CO₂近零排放中低温太阳热能化石能源互补系统及流程的制作方法

专利名称：CO₂近零排放中低温太阳热能化石能源互补系统及流程的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种CO2近零排放中低温太阳热能和化石能源综合互补的热力循环系统(ZE-S0LRGT)及其流程。
背景技术：
目前与本发明相关的技术主要包括中低温太阳能利用技术和中低温太阳能与化石能源相结合的多能源互补系统发电技术，其各自技术的发展状况和系统特征如下I、中低温太阳能利用技术鉴于化石能源资源的有限性及其利用过程中产生污染的严重性，开拓新型洁净能源资源(特别是非碳能源)转换利用成为可持续发展的一个重要方面。近年来，太阳能以其独具的储量无限性、存在的普遍性、开发利用的清洁性以及逐步提升的经济性等优势获得广泛关注，成为解决能源短缺、环境污染和温室效应的有效途径之一。当前，太阳能利用技术的主要发展方向是太阳能光电转化和光热转化，其中光热转化的太阳能热动力发电又是未来二三十年最具吸引力的太阳能技术。但是诸如储能难和能量转化效率低等造成的太阳能发电技术成本居高不下，一直是困扰太阳能热动力发电系统大规模发展和工程应用的重大瓶颈。究其原因，一方面是太阳能能量密度低、时空分布不连续；另一方面且更为重要的是太阳能集热效率与热力循环热功转换效率一直存在难以调和的矛盾。目前太阳能热发电技术以及新兴的热化学能量转换技术(如天然气重整的热化学能量转化系统等)研究多集中在900 1200°C的高温太阳热能的转化和利用，且多为高温集热和热化学转换等部件性能的提闻和相关新材料的研发。100CTC以上的闻温集热无不以设备复杂、投资成本高和光热转换效率低为代价。相对而言，当前150 350°C的中低温太阳能热利用技术以其良好的集热性能和经济简单的集热装置获得大规模商业化。这个温度范围的集热器大多采用低聚光比的简单聚光装置，集热性能良好，集热效率一般能达到60%以上，且有效避免了高温太阳能能量转化系统的高成本代价。然而，由工程热力学原理可知工质的温度越低，实现热转功越困难，目前中低温热量的利用尚缺乏行之有效的技术。2、中低温太阳能与化石能源相结合的多能源互补系统发电技术与太阳能不同，常规能源利用系统经过百余年的发展，技术和工艺已日臻完善，如先进的燃气轮机工质温度已达1400°C以上。设想太阳能等可再生能源如果得以在常规能源系统中实现能量转换和释放，不但可以替代部分化石能源消耗，减少相应的污染物排放，更将极大地提高可再生能源能量释放品位和热转功效率，同时缓解其不稳定、不连续的供给难题。中低温太阳能和化石燃料的互补梯级利用有望为同时解决太阳能能量转化效率低和实现化石燃料的清洁利用提供一条全新的途径。多能源互补系统中，中低温太阳能可以和热力系统中某些物理吸热过程相集成 (热集成)，如蒸发过程、回热过程；也可以和某些吸热化学反应相集成(热化学集成)，如热解反应和重整反应等。前者如N. Lior和K. Koai提出的蒸汽朗肯循环互补系统，低温段工质水吸收约100°C太阳能热量蒸发，高温段化石燃料燃烧提供热量使蒸汽过热，形成不同热源在不同温度段的匹配利用，太阳能热输入份额高达80%，系统热效率可达18%。后者如H. Hong和H. Jin提出的一种中低温太阳能与化石燃料热化学互补的联合循环系统，利用甲醇燃料在中低温条件下的热解特性，以200 300°C的太阳能驱动甲醇热解吸热反应，生成以H2和CO为主要成分的合成气，从而使低品位太阳能转化为高品位合成气化学能；合成气驱动燃气/蒸汽联合循环做功，实现了中低温太阳能品位的提升和其在动力系统中的高效转化。其案例分析中，太阳能热输入比例为18%，太阳能发电净效率和系统煳效率分别达到35%和60. 7%，但该计算忽略了透平叶片冷却影响。有报道(作者张娜)在间冷化学回热循环的基础上，提出了一种中低温太阳热能品位间接提升的方法及据此提出的太阳能和化石能源综合互补的化学回热循环系统 (SOLRGT)(如图I所示)。由于中低温太阳热能与甲烷重整反应所需温度不相匹配(反应在镍基催化剂下一般需要900 1000°C以上的高温)，SOLRGT先用中低温太阳能加热水使其蒸发，再由蒸汽参与甲烷重整反应，使得太阳能品位间接提升至合成气化学能，并最终借助先进燃机循环实现高效热功转换。相对常规间冷化学回热循环，SOLRGT实现了中低温太阳能与化石燃料的梯级互补利用，化石能源节约率可达20 30%。系统中太阳能的引入替代了部分化石燃料，实现相应的污染物减排。

发明内容
本发明的目在于提供一种CO2近零排放中低温太阳热能化石能源互补系统及流程。为实现上述目的，本发明提供的一种CO2近零排放中低温太阳热能和化石能源综合互补的热力循环系统，主要包括氧气压气机将氧气升压至Brayton循环的最高压力；烟气压气机将回流烟气升压至Brayton循环的最高压力；燃料节流阀将燃料气体降压至重整反应的压力；淡水增压泵将淡水升压至Rankine循环的最高压力；重整器由烟气供热，使燃料与水蒸汽在一定的压力下进行化学重整反应；预重整器绝热反应器，经预热的燃料与水蒸汽混合物在其中催化剂作用下发生预重整，即天然气中的重组分发生重整反应；燃烧室合成气和氧气发生燃烧反应，得到高温气体；高温燃气透平高温高压燃气膨胀做功；低压燃气透平分流后的部分中温低压燃气进一步膨胀做功；高压蒸汽透平中温高压蒸汽膨胀做功；发电机与透平连接，将透平产生机械功转化为电能输出；蒸发器利用太阳能将加压水蒸发；太阳能槽式集热器收集太阳能；水冷凝器对富含水蒸汽的低压燃气透平排烟进行冷凝，分离以CO2为主的气体和液态水；CO2间冷多效压气机将CO2气体压缩至高压，便于冷凝成液态CO2 ；
CO2冷凝器将高压CO2气体冷凝成液态CO2。所述的CO2近零排放中低温太阳热能和化石能源综合互补的热力循环系统，其中， 还包括以下设备第一换热器经第二换热器初步回热之后的重整器出口合成气对预重整器进口的燃料、蒸汽混合物进行预热；第二换热器重整器出口合成气对预重整器出口的经过预重整的混合气进行回执.第三换热器低压燃气透平的排烟对水进行初步加热；第四换热器回流至燃烧室的烟气对水进一步加热；第五换热器高温燃气透平排烟流经并联的重整器和第六换热器后经混合，对蒸汽进行过热；第六换热器部分高温燃气透平排烟对第五换热器冷侧出口的蒸汽进一步过热；第一分流器将第五换热器热侧出口的高温燃气透平排烟分为两股一部分回流至燃烧室，另一部分送至低压燃气透平继续膨胀；第二分流器将高温燃气透平排烟分为两股一部分对重整器进行加热，另一部分流经第六换热器，提供热源；第三分流器将高压蒸汽透平乏汽分为两股一部分送入燃烧室，另一部分与燃料气体混合，送入预重整器。所述的CO2近零排放中低温太阳热能和化石能源综合互补的热力循环系统，其中， 重整器热侧进口为高温燃气透平排烟，出口连接回热的第五换热器，冷侧进口与第二换热器热侧出口连接，出口与第二换热器热侧进口连接。所述的CO2近零排放中低温太阳热能和化石能源综合互补的热力循环系统，其中， 预重整器无热源，进口是经预热的燃料与蒸汽的混合气，在催化剂作用下发生一定程度的重整反应，出口是有待进一步重整的合成气。所述的CO2近零排放中低温太阳热能和化石能源综合互补的热力循环系统，其中， 蒸发器所需热量由太阳能槽式集热器提供，冷侧进口与第四换热器相连，出口与第五换热器相连。本发明提供的CO2近零排放中低温太阳热能和化石能源综合互补的热力循环的流程，其主要包括(I)重整过程通过回收重整反应生成高温合成气的余热，蒸汽与天然气的混合反应物预热，进入预重整器发生预重整，即天然气中的重组分发生重整反应。混合反应物温度下降，又经高温合成气回热加热，进入重整器，由透平排烟供热，在略高于燃烧室压力下重整，最终生成富含H2与CO的高温合成气，经回热预重整气温度下降后，进入燃烧室，避免喷嘴处燃料温度过高；(2)燃气生成过程燃料合成气与压缩后的氧气发生燃烧反应(纯氧燃烧)，氧气过量系数为2%。氧气由空分制得。同时，为降低燃烧室出口温度至1300°C左右，燃烧室内回注部分烟气以及系统中生成的蒸汽，最终生成高温燃气；(3)蒸汽生成过程依靠透平排烟余热回收与太阳能槽式集热器加热，系统输入水变为高温高压蒸汽；
(4)出功过程燃烧室中生成的高温燃气进入高温燃气透平出功，回热后部分进入低压燃气透平出功，系统加热生成的高温高压蒸汽进入高压蒸汽透平出功；(5)烟气分流一部分进行余热回收，加热水的同时进行冷却，再经过压缩后回注燃烧室。这部分烟气回流减少了因透平排烟所含大量蒸汽潜热而产生的损失，构成了 ZE-S0LRGT系统中的类勃雷登循环；另一部分在低压燃气透平中膨胀至负压以增大出功， 再经回热、冷凝、分离CO2后，剩下的大部分水又注入循环作补充工质，构成了 ZE-S0LRGT系统中的类朗肯循环；(6)乏汽分流一部分送入重整器作反应物，一部分回注入燃烧室；(7)分离出的CO2经七级间冷压缩至IlObar后，再经冷凝即成为液态CO2,供进一步处理，实现CO2近零排放。所述的流程，其中，烟气自高温燃气透平排出后，温度从高到低依次流经并联的重整器和第六换热器，以及第五换热器进行余热回收，再去分流。所述的流程，其中，进入循环的水经第三换热器、第四换热器中透平排烟加热至饱和水，再在太阳能槽式集热器供热的蒸发器中由中低温太阳能加热为蒸汽，最后经第五换热器、第六换热器里透平排烟过热。所述的流程，其中，蒸发器利用了太阳能槽式集热器吸收的中低温太阳能，以熔盐为传热介质对水的定温蒸发段加热，以减小传热温差，减小换热过程 损。本发明在SOLRGT基础上引入纯氧燃烧，建立了新的CO2近零排放中低温太阳能化石能源互补系统(ZE-S0LRGT)，可看作由类勃雷登循环和类朗肯循环构成的准联合循环，主要工质为水。系统综合了勃雷登循环的透平进口高温优势，以及朗肯循环的高压比优势。相对S0LRGT，热效率、煳效率提高。太阳能的引入既改善了系统换热匹配，又使得系统输入水的工质流量大幅增长，透平工质增加，比功增加，热力性能得以加强。ZE-S0LRGT实现了 CO2 分离与中低温太阳能在多能源互补系统中高效转化利用的一体化集成，具有良好的发展前景。


图I是公知技术中的太阳能品位间接提升的SOLRGT系统流程图。图2是本发明的CO2近零排放中低温太阳热能化石能源互补系统(ZE-S0LRGT)流程图；图2中的主要标记说明1-1、1_2、…、1-6第一换热器、第二换热器、…、第六换热器；2-燃料节流阀；3-预重整器；4_重整器；5_氧气压气机；6_燃烧室；7-1、7-2、7-3第一分流器、第二分流器、第三分流器；8_高温燃气透平；9_烟气压气机；10_低压燃气透平；11-发电机；12-水冷凝器; 13-淡水增压泵；14_蒸发器；15_太阳能槽式集热器；16_高压蒸汽透平；17-C02间冷多效压气机；18-C02冷凝器；S1、S2、…、S37-流股编号。图3是CO2近零排放中低温太阳热能化石能源互补系统(ZE-S0LRGT)温熵图。
具体实施例方式本发明的目的是实现CO2近零排放与高效能量转化利用之间的有机结合，提出多能源互补的能源环境一体化系统集成方案。
如图2所示，是本发明提供的CO2近零排放中低温太阳热能化石能源互补系统 (ZE-S0LRGT)，该系统主要包括CO2近零排放中低温太阳热能化石能源互补系统，将中低温太阳热能化石能源互补装置SOLRGT和CO2分离有机结合起来(上述系统中的连接为公知技术，本发明在此不作具体描述)。本发明的系统流程描述如下天然气甲烷(SI)经燃料节流阀2节流降压后，与水蒸汽(S33)混合生成混合气
(S2)，在第一换热器1-1中经预热后(S3)进入预重整器3，混合气的重组分发生重整反应， 合成气(S4)再经第二换热器1-2加热(S5)，进入重整器4，重整生成的合成气(S6)先在第二换热器1-2中回热(S7)，再在第一换热器1-1中提供热源(S8)，最后进入燃烧室6。空分制得的氧气(S9)经氧气压气机5压缩后(SlO)进入燃烧室6，与合成气(S8) 发生燃烧反应(纯氧燃烧)，燃烧室6内回注部分烟气(S21)以及系统中生成的蒸汽(S34)， 最终生成高温燃气(Sll)，进入高温燃气透平8膨胀做功。高温透平排烟(S12)经第二分流器7-2分流为两部分，一部分(S13)在第一换热器1-6中进行回热(S14)，另一部分(S15)对重整器4提供热源(S16)，两股烟气再一次混合后(S17)，进入第五换热器1-5回热(S18)，然后又再经第一分流器7-1分流。此时，一部分烟气(S19)经第四换热器1-4回热(S20)，进入烟气压气机9压缩，回注燃烧室6(S21)， 另一部分烟气(S22)在低压燃气透平10中膨胀至负压以增大出功，排烟(S23)经第三换热器1-3回热后(S24)，经水冷凝器12冷凝，分离出C02(S35)后，剩下的大部分水(S25)又注入循环作补充工质。水(S25)经淡水增压泵13加压后(S26)，进入第三换热器1_3加热生成蒸汽 (S27)，后又依次经第四换热器1-4 (S28)、太阳能蒸发器14 (由太阳能槽式集热器15供热) (S29)、第五换热器1-5 (S30)、第六换热器1-6加热变为高温高压蒸汽(S31)，进入高压蒸汽透平16膨胀做功。生成的乏汽(S32)经第三分流器7-3分流，一部分去做重整反应的反应物(S33)，一部分回注燃烧室6调节温度(S34)。分离出的CO2 (S35)经CO2间冷多效压气机17七级间冷压缩至IlObar后(S36)，再经CO2冷凝器18冷凝成为液态CO2 (S37)，可供进一步处理，如埋存等，实现CO2近零排放。能源互补系统集成CO2分离的主要方式分为“燃烧前分离”、“燃烧中分离(纯氧燃烧)”和“燃烧后分离”:S0LRGT系统排出尾气中CO2量大且浓度低，采用燃烧后分离将产生过高的能耗；S0LRGT只利用透平排烟余热回收来进行部分重整，甲烷转化率低，不满足燃烧前分离要求(燃料转化率> 95% )，若要提高碳转化率，需要大幅度提高重整温度，如采用燃料补燃等方式，但会额外消耗大量的能量，降低系统效率；SOLRGT尾气中含有大量的水蒸气，直接排放带来的潜热损失较大，如烟气(部分)回注循环，则损失减小，系统能源利用效率提高，与纯氧燃烧中的尾气回注相契合；同时，SOLRGT本身有大量的水作为补充工质， 如采用纯氧燃烧，则工质主要成分仅H2O和CO2，燃烧室煳损将大幅降低。相比之下，SOLRGT 系统采用纯氧燃烧的CO2分离方式较为有利。将纯氧燃烧引入中低温太阳热能化石能源互补系统S0LRGT，合成气与纯氧进行燃烧，烟气分级膨胀，其中部分经压缩回流至燃烧室，部分继续膨胀做功；引入水，通过回收排烟余热、中低温太阳能加热，生成高温高压蒸汽，膨胀做功，乏汽部分参加重整反应，部分回注燃烧室，最终实现系统相对SOLRGT系统性能进一步改善、CO2近零排放。ZE-S0LRGT主要设备包括氧气压气机6 :将氧气升压至Brayton循环的最高压力；烟气压气机9 :将回流烟气升压至Brayton循环的最高压力；燃料节流阀2 :将燃料气体降压至重整反应的压力(考虑压损)；淡水增压泵13 :将淡水升压至Rankine循环的最高压力(考虑压损)；重整器4 :烟气供热，燃料与水蒸汽在一定的压力下进行化学重整反应；预重整器3 :绝热反应器，天然气中的重组分催化剂作用下发生重整反应。燃烧室6 :合成气和氧气发生燃烧反应，得到高温气体；高温燃气透平8 :高温高压燃气膨胀做功；低压燃气透平10 :分流后的部分中温低压燃气进一步膨胀做功；高压蒸汽透平16 :中温高压蒸汽膨胀做功；发电机11 :与透平连接，将透平产生机械功转化为电能输出蒸发器14 :利用太阳能将加压水蒸发；太阳能槽式集热器15 :收集太阳能；水冷凝器12 :对富含水蒸汽的低压燃气透平排烟进行冷凝，分离以CO2为主的气体和液态水；CO2间冷多效压气机17 :将CO2气体压缩至高压，便于冷凝成液态CO2 ；CO2冷凝器18 :将高压CO2气体冷凝成液态CO2。第一换热器1-1 :对预重整器进口的燃料、蒸汽混合物进行预热；第二换热器1-2 :对预重整器出口的经过预重整的混合气进行回热；第三换热器1-3 :对水进行初步加热；第四换热器1-4 :对水进一步加热；第五换热器1-5 :对蒸汽进行过热；第六换热器1-6 :对蒸汽进一步过热；第一分流器7-1 :将透平排烟分为两股一部分回流至燃烧室，另一部分送至低压燃气透平继续膨胀；第二分流器7-2 :将高温燃气透平排烟分为两股一部分对重整器进行加热，另一部分对蒸汽过热；第三分流器7-3 :将乏汽分为两股一部分送入燃烧室，另一部分与燃料气体混合，送入预重整器。上述系统中的相互连接为公知技术，各设备之间的连接均为通常采用的管道连接，本发明在此不作具体描述。本发明的0)2近零排放中低温太阳热能化石能源互补系统(ZE-S0LRGT)，其特征在于重整器4热侧进口为高温燃气透平8排烟，出口连接回热的第五换热器1-5，冷侧进口与第二换热器1-2热侧出口连接，出口与第二换热器1-2热侧进口连接；预重整器3无热源，进口是经预热的燃料与蒸汽的混合气，在催化剂作用下发生一定程度的重整反应，出口是有待进一步重整的合成气；蒸发器14所需热量由太阳能槽式集热器15提供，冷侧进口与第四换热器1-4相连，出口与第五换热器1-5相连。
本发明的CO2近零排放中低温太阳热能化石能源互补系统(ZE-S0LRGT)的流程重整生成的合成气与压缩后的氧气发生燃烧反应(纯氧燃烧)，燃烧室内回注部分烟气以及系统中生成的蒸汽，最终生成高温燃气，进入高温燃气透平8出功。烟气一部分进行余热回收，加热水的同时进行冷却，再经过压缩后回注燃烧室6，另一部分在低压燃气透平10中膨胀至负压以增大出功，再经回热、冷凝、分离CO2后，剩下的大部分水又注入循环作补充工质。依靠透平排烟余热回收与太阳能加热，系统输入水变为高温高压蒸汽，进入高压蒸汽透平16出功。乏汽一部分送入重整器4作反应物，一部分回注入燃烧室6。分离出的CO2经七级间冷压缩至IlObar后，再经冷凝即成为液态CO2,可供进一步处理，如埋存等，实现CO2近零排放。所述的CO2近零排放中低温太阳热能化石能源互补系统(ZE-S0LRGT)的流程，其特征在于(I)太阳能的引入系统类朗肯循环中，通过引入太阳能，一方面水的等温蒸发过程与太阳能形成热集成，燃气轮机余热则可以完全和变温吸热过程耦合，极大地改善了透平排烟余热回收过程热匹配，减小了传热煳损；另一方面补充工质水的流量得以增加，提升系统出功。(2)准联合循环的构成(第一分流器7-1的分流)烟气分流后，ZE-S0LRGT可以看作一个由类勃雷登循环和类朗肯循环构成的准联合循环，如图3所示，图3中的状态点请参考图2中流股编号。勃雷登循环具有透平进口温度较高的优势，朗肯循环具有透平进口压力较大的优势，都有利于系统输出功的增加。通过调节分流比，还可优化系统性能。(3)烟气的回流烟气的部分回流减少了因透平排烟带走大量蒸汽潜热而产生的损失。(4)膨胀比的提高分流烟气在低压燃气透平中膨胀至负压，从而使得系统类朗肯循环的膨胀比大为提高，增加了系统出功。(5)分流器7-2的分流使重整器4与第六换热器1-6并联，从而同时满足重整器4和高压蒸汽透平16对高温的需求，提高高压蒸汽透平16进口温度，增大出功。如系统去掉第二分流器7-2，重整器4与第六换热器1-6变为串联(且第六换热器1-6在重整器下游)，则高压蒸汽透平16出功、系统总出功下降。重整生成的合成气(S8)与压缩后的氧气(SlO)发生燃烧反应(纯氧燃烧)，燃烧室6内回注部分烟气(S21)以及系统中生成的蒸汽(S34)，最终生成高温燃气(Sll)， 进入高温燃气透平8出功。烟气一部分进行余热回收，加热水的同时进行冷却，再经过压缩后回注燃烧室6(S19-S20-S21)，另一部分在低压燃气透平10中膨胀至负压以增大出功 (S22-S23)，再经回热(S24)、冷凝、分离CO2后，剩下的大部分水(S25)又注入循环作补充工质。依靠透平排烟余热回收与太阳能加热，系统输入水变为高温高压蒸汽(S31)，进入高压蒸汽透平16出功。乏汽一部分送入重整器4作反应物(S33)，一部分回注入燃烧室6 (S34)。 分离出的CO2经七级间冷压缩至IlObar后，再经冷凝即成为液态CO2 (S37)，可供进一步处理，如埋存等，实现CO2近零排放。具体实施例在平衡工况性能参数见表I。主要有关条件为系统稳态运行状况下， 压气机效率88% ;燃烧室氧气过量系数2%，压损为3% ;燃气透平等熵效率89-90%，重整器压损5%，节点温差30°C，换热设备节点温差15-25°C。
具体实施例循环平衡工况热力性能参数参看表2。表2总结了 ZE-S0LRGT的热力性能参数。ZE-S0LRGT中由于引入了占总能量输入28. 4%的太阳能，相对同输入的CO2近零排放联合循环系统，太阳能净热电转换效率nS()1达到33. 1% ;相对同输出的CO2近零排放联合循环系统，化石能源节约率SRf达到了 29. 8%。从表2数据可以看出，ZE-S0LRGT的比功较大，这主要因为ZE-S0LRGT中类朗肯循环的出功由于太阳能的引入而工质流量增加， 从而大为提升。ZE-S0LRGT的热效率与煳效率分别为49. 5%与54. 4%，相对CO2近零排放联合循环系统，热效率提闻了 1.0%。需要指出的是，上述结果是在理想情况下、也即在太阳热能温度满足364°C水蒸发要求的情况下得到的。如果太阳热能达不到上述温度要求，需要采用补燃或降低蒸发温度 (压力)、蒸发后再提升蒸汽压力至重整反应要求压力等情况下，系统效率会相应降低。和常规化石能源系统相比，新系统需要增设中低温太阳能集热设备，可以采用技术相对成熟、造价较低的槽式集热器。槽式集热器在中低温应用场合具有优良的集热性能， 即使在lOOW/m2的太阳辐照强度下也可达到50%以上的集热效率。应该指出的是，系统效率和太阳能热转功效率的提升与系统经济性改善直接相关；此外系统在CO2减排、由于包含化学回热循环特点从而在NOx排放等方面的优势也是进行经济性分析时应该考虑的因素。本发明作为一种新的CO2近零排放中低温太阳能化石能源互补系统(ZE-S0LRGT)， 实现了中低温太阳热能高效转换以及和化石燃料互补的综合梯利用，效率提高的同时实现了 CO2近零排放，热力性、环保性俱佳，具有广阔的工程应用前景。表I :系统主要性能参数
权利要求
1.一种CO2近零排放中低温太阳热能和化石能源综合互补的热力循环系统，主要包括氧气压气机将氧气升压至Brayton循环的最高压力；烟气压气机将回流烟气升压至Brayton循环的最高压力；燃料节流阀将燃料气体降压至重整反应的压力；淡水增压泵将淡水升压至Rankine循环的最高压力；重整器由烟气供热，使燃料与水蒸汽在一定的压力下进行化学重整反应；预重整器绝热反应器，经预热的燃料与水蒸汽混合物在其中催化剂作用下发生预重整，即天然气中的重组分发生重整反应；燃烧室合成气和氧气发生燃烧反应，得到高温气体；高温燃气透平高温高压燃气膨胀做功；低压燃气透平分流后的部分中温低压燃气进一步膨胀做功；高压蒸汽透平中温高压蒸汽膨胀做功；发电机与透平连接，将透平产生机械功转化为电能输出；蒸发器利用太阳能将加压水蒸发；太阳能槽式集热器收集太阳能；水冷凝器对富含水蒸汽的低压燃气透平排烟进行冷凝，分离以CO2为主的气体和液态水；CO2间冷多效压气机将CO2气体压缩至高压，便于冷凝成液态CO2 ；CO2冷凝器将高压CO2气体冷凝成液态co2。
2.如权利要求I所述的CO2近零排放中低温太阳热能和化石能源综合互补的热力循环系统，其中，还包括以下设备第一换热器经第二换热器初步回热之后的重整器出口合成气对预重整器进口的燃料、蒸汽混合物进行预热；第二换热器重整器出口合成气对预重整器出口的经过预重整的混合气进行回热； 第三换热器低压燃气透平的排烟对水进行初步加热；第四换热器回流至燃烧室的烟气对水进一步加热；第五换热器高温燃气透平排烟流经并联的重整器、第六换热器后经混合，对蒸汽进行过热；第六换热器部分高温燃气透平排烟对第五换热器冷侧出口的蒸汽进一步过热；第一分流器将第五换热器热侧出口的高温燃气透平排烟分为两股一部分回流至燃烧室，另一部分送至低压燃气透平继续膨胀；第二分流器将高温燃气透平排烟分为两股一部分对重整器进行加热，另一部分流经第六换热器，提供热源；第三分流器将高压蒸汽透平乏汽分为两股一部分送入燃烧室，另一部分与燃料气体混合，送入预重整器。
3.如权利要求I所述的CO2近零排放中低温太阳热能和化石能源综合互补的热力循环系统，其中，重整器热侧进口为高温燃气透平排烟，出口连接回热的第五换热器，冷侧进口与第二换热器热侧出口连接，出口与第二换热器热侧进口连接。
4.如权利要求I所述的CO2近零排放中低温太阳热能和化石能源综合互补的热力循环系统，其中，预重整器无热源，进口是经预热的燃料与蒸汽的混合气，在催化剂作用下发生一定程度的重整反应，出口是有待进一步重整的合成气。
5.如权利要求I所述的CO2近零排放中低温太阳热能和化石能源综合互补的热力循环系统，其中，蒸发器所需热量由太阳能槽式集热器提供，冷侧进口与第四换热器相连，出口与第五换热器相连。
6.一种CO2近零排放中低温太阳热能和化石能源综合互补的热力循环的流程，其主要包括(1)重整过程通过回收重整反应生成高温合成气的余热，蒸汽与天然气的混合反应物预热，进入预重整器发生预重整，即天然气中的重组分发生重整反应。混合反应物温度下降，又经高温合成气回热加热，进入重整器，由透平排烟供热，在略高于燃烧室压力下重整， 最终生成富含H2与CO的高温合成气，经回热预重整气温度下降后，进入燃烧室，避免喷嘴处燃料温度过高；(2)燃气生成过程燃料合成气与压缩后的氧气发生燃烧反应(纯氧燃烧)，氧气过量系数为2%。氧气由空分制得。同时，为降低燃烧室出口温度至1200-1300°C，燃烧室内回注部分烟气以及系统中生成的蒸汽，最终生成高温燃气；(3)蒸汽生成过程依靠透平排烟余热回收与太阳能槽式集热器加热，系统输入水变为高温高压蒸汽；(4)出功过程燃烧室中生成的高温燃气进入高温燃气透平出功，回热后部分进入低压燃气透平出功，系统加热生成的高温高压蒸汽进入高压蒸汽透平出功；(5)烟气分流一部分进行余热回收，加热水的同时进行冷却，再经过压缩后回注燃烧室。这部分烟气回流减少了因透平排烟所含大量蒸汽潜热而产生的损失，构成了所述系统中的类勃雷登循环；另一部分在低压燃气透平中膨胀至负压以增大出功，再经回热、冷凝、 分离CO2后，剩下的大部分水又注入循环作补充工质，构成了所述系统中的类朗肯循环；(6)乏汽分流一部分送入重整器作反应物，一部分回注入燃烧室；(7)分离出的CO2经七级间冷压缩至IlObar后，再经冷凝即成为液态CO2，供进一步处理，实现CO2近零排放。
7.如权利要求6所述的流程，其中，烟气自高温燃气透平排出后，温度从高到低依次流经并联的重整器和第六换热器，以及第五换热器进行余热回收，再去分流。
8.如权利要求6所述的流程，其中，进入循环的水经第三换热器、第四换热器中透平排烟加热至饱和水，再在太阳能槽式集热器供热的蒸发器中由中低温太阳能加热为蒸汽，最后经第五换热器、第六换热器里透平排烟过热。
9.如权利要求6所述的流程，其中，蒸发器利用了太阳能槽式集热器吸收的中低温太阳能，以熔盐为传热介质对水的定温蒸发段加热，以减小传热温差，减小换热过程 损。
全文摘要
一种CO2近零排放中低温太阳热能和化石能源综合互补的热力循环系统及流程。该系统选择了纯氧燃烧以实现高效能量转化利用和CO2分离过程的有机整合。系统以水为主要工质，可视为由类勃雷登循环和类朗肯循环构成的准联合循环，综合了勃雷登循环的透平进口高温优势，以及朗肯循环的高压比优势。中低温太阳能的引入既改善了系统换热匹配，又使得系统输入水的工质流量大幅增长，透平工质增加，比功增加，热力性能得以改善。系统太阳能热转功净效率可达25～30％，和化石能源单输入参比系统相比，效率提高5.2个百分点，化石能源节约率可达30～35％，同时实现了CO2近零排放。可见，本方法系统具有良好的经济性和广阔的工程应用前景。
文档编号F25J1/00GK102606310SQ20121000767
公开日2012年7月25日 申请日期2012年1月11日 优先权日2011年12月15日
发明者张娜, 罗尘丁, 诺姆.里奥 申请人:中国科学院工程热物理研究所