本發(fā)明涉及一種利用電站余熱進(jìn)行發(fā)電的裝置，具體來說是一種碳捕集和超臨界CO₂布雷頓循環(huán)耦合的發(fā)電系統(tǒng)，屬于發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

新能源課題已經(jīng)研究了長(zhǎng)達(dá)半個(gè)多世紀(jì)之久，但是人們至今仍然沒有找到能夠完全取代化石燃料的能源，所以實(shí)現(xiàn)化石燃料能源的充分利用仍然具有很大的研究?jī)r(jià)值。

按照溫度水平的不同,余熱資源可以分為三種:高溫余熱(500℃以上)、中溫余熱(200—500℃之間)和低溫余熱(200℃以下)。相對(duì)于煤、石油、天然氣等高品位能源而言,200℃以下的低品位余熱利用難度大。但由于低溫余熱量很大,且基本沒有被有效利用,因此低品位工業(yè)余熱的利用將對(duì)節(jié)能減排起到重要作用。

效率最高的低溫?zé)崮芑厥辗椒ㄊ侵苯永?，但是用戶相?duì)于產(chǎn)熱的工業(yè)區(qū)較為分散，布置低溫?zé)峋W(wǎng)的投資太大；如果將低溫?zé)崮茏兂呻娔?，就可以解決能量的遠(yuǎn)距離輸送問題。

燃煤電站鍋爐煙氣從引風(fēng)機(jī)出來后，其溫度一般為110℃—130℃,而脫硫的溫度則要求80℃—90℃,這之間的溫差顯然屬于低溫余熱，如果能將這部分能量利用起來，對(duì)于提高電站的熱效率具有很大的意義。

目前，世界上不少國(guó)家都在研究燃煤機(jī)組的CO₂捕集技術(shù)，而且在發(fā)達(dá)國(guó)家，這種技術(shù)已經(jīng)逐漸推廣，走向成熟。碳捕集設(shè)備再生出的CO₂是一種余熱資源，也應(yīng)該加以利用。

對(duì)于低溫發(fā)電技術(shù)，學(xué)者們的研究也不少，有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)是目前利用低溫余熱進(jìn)行發(fā)電的熱點(diǎn)技術(shù)。公開號(hào)為CN203822398U、CN203347863U、CNl02691555A、CN202420251U、CN203271836U的中國(guó)專利給出了一系列利用低溫?zé)嵩窗l(fā)電的方法和裝置，但現(xiàn)有的余熱發(fā)電方法大多數(shù)是以烷烴類物質(zhì) 作為工質(zhì)，而烷烴類物質(zhì)對(duì)臭氧的破壞力遠(yuǎn)大于CO₂，容易加重溫室效應(yīng)，而且烷烴類物質(zhì)臨界溫度較高，很難在低溫余熱條件下達(dá)到超臨界狀態(tài)。另外，由于烷烴類物質(zhì)具有易燃易爆的性質(zhì)，將其作為推動(dòng)工質(zhì)時(shí)需要對(duì)蒸發(fā)部分采取防爆保護(hù)措施。

綜上所述，現(xiàn)有的利用低溫?zé)嵩催M(jìn)行發(fā)電的方法均不理想，不利于電站余熱的回收利用，還需進(jìn)一步進(jìn)行研究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)之弊端，提供一種碳捕集與超臨界CO2布雷頓循環(huán)耦合的發(fā)電系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)電站余熱的安全、高效回收，提高化石燃料能源的利用率。

本發(fā)明所述問題是以下述技術(shù)方案解決的：

一種碳捕集與超臨界CO2布雷頓循環(huán)耦合的發(fā)電系統(tǒng)，構(gòu)成中包括碳捕集系和超臨界CO₂布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，所述碳捕集系統(tǒng)包括再生分離器、主壓縮機(jī)和封存裝置，所述超臨界CO₂布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的工質(zhì)入口接再生分離器的排汽口，超臨界CO₂布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的工質(zhì)出口接主壓縮機(jī)的進(jìn)汽口，所述主壓縮機(jī)的排汽口接封存裝置。

上述碳捕集與超臨界CO2布雷頓循環(huán)耦合的發(fā)電系統(tǒng)，所述超臨界CO₂布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)包括汽輪發(fā)電機(jī)、啟動(dòng)電機(jī)、通過主汽閥門與再生分離器的排汽口相接的進(jìn)汽母管、與主壓縮機(jī)的進(jìn)汽口相接的排汽母管和并接于進(jìn)汽母管與排汽母管之間的多個(gè)做功子系統(tǒng)，每個(gè)做功子系統(tǒng)包括進(jìn)汽閥門、排汽閥門、CO₂蒸發(fā)與過熱裝置以及與啟動(dòng)電機(jī)和汽輪發(fā)電機(jī)同軸連接的三臺(tái)壓縮機(jī)和兩臺(tái)膨脹機(jī)，再生分離器排入進(jìn)汽母管中的CO₂氣體經(jīng)進(jìn)汽閥門進(jìn)入第一壓縮機(jī)，由第一壓縮機(jī)加壓到超臨界狀態(tài)后進(jìn)入第一膨脹機(jī)膨脹做功，第一膨脹機(jī)的排汽依次經(jīng)第二壓縮機(jī)和第三壓縮機(jī)加壓到超臨界壓力，再由鍋爐尾部煙道中的CO₂蒸發(fā)與過熱裝置加熱到超臨界狀態(tài)后，進(jìn)入第二膨脹機(jī)做功，第二膨脹機(jī)的排汽經(jīng)排汽閥門進(jìn)入排汽母管，再由排汽母管進(jìn)入碳捕集系的主壓縮機(jī)。

上述碳捕集與超臨界CO2布雷頓循環(huán)耦合的發(fā)電系統(tǒng)，所述做功子系統(tǒng)還包括兩個(gè)冷凝系統(tǒng)和兩個(gè)回?zé)峒訜崞?，第一回?zé)峒訜崞鹘佑诘谝慌蛎洐C(jī)與第二 壓縮機(jī)之間，第一冷凝系統(tǒng)對(duì)第二壓縮機(jī)的排汽進(jìn)行冷卻，第二回?zé)峒訜崞骱偷诙淠到y(tǒng)接于第二膨脹機(jī)與排汽閥門之間。

上述碳捕集與超臨界CO2布雷頓循環(huán)耦合的發(fā)電系統(tǒng)，所述超臨界CO₂布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)有啟停旁路系統(tǒng)，所述啟停旁路系統(tǒng)包括第三冷凝系統(tǒng)和三個(gè)旁路閥門，第三冷凝系統(tǒng)的進(jìn)汽口通過第一旁路閥門與再生分離器的排汽口連接，第三冷凝系統(tǒng)的排汽口通過第二旁路閥門與進(jìn)汽母管連接，第三旁路閥門接于進(jìn)汽母管與主壓縮機(jī)的進(jìn)汽口之間。

上述碳捕集與超臨界CO2布雷頓循環(huán)耦合的發(fā)電系統(tǒng)，所述碳捕集系統(tǒng)的主壓縮機(jī)與封存裝置之間設(shè)有過冷提純裝置、過冷器和兩個(gè)不提純旁路閥，所述過冷提純裝置的進(jìn)汽口通過第一不提純旁路閥接主壓縮機(jī)的排汽口，過冷提純裝置的排汽口接封存裝置；所述過冷器的進(jìn)汽口通過第二不提純旁路閥接主壓縮機(jī)的排汽口，過冷器的排汽口接封存裝置。

上述碳捕集與超臨界CO2布雷頓循環(huán)耦合的發(fā)電系統(tǒng)，所述第一回?zé)峒訜崞骱偷诙責(zé)峒訜崞骶鶠榈蜏爻崞瑩Q熱器，所述CO₂蒸發(fā)與過熱裝置為陶瓷或玻璃加熱器。

上述碳捕集與超臨界CO2布雷頓循環(huán)耦合的發(fā)電系統(tǒng)，所述第一膨脹機(jī)和第二膨脹機(jī)均選用螺桿膨脹機(jī)。

本發(fā)明將超臨界CO₂布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)與碳捕集系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合在一起，將燃煤電站鍋爐煙氣和碳捕集系統(tǒng)再生分離器出來的CO₂作為余熱資源進(jìn)行低溫發(fā)電，實(shí)現(xiàn)了電站余熱的安全、高效回收，提高了化石燃料能源的利用率，從而達(dá)到了節(jié)能減排的目的。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是做功子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中各標(biāo)號(hào)表示為：1、封存裝置，2、過冷器，3、第一冷凝系統(tǒng)(包括冷卻塔、冷凝器、循環(huán)水泵、閥門管道等)，4、第一壓縮機(jī)，5、第二膨脹機(jī)，6、汽輪發(fā)電機(jī)，7、CO₂蒸發(fā)與過熱裝置，8、第一回?zé)峒訜崞?用于加熱低溫低壓給水)，9、第二回?zé)峒訜崞?用于加熱低溫低壓給水)，10、第三壓縮機(jī)，11、第二壓縮機(jī)，12、第一膨脹機(jī)，13、排汽母管，14、進(jìn)汽母管,15、啟動(dòng)電機(jī)， 16、進(jìn)汽閥門，17、排汽閥門，18、過冷提純裝置，19、第二冷凝系統(tǒng)(包括冷卻塔、冷凝器、循環(huán)水泵、閥門管道等)，20、第二不提純旁路閥，21、主壓縮機(jī)，22、第一不提純旁路閥，23、再生分離器，24、第一旁路閥門，25、第二旁路閥門，26、主汽閥門，27、第三冷凝系統(tǒng)(包括冷卻塔、冷凝器、循環(huán)水泵、閥門管道等)，28、第三旁路閥門，U1、第一做功子系統(tǒng)，U2、第二做功子系統(tǒng)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

本發(fā)明的目的在于充分利用電站鍋爐引風(fēng)機(jī)與脫硫設(shè)備之間的煙氣熱能，以及碳捕集設(shè)備再生出的CO₂的熱能。該系統(tǒng)將含有碳捕集系統(tǒng)的電站與超臨界CO₂發(fā)電技術(shù)耦合起來進(jìn)行電力生產(chǎn)。系統(tǒng)包括碳捕集系統(tǒng)和超臨界CO₂布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，其中，超臨界CO₂布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)包括汽輪發(fā)電機(jī)6、啟動(dòng)電機(jī)15、排汽母管13、主汽閥門26、進(jìn)汽母管14、啟停旁路系統(tǒng)和并接于進(jìn)汽母管與排汽母管之間的多個(gè)做功子系統(tǒng)，啟停旁路系統(tǒng)包括第一旁路閥門24、第二旁路閥門25、第三冷凝系統(tǒng)27和第三旁路閥門28，做功子系統(tǒng)包括第一冷凝系統(tǒng)3、第一壓縮機(jī)4、第二膨脹機(jī)5、CO₂蒸發(fā)與過熱裝置7、第一回?zé)峒訜崞?、第二回?zé)峒訜崞?、第三壓縮機(jī)10、第二壓縮機(jī)11、第一膨脹機(jī)12、進(jìn)汽閥門16、排汽閥門17、第二冷凝系統(tǒng)19，碳捕集系統(tǒng)包括第二不提純旁路閥20、主壓縮機(jī)21、第一不提純旁路閥22、再生分離器23和過冷提純裝置18。

超臨界CO₂布雷頓循環(huán)就是以超臨界CO₂為工質(zhì)的布雷頓循環(huán)，由于CO₂的臨界溫度、壓力都較低，故而在100℃的鍋爐尾部煙道完全可以將其加熱到超臨界狀態(tài)。目前，超臨界CO₂發(fā)電技術(shù)很少應(yīng)用于火電領(lǐng)域，更沒有將碳捕集系統(tǒng)與超臨界CO₂發(fā)電技術(shù)耦合的先例。

在鍋爐尾部煙道中，低溫腐蝕是較難解決的問題，為此不得不提高鍋爐的排煙溫度。本發(fā)明使用陶瓷或玻璃材料的換熱器，再加上換熱器管道內(nèi)部壓力的合理控制，可以有效解決低溫腐蝕和換熱的問題；由于CO₂特殊的物性，在膨脹機(jī)排汽口處仍然具有較高的溫度，甚至與火電廠最后一級(jí)低壓加熱器的溫度相當(dāng)，因此可以布置回?zé)嵯到y(tǒng)代替一部分低壓加熱器的負(fù)荷，這樣便可以減 少最后一級(jí)低壓加熱器的抽汽量，進(jìn)一步增加能量的利用率。

為適應(yīng)有機(jī)工質(zhì)螺桿膨脹機(jī)只允許小流量通流的特性，減少能量的浪費(fèi)，本發(fā)明將做功子系統(tǒng)通過進(jìn)汽母管14與碳捕集系統(tǒng)的再生分離器23連接，通過排汽母管13與碳捕集系統(tǒng)的主壓縮機(jī)21連接。在進(jìn)汽母管14和排汽母管13之間可以多并聯(lián)幾套做功子系統(tǒng)，這樣不僅可以調(diào)節(jié)輸出功率，而且可以使各個(gè)子系統(tǒng)均在額定負(fù)荷下運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)效率的最高化。而且這種布置方式可避免使用大體積壓氣機(jī)，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，投資相對(duì)較少。

參看圖1和圖2，碳捕集系統(tǒng)的CO₂再生分離器23出口與進(jìn)汽母管14連接，進(jìn)汽母管14與各做功子系統(tǒng)的第一壓縮機(jī)4通過CO₂管路及進(jìn)汽閥門16連接，工質(zhì)經(jīng)第一壓縮機(jī)4加壓后經(jīng)CO₂管路進(jìn)入第一膨脹機(jī)12，做功后的乏汽通過CO₂管路進(jìn)入第一回?zé)峒訜崞?，在回?zé)峒訜崞?中，CO₂走殼程，低溫低壓水走管程，換熱之后的CO₂流體經(jīng)CO₂管路進(jìn)入第二壓縮機(jī)11，工質(zhì)由第二壓縮機(jī)11進(jìn)行壓縮后經(jīng)CO₂管路進(jìn)入第一冷凝系統(tǒng)3進(jìn)行冷卻，冷卻后的工質(zhì)經(jīng)CO₂管路進(jìn)入第三壓縮機(jī)10，進(jìn)一步加壓后的CO₂流體為超臨界壓力，然后工質(zhì)經(jīng)CO₂管路進(jìn)入低溫?zé)煹纼?nèi)的CO₂蒸發(fā)與過熱裝置7，煙道內(nèi)的煙氣與CO₂流體逆向流動(dòng)，加熱后的工質(zhì)從CO₂蒸發(fā)與過熱裝置出口流出，經(jīng)CO₂管路進(jìn)入第二膨脹機(jī)5，第二膨脹機(jī)5排出的乏汽經(jīng)CO₂管路進(jìn)入第二回?zé)峒訜崞?，乏汽經(jīng)凝結(jié)水泵出來的低溫低壓水做第一步冷卻后從第二回?zé)峒訜崞鞯某隹谂懦?，?jīng)CO₂管路進(jìn)入第二冷凝系統(tǒng)19，CO₂流體經(jīng)進(jìn)一步冷卻后經(jīng)CO₂管路及排汽閥門17進(jìn)入排汽母管13，然后進(jìn)入壓縮、提純、過冷、封存階段。若要求的CO₂品質(zhì)較低，可以使壓縮后的CO₂不進(jìn)行提純，走旁路，直接進(jìn)行過冷、封存。在圖2中，啟動(dòng)電機(jī)15通過變速器與系統(tǒng)主軸連接，設(shè)置啟動(dòng)電機(jī)的目的是為了在啟動(dòng)時(shí)帶動(dòng)壓縮機(jī)對(duì)CO₂進(jìn)行壓縮，也可以在啟動(dòng)前對(duì)主軸盤車。

考慮到CO₂流量較大，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)對(duì)來流CO₂滿負(fù)荷壓縮需要的啟動(dòng)電機(jī)容量較大，故而使用逐步啟動(dòng)的方式。例如可先啟動(dòng)第一做功子系統(tǒng)U1，再啟動(dòng)第二做功子系統(tǒng)U2，然后再依次啟動(dòng)其它做功子系統(tǒng)，這樣可以使用小功率啟動(dòng)電機(jī)完成啟動(dòng)。在啟動(dòng)過程中，如果CO₂流量有剩余，可以通過調(diào)節(jié)啟停旁路系統(tǒng)的三個(gè)旁路閥門，使剩余的CO₂走旁路系統(tǒng)。

本發(fā)明利用余熱進(jìn)行發(fā)電的步驟如下：(a)先讓除第一做功子系統(tǒng)U1以外的子系統(tǒng)停運(yùn)，即關(guān)閉除第一做功子系統(tǒng)U1以外的所有做功子系統(tǒng)的進(jìn)汽閥門16和排汽閥門17，調(diào)節(jié)啟停旁路系統(tǒng)流量，即調(diào)節(jié)第一旁路閥門24、第二旁路閥門25和第三旁路閥門28(使沒有作功的CO₂直接經(jīng)第三冷凝系統(tǒng)27冷卻后進(jìn)入主壓縮機(jī)21進(jìn)行壓縮，之后再進(jìn)入提純過冷裝置，直接封存)，開啟主汽閥門26。(b)開啟啟動(dòng)電機(jī)15，啟動(dòng)電機(jī)15拖動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，通過第一壓縮機(jī)4先將來流的CO₂氣體加壓到超臨界壓力，然后到第一膨脹機(jī)12膨脹作功，排汽經(jīng)第一回?zé)峒訜崞?和低品質(zhì)給水換熱后到第二壓縮機(jī)11進(jìn)行壓縮，之后到第一冷凝系統(tǒng)3中冷卻，再到第三壓縮機(jī)10壓縮，然后超臨界壓力下的CO₂到鍋爐尾部煙道加熱到超臨界溫度，再到第二膨脹機(jī)5做功，排汽經(jīng)第二回?zé)峒訜崞?加熱低溫低壓給水，(以上過程均在第一做功子系統(tǒng)U1中完成)之后冷CO₂到第二冷凝系統(tǒng)19中進(jìn)一步冷卻，然后經(jīng)排汽母管13到主壓縮機(jī)21壓縮，之后到過冷提純裝置、過冷器，排汽最后進(jìn)入封存裝置。當(dāng)啟動(dòng)電機(jī)15無有功功率輸出時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)第二做功子系統(tǒng)U2，同時(shí)對(duì)第一做功子系統(tǒng)U1增加負(fù)荷，與啟動(dòng)電機(jī)15一起完成第二做功子系統(tǒng)U2的壓縮過程，啟動(dòng)第二做功子系統(tǒng)U2的方式與第一做功子系統(tǒng)U1一致，當(dāng)?shù)诙龉ψ酉到y(tǒng)U2啟動(dòng)完畢后，如果還有后續(xù)做功子系統(tǒng)則可以對(duì)后續(xù)做功子系統(tǒng)進(jìn)行多臺(tái)同時(shí)啟動(dòng)以加快啟動(dòng)速率。此時(shí)，可以對(duì)已經(jīng)啟動(dòng)了的子系統(tǒng)增加負(fù)荷與啟動(dòng)電機(jī)共同完成啟動(dòng)，當(dāng)所有的子系統(tǒng)都啟動(dòng)而且啟動(dòng)電機(jī)的輸出有功功率為零時(shí)，啟動(dòng)完畢，啟動(dòng)電機(jī)解列，幾個(gè)做功子系統(tǒng)共同拖動(dòng)發(fā)電機(jī)的主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到3000r/min時(shí)，發(fā)電機(jī)并列帶負(fù)荷，此時(shí)可以均勻地分配各做功子系統(tǒng)的負(fù)荷。在啟動(dòng)過程中，每增加一個(gè)子系統(tǒng)，已經(jīng)啟動(dòng)的子系統(tǒng)就要增加一部分負(fù)荷，啟停旁路系統(tǒng)就自動(dòng)減少流量。

在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行過程中，可以隨意開啟或關(guān)閉各做功子系統(tǒng)，結(jié)合啟停旁路系統(tǒng)來調(diào)節(jié)輸出功率，而且當(dāng)某個(gè)做功子系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，可以在不停機(jī)的情況下對(duì)其進(jìn)行檢修。

上述實(shí)施例僅僅是本發(fā)明優(yōu)選的幾個(gè)實(shí)施方式，其描述只是為了解釋本發(fā)明的原理,而并非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。凡本領(lǐng)域技術(shù)人員在不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的情況下作出的其它實(shí)施方式,都應(yīng)落入本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。