分流再压缩纯氧燃烧循环系统

分流再压缩纯氧燃烧循环系统
1.本技术是申请日为2022年1月24日、申请号为202210079459.x、发明名称为“分流再压缩纯氧燃烧循环系统”的中国发明专利申请的分案申请。
技术领域
2.本技术涉及循环发电领域，且特别涉及控制温室气体排放技术装备，碳减排技术装备、碳捕捉及碳封存技术及利用系统，本技术还涉及氢能发电，具体涉及一种分流再压缩纯氧燃烧循环系统。


背景技术：

3.现有的燃煤电厂、燃气-蒸汽联合循环电厂虽然能够保证稳定的电力供应，但是上述电厂的循环发电系统目前普遍采用空气作为助燃剂，在这种情况下，由于工质中除了co2还存在其他类型的气体，例如氮气等，因此在采用碳捕集、封存利用措施来进行脱碳时工序复杂，对系统效率产生很大的影响且成本较高。
4.另一方面，在传统的燃气-蒸汽联合循环发电系统中，顶循环(燃气发电)中流动的工质与底循环(蒸汽发电)中流动的工质通常是分开运行的，仅仅在余热锅炉处进行热交换，在这种情况下换热损失较大，能源利用效率较低。
5.因此，亟需一种面向未来发电系统的先进热力循环形式，其在满足高能源利用效率、稳定运行的同时，最大化减小碳排放，甚至实现近零排放，用于电力托底，保证电力稳定供应。


技术实现要素：

6.鉴于上述现有技术的状态而做出本技术。本技术的目的在于提供一种分流再压缩纯氧燃烧循环系统，其能够通过简单的气液分离结构分离出目标排出气体，并且将蒸汽循环和燃气循环有机结合，以能量梯级利用的原则来减小换热损失，提高了能源利用效率。
7.为此，本技术采用如下的技术方案。
8.提供一种分流再压缩纯氧燃烧循环系统，其是将纯氧作为助燃剂的循环发电系统，将燃烧室、燃气透平、余热锅炉、第一低压压气机、第一中冷器以及第一高压压气机依次串联成供工质流通的流路，将低压蒸汽透平、冷凝器、冷凝水泵、除氧器以及给水泵依次串联成用于气液分离的流路，
9.所述余热锅炉的热端出口侧连接所述低压蒸汽透平的高温入口侧和所述第一低压压气机的入口侧，使从所述余热锅炉的热端出口侧流出的工质分流，
10.所述给水泵的液体出口侧连接所述余热锅炉的冷端入口侧，在所述余热锅炉的冷端出口侧与所述燃烧室的入口侧之间的流路上设有高压蒸汽透平，所述高压蒸汽透平的低温出口侧与所述第一中冷器的冷端入口侧以及所述燃气透平分别连接，所述第一中冷器的冷端出口侧连接所述燃烧室的入口侧，热端入口侧连接所述第一低压压气机的出口侧，热端出口侧连接所述第一高压压气机的入口侧。
11.能够通过冷凝器这类结构简单的气液分离结构分离出目标排出气体，并且将包括各蒸汽透平的蒸汽循环和包括燃气透平的燃气循环有机结合，以能量梯级利用的原则来减小换热损失，提高了能源利用效率。此外，通过如上所述地设置第一中冷器的位置，使第一中冷器的冷热端温差变小，进一步减小换热损失。
12.在至少一个实施方式中，在所述高压蒸汽透平与所述燃气透平之间的流路上设有中压蒸汽透平。
13.通过设置中压蒸汽透平，当从高压蒸汽透平流出的工质还存在较高的余压时，可以利用中压蒸汽透平进行二次膨胀做功，将热能转化为机械能以驱动发电机，从而可以更加高效地提高能源利用效率。
14.在至少一个实施方式中，当供给到所述燃烧室的燃料是氢气时，在所述除氧器中进行除氧后的气体直接向外部排出。
15.能够通过简单的气液分离结构得到液体工质和需捕集的目标排出气体，使工序简单，降低成本。
16.在至少一个实施方式中，还包括二氧化碳捕集系统，当供给到所述燃烧室的燃料是碳氢化合物时，所述二氧化碳捕集系统接收来自所述冷凝器的气体出口侧和所述除氧器的气体出口侧的气体。
17.通过设置二氧化碳捕集系统，能够有效地对从冷凝器和除氧器排出的二氧化碳进行收集，以利用或者封存。
18.在至少一个实施方式中，所述二氧化碳捕集系统包括第二低压压气机、中压压气机、第二高压压气机以及第二中冷器，所述第二低压压气机的入口侧连接所述冷凝器的气体出口侧，所述第二低压压气机的出口侧连接所述第二中冷器的热端入口侧，所述第二中冷器的热端出口侧连接所述中压压气机的入口侧，所述中压压气机的出口侧连接所述第二高压压气机的入口侧，所述除氧器的气体出口侧连接所述第二高压压气机的入口侧。
19.如上所述地，仅通过若干压气机和中冷器就能做到二氧化碳全捕集，以简单的工序和较低的成本实现零排放。
20.在至少一个实施方式中，还包括分流装置，所述分流装置设置在所述余热锅炉向所述第一低压压气机和所述低压蒸汽透平分支的分流处，用于对流向所述低压蒸汽透平和所述第一低压压气机的工质的比例进行调节。
21.能够适应不同的碳氢燃料的供给，保证了高能源利用效率。
22.在至少一个实施方式中，若所述碳氢燃料中的碳所占的比例变大，则通过分流装置使从所述余热锅炉流出的工质中的流向所述低压蒸汽透平的工质的比例变小。
23.能够根据碳氢的比例调节各个支路的工质的比例，从而保证了高能源利用效率。
24.在至少一个实施方式中，所述低压蒸汽透平在进行膨胀做功之前，将一部分工质排出至所述除氧器，以对所述除氧器中的液体工质进行加热。
25.能够直接利用流路中的工质的热量来进行热式除氧，从而能实现能量梯级利用，减小换热损失。
26.在至少一个实施方式中，在所述除氧器中加入除氧剂来进行除氧。
27.通过简单的化学除氧方式来进行除氧。
28.在至少一个实施方式中，在从所述冷凝器流向所述余热锅炉的流路上流动的工质
为水，在除了从所述冷凝器流向所述余热锅炉的流路之外的流路上流动的工质为水蒸气或水蒸气与二氧化碳的混合物。
29.与以二氧化碳等其他气体为工质的动力循环相比，以水蒸气或水蒸气与二氧化碳的混合物为工质时使循环系统所使用的设备的加工难度更低，成本更小。
附图说明
30.图1示出了当燃料是碳氢化合物时的本技术实施方式的分流再压缩纯氧燃烧循环系统的原理图。
31.图2示出了当燃料是氢气时的本技术实施方式的分流再压缩纯氧燃烧循环系统的原理图。
32.附图标记说明
33.1燃烧室
34.2燃气透平
35.3余热锅炉
36.4第一低压压气机
37.5第一中冷器
38.6第一高压压气机
39.7低压蒸汽透平
40.8冷凝器
41.9冷凝水泵
42.10除氧器
43.11给水泵
44.12高压蒸汽透平
45.13中压蒸汽透平
46.14二氧化碳捕集系统
47.141第二低压压气机
48.142中压压气机
49.143第二高压压气机
50.144第二中冷器
51.15分流装置
具体实施方式
52.以下将参考附图详细说明本技术的各示例性实施例、特征和方面。
53.为了更好的说明本技术，在下文的具体实施例中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本技术同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件未作详细描述，以便于凸显本技术的主旨。
54.以下概略阐述本技术的技术思路。本技术提出了一种新型分流再压缩纯氧燃烧循环系统。该循环系统以纯氧作为助燃剂，以水蒸气作为动力循环的工质，在该循环系统中通过设置结构简单且成本较低的二氧化碳捕集系统来实现二氧化碳的零排放并且通过分流
再压缩的方式以能量梯级利用的原则最大程度地减小换热损失。本技术适用于以碳氢化合物或纯氢气为燃料的循环发电系统，可以有效地提高能量的利用率。
55.以下首先结合说明书附图说明根据本技术的第一实施方式的分流再压缩纯氧燃烧循环系统。
56.第一实施方式
57.本实施方式的分流再压缩纯氧燃烧循环系统可以应用于燃料为碳氢化合物的情况。如图1所示，将燃烧室1、燃气透平2、余热锅炉3、分流装置15、第一低压压气机4以及第一高压压气机6依次串联成供工质流通的流路，该流路可以为半闭合回路，将低压蒸汽透平7、冷凝器8、冷凝水泵9、除氧器10以及给水泵11依次串联成用于气液分离的流路。
58.具体地，燃烧室1的出口侧连接燃气透平2的高温入口侧，燃气透平2的低温出口侧连接余热锅炉3的热端入口侧，余热锅炉3的热端出口侧在分流装置15处分支成分别连接低压蒸汽透平7的高温入口侧和第一低压压气机4的入口侧，由此，完成燃气发电和从余热锅炉3的分流。
59.可以在第一低压压气机4和第一高压压气机6之间的流路上设置第一中冷器5。在从分流装置15经由第一低压压气机4、第一中冷器5以及第一高压压气机6到燃烧室1的流路上，第一低压压气机4的出口侧连接到第一中冷器5的热端入口侧，第一中冷器5的热端出口侧连接第一高压压气机6的入口侧，第一高压压气机6的出口侧连接燃烧室的入口侧。由此，完成工质的压缩。
60.在从分流装置15经由低压蒸汽透平7、冷凝器8、冷凝水泵9、除氧器10以及给水泵10回到余热锅炉3的流路上，低压蒸汽透平7接收来自余热锅炉3热端出口分流后的工质，经膨胀做功完成热能向机械能转化，部分抽气用于除氧器10除氧，出口工质连接冷凝器8的入口侧，冷凝器8的气体出口侧连接二氧化碳捕集系统14、液体出口侧连接冷凝水泵9的入口侧，冷凝水泵9的出口侧连接外部以及除氧器10的液体入口侧，除氧器10的气体出口侧连接二氧化碳捕集系统14、液体出口侧连接给水泵11，给水泵11的出口侧连接余热锅炉3的冷端入口侧。由此，完成工质的气液分离以及二氧化碳的捕集。
61.此外，在余热锅炉3的冷端出口侧与燃烧室1的入口侧之间的流路上设有高压蒸汽透平12，在高压蒸汽透平12与燃气透平2之间设有中压蒸汽透平13。上述高压蒸汽透平12的低温出口侧与第一中冷器5的冷端入口侧以及中压蒸汽透平13的高温入口侧分别连接，上述中压蒸汽透平13的低温出口侧连接燃气透平2。在上述第一中冷器5中，冷端出口侧连接燃烧室1的入口侧，热端入口侧连接第一低压压气机4的出口侧，热端出口侧连接第一高压压气机6的入口侧。由此，完成蒸汽发电以及经过各蒸汽透平膨胀做功后的工质的预热。
62.以下，对本发明实施方式的工质的流动路径以及能量变化做进一步的解释说明。
63.首先，向燃烧室1供给作为燃料的压力为例如4mpa的碳氢化合物和作为助燃剂的高压的纯氧，在燃烧后产生温度升高且压力稍微降低的以水蒸气为主、掺杂了二氧化碳的高温气体。接着，该高温气体进入燃气透平2中膨胀做功，将热能转化为机械能来使燃气轮机驱动发电机(未图示)发电。在一个示例中，流入燃气透平2的高温气体的压力可以为例如3.8mpa，流出燃气透平2的气体的压力可以为例如0.1mpa。经过膨胀做功后的温度和压力下降的气体工质进入余热锅炉3的热端入口侧，在余热锅炉3的热端出口侧获得温度进一步下降的气体，该气体在分流装置15处分流成一股流向低压蒸汽透平7，另一股流向第一低压压
气机4，此时两股工质的压力均为例如0.1mpa。在一个示例中，低压蒸汽透平7的进入压力可以为例如0.1mpa，出口压力可以为例如2.5kpa。
64.对于流向第一低压压气机4的气体，在第一低压压气机4中被压缩成压力升高至例如1.4mpa的气体。该气体从第一低压压气机4的出口侧流出并流入第一中冷器5的热端入口侧，在第一中冷器5中对流入冷端的工质进行预热并从热端出口侧流出。从第一中冷器5的热端出口侧流出的气体流入第一高压压气机6，在第一高压压气机6中被压缩成温度升高且压力骤增到与上述碳氢化合物和纯氧的压力几乎相同后，从第一高压压气机6流出，返回至燃烧室1。在一个示例中，高压压气机6的入口压力可以为例如1.4mpa，出口压力可以为例如4mpa。
65.对于流向低压蒸汽透平7的气体，一部分不经过膨胀做功而直接流向除氧器10以用于对后述的液体工质进行热式除氧，另一部分气体由于低压蒸汽透平7的出口处所连接的真空环境而在低压蒸汽透平7中膨胀做功，压力降低至接近真空，以便于进行后述的冷凝器8中的气液分离。该接近真空的气体从低压蒸汽透平7流出并流入冷凝器8进行气液分离，也就是说，在冷凝器8中，接近真空的气体工质中的水蒸气被冷却成液体的水并排出至冷凝水泵9中加压，另一方面，接近真空的气体工质中的二氧化碳保持在气体状态并排出至二氧化碳捕集系统14。在冷凝水泵9中被加压后的水的一部分直接向外部排出，另一部分流入除氧器10。流入除氧器10的液体水在从低压蒸汽透平7排出的温度较高的气体的作用下分离出残余的二氧化碳，并通过除氧器10的气体出口排出至二氧化碳捕集系统14。至此，完成了循环系统中二氧化碳的捕集，实现了二氧化碳的零排放。
66.从除氧器10的液体出口侧流出的液体工质在给水泵11中被加压，加压后的液体工质压力骤增并流入余热锅炉3的冷端入口侧。流入余热锅炉3的液体工质被加热加压成压力为20mpa以上的超临界态气体(即水蒸气)工质后，从余热锅炉3的冷端出口流入高压蒸汽透平12的高温入口侧。流入高压蒸汽透平12的气体膨胀做功，将热能转化为机械能以使蒸汽轮机驱动发电机发电，并从高压蒸汽透平12的低温出口侧流出压力降低到例如4mpa的气体工质。从高压蒸汽透平12流出的气体的一部分流入第一中冷器5的冷端入口侧，另一部分流入中压蒸汽透平13的高温入口侧。流入第一中冷器5的冷端的气体经过预热之后从冷端出口侧排出至燃烧室1。另一方面，流入中压蒸汽透平13的气体在中压蒸汽透平13中温度和压力降低，从低温出口侧流出并流入燃气透平2用于对燃气透平2冷却，此处，若从高压蒸汽透平12流出的气体工质的压力较高，使中压蒸汽透平13的入口压力与出口压力之比可以达到1.2以上时，中压蒸汽透平13与高压蒸汽透平12相同地进行膨胀做功以使蒸汽轮机驱动发电机发电，若从高压蒸汽透平12流出的气体工质的压力较低，使中压蒸汽透平13的入口压力与出口压力之比低于1.2时，中压蒸汽透平13不进行膨胀做功而仅仅使工质的温度压力稍微降低。
67.以下，对上面提及的二氧化碳捕集系统14进行描述。
68.二氧化碳捕集系统14包括第二低压压气机141、中压压气机142、第二高压压气机143以及第二中冷器144，第二低压压气机141的入口侧连接冷凝器8的气体出口侧，第二低压压气机141的出口侧连接第二中冷器144的热端入口侧，第二中冷器144的热端出口侧连接中压压气机142的入口侧，中压压气机142的出口侧连接第二高压压气机143的入口侧，除氧器10的气体出口侧连接第二高压压气机143的入口侧。
69.上述从冷凝器8排出的气体即二氧化碳流入第二低压压气机141中进行压缩，经由第二中冷器144流入中压压气机142再次被压缩，从中压压气机142流出的气体与从除氧器10排出的气体一起流入第二高压压气机143，最后利用或者封存。
70.以下，对供给不同碳氢燃料时的分流情况进行进一步的解释说明。
71.在分流装置15中可以设置对各支路的流量进行调节的比例分流阀，当向燃烧室1供给的碳氢化合物燃料的碳氢比例发生改变时，可以通过调节比例分流阀来调节流向第一低压压气机4和流向低压蒸汽透平7的工质的比例，使循环系统的效率最大化。具体地，由于随着燃料中碳氢比的增加，燃烧产物中二氧化碳的比例增加，水的比例减小，而同温同压下二氧化碳比热容约为水的二分之一，因此当二氧化碳比例较高时余热锅炉热端放热量较低，而由于冷端工质均为水的纯净物，因此在相同的温差下，冷端吸热量不随燃料变化而变化，仅与工质流量有关，这也就导致了余热锅炉3的热端放热量与冷端工质流量呈正相关，也就是说，当二氧化碳比例较大时，余热锅炉3的热端放热量较小，冷端工质流量较小。因此，若碳氢燃料中的碳所占的比例变大，那么通过分流装置15使从余热锅炉3流出的工质中的流向低压蒸汽透平7的工质的比例变小，从而提高了能量的利用率。
72.根据如上所述的循环系统，可以获得以下效果：
73.(1)与传统的燃气-蒸汽联合循环系统相比，本技术将包括燃气透平的燃气循环和包括各蒸汽透平的蒸汽循环有机结合，从而实现质量和能量的共同联结，以能量梯级利用的原则提高能源利用效率。
74.(2)通过将第一中冷器设在如上所述的位置，与以往将中冷器设在余热锅炉与高压蒸汽透平之间的情况相比，可以减小中冷器出口与入口的温差，从而减小换热损失。
75.(3)通过设置中压蒸汽透平，当从高压蒸汽透平流出的气体工质还存在较大的余压时，可以利用中压蒸汽透平进行二次膨胀做功，将热能转化为机械能以驱动发电机，从而可以更加高效地提高能源利用效率。
76.(4)通过设置分流装置来调节各个支路中工质的比例，即使向燃烧室1供给不同的碳氢燃料，也能通过调节各支路中的工质比例来满足不同碳氢燃料供给下的高效运行。
77.(5)通过以纯氧作为助燃剂，工质为水蒸气，可以利用上述冷凝器8这样简单的气液分离部件将水蒸气中掺杂的二氧化碳分离，以进行二氧化碳捕集，从而可以成本较低地进行碳中和，此外，本技术的循环系统的工质为水蒸气，与以二氧化碳等其他气体为工质的动力循环相比，循环系统所使用的设备的加工难度更低，成本更小。
78.(6)通过设置二氧化碳捕集系统，能够有效地对从冷凝器和除氧器排出的二氧化碳进行收集，实现零排放。
79.第二实施方式
80.图2示出了根据本技术的第二实施方式的分流再压缩纯氧燃烧循环系统。对于与第一实施方式相同或相似的部件标注相同或相似的附图标记，并省略对这些部件的详细说明。
81.本实施方式的分流再压缩纯氧燃烧循环系统可以应用于燃料为氢气的情况。如图2所示，与第一实施方式的不同之处在于：(1)由于氢气和氧气的燃烧产物是水蒸气，不掺杂二氧化碳，因此本实施方式的循环系统不包括二氧化碳捕集系统14；(2)由于不需要根据碳氢化合物的碳氢比例来调节各个支路的工质比例，因此不设置装设有比例调节阀的分流装
置15，只要使流入余热锅炉热端入口侧的气体工质在热端出口侧一路连接第一低压压气机4、另一路连接低压蒸汽透平7即可。
82.当然，本技术不限于上述实施方式，本领域技术人员在本技术的教导下可以对本技术的上述实施方式做出各种变型，而不脱离本技术的范围。
83.(i)可以理解，虽然在第一实施方式中设置有用于调节分流比例的分流装置15，但是不限定于此，也可以不设置分流装置15而简单设置成从余热锅炉3引出的两个独立的流路，只要使从余热锅炉3的出口侧工质分成两股即可。另外，可以通过设置在各流路上的阀门来调节该流路的流量。
84.(ii)可以理解，虽然在上述两个实施方式中设有用于使从高压蒸汽透平12流出的工质在余压作用下膨胀做功的中压蒸汽透平13，但是不限定于此，也可以不设置中压蒸汽透平13，实际发电时可以根据高压蒸汽透平12流出的工质的压力、温度等的计算/测量结果来确定是否需要设置中压蒸汽透平13。
85.(iii)可以理解，虽然在上述两个实施方式中通过向除氧器输入温度较高的气体工质来进行除氧，但是不限定于此，也可以通过其他方式进行除氧，例如化学除氧等。
86.(iv)可以理解，图1所示的实施方式的分流再压缩纯氧燃烧循环系统不仅可以用于碳氢燃料的情况，而且可以用于纯氢燃料的情况，在纯氢燃料的情况下，可以关闭通向二氧化碳捕集系统14的流路。
87.可以理解，特别是图1所示的实施方式的分流再压缩纯氧燃烧循环系统还可以应用于混合燃料的情况。