CN106076073A - 一种太阳能与地热能联合电厂低碳排放的能量利用系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种太阳能与地热能联合电厂低碳排放的能量利用系统，主要包括：发电系统、烟气碳捕集系统、地热能利用系统、太阳能热利用系统、膨胀机、相关的控制阀和相应的连接管路。通过控制各个控制阀的开关可以不同模式运行。当太阳能充足时，利用地热能和太阳能逐步提升流体温度至过热蒸汽状态，带动膨胀机工作，进而带动二氧化碳压缩机压缩捕集的二氧化碳，同时膨胀机排汽可以依次给再沸器和电厂低压给水换热器提供能量；在阳光不足或无阳光时，需要从电厂发电汽轮机抽汽保证膨胀机正常运行。本发明实现了太阳能与地热能的有效利用，将二者与烟气碳捕集技术集成，降低了烟气碳捕集系统抽汽对电厂的不利影响，同时确保整个耦合系统稳定运行。
Description
技术领域
本发明涉及了一种太阳能与地热能联合电厂低碳排放的能量利用系统，具体集成了地热能利用技术、太阳能热利用技术以及电厂烟气捕集技术。
背景技术
近年来，温室效应引起的气候问题越来越成为全球关注的焦点。在引起全球变暖的温室气体中，二氧化碳的负面贡献最大。如何抑制大气中二氧化碳浓度的进一步提升，成为了人们关注的焦点。其中，烟气碳捕集与封存技术被认为是一种有效的抑制乃至降低二氧化碳浓度的技术手段。
火力电厂是二氧化碳排放的重要源头，因此，烟气碳捕集技术与电厂的结合有利于降低二氧化碳排放量。在目前发展的捕集技术中，最适合与现有电厂相结合的是燃烧后捕集技术，而化学吸收法作为燃烧后捕集技术的一种，发展比较成熟，具有在示范和商业中应用的前景。但是，CO2捕集过程需要消耗大量的热量，在与电厂集成时，其热量主要来自于汽轮机的中低压缸抽汽，会造成电厂效率的显著下降，另外，压缩捕集的二氧化碳也需要消耗能量，会进一步降低电厂的效率。
2007年WIBBERLEY首次提出了太阳能辅助烟气碳捕集技术，提出将太阳能集热场收集的太阳能用于再沸器的热耗。自此，对于可再生能源技术与电厂烟气捕集技术的集成的研究迅速发展起来。太阳能作为可再生能源，其储量丰富，开发潜力巨大。但是太阳能利用极易受天气状况影响，其本身存在波动性，会对电厂发电系统产生不利影响。
地热能作为清洁能源，其分布广泛，储量丰富。经调查，我国已发现中低温地热系统2900多处，总计天然放热量约为1.04×kJ/a，相当于每年360万吨标准煤当量。主要分布在东南沿海诸省区和内陆盆地区，如松辽盆地、华北盆地、江汉盆地、渭河盆地以及众多山间盆地区。这些地区1000—3000m深的地热井，可获80—100℃的地热水。地热能系统运行温度一般比较稳定，便于与其他稳定运行系统的耦合。
经过对现有文献的调研发现，公告号为CN204582900U的专利文献中公开了“一种太阳能辅助再沸器加热的脱碳系统”，该系统利用了太阳能集热器集热，为再沸器提供热量，减少电厂抽汽带来的效率下降。阳光充足时太阳能集热器提供热量，停止抽汽；阳光不足或者无阳光时，使用汽轮机抽汽为再沸器提供热量。但是太阳能具有很大的波动性，白天太阳能的波动会对整个系统的稳定运行带来不利影响，如果要稳定整个系统，则需要增加蓄热系统，增加设备投资和整个系统的复杂性；太阳能不足时可能需要抽汽与太阳能共同为烟气碳捕集提供能量，太阳能的波动会为二者的有效协调带来问题；该系统也没有提到二氧化碳压缩带来的电厂供电效率的下降问题，同时，经再沸器高温侧出口的工质仍具有较高的温度，该系统没有考虑到能量的梯级利用。
公开号为CN10375142A的专利文献中公开了“一种太阳能辅助烟气碳捕集集成系统”，是一种将电厂烟气碳捕集系统与太阳能集热系统集成的技术方案，根据不同的集成连接关系可以充分利用中低温太阳能集热来补偿传统捕集系统的能耗需求，一种连接模式是太阳能高温集热先给电厂给水加热器加热，再给再沸器提供热量；另一种连接模式是太阳能集热工质流体集热到再沸器所需温度范围，供给再沸器热量，避免高温集热造成的集热器效率下降。两种连接方式均设计了从汽轮机的抽汽管道，避免了集热器热量不足时无法给再沸器提供足够热量的问题。但是该技术方案并没有提到降低压缩二氧化碳电耗的措施；同时，经再沸器高温侧出口的工质仍具有较高的温度，该技术方案没有考虑到该部分能量的利用。
公开号为CN103372371A的专利文献中公开了一种“太阳能有机朗肯循环辅助燃煤发电进行碳捕集的系统装置”，是将太阳能热利用系统与有机朗肯循环系统结合起来，有机朗肯循环系统发电主要用于碳捕集动力系统的能耗，再沸器热耗则来自于有机工质冷凝的热量。但是，在太阳光不足或者没有阳光时，若没有其他的能量来源，整个有机朗肯循环系统就无法工作，如果要保证该系统的稳定运行，就需要增加蓄热装置或者其他能量来源，该专利文献并没有提到这一点；如果在太阳光不足或没有时，不采用有机朗肯循环系统，则必须采用电厂发电为碳捕集系统提供能量，必然造成电厂净效率的下降。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种太阳能与地热能联合电厂低碳排放的能量利用系统。本发明将太阳能、地热能与烟气碳捕集技术集成，利用地热能和太阳能加热工质带动膨胀机，进而带动压缩机压缩二氧化碳，同时还可以为二氧化碳的解吸以及电厂低压加热器提供能量，有效减少传统的抽汽捕集对电厂带来的不利影响。
为了解决上述技术问题，本发明提出的一种太阳能与地热能联合电厂低碳排放的能量利用系统，包括发电系统、烟气碳捕集系统、地热能利用系统、太阳能热利用系统、膨胀机和连接管路；所述发电系统由燃煤电厂锅炉、电厂发电汽轮机、冷凝器、泵、给水换热器依次串联而成；所述燃煤电厂锅炉的过热蒸汽出口与所述电厂发电汽轮机的进汽口相连，所述给水换热器的给水出口与所述燃煤电厂锅炉的给水进口相连；所述烟气碳捕集系统由吸收塔、富液泵、贫/富液换热器、贫液泵、解吸塔、再沸器和二氧化碳压缩机组成；所述解析塔的底部出口与所述再沸器的低温侧入口相连，所述再沸器的低温侧出口与所述解析塔的下部进口相连；所述地热能利用系统由生产井、过滤装置、生产井出口阀、地热换热器，地热水泵、注入井入口阀、注入井依次串联而成；所述太阳能热利用系统由太阳能集热阵列、集热阵列出口阀、导热油泵、集热场换热器、集热阵列入口阀依次串联而成，所述导热油泵的出口与所述集热场换热器的高温侧进口相连，所述集热场换热器的高温侧出口与所述集热阵列入口阀相连；所述燃煤电厂锅炉的烟气出口与所述吸收塔的下部进口相连，所述吸收塔的下部出口依次经过所述富液泵和所述贫/富液热交换器后连接至所述解析塔的上部进口；所述解析塔的上部出口与所述二氧化碳压缩机相连；所述解析塔的下部出口依次经所述贫液泵和所述贫/富液换热器后连接至所述吸收塔的上部进口；所述电厂发电汽轮机的低压缸抽汽口经第一控制阀后连接至所述膨胀机的进汽口；所述膨胀机的排汽口通过第二控制阀后连接至所述再沸器的高温侧进口；所述膨胀机与所述二氧化碳压缩机机械连接并带动所述二氧化碳压缩机工作；所述地热换热器的低温侧出口通过一工质泵后分为两路，其中一路经第三控制阀后连接至所述集热场换热器的入口；另一路经第四控制阀后连接至所述再沸器的高温侧进口；所述集热场换热器的出口分为两路，其中一路经第五控制阀后连接至所述膨胀机的进汽口，另一路经第六控制阀后连接至所述再沸器的高温侧进口；所述再沸器的高温侧出口经过所述给水换热器后连接至所述地热换热器的低温侧进口，所述给水换热器与所述地热换热器之间的连接管路上设有第七控制阀；上述的地热换热器、工质泵、第三控制阀、集热场换热器，第五控制阀、膨胀机、第二控制阀、再沸器、给水换热器依次相连构成一回路。
进一步讲，本发明中，所述膨胀机与所述二氧化碳压缩机之间采用联轴器连接。
在本发明中，所述燃煤电厂锅炉产生的烟气经过预处理之后通过所述吸收塔的下部进口进入所述吸收塔，被吸收塔上方喷淋的化学吸收剂吸收，形成的富液；所述富液经所述富液泵泵入至所述贫/富液热交换器中吸热，再从所述解析塔的上部进口进入所述解吸塔，经过所述解吸塔解吸出的二氧化碳从所述解析塔的上部出口排入到所述二氧化碳压缩机被压缩储存；经过解析塔解吸后的贫液经所述贫液泵泵入所述贫/富液换热器中与富液换热后从所述吸收塔上方喷淋，开始烟气碳捕集的下一次循环。
本发明太阳能与地热能联合电厂低碳排放的能量利用系统有三种工作模式：一是，当阳光充足时，由地热换热器加热的流体直接进入集热场换热器中提升温度至过热蒸汽状态，蒸汽进入膨胀机做功，膨胀机与压缩机采用联轴器连接，压缩二氧化碳，做功后的流体进入再沸器，为二氧化碳解吸提供能量，从再沸器高温侧出口流出的流体再进入电厂发电系统的给水换热器为给水加热，放热之后再流入地热加热器，此种模式下电厂发电汽轮机不抽汽；二是，当阳光不足时，工作流体经过地热换热器和集热场换热器后直接进入再沸器为二氧化碳解吸提供能量，而膨胀机则由电厂发电汽轮机抽汽带动，做功后的流体与来自集热场换热器的流体汇合进入再沸器，之后共同进入给水换热器，之后再进入地热换热器，其流量可以由阀门调节；当没有阳光时，从地热换热器低温侧出口流出的流体直接与膨胀机排汽汇合进入再沸器，而膨胀机则由电厂发电汽轮机抽汽带动。三是，在阳光不足和无阳光时，需要从电厂发电汽轮机抽汽为膨胀机提供蒸汽，排汽会进入再沸器，但是必然会增加进入地热换热器的循环工质流量，此时可以通过控制阀门开闭调节流入地热换热器的工质流量，放出一部分工质，防止循环流量失衡。
与现有技术相比，本发明的优点有：
(1)将太阳能，地热能与电厂烟气碳捕集系统相结合，有效利用了可再生能源。
(2)利用了地热能和太阳能联合驱动膨胀机带动二氧化碳压缩机，减少了捕集后二氧化碳的压缩功耗，降低了电厂电耗。
(3)利用膨胀机排汽提供再沸器热耗，减少了汽轮机抽汽带来的损失。
(4)再沸器高温出口工质加热低压给水加热器，实现了能量的梯级利用
(5)不同的运行模式保证了整个耦合系统的稳定运行，克服了太阳能的不稳定性，有效降低碳捕集系统对电厂造成的效率下降等不利影响。
附图说明
图1为本发明能量利用系统原理及结构示意图；
图中：1-燃煤电厂锅炉，2-电厂发电汽轮机，3-冷凝器，4-泵，5-给水换热器，6-解吸塔，7-贫液泵，8-贫/富液换热器，9-富液泵，10-吸收塔，11-再沸器，12-太阳能集热阵列，13-集热阵列出口阀，14-导热油泵，15-集热场换热器，16-集热阵列入口阀，17-生产井，18-过滤装置，19-生产井出口阀，20-地热换热器，21-地热水泵，22-注入井入口阀，23-注入井，24-工质泵，25-第四控制阀，26-第三控制阀，27-膨胀机，28-第七控制阀，29-二氧化碳压缩机，30-第一控制阀，31-第五控制阀，32-第二控制阀，33-第六控制阀。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本发明涉及的系统主要包括发电系统、烟气碳捕集部分、地热能利用系统、太阳能热利用系统、膨胀机和连接管路。
所述发电系统由燃煤电厂锅炉1、电厂发电汽轮机2、冷凝器3、泵4、给水换热器5依次串联而成；所述燃煤电厂锅炉1的过热蒸汽出口与所述电厂发电汽轮机2的进气口相连，所述给水换热器5的给水进口与所述燃煤电厂锅炉的给水进口相连。
所述烟气碳捕集系统由吸收塔10、富液泵9、贫/富液换热器8、贫液泵7、解吸塔6、再沸器11和二氧化碳压缩机29组成；所述解析塔6的底部出口与所述再沸器11的低温侧入口相连，所述再沸器11的低温侧出口与所述解析塔6的下部进口相连。
所述地热能利用系统由生产井17、过滤装置18、生产井出口阀19、地热换热器20，地热水泵21、注入井入口阀22、注入井23依次串联而成。
所述太阳能热利用系统由太阳能集热阵列12、集热阵列出口阀13、导热油泵14、集热场换热器15、集热阵列入口阀16依次串联而成，所述导热油泵14的出口与所述集热场换热器15的高温侧入口相连，所述集热场换热器15的高温侧出口与所述集热阵列入口阀16相连。
各主要部件之间的连接方式如下：
所述燃煤电厂锅炉1的烟气出口与所述吸收塔10的下部进口相连，所述吸收塔10的下部出口依次经过所述富液泵9和所述贫/富液热交换器8后连接至所述解析塔6的上部进口；所述解析塔6的上部出口与所述二氧化碳压缩机29相连；所述解析塔6的下部出口依次经所述贫液泵7和所述贫/富液换热器8后连接至所述吸收塔10的上部进口。
所述电厂发电汽轮机2的低压缸抽汽口经第一控制阀30后连接至所述膨胀机27的进汽口；所述膨胀机27的排汽口通过第二控制阀32后连接至所述再沸器11的高温侧进口；所述膨胀机27与所述二氧化碳压缩机29机械连接并带动所述二氧化碳压缩机29工作。
所述地热换热器20的低温侧出口通过一工质泵24后分为两路，其中一路经第三控制阀26后连接至所述集热场换热器15的入口；另一路经第四控制阀25后连接至所述再沸器11的高温侧进口。
所述集热场换热器15的出口分为两路，其中一路经第五控制阀31后连接至所述膨胀机27的进汽口，另一路经第六控制阀33后连接至所述再沸器11的高温侧进口；所述再沸器11的高温侧出口经过所述给水换热器5后连接至所述地热换热器20的低温侧进口，所述给水换热器5与所述地热换热器20之间的连接管路上设有用于调节进入地热换热器20流量的第七控制阀28。
本发明中的地热换热器20、工质泵24、第三控制阀26、集热场换热器15，第五控制阀31、膨胀机27、第二控制阀32、再沸器11、给水换热器5依次相连构成一回路。
在烟气碳捕集系统中，所述燃煤电厂锅炉1产生的烟气经过预处理之后通过所述吸收塔10的下部进口进入所述吸收塔10，被吸收塔10上方喷淋的化学吸收剂吸收，形成的富液；所述富液经所述富液泵9泵入至所述贫/富液热交换器8中吸热，再从所述解析塔6的上部进口进入所述解吸塔6，经过所述解吸塔6解吸出的二氧化碳从所述解析塔6的上部出口排入到所述二氧化碳压缩机29被压缩储存；经过解析塔6解吸后的贫液经所述贫液泵7泵入所述贫/富液换热器8中与富液换热后从所述吸收塔10上方喷淋，开始烟气碳捕集的下一次循环。
本发明有三种工作模式，其中各阀门的开闭情况如表1所示，其中：
模式一：当阳光充足时，开启第二控制阀32、第三控制阀26、第五控制阀31、集热阵列出口阀13，集热阵列入口阀16，生产井出口阀19和注入井入口阀22，关闭第一控制阀30、第四控制阀25、第六控制阀33和第七控制阀28。由地热换热器20加热的流体经由工质泵24，第三控制阀26直接进入集热场换热器15中提升温度至过热蒸汽状态，蒸汽由第五控制阀31进入膨胀机26做功，膨胀机27与二氧化碳压缩机29采用联轴器连接，在膨胀机27中做功后的流体经第二控制阀32进入再沸器11，为二氧化碳解吸提供能量，从再沸器11高温侧出口流出的流体再进入电厂发电系统的给水换热器5为给水加热，放热之后再流入地热加热器20，此种模式下电厂发电汽轮机2不抽汽。
模式二：当阳光不足时，开启第一控制阀30、第二控制阀32、第三控制阀26、第六控制阀33、第七控制阀28、集热阵列出口阀13，集热阵列入口阀16，生产井出口阀19和注入井入口阀22，关闭第四控制阀25和第五控制阀31。由地热换热器20加热的流体经由工质泵24，第三控制阀26，进入集热场换热器15，经由第六控制阀33进入再沸器11为二氧化碳解吸提供能量，而膨胀机27则由电厂发电汽轮机2抽汽经由第一控制阀30带动，做功后的流体经由第二控制阀32与来自集热场换热器15的流体汇合进入再沸器11，共同进入给水换热器5，之后再进入地热换热器20，为防止来自膨胀机27的排汽与来自集热场换热器15的工质混合后进入地热换热器20使循环流量增加，可以由第七控制阀28调节进入地热换热器20的流量。
模式三：当没有阳光时，开启第一控制阀30、第二控制阀32、第四控制阀25、第七控制阀28、生产井出口阀19和注入井入口阀22，关闭第三控制阀26、第五控制阀31、第六控制阀33、集热阵列出口阀13和集热阵列入口阀16。从地热换热器20的低温侧出口流出的流体经由工质泵24，第四控制阀25直接与膨胀机27排汽汇合进入再沸器11，电厂发电汽轮机2抽汽经由第一控制阀30进入膨胀机27，再由第二控制阀32进入再沸器11，为防止来自膨胀机27的排汽与来自地热换热器20的工质混合后进入地热换热器20使循环流量增加，可以由第七控制阀28调节进入地热换热器20的流量。
综上，本发明能量利用系统实现了太阳能与地热能的有效利用，降低了烟气碳捕集系统抽汽及二氧化碳压缩对电厂的不利影响。
表1三种模式下各控制阀(以附图标记表示)的开闭情况
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (3)
1.一种太阳能与地热能联合电厂低碳排放的能量利用系统，包括发电系统、烟气碳捕集系统、地热能利用系统、太阳能热利用系统、膨胀机(27)和连接管路；其特征在于：
所述发电系统由燃煤电厂锅炉(1)、电厂发电汽轮机(2)、冷凝器(3)、泵(4)、给水换热器(5)依次串联而成；所述燃煤电厂锅炉(1)的过热蒸汽出口与所述电厂发电汽轮机(2)的进汽口相连，所述给水换热器(5)的给水出口与所述燃煤电厂锅炉的给水进口相连；
所述烟气碳捕集系统由吸收塔(10)、富液泵(9)、贫/富液换热器(8)、贫液泵(7)、解吸塔(6)、再沸器(11)和二氧化碳压缩机(29)组成；所述解析塔(6)的底部出口与所述再沸器(11)的低温侧入口相连，所述再沸器(11)的低温侧出口与所述解析塔(6)的下部进口相连；
所述地热能利用系统由生产井(17)、过滤装置(18)、生产井出口阀(19)、地热换热器(20)，地热水泵(21)、注入井入口阀(22)、注入井(23)依次串联而成；
所述太阳能热利用系统由太阳能集热阵列(12)、集热阵列出口阀(13)、导热油泵(14)、集热场换热器(15)、集热阵列入口阀(16)依次串联而成，所述导热油泵(14)的出口与所述集热场换热器(15)的高温侧入口相连，所述集热场换热器(15)的高温侧出口与所述集热阵列入口阀(16)相连；
所述燃煤电厂锅炉(1)的烟气出口与所述吸收塔(10)的下部进口相连，所述吸收塔(10)的下部出口依次经过所述富液泵(9)和所述贫/富液热交换器(8)后连接至所述解析塔(6)的上部进口；所述解析塔(6)的上部出口与所述二氧化碳压缩机进口(29)相连；所述解析塔(6)的下部出口依次经所述贫液泵(7)和所述贫/富液换热器(8)后连接至所述吸收塔(10)的上部进口；
所述电厂发电汽轮机(2)的低压缸抽汽口经第一控制阀(30)后连接至所述膨胀机(27)的进汽口；所述膨胀机(27)的排汽口通过第二控制阀(32)后连接至所述再沸器(11)的高温侧进口；所述膨胀机(27)与所述二氧化碳压缩机(29)机械连接并带动所述二氧化碳压缩机(29)工作；
所述地热换热器(20)的低温侧出口通过一工质泵(24)后分为两路，其中一路经第三控制阀(26)后连接至所述集热场换热器(15)的入口；另一路经第四控制阀(25)后连接至所述再沸器(11)的高温侧进口；
所述集热场换热器(15)的出口分为两路，其中一路经第五控制阀(31)后连接至所述膨胀机(27)的进汽口，另一路经第六控制阀(33)后连接至所述再沸器(11)的高温侧进口；所述再沸器(11)的高温侧出口经过所述给水换热器(5)后连接至所述地热换热器(20)的低温侧进口，所述给水换热器(5)与所述地热换热器(20)之间的连接管路上设有第七控制阀(28)；
上述的地热换热器(20)、工质泵(24)、第三控制阀(26)、集热场换热器(15)，第五控制阀(31)、膨胀机(27)、第二控制阀(32)、再沸器(11)、给水换热器(5)依次相连构成一回路。
2.根据权利要求1所述一种太阳能与地热能联合电厂低碳排放的能量利用系统，其特征在于，所述燃煤电厂锅炉(1)产生的烟气经过预处理之后通过所述吸收塔(10)的下部进口进入所述吸收塔(10)，被吸收塔(10)上方喷淋的化学吸收剂吸收，形成的富液；所述富液经所述富液泵(9)泵入至所述贫/富液热交换器(8)中吸热，再从所述解析塔(6)的上部进口进入所述解吸塔(6)，经过所述解吸塔(6)解吸出的二氧化碳从所述解析塔(6)的上部出口排入到所述二氧化碳压缩机(29)被压缩储存；经过解析塔(6)解吸后的贫液经所述贫液泵(7)泵入所述贫/富液换热器(8)中与富液换热后从所述吸收塔(10)上方喷淋，开始烟气碳捕集的下一次循环。
3.根据权利要求1或2所述一种太阳能与地热能联合电厂低碳排放的能量利用系统，其特征在于，所述膨胀机(27)与所述二氧化碳压缩机(29)之间采用联轴器连接。
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