CN102297545A - 一种co2埋存的加热系统 - Google Patents

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姜培学
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Abstract

本发明涉及一种CO2埋存的加热系统，其特征在于：它包括地埋管换热装置和热泵加热装置，所述地埋管换热装置用于使循环介质从土壤中吸收热量；所述热泵加热装置用于从循环介质或空气中吸收热量，通过热泵循环提高热泵工质的温度；所述地埋管换热装置包括地埋管换热器、循环介质泵和蒸发器，所述地埋管换热器的出口经所述循环介质泵连接至所述蒸发器的入口，所述蒸发器的出口连接所述地埋管换热器的入口。本发明由于采用热泵加热装置从土壤或空气中吸取热量，通过热泵循环提高热泵工质的温度，使其能够直接加热准备灌注的CO2，进而克服了电加热及燃烧化石燃料加热而造成资源浪费。本发明可以广泛应用于节能领域的加热系统中。

Description

一种CO<sub>2</sub>埋存的加热系统
技术领域
本发明涉及一种加热系统，特别是关于一种CO2埋存的加热系统。
背景技术
政府间气候变化专门委员会(IPCC)的评估报告指出，以气温升高为主要特征的全球气候变化在很大程度上是由于人为活动导致的温室气体排放，尤其是化石能源使用引起的CO2排放导致的。为了应对气候变化，IPCC指出，2050年全球温室气体的排放量要削减50％到80％。为了达到这一目标，提高能源利用效率、开发可再生能源以及实施CO2捕集与埋存(CCS)是必要的。CCS在短期内可以有效降低碳排放，因此得到了各国的关注。
将CO2从排放地捕集然后运输到埋存地埋存，为了运输的方便，从CO2排放地点捕集的CO2要经过加压和降温处理，到达埋存地点时温度往往在-20℃左右。如果直接向注入井灌注，会影响CO2在埋存层的流动。为此，CO2在注入注入井进行埋存前需要进行加热。加热方法包括电加热和燃烧煤、石油、天然气等一次能源的供热。由于埋存地点往往位于比较偏远的地区，煤石油、天然气的获得和储存受到限制，因此常规的加热方法为电加热。但是，电加热方法耗能较高，同时也产生较大的碳排放，使得CCS的实际效果受到削弱。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种能克服电加热及燃烧化石燃料加热而造成资源浪费的CO2埋存的加热系统。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种CO2埋存的加热系统，其特征在于：它包括地埋管换热装置和热泵加热装置，所述地埋管换热装置用于使循环介质从土壤中吸收热量；所述热泵加热装置用于从循环介质或空气中吸收热量，通过热泵循环提高热泵工质的温度；所述地埋管换热装置包括地埋管换热器、循环介质泵和蒸发器，所述地埋管换热器的出口经所述循环介质泵连接至所述蒸发器的入口，所述蒸发器的出口连接所述地埋管换热器的入口。
所述热泵加热装置包括蒸发器、压缩机、冷凝器、节流阀和空气换热器；所述蒸发器的输出端连接所述压缩机的输入端，所述压缩机的输出端经所述冷凝器连接上述节流阀的一端，所述节流阀的另一端分别连接所述蒸发器的输入端和空气换热器的输入端；所述空气换热器的输出端连接至所述压缩机的输入端。
所述蒸发器与所述压缩机之间、所述蒸发器与所述节流阀之间、所述节流阀与所述空气换热器之间，以及所述空气换热器与所述压缩机之间均设置有一调节阀。
关闭所述节流阀与所述空气换热器之间的调节阀、所述空气换热器与所述压缩机之间的调节阀；开启所述蒸发器与所述压缩机之间的调节阀、所述蒸发器与所述节流阀之间的调节阀，实现冬季运行。
开启所述节流阀与所述空气换热器之间的调节阀、所述空气换热器与所述压缩机之间的调节阀；关闭所述蒸发器与所述压缩机之间的调节阀、所述蒸发器与所述节流阀之间的调节阀，实现夏季运行。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于采用热泵加热装置从土壤或空气中吸取热量，通过热泵循环提高热泵工质的温度，使其能够直接加热准备灌注的CO2，进而克服了电加热及燃烧化石燃料加热而造成资源浪费。2、本发明由于采用地埋管换热装置和热泵加热装置，地埋管换热装置中的循环介质经地埋管换热器吸收土壤热量后，进入蒸发器内，与热泵加热装置中的热泵工质进行换热，热泵工质温度提高，实现加热准备灌注的CO2，使CO2埋存的能源消耗降低，提高了CO2埋存的经济性。3、本发明由于采用在蒸发器与压缩机之间、蒸发器与节流阀之间、节流阀与空气换热器之间，以及空气换热器与压缩机之间均设置有调节阀。通过控制各调节阀的开关，使本发明的CO2埋存的灌注系统能实现在冬季、夏季均能有效运行。本发明可以广泛应用于节能领域的加热系统中。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的地埋管换热装置结构示意图；
图3是本发明用于冬季工况时的结构示意图；
图4是本发明用于夏季工况时的结构示意图。
具体实施方式
由于注入井口的CO2温度要求达到15-20℃，即CO2的温度提升需求是从-20℃左右到18℃左右。由于加热终态温度较低，因此，本发明利用热泵技术，以可再生能源为低温热源来实现加热目的。下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1所示，本发明包括地埋管换热装置10和热泵加热装置20，埋管换热装置10用于使循环介质从土壤中吸收热量；热泵加热装置20用于从循环介质或空气中吸收热量，通过热泵循环提高热泵工质的温度，加热准备埋存的CO2，使之达到需要的灌注温度。
如图2所示，本发明的地埋管换热装置10包括地埋管换热器11、循环介质泵12和蒸发器13，地埋管换热器11的出口经循环介质泵12连接至蒸发器13的入口，蒸发器13的出口连接地埋管换热器11的入口。循环介质在地埋管换热器11中与土壤换热后吸热，吸收土壤热量温度升高后的循环介质经循环介质泵12加压后，进入蒸发器13中放热，温度降低，再回流至地埋管换热器11重新吸热。其中，循环介质经循环介质泵12后压力提高，这样可以有效克服其流动过程中的阻力。
如图1所示，本发明的热泵加热装置20包括蒸发器13、压缩机21、冷凝器22、节流阀23和空气换热器24。蒸发器13的输出端连接压缩机21的输入端，压缩机21的输出端经冷凝器22连接节流阀23的一端，节流阀23的另一端分别连接蒸发器13的输入端和空气换热器24的输入端。空气换热器24的输出端也连接至压缩机21的输入端。
热泵加热装置20中的热泵工质被压缩机21压缩至高温高压状态后，进入冷凝器22后与待加热的准备灌注的CO2进行换热，加热准备灌注的CO2。热泵工质温度降低后经节流阀23分别进入空气换热器24和蒸发器13中，在空气换热器24中，降温后的热泵工质与空气换热吸热后进入压缩机21；在蒸发器13中，降温后热泵工质与地埋管换热装置10中的循环介质换热吸热后，进入压缩机21。
上述实施例中，在蒸发器13与压缩机21之间、蒸发器13与节流阀23之间、节流阀23与空气换热器24之间，以及空气换热器24与压缩机21之间均设置有一调节阀25。通过控制各调节阀25的开关，使本发明的CO2埋存的加入系统能实现在冬季、夏季均能有效运行。
如图3所示，本发明在冬季运行时，关闭节流阀23与空气换热器24之间的调节阀25、空气换热器24与压缩机21之间的调节阀25；开启蒸发器13与压缩机21之间的调节阀25、蒸发器13与节流阀23之间的调节阀25。地埋管换热器11从土壤中吸收热量，用来加热低温低压的循环介质，循环介质流经地埋管换热器1，从土壤中吸收热量，循环介质温度升高，经过循环介质泵12加压后，流经蒸发器13，与低温低压的热泵工质换热，热泵工质吸热，使其能够直接加热准备埋存的CO2。循环介质放热而温度降低，回到地埋管换热器11继续吸热升温。热泵工质吸热汽化，然后进入压缩机21，被压缩至冷凝压力，进入冷凝器22加热流经冷凝器22的准备埋存的CO2，使之达到埋存时需要的温度，本身放出热量而冷却，再流经节流阀23，被节流成为低温低压的液体，回到蒸发器13内重新吸热汽化，完成热泵循环。
如图4所示，本发明在夏季运行时，开启节流阀23与空气换热器24之间的调节阀25、空气换热器24与压缩机21之间的调节阀25；关闭蒸发器13与压缩机21之间的调节阀25、蒸发器13与节流阀23之间的调节阀25。本发明采用热泵加热装置20从空气中吸取热量，通过热泵循环把热泵工质温度提高，使其能够直接加热准备埋存的CO2。热泵工质流经空气换热器24，从空气中吸收热量，热泵工质吸热汽化，然后进入压缩机21，被压缩至冷凝压力，进入冷凝器22加热流经冷凝器22的准备埋存的CO2，使之达到埋存时需要的温度，本身放出热量而冷却，再流经节流阀23，被节流成为低温低压的液体，回到蒸发器13内重新吸热汽化，完成热泵循环。
综上所述，本发明通过热泵加热装置20的运行，从土壤或空气等可再生能源中吸收热量，经过热泵循环得到可直接加热准备埋存的CO2的温度较高的热泵工质，既达到了加热目的，又降低了能源消耗，并减少了由于加热消耗能源而排放的CO2。对于年埋存10万吨的CCS(CO2捕集与埋存)埋存系统，如果采用电加热使准备埋存的CO2升温而达到埋存温度，需要的电加热功率在250kW左右，年电费在125万左右，造成极大的能源消耗和运行成本。采用热泵加热装置由于热泵系数较高(年平均热泵系数在5.0以上)，即能量消耗低于电加热系统的1/5，从而使得能源消耗及能量成本都得到极大的降低。而由于加热消耗能量排放的CO2量也得到极大的降低。由于本发明采用地埋管换热装置10和热泵加热装置20，年节约电169万度，年节约电费100万元，同时减少CO2排放680吨，可以使投资费用在1年内由于能源成本的节约而得到回收。
上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构和连接方式都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件的连接和结构进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (5)

1.一种CO2埋存的加热系统，其特征在于：它包括地埋管换热装置和热泵加热装置，所述地埋管换热装置用于使循环介质从土壤中吸收热量；所述热泵加热装置用于从循环介质或空气中吸收热量，通过热泵循环提高热泵工质的温度；所述地埋管换热装置包括地埋管换热器、循环介质泵和蒸发器，所述地埋管换热器的出口经所述循环介质泵连接至所述蒸发器的入口，所述蒸发器的出口连接所述地埋管换热器的入口。
2.如权利要求1所述的一种CO2埋存的加热系统，其特征在于：所述热泵加热装置包括蒸发器、压缩机、冷凝器、节流阀和空气换热器；所述蒸发器的输出端连接所述压缩机的输入端，所述压缩机的输出端经所述冷凝器连接上述节流阀的一端，所述节流阀的另一端分别连接所述蒸发器的输入端和空气换热器的输入端；所述空气换热器的输出端连接至所述压缩机的输入端。
3.如权利要求2所述的一种CO2埋存的加热系统，其特征在于：所述蒸发器与所述压缩机之间、所述蒸发器与所述节流阀之间、所述节流阀与所述空气换热器之间，以及所述空气换热器与所述压缩机之间均设置有一调节阀。
4.如权利要求3所述的一种CO2埋存的加热系统，其特征在于：关闭所述节流阀与所述空气换热器之间的调节阀、所述空气换热器与所述压缩机之间的调节阀；开启所述蒸发器与所述压缩机之间的调节阀、所述蒸发器与所述节流阀之间的调节阀，实现冬季运行。
5.如权利要求3所述的一种CO2埋存的加热系统，其特征在于：开启所述节流阀与所述空气换热器之间的调节阀、所述空气换热器与所述压缩机之间的调节阀；关闭所述蒸发器与所述压缩机之间的调节阀、所述蒸发器与所述节流阀之间的调节阀，实现夏季运行。
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