[发明专利]利用液氢冷的二氧化碳零排放的方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用液氢(LH₂)冷进行发电技术和二氧化碳(CO₂)减排技术相结合的Brayton(布雷顿)循环系统及流程。

背景技术

目前与本发明相关的技术主要包括利用低温液态燃料(LNG、LH₂等)冷发电技术和CO₂减排技术，其各自技术的发展状况和系统特征如下：

1、利用低温液态燃料冷发电技术

与传统的化石燃料(煤炭、石油等)相比，天然气、氢气等气态燃料具有高能、清洁的优点。基于远程运输、储存的考虑，气态燃料在由产地向远程用户输送前多被加压液化为液态燃料，如液化天然气(LNG)、液氢(LH₂)等。过程中大量的能量被消耗用于气体的压缩冷却(约为0.5kWh/kg·LNG，5～10kWh/kg·LH₂)，最终得到的液态燃料均处于超低温状态(LNG约为-162℃、LH₂约为-253℃)，具有相当大的物理冷液态燃料在送达接收站后，先压缩升压再加热气化配送用户，气化过程将释放大量的冷低温液态燃料气化方式主要有三种：以海水或空气为热源通过换热器加热气化；浸没燃烧气化器加热气化；通过换热器对液态燃料低温冷进行回收利用。需要指出的是，前两种方式都没有利用液态燃料的低温冷而且用海水来作为气化热源不利于海洋生态。

目前，低温液态燃料冷已成功应用于众多领域，如液化分离空气、冷发电、冷冻仓库、液化碳酸和干冰生产、低温粉碎处理废弃物及低温医疗等。

利用低温液态燃料(LNG、LH₂等)冷发电可以分为两大类：

1)以低温液态燃料为冷源、环境或低温废热为热源组成相对独立的发电系统；

2)利用低温液态燃料冷改进动力循环的特性。

利用低温液态燃料气化冷的独立发电方式主要有：直接膨胀法，闭式Rankine循环法及复合法等。直接膨胀法将高压LNG或LH₂用海水加热到过热状态后送入透平膨胀作功，然后将得到的低压气态燃料(天然气或氢气)输送到用户。该方式的优点是系统简单。但是仅仅回收了高压气态燃料的压力能，气化冷被白白浪费。闭式Rankine循环法是将低温液态燃料作为冷源，环境(通常是海水)作为热源，采用某种物质为工质组成闭式循环，该方法的冷回收率较高。复合法综合了直接膨胀法和闭式Rankine循环法，低温液态燃料首先被压缩增压，然后通过冷凝器吸热，带动闭式Rankine循环对外作功，最后高压气体通过膨胀透平作功，其冷回收率较高。

利用低温液态燃料冷改进动力循环特性最简单的方式是利用其冷能冷却循环水，以提高凝汽器的真空，从而提高蒸汽动力循环或联合循环的效率。该方式具有技术成熟、附加投资少的优点，而且在没有低温液态燃料的条件下系统可以继续运行。但是对低温冷利用不充分，联合循环效率提高幅度小。

利用低温液态燃料冷改进动力循环特性的其它常见方式还包括：利用低温液态燃料气化冷冷却燃气轮机循环压气机进气等。但是由于液氢(LH₂)温度极低(约-253℃)，因此若直接用其冷却燃机进气，会存在加大换热温差，从而造成LH₂冷大幅损失。基于此，Bisio等在1995年提出了一个利用LH₂冷的氦工质燃气轮机联合循环。该系统中底循环为氦工质Brayton循环，顶循环为常规燃气轮机循环，底循环以顶循环排烟为热源，利用LH₂气化过程产生的低温(50K)冷源，该循环的总能效率可以达到74％。但是，该系统仍未实现对LH₂冷较为充分的利用，LH₂离开系统时仍具有-153℃的低温，需要采用海水或空气热源对其进行进一步的气化加热。

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。