一种干热岩超临界二氧化碳发电与碳封存耦合系统
阅读说明：本技术 一种干热岩超临界二氧化碳发电与碳封存耦合系统 (Hot dry rock supercritical carbon dioxide power generation and carbon sequestration coupled system ) 是由 李太禄 孟楠 高翔 于 2020-11-30 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种干热岩超临界二氧化碳发电与碳封存耦合系统,包括超临界二氧化碳发电系统和二氧化碳压缩冷却系统,超临界二氧化碳发电系统包括依次连接的第一过滤器、汽轮机、第一冷凝器、第一工质泵和第一再冷器、以及发电机,二氧化碳压缩冷却系统包括依次连接的第二过滤器、第一压缩机、中间冷却器、第二冷凝器、第二工质泵和第二再冷器,汽轮机、第一压缩机和发电机同轴连接,第二再冷器的工质出口管路分为两路,一路与第一再冷器的工质出口管路相汇合,并通向地下干热岩裂隙,另一路通向地下盐水层。本发明解决了碳封存过程中CO-2压缩耗功较大的问题。(The invention provides a hot dry rock supercritical carbon dioxide power generation and carbon sequestration coupled system which comprises a supercritical carbon dioxide power generation system and a carbon dioxide compression cooling system, wherein the supercritical carbon dioxide power generation system comprises a first filter, a steam turbine, a first condenser, a first working medium pump, a first recooler and a power generator which are sequentially connected, and the carbon dioxide compression cooling system comprises a second filter, a first compressor, an intercooler, a second condenser, a first working medium pump, a first recooler and a power generator which are sequentially connectedCondenser, second working medium pump and second recooler, steam turbine, first compressor and generator coaxial coupling, the working medium outlet pipeline of second recooler divide into two the tunnel, joins mutually with the working medium outlet pipeline of first recooler all the way to access to the dry and hot rock crack in the underground, another way accesss to the saline water layer in the underground. The invention solves the problem of CO in the carbon sequestration process 2 The compression consumes more power.)
技术领域
本发明涉及碳封存的技术领域，更具体地，涉及一种干热岩超临界二氧化碳发电与碳封存耦合系统。
背景技术
化石燃料能源产生的所有CO2排放中，约有三分之一来自化石燃料发电厂。因此，缓解全球变暖的直接解决方案包括在化石燃料发电厂实施二氧化碳减排战略或使用清洁可再生能源发电技术。据估计，碳封存技术可以使大型化石燃料发电厂90％的二氧化碳排被捕获并安全地储存在地下。同时，碳封存技术可在2050年减少19％的二氧化碳排放量。但是，碳封存技术中的压缩CO2过程承担了大部分的成本和能源损失，其约占碳封存系统的总资本和运营成本的三分之一。因此，如何解决CO2压缩过程耗功过大的问题是实现碳封存技术商业化的关键。
在可再生能源中，干热岩(Hot dry rock,简称HDR)的热能资源可以达到数百摄氏度，是地球上安全、可再生的绿色能源。在HDR中可以扩展或创建一个裂缝网络，并通过向裂缝网络中注入工作流体的方式将热量抽至地表进行热利用，此系统也被称为增强型地热系统(Enhanced geothermal system，简称EGS)。传统的EGS多以水为工质从地下岩石裂隙中提取热量，但其也具有一定的局限性。水在世界上的一些干旱地区可能是比较稀缺的，同时水也是许多岩石矿物的强溶剂。大量研究表明，使用CO2作为EGS的工质，可能比水具有更明显的优势。CO2的有利特性包括较高的膨胀率，这将使得注入井和生产井中之间产生较大的密度差，并提供浮力，从而降低流体循环系统的能耗；较低的粘度，对于给定的压力梯度，将产生较大的流速；CO2作为岩石矿物的溶剂的效力大大降低，这将减少或消除水垢问题；作为辅助效益，还可以实现CO2的地质封存。由于CO2的临界温度和临界压力较低，通过与干热岩裂隙换热后往往会达到超临界状态，从而进行发电过程。
由于碳封存技术中CO2压缩过程耗功较大，因此，可以将CO2压缩过程与超临界CO2循环相结合，用超临界CO2循环的输出功为碳封存技术中的CO2压缩过程提供动力，多余的机械功则可以直接转为电能。再生有机朗肯循环来提供压缩CO2所需的压缩机功率，会造成0压缩机耗功较大的问题；以超临界CO2为循环工质，将地下的热量带到地面进行发电的装置，但CO2在地下岩石裂隙中产生化学反应会造成一定量的工质流失。
因此，现有技术中亟需一种功耗更低并且能够实现碳封存的技术方案。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种干热岩超临界二氧化碳发电与碳封存耦合系统。
为实现上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现：
一种干热岩超临界二氧化碳发电与碳封存耦合系统，包括超临界二氧化碳发电系统和二氧化碳压缩冷却系统，所述超临界二氧化碳发电系统包括依次连接的第一过滤器、汽轮机、第一冷凝器、第一工质泵和第一再冷器、以及发电机，所述二氧化碳压缩冷却系统包括依次连接的第二过滤器、第一压缩机、中间冷却器、第二冷凝器、第二工质泵和第二再冷器，所述汽轮机、所述第一压缩机和所述发电机同轴连接，所述第二再冷器的工质出口管路分为两路，一路与所述第一再冷器的工质出口管路相汇合，并通向地下干热岩裂隙，另一路通向地下盐水层。
所述中间冷却器包括第一中间冷却器、第二中间冷却器、第三中间冷却器、第四中间冷却器、第五中间冷却器和第六中间冷却器，所述第一中间冷却器和所述第二中间冷却器之间还连接有第二压缩机，所述第二中间冷却器和所述第三中间冷却器之间还连接有第三压缩机，所述第三中间冷却器和所述第四中间冷却器之间还连接有第四压缩机，所述第四中间冷却器和所述第五中间冷却器之间还连接有第五压缩机，所述第五中间冷却器和所述第六中间冷却器之间还连接有第六压缩机，所述汽轮机、所述第一压缩机、所述第二压缩机、所述第三压缩机、所述第四压缩机、所述第五压缩机、所述第六压缩机和所述发电机同轴连接。
本发明相比现有技术的有益效果是：
1.通过用超临界CO2发电循环和CO2压缩冷却过程耦合的方式，利用干热岩产生的清洁能源来解决碳封存过程中CO2压缩耗功较大的问题；通过超临界CO2发电循环中汽轮机产生的机械功直接来驱动同轴连接的压缩机，避免了机械能和电能转换的效率损失。
2.针对超临界CO2发电循环在干热岩裂隙中循环工质的损耗问题，CO2压缩冷却过程可以为超临界CO2发电循环不断补充CO2，以维持系统运行的稳定性。同时产生碳封存的辅助效益。
3.分别对传统超临界CO2发电循环和传统CO2压缩冷却过程进行了优化改进。由于给气态工质加压的过程耗功较大，对超临界CO2发电循环和CO2压缩冷却过程中分别运用了先液化后泵送的方式，以使得系统整体的运行功耗明显降低，并且使能量得到充分利用。
4.以CO2代替水为工质来对干热岩资源进行利用有明显优势，其具有较高的膨胀率，能够降低流体循环系统的能耗；较低的粘度，可以产生较大的流速；同时可以实现CO2的地质封存。
5.超临界CO2发电循环中汽轮机再为CO2压缩冷却过程提供动力之余，还同轴连接了发电机，多余的机械功则可以通过发电机为用户端进行供电，实现能源更加充分合理的利用。
6.本系统通过将基于干热岩的超临界CO2发电循环与碳封存过程相耦合，CO2压缩过程产生的高压CO2可以为超临界CO2循环连续补充CO2，使得超临界CO2循环稳定运行。
附图说明
图1是本发明的系统图。
附图说明：1-第一过滤器，2-汽轮机，3-第一冷凝器、4-第一工质泵，5-第一再冷器，6-第二过滤器，7-第一压缩机，8-第一中间冷却器，9-第二压缩机，10-第二中间冷却器，11-第三压缩机，12-第三中间冷却器，13-第四压缩机，14-第四中间冷却器，15-第五压缩机，16-第五中间冷却器，17-第六压缩机，18-第六中间冷却器，19-第二冷凝器，20-第二工质泵，21-第二再冷器，22-发电机。
具体实施方式
下面根据具体实施方式对本发明做进一步阐述。
如图1所示的干热岩超临界二氧化碳发电与碳封存耦合系统，包括超临界二氧化碳发电系统和二氧化碳压缩冷却系统，超临界二氧化碳发电系统包括依次连接的第一过滤器1、汽轮机2、第一冷凝器3、第一工质泵4和第一再冷器5、以及发电机22，二氧化碳压缩冷却系统包括依次连接的第二过滤器6、第一压缩机7、中间冷却器、第二冷凝器19、第二工质泵20和第二再冷器21，汽轮机2、第一压缩机7和发电机22同轴连接，第二再冷器21的工质出口管路分为两路，一路与第一再冷器5的工质出口管路相汇合，并通向地下干热岩裂隙，另一路通向地下盐水层。第一过滤器1的入口与生产井流出的换热后的超临界CO2连通，过滤后的超临界CO2出口与汽轮机2的入口连通，汽轮机2出口与第一冷凝器3的入口连通，第一冷凝器3的出口与第一工质泵4的入口连通；第一工质泵4的出口与第一再冷器5的入口连通；第一再冷器5出口与第二再冷器21出口中部分被压缩冷却后的CO2相连通，而后由回灌井注入到地下干热岩的裂隙中，与干热岩进行换热。
本实施例中，中间冷却器包括第一中间冷却器8、第二中间冷却器10、第三中间冷却器12、第四中间冷却器14、第五中间冷却器16和第六中间冷却器18，第一中间冷却器8和第二中间冷却器10之间还连接有第二压缩机9，第二中间冷却器10和第三中间冷却器12之间还连接有第三压缩机11，第三中间冷却器12和第四中间冷却器14之间还连接有第四压缩机13，第四中间冷却器14和第五中间冷却器16之间还连接有第五压缩机15，第五中间冷却器16和第六中间冷却器18之间还连接有第六压缩机17，汽轮机2、第一压缩机7、第二压缩机9、第三压缩机11、第四压缩机13、第五压缩机15、第六压缩机17和发电机22同轴连接。即第二过滤器6入口处与化石燃料工厂捕获的CO2连通，第二过滤器6出口与第一压缩机7入口连通；第一压缩机7出口与第一中间冷却器8入口连通；第一中间冷却器8出口与第二压缩机9入口连通；第二压缩机9出口与第二中间冷却器10入口连通；第二中间冷却器10出口与第三压缩机11入口连通；第三压缩机出口11与第三中间冷却器12入口连通；第三中间冷却器出口12与第四压缩机13入口连通；第四压缩机13出口与第四中间冷却器14入口连通；第四中间冷却器14出口与第五压缩机15入口连通；第五压缩机15出口与第五中间冷却器16入口连通；第五中间冷却器16出口与第六压缩机17入口连通；第六压缩机17出口与第六中间冷却器18连通；第六中间冷却器18出口与第二冷凝器19入口连通；第二冷凝器19出口与第二工质泵20入口连通；第二工质泵20出口与第二再冷器21入口连通，第二再冷器21出口排出的一部分CO2与第一再冷器5出口连通，用于补充超临界CO2发电子系统中在地下裂缝中被封存的CO2；第二再冷器21出口排出的另一部分CO2与地下盐水层相连通，将这部分CO2进行碳封存。
与干热岩裂隙换热后的超临界CO2进入到第一过滤器1中，在第一过滤器1中除去杂质后，流出第一过滤器1，再进入汽轮机2中进行膨胀做功；汽轮机2输出的机械功带动同轴连接的第一压缩机7、第二压缩机9、第三压缩机11、第四压缩机13、第五压缩机15、第六压缩机17和发电机22，首先为CO2压缩冷却过程提供动力，剩余机械功则通过发电机为用户提供电量；做功后的CO2气体从汽轮机2流出后进入第一冷凝器3中被冷凝为液态；液态CO2在工质泵4被加压，而后进入第一再冷器5中被冷却为低温高压的液态；随后与CO2压缩冷却系统补充的CO2混合，而后通入地下再次与干热岩裂隙进行换热完成一次超临界CO2发电循环。
与此同时，化石燃料发电厂排出的CO2进入第二过滤器6中去除杂质和水，而后进入第一压缩机7中；经过一次压缩后的CO2进入到第一中间冷却器8中被冷却到一定温度，而后进入第二压缩机9中进行第二次压缩过程；第二次压缩后的CO2进入第二中间冷却器10中被冷却为与第一次中间冷却相同的温度；第二次中间冷却后的CO2进入到第三压缩机11中进行第三次压缩，而后进入第三中间冷却器12中被冷却为与之前相同的温度；冷却后的CO2进入到第四压缩机13中进行第四次压缩，而后进入第四中间冷却器14中被冷却；冷却后的CO2进入到第五压缩机15中进行第五次压缩，而后进入第五中间冷却器16中被冷却；冷却后的CO2进入到第六压缩机17中进行第六次压缩，而后进入第六中间冷却器18中被冷却；第一中间冷却器8、第二中间冷却器10、第三中间冷却器12、第四中间冷却器14、第五中间冷却器16和第六中间冷却器18上均设置温度传感器，以便于监控CO2工质的温度。经过六次压缩冷却后的CO2进入第二冷凝器19中被冷凝为液态；液态CO2通过第二工质泵20加压后进入到第二再冷器21被冷却为低温高压的液态工质；低温高压的CO2一部分与第一再冷器5出口的CO2混合用于超临界CO2循环的工质补充，另一部分进入到地下盐水层中进行碳封存。从而实现超临界二氧化碳发电与碳封存的耦合。在本发明的其他实施例中，中间冷却器的数量可以大于或少于六个，压缩机的数量也随之相应地调整，可以对CO2进行多次压缩冷却。
本实施例中，超临界CO2以195℃，108kg/s由生产井流到地表在汽轮机中膨胀后可以为CO2压缩冷却过程提供约5990kW的机械功；超临界CO2发电循环由每兆瓦发电量1kg/s的速率在干热岩裂缝中封存CO2，根据此速率，CO2压缩冷却过程不断为超临界CO2发电循环补充CO2，以维持系统的稳定运行。本实施例的超临界CO2发电循环与传统循环相比，功耗降低了约19.8％；系统结构改进后的CO2压缩冷却过程相对于传统过程，功耗降低了约11.5％。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，但本发明并不局限于上述的具体实施方式，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
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