公开/公告号CN101101086A
专利类型发明专利
公开/公告日2008-01-09
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申请/专利权人 中国科学院工程热物理研究所;
申请/专利号CN200610089587.3
申请日2006-07-05
分类号F17D1/065(20060101);F17C7/04(20060101);
代理机构11021 中科专利商标代理有限责任公司;
代理人周长兴
地址 100080 北京市海淀区北四环西路11号
入库时间 2023-12-17 19:37:05
法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2022-05-06
专利权的转移 IPC(主分类):F17D 1/065 专利号:ZL2006100895873 登记生效日:20220425 变更事项:专利权人 变更前权利人:南京中科众能科技有限公司 变更后权利人:中科思道(南京)储能技术有限公司 变更事项:地址 变更前权利人:211135 江苏省南京市江宁区麒麟科技创新园创研路266号人工智能产业园A区7号楼副楼 变更后权利人:211135 江苏省南京市江宁区麒麟科技创新园创研路266号人工智能产业园A区7号楼副楼
专利申请权、专利权的转移
2019-06-21
专利权的转移 IPC(主分类):F17D1/065 登记生效日:20190604 变更前: 变更后: 申请日:20060705
专利申请权、专利权的转移
2019-04-19
专利权的转移 IPC(主分类):F17D1/065 登记生效日:20190402 变更前: 变更后: 申请日:20060705
专利申请权、专利权的转移
2018-01-16
专利权的转移 IPC(主分类):F17D1/065 登记生效日:20171228 变更前: 变更后: 申请日:20060705
专利申请权、专利权的转移
2017-09-12
专利权的转移 IPC(主分类):F17D1/065 登记生效日:20170824 变更前: 变更后: 申请日:20060705
专利申请权、专利权的转移
2009-03-18
授权
授权
2008-02-27
实质审查的生效
实质审查的生效
2008-01-09
公开
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利用液化天然气冷
技术领域
本发明涉及一种将利用液化天然气(LNG)冷
背景技术
目前与本发明相关的技术主要包括利用液化天然气(LNG)冷
1、利用LNG冷
天然气中含有的硫的成分在液化深冷过程中以固体形式析出、分离,因此LNG不含有硫化物,是一种安全、清洁的能源。天然气液化过程需要耗费大量的能量用以压缩冷却(约为0.5kWh/kg LNG),最终得到的LNG处于超低温状态(约为-162℃),具有相当大的物理冷
目前,LNG冷
利用LNG冷
利用LNG气化冷
1997年Chiesa P.对利用LNG冷
利用LNG冷
利用LNG冷
用管道输送LNG时,受材料和输送距离的影响,建设费用较高;而输送已气化的天然气,因管道阻力会引起压力下降和温度升高,从而造成可用能的浪费。因此,从能量有效利用和经济性两方面来看:利用LNG冷
从世界范围内的能源利用现状来分析,2002-2025年,世界天然气消费的年均增长率为2.3%。预计这一时期天然气的消费量将增加70%(其中,同时期亚洲新兴经济地区的天然气消费将增长三倍),从26.05×1012m3到44.17×1012m3,天然气在总能源消费中的比例将从23%增加到25%。2004-2015年,世界的LNG贸易量将从1.32亿吨增加到3.75亿吨。亚太地区新增加的LNG需求将达到6500万吨,主要来自中国、印度和北美洲西海岸等新兴市场。可见,研究和开发高效利用LNG冷
2.二氧化碳(CO2)减排分离技术
当今世界,温室效应引起的全球气候变暖已经引起各国广泛的重视。导致温室效应的温室气体主要有二氧化碳、甲烷、氟化物和一氧化二氮等。而燃用化石燃料则是导致大气中CO2平衡破坏的根本原因。化石燃料的主要利用方式之一是发电,国际能源署(IEA)在2002年度《国际能源展望》中指出:从2000年至2030年,发电部门差不多将占全球二氧化碳排放增加量的一半。因此,如何降低发电系统CO2排放水平已成为关注的焦点。提高系统效率可以相应减少单位发电的CO2排放量,但是难以实现大幅减排。因此,开发在燃料转化、燃烧过程以及从尾气中减排分离CO2的技术将成为今后发展的主要方向。
天然气发电系统一般采用燃气-蒸汽联合循环,目前,分离CO2的技术大体可以分为三类:(1)从燃烧后的烟气中分离;该方法主要用作对现有发电系统的CO2分离减排措施。在保持原有的发电系统基本不变的情况下,可以采用吸收法、吸附法、膜分离及深冷分离等传统技术分离回收CO2。但是烟气中CO2浓度低,因此该分离过程伴随大量的耗功、耗热,使系统效率降低约5%,输出功率降低约10%。(2)O2/CO2循环系统;该系统是基于CO2零排放的动力系统。其特点在于:以CO2为循环工质、O2(通过空分装置制得)为燃料的氧化剂;当CO2冷凝压力为6~7MPa(相应的冷凝温度为20~30℃),循环效率可以达到35~49%。Staicovici MD.于2002年在相关研究中,将热吸收制冷技术应用于O2/CO2循环,使得CO2的冷凝温度降至环境温度以下(3MPa,5.5℃),循环效率达到54%。(3)天然气重整与联合循环结合的系统;首先对天然气进行重整,得到CO和H2,然后通过转化反应使CO转化为CO2,再将CO2分离出来予以回收。得到的富氢燃料通过燃气轮机联合循环系统发电。
1989年,日本中央电力公司利用LNG冷
可见,无论是在燃料的转化过程中还是从燃烧后的烟气中分离CO2,都要消耗额外的能量,从而使系统效率明显下降。目前的技术水平下,CO2分离过程通常会使系统效率下降5~10%。因此如何降低分离能耗成为CO2分离技术实现突破的关键。
发明内容
本发明主要是针对世界各地的LNG接收站(包括中国沿海地区计划建设的LNG接收站)的动力(发电)循环系统。目前利用LNG冷
本发明的目的之一是利用LNG的冷
本发明的另一个目的就是分离回收CO2。整个系统以CO2为循环工质,通过LNG气化过程中对燃气透平排气进行冷却,CO2气体冷凝为液态后部分(由天然气燃烧产生的CO2)排出系统另行回收处理,其余CO2继续作为循环工质。避免了常规分离技术耗功的缺点,同时实现了对CO2的有效回收利用,从而为动力循环系统分离CO2提供了新的途径。
为实现上述目的,本发明提供了一种利用液化天然气(LNG)冷
空分装置:通过预热器连接燃烧室,将空气中分离得到的氧气作为燃烧室中燃烧反应的氧化剂;
液化天然气气化器:用以将天然气加热气化,连接供冷外网和预热器;
低压压气机:分别连接液化天然气气化器和预热器,将CO2气体升压至其对应的冷凝压力;
高压压气机:分别连接低压压气机和回热器,将CO2气体升压至Brayton循环的最高压力;
燃烧室:连接燃气透平和回热器,使天然气和氧气发生燃烧反应,得到高温气体;
燃气透平:连接发电系统,使高温燃气膨胀做功;
回热器:对CO2气体、高压压气机出口气体及超临界CO2膨胀透平排气进行加热并冷却燃气透平排气;
预热器:利用低压压气机出口的CO2气体对送入燃烧室的氧气和天然气进行预热;
分水器:连接于回热器和液化天然气气化器,将回热过程中产生的冷凝水排出系统。
除上述主要设备外,还包括有:
LNG增压泵:对低压LNG进行压缩升压;
液态CO2增压泵:对低压液态CO2进行压缩升压;
CO2膨胀透平:超临界压力CO2气体在其中膨胀作功,压力降至稍高于燃烧室的燃烧反应压力;
外网供冷器:利用LNG气化后得到的具有较低温度的天然气作为向外网供冷的冷源,实现制冷输出。
上述各设备之间的连接均为通常采用的管道连接。
本发明提供的一种利用液化天然气(LNG)冷
LNG在LNG气化器中加热气化,得到的天然气尚具有较低温度,利用其通过外网供冷器对外网用户实现制冷输出后,一部分作为燃料送入燃气轮机燃烧室,其余大部分向外界用户输送;
经LNG气化器冷却到很低温度的CO2气体进入低压压气机增压至所对应的冷凝压力。然后,一部分送往Rankine循环;另一部分送往Brayton循环。
在Rankine循环中,来自低压压气机的CO2气体先经预热器对送往燃烧室的氧气和天然气进行预热后,送入LNG气化器冷凝,再经增压泵升至超临界压力。所得的液态CO2除小部分被排出系统另行回收利用外,绝大部分作为循环工质经回热器被燃气透平排气加热后送入膨胀透平作功,透平排气经回热器预热升温后送入燃烧室。
在Brayton循环中,来自低压压气机的CO2气体经高压压气机升至Brayton循环的最高压力,然后经回热器预热后送入燃烧室,与天然气及氧气发生燃烧反应,得到的高温气体进入燃气透平膨胀作功;透平排气在回热器中被冷却后,经分水器将冷凝产生的液态水排出,CO2气体则送入LNG气化器重新开始循环。
本发明流程中,当LNG为低压力时先经过LNG增压泵压缩,然后在LNG气化器中加热气化。
本发明流程中,利用LNG气化过程产生的低温使得气态CO2液化,然后再通过液态CO2增压泵升至超临界压力。
本发明流程中,空气通过空分装置分离得到氧气作为氧化剂送入燃烧室,同时得到液态N2和Ar。
本发明流程中,以洁净天然气为燃料;以二氧化碳作为循环工质;采用由超临界Rankine循环和内燃、回热Brayton循环组成的联合循环;利用LNG冷
本发明流程中,利用燃气透平排烟在回热器中先后对膨胀透平的进、出口工质进行预热,其中膨胀透平出口工质经预热后送入燃烧室。
本发明流程中,采用半闭式Brayton循环,氧气送入燃烧室与天然气混合进行完全燃烧,反应的产物包括H2O和CO2,其中H2O经回热器冷凝液化后分离析出。
本发明流程中,燃气透平排气中的CO2全部经LNG气化过程冷凝为液态,然后一小部分(即由天然气和氧气燃烧反应生成的CO2)被排出系统另行回收处理,其余作为循环工质。
本发明流程中,通过调节系统中Brayton循环流率比Rg(指经高压压气机升压后送入燃烧室的CO2流率与整个系统中CO2总流率之比),循环流程相应变形为Brayton循环(Rg=1)和类MANTIANT循环(Rg=0)。本发明在燃气透平初温1300℃,膨胀透平进气参数为623.5℃/15MPa的条件下,系统发电效率达到65%,
本发明通过系统集成把热力循环、LNG冷
本发明的系统中,以LNG气化后得到的天然气为燃料,以CO2为工质;顶循环采用半闭式、内燃Brayton循环,充分利用现代燃气轮机初温高的优势;底循环-Rankine循环通过回热系统从顶循环吸热,依据换热双方工质的温度水平对换热过程中回热器设置进行合理安排,通过有效的热整合大大减少了换热过程的不可逆损失,为系统性能的提高提供了保证;本发明具有动力循环效率高、系统简单的优点。
本循环将LNG气化系统与动力循环整合,它一方面使压气机入口的工质被冷却,提高了循环的温比,另一方面为气态CO2冷凝过程提供了一个远低于环境温度的冷源,实现了对CO2的无功耗冷凝液化分离;同时还使LNG得以气化,因此具有一举三得的作用。
本系统中采用半闭式Brayton循环。以CO2作为循环工质,在燃烧室加入天然气燃料和氧气,两者完全燃烧,反应生成物H2O和CO2先后通过冷凝液化被分离后排出系统,从而保持了系统工质平衡。在LNG气化器中被冷却的工质为CO2,从而保证了LNG气化器的运行安全。
天然气燃烧产生的水蒸汽通过LNG气化器中凝结析出,使得循环中燃烧反应产生的水得以回收。
本发明中,天然气输送压力为亚临界压力时,LNG气化后得到的天然气温度(0℃以下)较低,可以先通过外网供冷器对外供冷,然后再送往用户或燃烧室,从而实现冷电联产。
本发明采用空分分离得到的纯氧作为燃烧反应的氧化剂,在燃烧室中与天然气燃料完全燃烧,燃烧产物只含有CO2和H2O,为利用LNG冷
目前分离CO2的技术都伴随着大量能耗,使系统效率大幅降低。本发明利用LNG气化过程产生的低温使气态的CO2液化;整个过程不消耗额外的机械功。因此无功耗分离CO2又是本发明的一大特点。
回收CO2,一方面可以降低温室气体的排放,提高发电系统的环保性能;同时液态CO2便于进一步处理或作为商品出售(液态二氧化碳被广泛应用于焊接、消防、冷冻食品和软饮料等方面),获取额外的经济效益,从而提高了整个系统的经济性。
本发明的提出,基于能量的品位梯级利用原理和系统集成方法论,采用内燃、回热、高温比Brayton循环与超临界Rankine循环组成的联合循环,采用天然气燃料与氧气完全燃烧方式,以CO2为循环工质,在不消耗额外的能量的前提下,通过与LNG气化系统的整合,直接利用LNG低温冷
附图说明
下面将结合相应附图对本发明的具体实施例进行详细描述。
图1为根据本发明的利用液化天然气(LNG)冷
具体实施方式
参看图1,本发明的主要部分为由以CO2为循环工质的Brayton循环和超临界Rankine循环组成的联合循环及液化天然气(LNG)气化系统。该循环中:1-LNG增压泵;2-LNG气化器;3-外网供冷器;4预热器;5-空分装置;6-分水器;7-低压压气机;8-高压压气机;9-液态CO2增压泵;10-回热器;11-CO2膨胀透平;12-燃烧室;13-燃气透平;14-发电机。
上述系统中的连接为公知技术,本发明在此不作具体描述。
系统流程描述:
LNG经增压泵1被升压亚临界压力状态(S2),在LNG气化器2中吸热气化为低温(0℃以下)天然气(S4),再通过外网供冷器3对外网用户实现制冷输出后达到常温亚临界压力状态,然后分为两部分:一小部分天然气(S6)作为燃料送入燃烧室12,其余绝大部分天然气(S5)向外界用户输送;
经LNG气化器2被LNG冷却到很低温度的CO2气体(S13)进入低压压气机7,被压缩增压至所对应的冷凝压力;然后分为两股,一部分(S14)送往Rankine循环;另一部分(S23)送往Brayton循环。
Rankine循环中,CO2气体(S14)在预热器4中对天然气(S6)和通过空分装置5分离得到的氧气(S10)预热后,经LNG气化器2冷凝为液态(S16),再经液态CO2增压泵9升至超临界压力状态S17/S18。除一小部分液态CO2(S17)被排出系统外,绝大部分液态CO2(S18)通过回热器10被燃气透平排气(S28)加热至状态S20送入膨胀透平11作功,透平排气S21经回热器10被燃气透平排气S27加热升温后送入燃烧室12。
Brayton循环中,CO2气体(S23)经高压压气机8升压至Brayton循环的最高压力状态S24,然后经回热器10加热至状态S25送入燃烧室12。燃烧室中,天然气(S7)与氧气(S11)在燃烧室12中发生完全燃烧反应,反应产物(包括水蒸汽和CO2气体)连同经回热后送入燃烧室的CO2气体(S22,S25)共同作为透平进气(S26)送入燃气透平13作功;透平排气(S27)经回热器10冷却后进入分水器6将冷凝产生的液态水(S31)排出,CO2气体(S12)则送入LNG气化器2重新开始循环。
本发明的系统在天然气输送压力为3.06MPa时,平衡工况性能参数见表1。有关条件为:系统稳态运行状况下,压气机等熵效率88%;燃烧室燃烧效率100%(CH4和O2按照完全燃烧的化学计量比反应),压损为3%;燃气透平等熵效率88%,进气温度1300℃;回热器最小传热温差10℃;LNG气化器最小传热温差5℃,压损为3%;LNG增压泵效率77%;CO2膨胀透平等熵效率88%;LNG的成分为100%的CH4。循环最低温度为-70℃以避免CO2气体在环境压力(0.1MPa)下凝结(CO2气体在压力为0.1MPa时饱和温度为-78.4℃)。
在天然气输送压力为3.06MPa时,低、高压压气机压比分别为6.6和4.6,回热器冷侧工质的最高温度约为620℃,送入燃烧室的CO2工质(流股5和16)温度均为623.5℃,Brayton循环工质流率比(高压压气机升压后送入燃烧室的CO2流率与送入燃烧室的CO2总流率之比)为0.7,LNG质量流率为54.7kg/s的条件下,系统输入的燃料能量为109.9MW,LNG冷
目前的发电系统中分离CO2使系统效率降低5~10%。而本系统由于采用了系统集成和无功耗分离CO2技术使得其效率相对于现有的单纯利用LNG冷
本发明的系统和流程可以回收天然气燃烧生成的全部二氧化碳和水,具有优秀的环保性能和良好的技术经济性。
本发明作为一个二氧化碳零排放的动力发电系统,其流程简单、运行可靠性高,使用常规的动力循环设备(包括燃气轮机、膨胀透平),不消耗水,在发电的同时实现了无耗功分离CO2,因此具有广阔的工程应用前景。表2为本发明的循环平衡工况状态参数,表3为本发明系统热力性能数据。
表1:系统主要性能参数
a表中Brayton循环工质流率比是指经高压压气机升压后送入燃烧室的CO2流率与送入燃烧室的CO2总流率之比。
b表中O2的分离比功是指状态参数为3.06MPa/15℃时的O2分离比功。
表2.循环平衡工况状态参数
注:燃烧室进口CO2工质质量流率设为100kg/s
表3系统热力性能数据(天然气输送压力3MPa)
注:燃料比率是指作为燃烧室燃料的天然气流率占全部天然气流率的比率。
表3中效率的计算公式:
发电效率=净输出功率/(天然气消耗量×天然气低位热值)=净输出功率/燃料能输入
=净输出功率/(燃料能输入+LNG冷输入)
机译: 利用液化天然气的燃料电池电力,冷/热,干燥热和二氧化碳排放的制造系统
机译: 利用液化天然气进行燃料电池干燥和二氧化碳干热电热/冷热的液化天然气制造系统
机译: 二氧化碳分离器的液化天然气型燃料电池发电器,利用液化天然气的低温