一种利用液化天然气进行带碳捕集发电的集成系统

1.本发明涉及一种利用液化天然气进行带碳捕集发电的集成系统，具体涉及一种利用lng冷能进行纯氧制取，纯氧、天然气、二氧化碳参与富氧燃烧透平循环发电，发电尾气进行二氧化碳捕集的系统。


背景技术：

2.近年来，温室效应备受关注，研究显示，大气中的co2是对温室效应影响最大的气体之一。它产生的增温效应为总增温效应的63％左右。我国作为碳排放大国，面临着严峻的碳减排压力。
3.液化天然气(liquefied natural gas，简称lng)，的主要成分是甲烷，甲烷的常压沸点是
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161℃。其制造过程是先将气田生产的天然气经过净化(脱水、脱烃、脱酸性气体)后，采用节流、膨胀和外加冷源制冷的工艺使甲烷变成液体，在使用时需要外部加热重新气化。液化天然气具有不含杂质、成份纯净的优势，在燃烧过程中释放的温室气体量远小于其他化石燃料，是一种理想的清洁、高效的发电燃料。lng在气化过程中会释放约830kj/kg的冷能，具有很大的利用价值。但从全球范围来看，对lng冷能的利用程度只有20％左右，冷能资源开发利用率较低，冷浪费严重。碳捕获与封存(ccs)技术被认为是电力碳减排的主要措施之一，其中富氧燃烧技术被认为是最易实现工业化、规模化的碳捕获技术。目前限制富氧燃烧技术推广的主要因素是能耗较大，主要集中在空分制氧以及对co2压缩捕获环节。
4.富氧燃烧透平循环中有很多种，以最有名的allam
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fetvedt循环为例,allam
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fetvedt循环是一种布雷顿循环技术，曾入选《麻省理工科技评论》2018年“全球十大突破性技术”。该技术采用富氧燃烧，并将超临界co2作为工作流体，能够回收废热并消除传统污染物和co2排放。作为副产品，将产生可用于封存的管道co2。据国外知名机构测算，allam
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fetvedt循环在工作压力30mpa、透平进口温度1100℃时的供电效率，比现有的f级燃气轮机天然气联合循环高2.3个百分点，可燃用天然气或煤制合成气，实现完全碳捕集，无no x等污染物排放。
5.本发明将lng气化、冷能制氧、富氧发电与碳捕获等技术跨领域结合，优点是在lng气化，制氧和碳捕获环节的能耗都能大大降低，lng冷能利用率提高、发电效率提高、将捕集的二氧化碳注入地底咸水封存则可以实现零碳排放发电效果；同时本系统采取多级换热思路，一方面减小了换热温差，提高了换热器的效率，另一方面减小了压缩机的压缩功耗。与传统燃气电厂技术相比，本发明可实现零碳排放发电、效率高、清洁环保、安全可靠和经济效益好，需求发生变化时本发明设备可方便迁移至其他地区继续服务。


技术实现要素：

6.为了开发降低液化天然气发电脱碳成本的技术，本发明提出了一种利用液化天然气进行带碳捕集发电的集成系统，通过利用lng冷能进行纯氧制取，纯氧与天然气参与富氧燃烧透平循环发电，发电尾气进行二氧化碳捕集，旨在降低lng气化，制氧和碳捕获环节的
能耗，打造零碳发电技术，符合未来碳中和的社会需求，应用前景广阔。
7.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种利用液化天然气进行带碳捕集发电的集成系统，包括lng气化及冷能利用系统、空分制氧系统、富氧燃烧透平循环发电及尾气碳回收系统，其中：
8.所述lng气化及冷能利用系统包括依次连接的lng储罐、一号lng增压泵、一号冷箱和一号换热器；以及由氮气压缩机、一号换热器、一号冷箱、液氮分离器、二号冷箱、氮气压缩机构成的氮循环回路；
9.所述空分制氧系统包括依次连接的空气过滤装置、空气压缩机、二号换热器、空气脱水装置、三号换热器、二号冷箱、空气膨胀机和空气精馏塔，空气精馏塔的上部出口依次连接二号冷箱和三号换热器，空气精馏塔的底部分别接二号冷箱的入口和液氧增压泵的入口，二号冷箱的出口接空气精馏塔的入口，液氧增压泵的出口接二号加热器的入口；
10.所述富氧燃烧透平循环发电及尾气碳回收系统包括依次连接的lng储罐、二号lng增压泵、一号加热器、混合燃烧器、透平发电机、四号换热器、一号冷却器、二氧化碳分离器、二氧化碳压缩机和二号冷却器，二号冷却器的出口分两路，一路接入外输封存通道，一路依次连接二氧化碳增压泵、四号换热器和混合燃烧器；二号加热器的出口连接混合燃烧器的入口。
11.与现有技术相比，本发明的积极效果是：
12.本发明集lng气化、冷能制氧、富氧发电与碳捕获于一体，优点是在lng气化，制氧和碳捕获环节的能耗都能大大降低，lng冷能利用率提高、发电效率提高、将捕集的二氧化碳注入地底咸水封存则可以实现零碳排放发电效果。其中lng气化考虑了冷能利用，采用了两级降温，通过降低乙二醇的温度来降低氧气温度，避免了氧气与lng的直接接触引发的爆炸危险。本发明还考虑到了压力容器的承压能力，利用多个压缩设备来调节进口压力，避免设备高负荷、高压危险状态的运行。同时本系统采取多级换热思路，一方面减小了换热温差，提高了换热器的效率，另一方面减小了压缩机的压缩功耗。本发明还考虑到了甲烷在超临界co2气氛中的层流火焰传播速度比在亚临界co2/空气混合物中高100倍，且不存在富燃料熄火极限；甲烷在超临界co2气氛中直接燃烧升温，具有良好的燃烧换热效率，支持后面透平发电获得优越的发电效率；天然气在超临界co2和纯氧混合物中燃烧，尾气无nox排放问题；透平机的进出口分别为超临界和亚临界状态，透平输出功率大，而且对经由冷却器和分离器去除燃烧尾气中的水分十分有利，为使循环工质总流量保持不变，燃烧产生的二氧化碳增量将连续排出系统并被捕集，可实现100％发电尾气碳捕集。
附图说明
13.本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
14.图1是一种利用液化天然气进行带碳捕集发电的集成系统示意图；
15.图中附图标记包括：lng储罐1、一号lng增压泵2、一号冷箱3、一号换热器4、氮气压缩机5、空气过滤装置6、空气压缩机7、二号换热器8、空气脱水装置9、三号换热器10、二号冷箱11、空气膨胀机12、空气精馏塔13、第一调节阀14、第二调节阀15、液氮分离器16、液氧增压泵17、乙二醇增压泵18、二号lng增压泵19、一号加热器20、二号加热器21、混合燃烧器22、透平发电机23、四号换热器24、一号冷却器25、二氧化碳分离器26、二氧化碳压缩机27、二号
冷却器28、二氧化碳增压泵29。
具体实施方式
16.如图1所示，一种利用液化天然气进行带碳捕集发电的集成系统，包括lng气化及冷能利用系统、空分制氧系统、富氧燃烧透平循环发电及尾气碳回收系统；其中：
17.一、lng气化及冷能利用系统
18.所述lng气化及冷能利用系统包括lng储罐1、一号lng增压泵2、一号冷箱3、一号换热器4、氮气压缩机5、第二调节阀15、液氮分离器16；
19.lng气化及冷能利用系统中设备的连接方式为：一号lng增压泵2进口处为lng储罐1，然后依次经连接一号冷箱3、一号换热器4；氮气压缩机5出口处连接一号换热器4，然后连接一号冷箱3，一号冷箱3出口处连接第二调节阀15，然后连接液氮分离器16，液氮分离器有两个出口，两个出口连接二号冷箱11的不同入口，二号冷箱11对应的两个出口的管道合并后连接至氮气压缩机5形成一个闭环。
20.在lng气化及冷能利用系统中：
21.0.4～1.0mpa的低压lng从lng储罐1通过管道经过一号lng增压泵2形成100mpa，
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162℃的高压lng后送至一号冷箱3进行冷能回收，高压lng出一号冷箱3后形成10mpa，0℃的低温高压天然气，再经过一号换热器4与氮气换热进行二次冷能回收后，成为常温高压天然气外输；
22.0.5mpa，
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40℃的氮气经过氮气压缩机5进行增压至4.5mpa，288℃后进入一号换热器4与低温高压天然气进行第一次换热后为4.5mpa，30℃进入一号冷箱3与lng进行热量交换后形成4.5mpa，
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150℃的液氮通过第二调节阀15进行降压，压力温度降为0.5mpa，
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179℃后输送至液氮分离器16进行气液分离，经液氮分离器16分离后分为低温气氮和液氮分别输送至二号冷箱11进行冷能回收后分别成为氮气和常温气氮再输送至氮气压缩机5完成氮循环利用。
23.二、空分制氧系统
24.所述空分制氧系统包括二号冷箱11、空气过滤装置6、空气压缩机7、二号换热器8、三号换热器10、空气脱水装置9、空气膨胀机12、空气精馏塔13、液氧增压泵17、第一调节阀14、乙二醇增压泵18；
25.空分制氧系统中设备连接方式为：乙二醇增压泵18入口接二号换热器8，二号换热器8入口接一号冷箱出口3，一号冷箱3入口接乙二醇泵18出口形成闭环；空气过滤装置6出口连接空气压缩机7进口，空气压缩机7出口连接二号换热器8，二号换热器8连接空气脱水装置9入口，空气脱水装置9出口连三号换热器10后连接二号冷箱11入口，二号冷箱11出口接空气膨胀机入口12，空气膨胀机12出口接空气精馏塔13，空气精馏塔13上部出口接二号冷箱11入口，二号冷箱11出口接三号换热器10，空气精馏塔13底部分别接二号冷箱11入口和液氧增压泵17，二号冷箱11出口接第一调节阀14后接精馏塔13，液氧增压泵17出口接二号加热器21。
26.在空分制氧系统中：
27.常温20℃的乙二醇通过乙二醇增压泵18加压至1.6mpa后送至一号冷箱3交换热量，交换后乙二醇温度为
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40℃，将温度降低后的乙二醇输送至二号换热器8与空气进行换
热后又回到乙二醇增压泵18完成乙二醇循环；空气依次经过空气过滤装置6过滤杂质后输送至空气压缩机7进行增压至5mpa，温度为700℃，然后通过二号换热器8与乙二醇进行换热降温至
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30℃后送至空气脱水装置9除去水分后输送至三号换热器10与低温氮气进行换热后成为洁净空气输送至二号冷箱11再次进行换热降低温度至
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170℃，换热后的低温空气进去空气膨胀机12进行发电，电力外输，出空气膨胀机12的低压空气(液空)进入空气精馏塔13进行精馏；
28.空气在空气精馏塔13内被分离为上升的
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183℃低温氮气、底部为
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183℃液氧；低温氮气从上部抽出输送至二号冷箱11将冷能回收后输送至三号换热器10与空气换热后成为常温氮气直接排出，液氧从底部抽出后分为两股压力为0.1mpa的液氧，一股液氧进入二号冷箱11进行冷能回收后通过第一调节阀14降压后输送回空气精馏塔13，另一股液氧经液氧增压泵17加压至3mpa后成为高压液氧进入二号加热器21与热水进行换热，热水换热后降温成冷水排出，高压液氧升温成为高压氧气后输送至混合燃烧器22。
29.三、富氧燃烧透平循环发电及尾气碳回收系统
30.所述富氧燃烧透平循环发电及尾气碳回收系统包括：二号lng增压泵19，一号加热器20、二号加热器21、混合燃烧器22、透平发电机23、二氧化碳压缩机27、二氧化碳分离器26、一号冷却器25、四号换热器24、二氧化碳增压泵29、二号冷却器28；
31.富氧燃烧透平循环发电及尾气碳回收系统的连接方式为：二号lng增压19泵进口接lng储罐1，二号lng增压泵19出口接一号加热器20，一号加热器20接混合燃烧器22，混合燃烧器22出口接透平发电机23，透平发电机23出口接四号换热器24，四号换热器24接一号冷却器25入口，一号冷却器25出口接二氧化碳分离器26，二氧化碳分离器26出口接二氧化碳压缩机27，二氧化碳压缩机27接二号冷却器28入口，二号冷却器28出口接二氧化碳增压泵29或外输，二氧化碳增压泵29出口接四号换热器24后连接到混合燃烧器22形成一个闭环；二号加热器21出口连接混合燃烧器22入口。
32.在富氧燃烧透平循环发电及尾气碳回收系统中：
33.混合燃烧器22的反应压力为3mpa。lng经从lng储罐1输出经过二号lng增压泵19增压至3mpa后经过一号加热器20预热生成高压天然气输送至混合燃烧器22；经二号加热器21换热后的高压氧气送至混合燃烧器22与co2、天然气按比例混合，其中二氧化碳占94％，天然气占1.25％，氧气占4.75％，当发生反应时组分会因反应过程形成动态变化；燃烧膨胀后输送至透平发电机23，通过气体膨胀做功发电并将电流外输，然后将高温尾气输送至四号换热器24与低温二氧化碳进行换热，出四号换热器24后进入一号冷却器25再次利用余热将冷水加热，尾气出一号冷却器25后进入二氧化碳分离器26将水分析出后进入二氧化碳压缩机27，将二氧化碳进行压缩后输送至二号冷却器28用热水预热成为超临界二氧化碳后，一部分通过二氧化碳增压泵29输送至四号换热器24再次进行加热成为高温高压二氧化碳后输送至混合燃烧器22，另一部分超临界二氧化碳外输封存。