一种低能耗捕集二氧化碳的多联供系统和方法与流程

1.本发明属于技术领域，具体涉及一种低能耗捕集二氧化碳的多联供系统和方法。


背景技术：

2.公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
3.最近，化石能源的不合理的开发和使用，既造成了能源问题，同时又给环境和生态造成了严重威胁。提高运行系统的热效率和降低污染物的排放是缓解这个问题的重要途径。
4.固体氧化物燃料电池(sofc)可以直接将燃料化学能转化为电能，发电效率较高，由于sofc排气温度比较高，通常与燃气轮机(gt)结合进行联合发电，但是从gt出来的排气温度仍然较高，直接排出浪费能源。
5.近年来，中国对液化石油天然气(lng)具有较大需求，但大多lng在使用之前都需要气化，传统的lng气化过程是通过海水或空气实现的，气化过程不仅给周围环境造成了冷污染，同时还造成了大量冷能浪费。
6.co2无毒无害且成本较低，较容易达到临界状态，以其为工质的动力循环受到研究人员的广泛关注。其中跨临界二氧化碳循环因为冷凝温度低，很适合中低温余热回收，可实现较高输出功；但因其冷凝温度要低于co2临界点温度(30.98℃)，所以很难在常温下进行冷却。


技术实现要素：

7.针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种低能耗捕集二氧化碳的多联供系统和方法。
8.为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：
9.第一方面，一种低能耗捕集二氧化碳的多联供系统，包括：燃料电池sofc、燃烧室、热水换热器、冷凝换热器、co2换热器；
10.燃料电池sofc的阳极气体出口依次与燃烧室、热水换热器、冷凝换热器、co2换热器连接；
11.lng储液装置，lng储液装置液体出口与co2换热器的冷凝介质入口连接。
12.燃料电池sofc的阳极室出来的气体(co,co2,ch4,h2,h2o)与氧气在燃烧室b中恰好完全燃烧，经过换热降低温度，与lng换热，被lng冷凝后的二氧化碳达到跨临界状态，热量供给lng，助于lng的气化。解决了co2很难在常温下进行冷却的问题。
13.燃烧室排出的烟气先后经过热水换热器、冷凝换热器、co2换热器进行释放热量，转化为热水进行供热，在进行热、电联供的同时，实现了二氧化碳捕集和冷凝水(燃烧室排出的烟气中的水蒸气被冷凝后得到的冷凝水)的回收，既保证了较高的联供效率和发电效
率，又满足了用户的多种需求。
14.在本发明的一些实施方式中，还包括空气再热器、第二混合再热器，燃烧室的烟气出口依次与燃料电池sofc的阳极气体出口依次与空气再热器、第二混合再热器连接，空气再热器、第二混合再热器分别与燃料电池的气体进口连接，第二混合再热器的热介质出口与热水换热器连接。烟气加热进入到燃料电池的原料。第二混合加热器用于燃料的加热，燃烧室燃烧后的气体经过空气再热器加热空气之后，进入到第二混合加热器进行加热燃料。
15.在本发明的一些实施方式中，还包括燃气轮机，燃料电池的阴极气体出口与燃气轮机连接。
16.进一步，还包括第一混合加热器，第一混合加热器的低温介质入口与sofc的阴极气体出口连接，第一混合加热器的低温介质出口与燃气轮机连接，第一混合加热器的热介质入口与燃烧室的烟气出口连接，第一混合器的热介质出口与空气再热器连接。
17.sofc的阴极气体(o2和n2)进入到第一混合加热器中被加热后进入到燃气轮机gt中，sofc排气进入到燃气轮机中进行联合发电，被加热的阴极气体进入到燃气轮机gt中，提高发电效果。本发明中将阳极气体和阴极气体分别排放。
18.sofc与gt结合进行联合发电，然后从gt出来的气体又与原料进行换热，又经过跨临界二氧化碳循环、丙烷循环进行换热，实现gt排气的有效利用。
19.在本发明的一些实施方式中，还包括二氧化碳压缩机，冷凝换热器的气体出口与二氧化碳压缩机连接，二氧化碳压缩机与co2换热器连接。经过冷凝后的烟气进入到二氧化碳压缩机压缩后，主要成分为co2，进入到co2换热器中进行换热。
20.在本发明的一些实施方式中，还包括空气预热器、燃料预热器、水预热器，燃气轮机的气体出口依次与空气预热器、燃料预热器、水预热器连接。燃气轮机的气体依次经过空气预热器、燃料预热器、水预热器进行换热，充分的利用燃气轮机排出的气体的热量。
21.在本发明的一些实施方式中，还包括二氧化碳锅炉、二氧化碳透平、二氧化碳回热器、二氧化碳冷凝器，水预热器的热介质出口与二氧化碳锅炉的热介质入口连接，二氧化碳锅炉的二氧化碳气体出口依次连接二氧化碳透平、二氧化碳回热器、二氧化碳冷凝器，二氧化碳冷凝器的二氧化碳气体出口依次连接二氧化碳回热器、二氧化碳锅炉。
22.在本发明的一些实施方式中，还包括丙烷锅炉、丙烷透平、丙烷回热器、丙烷冷凝器，二氧化碳锅炉的热介质出口与丙烷锅炉连接，丙烷锅炉的丙烷气体出口依次与丙烷透平、丙烷回热器、丙烷冷凝器连接，丙烷冷凝器的丙烷气体出口依次与丙烷回热器、丙烷锅炉连接。
23.跨临界二氧化碳循环、丙烷循环实现对外做功和介质的状态转换。
24.在本发明的一些实施方式中，还包括lng分流器、lng混合器，lng储液罐的液体出口与丙烷冷凝器、lng分流器连接，lng分流器分别与二氧化碳冷凝器、co2换热器的冷凝介质入口连接，二氧化碳冷凝器的冷凝介质出口、co2换热器的冷凝介质出口分别与lng混合器连接，lng混合器出口与蓄冷器连接。lng先进入到丙烷冷凝器，然后经过lng分流器后，分别进入到二氧化碳冷凝器、co2换热器进行吸收热量。解决lng气化过程的冷能的回收，有助于将lng由液态转变为气态。
25.lng的气化过程与跨临界二氧化碳循环、丙烷循环进行结合，实现二氧化碳、丙烷的过冷状态，避免lng冷能的浪费。
26.在本发明的一些实施方式中，热水换热器与水源连接。在本发明的一些实施方式中，冷凝换热器与低温水源连接。热水换热器使水加热给用户提供热水，冷凝换热器与水源连接，自身的温度降低，水分被冷凝从气体中分离，剩余气体主要为二氧化碳。在本发明的一些实施方式中，蓄冷器与冷却介质连接。冷凝介质被冷却后，进行供冷。
27.在本发明的一些实施方式中，还包括第二混合加热器，sofc的燃料进口与第二混合加热器连接，空气再热器的热介质出口与第二混合加热器的热介质进口连接，第二混合加热器的热介质出口与热水换热器的热介质进口连接。
28.在本发明的一些实施方式中，还包括空气压缩机、空气预热器，空气压缩机的气体进口与空气源连接，空气压缩机的气体出口与空气预热器的空气进口连接，空气预热器的空气出口与空气再热器的空气进口连接。空气通过空气压缩机压缩后，进入到空气预热器进行预热，然后再进入到空气再热器进行进一步加热。
29.在本发明的一些实施方式中，还包括燃料压缩机、燃料预热器，燃料压缩机的燃料进口与燃料源连接，燃料压缩机的燃料出口与燃料预热器的燃料进口连接，燃料预热器的燃料出口与第二混合加热器的燃料进口连接。燃料经过燃料压缩机后进入到燃料预热器进行预热，然后进入到第二混合器中。
30.在本发明的一些实施方式中，还包括水预热器、混合器，水预热器与水源连接，水预热器的水出口与混合器的水入口连接，混合器的气体进口与燃料预热器的气体出口连接，混合器的混合料出口与第二混合加热器的燃料进口连接。水预热之后进入到混合器中与燃料进行混合，燃料和水在混合器m1混合形成混合物，混合物经混合加热器ph5加热后送至燃料电池sofc阳极入口。
31.第二方面，一种低能耗捕集二氧化碳的多联供方法，具体步骤为：
32.燃料电池排出的阳极气体进入到燃烧室进行燃烧，燃烧得到的烟气依次经过第一混合加热器、空气再热器、热水换热器、冷凝换热器进行换热，烟气中的水蒸气冷凝分离，剩余的气体经过压缩后进入到co2换热器中与lng液体进行换热，得到co2液体；
33.lng液体经过蓄冷器的进一步换热得到天然气。
34.作为进一步技术方案，燃料电池的阴极气体经过混合加热器加热后进入到燃气轮机进行做功，然后分别进入到空气预热器、燃料预热器、水预热器、二氧化碳锅炉、丙烷锅炉进行换热。
35.作为进一步技术方案，二氧化碳气体经过二氧化碳锅炉吸热后进入到二氧化碳透平进行做功，然后经过二氧化碳回热器进行换热后，进入到二氧化碳冷凝器与lng液体进行换热得到过冷液体，再经过二氧化碳泵加压至超临界压力后依次进入二氧化碳回热器、二氧化碳锅炉进行加热。
36.作为进一步技术方案，经丙烷锅炉加热后的超临界丙烷进入丙烷透平，推动丙烷透平对外做功，对外做功后压力降至亚临界压力，然后通过丙烷回热器预冷后送至丙烷冷凝器与lng换热，被冷却至过冷状态，接着从丙烷冷凝器出来的过冷液体经丙烷泵加压至超临界压力，送至丙烷回热器预热，最后被送入锅炉加热。
37.作为进一步技术方案，lng经加压后通过丙烷冷凝器与丙烷换热，自身被升温，接着通过分成两路，一路进入二氧化碳冷凝器与二氧化碳换热被加热，另一路被送至co2换热器中与二氧化碳发生热交换，自身继续升温，两路分别换热后，进行混合，混合之后的lng与
外界水在蓄冷器进行换热，外界水被冷却，供给空调系统，lng自身升温进行天然气供应。
38.lng先经过丙烷冷凝器进行一级加热，然后分别经过二氧化碳冷凝器、二氧化碳换热器进行二级加热，最后经过蓄冷器进行换热后得到5℃左右的天然气，可以进行外供。
39.作为进一步技术方案，空气、燃料、水分别经过空气预热器、燃料预热器、水预热器进行预热后，燃料和水混合，然后燃料和水经过第二混合加热器进行加热，空气经过空气再热器进行加热，然后进入到燃料电池。
40.作为进一步技术方案，外界的水经过热水换热器加热后，给用户提供热水。
41.作为进一步技术方案，外界水经过冷凝换热器加热后，得到热水，冷凝换热器得到燃烧室排出的烟气冷凝后的冷凝水。
42.本发明一个或多个技术方案具有以下有益效果：
43.1.低能耗捕集二氧化碳的多联供系统，通过引入换热器ph4,ph5,ph6，将燃烧室出口热量充分回收，更大程度的提高了系统的发电效率和联供效率，同时实现了热量的梯级利用，有利于二氧化碳捕集。
44.2.低能耗捕集二氧化碳的多联供系统，通过将顶循环sofc系统与跨临界二氧化碳循环、跨临界有机朗肯循环以及lng循环耦合，既可提高系统的发电效率和联供效率，又可实现二氧化碳低能耗捕集和lng冷能梯级利用。
45.3.低能耗捕集二氧化碳的多联供系统除可实现冷、热、电联供，还有二氧化碳捕集，冷凝水回收，天然气供应多种功能，满足用户多种需求。通过引入换热器he实现向用户供热；通过冷凝换热器che既满足了用户部分热需求，同时还可进行冷凝水的回收；通过引入二氧化碳压缩机c和lng、co2换热器lche进行二氧化碳捕集；通过设置蓄冷器rs满足用户冷需求；lng冷能梯级利用升温后，还可实现天然气的供应。
46.4.低能耗捕集二氧化碳的多联供系统用lng作为冷源，先冷却丙烷工质，后冷却二氧化碳工质，既解决了跨临界有机朗肯循环和跨临界二氧化碳循环常温下冷凝困难的问题，又实现了lng冷能梯级利用，大幅降低了工质的冷凝温度，从而可以减小膨胀背压，增加系统的发电量，提升系统的发电效率，具有很好的节能降耗效果。
附图说明
47.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本技术的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
48.图1为低能耗捕集二氧化碳的多联供系统图；
49.其中，ac
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空气压缩机；fc燃料压缩机；wp
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水泵；gt
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燃气轮机；m1
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混合器；b
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燃烧室；ph1
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空气预热器；ph2
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燃料预热器；ph3
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水预热器；ph4
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空气再热器；ph51
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第一混合加热器；ph52
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第二混合加热器；he
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热水换热器；che
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冷凝换热器；c
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二氧化碳压缩机；lche
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co2换热器；ct
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co2储液罐；rs
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蓄冷器；hrvg1
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二氧化碳锅炉；hrvg2
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丙烷锅炉；t1
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二氧化碳透平；t2
‑
丙烷透平；re1
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二氧化碳回热器；re2
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丙烷回热器；cond1
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二氧化碳冷凝器；cond2
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丙烷冷凝器；p1
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二氧化碳泵；p2
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丙烷泵；lp
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lng泵；s
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lng分流器；m2
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lng混合器；lt
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lng储液罐；
具体实施方式
50.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
51.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
52.名词解释：
53.sofc，固体氧化物燃料电池，在中高温下将储存在燃料和氧化剂中的化学能转化成电能的全固态化学发电装置。
54.lng，是液化天然气。
55.二氧化碳锅炉、丙烷锅炉，是能量转换设备，向锅炉输入的能量有燃料中的化学能、电能，锅炉输出蒸汽、高温水或有机热载体。
56.低能耗捕集二氧化碳的多联供系统的流程如下：
57.1.烟气部分：
58.空气依次经过空气压缩机ac压缩，空气预热器ph1预热和空气再热器ph4再热后，被送至燃料电池sofc阴极入口；同时，燃料(ch4)依次经燃料压缩机fc压缩，燃料预热器ph2预热后送至混合器m1；同时，水依次经水泵加压，水预热器ph3预热后，也送至混合器m1；燃料和水在混合器m1混合形成混合物，混合物经第二混合加热器ph52加热后送至燃料电池sofc阳极入口。
59.空气和混合物在燃料电池sofc中发生电化学反应产生电能，从sofc出来的气体分成两路，一路从阴极出来(主要是o2和n2)，经阴极加热器ph6加热后送至燃气轮机gt，推动燃气轮机gt对外做功，从gt出来的气体先依次经过换热器ph1、ph2、ph3进行换热，之后依次通过锅炉hrvg1和hrvg2为跨临界有机朗肯循环和跨临界二氧化碳循环提供热量。另一路，从阳极出来的气体(co,co2,ch4,h2,h2o)与氧气在燃烧室b中恰好完全燃烧，从燃烧室b出来的气体(co2和h2o)，依次通过换热器ph4(空气再热器)、ph51(第一混合加热器)进行换热，换热后气体通过热水换热器he换热，为用户提供热水；接着气体通过冷凝换热器che与外界水进行换热，一方面可以加热外界水提供热水，另一方面气体自身被冷却温度降低，气体中混有的水分被冷凝分离；从che出来的气体主要成分为二氧化碳，气体通过二氧化碳压缩机压缩后通过lng、co2换热器lche与低温的液化石油天然气lng换热，二氧化碳冷凝之后送至co2储液罐ct中储存。
60.2.跨临界二氧化碳循环
61.经二氧化碳锅炉hrvg1加热后的超临界二氧化碳进入二氧化碳透平t1，推动t1对外做功，对外做功后压力降至亚临界压力，然后通过二氧化碳回热器re1预冷后送至二氧化碳冷凝器cond1与来自lng分流器s的lng换热，被冷却至过冷状态，接着从cond1出来的过冷液体经二氧化碳泵p1加压至超临界压力，送至二氧化碳回热器re1预热，最后被送入锅炉加热。
62.3.跨临界有机朗肯循环
63.此循环以丙烷为工质。经丙烷锅炉hrvg2加热后的超临界丙烷进入丙烷透平t2，推动t2对外做功，对外做功后压力降至亚临界压力，然后通过丙烷回热器re2预冷后送至丙烷冷凝器cond2与来自lng泵lp的lng换热，被冷却至过冷状态，接着从cond2出来的过冷液体经丙烷泵p2加压至超临界压力，送至丙烷回热器re2预热，最后被送入锅炉加热。
64.4.lng循环
65.从lng储液罐lt罐出来的lng经lng泵lp加压后通过cond2与丙烷换热，自身被升温，接着通过lng分流器s分成两路，一路进入cond1与二氧化碳换热被加热，另一路被送至lng、co2换热器lche中与来自二氧化碳压缩机c加压后的二氧化碳发生热交换，自身继续升温，两路分别换热后，在lng混合器m2中混合，混合之后的lng与外界水在蓄冷器rs进行换热，外界水被冷却至7℃，供给空调系统，lng自身升温至5℃进行天然气供应。
66.通过ees软件建立热力学模型，输入参数值并调用ees内置相关工质物性参数进行计算，输入参数如表1所示，计算热力学性能如表2所示。
67.表1输入参数
[0068][0069][0070]
表2性能计算结果
[0071][0072]
通过表2可以看到，低能耗捕集二氧化碳的多联供系统耦合了sofc、lng循环、跨临界二氧化碳循环、丙烷循环，同时实现了冷、热、电联供，供热151.3kw、供冷7.09kw，并且发电效率达到44.46，联供效率较高。压缩机耗功较小。实现了二氧化碳的补集，补集下来得到超临界二氧化碳，同时实现了排放的冷凝水的回收。lng液态经过换热后，将变为气态过程中的冷能进行回收，并且实现了天然气的供应。系统具有较好的节能降耗效果。
[0073]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。