一种基于镁还原二氧化碳的双级储能发电系统和方法
阅读说明：本技术 一种基于镁还原二氧化碳的双级储能发电系统和方法 (Two-stage energy storage power generation system and method based on magnesium reduction of carbon dioxide ) 是由 王晓冰 罗志 董陈 张波 鲁晓宇 李明皓 白永岗 向小凤 于 2021-09-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于镁还原二氧化碳的双级储能发电系统和方法,镁碳分离子系统的出口及空分装置的O-(2)出口与碳/O-(2)燃烧器的入口相连通,碳/O-(2)燃烧器的出口与双燃烧锅炉透平发电机组中的第一锅炉相连通,第一锅炉的CO-(2)出口与CO-(2)压缩储存装置相连通；CO-(2)压缩储存装置的出口及镁还原子系统的出口与镁/CO-(2)燃烧器相连接；镁/CO-(2)燃烧器与双燃烧锅炉透平发电机组中的第二锅炉相连通,第二锅炉的MgO、C排出口与镁碳分离子系统相连通；双燃烧锅炉透平发电机组的发电输出端与外界的电网相连接,盐酸制备子系统与镁碳分离子系统及镁还原子系统相连接,该系统和方法能够在无煤可用时满足极端气候时的电网需求。(The invention discloses a two-stage energy storage power generation system and method based on magnesium reduction of carbon dioxide, an outlet of a magnesium-carbon separation subsystem and an O of an air separation device 2 Outlet and carbon/O 2 Inlet of the burner is communicated with carbon/O 2 The outlet of the combustor is communicated with a first boiler in a turbine generator set of a double-combustion boiler, and CO of the first boiler 2 Outlet and CO 2 The compression storage devices are communicated; CO 2 2 Outlet of compression storage device and outlet of magnesium reduction subsystem and magnesium/CO 2 The combustor is connected; magnesium/CO 2 The combustor is communicated with a second boiler in the double-combustion boiler turbine generator set, and MgO and C discharge ports of the second boiler are communicated with the magnesium-carbon separation subsystem; the power generation output end of the double-combustion boiler turbine generator set is connected with an external power grid, the hydrochloric acid preparation subsystem is connected with the magnesium-carbon separation subsystem and the magnesium reduction subsystem, and the system and the method can be used for realizing the purposes of improving the yield of the hydrochloric acid and reducing the yield of the hydrochloric acidCan meet the power grid requirement in extreme climates when no coal is available.)
技术领域
本发明属于安全、零排放发电技术领域，涉及一种基于镁还原二氧化碳的双级储能发电系统和方法。
背景技术
由于风电和光伏发电具有间歇性、随机性和波动性，对电力系统的安全可靠性构成了巨大的挑战，特别是在极端气象条件下，风电和光伏发电受阻、储能电站无能可用，电力供应将面临巨大危机。
就目前技术而言，受成本限制，储能技术目前在风光发电在电源侧的作用限于消除小幅度和短时间功率波动，短期内无法做到按电网需求调节供电，在无煤可用时，更无法应对极端气候时的电力危机。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于镁还原二氧化碳的双级储能发电系统和方法，该系统和方法能够在无煤可用时满足极端气候时的电网需求。
为达到上述目的，本发明所述的基于镁还原二氧化碳的双级储能发电系统包括发电子系统、镁碳分离子系统、镁还原子系统及盐酸制备子系统；
所述发电子系统包括双燃烧锅炉透平发电机组、碳/O2燃烧器、镁/CO2燃烧器、空分装置及CO2压缩储存装置；
镁碳分离子系统的出口及空分装置的O2出口与碳/O2燃烧器的入口相连通，碳/O2燃烧器的出口与双燃烧锅炉透平发电机组中的第一锅炉相连通，第一锅炉的CO2出口与CO2压缩储存装置相连通；
CO2压缩储存装置的出口及镁还原子系统的出口与镁/CO2燃烧器相连接；镁/CO2燃烧器与双燃烧锅炉透平发电机组中的第二锅炉相连通，第二锅炉的MgO、C排出口与镁碳分离子系统相连通；
双燃烧锅炉透平发电机组的发电输出端与外界的电网相连接，盐酸制备子系统与镁碳分离子系统及镁还原子系统相连接。
所述镁碳分离子系统包括MgCl2生成及分离装置、碳储场及MgCl2储罐；
MgCl2生成及分离装置的输入端与第二锅炉的MgO、C排出口及盐酸制备子系统相连通，MgCl2生成及分离装置的MgCl2出口与MgCl2储罐的入口相连通，MgCl2储罐的出口与镁还原子系统相连通，MgCl2生成及分离装置的C出口与碳储场的入口相连通，MgCl2生成及分离装置的H2O出口与盐酸制备子系统相连通，碳储场的出口与碳/O2燃烧器的入口相连通。
所述镁还原子系统包括电解镁装置及Mg储罐；
电解镁装置的入口与MgCl2储罐的出口相连通，电解镁装置的Cl2出口与盐酸制备子系统相连通，电解镁装置的Mg出口与Mg储罐的入口相连通，Mg储罐的出口与镁/CO2燃烧器的入口相连通。
所述盐制备子系统包括盐酸生成装置及盐酸储罐；
电解镁装置的Cl2出口及MgCl2生成及分离装置的H2O出口与盐酸生成装置的入口相连通，盐酸生成装置的出口与盐酸储罐的入口相连通；盐酸储罐的出口与MgCl2生成及分离装置的入口相连通。
碳/O2燃烧器与镁/CO2燃烧器分时投运或同时投运。
CO2压缩储存装置上设置有用于接收外界CO2的接口。
本发明所述的基于镁还原二氧化碳的双级储能发电方法，包括：
当具有富余可再生能源供电时，将MgCl2储罐中的MgCl2送入电解镁装置中,利用富余可再生能源供电电解生成Mg及Cl2，反应过程将电能转移到Mg中，形成一级储能，将生成的Mg送入Mg储罐中储存，形成一级储能，将生成的Cl2送入盐酸生成装置中，盐酸生成装置生成的稀盐酸送入盐酸储罐中存放；当Mg储量达到预设储量时，镁/CO2燃烧器投运进行放热反应，将Mg储存的能量一部分输出给第二锅炉，另一部分转移到C中，以形成二级储能；
在非极端气候条件时，仅投运Mg/CO2燃烧器，双燃烧锅炉透平发电机组在较低负荷下运行，发电子系统运行时向外部的电网输出电能，以消耗CO2压缩储存装置中储存的CO2，在此过程中产生的MgO、C以及盐酸储罐输出的盐酸按比例送入MgCl2生成及分离装置中利用水进行分离，其中，分离出来的C送入碳储场中存放，分离出来的MgCl2送入MgCl2储罐中缓存，生成的H2O送入盐酸生成装置中；
当全网范围长时间缺风缺光导致电网无法稳定供电时，将空分装置输出的O2与碳储场输出的C送入碳/O2燃烧器中进行放热反应，双燃烧锅炉透平发电机组在高负荷工况运行，碳/O2燃烧器投运产生的CO2送回CO2压缩储存装置中，以供循环使用。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的基于镁还原二氧化碳的双级储能发电系统和方法在具体操作时，以单质或化合物形态形成固定顺序(Mg→MgO→MgCl2→Mg)的封闭循环，生产过程中的镁无消耗；另外，双级储能中的一级Mg储能满足电网短期平稳供电，二级C储能可以无限期、无限量储存，保证极端气候条件下电力供应安全，继而在无煤可用时满足极端气候时的电网需求；另外，由于系统运行时消耗CO2，可以消解在“双碳”目标实施过程封存的大量CO2，缓解或消除其向环境泄漏的风险。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
其中，1为双燃烧锅炉透平发电机组、2为发电输出端、3为碳/O2燃烧器、4为镁/CO2燃烧器、5为MgO、C排出口、6为CO2出口、7为空分装置、8为CO2压缩储存装置、9为MgCl2生成及分离装置、10为MgCl2储罐、11为电解镁装置、12为Mg储罐、13为碳储场、14为盐酸生成装置、15为盐酸储罐。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
参考图1，本发明所述的基于镁还原二氧化碳的双级储能发电系统包括发电子系统、镁碳分离子系统、镁还原子系统及盐酸制备子系统；
所述发电子系统包括双燃烧锅炉透平发电机组1、碳/O2燃烧器3、镁/CO2燃烧器4、空分装置7及CO2压缩储存装置8；镁碳分离子系统的出口及空分装置7的O2出口与碳/O2燃烧器3的入口相连通，碳/O2燃烧器3的出口与双燃烧锅炉透平发电机组1中的第一锅炉相连通，第一锅炉的CO2出口6与CO2压缩储存装置8相连通；CO2压缩储存装置8上设置有用于接收外界CO2的接口，CO2压缩储存装置8的出口及镁还原子系统与镁/CO2燃烧器4相连接；镁/CO2燃烧器4与双燃烧锅炉透平发电机组1中的第二锅炉相连通，第二锅炉的MgO、C排出口5与镁碳分离子系统相连通；碳/O2燃烧器3与镁/CO2燃烧器4可分时或同时投运，双燃烧锅炉透平发电机组1的发电输出端2与外界的电网相连接；
所述镁碳分离子系统包括MgCl2生成及分离装置9、碳储场13及MgCl2储罐10；MgCl2生成及分离装置9的输入端与第二锅炉的MgO、C排出口5及盐酸制备子系统相连通，MgCl2生成及分离装置9的MgCl2出口与MgCl2储罐10的入口相连通，MgCl2储罐10的出口与镁还原子系统相连通，MgCl2生成及分离装置9的C出口与碳储场13的入口相连通，MgCl2生成及分离装置9的H2O出口与盐酸制备子系统相连通，碳储场13的出口与碳/O2燃烧器3的入口相连通。
所述镁还原子系统包括电解镁装置11及Mg储罐12；电解镁装置11的入口与MgCl2储罐10的出口相连通，电解镁装置11的Cl2出口与盐酸制备子系统相连通，电解镁装置11的Mg出口与Mg储罐12的入口相连通，Mg储罐12的出口与镁/CO2燃烧器4的入口相连通。
所述盐制备子系统包括盐酸生成装置14及盐酸储罐15；电解镁装置11的Cl2出口及MgCl2生成及分离装置9的H2O出口与盐酸生成装置14的入口相连通，盐酸生成装置14的出口与盐酸储罐15的入口相连通；盐酸储罐15的出口与MgCl2生成及分离装置9的入口相连通；Cl2和H2O在盐酸生成装置14中反应生成盐酸，送入盐酸储罐15。
本发明所述的基于镁还原二氧化碳的双级储能发电方法，包括：
当具有富余可再生能源供电时，将MgCl2储罐10中的MgCl2送入电解镁装置11中,利用富余可再生能源供电电解生成Mg及Cl2，反应过程将电能转移到Mg中，形成一级储能，将生成的Mg送入Mg储罐12中储存，形成一级储能，将生成的Cl2送入盐酸生成装置14中，盐酸生成装置14生成的稀盐酸送入盐酸储罐15中存放，其中，Mg储罐12和MgCl2储罐10的设计储量根据一级储能设计天数内需要消纳的总电能计算确定；当Mg储量达到预设储量时，镁/CO2燃烧器4投运，其反应为放热反应：2Mg+CO2＝2MgO+C，反应过程将Mg储存的能量一部分以反应热的形式输出给第二锅炉，另一部分转移到C中，以形成二级储能；
在非极端气候条件时，双燃烧锅炉透平发电机组1仅投运Mg/CO2燃烧器，机组在较低负荷下运行，发电子系统运行时向电网灵活输出电能，消耗CO2压缩储存装置8中储存的CO2，当CO2压缩储存装置8中的CO2储量较少时，则从外部补充，在此过程中产生的MgO、C以及盐酸储罐15输出的盐酸按比例送入MgCl2生成及分离装置9中，由于MgCl2溶解于水，而C不溶解于水，以实现MgCl2及C的分离，其中，分离出来的C送入碳储场13中存放，分离出来的MgCl2送入MgCl2储罐10中短期缓存，生成的H2O送入盐酸生成装置14中，以供制备盐酸使用；
当全网范围长时间缺风缺光导致电网无法稳定供电时，将空分装置7输出的O2与碳储场13输出的C送入碳/O2燃烧器3中进行放热反应，反应式为：C+O2＝CO2，双燃烧锅炉透平发电机组1在高负荷工况运行；碳/O2燃烧器3投运产生的CO2送回CO2压缩储存装置8中，供循环使用。
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