一种含碳循环利用的燃气电厂低成本减碳排放系统及方法

1.本发明属于化石燃料燃烧利用技术领域，尤其涉及一种含碳循环利用的燃气电厂低成本减碳排放系统及方法。


背景技术：

2.为减缓温室效应，能源体系正进行绿色低碳转型变革，减少能源系统的二氧化碳排放已成为人类社会共识。甲烷、煤炭、石油等化石燃料由于能量质量密度高、稳定性与可控性好，仍将会作为能源体系不可或缺的一部分发挥作用，火力发电等化石燃料应用领域的碳减排压力巨大，但同时高昂的碳减排成本也进一步加深了化石燃料应用领域的发展困境。二氧化碳捕集设备复杂，需消耗大量化学物质与能量，所消耗的能量折合降低10-15 %的发电效率。因此，如何对二氧化碳进行资源化利用、降低碳减排成本成为化石燃料应用领域急需解决的问题。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种含碳循环利用的燃气电厂低成本减碳排放系统及方法，旨在解决现有技术中燃气电厂降低二氧化碳排放成本高昂的问题。
4.本发明是这样实现的，一种含碳循环利用的燃气电厂低成本减碳排放系统，包括电解池、燃气轮机、co2预热器、烟气换热器、干燥器、低压压缩机、三通阀、低压间冷换热器、高压压缩机、高压间冷换热器、泵、加氢反应热回收换热器、co2加氢反应器；其中，所述电解池中，水通过电解反应产生氧气与氢气，所述电解池的氢气出口连接co2加氢反应器的氢气进口，所述电解池的氧气出口连接所述燃气轮机的氧气进口，所述燃气轮机的烟气出口连接所述co2预热器的烟气进口，所述co2预热器的烟气出口连接所述烟气换热器的烟气进口，所述烟气换热器的烟气出口连接所述干燥器的烟气进口，所述干燥器的co2出口连接所述低压压缩机进口，所述低压压缩机出口的co2通过所述三通阀进行分流为两部分co2；所述三通阀的一个出口与低压间冷换热器的co2进口连接，所述三通阀的另一个出口与所述co2加氢反应器的co2进口连接；所述低压间冷换热器的co2出口连接所述高压压缩机进口，所述高压压缩机的co2出口连接所述高压间冷换热器的co2进口，所述高压间冷换热器的co2出口连接所述泵的co2进口，所述泵的co2出口连接所述加氢反应热回收换热器的co2进口，所述加氢反应热回收换热器的co2出口连接所述co2预热器的co2进口，所述co2预热器的co2出口连接所述燃气轮机的co2回流进口。
5.本发明还提供了一种基于上述系统实现低成本减碳排放的方法，包括以下步骤：s1、所述电解池中的水发生电化学反应产生氢气与氧气，氧气通入燃气轮机作为助燃剂，在燃气轮机中氧气与天然气进行富氧燃烧，化学能转化为机械能再转化为电能输出，同时产生包含水蒸气和co2的高温烟气；s2、所述高温烟气通入co2预热器中与回流co2进行换热；
s3、所述co2预热器出口的烟气通入烟气换热器中，烟气经过与冷源换热进一步冷却，水蒸气冷凝后与co2分离，烟气换热器出口的烟气通入干燥器中获得纯co2气体；s4、所述干燥器出口的co2气体通入低压压缩机中进行压缩，压缩至co2加氢反应所需压力，低压压缩机出口的co2气体通过三通阀进行分流为部分co2和另一部分co2；通过低压压缩机来控制通入co2加氢反应器的co2气体压力，进而控制co2加氢反应；s5、所述被分流的一部分co2气体通入co2加氢反应器中在催化剂条件下发生加氢反应，反应生成碳氢化合物；s6、所述被分流的另一部分co2气体是回流co2，回流co2通入低压间冷换热器与冷源换热降温，降温后的co2气体通入高压压缩机，高压压缩机出口的co2气体通入高压间冷换热器与冷源换热进一步降温，高压间冷换热器出口的co2气体通入泵中被进一步压缩升压至燃气轮机做功压力；s7、所述泵输出的co2气体通入加氢反应热回收换热器，通过冷媒与co2加氢反应器进行换热升温，将co2加氢反应释放的热量回收给回流co2，加氢反应热回收换热器出口的回流co2流至co2预热器与烟气进行换热升温；s8、所述co2预热器输出的回流co2在燃气轮机中吸收燃气燃烧的热量，降低燃烧温度，保护汽轮机叶片以及co2预热器，回流co2与燃气燃烧生成的烟气掺混一起推动燃汽轮机做功发电。
6.优选的，所述步骤s4中，通过三通阀来控制回流co2流量，进而控制燃烧温度。
7.优选的，所述步骤s5中，co2加氢反应器中通过加入不同的催化剂、设置不同反应条件，以产生不同的碳氢化合物。
8.优选的，当所述步骤s5产生的碳氢化合物为甲烷时，将所生成的甲烷通入燃气轮机中与氧气进行富氧燃烧。
9.优选的，为电解池提供的电能来自可再生能源发电、火力发电或者市政电网。
10.优选的，所述步骤s6中，通过控制低压间冷换热器、高压压缩机、高压间冷换热器使co2在进入泵前是超临界状态。
11.优选的，所述烟气换热器、低压间冷换热器、高压间冷换热器的冷源为热网回水、常温水或液态天然气；当冷源采用常温水时，换热升温后的常温水作为电解池供水；当冷源是液态天然气时，换热汽化后的天然气作为燃气轮机的燃料。
12.优选的，所述烟气换热器、干燥器中的冷凝水作为电解池供水。
13.本发明与现有技术相比，有益效果在于：1、本发明的系统在既有燃气电厂基础上设置电解池、若干换热装置以及压缩机，充分利用了电解水制氢生产过程的副产品氧气，将氧气作为天然气燃烧的助燃剂，在燃气轮机中氧气与天然气进行富氧燃烧，化学能转化为机械能再转化为电能输出，同时产生高温烟气，高温烟气中只有水蒸气和co2，co2浓度提高，分离难度下降，通过烟气降温可将大部分水蒸气冷凝下来、将co2分离提纯；本发明的方法分离提纯co2无需用到化学吸收、物理吸附、空气分离器等复杂设备，节省了设备成本以及运行成本；2、天然气富氧燃烧可以减少no
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的生成，节省减no
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排放的成本可补贴电厂减碳成本；3、co2加氢反应后生成附加值较高的化学产品，如甲醇、甲酸、甲烷等，可进一步补
贴电厂减碳成本；4、特别的，对于富氧燃烧的燃烧温度和烟气温度过高问题，设置co2回流来控制；对于烟气余热回收热量与预热回流co
2 所需热量不匹配问题，设置co2加氢反应放热量回收，避免需要额外热源；其他提高整体能源利用效率的还有co2分流、多级压缩间冷、控制泵前co2为超临界状态；以上技术保证方法的实践可靠性和提高整体能源利用率，节约能耗及运行成本。
附图说明
14.图1是本发明实施例提供的一种含碳循环利用的燃气电厂低成本减碳排放系统的结构示意图。
具体实施方式
15.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
16.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个部件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
17.请参看图1，示出了本发明提供的一较佳实施例，一种含碳循环利用的燃气电厂低成本减碳排放系统，包括电解池1、燃气轮机2、co2预热器3、烟气换热器4、干燥器5、低压压缩机6、三通阀7、低压间冷换热器8、高压压缩机9、高压间冷换热器10、泵11、加氢反应热回收换热器12、co2加氢反应器13。
18.电解池1中的水通过电解反应产生氧气与氢气，电解池1的氢气出口连接co2加氢反应器13的氢气进口，电解池1的氧气出口连接燃气轮机2的氧气进口，燃气轮机2的烟气出口连接co2预热器3的烟气进口，co2预热器3的烟气出口连接烟气换热器4的烟气进口，烟气换热器4的烟气出口连接干燥器5的烟气进口，干燥器5的co2出口连接低压压缩机6的co2进口，低压压缩机6的输出的co2通过三通阀7进行分流为部分co2和另一部分co2；三通阀7的一个出口与低压间冷换热器8的co2进口连接，所述被分流的一部分co2流至低压间冷换热器8的co2进口，低压间冷换热器8的co2出口连接高压压缩机9进口，高压压缩机9出口的co2连接高压间冷换热器10的co2进口，高压间冷换热器10的co2出口连接泵11的co2进口，泵11的co2出口连接加氢反应热回收换热器12的co2进口，加氢反应热回收换热器12的co2出口连接co2预热器3的co2进口，co2预热器3的co2出口连接燃气轮机2的co2回流进口。
19.三通阀7的另一个出口与co2加氢反应器13的co2进口连接，所述被分流的另一部分co2流至co2加氢反应器13的co2进口。
20.本实施例还提供了上述系统实现低成本减碳排放的方法，包括以下步骤：s1、所述电解池1中的水发生电化学反应产生氢气与氧气，为电解池1提供的电能来自可再生能源发电、火力发电或者市政电网。氧气通入燃气轮机2作为助燃剂，在燃气轮机2中氧气与天然气进行富氧燃烧，化学能转化为机械能再转化为电能输出，同时产生包含水蒸气和co2的高温烟气；s2、所述高温烟气通入co2预热器3中与回流co2进行换热；s3、所述co2预热器3出口的烟气通入烟气换热器4中，烟气经过与冷源换热进一步冷却，水蒸气冷凝后与co2分离，烟气换热器4出口的烟气通入干燥器5中获得纯co2气体；s4、所述干燥器5出口的co2气体通入低压压缩机6中进行压缩，压缩至co2加氢反应所需压力，低压压缩机6出口的co2气体通过三通阀7进行分流为两部分co2；通过低压压缩机6来控制通入co2加氢反应器13的co2气体压力，进而控制co2加氢反应；s5、所述被分流的一部分co2气体通入co2加氢反应器13中在催化剂条件下发生加氢反应，反应生成碳氢化合物；co2加氢反应器13中通过加入不同的催化剂、设置不同反应条件，以产生不同的碳氢化合物；当产生的碳氢化合物为甲烷时，将所生成的甲烷通入燃气轮机2中与氧气进行富氧燃烧；s6、所述被分流的另一部分co2气体是回流co2，回流co2通入低压间冷换热器8与冷源换热降温，降温后的co2气体通入高压压缩机9，高压压缩机9出口的co2气体通入高压间冷换热器10与冷源换热进一步降温，高压间冷换热器10出口的co2气体通入泵11中被进一步压缩升压至燃气轮机2做功压力；通过控制低压间冷换热器8、高压压缩机9、高压间冷换热器10使co2在进入泵11前是超临界状态。优选的，所述烟气换热器4、低压间冷换热器8、高压间冷换热器10的冷源为热网回水、常温水或液态天然气；当冷源采用常温水时，换热升温后的常温水作为电解池1供水；当冷源是液态天然气时，换热汽化后的天然气作为燃气轮机2的燃料；s7、所述泵11出口的co2气体通入加氢反应热回收换热器12，通过水等冷媒与co2加氢反应器13进行换热升温，将co2加氢反应释放的热量回收给回流co2，加氢反应热回收换热器12出口的回流co2流至co2预热器13与烟气进行换热升温；s8、所述co2预热器3出口的回流co2在燃气轮机2中吸收燃气燃烧热，降低燃烧温度，保护汽轮机叶片以及co2预热器的材料，回流co2与燃气燃烧生成的烟气掺混一起推动燃汽轮机2做功发电。
21.本实施例的系统在既有燃气电厂基础上设置电解池、若干换热器和压缩机，利用电解水过程产生的氢气和氧气，氧气通入燃气发电装置使天然气进行富氧燃烧，产生只有水蒸气和co2的烟气，烟气通过烟气余热回收装置将水蒸气冷凝、与co2分离。分离后的co2部分回流、经与烟气换热后通至燃气轮机，部分与氢气进行加氢反应，生成高附加值的碳氢化合物产品。
22.本实施例的方法捕获烟气中co2无需用到化学吸收、物理吸附、空气分离器等复杂设备，节省了设备成本以及运行成本；天然气富氧燃烧可以减少no
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的生成，节省减no
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排放的成本可补贴电厂减碳成本；并且co2加氢反应后生成附加值较高的化学产品，可进一步补
贴电厂减碳成本。特别对于富氧燃烧的燃烧温度和烟气温度过高问题，设置co2回流来控制；对于烟气余热回收热量与预热回流co
2 所需热量不匹配问题，设置co2加氢反应放热量回收，避免需要额外热源；其他提高整体能源利用效率的还有co2分流、多级压缩间冷、控制泵前co2为超临界状态，以上技术保证方法的实践可靠性和提高整体能源利用率，进一步节约能耗及运行成本。
23.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。