本发明专利技术涉及能源技术领域，特别是一种利用液化天然气冷＊实现二氧化碳零排放的热力循环系统及流程。该系统是由采用超临界二氧化碳工质Ｒａｎｋｉｎｅ循环和二氧化碳工质Ｂｒａｙｔｏｎ循环组成的联合循环，通过回热单元实现循环内部有效的热整合；同时通过系统耦合将液化天然气气化单元作为循环的冷源，使得循环冷凝过程获得远低于环境温度的冷源，从而在不消耗机械功的前提下将燃烧反应产生的ＣＯ↓［２］全部从循环中分离出来。相对于现有的利用ＬＮＧ冷＊的热力（发电）循环系统，其热力性能有了较大提高，同时实现了ＣＯ↓［２］零排放，因此具有良好的经济性和广阔的工程应用前景。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种将利用液化天然气(LNG)冷佣发电技术和二氧化碳(C02)减排分离技术相结合的热力循环系统及流程。
技术介绍
io 目前与本专利技术相关的技术主要包括利用液化天然气(LNG)冷佣发电技 术和二氧化碳(C02)减排分离技术，其各自技术的发展状况和系统特征如 下1、利用LNG冷佣发电技术天然气中含有的硫的成分在液化深冷过程中以固体形式析出、分离， 15因此LNG不含有硫化物，是一种安全、清洁的能源。天然气液化过程需 要耗费大量的能量用以压縮冷却(约为0.5kWh/kgLNG)，最终得到的LNG 处于超低温状态(约为-162t:)，具有相当大的物理冷佣。液化后的天然气 体积縮小约600倍，便于远距离运输。LNG在送达接收站后，先压縮升压 再加热气化配送用户。气化过程将释放大量的冷佣。目前LNG气化主要 20 有三种方式以海水或空气为热源通过换热器加热气化(约占50%以上)； 浸没燃烧气化器加热气化(约占30%以上)，主要用在尖峰负荷或年平均海 水温度偏低的国家和地区；通过换热器对LNG的冷佣进行回收利用。需要指出的是，前两种方式都没有利用LNG的冷佣，而且用海水来气化LNG 不利于海洋生态。目前，LNG冷焖已成功应用于众多领域，如液化分离空气、冷佣发电、 冷冻仓库、液化碳酸和干冰生产、低温粉碎处理废弃物及低温医疗等。其 5中，尤以日本、美国和欧盟对LNG冷佣的利用较为广泛和充分，其需求 量也呈不断增大的趋势。日本由于缺乏能源，每年均大量进口LNG。 1996 年LNG在日本的能源结构中占11%，到2010年可占到13%。根据美国能 源信息署(正A)《年度能源展望2005》预观lj， LNG占美国天然气总消费量 的比例将从2002年的1%增至2015年的15%，到2025年将达到21%。为 io 了改变能源结构、改善环境状态，中国政府十分重视天然气的开发和利用。 为了引进国外LNG，深圳大鹏LNG接收站已基本建成，并准备在福建建 造第二座LNG接收站。根据规划，2015年中国的LNG进口量将达到4200 万吨。利用LNG冷佣发电可以分为两大类l)以LNG为冷源、环境或低温 15废热为热源组成相对独立的发电系统；2)利用LNG冷佣改进动力循环的 特性。利用LNG气化冷佣的独立发电方式主要有直接膨胀法，闭式Rankine 循环法及复合法等。直接膨胀法将高压LNG用海水加热到过热状态后送 入透平膨胀作功，然后将得到的低压天然气输送到用户。该方式的优点是 20系统简单。但是仅仅回收了天然气的压力能，LNG气化冷佣被白白浪费。 闭式Rankine循环法是将LNG作为冷源，环境(通常是海水)作为热源，釆 用某种物质为工质组成闭式循环，该方法的冷佣回收率(循环作功与LNG冷拥的比值)较高。其中Rankine循环根据工作介质不同还可以分为单一或 共沸工质Rankine循环和非共沸混合工质Rankine循环。 一般LNG在亚临 界气化时，采用Rankine循环的效率较高。日本东京燃气公司在横滨建造 的非共沸工质LNG冷佣发电示范机组，LNG的气化能力为5t/h,采用24°C 5 的海水作为热源，额定发电功率为130kW。该公司研制的MFR工质(主要 成分为甲烷、乙烷、丙烷等)可以与LNG的气化曲线实现较好的匹配，减 少了气化过程的传热佣损。复合法综合了直接膨胀法和闭式Rankine循环 法,低温的LNG首先被压縮增压，然后通过冷凝器吸热，带动闭式Rankine 循环对外作功，最后天然气通过膨胀透平作功，复合法的冷佣回收率较高。10 1999年程文龙等对几种利用LNG冷佣发电的系统进行了计算比较，相同 计算条件下，直接膨胀法、闭式Rankine循环法和复合法的冷佣回收率分 别为16.7%、 26.9%禾卩28.1%。他们提出的复合法改进方案为，Rankine循 环采用了抽气回热、天然气膨胀采用了二次再热，使冷佣回收率达到50% 左右。程文龙等2000年对复合法改进方案重新进行了计算，用汽轮机的15排气代替海水作为热源，使冷佣回收率提高到55%左右，并且认为该系统 可以避免海水对换热设备的腐蚀。1997年Chiesa P.对利用LNG冷佣的发电系统进行研究，分析和比较 了 4个方案(l)带回热的Brayton循环系统。LNG输送压力为7.0MPa(用 于远距离输送天然气)，用氮气作为工作介质。采用闭式回热的Bmyton循20 环，LNG气化使压气机进口气体冷却到-131.6。C。采用外燃方式，透平进 气温度为83(TC。优化后的系统效率(热力学第一定律效率，系统对外作功 与消耗的天然气化学热值之比)为59.75%,佣效率(热力学第二定律效率，系统对外作功与消耗的天然气的佣及LNG冷佣之和的比值)为50.61%。(2) 复合的气体循环系统。LNG输送压力为7.0MPa，顶循环为常规的燃气轮 机循环，底循环为闭式的氮气循环，压气机入口的氮气温度为-147.9'C。 顶循环采用GE LM6000-PC燃气轮机，优化后系统效率为63.31%,佣效 5 率为53.85°/。。 (3)带膨胀透平的复合气体循环系统。LNG输送压力为 3.0MPa(用于向联合循环电厂输送天然气)，除LNG气化过程外，系统与 方案(2)相同，LNG被压縮至13.0MPa以改善冷却过程中与氮气的热匹配， 气化后通过膨胀透平参数降为3.0MPa/15'C。压气机入口的氮气温度为 -144.7°C。顶循环采用Siemens V64.3A燃气轮机，优化后的系统效率达到1066.19%，佣效率为55.67%。 (4)复合的气体一有机工质循环系统。LNG输 送压力为3.0MPa。顶循环为常规的燃气轮机循环，底循环为带回热的闭 式有机工质(CHF3)循环，CHF3被LNG冷却后凝结(-85.9r:)，通过泵增压 到14.0MPa。在LNG蒸发器中3.0MPa的LNG被加热到饱和气体状态， LNG的过热通过海水或河水完成。顶循环采用GE LM6000-PC燃气轮机，15 优化后的系统效率达到66.41%，佣效率为52.15%。方案1由于采用外燃 方式，透平初温受到限制，系统效率不高；相对于方案1，后三个方案效 率更高，但是由于采用复合循环，系统更为复杂。利用LNG冷佣改进动力循环特性最简单的方式是利用LNG冷能冷却 循环水，以提高凝汽器的真空，从而提高蒸汽动力循环或联合循环的效率。20 该方式具有技术成熟、附加投资少的优点，而且在没有LNG的条件下系 统可以继续运行。但是该方式对LNG冷佣利用不充分，联合循环效率提 高不足1%。 2000年Desideri U.等提出的系统方案中，利用一部分LNG使海水温度降低10°C，其余LNG被余热锅炉排烟加热后送入膨胀透平对外 作功。采用GE6FA燃气轮机时，联合循环系统的效率最高达到57.2%， 拥效率达到49.1%。该方案与ChiesaR的方案3类似，顶循环为常规的燃 气轮机开式循环，底循环为闭式的气体循环；LNG采用两个输送压力 5 2.5MPa和7.3MPa， LNG气化后一部分以高压输出，另一部分从顶循环排 气吸热后通过膨胀透平作功，然后以低压向用户输送。同时，通过对以 N2、 He和C02为底循环工本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种利用液化天然气冷＊实现二氧化碳零排放的热力循环系统，由以ＣＯ↓［２］为循环工质的Ｂｒａｙｔｏｎ循环和超临界Ｒａｎｋｉｎｅ循环组成的联合循环及液化天然气气化系统，主要设备包括：空分装置：通过预热器连接燃烧室，将空气中分离得到的氧气 作为燃烧室中燃烧反应的氧化剂；液化天然气气化器：用以将天然气加热气化，连接供冷外网和预热器；低压压气机：分别连接液化天然气气化器和预热器，将ＣＯ↓［２］气体升压至其对应的冷凝压力；高压压气机：分别连接低压压气机和回热 器，将ＣＯ↓［２］气体升压至Ｂｒａｙｔｏｎ循环的最高压力；燃烧室：连接燃气透平和回热器，使天然气和氧气发生燃烧反应，得到高温气体；燃气透平：连接发电系统，使高温燃气膨胀做功；回热器：对ＣＯ↓［２］气体、高压压气机出口 气体及超临界ＣＯ↓［２］膨胀透平排气进行加热并冷却燃气透平排气；预热器：利用低压压气机出口的ＣＯ↓［２］气体对送入燃烧室的氧气和天然气进行预热；分水器：连接于回热器和液化天然气气化器，将回热过程中产生的冷凝水排出系统。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：张娜，诺姆里奥，刘猛，
申请(专利权)人：中国科学院工程热物理研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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