将lng冷能用于空分制氧和碳捕获的天然气富氧燃烧系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电力行业天然气富氧燃烧电厂的集成系统，具体涉及LNG冷能空分制氧子系统、富氧高压加水燃烧循环发电子系统、高压液氧碳捕获子系统和高压液氮再循环制氧子系统。
【背景技术】
[0002]目前国内外电力行业的发电系统大多采用的是空气燃烧，燃料以煤为主。燃烧产物中形成N0x/S0x等大量的污染物，同时燃烧产生大量的二氧化碳直接排入大气，造成温室效应；
[0003]天然气富氧电厂可以显著降低N0x/S0x等污染物的排放，同时实现碳捕获。但是目前富氧燃烧示范电厂中所需要的氧气是通过空气分离装置分离空气中的氧气而来，空分制氧过程会使得电厂的发电效率降低10%左右，能耗巨大；同时为了实现碳捕获，需要对烟气中的二氧化碳进行压缩，碳捕获过程会使得电厂的发电效率降低8 %左右。空分制氧和碳捕获过程中消耗的能量会导致系统发电效率的显著降低。目前LNG电厂中一般是将LNG常压气化后的天然气作为燃料送入燃烧器，LNG冷能没有得到利用，能量浪费严重。
【发明内容】
[0004]本发明提供了一套将LNG冷能应用于空分制氧过程，同时实现碳捕获的天然气富氧燃烧电厂集成系统，解决LNG富氧电厂空分制氧能耗高、碳捕获回收成本高以及LNG冷能浪费量大的问题，对节能减排具有重大意义。
[0005]本发明所提供的天然气富氧燃烧电厂集成系统，其特征在于，包括LNG冷能空分制氧子系统、富氧高压加水燃烧循环发电子系统和高压液氧碳捕获子系统;其中所述LNG冷能空分制氧子系统包括多级压缩机、低温栗、第一换热器、第一分流器和精馏塔;所述第一换热器输入端分别与多级压缩机和低温栗的输出端相连，输出端分别与精馏塔和所述第一分流器的输入端相连;所述精馏塔的输出端与高压液氧碳捕获子系统的第三换热器相连;所述第一分流器输出端分别接高压燃气管网和富氧高压加水燃烧循环发电子系统的反应器；
[0006]其中，多级压缩机用于产生高压空气，低温栗用于将输入的LNG加压至高压状态；第一换热器用于高压空气和高压LNG换热，将高压LNG气化为高压天然气，将高压空气液化；精馏塔用于将高压空气精馏分离为高压液氧和高压液氮，向第三换热器供应低温高压液氧;第一分流器用于将高压天然气分成两路，一路供给高压燃气管网，一路供给反应器；
[0007]所述富氧高压加水燃烧循环发电子系统，包括反应器、第一透平机、第二换热器、冷凝器、分离器、第二分流器和水栗;反应器与第一分流器、第二换热器和高压液氧碳捕获子系统的第三换热器的输出端相连，分别用于获取高压天然气、高压水蒸气和高压氧气;反应器输出端经第一透平机与第二换热器的输入端相连，用于将反应器生成的二氧化碳和水蒸气高压混合物膨胀做功，随后送入第二换热器;所述第二换热器输入端还与水栗的输出端相连，实现经第一透平机膨胀做功后的二氧化碳和水蒸气混合物与水栗输入的高压水换热;第二换热器输出端分别与反应器和冷凝器的输入端相连;冷凝器输出端与分离器输入端相连，用于将第二换热器送来的二氧化碳和水蒸气混合物冷凝;所述分离器输出端分别与第三换热器和第二分流器输入端相连，用于实现水和二氧化碳的分离;所述第二分流器的两个输出端分别与水栗和排水管路相连，用于将一部分水回送至水栗进行循环利用，一部分水向外排出；
[0008]所述高压液氧碳捕获子系统包括第三换热器，其输入端分别与精馏塔和分离器的输出端相连，输出端分别与反应器的输入端和CO2回收管路相连，用于将所述精馏塔分离出的低温高压液氧与分离器分离出的气态二氧化碳换热，将气态二氧化碳液化冷凝回收，完成碳捕获过程；同时，将高压液氧气化为高压氧气，送入富氧高压加水燃烧循环发电子系统中的反应器参与高压燃烧反应；
[0009]工作中，输入的LNG在LNG冷能空分制氧子系统中实现冷能置换，将高压空气冷凝为低温高压液态空气，随后低温高压液态空气在精馏塔中分离出高压液氧和高压液氮，实现了利用LNG冷能的空分制氧过程;所述高压液氧送入高压液氧碳捕获子系统，换热成为高压气态氧气送入反应器，同时其冷能将富氧高压加水燃烧循环发电子系统产生的二氧化碳冷凝液化，完成碳捕获过程。
[0010]进一步的，天然气富氧燃烧电厂集成系统还包括高压液氮再循环制氧子系统，其包括第四换热器、第五换热器、第二透平机、第六换热器和第三透平机;所述第四换热器输入端分别与多级压缩机和第六换热器的输出端相连，输出端分别与第五换热器输入端和氮气排放管相连;第五换热器输入端还与精馏塔输出端相连，输出端分别与第二透平机和第三透平机相连;第二透平机和第三透平机输出端均与第六换热器相连;第六换热器输出端分别与第四换热器和精馏塔的输入端相连；
[0011]工作时，多级压缩机产生的高压空气经过第四换热器和第五换热器换热，通过第二透平机膨胀做功后，压力有所降低的高压空气再经过第六换热器换热，冷凝为高压液态空气，输入LNG冷能空分制氧子系统的精馏塔;所述精馏塔分离出来的高压液氮经过第五换热器为所述高压空气提供冷量，再由第三透平机膨胀做功，降温降压后依次送入第六换热器和第四换热器为所述高压空气提供冷量，实现高压液氮再循环制氧过程，高压液氮冷能和压力能得到充分利用。
[0012]进一步的，所述天然气富氧燃烧电厂集成系统，系统中各管路的压力以保持管路中流体正常流动为下限。
[0013]进一步的，所述天然气富氧燃烧电厂集成系统，从多级压缩机末端出口，经第四换热器、第五换热器至第二透平机入口的这一区段，高压空气的压力范围为80-150bar。
[0014]进一步的，所述天然气富氧燃烧电厂集成系统，LNG冷能空分制氧子系统至反应器区段、高压液氧碳捕获子系统的液氧气化至反应器区段，以及从第二透平机出口经第六换热器、精馏塔、第五换热器至第三透平机入口区段，和从水栗出口经第二换热器、反应器至第一透平机入口区段，这些区段内的流体压力范围为30-100bar。
[0015]进一步的，所述天然气富氧燃烧电厂集成系统，从第一透平机出口经第二换热器、冷凝器、分离器至第三换热器区段，以及分离器经第二分流器至水栗入口的区段，压力为Ibar左右。此压力与常规电厂汽轮机出口压力的0.04bar左右相比，压力提高了许多，乏汽中水蒸气的露点温度也由35°C左右提高到100°C左右;所以在第二换热器的回热过程中，乏汽中水蒸气的很大一部分潜热可以回收，有效地提高系统发电效率。
[0016]进一步的，所述天然气富氧燃烧电厂集成系统，从第三透平机出口经第六换热器至第四换热器出口区段，压力范围为0.01-lbar。
[0017]本发明的技术效果:
[0018]1.本发明将LNG冷能应用于空分制氧过程，为天然气富氧燃烧电厂集成系统提供氧气，取代了常规用电空分制氧的方式，高效利用LNG冷能的同时，有效地提高了电厂发电效率；
[0019]2.利用LNG冷能所制取的低温高压液氧中含有大量的冷能，这部分冷能又巧妙地用于碳捕获过程，填补了碳捕获过程所需要的额外冷能，有效地提高了系统发电效率；
[0020]LNG冷能先用于空分制氧过程，所得到的低温高压液氧又将冷能传递到碳捕获过程，这种冷能连续传递利用的方式同时解决了富氧燃烧电厂空分制氧能耗高，碳捕获成本大的两大难题。
[0021 ] 3.利用LNG冷能所制取的低温高压液氮中同样含有大量的冷能，所制取的低温高压液氮再用于空气液化冷凝过程，通过第四换热器、第五换热器、第六换热器和第三透平机分别将低温高压液氮中的低温冷能和压力能进行了充分利用，有效地降低了空分制氧过程的能耗；
[0022]4.通过改变系统LNG的输入量，可以根据需要改变LNG冷能空分制氧子系统的空分制氧量，燃烧所需氧气不足的部分可由高压液氮再循环制氧子系统制取;这种灵活分配的方式可以保证优先利用既有的LNG冷能，从而尽量减少额外能量的消耗。
[0023]5.进入反应器的天然气、氧气和水蒸气均是由高压液相直接气化而得到的高压气体，高压气体直接进入反应器进行高压燃烧，充分利用上游子系统高压液相的压力能，减少过程中的压力能损失。
[0024]6.第一透平机的出口压力为I bar左右，与常规电厂汽轮机出口压力的0.04bar左右相比，压力提高了很多，乏汽中水蒸气的露点温度也由35°C左右提高