一种超跨临界二氧化碳氢电联产系统及方法

本发明属于低温余热利用及发电，具体涉及一种超跨临界二氧化碳氢电联产系统及方法。

背景技术：

1、随着全球工业化的高速发展，全球一次能源消耗量逐年增加，煤炭、石油及天然气三大化石能源在能源消耗量的占比一直维持在80%以上，并在世界能源体系中仍占据主导地位。一般工业生产活动（如钢铁、水泥、化工生产等）消耗传统一次能源产生大量的工业余热，其中，中低温的工业余热（200℃以下）占比超过50%，大量的中低温工业余热未加利用排入环境，不仅造成热能损失、系统效率降低而且造成了严重的生态环境危机。

2、目前针对中低温工业余热的利用主要有热泵技术、有机朗肯循环发电技术、kalina循环发发电技术等。热泵技术根据用户需求可分为第一类热泵及第二类热泵技术，第一类热泵是将少量的高温热源转化为大量的低温热能，第二类热泵则是将大量的低温热能升温提质为少量的高温热能以提高热能的利用潜力，但本身存在使高品位电能降级为低品位热能，且不能提升能量品位的问题；热电转化技术中，有机朗肯循环发电技术及kalina循环发电技术因其适用范围广、稳定性高以及结构简单等优点得到了广泛的研究和应用。但由于低温余热的热品质低，在目前技术条件下，上述低温余热发电技术存在热电转换效率较低的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种超跨临界二氧化碳氢电联产系统及方法，用以解决现有技术中低温余热发电技术存在热电转换效率较低的技术缺陷。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、第一方面，提供了一种超跨临界二氧化碳氢电联产系统，包括超临界二氧化碳逆布雷顿循环余热提质装置、甲醇裂解循环制氢装置、氢气分离及合成气燃烧装置、跨临界二氧化碳朗肯循环发电装置以及有机朗肯循环发电装置；

4、所述超临界二氧碳逆布雷顿循环余热提质装置与所述甲醇裂解循环制氢装置连接，所述甲醇裂解循环制氢装置与所述氢气分离及合成气燃烧装置连接，所述氢气分离及合成气燃烧装置与所述跨临界二氧化碳朗肯循环发电装置和有机朗肯循环发电装置连接；

5、其中，所述超临界二氧碳逆布雷顿循环余热提质装置与所述甲醇裂解循环制氢单元构成系统顶循环，所述跨临界二氧化碳朗肯循环发电装置与有机朗肯循环发电装置构成系统底循环，所述氢气分离及合成气燃烧装置用于将所述系统顶循环中产生的氢气从合成气中分离，并将剩余的一氧化碳合成气燃烧，为所述系统底循环发电提供高温热能，以使中低温工业余热，转换为高品位化学能。

6、进一步地，所述甲醇裂解循环制氢装置包括甲醇储罐、甲醇增压泵、甲醇同流换热器、甲醇二氧化碳换热器、甲醇裂解反应器以及第一驱动电机，所述甲醇增压泵的进口通过管道与所述甲醇储罐的出口连接，所述甲醇增压泵的出口经管道与所述甲醇同流换热器的冷端进口连接；

7、所述甲醇同流换热器的冷端出口经管道与所述甲醇二氧化碳换热器的冷端进口连接，所述甲醇二氧化碳换热器的冷端出口经管道与所述甲醇裂解反应器的冷端进口连接，所述甲醇裂解反应器的冷端出口经管道与甲醇同流换热器的热端进口连接，所述甲醇同流换热器的热端出口经管道连接氢气分离及合成气燃烧装置。

8、进一步地，所述超临界二氧化碳逆布雷顿循环余热提质装置包括二氧化碳压缩机、同轴的第一二氧化碳透平、工业余热换热器、第一二氧化碳回热器、第二驱动电机以及工业余热开关阀，所述二氧化碳压缩机和所述第一二氧化碳回热器与甲醇裂解循环制氢装置连接，所述第一二氧化碳回热器的热端出口经管道与所述第一二氧化碳透平进口连接，所述第一二氧化碳透平出口经管道依次与所述工业余热换热器冷端进出口及第一二氧化碳回热器的冷端进口连通。

9、进一步地，所述第一二氧化碳回热器的冷端出口经管道与所述二氧化碳压缩机的进口连接，所述工业余热开关阀经管道依次与工业余热换热器的热端进口及出口连通。

10、进一步地，所述氢气分离及合成气燃烧装置包括气液分离器、合成气减压阀、风机、燃烧室、氢气分离开关阀以及第三驱动电机，所述气液分离器的上端进口经管道与甲醇裂解循环制氢装置连接，所述气液分离器的右上端出口经管道与所述氢气分离开关阀连接，所述气液分离器的右下端出口经管道与所述合成气减压阀的进口连接。

11、进一步地，所述风机的进口与大气连通，所述风机的出口经管道与所述燃烧室的左端进口连接，所述燃烧室的下端进口经管道与所述合成气减压阀的出口连接，所述燃烧室的上端出口经管道连接有系统底循环。

12、进一步地，所述跨临界二氧化碳朗肯循环发电装置包括二氧化碳泵、第二二氧化碳回热器、烟气二氧化碳换热器、第二二氧化碳透平、二氧化碳冷凝器、第一低温水开关阀、第一发电机以及第四驱动电机，所述二氧化碳泵的出口经管道依次与所述第二二氧化碳回热器冷端进出口及所述烟气二氧化碳换热器的冷端进口连通，所述烟气二氧化碳换热器的冷端出口经管道与所述第二二氧化碳透平的进口连接；

13、所述第二二氧化碳透平的出口经管道依次与第二二氧化碳回热器的热端进出口及所述二氧化碳冷凝器的热端进口连通。

14、进一步地，所述二氧化碳冷凝器的热端出口经管道与二氧化碳泵的进口连接，所述第一低温水开关阀经管道依次与二氧化碳冷凝器的冷端进口及出口连通；所述烟气二氧化碳换热器的热端进口及出口分别经管道与氢气分离及合成气燃烧装置及机朗肯循环发电装置连接。

15、进一步地，所述机朗肯循环发电装置包括有机工质泵、烟气有机工质换热器、有机工质透平、有机工质冷凝器、第二低温水开关阀、第五驱动电机以及第二发电机，所述有机工质泵的出口经管道依次与所述烟气有机工质换热器的冷端进出口及所述有机工质透平的进口连接；

16、所述有机工质透平的出口经管道依次与所述有机工质冷凝器的热端进出口及有所述机工质泵的进口连接，所述烟气有机工质换热器的热端进口及出口分别与跨临界二氧化碳朗肯循环发电装置及大气环境连通，所述第二低温水开关阀经管道依次与有机工质冷凝器的冷端进口及出口连通。

17、第二方面，提供了一种超跨临界二氧化碳氢电联产方法，所述方法采用如上所述的系统进行，包括：

18、当工业生产产生中低温工业余热时，启动系统顶循环和系统底循环；

19、在将所述系统顶循环和系统底循环启动后，依次开启各个开关阀和合成气减压阀；

20、利用启动的系统顶循环，得到氢气、一氧化碳及甲醇蒸气的合成气，并为甲醇液体预热，实现中低温工业余热到高品位化学能的转换；

21、通过中低温工业烟气流体，为超临界二氧化碳逆布雷顿循环余热提质装置提供热能，完成超临界二氧化碳逆布雷顿循环；

22、基于甲醇裂解循环制氢装置，将低温高压合成气混合物进行气液分离，产生的氢气用于输送或出售，剩余的合成气形成燃料并充分燃烧，燃烧产作物为跨临界二氧化碳朗肯循环和有机朗肯循环的驱动热源；

23、利用启动的系统底循环，依次完成跨临界二氧化碳朗肯循环和有机朗肯循环，实现余热回收。

24、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

25、1、通过该系统将工业低温余热通过超临界二氧化碳逆布雷顿循环升温提质，提升了低温工业余热的热能潜力；其次，将获得的中高温热能为甲醇裂解制氢循环制备合成气提供所需热能，此过程将低品位的热能通过甲醇裂解化学反应转化为高品位的氢气等合成气的化学能，使低温工业余热及压缩热能得到充分且高效利用；并通过氢气分离及合成气燃烧单元，分离氢气、未反应甲醇及一氧化碳等合成气，不仅获得了清洁氢能，而且降低了合成气在燃烧单元中的燃烧温度，进而降低了燃烧室成本；最后通过跨临界二氧化碳朗肯循环耦合有机朗肯循环回收燃烧室出口烟气余热并发电，不仅提高了系统净电功输出，而且提高了热电转化效率，实现了热能的高效梯级回收利用。

26、2、在甲醇裂解循环制氢装置中，通过利用超临界二氧化碳逆布雷顿循环升温后的热能，可将低品位的热能通过甲醇裂解化学反应转化为高品位的氢气等合成气的化学能，使低温工业余热及压缩热能得到充分且高效利用。

27、3、通过超临界二氧化碳逆布雷顿循环将工业低温余热升温提质，提升了低温工业余热的热能潜力。

28、4、二氧化碳回热器能够回收气冷器出口处二氧化碳的高温余热，并将其传递给从蒸发器出口处来的低温二氧化碳，低温二氧化碳在进入压缩机之前就被预热，从而提高了压缩机的进口温度。

29、5、通过氢气分离及合成气燃烧单元分离氢气、未反应甲醇及一氧化碳等合成气，不仅获得了清洁氢能，而且降低了合成气在燃烧单元中的燃烧温度，进而降低了燃烧室成本。

30、6、风机的进口与大气连通，确保了燃烧室能够获得充足的空气供应，可以确保燃烧室内的火焰稳定燃烧，减少燃烧过程中的波动和不稳定因素，从而提高整个系统的稳定性。