一种掺氨燃烧的超临界二氧化碳锅炉系统和调节方法与流程

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1.本发明属于掺氨燃烧的超临界二氧化碳布雷顿循环发电领域，尤其涉及一种掺氨燃烧的超临界二氧化碳锅炉系统和调节方法。

背景技术：

2.氨(nh3)是一种零碳化合物，燃烧后的产物是水和氮，而氮气是大气的主要成分之一。同时，氨也是一种有发展前景的清洁能源载体和储存介质，是解决氢能储运的重要手段之一。
3.氢能尤其绿氢前景广阔，但氢储运一直是氢能高效利用面临的卡脖子难题。氨作为高效储氢介质，具有高能量密度、易液化储运、安全性高和无碳排放等优势，并且全球八成以上的氨用于生产化肥，有着完备的贸易和运输体系。因此，将可再生能源生产的氢转换为氨进行运输，能够极大地解决氢能运输瓶颈，降低用能成本，提高氢能利用的综合效率。锅炉的掺氨燃烧，是将氨和化石燃料按比例混合，作为锅炉燃料，既可实现燃料的稳定燃烧，又可达到低碳排放。
4.与传统水工质朗肯循环相比，超临界二氧化碳布雷顿循环在500～700℃时具有循环热效率高，能量密度大，系统简单紧凑，安全性好，不需要设置除氧、除盐、排污及疏放水设施等优势，可以在提升系统热功转换效率的同时降低投入成本。因此，开发掺氨燃烧的超临界二氧化碳先进动力循环技术对降低碳排放以及实现化石燃料的高效清洁利用均具有重要意义。

技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种掺氨燃烧的超临界二氧化碳锅炉系统和调节方法，可实现零能耗将液氨汽化为氨气并进行燃烧利用，从而同时达到减碳和动力循环高效利用的目的。
6.为了实现上述目的，本发明提供一种掺氨燃烧的超临界二氧化碳锅炉系统，包括超临界二氧化碳锅炉、透平、回热器、冷却器、主压缩机、液氨汽化器、液氨储罐和液氨泵；
7.所述超临界二氧化碳锅炉的出口与所述透平的入口连接，所述透平的出口与所述回热器的低压侧入口连接，所述回热器的低压侧出口与所述冷却器的放热侧入口连接，所述冷却器的放热侧出口与所述液氨汽化器的高温侧入口连接，所述液氨汽化器的高温侧出口与所述主压缩机的入口连接，所述主压缩机的出口与所述回热器的高压侧入口连接，所述回热器的高压侧出口与所述超临界二氧化碳锅炉的入口连接，所述液氨储罐的出口与所述液氨泵的入口连接，所述液氨泵的出口与所述液氨汽化器的低温测入口连接，所述液氨汽化器的低温测出口与所述超临界二氧化碳锅炉连接。
8.进一步地，还包括再压缩机，所述再压缩机的入口与所述回热器的低压侧出口连接，所述再压缩机的出口与所述回热器的高压侧入口连接。
9.进一步地，所述回热器包括高温回热器和低温回热器，所述透平的出口与所述高
温回热器的低压侧入口连接，所述高温回热器的低压侧出口与所述低温回热器的低压侧入口连接，所述低温回热器的低压侧出口与所述冷却器的放热侧入口连接，所述主压缩机的出口与所述低温回热器的高压侧入口连接，所述低温回热器的高压侧出口与所述高温回热器的高压侧入口连接，所述高温回热器的高压侧出口与所述超临界二氧化碳锅炉的入口连接。
10.进一步地，还包括再压缩机，所述再压缩机的入口与所述低温回热器的低压侧出口连接，所述再压缩机的出口与所述高温回热器的高压侧入口连接，或者说所述再压缩机的出口连接至所述低温回热器高压侧出口，然后再连接至所述高温回热器的高压侧入口。
11.进一步地，所述超临界二氧化碳锅炉、透平、回热器、冷却器、主压缩机、液氨汽化器液氨储罐和液氨泵之间均通过管道连接，在各个连接管道上设置阀门、测点、排放管路等辅助设备，从而可实现根据工艺要求对特定管路进行启闭、对参数进行测量。
12.进一步地，所述液氨汽化器的低温测出口与所述超临界二氧化碳锅炉连接的管道上设置氨气储罐，对氨气压力和流量波动进行稳定和缓冲。
13.本发明提供一种掺氨燃烧的超临界二氧化碳锅炉系统的调节方法，从回热器的低压侧出来的工质进入冷却器的放热侧放热，随后进入液氨汽化器进一步放热，然后进入主压缩机进行升压，低压工质成为高压工质并依次经过回热器高压侧、超临界二氧化碳锅炉、透平、回热器低压侧、冷却器和液氨汽化器高温侧，再次回到主压缩机，如此不断循环；在液氨汽化器中，通过低压工质放热来补充液氨汽化所需的能量，根据锅炉实际的掺氨和用氨需求，通过调节冷却器中冷却水流量来调节低压工质进入主压缩机的温度，从而实现进入主压缩机低压工质的温度水平的稳定。
14.在不同负荷下，不同喷氨比例以及不同环境温度下，通过调节冷却器中的冷却水量，即冷却器对工质的冷却能力，就可以确保进入主压缩机的工质温度达到所要求的水平。
15.本发明另外还提供一种掺氨燃烧的超临界二氧化碳锅炉系统的调节方法，从低温回热器的低压侧出来的工质进入冷却器的放热侧放热，随后进入液氨汽化器进一步放热，然后进入主压缩机进行升压，低压工质成为高压工质并依次经过低温回热器高压侧、高温回热器高压侧、超临界二氧化碳锅炉、透平、高温回热器低压侧、低温回热器低压侧、冷却器和液氨汽化器高温侧，再次回到主压缩机，如此不断循环；在液氨汽化器中，通过低压工质放热来补充液氨汽化所需的能量，根据锅炉实际的掺氨和用氨需求，通过调节冷却器中冷却水流量来调节低压工质进入主压缩机的温度，从而实现进入主压缩机低压工质的温度水平的稳定。
16.有益效果：
17.(1)本发明提供了一种掺氨燃烧的超临界二氧化碳锅炉系统和调节方法，通过将锅炉掺氨燃烧与超临界二氧化碳布雷顿循环的特点相结合，即将掺氨燃烧所需液氨进行汽化的能量需求与超临界二氧化碳布雷顿循环中的冷端冷却要求相结合。由于对液氨的汽化采用循环的冷端冷却要求来实现，因此液氨的汽化对超临界二氧化碳布雷顿循环几乎没有影响。这样不仅实现了零能耗掺氨燃烧，而且确保了掺氨燃烧对原有超临界二氧化碳布雷顿循环的影响近乎为零，最终可同时实现对能量的高效利用和二氧化碳的显著减排。
18.(2)本发明提供了一种掺氨燃烧的超临界二氧化碳锅炉系统和调节方法，进入主压缩机前的低压工质依次经过冷却器和液氨汽化器进行冷却降温，因此在本发明中通过调
节冷却器中的冷却水量来调节冷却器对低压工质的冷却能力，从而实现调节进入主压缩机的低压工质的温度，使其达到系统运行所需要的参数水平。这样的调节方式不仅可以灵活适应锅炉的任何掺氨量的需求，同时还保证了主压缩机入口低压工质的温度达到合理水平，即保证了循环的热效率。因此，本发明所涉系统和调节方法具有高度的灵活性和适应性。
19.(3)本发明提供了一种掺氨燃烧的超临界二氧化碳锅炉系统和调节方法，压缩机入口低压工质的温度对整个循环的热效率影响较为明显，通常其设计值在二氧化碳临界温度(31℃)附近。在环境温度较高时，通常冷却水难以将循环工质的温度降至设计值附近，从而影响了整个循环的热效率。而在本发明中，考虑到液氨的物性，液氨汽化器的工作温度根据压力水平可控制在显著低于环境温度的水平，因此有足够的温差保证液氨汽化过程的顺利进行，同时可以确保在环境温度较高的情况下进一步降低压缩机入口低压工质的温度至最优水平，从而可实现在较高环境温度条件下整个循环系统的高效运行。
20.以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
21.图1为一种掺氨燃烧的超临界二氧化碳锅炉系统的连接关系示意图；
22.附图标记：
23.1a、主压缩机；1b、再压缩机；2、低温回热器；3、高温回热器；4、超临界二氧化碳锅炉；5、透平；6、冷却器；7、液氨汽化器；a1、液氨储罐；a2、液氨泵。
具体实施方式
24.下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书所限定的范围。
25.在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
26.实施例1：
27.本实施例提供一种掺氨燃烧的超临界二氧化碳锅炉系统，包括超临界二氧化碳锅炉4、透平5、高温回热器3、低温回热器2、冷却器6、主压缩机1a、液氨汽化器7、液氨储罐a1和液氨泵a2；
28.超临界二氧化碳锅炉4的出口与透平5的入口连接，透平5的出口与高温回热器3的低压侧入口连接，高温回热器3的低压侧出口与低温回热器2的低压侧入口连接，低温回热器2的低压侧出口与冷却器6的放热侧入口连接，冷却器6的放热侧出口与液氨汽化器7的高温侧入口连接，液氨汽化器7的高温侧出口与主压缩机1a的入口连接，主压缩机1a的出口与低温回热器2的高压侧入口连接，低温回热器2的高压侧出口与高温回热器3的高压侧入口连接，高温回热器3的高压侧出口与超临界二氧化碳锅炉4的入口连接，液氨储罐a1的出口
与液氨泵a2的入口连接，液氨泵a2的出口与液氨汽化器7的低温测入口连接，液氨汽化器7的低温测出口与超临界二氧化碳锅炉4连接。
29.上述的掺氨燃烧的超临界二氧化碳锅炉系统的调节方法为，从低温回热器2的低压侧出来的工质进入冷却器6的放热侧放热，随后进入液氨汽化器7进一步放热，然后进入主压缩机1a进行升压，低压工质成为高压工质并依次经过低温回热器2高压侧、高温回热器3高压侧、超临界二氧化碳锅炉4、透平5、高温回热器3低压侧、低温回热器2低压侧、冷却器6和液氨汽化器7高温侧，再次回到主压缩机1a，如此不断循环；在液氨汽化器7中，通过低压工质放热来补充液氨汽化所需的能量，根据锅炉实际的掺氨和用氨需求，通过调节冷却器6中冷却水流量来调节低压工质进入主压缩机1a的温度，从而实现进入主压缩机1a低压工质的温度水平的稳定。
30.实施例2：
31.本实施例中提供的掺氨燃烧的超临界二氧化碳锅炉系统与实施例一基本相同，区别在于：还包括再压缩机1b，再压缩机1b的入口与低温回热器2的低压侧出口连接，再压缩机1b的出口与高温回热器3的高压侧入口连接，或者说低温回热器2低压侧出口分为两路，一路与冷却器6放热侧入口相连，另一路与再压缩机1b入口相连，再压缩机1b的出口连接至低温回热器2高压侧出口，然后再连接至高温回热器3的高压侧入口。
32.上述的掺氨燃烧的超临界二氧化碳锅炉系统的调节方法为，从低温回热器2的低压侧出来的工质进入冷却器6的放热侧放热，随后进入液氨汽化器7进一步放热，然后进入主压缩机1a进行升压，低压工质成为高压工质并依次经过低温回热器2高压侧、高温回热器3高压侧、超临界二氧化碳锅炉4、透平5、高温回热器3低压侧、低温回热器2低压侧、冷却器6和液氨汽化器7高温侧，再次回到主压缩机1a，如此不断循环；其中部分低温回热器2低压侧工质流经再压缩机1b变为高压工质后进入高温回热器3高压侧。设置两个压缩机可以减少散热损失，提高整体循环效率。在液氨汽化器7中，通过低压工质放热来补充液氨汽化所需的能量，根据锅炉实际的掺氨和用氨需求，通过调节冷却器6中冷却水流量来调节低压工质进入主压缩机1a的温度，从而实现进入主压缩机1a低压工质的温度水平的稳定。
33.压缩机入口低压工质的温度为35℃，液氨汽化器的工作压力为0.43mpa，工作温度为20℃。本发明提供的掺氨燃烧的超临界二氧化碳锅炉系统和调节方法，通过将锅炉掺氨燃烧与超临界二氧化碳布雷顿循环的特点相结合，即将掺氨燃烧所需液氨进行汽化的能量需求与超临界二氧化碳布雷顿循环中的冷端冷却要求相结合。由于对液氨的汽化采用循环的冷端冷却要求来实现，因此液氨的汽化对超临界二氧化碳布雷顿循环几乎没有影响。这样不仅实现了零能耗掺氨燃烧，而且确保了掺氨燃烧对原有超临界二氧化碳布雷顿循环的影响近乎为零，最终可同时实现对能量的高效利用和二氧化碳的显著减排。
34.最后应说明的是：本发明不限于上述实施例，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关技术领域，均同理包括在本发明专利的保护范围内。

技术特征：

1.一种掺氨燃烧的超临界二氧化碳锅炉系统，其特征在于，包括超临界二氧化碳锅炉(4)、透平(5)、回热器、冷却器(6)、主压缩机(1a)、液氨汽化器(7)、液氨储罐(a1)和液氨泵(a2)；所述超临界二氧化碳锅炉(4)的出口与所述透平(5)的入口连接，所述透平(5)的出口与所述回热器的低压侧入口连接，所述回热器的低压侧出口与所述冷却器(6)的放热侧入口连接，所述冷却器(6)的放热侧出口与所述液氨汽化器(7)的高温侧入口连接，所述液氨汽化器(7)的高温侧出口与所述主压缩机(1a)的入口连接，所述主压缩机(1a)的出口与所述回热器的高压侧入口连接，所述回热器的高压侧出口与所述超临界二氧化碳锅炉(4)的入口连接，所述液氨储罐(a1)的出口与所述液氨泵(a2)的入口连接，所述液氨泵(a2)的出口与所述液氨汽化器(7)的低温测入口连接，所述液氨汽化器(7)的低温测出口与所述超临界二氧化碳锅炉(4)连接。2.如权利要求1所述的掺氨燃烧的超临界二氧化碳锅炉系统，其特征在于，所述回热器包括高温回热器(3)和低温回热器(2)，所述透平(5)的出口与所述高温回热器(3)的低压侧入口连接，所述高温回热器(3)的低压侧出口与所述低温回热器(2)的低压侧入口连接，所述低温回热器(2)的低压侧出口与所述冷却器(6)的放热侧入口连接，所述主压缩机(1a)的出口与所述低温回热器(2)的高压侧入口连接，所述低温回热器(2)的高压侧出口与所述高温回热器(3)的高压侧入口连接，所述高温回热器(3)的高压侧出口与所述超临界二氧化碳锅炉(4)的入口连接。3.如权利要求1所述的掺氨燃烧的超临界二氧化碳锅炉系统，其特征在于，还包括再压缩机(1b)，所述再压缩机(1b)的入口与所述回热器的低压侧出口连接，所述再压缩机(1b)的出口与所述回热器的高压侧入口连接。4.如权利要求2所述的掺氨燃烧的超临界二氧化碳锅炉系统，其特征在于，还包括再压缩机(1b)，所述再压缩机(1b)的入口与所述低温回热器(2)的低压侧出口连接，所述再压缩机(1b)的出口与所述高温回热器(3)的高压侧入口连接。5.如权利要求1所述的掺氨燃烧的超临界二氧化碳锅炉系统，其特征在于，所述超临界二氧化碳锅炉(4)、透平(5)、回热器、冷却器(6)、主压缩机(1a)、液氨汽化器(7)液氨储罐(a1)和液氨泵(a2)之间均通过管道连接，在各个连接管道上设置阀门、测点、排放管路。6.如权利要求1所述的掺氨燃烧的超临界二氧化碳锅炉系统，其特征在于，所述液氨汽化器(7)的低温测出口与所述超临界二氧化碳锅炉(4)连接的管道上设置氨气储罐。7.一种掺氨燃烧的超临界二氧化碳锅炉系统的调节方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的掺氨燃烧的超临界二氧化碳锅炉系统，具体调节方法为，从回热器的低压侧出来的工质进入冷却器(6)的放热侧放热，随后进入液氨汽化器(7)进一步放热，然后进入主压缩机(1a)进行升压，低压工质成为高压工质并依次经过回热器高压侧、超临界二氧化碳锅炉(4)、透平(5)、回热器低压侧、冷却器(6)和液氨汽化器(7)高温侧，再次回到主压缩机(1a)，如此不断循环；在液氨汽化器(7)中，通过低压工质放热来补充液氨汽化所需的能量，根据锅炉实际的掺氨和用氨需求，通过调节冷却器(6)中冷却水流量来调节低压工质进入主压缩机(1a)的温度，从而实现进入主压缩机(1a)低压工质的温度水平的稳定。8.一种掺氨燃烧的超临界二氧化碳锅炉系统的调节方法，其特征在于，采用如权利要求2所述的掺氨燃烧的超临界二氧化碳锅炉系统，具体调节方法为，从低温回热器(2)的低
压侧出来的工质进入冷却器(6)的放热侧放热，随后进入液氨汽化器(7)进一步放热，然后进入主压缩机(1a)进行升压，低压工质成为高压工质并依次经过低温回热器(2)高压侧、高温回热器(3)高压侧、超临界二氧化碳锅炉(4)、透平(5)、高温回热器(3)低压侧、低温回热器(2)低压侧、冷却器(6)和液氨汽化器(7)高温侧，再次回到主压缩机(1a)，如此不断循环；在液氨汽化器(7)中，通过低压工质放热来补充液氨汽化所需的能量，根据锅炉实际的掺氨和用氨需求，通过调节冷却器(6)中冷却水流量来调节低压工质进入主压缩机(1a)的温度，从而实现进入主压缩机(1a)低压工质的温度水平的稳定。

技术总结

本发明提供了一种掺氨燃烧的超临界二氧化碳锅炉系统和调节方法，涉及掺氨燃烧的超临界二氧化碳布雷顿循环发电领域，包括超临界二氧化碳锅炉、透平、回热器、冷却器、主压缩机、液氨汽化器、液氨储罐和液氨泵；通过将锅炉掺氨燃烧与超临界二氧化碳布雷顿循环的特点相结合，即将掺氨燃烧所需液氨进行汽化的能量需求与超临界二氧化碳布雷顿循环中的冷端冷却要求相结合。由于对液氨的汽化采用循环的冷端冷却要求来实现，因此液氨的汽化对超临界二氧化碳布雷顿循环几乎没有影响。这样不仅实现了零能耗掺氨燃烧，而且确保了掺氨燃烧对原有超临界二氧化碳布雷顿循环的影响近乎为零，最终可同时实现对能量的高效利用和二氧化碳的显著减排。减排。减排。