一种基于太阳能燃气轮机系统的化学式回收水方法与装置与流程

本

技术实现要素：
涉及太阳能燃气轮机技术领域，特别是基于太阳能燃气轮机系统的化学式回收水方法与装置。

背景技术：

太阳能是一种清洁、无污染的可再生能源，其开发和利用对于减轻目前化石能源消耗压力、环境污染压力具有重要意义。

太阳能热发电技术是将太阳能的热能转变为电能技术，太阳能聚焦主要有碟式、塔式、槽式和菲涅尔式四种方式。太阳能热发电技术的直接热发电效率较低，一般在20％左右，大量的光热转换能量没有得到利用。另外，单独的太阳能热发电系统在夜间或者阴雨天无法提供充足的能量。因此，太阳能与其他发电系统相结合的发电技术越来越受到关注，其中与燃气轮机发电系统的结合，既可以提高系统整体的发电能力和发电稳定性，而且具有较高效率。

燃气轮机发电系统具有效率高、起动快、调峰性能好、建设周期短、占地面积小，耗水少以及环境污染小等一系列优点，但是由于天然气等燃料供应问题，燃气轮机发电技术在一定程度上受到了制约。因此，在保证系统效率和功率的条件下，尽量减少燃料的消耗有利于燃气轮机发电系统的更广泛推广。此外，太阳能集热与燃气轮机发电系统结合的另一大优势是利用太阳的辐射能代替部分需要的燃料热能，从而减少燃气轮机发电系统需要的燃料量。

随着节能减排压力的日益增加，燃气轮机气汽混合工质循环逐渐成为当前研究的热点。回注蒸汽循环是混合工质循环中研究较早技术较为成熟的一种，其基本原理是燃气轮机的排气通入补燃或不补燃的余热锅炉，锅炉产生的蒸汽回注到燃气轮机的燃烧室或其它适当部位，同燃气混合加热、膨胀做功，再进入余热锅炉。这一种循环具有高效率与高比功的显著优点，并可降低NO_x的排放。因此，结合太阳能集热的燃气轮机发电系统再通过蒸汽回注技术，进一步提高发电系统效率，减少燃料消耗。

但是注蒸汽循环增大了系统的耗水量，在保证系统正常运行和提高效率的同时，有效进行排烟中水分的回收同样值得研究。目前火电厂排烟中水分的回收主要是通过增设冷凝器进行物理冷凝，或采用特殊的物理吸收膜等装置回收水，其主要的缺点是由于排烟中不凝结性气体的存在导致冷凝器等设备的体积过于庞大、复杂，制造比较困难，冷凝效果不佳，因此需要研究基于不同原理的烟气中水分回收方法。而利用化学反应回收水，不仅具有较高的回收效率，而且还可以将尾气中的热量以化学能的方式储存起来。通过化学结晶水合物的化合与分解反应吸收与释放水，所产生的水清洁、无污染。

发明内容

本发明提出了一种基于太阳能燃气轮机系统的化学式回收水方法与装置，在系统充分利用太阳能和余热提高系统效率的同时，通过化学反应实现了系统尾气中水蒸气的回收，大大减少该系统耗水量，具有较大的经济效益和社会效益。

本发明的具体技术方案如下：

空气经压气机增压后，进入混合器与水蒸气混合，混合后的加压湿空气经回热器回收燃气透平尾气余热，在被太阳能聚光器聚光集热后的太阳能集热器内进一步升温，再进入到燃烧室，燃烧产生的高温高压的湿烟气进入燃气透平做功，带动发电机发电，高温湿尾气的热量在回热器中被回收，通过控制阀门，高温湿尾气进入间壁式反应器A的烟气侧加热间壁式反应器A的反应侧的储水物质，使之发生脱水反应，反应所产生的水蒸气进入到混合器中，接着，烟气进入到间壁式反应器B的反应侧发生吸水反应，当间壁式反应器B的反应侧的吸水物质吸水生成储水物质后，切换阀门，高温湿尾气进入间壁式反应器B的烟气侧加热间壁式反应器B的反应侧的储水物质，使之发生脱水反应，反应所产生的水蒸气进入到混合器中，接着，烟气进入到间壁式反应器A的反应侧发生吸水反应，当间壁式反应器A的反应侧的吸水物质吸水生成储水物质后，切换阀门，烟气再次由间壁式反应器A通向间壁式反应器B，重复上述过程，通过阀门的切换，保证回收水过程持续、稳定运行。

太阳能燃气轮机系统中布置了多个阀门，包括阀门A，阀门B，阀门C，阀门D和阀门E；其中阀门A位于太阳能集热器旁路管道上，阀门B位于增压泵后并与阀门C和蒸汽发生器连接，阀门C位于阀门B后并与间壁式反应器A和间壁式反应器B相连，阀门D位于间壁式反应器A和间壁式反应器B后并与阀门E相连，阀门E位于阀门D后并与混合器和蒸汽发生器相连；通过调节阀门B控制排烟量，加热给水，通过控制阀门E控制补充进入系统中的水蒸气量，通过控制阀门C控制高温湿尾气进入到间壁式反应器的方向，通过控制阀门D控制水蒸气出口的方向。

当所述的阀门C和阀门D均与间壁式反应器A连通，增压后的高温湿尾气进入到间壁式反应器A中，加热间壁式反应器A中的储水物质至反应所需的温度使之发生脱水反应，反应所产生的水蒸气通过阀门D重新进入到混合器中，尾气进入到间壁式反应器B中的反应侧，尾气中的水蒸气与间壁式反应器B反应侧的吸水物质直接接触发生吸水反应，干烟气排出间壁式反应器B；当间壁式反应器B的反应侧的吸水物质吸收水蒸气反应生成储水物质后，切换阀门C和阀门D，所述的阀门C和阀门D均与间壁式反应器B连通，高温湿尾气进入到间壁式反应器B中，加热间壁式反应器B中于切换阀门C和阀门D前吸收水蒸气所形成的储水物质至反应所需的温度，使之发生脱水反应，反应所产生的水蒸气通过阀门D后重新进入到混合器中，尾气进入到间壁式反应器A中的反应侧，尾气中的水蒸气与间壁式反应器A的反应侧于切换阀门C和阀门D前储水物质被加热反应所产生的吸水物质直接接触发生吸水反应，干烟气排出间壁式反应器A；当间壁式反应器A的反应侧的吸水物质吸收水蒸气反应生成储水物质后，切换阀门C和阀门D，所述的阀门C和阀门D均与间壁式反应器A连通，高温湿尾气再次进入到间壁式反应器A中，循环上述的操作与流程。

所述的间壁式反应器A和间壁式反应器B中布置着间壁式换热器，所述的换热器一侧流通湿烟气，另外一侧布置着储水物质和/或吸水物质，其中所述的间壁式反应器A或间壁式反应器B中布置着冷却管路，当所述的间壁式反应器A或间壁式反应器B中发生吸水反应时，冷却管路带走所产生的反应热量，降低温度，保证吸水反应正常进行。

所述的间壁式反应器A和间壁式反应器B中所布置的间壁式换热器可为套管式换热器、管壳式换热器、交叉流式换热器、板式换热器和螺旋板式换热器中的一种或多种。

所述的太阳能集热器为管式集热器或容积式集热器中的一种或多种，太阳能聚光器可为碟式聚光器、塔式聚光器、槽式聚光器或菲涅尔式聚光器中的一种或多种。

所述的太阳能集热器处设置了旁路，当太阳辐射充足时，关闭阀门A，加压加热湿空气进入太阳能集热器中继续加热升温，当辐射不足或无太阳辐射时，打开所述的阀门A，加压加热湿空气通过所述的阀门A旁路直接进入燃烧室中加热至高温。

为增加系统做功，提高系统效率，系统中设置了补水装置，给水通过给水泵加压后，被排烟加热成水蒸气，进入到所述的混合器中，补充系统中损失的水蒸气，混合后的加压湿空气通入回热器的冷侧，从所述的燃气透平中出来的湿尾气通入回热器的热侧，回收尾气余热，增加系统做功，提高系统效率。

所述的吸水物质可以是MgSO₄、MgCl₂、MgO、CaSO₄、CaCl₂、CaO中的一种或多种。当吸水物质被高温湿烟气加热至反应温度以上后，反应产生水蒸气，水蒸气进入所述的混合器中，回收至系统中，吸水物质可与烟气中的水蒸气发生吸水反应，回收尾气中的水蒸气。以MgSO4·7H2O和MgSO4·H2O为例，系统中的脱水反应为MgSO4·7H2O→MgSO4·H2O+6H2O(反应压力4.6bar、反应温度150℃)，吸水反应为MgSO4·H2O+6H2O→MgSO4·7H2O(反应压力1.03bar、反应温度45℃)，可回收注入系统水量的90％。

本发明还公开了一种太阳能高温集热储热燃气轮机发电装置，包括压气机、混合器、蒸汽发生器、给水泵、太阳能集热器、阀门A、燃烧室、燃气透平、发电机、回热器、增压泵、阀门B、阀门C、间壁式反应器A、间壁式反应器B、阀门D、阀门E，压气机出口连接混合器的进口，混合器的出口连接回热器冷流体侧进口，回热器冷流体侧出口连接太阳能集热器进口，太阳能集热器出口连接燃烧室进口，燃烧室出口连接燃气透平进口，燃气透平出口连接回热器热流体侧进口，回热器热流体侧出口连接增压泵进口，增压泵出口连接阀门B的进口，阀门B左侧连接阀门C的进口，阀门B右侧连接蒸汽发生器热流体侧进口，经给水泵加压的水进入蒸汽发生器冷流体侧进口，蒸汽发生器冷流体侧出口连接阀门E进口，阀门C左侧出口与右侧出口分别连接着间壁式反应器A和间壁式反应器B的烟气侧18进口，间壁式反应器A和间壁式反应器B的烟气侧18出口分别连接间壁式反应器B和间壁式反应器A的反应侧19进口，间壁式反应器B和间壁式反应器A的反应侧19出口连接阀门D的左侧和右侧，所产生的水蒸气经阀门D进口连接阀门E左侧进入到混合器进口。与现有技术相比，本发明提出的系统优点在于：

1、利用化学方法回收尾气中的水蒸气，更有效，且水蒸气可重新注入系统中，节约水资源；

2、通过增加太阳能高温集热器，提高进入燃烧室工质温度，减少燃烧室内燃料的用量；

3、通过回注蒸汽降低燃烧室过高温度，减少燃烧室的污染排放，减少了尾气排放损失，提高系统效率减少压气机耗功，增加了燃气透平流量，提高系统比功率；

4、通过利用回注蒸汽进行烟气余热再次回收，在保证系统电功率条件下，提高系统整体发电效率。

附图说明

图1是一种基于太阳能燃气轮机系统的化学式回收水方法与装置示意图；

图2是回收水过程示意图(一)；

图3是回收水过程示意图(二)；

图中，1-压气机、2-混合器、3-蒸汽发生器、4-给水泵、5-太阳能集热器、6-阀门A、7-燃烧室、8-燃气透平、9-发电机、10-回热器、11-增压泵、12-阀门B、13-阀门C、14-间壁式反应器A、15-间壁式反应器B、16-阀门D、17-阀门E、18-烟气侧、19-反应侧。

具体实施方式

下面将结合附图，对基于太阳能燃气轮机系统的化学式回收水方法与装置进行清楚完整的描述。

如图1所示，一种基于太阳能燃气轮机系统的化学式回收水方法与装置，包括压气机1、混合器2、蒸汽发生器3、给水泵4、太阳能集热器5、阀门A 6、燃烧室7、燃气透平8、发电机9、回热器10、增压泵11、阀门B 12、阀门C 13、间壁式反应器A 14、间壁式反应器B 15、阀门D 16、阀门E 17。压气机1出口连接混合器2的进口，混合器2的出口连接回热器10冷流体侧进口，回热器10冷流体侧出口连接太阳能集热器5进口，太阳能集热器5出口连接燃烧室7进口，燃烧室7出口连接燃气透平8进口，燃气透平8出口连接回热器10热流体侧进口，回热器10热流体侧出口连接增压泵11进口，增压泵11出口连接阀门B12的进口，阀门B12左侧连接阀门C13的进口，阀门B12右侧连接蒸汽发生器3热流体侧进口，经给水泵4加压的水进入蒸汽发生器3冷流体侧进口，蒸汽发生器3冷流体侧出口连接阀门E17进口，阀门C13左侧出口与右侧出口分别连接着间壁式反应器A14和间壁式反应器B15的烟气侧18进口，间壁式反应器A14和间壁式反应器B15的烟气侧18出口分别连接间壁式反应器B15和间壁式反应器A14的反应侧19进口，间壁式反应器B15和间壁式反应器A14的反应侧19出口连接阀门D16的左侧和右侧，所产生的水蒸气经阀门D16进口连接阀门E17左侧进入到混合器2进口。

空气经压气机1增压后，进入混合器2与水蒸气混合，水蒸气由间壁式反应器储水物质脱水而来。混合后的加压湿空气经回热器10回收燃气透平8尾气余热，再经太阳能集热器5进一步升高到一定温度(700℃以上)，太阳能集热器方式可为管式集热器或容积式集热器中的一种或者两者，聚焦太阳能可为蝶式聚光器、塔式聚光器、槽式聚光器或菲涅尔式聚光器中的一种或多种。被加热的高压湿空气进入燃烧室7，燃烧产生的高温高压的湿烟气(900℃以上)进入燃气透平8做功将热能转换为机械能，再带动发电机9将机械能转换为电能，高温湿尾气经回热器10回收余热并经过增压泵11增压，提供尾气经过后续装置所需的压力。通过控制阀门的切换，控制加压的高温湿尾气流动的方向。通过控制阀门B 12的开度，高温湿尾气部分流经蒸汽发生器3的热流体侧，加热系统给水至水蒸气状态，补充系统中损失的水蒸气，其余部分的高温湿尾气进入间壁式反应器中，间壁式反应器中布置着间壁式换热器，间壁式换热器可为套管式换热器、管壳式换热器、交叉流式换热器、板式换热器和螺旋板式换热器中的一种或多种。间壁式换热器一侧可流通湿烟气，另外一侧布置着储水物质和/或吸水物质，高温湿尾气进入到间壁式换热器烟气侧18，释放热量用来加热布置在间壁式换热器反应侧19的储水物质至反应所需的温度，反应所产生的水蒸气(4.5bar)经阀门D 16后与补充的水蒸气混合后通入混合器2，重新进入系统中，储水物质脱水后变为吸水物质可再次进行吸水，循环利用。释放过热量的烟气从间壁式反应器A 14或间壁式反应器B 15湿烟气侧18进入到另一个间壁式反应器B 15或间壁式反应器A 14反应侧19，烟气与吸水物质直接接触，充分反应，烟气中的水蒸气被吸水物质所吸收，变成干烟气排出系统。如图2所示，阀门C13和阀门D16均与间壁式反应器A14连通，增压后的高温湿尾气进入到间壁式反应器A14中，加热间壁式反应器A14中的储水物质至反应所需的温度使之发生脱水反应，反应所产生的水蒸气通过阀门D16重新进入到混合器2中，尾气进入到间壁式反应器B15中的反应侧19，尾气中的水蒸气与间壁式反应器B15反应侧19的吸水物质直接接触发生吸水反应，干烟气排出间壁式反应器B15。如图3所示，当间壁式反应器B15的反应侧19的吸水物质吸收水蒸气反应生成储水物质后，切换阀门C13和阀门D16，所述的阀门C13和阀门D16均与间壁式反应器B15连通，高温湿尾气进入到间壁式反应器B15中，加热间壁式反应器B15中于切换阀门C13和阀门D16前吸收水蒸气所形成的储水物质至反应所需的温度，使之发生脱水反应，反应所产生的水蒸气通过阀门D16后重新进入到混合器2中，尾气进入到间壁式反应器A14中的反应侧19，尾气中的水蒸气与间壁式反应器A14的反应侧19于切换阀门C13和阀门D16前储水物质被加热反应所产生的吸水物质直接接触发生吸水反应，干烟气排出间壁式反应器A14。当间壁式反应器A14的反应侧19的吸水物质吸收水蒸气反应生成储水物质后，切换阀门C13和阀门D16，所述的阀门C13和阀门D16均与间壁式反应器A14连通，高温湿尾气再次进入到间壁式反应器A14中，循环图2和图3所示意的操作与流程。间壁式反应器A 14和间壁式反应器B 15中可布置冷却管路，当间壁式反应器A 14或间壁式反应器B 15中发生吸水反应时，可以将反应产生的热量带走，稳定反应温度，提高回收水效率。阀门C 13和阀门D 16实现自动控制，调整烟气和水蒸气流动的方向，保障烟气中水蒸气吸收和重新再利用。

本方法采用在一定温度范围发生吸水、脱水可逆反应的物质进行水分回收，储水物质和吸水物质布置在间壁式反应器的反应侧19。当储水物质被高温湿烟气加热至分解温度以上后，反应产生水蒸气，水蒸气进入所述的混合器中，回收至系统中，吸水物质可与烟气中的水蒸气发生吸水反应，回收尾气中的水蒸气。以MgSO₄·7H₂O和MgSO₄·H₂O为例，系统中的脱水反应为MgSO₄·7H₂O→MgSO₄·H₂O+6H₂O(反应压力4.6bar、反应温度150℃)，吸水反应为MgSO₄·H₂O+6H₂O→MgSO₄·7H₂O(反应压力1.03bar、反应温度45℃)。

系统刚开始运行未进行烟气中水分回收时的循环过程是压气机1产生高压空气，给水泵4提高给水压力至4.5bar，蒸汽发生器3利用高温尾气余热加热给水至蒸汽状态，蒸汽通到混合器2与加压空气混合成加压湿空气。加压湿空气再经回热器10、太阳能集热器5进一步升温(700℃以上)，再进入燃烧室7被燃料燃烧加热产生高温高压的湿烟气(900℃以上)。高温高压湿烟气进入燃气透平8对外做功并通过发电机9转换为电能，经回热器10和蒸汽发生器3回收余热，经间壁式反应器回收水蒸气后的尾气排出系统。

同时系统增加阀门A6与所述的太阳能集热器5并联，当无太阳辐射或辐射不足时，工质通过所述的阀门A6调节通过太阳能高温集热器的工质流量或直接进入燃烧室7，再通过燃烧室的补燃使燃气透平进口温度稳定，实现24小时不间断发电。

在燃机进气温度950℃左右、燃料(CH₄，热值50.07MJ/kg)消耗量0.003kg/s条件下，无注水的系统与注水量0.03kg/s的系统净相比，净输出功率由104.8kW提高到114.0kW，增加约8.8％，热功转换效率由29.5％提高到31.7％，提高2.2个百分点；注水的系统与注水并回收排烟水分的系统相比，净输出功率、热功转换效率基本不变，后者可回收注入系统水量的90％。设系统年平均工作300天，每天运行24小时，由于注水增加发电量约66240kW·h，通过回收水年平均节水约700吨。