一种基于余热梯级利用的低碳高效能源系统及工作方法

本发明涉及高温有机废气利用，特别涉及一种基于余热梯级利用的低碳高效能源系统及工作方法，具体涉及利用燃气轮机余热驱动超临界二氧化碳循环发电、有机朗肯循环发电、供热和碳捕集的能源系统。

背景技术：

1、大气中二氧化碳浓度不断飙升，全球变暖和海洋酸化等环境问题受到广泛关注，巴黎协定呼吁将全球平均温升控制在工业化前水平的2℃以内。随着电气化进程的加快，大量排放从终端用户转移到电力行业。虽然清洁能源发展迅速，但在未来很长一段时间内化石燃料发电依然占据着相当大的比重。因此，提升化石能源机组发电效率、缓解化石燃料排放是可持续发展的重要任务。

2、目前，燃煤机组经过长期的摸索、创新与改造，其排烟温度已经降到了较低水平，余热得到有效利用。但燃气机组的烟气温度仍较高，通常在500℃以上，这使得发电效率仅在33％左右。当前最常见的余热利用方式有两种，一是采用余热锅炉给水加热，水蒸发后进入蒸汽轮机膨胀做功，形成燃气蒸汽联合循环，机组发电量得到提升；二是直接将其用于供热，实现热电联产。前者一般适用于大型燃气轮机发电机组，对于小微型燃机并不适用，后者更受分布式能源系统的青睐。但实际上普通供热所需热源温度较低，这对于分布式能源系统中如此高温的热源而言有所浪费，高品位能量没有得到有效利用。若余热利用得当，机组能源利用效率仍有较大上升空间。此外，虽然天然气燃烧带来的二氧化碳排放比燃煤发电少了约60％，大大减少了对环境的污染，基本上能满足超低排放的环保要求，但如果能继续降低其碳排放强度，将对促进碳中和目标的实现大有裨益。

技术实现思路

1、本发明针对燃气透平烟气余热利用率低的问题，提出了一种基于余热梯级利用的低碳高效能源系统及工作方法，该系统包括燃气发电单元、超临界二氧化碳循环发电单元、有机朗肯循环发电及供热单元和碳捕集与利用单元，根据不同温度烟气的利用实现能量的梯级回收。燃气透平排出的烟气先驱动超临界二氧化碳循环发电，脱硝后用于驱动有机朗肯循环发电，然后加热一次热网的热网水，除尘后被冷却降温，经碳捕集后排放。捕集到的二氧化碳与电解水生成的氢气发生反应生成甲烷，甲烷可注入燃烧室进行燃烧，减少天然气的利用。热网水先进入再沸器放热后供给热用户。本发明通过将燃气透平的烟气余热高效合理利用，实现了超低排放和能量的梯级回收，在保证燃气机组正常发电的同时增加了发电量，减少了碳排放，节约了天然气，总体经济性和能量利用效率大大提升。

2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种基于余热梯级利用的低碳高效能源系统及工作方法，该系统包括燃气发电单元、超临界二氧化碳循环发电单元、有机朗肯循环发电及供热单元和碳捕集与利用单元；所述的燃气发电单元包括空气压缩机、燃烧室、燃气透平、燃气发电机和风机；所述的超临界二氧化碳循环发电单元包括烟气-二氧化碳换热器、脱硝反应器、二氧化碳膨胀机、二氧化碳发电机、二氧化碳回热器、空气-二氧化碳换热器和二氧化碳压缩机；所述的有机朗肯循环发电及供热单元包括烟气-有机工质换热器、有机工质膨胀机、有机工质发电机、有机工质回热器、有机工质冷凝器、有机工质泵、烟气-热网水换热器和除尘器；所述的碳捕集与利用单元包括烟气预冷器、吸收塔、富液泵、贫富液换热器、贫液预冷器、烟气-水分离器、解吸塔、再沸器、贫液泵、二氧化碳预冷器、二氧化碳-水分离器、甲烷化反应器和电解水槽；

4、所述的燃气发电单元中，空气压缩机、燃气透平和燃气发电机同轴连接，空气压缩机的出口空气进入燃烧室中与天然气混合，燃烧室的出口与燃气透平相接，燃气透平的出口烟气经风机进入超临界二氧化碳循环发电单元中的烟气-二氧化碳换热器；

5、所述的超临界二氧化碳循环发电单元中，烟气-二氧化碳换热器的烟气出口与脱硝反应器连接，二氧化碳出口与二氧化碳膨胀机的二氧化碳入口相连，二氧化碳膨胀机与二氧化碳发电机同轴连接，二氧化碳膨胀机的出口二氧化碳在二氧化碳回热器中放热后进入空气-二氧化碳换热器，空气-二氧化碳换热器的二氧化碳出口与二氧化碳压缩机相接，在二氧化碳压缩机中被压缩的二氧化碳进入二氧化碳回热器预热后进入烟气-二氧化碳换热器；

6、所述的有机朗肯循环发电及供热单元中，脱硝反应器的出口烟气依次经过烟气-有机工质换热器、烟气-热网水换热器和除尘器后进入碳捕集与利用单元的烟气预冷器，烟气-有机工质换热器的有机工质进口与出口分别和有机工质回热器、有机工质膨胀机相连，有机工质膨胀机与有机工质发电机同轴连接，有机工质膨胀机出口的有机工质依次经有机工质回热器、有机工质冷凝器和有机工质泵后进入有机工质回热器；

7、所述的碳捕集与利用单元中，烟气预冷器的烟气出口与吸收塔相连，吸收塔富液出口的富液经富液泵和贫富液换热器后进入解吸塔，解吸塔贫液出口的贫液经再沸器、贫液泵、贫富液换热器和贫液预冷器后进入吸收塔，吸收塔的出口烟气经烟气-水分离器后排出，烟气-水分离器中的水进入吸收塔，解吸塔的出口二氧化碳依次经二氧化碳预冷器和二氧化碳-水分离器后进入甲烷化反应器，二氧化碳-水分离器中的水进入解吸塔，电解水槽的氢气出口与甲烷化反应器的氢气入口相连，甲烷化反应器的出口与燃烧室的进口相接。

8、具体地，所述的燃气透平出口的高温烟气先在烟气-二氧化碳换热器中放热，驱动超临界二氧化碳循环发电；经脱硝反应器除去氮氧化物后进入烟气-有机工质换热器放热，驱动有机朗肯循环发电；之后在烟气-热网水换热器中放热，加热热网水用于供热；经除尘器除尘和烟气预冷器降温后进入吸收塔，在吸收塔中二氧化碳被脱除，经烟气-水分离器脱水后排放。

9、具体地，空气在空气-二氧化碳换热器中加热后进入空气压缩机，空气加热的同时使进入二氧化碳压缩机的二氧化碳得到冷却。

10、具体地，热网水在烟气-热网水换热器中吸热升温，在再沸器中放热，驱动二氧化碳的解吸过程，而后前往热用户供热。

11、具体地，在解吸塔中解吸出的二氧化碳经二氧化碳预冷器冷却和二氧化碳-水分离器脱水后，进入甲烷化反应器与电解水槽中电解水生成的氢气发生化学反应，生成的甲烷进入燃烧室燃烧。

12、具体地，所述的烟气-二氧化碳换热器、二氧化碳回热器、空气-二氧化碳换热器、烟气-有机工质换热器、有机工质回热器、烟气-热网水换热器、贫富液换热器和再沸器均为逆流换热。

13、具体地，碳捕集与利用单元中的碳捕集过程的循环工质为单乙醇胺溶液。

14、具体地，所述的脱硝反应器中采用选择性催化还原法来给烟气脱硝。

15、具体地，所述的除尘器采用电袋式除尘器。

16、本发明具有以下优点和效果：

17、1)燃气透平排放的烟气相继用于驱动超临界二氧化碳循环发电和有机朗肯循环发电，再进行供热和碳捕集，实现了能量的梯级利用，通过将不同温度烟气与利用方式的合理匹配，余热得到充分高效的回收；

18、2)增加发电的同时，烟气所含的大部分二氧化碳可以被脱除，使得系统的经济效益与环保效益提高；

19、3)对空气压缩机的入口空气进行加热，可以节省能量，提高燃气发电的热效率；

20、4)捕集到的二氧化碳没有被压缩储存，而是通过化学反应生成甲烷，所以减少了电耗，甲烷代替了部分天然气，使得天然气购买成本降低。