專利名稱：：利用液化天然氣冷的二氧化碳零排放熱力循環(huán)及流程的制作方法
技術(shù)領域：
：本發(fā)明涉及一種將利用液化天然氣(LNG)冷傭發(fā)電技術(shù)和二氧化碳(C02)減排分離技術(shù)相結(jié)合的熱力循環(huán)系統(tǒng)及流程。
背景技術(shù)：
：io目前與本發(fā)明相關的技術(shù)主要包括利用液化天然氣(LNG)冷傭發(fā)電技術(shù)和二氧化碳(C02)減排分離技術(shù)，其各自技術(shù)的發(fā)展狀況和系統(tǒng)特征如下1、利用LNG冷傭發(fā)電技術(shù)天然氣中含有的硫的成分在液化深冷過程中以固體形式析出、分離，15因此LNG不含有硫化物，是一種安全、清潔的能源。天然氣液化過程需要耗費大量的能量用以壓縮冷卻(約為0.5kWh/kgLNG)，最終得到的LNG處于超低溫狀態(tài)(約為-162t:)，具有相當大的物理冷傭。液化后的天然氣體積縮小約600倍，便于遠距離運輸。LNG在送達接收站后，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傭。目前LNG氣化主要20有三種方式以海水或空氣為熱源通過換熱器加熱氣化(約占50%以上)；浸沒燃燒氣化器加熱氣化(約占30%以上)，主要用在尖峰負荷或年平均海水溫度偏低的國家和地區(qū)；通過換熱器對LNG的冷傭進行回收利用。需要指出的是，前兩種方式都沒有利用LNG的冷傭，而且用海水來氣化LNG不利于海洋生態(tài)。目前，LNG冷燜已成功應用于眾多領域，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。其5中，尤以日本、美國和歐盟對LNG冷傭的利用較為廣泛和充分，其需求量也呈不斷增大的趨勢。日本由于缺乏能源，每年均大量進口LNG。1996年LNG在日本的能源結(jié)構(gòu)中占11%，到2010年可占到13%。根據(jù)美國能源信息署(正A)《年度能源展望2005》預觀lj，LNG占美國天然氣總消費量的比例將從2002年的1%增至2015年的15%，到2025年將達到21%。為io了改變能源結(jié)構(gòu)、改善環(huán)境狀態(tài)，中國政府十分重視天然氣的開發(fā)和利用。為了引進國外LNG，深圳大鵬LNG接收站已基本建成，并準備在福建建造第二座LNG接收站。根據(jù)規(guī)劃，2015年中國的LNG進口量將達到4200萬噸。利用LNG冷傭發(fā)電可以分為兩大類l)以LNG為冷源、環(huán)境或低溫15廢熱為熱源組成相對獨立的發(fā)電系統(tǒng)；2)利用LNG冷傭改進動力循環(huán)的特性。利用LNG氣化冷傭的獨立發(fā)電方式主要有直接膨脹法，閉式Rankine循環(huán)法及復合法等。直接膨脹法將高壓LNG用海水加熱到過熱狀態(tài)后送入透平膨脹作功，然后將得到的低壓天然氣輸送到用戶。該方式的優(yōu)點是20系統(tǒng)簡單。但是僅僅回收了天然氣的壓力能，LNG氣化冷傭被白白浪費。閉式Rankine循環(huán)法是將LNG作為冷源，環(huán)境(通常是海水)作為熱源，釆用某種物質(zhì)為工質(zhì)組成閉式循環(huán)，該方法的冷傭回收率(循環(huán)作功與LNG冷擁的比值)較高。其中Rankine循環(huán)根據(jù)工作介質(zhì)不同還可以分為單一或共沸工質(zhì)Rankine循環(huán)和非共沸混合工質(zhì)Rankine循環(huán)。一般LNG在亞臨界氣化時，采用Rankine循環(huán)的效率較高。日本東京燃氣公司在橫濱建造的非共沸工質(zhì)LNG冷傭發(fā)電示范機組，LNG的氣化能力為5t/h,采用24°C5的海水作為熱源，額定發(fā)電功率為130kW。該公司研制的MFR工質(zhì)(主要成分為甲烷、乙烷、丙烷等)可以與LNG的氣化曲線實現(xiàn)較好的匹配，減少了氣化過程的傳熱傭損。復合法綜合了直接膨脹法和閉式Rankine循環(huán)法,低溫的LNG首先被壓縮增壓，然后通過冷凝器吸熱，帶動閉式Rankine循環(huán)對外作功，最后天然氣通過膨脹透平作功，復合法的冷傭回收率較高。101999年程文龍等對幾種利用LNG冷傭發(fā)電的系統(tǒng)進行了計算比較，相同計算條件下，直接膨脹法、閉式Rankine循環(huán)法和復合法的冷傭回收率分別為16.7%、26.9%禾卩28.1%。他們提出的復合法改進方案為，Rankine循環(huán)采用了抽氣回熱、天然氣膨脹采用了二次再熱，使冷傭回收率達到50%左右。程文龍等2000年對復合法改進方案重新進行了計算，用汽輪機的15排氣代替海水作為熱源，使冷傭回收率提高到55%左右，并且認為該系統(tǒng)可以避免海水對換熱設備的腐蝕。1997年ChiesaP.對利用LNG冷傭的發(fā)電系統(tǒng)進行研究，分析和比較了4個方案(l)帶回熱的Brayton循環(huán)系統(tǒng)。LNG輸送壓力為7.0MPa(用于遠距離輸送天然氣)，用氮氣作為工作介質(zhì)。采用閉式回熱的Bmyton循20環(huán)，LNG氣化使壓氣機進口氣體冷卻到-131.6。C。采用外燃方式，透平進氣溫度為83(TC。優(yōu)化后的系統(tǒng)效率(熱力學第一定律效率，系統(tǒng)對外作功與消耗的天然氣化學熱值之比)為59.75%,傭效率(熱力學第二定律效率，系統(tǒng)對外作功與消耗的天然氣的傭及LNG冷傭之和的比值)為50.61%。(2)復合的氣體循環(huán)系統(tǒng)。LNG輸送壓力為7.0MPa，頂循環(huán)為常規(guī)的燃氣輪機循環(huán)，底循環(huán)為閉式的氮氣循環(huán)，壓氣機入口的氮氣溫度為-147.9'C。頂循環(huán)采用GELM6000-PC燃氣輪機，優(yōu)化后系統(tǒng)效率為63.31%,傭效5率為53.85°/。。(3)帶膨脹透平的復合氣體循環(huán)系統(tǒng)。LNG輸送壓力為3.0MPa(用于向聯(lián)合循環(huán)電廠輸送天然氣)，除LNG氣化過程外，系統(tǒng)與方案(2)相同，LNG被壓縮至13.0MPa以改善冷卻過程中與氮氣的熱匹配，氣化后通過膨脹透平參數(shù)降為3.0MPa/15'C。壓氣機入口的氮氣溫度為-144.7°C。頂循環(huán)采用SiemensV64.3A燃氣輪機，優(yōu)化后的系統(tǒng)效率達到1066.19%，傭效率為55.67%。(4)復合的氣體一有機工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)。LNG輸送壓力為3.0MPa。頂循環(huán)為常規(guī)的燃氣輪機循環(huán)，底循環(huán)為帶回熱的閉式有機工質(zhì)(CHF3)循環(huán)，CHF3被LNG冷卻后凝結(jié)(-85.9r:)，通過泵增壓到14.0MPa。在LNG蒸發(fā)器中3.0MPa的LNG被加熱到飽和氣體狀態(tài)，LNG的過熱通過海水或河水完成。頂循環(huán)采用GELM6000-PC燃氣輪機，15優(yōu)化后的系統(tǒng)效率達到66.41%，傭效率為52.15%。方案1由于采用外燃方式，透平初溫受到限制，系統(tǒng)效率不高；相對于方案1，后三個方案效率更高，但是由于采用復合循環(huán)，系統(tǒng)更為復雜。利用LNG冷傭改進動力循環(huán)特性最簡單的方式是利用LNG冷能冷卻循環(huán)水，以提高凝汽器的真空，從而提高蒸汽動力循環(huán)或聯(lián)合循環(huán)的效率。20該方式具有技術(shù)成熟、附加投資少的優(yōu)點，而且在沒有LNG的條件下系統(tǒng)可以繼續(xù)運行。但是該方式對LNG冷傭利用不充分，聯(lián)合循環(huán)效率提高不足1%。2000年DesideriU.等提出的系統(tǒng)方案中，利用一部分LNG使海水溫度降低10°C，其余LNG被余熱鍋爐排煙加熱后送入膨脹透平對外作功。采用GE6FA燃氣輪機時，聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的效率最高達到57.2%，擁效率達到49.1%。該方案與ChiesaR的方案3類似，頂循環(huán)為常規(guī)的燃氣輪機開式循環(huán)，底循環(huán)為閉式的氣體循環(huán)；LNG采用兩個輸送壓力52.5MPa和7.3MPa，LNG氣化后一部分以高壓輸出，另一部分從頂循環(huán)排氣吸熱后通過膨脹透平作功，然后以低壓向用戶輸送。同時，通過對以N2、He和C02為底循環(huán)工質(zhì)的三種方案的計算比較，DesideriU.等指出N2工質(zhì)底循環(huán)的系統(tǒng)性能最佳，采用GE7EA燃氣輪機條件下，系統(tǒng)效率最高達到54.2%，傭效率達到47.5%。io利用LNG冷傭改進動力循環(huán)特性的其它常見方式還包括利用LNG氣化冷傭冷卻燃氣輪機循環(huán)壓氣機進氣等。2000年HanawaK.提出了利用LNG冷傭的閉式Ericsson循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)方案，該系統(tǒng)釆用三級壓縮、三級膨脹，以空氣為工質(zhì)，空氣預熱器和二級再熱器的高溫熱源來自聯(lián)合循環(huán)機組中燃氣輪機排氣和余熱鍋爐排氣的混合物，空氣預冷器和二級再熱器15的低溫冷源來自LNG的氣化過程。Ericsson循環(huán)效率達到3537%，高于相同條件下的蒸汽底循環(huán)效率(約30%)，與初溫1200。C的Brayton循環(huán)的效率相當。LNG氣化得到的低溫天然氣(-73'C)用于冷卻壓氣機進口空氣，可以使相應的聯(lián)合循環(huán)機組功率提高1.1°/。，效率提高0.4%。Ericsson循環(huán)具有不消耗額外燃料，無污染及通過冷卻壓氣機入口空氣滿足夏季工況20下的尖峰負荷要求等優(yōu)點。但是該方案附加設備費用較高，至今尚未實現(xiàn)工程應用。TsujikawaY.等2000年提出MGT(MirrorGasTurbine)利用LNG冷傭的發(fā)電系統(tǒng)，以常規(guī)燃氣輪機為頂循環(huán)，以倒置的間冷Brayton循環(huán)為底循環(huán)，間冷采用LNG氣化冷傭。在采用初溫150(TC等級的燃氣輪機的條件下，系統(tǒng)效率(即系統(tǒng)對外作功與消耗的天然氣能量、LNG氣化過程釋放冷量之和的比值)達到55.5%。用管道輸送LNG時，受材料和輸送距離的影響，建設費用較高；而5輸送已氣化的天然氣，因管道阻力會引起壓力下降和溫度升高，從而造成可用能的浪費。因此，從能量有效利用和經(jīng)濟性兩方面來看利用LNG冷傭發(fā)電的前提是電站要與LNG接收站一體化建設。從世界范圍內(nèi)的能源利用現(xiàn)狀來分析，2002—2025年，世界天然氣消費的年均增長率為2.3%。預計這一時期天然氣的消費量將增加70%(其中，io同時期亞洲新興經(jīng)濟地區(qū)的天然氣消費將增長三倍)，從26.05xl012m3到44.17xl012m3，天然氣在總能源消費中的比例將從23%增加到25%。2004一2015年，世界的LNG貿(mào)易量將從1.32億噸增加到3.75億噸。亞太地區(qū)新增加的LNG需求將達到6500萬噸，主要來自中國、印度和北美洲西海岸等新興市場。可見，研究和開發(fā)高效利用LNG冷傭的發(fā)電技術(shù)具有十15分重要的意義。2.二氧化碳(C02)減排分離技術(shù)當今世界，溫室效應引起的全球氣候變暖已經(jīng)引起各國廣泛的重視。導致溫室效應的溫室氣體主要有二氧化碳、甲垸、氟化物和一氧化二氮等。而燃用化石燃料則是導致大氣中C02平衡破壞的根本原因?；剂系闹?0要利用方式之一是發(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排放水平已成為關注的焦點。提高系統(tǒng)效率可以相應減少單位發(fā)電的C02排放量，但是難以實現(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。天然氣發(fā)電系統(tǒng)一般采用燃氣一蒸汽聯(lián)合循環(huán)，目前，分離C02的技5術(shù)大體可以分為三類(l)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)02/(:02循環(huán)系統(tǒng)；該系統(tǒng)是基10于C02零排放的動力系統(tǒng)。其特點在于以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C02冷凝壓力為67MPa(相應的冷凝溫度為2030°C)，循環(huán)效率可以達到3549%。StaicoviciMD.于2002年在相關研究中，將熱吸收制冷技術(shù)應用于02/C02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)效率達到54%。(3)天然氣重整與聯(lián)合15循環(huán)結(jié)合的系統(tǒng)；首先對天然氣進行重整，得到CO和H2，然后通過轉(zhuǎn)化反應使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氣輪機聯(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)機構(gòu)(NEDO)的20報告對從混合氣體中分離C02進行了實驗研究，得到了-55"C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)進行了研究。2005年，鄧世敏等提出了利用液化天然氣冷傭分離C02的燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)及流程(專利號ZL02107780.0)。該循環(huán)釆用N2作為循環(huán)工質(zhì)，N2與空氣的混合氣體被LNG冷卻后送入壓氣機，燃氣透平排氣(包括N2、C02和H20)通過LNG氣化單元實現(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，然后連同多余的N2(送入系統(tǒng)的空氣中所5含有的那部分N2)被排出系統(tǒng)。該循環(huán)的特點是避免了空分裝置耗能，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冷傭發(fā)電系統(tǒng)提高了10至15個百分點。但是該循環(huán)只能分離回收約80%由燃燒過程產(chǎn)生的0)2，尚未實現(xiàn)C02零排放?？梢?，無論是在燃料的轉(zhuǎn)化過程中還是從燃燒后的煙氣中分離C02，io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，C02分離過程通常會使系統(tǒng)效率下降510%。因此如何降低分離能耗成為C02分離技術(shù)實現(xiàn)突破的關鍵。15
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明主要是針對世界各地的LNG接收站(包括中國沿海地區(qū)計劃建設的LNG接收站)的動力(發(fā)電)循環(huán)系統(tǒng)。目前利用LNG冷傭的動力循環(huán)系統(tǒng)多以獨立的發(fā)電方式為主，LNG冷傭利用并不充分，系統(tǒng)相對復雜，而且對天然氣燃燒所產(chǎn)生的C02缺乏有效的分離回收。20本發(fā)明的目的之一是利用LNG的冷傭，較大幅度地提高了動力循環(huán)系統(tǒng)的性能。采用由Bmyton循環(huán)和超臨界Rankine循環(huán)組成的聯(lián)合循環(huán)。其中，采用內(nèi)燃、完全燃燒、回熱、半閉式Brayton循環(huán)，通過回熱單元實現(xiàn)與Rankine循環(huán)的耦合構(gòu)成聯(lián)合循環(huán)，同時Rankine循環(huán)的膨脹透平排氣又作為Brayton循環(huán)部分工質(zhì)。此外，通過與LNG氣化過程的整合，利用LNG對低壓壓氣機入口工質(zhì)直接進行冷卻，從而提高了循環(huán)溫比，為高效利用LNG冷傭開拓了新的方向。5本發(fā)明的另一個目的就是分離回收C02。整個系統(tǒng)以C02為循環(huán)工質(zhì)，通過LNG氣化過程中對燃氣透平排氣進行冷卻，C02氣體冷凝為液態(tài)后部分(由天然氣燃燒產(chǎn)生的C02)排出系統(tǒng)另行回收處理，其余C02繼續(xù)作為循環(huán)工質(zhì)。避免了常規(guī)分離技術(shù)耗功的缺點，同時實現(xiàn)了對C02的有效回收利用，從而為動力循環(huán)系統(tǒng)分離C02提供了新的途徑。io為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種利用液化天然氣(LNG)冷傭?qū)崿F(xiàn)二氧化碳(C02)零排放的熱力循環(huán)系統(tǒng)，包括由以C02為循環(huán)工質(zhì)的超臨界Rankine循環(huán)和Brayton循環(huán)組成的聯(lián)合循環(huán)及液化天然氣(LNG)氣化系統(tǒng)，主要設備包括空分裝置通過預熱器連接燃燒室，將空氣中分離得到的氧氣作為燃15燒室中燃燒反應的氧化劑；液化天然氣氣化器用以將天然氣加熱氣化，連接供冷外網(wǎng)和預熱器;低壓壓氣機分別連接液化天然氣氣化器和預熱器，將C02氣體升壓至其對應的冷凝壓力；高壓壓氣機分別連接低壓壓氣機和回熱器，將C02氣體升壓至20Brayton循環(huán)的最高壓力；燃燒室連接燃氣透平和回熱器，使天然氣和氧氣發(fā)生燃燒反應，得到高溫氣體；燃氣透平連接發(fā)電系統(tǒng)，使高溫燃氣膨脹做功；回熱器對C02氣體、高壓壓氣機出口氣體及超臨界C02膨脹透平排氣進行加熱并冷卻燃氣透平排氣；預熱器利用低壓壓氣機出口的C02氣體對送入燃燒室的氧氣和天然5氣進行預熱；分水器連接于回熱器和液化天然氣氣化器，將回熱過程中產(chǎn)生的冷凝水排出系統(tǒng)。除上述主要設備外，還包括有LNG增壓泵對低壓LNG進行壓縮升壓；10液態(tài)C02增壓泵對低壓液態(tài)C02進行壓縮升壓；C02膨脹透平超臨界壓力C02氣體在其中膨脹作功，壓力降至稍高于燃燒室的燃燒反應壓力；外網(wǎng)供冷器利用LNG氣化后得到的具有較低溫度的天然氣作為向外網(wǎng)供冷的冷源，實現(xiàn)制冷輸出。15上述各設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化天然氣(LNG)冷傭?qū)崿F(xiàn)二氧化碳零排放的熱力循環(huán)系統(tǒng)的流程，其主要為LNG在LNG氣化器中加熱氣化，得到的天然氣尚具有較低溫度，利用其通過外網(wǎng)供冷器對外網(wǎng)用戶實現(xiàn)制冷輸出后，一部分作為燃料送入燃20氣輪機燃燒室，其余大部分向外界用戶輸送；經(jīng)LNG氣化器冷卻到很低溫度的C02氣體進入低壓壓氣機增壓至所對應的冷凝壓力。然后，一部分送往Rankine循環(huán)；另一部分送往Brayton循環(huán)。在Rankine循環(huán)中，來自低壓壓氣機的C02氣體先經(jīng)預熱器對送往燃5燒室的氧氣和天然氣進行預熱后，送入LNG氣化器冷凝，再經(jīng)增壓泵升至超臨界壓力。所得的液態(tài)C02除小部分被排出系統(tǒng)另行回收利用外，絕大部分作為循環(huán)工質(zhì)經(jīng)回熱器被燃氣透平排氣加熱后送入膨脹透平作功，透平排氣經(jīng)回熱器預熱升溫后送入燃燒室。在Brayton循環(huán)中，來自低壓壓氣機的C02氣體經(jīng)高壓壓氣機升至ioBrayton循環(huán)的最高壓力，然后經(jīng)回熱器預熱后送入燃燒室，與天然氣及氧氣發(fā)生燃燒反應，得到的高溫氣體進入燃氣透平膨脹作功；透平排氣在回熱器中被冷卻后，經(jīng)分水器將冷凝產(chǎn)生的液態(tài)水排出，C02氣體則送入LNG氣化器重新開始循環(huán)。本發(fā)明流程中，當LNG為低壓力時先經(jīng)過LNG增壓泵壓縮，然后在15LNG氣化器中加熱氣化。本發(fā)明流程中，利用LNG氣化過程產(chǎn)生的低溫使得氣態(tài)C02液化，然后再通過液態(tài)C02增壓泵升至超臨界壓力。本發(fā)明流程中，空氣通過空分裝置分離得到氧氣作為氧化劑送入燃燒室，同時得到液態(tài)N2和Ar。20本發(fā)明流程中，以潔凈天然氣為燃料；以二氧化碳作為循環(huán)工質(zhì)；采用由超臨界Rankine循環(huán)和內(nèi)燃、回熱Brayton循環(huán)組成的聯(lián)合循環(huán)；利用LNG冷傭?qū)Φ蛪簤簹鈾C入口工質(zhì)直接進行冷卻；本發(fā)明流程中，利用燃氣透平排煙在回熱器中先后對膨脹透平的進、出口工質(zhì)進行預熱，其中膨脹透平出口工質(zhì)經(jīng)預熱后送入燃燒室。本發(fā)明流程中，采用半閉式Brayton循環(huán)，氧氣送入燃燒室與天然氣混合進行完全燃燒，反應的產(chǎn)物包括H20和C02，其中1120經(jīng)回熱器冷5凝液化后分離析出。本發(fā)明流程中，燃氣透平排氣中的C02全部經(jīng)LNG氣化過程冷凝為液態(tài)，然后一小部分(即由天然氣和氧氣燃燒反應生成的C02)被排出系統(tǒng)另行回收處理，其余作為循環(huán)工質(zhì)。本發(fā)明流程中，通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)中Bmyton循環(huán)流率比Rg(指經(jīng)高壓壓氣機升壓后送入燃燒室的C02流率與整個系統(tǒng)中C02總流率之比)，循環(huán)流程相應變形為Brayton循環(huán)(Rg二l)和類MANTIANT循環(huán)(Rg-0)。本發(fā)明在燃氣透平初溫1300°C，膨脹透平進氣參數(shù)為623.5°C/15MPa的條件下，系統(tǒng)發(fā)電效率達到65%，傭效率達到50.9%;理論上可以回收天然氣燃燒產(chǎn)生的全部C02;系統(tǒng)中利用的LNG冷傭相當于系統(tǒng)輸入15燃料傭的28%。本發(fā)明通過系統(tǒng)集成把熱力循環(huán)、LNG冷傭一體化利用和無功耗分離C02有機結(jié)合為一個整體，實現(xiàn)了熱力循環(huán)(動力發(fā)電系統(tǒng))的高效性和優(yōu)秀的環(huán)保性能；同時系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單，運行可靠安全；此外，整個系統(tǒng)不消耗水，從而大大提高了工程應用的范圍；此外，天然氣燃燒產(chǎn)生的水20還可以回收，系統(tǒng)分離得到的低溫液態(tài)C02便于進一步處理或用于交易；空分過程還可以得到有價值的副產(chǎn)品——液態(tài)C02和Ar等?？梢姡麄€循環(huán)是一個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力系統(tǒng)。本發(fā)明的系統(tǒng)中，以LNG氣化后得到的天然氣為燃料，以C02為工質(zhì)；頂循環(huán)采用半閉式、內(nèi)燃Bmyton循環(huán)，充分利用現(xiàn)代燃氣輪機初溫5高的優(yōu)勢；底循環(huán)一Rankine循環(huán)通過回熱系統(tǒng)從頂循環(huán)吸熱，依據(jù)換熱雙方工質(zhì)的溫度水平對換熱過程中回熱器設置進行合理安排，通過有效的熱整合大大減少了換熱過程的不可逆損失，為系統(tǒng)性能的提高提供了保證；本發(fā)明具有動力循環(huán)效率高、系統(tǒng)簡單的優(yōu)點。本循環(huán)將LNG氣化系統(tǒng)與動力循環(huán)整合，它一方面使壓氣機入口的工10質(zhì)被冷卻，提高了循環(huán)的溫比，另一方面為氣態(tài)C02冷凝過程提供了一個遠低于環(huán)境溫度的冷源，實現(xiàn)了對C02的無功耗冷凝液化分離；同時還使LNG得以氣化，因此具有一舉三得的作用。本系統(tǒng)中采用半閉式Bmytcm循環(huán)。以C02作為循環(huán)工質(zhì)，在燃燒室加入天然氣燃料和氧氣，兩者完全燃燒，反應生成物H20和C02先后通15過冷凝液化被分離后排出系統(tǒng)，從而保持了系統(tǒng)工質(zhì)平衡。在LNG氣化器中被冷卻的工質(zhì)為C02，從而保證了LNG氣化器的運行安全。天然氣燃燒產(chǎn)生的水蒸汽通過LNG氣化器中凝結(jié)析出，使得循環(huán)中燃燒反應產(chǎn)生的水得以回收。本發(fā)明中，天然氣輸送壓力為亞臨界壓力時，LNG氣化后得到的天然20氣溫度((TC以下)較低，可以先通過外網(wǎng)供冷器對外供冷，然后再送往用戶或燃燒室，從而實現(xiàn)冷電聯(lián)產(chǎn)。本發(fā)明采用空分分離得到的純氧作為燃燒反應的氧化劑，在燃燒室中與天然氣燃料完全燃燒，燃燒產(chǎn)物只含有C02和H2(3，為利用LNG冷傭分離002創(chuàng)造了條件。目前分離C02的技術(shù)都伴隨著大量能耗，使系統(tǒng)效率大幅降低。本發(fā)5明利用LNG氣化過程產(chǎn)生的低溫使氣態(tài)的C02液化；整個過程不消耗額外的機械功。因此無功耗分離C02又是本發(fā)明的一大特點。回收C02，一方面可以降低溫室氣體的排放，提高發(fā)電系統(tǒng)的環(huán)保性會g;同時液態(tài)C02便于進一步處理或作為商品出售(液態(tài)二氧化碳被廣泛應用于焊接、消防、冷凍食品和軟飲料等方面)，獲取額外的經(jīng)濟效益，從10而提高了整個系統(tǒng)的經(jīng)濟性。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、回熱、高溫比Bmyton循環(huán)與超臨界Rankine循環(huán)組成的聯(lián)合循環(huán)，采用天然氣燃料與氧氣完全燃燒方式，以C02為循環(huán)工質(zhì)，在不消耗額外的能量的前提下，通過與LNG氣化系統(tǒng)的整合，直接利用LNG低溫15冷傭?qū)02的進行液化分離，實現(xiàn)了C02的零排放。因此，該系統(tǒng)具有熱力性能優(yōu)秀、經(jīng)濟性好和環(huán)保性強等顯著優(yōu)點。下面將結(jié)合相應附圖對本發(fā)明的具體實施例進行詳細描述。20圖1為根據(jù)本發(fā)明的利用液化天然氣(LNG)冷傭?qū)崿F(xiàn)二氧化碳零排放的熱力循環(huán)系統(tǒng)流程圖。具體實施例方式參看圖1，本發(fā)明的主要部分為由以C02為循環(huán)工質(zhì)的Bmyton循環(huán)和超臨界Rankine循環(huán)組成的聯(lián)合循環(huán)及液化天然氣(LNG)氣化系統(tǒng)。該循環(huán)中1—LNG增壓泵；2—LNG氣化器；3—外網(wǎng)供冷器；4預熱器；55—空分裝置；6—分水器；7—低壓壓氣機；8—高壓壓氣機；9—液態(tài)C02增壓泵；IO—回熱器；11一C02膨脹透平；12—燃燒室；13—燃氣透平；14一發(fā)電機。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ioLNG經(jīng)增壓泵1被升壓亞臨界壓力狀態(tài)(S2)，在LNG氣化器2中吸熱氣化為低溫((TC以下)天然氣(S4)，再通過外網(wǎng)供冷器3對外網(wǎng)用戶實現(xiàn)制冷輸出后達到常溫亞臨界壓力狀態(tài)，然后分為兩部分一小部分天然氣(S6)作為燃料送入燃燒室12，其余絕大部分天然氣(S5)向外界用戶輸送；經(jīng)LNG氣化器2被LNG冷卻到很低溫度的C02氣體(S13)進入低壓壓15氣機7，被壓縮增壓至所對應的冷凝壓力；然后分為兩股，一部分(S14)送往Rankine循環(huán)；另一部分(S23)送往Brayton循環(huán)。Rankine循環(huán)中，C02氣體(S14)在預熱器4中對天然氣(S6)和通過空分裝置5分離得到的氧氣(S10)預熱后，經(jīng)LNG氣化器2冷凝為液態(tài)(S16)，再經(jīng)液態(tài)C02增壓泵9升至超臨界壓力狀態(tài)S17/S18。除一小部分液態(tài)20C02(S17)被排出系統(tǒng)外，絕大部分液態(tài)C02(S18)通過回熱器10被燃氣透平排氣(S28)加熱至狀態(tài)S20送入膨脹透平11作功，透平排氣S21經(jīng)回熱器10被燃氣透平排氣S27加熱升溫后送入燃燒室12。Brayton循環(huán)中，C02氣體(S23)經(jīng)高壓壓氣機8升壓至Brayton循環(huán)的最高壓力狀態(tài)S24，然后經(jīng)回熱器10加熱至狀態(tài)S25送入燃燒室12。燃燒室中，天然氣(S7)與氧氣(S11)在燃燒室12中發(fā)生完全燃燒反應，反應產(chǎn)物(包括水蒸汽和C02氣體)連同經(jīng)回熱后送入燃燒室的C02氣體(S22，5S25)共同作為透平進氣(S26)送入燃氣透平13作功；透平排氣(S27)經(jīng)回熱器10冷卻后進入分水器6將冷凝產(chǎn)生的液態(tài)水(S31)排出，C02氣體(S12)則送入LNG氣化器2重新開始循環(huán)。本發(fā)明的系統(tǒng)在天然氣輸送壓力為3.06MPa時，平衡工況性能參數(shù)見表l。有關條件為系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行狀況下，壓氣機等熵效率88%;燃燒室10燃燒效率100X(CH4和02按照完全燃燒的化學計量比反應)，壓損為3%;燃氣透平等熵效率88%，進氣溫度130(TC;回熱器最小傳熱溫差l(TC;LNG氣化器最小傳熱溫差5'C，壓損為3%;LNG增壓泵效率77X;C02膨脹透平等熵效率88。％;LNG的成分為100%的CH4。循環(huán)最低溫度為-70°。以避免C02氣體在環(huán)境壓力(0.1MPa)下凝結(jié)(CO2氣體在壓力為15O.lMPa時飽和溫度為-78(C)。在天然氣輸送壓力為3.06MPa時，低、高壓壓氣機壓比分別為6.6和4.6，回熱器冷側(cè)工質(zhì)的最高溫度約為620°C，送入燃燒室的C02工質(zhì)(流股5和16)溫度均為623.5°C，Brayton循環(huán)工質(zhì)流率比(高壓壓氣機升壓后送入燃燒室的C02流率與送入燃燒室的C02總流率之比)為0.7，LNG質(zhì)20量流率為54.7kg/s的條件下，系統(tǒng)輸入的燃料能量為109.9MW，LNG冷傭為30.5MW(其中54%可用于產(chǎn)功發(fā)電)，機組凈輸出功率達到71.4MW，對外制冷量為30MW，發(fā)電效率達到65%，傭效率達到50.9%，循環(huán)所利說明書第17/20頁用的LNG冷傭相當于輸入燃料能的28%。如果現(xiàn)有系統(tǒng)中Brayton循環(huán)采用再熱間冷循環(huán)，系統(tǒng)發(fā)電效率將達到66.5%，傭效率達到53%;若Brayton循環(huán)采用再熱循環(huán)，系統(tǒng)發(fā)電效率將達到67.5%，傭效率達到53.6/0。5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)集成和無功耗分離C02技術(shù)使得其效率相對于現(xiàn)有的單純利用LNG冷傭發(fā)電的系統(tǒng)提高了914X。同時，已有的利用LNG冷傭發(fā)電并分離co2的最優(yōu)系統(tǒng)(鄧世敏等提出的循環(huán))對天然氣燃燒產(chǎn)生C02的回收率只能達到約80%，而本系統(tǒng)則可以全部回收這部分C02，從而實現(xiàn)io了C02零排放。因此本發(fā)明的系統(tǒng)在利用LNG冷傭提高系統(tǒng)效率和分離C02方面都取得了突破。本發(fā)明的系統(tǒng)和流程可以回收天然氣燃燒生成的全部二氧化碳和水，具有優(yōu)秀的環(huán)保性能和良好的技術(shù)經(jīng)濟性。本發(fā)明作為一個二氧化碳零排放的動力發(fā)電系統(tǒng)，其流程簡單、運行is可靠性高，使用常規(guī)的動力循環(huán)設備(包括燃氣輪機、膨脹透平)，不消耗水，在發(fā)電的同時實現(xiàn)了無耗功分離C02，因此具有廣闊的工程應用前景。表2為本發(fā)明的循環(huán)平衡工況狀態(tài)參數(shù)，表3為本發(fā)明系統(tǒng)熱力性能數(shù)據(jù)。表1系統(tǒng)主要性能參數(shù)<table>tableseeoriginaldocumentpage23</column></row><table>a表中Bmyton循環(huán)工質(zhì)流率比是指經(jīng)高壓壓氣機升壓后送入燃燒室的C02流率與送入燃燒室的C02總流率之比。b表中02的分離比功是指狀態(tài)參數(shù)為3.06MPa/15°C時的02分離比功。表2.循環(huán)平衡工況狀態(tài)參數(shù)<table>tableseeoriginaldocumentpage24</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage25</column></row><table>注燃燒室進口C02工質(zhì)質(zhì)量流率設為100kg/S表3系統(tǒng)熱力性能數(shù)據(jù)(天然氣輸送壓力3MPa)<table>tableseeoriginaldocumentpage25</column></row><table>注燃料比率是指作為燃燒室燃料的天然氣流率占全部天然氣流率的比率。表3中效率的計算公式發(fā)電效率二凈輸出功率/(天然氣消耗量x天然氣低位熱值)=凈輸出功率/燃料能輸入傭效率二凈輸出功率/(天然氣消耗量x天然氣低位熱值+LNG流率xLNG的單位冷傭)二凈輸出功率/(燃料能輸入+LNG冷傭輸入)權(quán)利要求1、一種利用液化天然氣冷實現(xiàn)二氧化碳零排放的熱力循環(huán)系統(tǒng)，由以CO2為循環(huán)工質(zhì)的Brayton循環(huán)和超臨界Rankine循環(huán)組成的聯(lián)合循環(huán)及液化天然氣氣化系統(tǒng)，主要設備包括空分裝置通過預熱器連接燃燒室，將空氣中分離得到的氧氣作為燃燒室中燃燒反應的氧化劑；液化天然氣氣化器用以將天然氣加熱氣化，連接供冷外網(wǎng)和預熱器；低壓壓氣機分別連接液化天然氣氣化器和預熱器，將CO2氣體升壓至其對應的冷凝壓力；高壓壓氣機分別連接低壓壓氣機和回熱器，將CO2氣體升壓至Brayton循環(huán)的最高壓力；燃燒室連接燃氣透平和回熱器，使天然氣和氧氣發(fā)生燃燒反應，得到高溫氣體；燃氣透平連接發(fā)電系統(tǒng)，使高溫燃氣膨脹做功；回熱器對CO2氣體、高壓壓氣機出口氣體及超臨界CO2膨脹透平排氣進行加熱并冷卻燃氣透平排氣；預熱器利用低壓壓氣機出口的CO2氣體對送入燃燒室的氧氣和天然氣進行預熱；分水器連接于回熱器和液化天然氣氣化器，將回熱過程中產(chǎn)生的冷凝水排出系統(tǒng)。2、如權(quán)利要求1所述的利用液化天然氣冷傭?qū)崿F(xiàn)二氧化碳零排放的熱力循環(huán)系統(tǒng)，其特征在于，還包括以下設備液化天然氣增壓泵對低壓液化天然氣進行壓縮升壓；液態(tài)C02增壓泵對低壓液態(tài)C02進行壓縮升壓；C02膨脹透平超臨界壓力C02氣體在其中膨脹作功，壓力降至稍高于燃燒室的燃燒反應壓力；外網(wǎng)供冷器利用液化天然氣氣化后得到的具有較低溫度的天然氣作為向外網(wǎng)供冷的冷源，實現(xiàn)制冷輸出。3、一種利用權(quán)利要求1所述的熱力循環(huán)系統(tǒng)的流程，其主要為-液化天然氣在液化天然氣氣化器中加熱氣化，得到的天然氣具有較低溫度，利用其通過外網(wǎng)供冷器對外網(wǎng)用戶實現(xiàn)制冷輸出后，一部分作為燃料送入燃氣輪機燃燒室，其余大部分向外界用戶輸送；經(jīng)液化天然氣氣化器冷卻到低溫的C02氣體進入低壓壓氣機增壓至所對應的冷凝壓力；然后，一部分送往Rankine循環(huán)；另一部分送往Bmyton循環(huán)；在Rankine循環(huán)中，來自低壓壓氣機的(302氣體先經(jīng)預熱器對送往燃燒室的氧氣和天然氣進行預熱后，送入液化天然氣氣化器冷凝，再經(jīng)增壓泵升至超臨界壓力；所得的液態(tài)C02部分被排出系統(tǒng)另行回收利用外，另部分作為循環(huán)工質(zhì)經(jīng)回熱器被燃氣透平排氣加熱后送入膨脹透平作功，透平排氣經(jīng)回熱器預熱升溫后送入燃燒室；在Brayton循環(huán)中，來自低壓壓氣機的C02氣體經(jīng)高壓壓氣機升至Brayton循環(huán)的最高壓力，然后經(jīng)回熱器預熱后送入燃燒室，與天然氣及氧氣發(fā)生燃燒反應，得到的高溫氣體進入燃氣透平膨脹作功；透平排氣在回熱器中被冷卻后，經(jīng)分水器將冷凝產(chǎn)生的液態(tài)水排出，C02氣體則送入液化天然氣氣化器重新開始循環(huán)。4、如權(quán)利要求3所述的流程，其特征在于當液化天然氣為低壓力時先經(jīng)過液化天然氣增壓泵壓縮，然后在液化天然氣氣化器中加熱氣化。5、如權(quán)利要求3所述的流程，其特征在于利用液化天然氣氣化過程產(chǎn)生的低溫使得氣態(tài)C02液化，然后再通過液態(tài)C02增壓泵升至超臨界壓力。6、如權(quán)利要求3所述的流程，其特征在于空氣通過空分裝置分離得到氧氣作為氧化劑送入燃燒室，同時得到液態(tài)N2和Ar。7、如權(quán)利要求3所述的流程，其特征在于以潔凈天然氣為燃料；采用由超臨界Rankine循環(huán)和內(nèi)燃、回熱Brayton循環(huán)組成的聯(lián)合循環(huán)；利用液化天然氣冷傭?qū)Φ蛪簤簹鈾C入口工質(zhì)直接進行冷卻；以二氧化碳作為循環(huán)工質(zhì)；8、如權(quán)利要求3所述的流程，其特征在于利用燃氣透平排煙在回熱器中先后對膨脹透平的進、出口工質(zhì)進行預熱，其中膨脹透平出口工質(zhì)經(jīng)預熱后送入燃燒室。9、如權(quán)利要求3所述的流程，其特征在于采用半閉式Brayton循環(huán)，氧氣送入燃燒室與天然氣混合進行完全燃燒，反應的產(chǎn)物包括H20和C02，其中H20經(jīng)回熱器冷凝液化后分離析出。10、如權(quán)利要求3所述的流程，其特征在于燃氣透平排氣中的C02全部經(jīng)液化天然氣氣化過程冷凝為液態(tài)，然后由天然氣和氧氣燃燒反應生成的C02被排出系統(tǒng)另行回收處理，其余作為循環(huán)工質(zhì)。11、如權(quán)利要求3所述的流程，其特征在于通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)中Brayton循環(huán)工質(zhì)流率比，循環(huán)流程相應變形為Brayton循環(huán)和類MANTIANT循環(huán)；其中-Brayton循環(huán)工質(zhì)流率比是指經(jīng)高壓壓氣機升壓后送入燃燒室的C02流率與送入燃燒室的C02總流率之比；Brayton循環(huán)工質(zhì)流率比=1;類MANTIANT循環(huán)工質(zhì)流率比二0。全文摘要本發(fā)明涉及能源
技術(shù)領域：
，特別是一種利用液化天然氣冷實現(xiàn)二氧化碳零排放的熱力循環(huán)系統(tǒng)及流程。該系統(tǒng)是由采用超臨界二氧化碳工質(zhì)Rankine循環(huán)和二氧化碳工質(zhì)Brayton循環(huán)組成的聯(lián)合循環(huán)，通過回熱單元實現(xiàn)循環(huán)內(nèi)部有效的熱整合；同時通過系統(tǒng)耦合將液化天然氣氣化單元作為循環(huán)的冷源，使得循環(huán)冷凝過程獲得遠低于環(huán)境溫度的冷源，從而在不消耗機械功的前提下將燃燒反應產(chǎn)生的CO₂全部從循環(huán)中分離出來。相對于現(xiàn)有的利用LNG冷的熱力(發(fā)電)循環(huán)系統(tǒng)，其熱力性能有了較大提高，同時實現(xiàn)了CO₂零排放，因此具有良好的經(jīng)濟性和廣闊的工程應用前景。文檔編號F17C7/00GK101101086SQ20061008958公開日2008年1月9日申請日期2006年7月5日優(yōu)先權(quán)日2006年7月5日發(fā)明者猛劉,娜張,諾姆·里奧申請人:中國科學院工程熱物理研究所