% ;燃?xì)馔钙降褥匦?9-90%，重整器壓損5%，節(jié)點(diǎn)溫差30°C，換熱設(shè)備節(jié)點(diǎn)溫差15-25°C。
具體實(shí)施例循環(huán)平衡工況熱力性能參數(shù)參看表2。表2總結(jié)了 ZE-S0LRGT的熱力性能參數(shù)。ZE-S0LRGT中由于引入了占總能量輸入28. 4%的太陽能，相對(duì)同輸入的CO2近零排放聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，太陽能凈熱電轉(zhuǎn)換效率nS()1達(dá)到33. 1% ;相對(duì)同輸出的CO2近零排放聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，化石能源節(jié)約率SRf達(dá)到了 29. 8%。從表2數(shù)據(jù)可以看出，ZE-S0LRGT的比功較大，這主要因?yàn)閆E-S0LRGT中類朗肯循環(huán)的出功由于太陽能的引入而工質(zhì)流量增加， 從而大為提升。ZE-S0LRGT的熱效率與煳效率分別為49. 5%與54. 4%，相對(duì)CO2近零排放聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，熱效率提聞了 1.0%。需要指出的是，上述結(jié)果是在理想情況下、也即在太陽熱能溫度滿足364°C水蒸發(fā)要求的情況下得到的。如果太陽熱能達(dá)不到上述溫度要求，需要采用補(bǔ)燃或降低蒸發(fā)溫度 (壓力)、蒸發(fā)后再提升蒸汽壓力至重整反應(yīng)要求壓力等情況下，系統(tǒng)效率會(huì)相應(yīng)降低。和常規(guī)化石能源系統(tǒng)相比，新系統(tǒng)需要增設(shè)中低溫太陽能集熱設(shè)備，可以采用技術(shù)相對(duì)成熟、造價(jià)較低的槽式集熱器。槽式集熱器在中低溫應(yīng)用場(chǎng)合具有優(yōu)良的集熱性能， 即使在lOOW/m2的太陽輻照強(qiáng)度下也可達(dá)到50%以上的集熱效率。應(yīng)該指出的是，系統(tǒng)效率和太陽能熱轉(zhuǎn)功效率的提升與系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性改善直接相關(guān)；此外系統(tǒng)在CO2減排、由于包含化學(xué)回?zé)嵫h(huán)特點(diǎn)從而在NOx排放等方面的優(yōu)勢(shì)也是進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析時(shí)應(yīng)該考慮的因素。本發(fā)明作為一種新的CO2近零排放中低溫太陽能化石能源互補(bǔ)系統(tǒng)(ZE-S0LRGT)， 實(shí)現(xiàn)了中低溫太陽熱能高效轉(zhuǎn)換以及和化石燃料互補(bǔ)的綜合梯利用，效率提高的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了 CO2近零排放，熱力性、環(huán)保性俱佳，具有廣闊的工程應(yīng)用前景。表I :系統(tǒng)主要性能參數(shù)
權(quán)利要求
1.一種CO2近零排放中低溫太陽熱能和化石能源綜合互補(bǔ)的熱力循環(huán)系統(tǒng)，主要包括氧氣壓氣機(jī)將氧氣升壓至Brayton循環(huán)的最高壓力；煙氣壓氣機(jī)將回流煙氣升壓至Brayton循環(huán)的最高壓力；燃料節(jié)流閥將燃料氣體降壓至重整反應(yīng)的壓力；淡水增壓泵將淡水升壓至Rankine循環(huán)的最高壓力；重整器由煙氣供熱，使燃料與水蒸汽在一定的壓力下進(jìn)行化學(xué)重整反應(yīng)；預(yù)重整器絕熱反應(yīng)器，經(jīng)預(yù)熱的燃料與水蒸汽混合物在其中催化劑作用下發(fā)生預(yù)重整，即天然氣中的重組分發(fā)生重整反應(yīng)；燃燒室合成氣和氧氣發(fā)生燃燒反應(yīng)，得到高溫氣體；高溫燃?xì)馔钙礁邷馗邏喝細(xì)馀蛎涀龉?；低壓燃?xì)馔钙椒至骱蟮牟糠种袦氐蛪喝細(xì)膺M(jìn)一步膨脹做功；高壓蒸汽透平中溫高壓蒸汽膨脹做功；發(fā)電機(jī)與透平連接，將透平產(chǎn)生機(jī)械功轉(zhuǎn)化為電能輸出；蒸發(fā)器利用太陽能將加壓水蒸發(fā)；太陽能槽式集熱器收集太陽能；水冷凝器對(duì)富含水蒸汽的低壓燃?xì)馔钙脚艧熯M(jìn)行冷凝，分離以CO2為主的氣體和液態(tài)水；CO2間冷多效壓氣機(jī)將CO2氣體壓縮至高壓，便于冷凝成液態(tài)CO2 ；CO2冷凝器將高壓CO2氣體冷凝成液態(tài)co2。
2.如權(quán)利要求I所述的CO2近零排放中低溫太陽熱能和化石能源綜合互補(bǔ)的熱力循環(huán)系統(tǒng)，其中，還包括以下設(shè)備第一換熱器經(jīng)第二換熱器初步回?zé)嶂蟮闹卣鞒隹诤铣蓺鈱?duì)預(yù)重整器進(jìn)口的燃料、蒸汽混合物進(jìn)行預(yù)熱；第二換熱器重整器出口合成氣對(duì)預(yù)重整器出口的經(jīng)過預(yù)重整的混合氣進(jìn)行回?zé)幔?第三換熱器低壓燃?xì)馔钙降呐艧煂?duì)水進(jìn)行初步加熱；第四換熱器回流至燃燒室的煙氣對(duì)水進(jìn)一步加熱；第五換熱器高溫燃?xì)馔钙脚艧熈鹘?jīng)并聯(lián)的重整器、第六換熱器后經(jīng)混合，對(duì)蒸汽進(jìn)行過熱；第六換熱器部分高溫燃?xì)馔钙脚艧煂?duì)第五換熱器冷側(cè)出口的蒸汽進(jìn)一步過熱；第一分流器將第五換熱器熱側(cè)出口的高溫燃?xì)馔钙脚艧煼譃閮晒梢徊糠只亓髦寥紵?，另一部分送至低壓燃?xì)馔钙嚼^續(xù)膨脹；第二分流器將高溫燃?xì)馔钙脚艧煼譃閮晒梢徊糠謱?duì)重整器進(jìn)行加熱，另一部分流經(jīng)第六換熱器，提供熱源；第三分流器將高壓蒸汽透平乏汽分為兩股一部分送入燃燒室，另一部分與燃料氣體混合，送入預(yù)重整器。
3.如權(quán)利要求I所述的CO2近零排放中低溫太陽熱能和化石能源綜合互補(bǔ)的熱力循環(huán)系統(tǒng)，其中，重整器熱側(cè)進(jìn)口為高溫燃?xì)馔钙脚艧?，出口連接回?zé)岬牡谖鍝Q熱器，冷側(cè)進(jìn)口與第二換熱器熱側(cè)出口連接，出口與第二換熱器熱側(cè)進(jìn)口連接。
4.如權(quán)利要求I所述的CO2近零排放中低溫太陽熱能和化石能源綜合互補(bǔ)的熱力循環(huán)系統(tǒng)，其中，預(yù)重整器無熱源，進(jìn)口是經(jīng)預(yù)熱的燃料與蒸汽的混合氣，在催化劑作用下發(fā)生一定程度的重整反應(yīng)，出口是有待進(jìn)一步重整的合成氣。
5.如權(quán)利要求I所述的CO2近零排放中低溫太陽熱能和化石能源綜合互補(bǔ)的熱力循環(huán)系統(tǒng)，其中，蒸發(fā)器所需熱量由太陽能槽式集熱器提供，冷側(cè)進(jìn)口與第四換熱器相連，出口與第五換熱器相連。
6.一種CO2近零排放中低溫太陽熱能和化石能源綜合互補(bǔ)的熱力循環(huán)的流程，其主要包括(1)重整過程通過回收重整反應(yīng)生成高溫合成氣的余熱，蒸汽與天然氣的混合反應(yīng)物預(yù)熱，進(jìn)入預(yù)重整器發(fā)生預(yù)重整，即天然氣中的重組分發(fā)生重整反應(yīng)?；旌戏磻?yīng)物溫度下降，又經(jīng)高溫合成氣回?zé)峒訜?，進(jìn)入重整器，由透平排煙供熱，在略高于燃燒室壓力下重整， 最終生成富含H2與CO的高溫合成氣，經(jīng)回?zé)犷A(yù)重整氣溫度下降后，進(jìn)入燃燒室，避免噴嘴處燃料溫度過高；(2)燃?xì)馍蛇^程燃料合成氣與壓縮后的氧氣發(fā)生燃燒反應(yīng)(純氧燃燒)，氧氣過量系數(shù)為2%。氧氣由空分制得。同時(shí)，為降低燃燒室出口溫度至1200-1300°C，燃燒室內(nèi)回注部分煙氣以及系統(tǒng)中生成的蒸汽，最終生成高溫燃?xì)猓?3)蒸汽生成過程依靠透平排煙余熱回收與太陽能槽式集熱器加熱，系統(tǒng)輸入水變?yōu)楦邷馗邏赫羝?4)出功過程燃燒室中生成的高溫燃?xì)膺M(jìn)入高溫燃?xì)馔钙匠龉Γ責(zé)岷蟛糠诌M(jìn)入低壓燃?xì)馔钙匠龉?，系統(tǒng)加熱生成的高溫高壓蒸汽進(jìn)入高壓蒸汽透平出功；(5)煙氣分流一部分進(jìn)行余熱回收，加熱水的同時(shí)進(jìn)行冷卻，再經(jīng)過壓縮后回注燃燒室。這部分煙氣回流減少了因透平排煙所含大量蒸汽潛熱而產(chǎn)生的損失，構(gòu)成了所述系統(tǒng)中的類勃雷登循環(huán)；另一部分在低壓燃?xì)馔钙街信蛎浿霖?fù)壓以增大出功，再經(jīng)回?zé)?、冷凝?分離CO2后，剩下的大部分水又注入循環(huán)作補(bǔ)充工質(zhì)，構(gòu)成了所述系統(tǒng)中的類朗肯循環(huán)；(6)乏汽分流一部分送入重整器作反應(yīng)物，一部分回注入燃燒室；(7)分離出的CO2經(jīng)七級(jí)間冷壓縮至IlObar后，再經(jīng)冷凝即成為液態(tài)CO2，供進(jìn)一步處理，實(shí)現(xiàn)CO2近零排放。
7.如權(quán)利要求6所述的流程，其中，煙氣自高溫燃?xì)馔钙脚懦龊?，溫度從高到低依次流?jīng)并聯(lián)的重整器和第六換熱器，以及第五換熱器進(jìn)行余熱回收，再去分流。
8.如權(quán)利要求6所述的流程，其中，進(jìn)入循環(huán)的水經(jīng)第三換熱器、第四換熱器中透平排煙加熱至飽和水，再在太陽能槽式集熱器供熱的蒸發(fā)器中由中低溫太陽能加熱為蒸汽，最后經(jīng)第五換熱器、第六換熱器里透平排煙過熱。
9.如權(quán)利要求6所述的流程，其中，蒸發(fā)器利用了太陽能槽式集熱器吸收的中低溫太陽能，以熔鹽為傳熱介質(zhì)對(duì)水的定溫蒸發(fā)段加熱，以減小傳熱溫差，減小換熱過程 損。
全文摘要
一種CO2近零排放中低溫太陽熱能和化石能源綜合互補(bǔ)的熱力循環(huán)系統(tǒng)及流程。該系統(tǒng)選擇了純氧燃燒以實(shí)現(xiàn)高效能量轉(zhuǎn)化利用和CO2分離過程的有機(jī)整合。系統(tǒng)以水為主要工質(zhì)，可視為由類勃雷登循環(huán)和類朗肯循環(huán)構(gòu)成的準(zhǔn)聯(lián)合循環(huán)，綜合了勃雷登循環(huán)的透平進(jìn)口高溫優(yōu)勢(shì)，以及朗肯循環(huán)的高壓比優(yōu)勢(shì)。中低溫太陽能的引入既改善了系統(tǒng)換熱匹配，又使得系統(tǒng)輸入水的工質(zhì)流量大幅增長，透平工質(zhì)增加，比功增加，熱力性能得以改善。系統(tǒng)太陽能熱轉(zhuǎn)功凈效率可達(dá)25～30％，和化石能源單輸入?yún)⒈认到y(tǒng)相比，效率提高5.2個(gè)百分點(diǎn)，化石能源節(jié)約率可達(dá)30～35％，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了CO2近零排放。可見，本方法系統(tǒng)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(hào)F25J1/00GK102606310SQ20121000767
公開日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月15日
發(fā)明者張娜, 羅塵丁, 諾姆.里奧 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院工程熱物理研究所