沼气厂内燃机余热和LNG冷能综合利用发电系统及方法

沼气厂内燃机余热和lng冷能综合利用发电系统及方法
技术领域
1.本发明涉及沼气厂多品位能源综合利用发电领域，具体地，涉及一种沼气厂内燃机余热和lng冷能综合利用发电系统及方法。


背景技术：

2.生活水平的日益提高导致不可再生能源的大量消耗、世界范围内严重的环境污染问题和能源危机。因此，可再生能源在未来的能源结构中发挥着越来越重要的作用。与其他可再生能源相比，生物质能具有储量大、获取方便、前景广阔等优点。厌氧发酵技术是利用生物质能变废为宝的有效方法。有机废弃物，如农业秸秆和畜牧业污水，可以通过厌氧发酵技术转化为沼气和有机肥。中国生物质资源丰富，政府鼓励集中式和分布式沼气厂对有机废物进行无害化处理。因此，沼气厂近年来获得了快速发展，但其仍存在成本高、投资回收期长、能源管理粗放等问题。如何通过综合利用沼气厂内的多种不同品位的能量，提升沼气厂的经济性能是重点课题。现有研究大多基于简单的动力循环如有机朗肯循环回收沼气内燃机尾气的废热或基于简单的热电联产系统，没能很好地综合利用各种品位的能源达到最大化输出电能的效果。
3.沼气厂生产的沼气一部分用于燃烧发电，另一部分通过净化流程提纯为生物天然气，提纯过程的副产品是co2，它具有高稳定性，无毒和成本低等优点，很适合作为动力循环的工质。跨临界co2循环结构简单，稳定性强，投资成本低，但需要合适的冷源。中国近年来进口的lng数量越来越大，lng的气化过程需要额外的热量，而lng自身具有的冷能是想当大的，液化天然气(liquefied natural gas，简称lng)，主要成分是甲烷，被公认是地球上最干净的化石能源。无色、无味、无毒且无腐蚀性，其体积约为同量气态天然气体积的1/625，液化天然气的质量仅为同体积水的45％左右。沼气厂内燃机的尾气排烟温度一般较高，如何综合利用内燃机尾气的废热、co2工质的冷能和lng冷能是面临的一个技术问题，解决该技术问题有利于提高沼气厂的能量利用效率和发电量，具有十分重要的意义。


技术实现要素：

4.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种沼气厂内燃机余热和lng冷能综合利用发电系统及方法。
5.根据本发明提供的一种沼气厂内燃机余热和lng冷能综合利用发电系统，包括跨临界co2循环装置、lng加热膨胀装置以及沼气内燃机装置；
6.所述跨临界co2循环装置配置有co2液化储存罐以及第一透平膨胀机，所述lng加热膨胀装置配置有第二透平膨胀机以及lng液化储存罐，所述沼气内燃机装置燃烧产生的co2经液化处理储存至所述co2液化储存罐中，沼气厂产生的沼气经处理形成lng储存至所述lng液化储存罐中；
7.所述co2液化储存罐输出的co2经加压至超临界压力后通过获得的第一热量后在第一透平膨胀机中膨胀做功发电，所述lng液化储存罐输出的lng经加压后通过获得的第二热
量后在第二透平膨胀机中膨胀做功发电；
8.其中，所述第一热量、第二热量的部分来自于所述沼气内燃机装置产生的烟气余热。
9.优选地，所述跨临界co2循环装置还配置有第一高压泵、空气换热器以及第一高温烟气换热器，所述co2液化储存罐输出的co2经第一高压泵加压至超临界压力后依次经过空气换热器、第一高温烟气换热器换热后进入所述第一透平膨胀机，其中，在所述空气换热器中采用的换热介质为空气，在所述第一高温烟气换热器中的换热介质为来自沼气内燃机装置产生的烟气。
10.优选地，所述lng加热膨胀装置还配置有第二高温烟气换热器、低温lng预热器以及第二高压泵，所述lng液化储存罐输出的lng通过第二高压泵加压后依次经过低温lng预热器、第二高温烟气换热器后进入所述第二透平膨胀机，其中，所述第二高温烟气换热器采用的换热介质来自沼气内燃机装置产生的烟气，所述低温lng预热器采用的换热介质来自从所述第一透平膨胀机中排出的co2。
11.优选地，所述沼气内燃机装置包括沼气内燃机组以及烟气分流器，所述沼气内燃机组燃烧后产生的烟气通过烟气分流器进行分离，其中，分离后的烟气一路进入到所述第一高温烟气换热器中，另一路进入到所述第二高温烟气换热器中。
12.优选地，所述第一高温烟气换热器、第二高温烟气换热器出口烟气的温度大于80℃。
13.优选地，所述第一高压泵和第二高压泵的压力比能够被调节以匹配系统的发电需求。
14.优选地，进入到第一高温烟气换热器和第二高温烟气换热器的烟气比例能够被调节以匹配系统的动态波动。
15.优选地，从所述第一透平膨胀机中排出的co2的压力高于所述co2液化储存罐中的压力，从所述第二透平膨胀机中排出的天然气的压力高于天然气管网运行压力。
16.优选地，所述空气换热器、第一高温烟气换热器、第二高温烟气换热器均采用印刷电路板翅式换热器，所述低温lng预热器采用板式换热器。
17.根据本发明提供的一种基于沼气厂内燃机余热和lng冷能综合利用的发电方法，包括如下步骤：
18.s1:根据沼气厂日产沼气量与进入沼气内燃机装置燃烧的沼气流量，确定沼气内燃机装置尾气的流量和换热总量，分别设置跨临界co2循环装置、lng加热膨胀装置的co2循环流量、lng膨胀流量，并确定最佳烟气分流比；
19.s2:确定跨临界co2循环装置和lng加热膨胀装置中co2和lng的增压比范围；
20.s3:来自所述沼气内燃机装置的烟气经烟气分流器分流后，分别进入跨临界co2循环装置、lng加热膨胀装置所具有的换热器中换热，与工质换热达到限定温度范围后排出；
21.s4:分别设置跨临界co2循环装置、lng加热膨胀装置所具有的透平膨胀机工质的进口温度范围。
22.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
23.1、本发明有效利用了沼气厂内存在的多品位能源，包括沼气内燃机尾气的高温余热、沼气净化过程副产品co2与lng的冷能，利用高温烟气热能和lng低温内能，将它们同时
对冲到环境状态，增加了换热能温差，提高了系统做功能力；运用了跨临界co2动力系统和lng加热膨胀系统，co2工质来源于沼气厂内沼气的净化系统，降低了系统成本；运用烟气分流器，灵活匹配两个动力系统的烟气热能需求，提高电力输出与热能利用率，提高了能量效率和电力输出能力，与传统的热电联产系统相比，系统能源利用效率更高，增加了电力生产，输出功更大，减少了co2排放，经济效益更好。
24.2、本发明利用超临界co2循环与lng加热直流膨胀系统的联合系统，设备少，成本低，稳定性高。
25.3、本发明可以根据沼气厂沼气产量灵活匹配综合动力系统的烟气流量，增加了系统与沼气厂的适配度与运行稳定度。
附图说明
26.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
27.图1为本发明的原理示意图。
28.图中示出：
29.co2液化储存罐 1
30.第一高压泵 2
31.空气换热器 3
32.第一高温烟气换热器 4
33.第一透平膨胀机 5
34.第二透平膨胀机 6
35.第二高温烟气换热器 7
36.低温lng预热器 8
37.第二高压泵 9
38.lng液化储存罐 10
39.沼气内燃机组 11
40.烟气分流器 12
具体实施方式
41.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
42.为解决现有技术中的不足，综合利用沼气内燃机尾气的废热、co2工质的冷能和lng冷能发电，本发明提供了一种沼气厂内燃机余热和lng冷能综合利用发电系统，提高沼气厂的能量利用效率和经济效益，如图1所示，包括跨临界co2循环装置、lng加热膨胀装置以及沼气内燃机装置；跨临界co2循环装置配置有co2液化储存罐1、第一高压泵2、空气换热器3、第一高温烟气换热器4以及第一透平膨胀机5，形成一个闭环的跨临界co2动力循环，lng加热膨胀装置配置有lng液化储存罐10、第二高压泵9、低温lng预热器8、第二高温烟气
换热器7以及第二透平膨胀机6，形成开路的lng加热膨胀系统，沼气内燃机装置包括沼气内燃机组11以及烟气分流器12。
43.如图1所示，沼气内燃机装置燃烧产生的co2经液化处理储存至co2液化储存罐1中，co2液化储存罐1中的co2是液态的，温度大约为-30℃～-25℃，压力大约为1.43mpa～1.55mpa.，其流量由储存罐配套的调节阀控制，沼气厂产生的沼气经处理形成lng储存至lng液化储存罐10中；co2液化储存罐1输出的co2经加压至超临界压力后通过获得的第一热量后在第一透平膨胀机5中膨胀做功发电，lng液化储存罐10输出的lng经加压后通过获得的第二热量后在第二透平膨胀机6中膨胀做功发电；其中，第一热量、第二热量的部分来自于沼气内燃机装置产生的烟气余热。
44.具体地，co2液化储存罐1输出的co2经第一高压泵2加压至超临界压力后依次经过空气换热器3、第一高温烟气换热器4换热后进入第一透平膨胀机5中膨胀做功发电，从第一透平膨胀机5中排出的co2最终又流回到co2液化储存罐1中，其中，co2的超临界压力大于8mpa，在空气换热器3中采用的换热介质采用空间大气，在空气换热器3中换热后的co2从液态变成气态，温度稍微升高，随后co2进入第一高温烟气换热器4，第一高温烟气换热器4中的换热介质为来自沼气内燃机装置产生的烟气，co2吸收烟气的余热使得co2升至高温高压状态。
45.lng液化储存罐10输出的lng通过第二高压泵9加压后依次经过低温lng预热器8、第二高温烟气换热器7后进入第二透平膨胀机6中膨胀做功发电，经第二高压泵9加压后的lng至超临界压力，其中，第二高温烟气换热器7采用的换热介质来自沼气内燃机装置产生的烟气，低温lng预热器8采用的换热介质来自从第一透平膨胀机5中排出的co2，从第一透平膨胀机5中排出的co2工质进入低温lng预热器8中与lng换热，将余热传递给lng，lng从气态变成液态，经低温lng预热器8换热后的co2流回进入到co2液化储存罐1中，完成闭式循环，通过第二高温烟气换热器7加热来自低温lng预热器8的天然气，将其温度提高，提升其膨胀做功能力。从第二高温烟气换热器7输出的气态天然气到达第二透平膨胀机6膨胀做功，输出电能。需注意的是，第二透平膨胀机6出口的天然气ng的压力要略高于天然气管网运行压力，温度在天然气输送管网入口规定范围之内，方便于直接接入管网，以节省引流泵的成本，在第一透平膨胀机5出口的co2工质的压力优选略高于co2液化储存罐1的压力，以节省回流低压泵的成本。
46.进一步地，沼气内燃机组11燃烧后产生的烟气通过烟气分流器12进行分离，分离后的烟气一路进入到第一高温烟气换热器4中换热，另一路进入到第二高温烟气换热器7中换热，需要说明的是，为避免低温腐蚀设备，第一高温烟气换热器4、第二高温烟气换热器7出口烟气的温度大于80℃。
47.需要说明的是，第一高压泵2和第二高压泵9的压力比能够被调节以匹配系统的发电需求，进入到第一高温烟气换热器4和第二高温烟气换热器7的烟气比例能够被调节以匹配系统的动态波动，使系统能够达到最佳的运行状态。
48.空气换热器3、第一高温烟气换热器4、第二高温烟气换热器7均采用印刷电路板翅式换热器，印刷电路板翅式换热器耐高温高压性能优越，结构紧凑占地面积小；低温lng预热器8采用板式换热器，板式换热器在冷却方面性能较好，被常用于流体冷凝器。
49.基于本发明中的系统，本发明还提供了一种基于沼气厂内燃机余热和lng冷能综
合利用的发电方法，包括如下步骤：
50.s1:根据沼气厂日产沼气量与进入沼气内燃机装置燃烧的沼气流量，确定沼气内燃机装置尾气的流量和换热总量，分别设置跨临界co2循环装置、lng加热膨胀装置的co2循环流量、lng膨胀流量，并确定最佳烟气分流比；通过实验表明，基于一座日产50000m3/天的沼气厂内，当烟气分流比从3:10提高到3:5时，系统效率从47％提高到了57％，在原系统中沼气内燃机装置产生的烟气需用循环水冷却后直接排入大气，本发明不但省去了循环水冷却的环节，而且将烟气的余热重复利用发电，本发明的利用方式与原系统相比，本发明中的方法将沼气内燃机的发电效率从38％提高到了46％；多产出的电力折算为标准煤，可节省标准煤约2300吨/年，对应的可减少co2排放量5100吨/年，具有良好的能量效率和环境效益，不仅利用了烟气中的余热能，还巧妙的利用了lng的冷能，创造了一个冷热对冲高效协同利用的能源利用策略，为后续沼气厂能量管理策略的发展进步提供了新思路。
51.s2:确定跨临界co2循环装置和lng加热膨胀装置中co2和lng的增压比范围，co2和lng的增压比优选为6～15，以节省电能消耗，增加净功率输出；
52.s3:来自沼气内燃机装置的烟气经烟气分流器12分流后，分别进入跨临界co2循环装置、lng加热膨胀装置所具有的换热器中换热，与工质换热达到限定温度范围后排出，限定温度范围须满足尾气排出温度始终高于其露点温度，避免酸露点与酸腐蚀；
53.s4:分别设置跨临界co2循环装置、lng加热膨胀装置所具有的透平膨胀机工质的进口温度范围，以获得最佳的功率输出，提高系统效率。
54.需要注意的是，co2进入第一透平膨胀机5前的温度是设定好的，优选400℃～500℃，其流量根据进入第一高温烟气换热器4烟气的流量确定。co2在空气换热器3出口温度范围需要设定，流入空气换热器3的空气的流量由该温度范围确定，低温lng预热器8出口的co2工质的温度与co2液化储存罐1的温度相近。lng液化储存罐10出口的流量取决于低温lng预热器8中的换热量，目的是使lng充分吸收co2工质的热能。第二透平膨胀机6入口的lng温度取决于进入第二高温烟气换热器7的烟气流量，烟气流量越大，第二透平膨胀机6入口的lng温度越高。
55.本发明的工作原理如下：
56.如图1所示，系统运行时，co2工质从co2液化储存罐1中流出，经第一高压泵2加压，再经低温空气换热器3预热，在跨临界co2循环系统的第一高温烟气换热器4中吸收烟气余热，在出口变成高温高压状态，随后进入第一透平膨胀机5膨胀做功，离开第一透平膨胀机5后进入低温lng预热器8，传热给lng，co2在低温lng预热器8出口从气态变成液态，返回co2液化储存罐1，完成循环。lng从lng液化储存罐10流出，经第二高压泵9加压，进入低温lng预热器8，吸收co2的余热，在低温lng预热器8出口变成低温气态天然气，再进入第二高温烟气换热器7，被烟气加热，最后进入第二透平膨胀机6膨胀做功，从第二透平膨胀机6流出后被引入天然气管网，完成循环。
57.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
58.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述
特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

技术特征：
1.一种沼气厂内燃机余热和lng冷能综合利用发电系统，其特征在于，包括跨临界co2循环装置、lng加热膨胀装置以及沼气内燃机装置；所述跨临界co2循环装置配置有co2液化储存罐(1)以及第一透平膨胀机(5)，所述lng加热膨胀装置配置有第二透平膨胀机(6)以及lng液化储存罐(10)，所述沼气内燃机装置燃烧产生的co2经液化处理储存至所述co2液化储存罐(1)中，沼气厂产生的沼气经处理形成lng储存至所述lng液化储存罐(10)中；所述co2液化储存罐(1)输出的co2经加压至超临界压力后通过获得的第一热量后在第一透平膨胀机(5)中膨胀做功发电，所述lng液化储存罐(10)输出的lng经加压后通过获得的第二热量后在第二透平膨胀机(6)中膨胀做功发电；其中，所述第一热量、第二热量的部分来自于所述沼气内燃机装置产生的烟气余热。2.根据权利要求1所述的沼气厂内燃机余热和lng冷能综合利用发电系统，其特征在于，所述跨临界co2循环装置还配置有第一高压泵(2)、空气换热器(3)以及第一高温烟气换热器(4)，所述co2液化储存罐(1)输出的co2经第一高压泵(2)加压至超临界压力后依次经过空气换热器(3)、第一高温烟气换热器(4)换热后进入所述第一透平膨胀机(5)，其中，在所述空气换热器(3)中采用的换热介质为空气，在所述第一高温烟气换热器(4)中的换热介质为来自沼气内燃机装置产生的烟气。3.根据权利要求2所述的沼气厂内燃机余热和lng冷能综合利用发电系统，其特征在于，所述lng加热膨胀装置还配置有第二高温烟气换热器(7)、低温lng预热器(8)以及第二高压泵(9)，所述lng液化储存罐(10)输出的lng通过第二高压泵(9)加压后依次经过低温lng预热器(8)、第二高温烟气换热器(7)后进入所述第二透平膨胀机(6)，其中，所述第二高温烟气换热器(7)采用的换热介质来自沼气内燃机装置产生的烟气，所述低温lng预热器(8)采用的换热介质来自从所述第一透平膨胀机(5)中排出的co2。4.根据权利要求3所述的沼气厂内燃机余热和lng冷能综合利用发电系统，其特征在于，所述沼气内燃机装置包括沼气内燃机组(11)以及烟气分流器(12)，所述沼气内燃机组(11)燃烧后产生的烟气通过烟气分流器(12)进行分离，其中，分离后的烟气一路进入到所述第一高温烟气换热器(4)中，另一路进入到所述第二高温烟气换热器(7)中。5.根据权利要求3所述的沼气厂内燃机余热和lng冷能综合利用发电系统，其特征在于，所述第一高温烟气换热器(4)、第二高温烟气换热器(7)出口烟气的温度大于80℃。6.根据权利要求3所述的沼气厂内燃机余热和lng冷能综合利用发电系统，其特征在于，所述第一高压泵(2)和第二高压泵(9)的压力比能够被调节以匹配系统的发电需求。7.根据权利要求4所述的沼气厂内燃机余热和lng冷能综合利用发电系统，其特征在于，进入到第一高温烟气换热器(4)和第二高温烟气换热器(7)的烟气比例能够被调节以匹配系统的动态波动。8.根据权利要求1所述的沼气厂内燃机余热和lng冷能综合利用发电系统，其特征在于，从所述第一透平膨胀机(5)中排出的co2的压力高于所述co2液化储存罐(1)中的压力，从所述第二透平膨胀机(6)中排出的天然气的压力高于天然气管网运行压力。9.根据权利要求3所述的沼气厂内燃机余热和lng冷能综合利用发电系统，其特征在于，所述空气换热器(3)、第一高温烟气换热器(4)、第二高温烟气换热器(7)均采用印刷电路板翅式换热器，所述低温lng预热器(8)采用板式换热器。
10.一种基于沼气厂内燃机余热和lng冷能综合利用的发电方法，其特征在于，包括如下步骤：s1:根据沼气厂日产沼气量与进入沼气内燃机装置燃烧的沼气流量，确定沼气内燃机装置尾气的流量和换热总量，分别设置跨临界co2循环装置、lng加热膨胀装置的co2循环流量、lng膨胀流量，并确定最佳烟气分流比；s2:确定跨临界co2循环装置和lng加热膨胀装置中co2和lng的增压比范围；s3:来自所述沼气内燃机装置的烟气经烟气分流器(12)分流后，分别进入跨临界co2循环装置、lng加热膨胀装置所具有的换热器中换热，与工质换热达到限定温度范围后排出；s4:分别设置跨临界co2循环装置、lng加热膨胀装置所具有的透平膨胀机工质的进口温度范围。

技术总结
本发明提供了一种沼气厂内燃机余热和LNG冷能综合利用发电系统及方法，系统包括跨临界CO2循环装置、LNG加热膨胀装置以及沼气内燃机装置，沼气内燃机装置燃烧产生的CO2经液化处理储存至CO2液化储存罐中，沼气厂产生的沼气经处理形成LNG储存至LNG液化储存罐中；CO2液化储存罐输出的CO2经加压至超临界压力后经加热在第一透平膨胀机中膨胀做功发电，LNG液化储存罐输出的LNG经加压后经加热在第二透平膨胀机中膨胀做功发电，加热的热量来自于沼气内燃机装置产生的烟气。本发明有效利用了沼气厂内存在的多品位能源，提高了能量效率和电力输出能力，增加了电力生产，减少了CO2排放，经济效益好。效益好。效益好。


技术研发人员：朱洪光 陆福禄 潘楚汉 潘芳慧
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：2023.02.20
技术公布日：2023/6/4