CN104607001A - 太阳能梯级相变蓄热间接蒸汽辅助二氧化碳捕集系统 - Google Patents

太阳能梯级相变蓄热间接蒸汽辅助二氧化碳捕集系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种太阳能梯级相变蓄热间接产生蒸汽辅助电厂二氧化碳捕集系统装置,由发电子系统、二氧化碳捕集子系统、梯级相变蓄热间接产生蒸汽子系统和太阳能集热子系统组成。电厂二氧化碳捕集与太阳能集热通过梯级相变蓄热连接构成集成系统。将汽轮机抽气输气管与梯级相变蓄热间接产生蒸汽子系统蒸汽管与再沸器入口连接,将太阳能集热子系统与梯级相变蓄热体入口连接,将太阳能集热回流经凝结水加热换热器与凝结水进行换热。相变梯级蓄热既保持换热温差增强换热效果又提高太阳能辅助的稳定性。通过上述连接和合理的流量分配及控制,实现太阳能辅助电厂二氧化碳捕集的同时,降低因抽蒸汽导致的电厂效率下降,提高发电系统整体效率。

Description

太阳能梯级相变蓄热间接蒸汽辅助二氧化碳捕集系统
技术领域
[0001] 本发明涉及一种太阳能辅助电厂二氧化碳捕集技术,具体涉及一种太阳能梯级相变蓄热间接产生蒸汽辅助电厂二氧化碳捕集系统。利用中温太阳能集热器结合梯级蓄热技术实现太阳能与电厂抽蒸汽能量互补匹配进行二氧化碳捕集,通过梯级换热保证换热温差提高换热效率的同时,实现电厂二氧化碳稳定捕集,减少蒸汽轮机的抽蒸汽量,提高蒸汽锅炉的给水温度,也可用于用电负荷较低时利用汽轮机抽气进行蓄热,有效降低火力电厂由于碳捕集系统的加入所带来效率和效益下降问题。
背景技术
[0002] 化石燃料的燃烧排放导致大气中二氧化碳的浓度逐渐增大,全球气候变暖日益严重,因此,控制温室效应和全球气候变化,关键是控制二氧化碳的排放。回收分离二氧化碳有着巨大的经济效益和环境效益,将二氧化碳纯化后可以有多种用途,不仅可以被用来作为碳元素的来源,还可以通过不同的反应途径,生成多种关乎国计民生的碳产品。
[0003] 作为一种较成熟的二氧化碳脱除工艺,胺法化学捕集系统在捕集电厂烟气二氧化碳方面有着广阔的市场前景,但是解吸再生所需能耗高已成为制约其推广的主要瓶颈之一。太阳能中高温集热技术在我国发展较成熟,中高温集热器集热温段也恰好吻合二氧化碳解吸时所需要的温度。
[0004] 针对太阳能的周期特性和二氧化碳解吸所需热量特点及特性,如果能实现太阳能对二氧化碳捕捉系统进行稳定能量供应,既能实现对电厂二氧化碳的减排要求,又能最大限度地利用可再生能源,提高二氧化碳捕集的经济性,同时还能减少由于碳捕集系统的加入所带来的效率下降问题,进而提高进行二氧化碳捕集电厂的整体效率和效益。
发明内容
[0005] 本发明目的在于:克服可再生能源自身的缺点及现有技术的不足,提供一种通过对太阳能集热梯级蓄热与电厂抽蒸汽联合运行进行电厂的二氧化碳捕集,同时利用中温集热器回流提高凝结水温度的太阳能辅助电厂二氧化碳捕集的系统。
[0006] 本发明太阳能梯级相变蓄热间接产生蒸汽辅助电厂二氧化碳捕集系统装置包括:发电子系统、二氧化碳捕集子系统、梯级相变蓄热间接产生蒸汽子系统、中温太阳能集热子系统。所述系统间通过流量控制阀、止回阀、旁通阀、三通阀疏水阀和混合阀等进行能量和流量控制;所述发电子系统由蒸汽锅炉、汽轮机高压缸、汽轮机中压缸、汽轮机低压缸、冷凝器、3台高压给水加热器、4台低压凝结水加热器、除氧器、给水泵及发电机经管道和多种阀门组合连接构成;所述二氧化碳捕集子系统由分离器、冷凝器、压缩机、吸收塔、解吸塔、富液循环泵、贫液循环泵、贫富液热交换器、贫液冷凝器以及再沸器经管道和多种阀门组合连接构成二氧化碳吸收-解吸循环系统;所述梯级相变蓄热间接产生蒸汽子系统由一级相变蓄热体、二级相变蓄热体、三级相变蓄热体…η级相变蓄热体以及气液分离器经管道和多种阀门组合连接构成;所述中温太阳能集热子系统由太阳能中温集热器阵列、中温传热介质循环泵以及凝结水加热换热器经管道和多种阀门组合连接构成。
[0007] 本发明所述系统经中温太阳能集热子系统集热,热量在梯级相变蓄热间接产生蒸汽子系统经相变蓄热材料进行相变存储热量并产生蒸汽输送给再沸器用于提供解吸二氧化碳所需热量;通过调节四级抽气控制阀门、五级抽气控制阀门及六级抽气控制阀门从汽轮机抽气提经混合阀形成再沸器解吸二氧化碳所需参数的蒸汽为再沸器提供解吸热量,回流蒸汽进5号低压凝结水加热器和6号低压凝结水加热器间的凝结水管上;所述太阳能中温集热子系统从相变蓄热体回流的导热油经凝结水加热换热器将热量释放给凝结回水,减少给水在锅炉中的吸热量。
[0008] 本发明是为了降低由于二氧化碳捕集系统的加入引起电厂效率和效益的下降,根据太阳能的供能特点和二氧化碳吸收-解吸需能特性而设计的。太阳能集热高温段可以提供再沸器解吸耗能用于辅助电厂捕集二氧化碳,低温段可以经过凝结水加热换热器提高凝结水的温度,在太阳能连续不足的白天及夜间用电低负荷的情况下可以利用抽蒸汽进行二氧化碳解吸的同时也可进行蓄热。设置梯级蓄热的目的是为了在换热时保持相变蓄热体与传热介质之间的换热温差,从而提高换热系数和效率,增强换热效果。设置气液分离器旁通阀的目的是为了在夜间用电负荷很低时,在满足再沸器解吸二氧化碳所需能耗的同时,可以抽取更多的蒸汽进行蓄热,用以满足清晨和早上用电负荷突增但是太阳能又不能满足二氧化碳解吸所需能耗。设置凝结水加热换热器的目的是将太阳能集热经蓄热后回流的导热介质与凝结水进行换热,提高凝结水的温度,从而提高发电效率。设置四级抽气控制阀门、五级抽气控制阀门、六级抽气控制阀门、三通阀和混合阀的目的是产生与再沸器特性相匹配的抽气蒸汽用于提供再沸器解吸二氧化碳所需能量。
[0009] 本发明所述系统提供四种工作模式:模式I太阳能充足的情况下,中温太阳能集热子系统集热后经梯级相变蓄热间接产生蒸汽子系统蓄热的同时产生蒸汽提供给再沸器用于二氧化碳解吸,回流导热油经凝结水加热换热器将热量传递给凝结水;模式2无太阳能且蓄热不能满足再沸器解吸所需热量时,通过调节四级抽气控制阀门、五级抽气控制阀门、六级抽气控制阀门、三通阀和混合阀产生蒸汽提供给再沸器用于二氧化碳解吸;模式3有太阳但辐射量不足时(阴天或者雾霾天气),太阳不能满足再沸器用于二氧化碳解吸能耗,通过调节四级抽气控制阀门、五级抽气控制阀门、六级抽气控制阀门、三通阀和混合阀产生蒸汽提供再沸器用于二氧化碳解吸,太阳能集热回流经凝结水加热换热器用于加热凝结水;模式4无太阳能但梯级相变蓄热间接产生蒸汽子系统储热量充足,经相变释热产生蒸汽提供给再沸器用于二氧化碳解吸。
[0010] 与现有技术相比,本发明的有益效果是:
[0011] I)充分利用相变蓄热材料的相变潜热特性及利用适宜传热温差增加换热效果的特性进行梯级相变蓄热,产生与再沸器解吸二氧化碳相匹配的蒸汽进行二氧化碳解吸,既提高换热过程中的换热效率,又充分利用了可再生能源,提高太阳能的可靠性及保证度。
[0012] 2)蓄热不足或者夜间用电负荷较小时,可以抽蒸汽提供给再沸器用于二氧化碳解吸的同时,也可以进行蓄热,以满足用电负荷突增且太阳能不足时的二氧化碳解吸所需的能耗。
[0013] 3)阴天或者雾霾天气太阳能较弱时,可以进行抽蒸汽提供给再沸器用于二氧化碳解吸,太阳能集热经凝结水加热换热器换热用于加热凝结水,降低电厂因抽蒸汽进行二氧化碳捕集所导致的发电效率下降的问题。
附图说明
[0014] 图1为本发明的系统原理及结构组成示意图。
具体实施方式
[0015] 下面结合图1对本发明所述系统的技术方案进行进一步的描述。
[0016] 本发明一种太阳能梯级相变蓄热间接产生蒸汽辅助电厂二氧化碳捕集系统如图1系统原理及结构
包括发电子系统、二氧化碳捕集子系统、梯级相变蓄热间接产生蒸汽子系统和中温太阳能集热子系统。
[0017] 所述发电子系统(I)由蒸汽锅炉Al、汽轮机高压缸A2、汽轮机中压缸A3、汽轮机低压缸A4、冷凝器A5、3台高压给水加热器A6-A8、4台低压凝结水加热器A9-A12、除氧器A13、给水泵A14、发电机经管道和多种阀门组合连接构成;四级抽气控制阀门V1、五级抽气控制阀门V2、六级抽气控制阀门V3、混合阀V4制抽气量,通过三通阀和混合阀产生蒸汽提供给再沸器用于二氧化碳解吸,再沸器出口与六级加热器AlO入口相连;
[0018] 所述二氧化碳捕集子系统2由分离器B1、冷凝器B2、压缩机B3、吸收塔B4、解吸塔B5、富液循环泵B6、贫液循环泵B7、贫富液热交换器B8、贫液冷凝器B9以及再沸器BlO经管道和多种阀门组合连接构成吸收-解吸循环系统;烟气依次经过分离器B1、冷凝器B2、压缩机B3进入吸收塔B4底部,贫胺溶液在吸收塔B4内吸收二氧化碳后从吸收塔B4底部抽出,经贫富液交换器B8换热后温度升高后从解吸塔B5顶部喷淋解吸,解吸塔B5底部再沸器BlO提供解吸所需热量,解吸后的贫胺溶液从解吸塔BlO底部抽出通过贫液循环泵B7送往贫富液热交换器B8换热后温度降低,进入贫液冷凝器B9进一步放热后达到吸收控制参数进入吸收塔B4进行循环吸收二氧化碳,脱除二氧化碳后的烟气由吸收塔B4顶部排出,分离后的二氧化碳经解吸塔B5顶部馏出后压缩待用。
[0019] 所述梯级相变蓄热间接产生蒸汽子系统3由一级相变蓄热体Cl、二级相变蓄热体C2、三级相变蓄热体C3,一η级相变蓄热体Cn以及气液分离器CO经管道和多种阀门组合连接构成;所述系统所用相变材料为中温段相变蓄热材料,可以为有机相变材料或无机相变材料,相变温度在100-150°C之间。蓄热体内分别填充不同相变温度的相变材料,按照相变温度从高至低依次串连设置,蓄热体之间相互隔绝无传热传质;产生蒸汽侧的低温入口与再沸器相连,经三级相变蓄热体C4和二级相变蓄热体C3后进入气液分离器产生蒸汽,蒸汽进入一级相变蓄热体C2再热后进入再沸器BlO提供二氧化碳解吸所需热量,气液分离器Cl接有气液分离器旁通阀V6。
[0020] 所述中温太阳能集热子系统4由太阳能中温集热器阵列D1、中温传热介质循环泵D2以及凝结水加热换热器D3经管道和多种阀门组合连接构成;所述系统所用传热介质可以为高温导热油、水、熔融盐或者其他中高温流体传输介质。
[0021] 所述系统由太阳能中温集热器阵列Dl出口与中温传热介质循环泵D2相连,中温传热介质循环泵D2出口与梯级相变蓄热间接产生蒸汽子系统3蓄热侧一级相变蓄热体Cl入口相连,太阳能中温集热器阵列Dl入口与梯级相变蓄热间接产生蒸汽子系统3蓄热侧η级相变蓄热体Cn出口相连,中温集热器阵列Dl产生的热量经传热介质传给梯级相变蓄热间接产生蒸汽子系统3相变蓄热材料,达到储能的目的;所述凝结水泵(A14)出口引出部分凝结水接至凝结水加热换热器(D3)低温侧入口,凝结水加热换热器(D3)低温侧出口接5号低压凝结水加热器(AlO)和6号低压凝结水加热器(All)间的凝结水管上,通过凝结水加热换热器(D3)的热交换达到加热部分凝结水的目的。
[0022] 本发明所述太阳能梯级相变蓄热间接产生蒸汽辅助电厂二氧化碳捕集系统根据太阳能和相变蓄热体蓄能情况可以分为四种工作模式。
[0023] 模式1:太阳能充足的情况下,中温太阳能集热子系统4集热后经梯级相变蓄热间接产生蒸汽子系统3蓄热,同时经梯级相变蓄热间接产生蒸汽子系统3的蒸汽侧产生蒸汽提供给再沸器用于二氧化碳解吸,回流传热介质经凝结水加热换热器D3将热量传递给凝结水后进入中温太阳能集热子系统4低温入口,在集热器阵列Dl中再次加热升温后进行集热-蓄热循环,所述系统中阀门开关状态为:V5、V8、V9、VlO开,V1、V2、V3、V4、V6、V7关。
[0024] 模式2:无太阳能且蓄热不足时,中温太阳能集热子系统4和梯级相变蓄热间接产生蒸汽子系统3不能满足再沸器解吸耗热,通过调节四级抽气控制阀门V1、五级抽气控制阀门V2、六级抽气控制阀门V3以及混合阀V4产生与再沸器解吸特性匹配的蒸汽,蒸汽进入再沸器用于二氧化碳解吸,经再沸器放热后的蒸汽进入六级给水加热器A10。如果此时用电负荷很低,还可以开启阀门V5和气液分离器旁通阀V6对蓄热体进行蓄热,所述系统中阀门开关状态为进行抽气蓄热时:V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7、VlO开,V8、V9、关,不进行抽气蓄热时:V1、V2、V3、V4、V7、V10 开,V5、V6、V8、V9 关。
[0025] 模式3:有太阳但不能满足解吸所需热特性时阴天或者雾霾天气,太阳能不能满足再沸器用于二氧化碳解吸能耗,此时通过调节四级抽气控制阀门、五级抽气控制阀门、六级抽气控制阀门和混合阀产生蒸汽提供再沸器用于二氧化碳解吸同模式2,同时太阳能集热系统工作,经中温集热器整列Dl加热后的传热介质在凝结水加热换热器D3换热,用于加热凝结水,提高凝结水温度,从而提高发电效率,所述系统中阀门开关状态为:V1、V2、V3、V4、V7、V8、V9、VlO 开,V5、V6 关。
[0026] 模式4:无太阳能但梯级相变蓄热间接产生蒸汽子系统3且蓄能满足产生所需蒸汽要求,经系统相变释热产生蒸汽提供再沸器BlO用于二氧化碳解吸,所述系统中阀门开关状态为进行抽气蓄热时:V5、V8、V9、V10开,V1、V2、V3、V4、V6、V7关。
[0027] 所述系统中温太阳能集热子系统4可以经梯级相变蓄热间接产生蒸汽子系统3产生蒸汽用于提供C02解吸耗热,也可以通过凝结水加热换热器将热量传递给凝结水用于提高凝结水的温度,进而提高锅炉效率。
[0028] 所述梯级相变蓄热间接产生蒸汽子系统3可以经气液分离器Cl产生蒸汽提供给再沸器BlO用于解吸二氧化碳,也可以在用电负荷较低,抽蒸汽满足二氧化碳解吸所需能耗还有过剩时,开启气液分离器旁通阀V6将气液分离器Cl短接,并开启阀门V5,此时梯级相变蓄热间接产生蒸汽子系统3蒸汽侧作为蓄热侧对相变蓄热材料释热,所述梯级相变蓄热间接产生蒸汽子系统3进行蓄热。
[0029] 本发明不局限于上述的具体实施方式,本领域的相关人员在不脱离本发明系统形式的情况下,做出的运行及控制模式变更均属于本发明的保护之内。

Claims (4)

1.太阳能梯级相变蓄热间接蒸汽辅助二氧化碳捕集系统,包括:发电子系统⑴、二氧化碳捕集子系统(2)、梯级相变蓄热间接产生蒸汽系统(3)、中温太阳能集热子系统(4);所述上述系统管路上设有多个多种阀门,包括有闸阀、止回阀、三通阀、疏水阀和混合阀等,其特征在于: 所述发电子系统(I)由蒸汽锅炉(Al)、汽轮机高压缸(A2)、汽轮机中压缸(A3)、汽轮机低压缸(A4)、冷凝器(A5)、3台高压给水加热器(A6-A7)、4台低压凝结水加热器(A9-A12)、除氧器(A13)、凝结水泵(A14)、发电机(A15)经管道和多种阀门组合连接构成; 所述二氧化碳捕集子系统(2)由分离器(BI)、冷凝器(B2)、压缩机(B3)、吸收塔(B4)、解吸塔(B5)、富液循环泵(B6)、贫液循环泵(B7)、贫富液热交换器(B8)、贫液冷凝器(B9)以及再沸器(BlO)经管道和多种阀门组合连接构成; 所述梯级相变蓄热间接产生蒸汽子系统(3)由一级相变蓄热体(Cl)、二级相变蓄热体(C2)、三级相变蓄热体(C3)、n级相变蓄热体(Cn)以及气液分离器(CO)经管道和多种阀门组合连接构成; 所述中温太阳能集热子系统⑷由太阳能中温集热器阵列(Dl)、中温传热介质循环泵(D2)以及凝结水加热换热器(D3)经管道和多种阀门组合连接构成; 所述系统还包括控制阀门:四级抽气控制阀门(VI)、五级抽气控制阀门(V2)、六级抽气控制阀门(V3)、混合阀(V4)、蓄热罐蒸汽控制阀门(V5)、气液分离器旁通阀(V6)、抽气回路控制阀门(V7)、凝结水抽水控制阀门(V8)、低压凝结水回路控制阀门(V9)及所述系统设备自带的疏水阀、止回阀等其他相关阀门; 所述中温太阳能集热子系统(4)高温出口连接所述接梯级相变蓄热间接产生蒸汽子系统(3)高温级入口,将热量传输到所述梯级相变蓄热间接产生蒸汽子系统(3)存储并产生蒸汽,所述梯级相变蓄热间接产生蒸汽子系统(3)蒸汽出口侧连接二氧化碳捕集子系统(2)的再沸器(BlO)入口将热量传输给再沸器(BlO),用于提供解吸二氧化碳所需热量;所述凝结水泵(A14)出口引出部分凝结水接至凝结水加热换热器(D3)低温侧入口,凝结水加热换热器(D3)低温侧出口接5号低压凝结水加热器(AlO)和6号低压凝结水加热器(All)间的凝结水管上。所述中温太阳能集热子系统(4)的低温回流经凝结水加热换热器(D3)换热;所述发电子系统(I)从四级抽气、五级抽气和六级抽气经所述四级抽气控制阀门(VI)、五级抽气控制阀门(V2)、六级抽气控制阀门(V3)接至所述二氧化碳捕集子系统(2)的再沸器(BlO)入口,所述系统在蓄热不足或用电负荷较低时通过调节四级抽气控制阀门(VI)、五级抽气控制阀门(V2)、六级抽气控制阀门(V3)及混合阀(V4)进行抽气提供解吸二氧化塔所需热量,同时也可开启所述梯级相变蓄热间接产生蒸汽子系统(3)的蓄热罐蒸汽控制阀门(V5)和气液分离器旁通阀(V6)组合对相变蓄热体进行蓄热;所述系统在太阳能不足天气(雾霾或者阴天)时,中温太阳能集热子系统(4)热量用于经凝结水加热换热器(D3)换热提高凝结水温度,再沸器(BlO)所需热量经抽气提供; 所述梯级相变蓄热间接产生蒸汽子系统(3)利用梯级蓄热可以保证换热温差增强换热效果,增大太阳能的可靠性和保证率,同时可用于对所述发电子系统(I)在用电负荷较低时的抽气进行蓄热,还可经凝结水加热换热器(D3)换热提高凝结水温度。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能梯级相变蓄热间接产生蒸汽辅助电厂二氧化碳捕集系统,其特征在于所述的梯级相变蓄热间接产生蒸汽子系统(3)是由多级不同相变温度蓄能材料按照相变温度高低串联组成,每级蓄热体所用相变材料为相变温度不同的相变材料,高温级出口所产生的蒸汽与再沸器(BlO)所需蒸汽参数相同。
3.根据权利要求1所述的一种太阳能梯级相变蓄热间接产生蒸汽辅助电厂二氧化碳捕集系统,其特征在于所述的梯级相变蓄热间接产生蒸汽子系统(3)可以由电厂抽气进行蓄热。
4.根据权利要求1所述的一种太阳能梯级相变蓄热间接产生蒸汽辅助电厂二氧化碳捕集系统,其特征在于所述的中温太阳能集热子系统(4)经过凝结水加热换热器(D3)提高蒸汽锅炉(Al)的给水温度。
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