一种基于化学回注天然气重整燃气轮机耦合零能耗二氧化碳捕集的发电系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于化学回注天然气重整燃气轮机耦合零能耗二氧化碳捕集的发电系统及方法，该系统包括压气机、换热器、重整反应器、空气分离装置、燃烧室、透平机、发电机、分流器。将甲烷混合重整产生的合成气与空气分离装置分离出的纯氧通入燃烧室燃烧，产生主要含有二氧化碳、水和氧气的高温高压烟气，将这部分高温高压烟气进行燃气透平发电后形成中高温烟气，中高温烟气一部分与增压后的天然气混合重整，另一部分进行零能耗碳捕集，该方法大幅降低了积碳风险，为集成高效分布式供能系统提供了可行的方法。供了可行的方法。供了可行的方法。

【技术实现步骤摘要】
一种基于化学回注天然气重整燃气轮机耦合零能耗二氧化碳捕集的发电系统及方法


[0001]本专利技术涉及动力发电循环和天然气化工
，尤其是一种基于化学回注天然气重整燃气轮机耦合零能耗二氧化碳捕集发电系统及方法。

技术介绍

[0002]在我国能源消费快速增长的背景下，利用低碳或非化石能源替代高碳排放的煤炭是降低二氧化碳排放的重要手段之一。而天然气发电具有资源供应稳定以及技术成熟的优势。在天然气发电系统中，以天然气重整反应产生的合成气为燃料进行燃气透平。然而合成气燃烧产物包括水、二氧化碳和氧气，若直接排放需要额外耗能对二氧化碳进行捕集处理。
[0003]另外，在传统冷热电联产系统中，热机排烟余热仍具有较高的能量品位，如燃气轮机的烟气温度通常为500～600℃。吸收式制冷与热泵循环是有效的余热利用方式，但它们的驱动温度一般不高于200℃，将其简单地用于热机循环的下游回收烟气余热时，存在较大的不可逆损失，会造成联产系统能量梯级利用不充分。随着冷热电联产系统的快速发展和大规模应用，解决其中动力余热利用温度断层的难题将变得越来越迫切。

技术实现思路

[0004]因此，本专利技术提供一种基于化学回注天然气重整燃气轮机耦合零能耗二氧化碳捕集发电系统及方法，该方法通过集成高效分布式供能，体现出了对天然气化学能利用以及高热值烟气物理能、化学能综合梯级利用的用能思想，更好的解决了动力余热利用温度断层以及碳捕集能耗高等难题。
[0005]为达到上述目的，本专利技术的技术方案是：一种基于化学回注天然气重整燃气轮机耦合零能耗二氧化碳捕集的发电系统，包括第一压气机、重整反应器、氧气输入装置、第二压气机、燃烧室、透平机、发电机、分流器、第三压气机、第四压气机、天然气输入管道、二氧化碳输出管道；所述第一压气机的入口与天然气输入管道连接，第一压气机的出口与重整反应器的天然气入口连接，重整反应器的出口与燃烧室的燃料入口连接；氧气输入装置的氧气出口与第二压气机的入口连接，第二压气机的出口与燃烧室的氧气入口连接，燃烧室的出口与透平机的入口连接，透平机做功驱动发电机发电，透平机的出口与分流器的入口连接，分流器的第一出口与第三压气机的入口连接，第三压气机的出口与重整反应器的烟气入口连接，分流器的第二出口与第四压气机的入口连接，第四压气机的出口连接二氧化碳输出管道，对二氧化碳进行CCUS处理。
[0006]碳捕集、利用与封存技术(CCUS，Carbon Capture，Utilization and Storage) 是将二氧化碳从化石燃料电厂或工业设施中捕集提纯，然后通过运输投入新的生产过程加以利用，最终实现有效封存二氧化碳的目的。
[0007]化学回注分布式供能系统是在传统分布式能源基础上的拓展，是从系统角度将不同品位上的能量进行阶梯利用，来解决传统冷热电系统中温度断层的问题。以天然气重整
反应产生的合成气为燃料进行燃烧反应生成燃料总热值更高的烟气，是一种高效的天然气升级技术手段。与此同时，将两种温室气体天然气和二氧化碳通过反应得到高热值合成气，对缓解温室效应和提升能源供给具有重要意义。另外，烟气的回注能为甲烷重整反应提供所需要的氧化剂，其中水和氧气的引入，不仅提升了燃料转化率，还大幅降低了积碳风险。由于烟气经过冷凝后主要含二氧化碳和微量氧气，所以该方法的另一大亮点在于实现了二氧化碳的零能耗捕集，即无需额外耗能对二氧化碳进行捕集，对能源结构转型提供了一种高效可行的技术。
[0008]进一步改进，还包括第一换热器和第二换热器，所述第一换热器的冷侧入口与第一压气机的出口连接，冷侧出口与重整反应器的天然气入口连接，第一换热器的热侧入口与分流器的第一出口连接，热侧出口与第三压气机的入口连接；所述第二换热器的冷侧入口与第二压气机的入口连接，冷侧出口与燃烧室的氧气入口连接，第二换热器的热侧入口与分流器的第二出口连接，热侧出口与第四压气机的入口连接。
[0009]进一步改进，所述氧气输入装置包括空气分离装置和空气输入管道，空气分离装置的入口与空气输入管道的出口连接，空气分离装置的氧气出口与第二压气机的入口连接。通过使用空气分离装置提纯氧气与合成气进行燃烧，实现合成气燃烧效率以及天然气发电效率的大幅提升，同时提高了烟气中二氧化碳纯度，利于实现零能耗碳捕集。当然的，也可以用纯氧储气罐代替空气分离装置和空气输入管道为燃烧室提供氧气来源。
[0010]进一步改进，所述重整反应器为管式反应器、塔式反应器、釜式反应器、有固体颗粒床层的反应器、喷射反应器、固定床反应器、流化床反应器和腔体式反应器中的任一种。
[0011]其中，第一压气机、第二压气机、第三压气机和第四压气机是气体增压装置，用于将一股低压气体物流提升为一股高压气体物流。空气分离装置为空气分离设备，通过三级压缩、冷却、分子筛去除二氧化碳和水，再将净化后的空气通过换热器与分离塔分离成纯度较高的氮气和氧气。第一换热器和第二换热器为换热设备，一股热流体与一股冷流体在该设备内部交换热量。重整反应器内部发生了天然气与水蒸汽和二氧化碳的重整反应以及其它可能发生的所有反应。燃烧室为燃烧反应的场所，内部发生了天然气、氢气、一氧化碳的燃烧反应以及其他可能发生的所有反应，该装置也可以被其他能够为燃烧反应提供空间的装置替代。透平机是将流体介质中蕴含的能量转化为机械功的装置，可将高温烟气中的能量转化为机械功带动压气机和发电机工作。发电机是将其它形式的能转化为电能的装置，可将燃气透平输入发电机的机械能转化为电能。分流器是气体分流装置，用于将一股气体按一定比例分流成两股气体物流。
[0012]本专利技术还提供一种基于化学回注天然气重整燃气轮机耦合零能耗二氧化碳捕集的发电方法，该方法包括以下步骤：
[0013]S1、天然气经增压后与合成气燃烧产生的烟气混合重整，生成主要成分为二氧化碳和水的合成气；
[0014]S2、纯氧经增压后与合成气燃烧产生高温高压烟气，高温高压烟气进行燃气透平后形成中高温烟气，中高温烟气一部分与增压后的天然气混合重整，另一部分进行零能耗碳捕集。
[0015]进一步改进，S2中的中高温烟气一部分先预热增压后的天然气再增压参与重整，另一部分先预热增压后的纯氧再增加进行零能耗碳捕集。
[0016]通过本专利技术提供的技术方案，具有如下有益效果：
[0017]1、提升反应性能和降低积碳风险。本专利技术通过合成气燃烧产生的高温高压烟气部分回注甲烷重整反应器，其中，高温烟气中的主要成分二氧化碳、水和氧气均为甲烷混合重整提供氧化剂，该方法不仅提高了反应性能，也大幅降低了积碳风险。
[0018]2、发电效率大幅提升。本专利技术通过引入合成气燃烧反应，可有效解决透平排热能量品位损失较大的问题，在提升循环出功的同时增加了对中低温烟气余热深度挖掘利用的可能性，大幅提升了中温烟气的能量品位，提高烟气能量利用率。
[0019]3、零能耗捕集二氧化碳，提高天然气利用效率。本专利技术通过化学回注产生化学能更高的烟气和对燃气透平排气余热的充分利用，烟气经过冷凝后主要含二氧化碳和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于化学回注天然气重整燃气轮机耦合零能耗二氧化碳捕集的发电系统，其特征在于：包括第一压气机、重整反应器、氧气输入装置、第二压气机、燃烧室、透平机、发电机、分流器、第三压气机、第四压气机、天然气输入管道、二氧化碳输出管道；所述第一压气机的入口与天然气输入管道连接，第一压气机的出口与重整反应器的天然气入口连接，重整反应器的出口与燃烧室的燃料入口连接；氧气输入装置的氧气出口与第二压气机的入口连接，第二压气机的出口与燃烧室的氧气入口连接，燃烧室的出口与透平机的入口连接，透平机做功驱动发电机发电，透平机的出口与分流器的入口连接，分流器的第一出口与第三压气机的入口连接，第三压气机的出口与重整反应器的烟气入口连接，分流器的第二出口与第四压气机的入口连接，第四压气机的出口连接二氧化碳输出管道，对二氧化碳进行CCUS处理。2.根据权利要求1所述的一种基于化学回注天然气重整燃气轮机耦合零能耗二氧化碳捕集的发电系统，其特征在于：还包括第一换热器和第二换热器，所述第一换热器的冷侧入口与第一压气机的出口连接，冷侧出口与重整反应器的天然气入口连接，第一换热器的热侧入口与分流器的第一出口连接，热侧出口与第三压气机的入口连接；所述第二换热器的冷侧入口与第二压气机的入口连接，冷侧出口与燃烧室的氧气入口连接，第二换热器的热侧入口与分...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏博生，罗洁，汤淑婷，
申请(专利权)人：集美大学，
类型：发明
国别省市：