CN106050420A - 一种二氧化碳储能供能的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种二氧化碳储能供能的方法和系统，系统包括发电单元、气体压缩单元、二氧化碳管路和1～100级燃烧升压动力单元，燃烧升压动力单元设有燃烧室、动力设备、换热器、制冷或取暖用户、燃料储罐和助燃气体储罐。二氧化碳储能供能的方法为：⑴二氧化碳通过气体压缩单元压缩送入高压气体储罐；⑵高压二氧化碳进入一级燃烧升压动力单元与燃料、助燃气一起进入燃烧室燃烧，进行升温升压；⑶升温升压后的烟气进入动力设备对外做功，变成低压低温烟气；⑷低压低温烟气经过换热器换热，烟气温度换热至10～50℃；⑸升温后的烟气进入下一级燃烧升压动力单元，重复循环1～100次。本发明有效的存储并利用富余的能量，开辟能源储存与利用的新途径。
Description
技术领域
本发明属于储能和能量利用技术领域，涉及一种二氧化碳储能供能的方法和系统。
背景技术
储能技术可以实现能量的有效存储，并在需要时完成能量的高效率释放。利用储能技术，供能系统可以将富余能量进行转换并储存。利用二氧化碳进行能量储存，并根据需要释放出能量进行做功，有利于减少能源的浪费，高效利用绿色能源。如何利用二氧化碳为载体实现供能系统的储能和供能，提高能源的利用率，减少能量的浪费，是供能系统面临的重要挑战。
以二氧化碳为工作介质储能供能系统较为少见。二氧化碳是一种无毒、不易燃、密度高、临界点适宜 ( 临界温度 T c＝31.1℃，临界压力 P c＝7.38*10 6 Pa) 的流体，具有较好的流动性和传输特性，常被用于制冷、化工等领域。但从总体上来看，目前对于二氧化碳的开发和利用还不够。因此，有必要进一步提高二氧化碳的应用价值，拓宽二氧化碳的利用潜力。赋予二氧化碳气一定的使用价值，从而使排放二氧化碳气的场所有驱动力进行收集、净化并储存二氧化碳。
发明内容
本发明的目的是通过一种二氧化碳储能供能的方法，进一步提高二氧化碳的储能和用能潜力，有效的存储并利用富余的能量，开辟新能源利用的途径。本发明的另一目的是提供一种实现上述方法的二氧化碳储能供能系统。
本发明的技术方案是：二氧化碳储能供能的方法，过程是：
⑴二氧化碳通过气体压缩单元（2）压缩成0.1～100MPa高压二氧化碳流体送入高压气体储罐（3）；
⑵高压气体储罐的高压二氧化碳进入一级燃烧升压动力单元（16），高压二氧化碳气体与燃料、助燃气一起进入燃烧室燃烧，进行升温升压，升温升压后烟气的压力为0.1～100MPa，温度为0～2000℃；
⑶升温升压后的烟气进入动力设备对外做功，变成低压低温烟气，所述低压低温烟气的压力为0.1～50MPa，温度为-50～500℃；
⑷步骤⑶所述低压低温烟气经过换热器换热，将冷量传递给制冷用户制冷使用或将热量传递给取暖用户取暖使用，烟气温度换热至10～50℃；
⑸换热后的烟气进入下一级燃烧升压动力单元，重复步骤⑵～⑷，重复循环1～100次，每次重复后从动力设备出来的气体压力逐次降低。
允许20个以下燃烧室采用并联方式，同时连接到动力设备上。可以同时对动力设备做功，也可以分别间歇对动力设备做功，从而使动力设备平稳运行，并使效力更高，既可以用同一风道做功或不同风道做功。也可以允许20个以下燃烧室采用串联方式，同时连接到动力设备上。
气体压缩单元用的电为夜间低谷电、风电、太阳能电或潮汐发电。气体压缩单元中的被压缩气体进入高压气体储罐。被压缩气体为二氧化碳、空气、氮气、氧气、氢气、甲烷、氦气、一氧化碳和惰性气体的其中一种，或上述气体中两种或两种以上的混合物。燃料为焦炉煤气、转炉煤气、高炉煤气、一氧化碳、氢气、甲烷、甲醇、乙醇、二甲醚、煤粉中的一种，或上述燃料两种或两种以上的混合物。助燃气为空气、氧气或氧气含量为0~100%的混合气体。燃料为单独燃料储罐和助燃气储罐或压缩空气，燃料储罐和助燃气储罐或压缩空气的压力为0.1～100MPa；制备压缩空气的动力来自本系统的动力设备；燃料可提前加注到高压气体储罐内，燃料与被压缩气体的比例可以任意调节。
本发明二氧化碳储能供能的系统，包括发电单元、气体压缩单元和二氧化碳管路。二氧化碳管路通过压缩单元连接到高压气体储罐，发电单元与气体压缩单元电路连接。系统设有1～100级燃烧升压动力单元，燃烧升压动力单元设有燃烧室、动力设备、换热器、制冷或取暖用户、燃料储罐和助燃气体储罐。换热器与制冷或取暖用户连接，燃烧室设有烧嘴，燃料储罐和助燃气体储罐与烧嘴连接。高压气体储罐连接到燃烧室，燃烧室出口连接到动力设备，动力设备连接到换热器，换热器出口连接到废气排放口或下一级燃烧升压动力单元的燃烧室。
1～100级燃烧升压动力单元串联设置，上一级燃烧升压动力单元的换热器出口连接到下一级燃烧升压动力单元的燃烧室。动力设备为汽轮机、膨胀机、烟气轮机、活塞式发动机、燃气轮机或气体发动机。燃烧器中的被压缩气体的加热方式为直接加热或间壁式加热。燃烧的废气可直接参与做功或处理后直接排放。
此系统可以用在固定的建筑及设备的供电供暖供冷场所；也可用于各类交通工具上。被压缩气体储罐可设有高压气体加注口，可直接进行人工加注而无需压缩单元。当助燃气只是氧气和二氧化碳的混合物时，通过一个处理装置，直接进入二氧化碳管道进行回收。制冷或取暖用户为楼宇空调、冷库、冰柜或其它制冷或取暖的场所。当动力设备为气体发动机或其它动力设备时，允许燃烧室设在气体发动机或其它动力设备内，使含有燃料的二氧化碳点火，利用压力能和化学能做功同时使气缸内的着火的温度大幅度降低，减少了氮氧化物的数量，提高了效率，同时便于排气的温度控制。
本发明二氧化碳储能供能的方法和系统。利用绿色能源或低谷低价电将二氧化碳压缩成高压二氧化碳进行储能。超临界二氧化碳流体与助燃气体混合燃烧产生巨大的能量进行做功，使携带燃料的超临界二氧化碳流体储存的能量充分释放进行利用，实现了二氧化碳储存的能量的高效利用，开辟储能用能的新途径。二氧化碳流体经过多级燃烧升压动力单元对二氧化碳流体进行升压、动能利用和冷能量回收等过程，使二氧化碳携带的能量得到充分的利用，进一步提高超临界二氧化碳的储能和用能潜力，有效的存储并利用富余的能量，开辟了能源利用的新途径。本发明二氧化碳储能供能系统为实现上述二氧化碳储能供能的方法提供了条件。
附图说明
图1为本发明二氧化碳储能供能利用系统的流程示意图；
图2为本发明二氧化碳储能供能利用过程的示意图；
图3为本发明另一实施方案的流程示意图；
图4为本发明再一实施方案的流程示意图；
图5为本发明第四种实施方案的示意图；
其中：1—发电单元、2—气体压缩单元、3—高压气体储罐、4—一级动力设备、5—一级换热器、6—制冷或取暖用户、7—二级燃烧升压动力单元、8—废气排放口、9—二级换热器、10—二级动力设备、11—一级燃烧室、12—二级燃烧室、13—烧嘴、14—燃料储罐、15—助燃气体储罐、16—一级燃烧升压动力单元、17—发电机、18—二氧化碳储罐、19—补充燃料储罐、20—减压阀、21—高压换热器、22—缓冲罐、23—车轮、24—二级减压阀、25—二级高压换热器、26—空气增压机、27—车体、28—气体发动机、29—变速器、30—空调、31—冰柜、32—离合器、33—发电机、34—阀门、35—传动轴。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明。本发明保护范围不限于实施例，本领域技术人员在权利要求限定的范围内做出任何改动也属于本发明保护的范围。
实施例1
本发明二氧化碳储能供能的系统如图1所示，包括发电单元1、气体压缩单元2、二氧化碳管路、制冷或取暖用户6、高压气体储罐3、燃料储罐14、助燃气体储罐15、压缩空气管路、一级燃烧升压动力单元16、二级燃烧升压动力单元7、减压阀20和高压换热器21。一级燃烧升压动力单元16设有一级燃烧室11、一级动力设备4和一级换热器5，二级燃烧升压动力单元7设有二级燃烧室12、二级动力设备10和二级换热器9。一级燃烧室和二级燃烧室设有烧嘴13，燃料储罐、助燃气体储罐和压缩空气管路与烧嘴连接。制冷或取暖用户为楼宇空调设备，一级换热器和二级换热器分别与楼宇空调设备连接。一级动力设备为膨胀机，二级动力设备为烟气轮机，膨胀机和烟气轮机分别与发电机17轴连接。发电单元为风力和太阳能发电系统，发电单元电路连接到气体压缩单元，二氧化碳管路通过气体压缩单元连接到高压气体储罐。高压气体储罐通过减压阀20和高压换热器21连接到一级燃烧室，一级燃烧室出口连接到一级动力设备，一级动力设备出口连接到一级换热器。一级换热器出口连接到二级燃烧升压动力单元7的二级燃烧室12。二级燃烧室出口连接到二级动力设备，二级动力设备出口连接到二级换热器，二级换热器出口连接到废气排放口8。燃料储罐14的燃料为一氧化碳，助燃气体储罐15的助燃气为氧气。燃料储罐的压力为20MPa，助燃气体储罐的压力为20MPa。
本发明二氧化碳储能供能的过程如图2所示：
⑴利用风电、太阳能电驱动气体压缩单元2将二氧化碳气体压缩成30MPa高压二氧化碳流体，送入高压气体储罐3；
⑵高压气体储罐的高压二氧化碳经过减压和换热后进入一级燃烧升压动力单元16，高压二氧化碳气体与燃料、助燃气一起进入一级燃烧室11燃烧，进行升温升压，升温升压后烟气的压力为20MPa，温度为300℃；
⑶升温升压后的烟气进入膨胀机对外做功发电，做功后的烟气变成低压低温烟气，低压低温烟气的压力为5MPa，温度为-20℃；
⑷步骤⑶所述低压低温烟气经过一级换热器5换热，将冷量传递给楼宇空调设备，烟气温度升高至10℃；
⑸升温后的烟气与燃料、助燃气一起进入二级燃烧升压动力单元的二级燃烧室12燃烧，进行升温升压，升温升压后烟气的压力为8MPa，温度为300℃；
⑹升温升压后的烟气进入烟气轮机对外做功发电，做功后的烟气变成低压低温烟气，低压低温烟气的压力为2MPa，温度为-20℃；
⑺步骤⑹中低压低温烟气经过二级换热器9换热，将冷量传递给楼宇空调设备，烟气温度升高至10℃，换热后的烟气到废气排放口8排放。
实施例2
本发明另一种实施方式如图3所示，包括发电单元1、气体压缩单元2、二氧化碳管路、二氧化碳储罐18、补充燃料储罐19、制冷或取暖用户6、高压气体储罐3、燃料储罐14、助燃气体储罐15、压缩空气管路、一级燃烧升压动力单元16和二级燃烧升压动力单元7。一级燃烧升压动力单元16设有一级燃烧室11、一级动力设备4和一级换热器5，二级燃烧升压动力单元7设有二级燃烧室12、二级动力设备10和二级换热器9。一级燃烧室和二级燃烧室设有烧嘴13，燃料储罐、助燃气体储罐和压缩空气管路与烧嘴连接。燃料储罐14和二氧化碳管路连接到二氧化碳储罐18，补充燃料储罐19连接到高压气体储罐3。制冷或取暖用户为楼宇空调设备，一级换热器和二级换热器分别与楼宇空调设备连接。一级动力设备为活塞式发动机，二级动力设备为燃气轮机，活塞式发动机和燃气轮机分别与发电机17轴连接。二氧化碳储罐通过压缩单元连接到高压气体储罐3，高压气体储罐通过减压阀20和高压换热器21连接到一级燃烧室13，一级燃烧室出口连接到一级动力设备4，一级动力设备出口连接到一级换热器5。一级换热器出口连接到二级燃烧升压动力单元7的二级燃烧室12。二级燃烧室出口连接到二级动力设备，二级动力设备出口连接到二级换热器，二级换热器出口连接到废气排放口8。
二氧化碳和气体燃料一氧化碳按70:30的比例（体积比）进入二氧化碳储罐，形成携带燃料的二氧化碳混合气。携带燃料的二氧化碳混合气经气体压缩单元2压缩成30MPa携带燃料的高压二氧化碳流体，送入高压气体储罐3。携带燃料的高压二氧化碳流体经过减压和换热后进入一级燃烧室的烧嘴13，与助燃气体储罐的空气和压缩空气管路的高压压缩空气混合助燃燃烧。燃烧产生的烟气进入一级动力设备对外做功发电，做功后的烟气变成低压低温烟气，低压低温烟气的压力为5MPa，温度为-20℃。低压低温烟气经过一级换热器5换热，将冷量传递给制冷用户，烟气温度升高至10℃。升温后的烟气与燃料、助燃气一起进入二级燃烧升压动力单元的二级燃烧室燃烧，进行升温升压，升温升压后烟气的压力为7MPa，温度为310℃。升温升压后的烟气进入二级动力设备对外做功发电，做功后的烟气变成低压低温烟气，低压低温烟气的压力为2MPa，温度为-20℃。低压低温烟气经过二级换热器9换热，将冷量传递给楼宇空调设备，烟气温度升高至10℃，换热后的烟气到废气排放口8排放。
实施例3
本发明再一实施方式如图4所示，流程与实施例1相同，所用储能供能介质为空气，利用空气储能供能的系统用于为大楼提供热量、冷量和电力。过程为：
⑴利用夜间低谷电驱动气体压缩单元2将空气压缩成30MPa高压空气流体，送入高压气体储罐3；
⑵高压气体储罐的高压空气经过减压和换热进入一级燃烧升压动力单元16，高压空气与燃料、助燃气一起进入一级燃烧室11燃烧，进行升温升压，升温升压后烟气的压力为20MPa，温度为400℃；
⑶升温升压后的烟气进入膨胀机对外做功发电，做功后的烟气变成低压低温烟气，低压低温烟气的压力为5MPa，温度为80℃；
⑷步骤⑶所述低压低温烟气经过一级换热器5换热，将热量传递给楼宇空调设备，烟气温度下降至50℃；
⑸下降后的烟气与燃料、助燃气一起进入二级燃烧升压动力单元的二级燃烧室12燃烧，进行升温升压，升温升压后烟气的压力为10MPa，温度为400℃；
⑹升温升压后的烟气进入烟气轮机对外做功发电，做功后的烟气变成低压低温烟气，低压低温烟气的压力为2MPa，温度为80℃；
⑺步骤⑹中低压低温烟气经过二级换热器9换热，将热量传递给楼宇空调设备，烟气温度下降至50℃，换热后的烟气到废气排放口8排放。
实施例4
本发明第四种实施方式为二氧化碳储能供能的系统在汽车上的应用，如图5所示，包括车体27、高压气体储罐3、减压阀20、高压换热器21、缓冲罐22、二级减压阀24、二级高压换热器25、一级燃烧室11、空气增压机26、气体发动机28、阀门34、车轮23、变速器29、空调30、冰柜31、离合器32和发电机33。一级燃烧室设有烧嘴13，空气增压机连接到烧嘴。高压气体储罐通过减压阀连接到缓冲罐，缓冲罐通过高压换热器、二级减压阀连接到二级高压换热器，二级高压换热器出口分为两路，一路通过烧嘴连接到一级燃烧室，燃烧室出口连接到气体发动机入口，另一路直接连接到气体发动机入口，两路分别设有阀门34。气体发动机出口通过空调和冰柜连接到废气排放口8，连接管路设有阀门。气体发动机通过离合器32与变速器连接，变速器通过传动轴与车轮连接，气体发动机另一头与发电机轴连接，发电机与畜电池连接。
高压气体储罐3中的高压气体通过减压阀、高压换热器、缓冲罐、二级减压阀和二级高压换热器，将气体转换为压力为5 MPa，温度为10℃ 的携带30%氢气的二氧化碳流体，经燃烧室加热至500℃，到气体发动机做功驱动汽车行驶，做功后的气体经低温空调和冰柜放出冷量或热量后到废气排放口排放，或直接到废气排放口排放。二级高压换热器25出口的高压气体可以直接进入气体发动机做功，根据高压气体储罐中气体不同和工艺条件的要求进行选择。
可以将气体发动机替换为混合动力发动机，即同时利用气体的化学能和压力能做功。携带有30%氢气的高压二氧化碳流体不进入燃烧室，直接进入混合动力发动机驱动发动机做功，允许燃烧室设在混合动力发动机内，使含有燃料的二氧化碳点火，利用压力能和化学能做功同时使气缸内的着火的温度大幅度降低，减少了氮氧化物的数量，提高了效率，同时便于排气温度的控制。
Claims (12)
1.一种二氧化碳储能供能的方法，过程是：
⑴二氧化碳通过气体压缩单元（2）压缩成0.1～100MPa高压二氧化碳流体送入高压气体储罐（3）；
⑵高压气体储罐的高压二氧化碳进入一级燃烧升压动力单元（16），高压二氧化碳气体与燃料、助燃气一起进入燃烧室燃烧，进行升温升压，升温升压后烟气的压力为0.1～100MPa，温度为0～2000℃；
⑶升温升压后的烟气进入动力设备对外做功，变成低压低温烟气，所述低压低温烟气的压力为0.1～50MPa，温度为-50～500℃；
⑷步骤⑶所述低压低温烟气经过换热器换热，将冷量传递给制冷用户制冷使用或将热量传递给取暖用户取暖使用，烟气温度换热至10～50℃；
⑸换热后的烟气进入下一级燃烧升压动力单元，重复步骤⑵～⑷，重复循环1～100次，每次重复后从动力设备出来的气体压力逐次降低。
2.根据权利要求1所述的二氧化碳储能供能的方法，其特征是：允许20个以下燃烧室采用并联方式，同时连接到动力设备（4）上；可以同时对动力设备做功，也可以分别间歇对动力设备做功，从而使动力设备平稳运行，并使效力更高，既可以用同一风道做功或不同风道做功；也可以允许20个以下燃烧室采用串联方式，同时连接到动力设备（4）上。
3.根据权利要求1所述的二氧化碳储能供能的方法，其特征是：所述气体压缩单元（2）用的电为夜间低谷电、风电、太阳能电或潮汐发电；所述气体压缩单元（2）中的被压缩气体进入高压气体储罐（3）；被压缩气体为二氧化碳、空气、氮气、氧气、氢气、甲烷、氦气、一氧化碳或惰性气体的其中一种，或上述气体中两种或两种以上的混合物。
4.根据权利要求1所述的二氧化碳储能供能的方法，其特征是：所述燃料为焦炉煤气、转炉煤气、高炉煤气、一氧化碳、氢气、甲烷、甲醇、乙醇、二甲醚、煤粉中的一种，或上述燃料两种或两种以上的混合物；所述助燃气为空气、氧气或氧气含量为0~100%的混合气体。
5.根据权利要求1所述的二氧化碳储能供能的方法，其特征是：所述燃料为单独燃料储罐和助燃气储罐或压缩空气，燃料储罐和助燃气储罐或压缩空气的压力为0.1～100MPa；制备压缩空气的动力来自于本系统的动力设备；燃料可提前加注到高压气体储罐（3）内，燃料与被压缩气体的比例可以任意调节。
6.一种二氧化碳储能供能的系统，包括发电单元（1）、气体压缩单元（2）和二氧化碳管路，二氧化碳管路通过压缩单元连接到高压气体储罐（3），所述发电单元与气体压缩单元电路连接，其特征是：所述系统设有1～100级燃烧升压动力单元，所述燃烧升压动力单元设有燃烧室、动力设备、换热器、制冷或取暖用户、燃料储罐（14）和助燃气体储罐（15）；所述换热器与制冷或取暖用户连接，所述燃烧室设有烧嘴（13），所述燃料储罐和助燃气体储罐与烧嘴连接；所述高压气体储罐连接到燃烧室，所述燃烧室出口连接到动力设备，所述动力设备连接到换热器，所述换热器出口连接到废气排放口或下一级燃烧升压动力单元的燃烧室。
7.根据权利要求6所述的二氧化碳储能供能的系统，其特征是：所述1～100级燃烧升压动力单元串联设置，上一级燃烧升压动力单元的换热器出口连接到下一级燃烧升压动力单元的燃烧室。
8.根据权利要求6所述的二氧化碳储能供能的系统，其特征是：所述动力设备为汽轮机、膨胀机、烟气轮机、活塞式发动机、燃气轮机或气体发动机；所述燃烧器中的被压缩气体的加热方式为直接加热或间壁式加热；燃烧的废气可直接参与做功或处理后直接排放。
9.根据权利要求6所述的二氧化碳储能供能的系统，其特征是：此系统可以用在固定的建筑及设备的供电供暖供冷场所；也可用于各类交通工具上。
10.根据权利要求6所述的二氧化碳储能供能的系统，其特征是：被压缩气体储罐（3）可设有高压气体加注口，可直接进行人工加注而无需压缩单元（2）。
11.根据权利要求6所述的二氧化碳储能供能的系统，其特征是：当助燃气只是氧气和二氧化碳的混合物时，通过一个处理装置，直接进入二氧化碳管道进行回收。
12.根据权利要求6所述的二氧化碳储能供能的系统，其特征是：当动力设备为气体发动机或其它动力设备时，允许燃烧室设在气体发动机或其它动力设备内，使含有燃料的二氧化碳点火，利用压力能和化学能做功同时使气缸内的着火的温度大幅度降低，减少了氮氧化物的数量，提高了效率，同时便于排气的温度控制。
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| CN201610468806.2A CN106050420A (zh) | 2016-06-25 | 2016-06-25 | 一种二氧化碳储能供能的方法和系统 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114123521A (zh) * | 2021-11-22 | 2022-03-01 | 清华大学无锡应用技术研究院 | 一种针对可再生能源的电解氢与压缩二氧化碳联合储能系统 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101922352A (zh) * | 2009-06-17 | 2010-12-22 | 中国科学院工程热物理研究所 | 一种利用液化天然气冷*的热力循环系统和流程 |
| US20130199195A1 (en) * | 2009-02-26 | 2013-08-08 | 8 Rivers, Llc | System and method for high efficiency power generation using a carbon dioxide circulating working fluid |
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2016
- 2016-06-25 CN CN201610468806.2A patent/CN106050420A/zh active Pending
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