CN106089437B - 超临界二氧化碳低温动力系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超临界二氧化碳低温动力系统，包括二氧化碳储罐、压缩工段、燃料罐、燃料吸收罐、换热器、空调和用能设备，用能设备为动力单元和/或燃气轮机。二氧化碳储罐通过压缩工段与燃料吸收罐连接，燃料罐与燃料吸收罐的液/固燃料入口连接。燃料吸收罐高压流体出口与动力单元和/或燃气轮机连接，动力单元和/或燃气轮机的出口通过换热器连接到废气排放口，换热器与空调连接。本发明通过向燃料吸收罐中的高压二氧化碳流体加入燃料，形成超临界二氧化碳低温动力系统，提高了超临界二氧化碳的储能潜力，具有燃烧温度和排烟温度低的特性，与高温动力系统相比热效率大幅提高，开辟了储能用能的新途径。

Description

超临界二氧化碳低温动力系统

技术领域

本发明属于动力设备技术领域，涉及一种超临界二氧化碳低温动力系统。

背景技术

动力系统是指电力系统和动力部分的总和。其中，动力部分，包括火电厂的锅炉、汽轮机、热力网和用热设备；水电厂的水库、水轮机等，低温动力是一个有待开发的新技术领域。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。利用储能技术可以随时将富余能源转化为电力、动力、冷能或热能，利用二氧化碳进行能量存储，从而有效减少能源的浪费。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。单纯的二氧化碳储能和供能，能量不能最大限度的发挥，有待于进一步挖掘和提高二氧化碳的应用价值，拓宽超临界二氧化碳的储能和用能的潜力。

发明内容

本发明的目的是提供一种超临界二氧化碳低温动力系统，进一步提高超临界二氧化碳的储能和用能潜力，有效的存储并利用二氧化碳储存的能量，开辟新能源新的利用途径。

本发明的技术方案是：超临界二氧化碳低温动力系统，包括二氧化碳储罐和压缩工段，二氧化碳储罐与压缩工段连接。系统设有燃料吸收罐、燃料罐和换热器，燃料吸收罐设有压缩气体入口、液/固燃料入口和高压流体出口。压缩工段与压缩气体入口连接，燃料罐与液/固燃料入口连接，高压流体出口与动力单元和/或燃气轮机连接。动力单元和/或燃气轮机的出口通过换热器连接到废气排放口，换热器与空调连接。

动力单元设有空气压缩机、烟气轮机、发电机和燃烧室，燃烧室设有烧嘴。空气压缩机出口连接到燃烧室，燃料吸收罐的高压流体出口连接到烧嘴。燃烧室出口连接到烟气轮机，烟气轮机出口连接到换热器。烟气轮机与发电机轴连接。燃烧室出口压力为0.1～100MPa，温度为100～1500℃。烟气轮机出口气体排放温度为-100～300℃，可以根据实际需要进行调节。燃气轮机设有超临界流体入口、空气入口和出气口，燃料吸收罐的高压流体出口连接到燃气轮机的超临界流体入口，出气口连接到换热器。燃气轮机与发电机轴连接。

系统设有气体燃料罐，气体燃料罐连接到二氧化碳储罐。二氧化碳储罐中的气体为二氧化碳、氮气、空气、燃气和烟气，二氧化碳的浓度为0～100%（v）。燃料吸收罐出口压力为0.1～100MPa。空调设有电加热和电制冷装置，用于弥补废气冷量或热量不足。燃料罐中燃料为气体燃料、液体燃料或固体燃料，或上述燃料的两种或三种混合，燃料吸收罐中燃料的浓度为0～100%（v）。通过改变燃料吸收罐中添加燃料的种类和添加比例以及改变空气加入比例和动力单元的工艺流程，可实现动力单元出口气体的温度和压力的调节。动力单元可应用于汽车、轮船、飞机、助动车等交通工具上，交通工具所使用携带燃料的超临界二氧化碳流体可采用自备储罐加注的方式进行补充。动力单元内的烟气轮机可以是燃气轮机、烟气轮机、汽轮机、活塞式发动机。压缩工段压缩使用低谷电或风能、太阳能及潮汐能发的电。

动力单元可应用于固定场所或非固定场所，采用分体式压缩气体储罐或管道和分体式燃料储罐或管道，压缩气体储罐与燃料储罐分开设置。压缩气体为空气、烟气、含有氧气或不含有氧气的二氧化碳、含有氧气或不含有氧气的氮气、不含有氧气的一氧化碳、惰性气体等或以上气体的混合物。分体式燃料储罐中的燃料为甲醇、乙醇、一氧化碳、柴油、汽油、氢气或碳氢化合物，或其它具有热值的气体燃料、液体燃料和固体燃料，或以上的混合物。允许分体式燃料储罐内加入任意比例的不可燃成分。压缩气体储罐压力为0.1～100MPa，燃料储罐压力为0.1～100MPa。压缩气体储罐与燃料储罐的出口均连接到燃烧室入口。助燃空气既可以来自压缩空气储罐，又可以来自周围环境的空气，或两者同时按任意比例使用。

本发明超临界二氧化碳低温动力系统，通过向燃料吸收罐中的高压二氧化碳流体加入燃料，形成携带燃料的超临界二氧化碳流体，进一步提高了超临界二氧化碳的储能潜力，携带燃料的超临界二氧化碳流体与压缩空气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。二氧化碳压力源和燃料构成的超临界二氧化碳低温动力系统具有燃烧温度和排烟温度低的特性，与高温动力系统相比热效率大幅提高。通过储能材料二氧化碳，使有热值的燃料都能够安全、方便、最大限度发挥其作用。

附图说明

图1为本发明超临界二氧化碳低温动力系统的流程示意图；

图2为本发明另一实施方案的流程示意图；

图3为本发明第三种方案的流程示意图；

图4为本发明第四种实施方案的流程示意图；

其中：1—二氧化碳储罐、2—压缩工段、3—燃料吸收罐、4—动力单元、5—换热器、6—空气压缩机、7—空气入口、8—烟气轮机、9—发电机、10—燃烧室、11—烧嘴、12—废气排放口、13—燃气轮机、14—空调、15—液体燃料罐、16—气体燃料罐、18—高压流体出口、19—压缩气体储罐、20—燃料储罐、21—燃料压缩工段、22—大楼。

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

本发明超临界二氧化碳低温动力系统如图1所示，包括二氧化碳储罐1、压缩工段2、动力单元4、燃料吸收罐3、液体燃料罐15、空调14和换热器5。动力单元设有空气压缩机6、烟气轮机8、发电机9和燃烧室10，燃烧室设有烧嘴11。燃料吸收罐设有压缩气体入口、液/固燃料入口和高压流体出口18。二氧化碳储罐与压缩工段连接，压缩工段与燃料吸收罐的压缩气体入口连接，液体燃料罐15通过输送泵与燃料吸收罐的液/固燃料入口连接。燃料吸收罐的高压流体出口与烧嘴11连接，空气压缩机出口连接到燃烧室。燃烧室出口连接到烟气轮机，烟气轮机出口通过换热器连接到废气排放口12，烟气轮机与发电机9轴连接，换热器与空调14连接。燃烧室出口压力为2MPa，温度为600℃。二氧化碳储罐1中的气体为二氧化碳，二氧化碳的浓度为99.99%（v）。燃料吸收罐3出口压力为20MPa。

本发明超临界二氧化碳低温动力系统的运行过程为，二氧化碳储罐1中的二氧化碳气体进入压缩单元，在压缩单元经多级压缩机将二氧化碳气体压缩成高压超临界流体，送入燃料吸收罐3。液体燃料罐的乙醇燃料通过高压输送泵将液体燃料罐中的乙醇打入燃料吸收罐，形成压力为20MPa的混合超临界流体。混合超临界流体通过动力单元的烧嘴进入燃烧室，与空气压缩机压缩的高压空气混合燃烧产生的烟气到烟气轮机做功带动发电机发电。离开烟气轮机的气体经换热器换热后到废气排放口12排放，换热器通过工质循环将冷量传给空调，为空调制冷。可以通过调节燃料在超临界流体中的浓度，控制废气的温度，来为空调提供冷量或热量，当冷量或热量不足时，使用电加热弥补。

实施例2

本发明另一实施方式如图2所示，包括二氧化碳储罐1、压缩工段2、燃气轮机13、燃料吸收罐3、气体燃料罐16、液体燃料罐15、发电机9、空调14和换热器5。气体燃料罐与二氧化碳储罐连接，二氧化碳储罐与压缩工段连接，压缩工段与燃料吸收罐的压缩气体入口连接，液体燃料罐15通过输送设备与液/固燃料入口连接。燃气轮机设有超临界流体入口、空气入口7和出气口，燃料吸收罐的高压流体出口18连接到超临界流体入口，出气口连接到换热器。燃气轮机与发电机9轴连接，换热器与空调14连接。燃烧室出口压力为0.1MPa，温度为500℃。二氧化碳储罐1中的气体为二氧化碳和CO，二氧化碳的浓度为70%（v）。燃料吸收罐出口压力为40MPa。

本实施例的运行过程为，气体燃料罐16中CO通入二氧化碳储罐1中与二氧化碳混合，混合后二氧化碳的浓度为70%（v）。混合气体经压缩单元多级压缩机压缩成高压超临界流体，送入燃料吸收罐3。液体燃料罐15中的汽油通过螺旋输送机打入燃料吸收罐，形成压力为40MPa的混合超临界流体，汽油含量为5%（v）。混合超临界流体通过超临界流体入口进入燃气轮机，与从燃气轮机尾部进入的经多级压缩的高压空气混合并燃烧产生高压烟气，驱动燃气轮机头部的涡轮转动做功带动发电机发电。离开燃气轮机的气体经换热器换热后到废气排放口12排放，换热器通过工质循环将冷量传给空调，为空调制冷。可以通过调节燃料在超临界流体中的浓度，空气入口的进气量，控制废气的温度，来为空调提供冷量或热量，当冷量或热量不足时，使用电加热弥补。

实施例3

本发明再一实施方式如图3所示，包括二氧化碳储罐1、压缩工段2、燃气轮机13、燃料吸收罐3、动力单元4、气体燃料罐16、液体燃料罐15、发电机9、空调14和换热器5。气体燃料罐与二氧化碳储罐连接，液体燃料罐15与燃料吸收罐3连接。二氧化碳储罐通过压缩工段与燃料吸收罐的压缩气体入口连接，燃料吸收罐的高压流体出口18分为两路，一路连接到燃气轮机的超临界流体入口，一路连接到动力单元燃烧室的烧嘴。燃烧室出口压力为8MPa，温度为650℃。二氧化碳储罐1中的气体为二氧化碳和天然气，二氧化碳的浓度为90%（v）。燃料吸收罐出口压力为20MPa。

本实施例的运行过程为，气体燃料罐16中天然气通入二氧化碳储罐1中与二氧化碳混合，混合后二氧化碳的浓度为90%（v）。混合气体经压缩单元多级压缩机压缩成高压超临界流体，送入燃料吸收罐3。液体燃料罐15中的甲醇燃料通过高压输送泵打入燃料吸收罐，形成压力为20MPa的混合超临界流体，甲醇燃料的浓度为5%（v）。混合超临界流体一路通过超临界流体入口进入燃气轮机，与燃气轮机的高压压缩空气混合并燃烧产生高压烟气，驱动燃气轮机转动做功带动发电机发电。另一路通过动力单元的烧嘴11进入燃烧室，与空气压缩机压缩的高压空气混合燃烧产生的烟气到烟气轮机做功带动发电机发电。

实施例4

本发明第四种实施方式如图4所示，包括压缩工段2、压缩气体储罐19、燃料储罐20、燃料压缩工段21、大楼22、换热器5、烟气轮机8、发电机9、燃烧室10和空气入口7。烟气轮机与发电机同轴连接，燃烧室设有烧嘴11，大楼内装有空调设备，压缩工段与气体来源管路连接，燃料压缩工段与气体燃料来源管路连接。压缩工段2连接到压缩气体储罐，压缩气体储罐出口连接到燃烧室，外来空气管路连接到烧嘴。燃料压缩工段21连接到燃料储罐，燃料储罐出口连接到烧嘴。燃烧室的出口连接到烟气轮机入口，烟气轮机出口通过换热器连接到废气排放口12。换热器与大楼22内的空调系统连接，利用水循环为大楼供暖。压缩气体和外来空气同时为燃料燃烧提供助燃风，确保燃料充分燃烧。

本实施例的运行过程为，空气经压缩工段压缩进入压缩气体储罐，高炉煤气经燃料压缩工段21压缩进入燃料储罐，压缩的空气和燃料气进入燃烧室燃烧，产生的烟气进入烟气轮机做功发电。做功后的烟气温度降低经换热器换热后到废气排放口12排放。换热器通过大楼内空调循环系统的水循环，利用剩余的热量为大楼取暖提供热量。

Claims (8)

1.一种超临界二氧化碳低温动力系统，包括二氧化碳储罐（1）和压缩工段（2），所述二氧化碳储罐与压缩工段连接，其特征是：所述系统设有燃料吸收罐（3）、燃料罐、换热器（5）和空调（14），所述燃料吸收罐设有压缩气体入口、液/固燃料入口和高压流体出口（18）；所述压缩工段与压缩气体入口连接，所述燃料罐与液/固燃料入口连接，所述高压流体出口与动力单元（4）和/或燃气轮机（13）连接；所述动力单元（4）和/或燃气轮机（13）的出口通过换热器连接到废气排放口（12），所述换热器与空调（14）连接；所述燃气轮机（13）设有超临界流体入口、空气入口（7）和出气口，所述燃料吸收罐的高压流体出口（18）连接到超临界流体入口，所述出气口连接到换热器；所述燃气轮机与发电机（9）轴连接；所述系统设有气体燃料罐（16），所述气体燃料罐连接到二氧化碳储罐（1）；

所述二氧化碳储罐（1）中的气体为二氧化碳、氮气、空气、燃气和烟气或其不同种类任意比例混合物，所述二氧化碳的浓度为0～100%（v）；所述燃料吸收罐（3）出口压力为0.1～100MPa。

2.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳低温动力系统，其特征是：所述动力单元设有空气压缩机（6）、烟气轮机（8）、发电机（9）和燃烧室（10），所述燃烧室设有烧嘴（11）；所述空气压缩机出口连接到燃烧室，所述燃料吸收罐的高压流体出口（18）连接到烧嘴；所述燃烧室出口连接到烟气轮机，所述烟气轮机出口连接到换热器（5）；所述烟气轮机与发电机（9）轴连接。

3.根据权利要求2所述的超临界二氧化碳低温动力系统，其特征是：所述燃烧室出口压力为0.1～100MPa，温度为100～1500℃，所述烟气轮机出口气体排放温度为-100～300℃，可以根据实际需要进行调节。

4.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳低温动力系统，其特征是：所述空调（14）设有电加热和电制冷装置，用于弥补废气冷量或热量的不足。

5.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳低温动力系统，其特征是：所述燃料罐中燃料为气体燃料、液体燃料或固体燃料，或上述燃料的两种或三种混合，或一种或多种有热值的物质的混合物；所述燃料吸收罐（3）中燃料的浓度为0～100%（v）。

6.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳低温动力系统，其特征是：通过改变燃料吸收罐中添加燃料的种类和添加比例以及改变空气加入比例和动力单元和/或燃气轮机的工艺流程及参数，可实现动力单元出口气体的温度和压力的调节；压缩工段（2）压缩使用低谷电或风能、太阳能及潮汐能发出的电力。

7.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳低温动力系统，其特征是：所述动力单元可应用于汽车、轮船、飞机、助动车等交通工具上，所述交通工具所使用携带燃料的超临界二氧化碳流体可采用自备储罐加注的方式进行补充；动力单元内的烟气轮机可以是燃气轮机、烟气轮机、汽轮机、活塞式发动机；空气入口的进气量可根据系统需要任意调节。

8.根据权利要求7所述的超临界二氧化碳低温动力系统，其特征是：所述动力单元可应用于固定场所或非固定场所，采用分体式压缩气体储罐或管道和分体式燃料储罐或管道，所述压缩气体储罐与燃料储罐分开设置；所述压缩气体为空气、烟气、含有氧气或不含有氧气的二氧化碳、含有氧气或不含有氧气的氮气、不含有氧气的一氧化碳、惰性气体等或以上气体的混合物；所述分体式燃料储罐中的燃料为甲醇、乙醇、一氧化碳、柴油、汽油、氢气、碳氢化合物或其它具有热值的气体燃料、液体燃料和固体燃料，或以上的混合物；允许分体式燃料储罐内加入任意比例的不可燃成分；压缩气体储罐压力为0.1～100MPa，燃料储罐压力为0.1～100MPa；压缩气体储罐与燃料储罐的出口均连接到燃烧室入口。