[发明专利]一种无NOx排放的氢燃气轮机联合循环多联产方法

说明书

本发明设计了一种无NOx排放的氢燃气轮机联合循环多联产方法，由布雷顿循环和朗肯循环构成。本发明主要面向H₂或CxHyOz型无氮燃料。使用CO₂替代N₂，配合空分制取的高纯O₂，形成以CO₂和O₂为主成分的循环烟气。使用分体式燃气轮机，燃烧产生高温烟气，通过冷凝分离H₂O、循环使用烟气，实现氢气燃气轮机的持续运行，并避免常规空气助燃所导致的热力型NOx问题。由于烟气冷凝的需要，配套使用朗肯循环和烟气深度余热利用。关键设备或单元包括空分制氧及存储、CO₂再生及存储、分体式燃气轮机、具备补燃功能的余热锅炉、朗肯循环及设备、冷凝换热器、烟气再循环及调控、N₂利用单元等。

技术领域

本发明提供了一种基于燃气轮机的无NOx排放的氢能发电及多联产系统，涉及一种氢气的分体式燃气轮机及配套的烟气循环与调控技术，属于氢气燃料的综合利用技术领域。

背景技术

氢能是一种清洁的二次能源。随着化石燃料重整制氢的规模化、水解高效制氢技术的成熟，氢能产业链及其各环节技术蓬勃发展。在终端利用方面，氢的利用方式是氢燃料电池技术。但是该技术存在着氢气存储压力高、贵金属消耗、功率密度低，不是非常适合发电领域。

氢气也可以作为内燃机(CN107221959A)和转子发动机(CN 110509783 A)的燃料，但是以上两种装置输出功率小，适合货运车或乘用车领域，不宜用于发电或多联供系统。另外，基于氢气的内燃机和转子发动机会产生NOx排放，部分抵消了H₂的清洁优势。

燃气轮机遵循布雷顿循环原理，运动部件少，结构简单紧凑，燃烧效率高，功率密度大。通过与朗肯循环结合，构成联合循环系统，具有高效率、低成本低的优点，并可实现热电联产，适合发电和区域综合能源领域。氢气因其高热值、无碳无氮的燃料性质，是燃气轮机的理想替代燃料。但是常规燃气轮机使用空气作为氧化剂，在高温下依然会存在热力型NOx污染物的生成。相较于氢燃料电池技术无NOx排放的特点，这是氢燃气轮机的排放劣势。

发明内容

为了实现氢能在发电或综合能源系统中的应用，并避免氢气在燃气轮机燃烧做功过程中产生NOx的问题，本发明提供了一种无NOx排放的氢燃气轮机联合循环多联产方法，采用CO₂替代N₂的氢气联合循环发电及多联产系统及其运行的方法。同时，为了克服空分分离等过程的高能耗，对系统实施了完善有效的能量回收方法，以热电联供的方式实现整体高能量转化效率，或以热电氮联供的方式提高整体的经济效益。

本发明的技术方案为：一种无NOx排放的氢燃气轮机联合循环多联产方法，以H₂或CxHyOz型气液无氮燃料，以空气分离制取的高纯O₂为氧化剂，以CO₂为替代N₂作为循环烟气，一并进入分体式燃气轮机燃烧，做功发电，产生主成分为CO₂、O₂、H₂O 的高温烟气，通过余热锅炉(HRSG)回收高温烟气中的热量，并使用朗肯循环进行发电或热电联产，从而提高系统能量利用效率；将余热锅炉排出的烟气进行深度冷却，使其中绝大部分水蒸气冷凝放热和析出分离，获得以CO₂和O₂为主成分的冷烟气，通过再循环及增压，冷烟气返回分体式燃气轮机，构成闭合循环；另外，利用空气分离产生的高纯高压N₂，用作氮原料，或通过膨胀发电机发电，或利用膨胀制冷原理，进行冷电联产，整体构成电-热/冷-N₂多联产系统。

空气分离出的O₂纯度在95％以上，正常运行状态下的制氧量为理论燃烧耗氧量。