CN106870040A - 一种利用水泥厂余热实现二氧化碳循环发电的装备系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种利用水泥厂余热实现二氧化碳循环发电的装备系统，包括液态CO2储罐、高压泵送装置、CO2蓄能装置、稳流器、涡轮机/活塞式膨胀机、发电机、冷却装置和压缩装置；所述CO2蓄能装置，用于将液态CO2储罐中泵出的低压液态CO2流体直接吸收水泥生产线产生的不同温度的废弃余热或高温热能蓄能转化为不同温度、不同压力、不同能量密度的超临界CO2流体；所述稳流器，用于将不同温度、不同压力、不同能量密度的超临界CO2流体转化为等压超临界CO2流体。该装备系统以捕集的二氧化碳为工质，利用水泥生产过程中产生的温度波动大、温差大的各类废弃余热为主要能源实现二氧化碳循环发电，耗能低。

Description

一种利用水泥厂余热实现二氧化碳循环发电的装备系统
技术领域
本发明涉及低碳与能源利用设备的技术领域，具体涉及一种利用水泥厂余热实现二氧化碳循环发电的装备系统。
背景技术
气候变化已成为影响人类生存和发展的问题之一，而工业排放的二氧化碳被认为是导致气候变暖的主要原因。我国作为世界上最大的发展中国家，以煤炭为主的一次能源和以火力发电为主的二次能源作为能源结构。随着经济总量的迅速增长，一次能源和二次能源的CO2排放具有增长快、总量大的特点，而当前碳减排和应对气候变化的经济性的CCS或CCUS技术选择有限，主要集中在煤化工、合成气与煤汽化-燃气蒸汽联合发电(IGCC)领域的二氧化碳捕集、运输与封闭及二氧化碳用于驱油、驱气的研究与应用。在世界范围内的水泥生产领域尚未见任何具体的二氧化碳应用的研究或实践报道。
目前，我国经济建设的基本建筑材料—水泥的实际产能逾35亿吨，干法回转窑生产线达1700多条。水泥的生产企业为公认的高耗能企业，为二氧化碳的主要排放源之一，不仅一次能源(煤)和二次能源(电)消耗大，且有大量的废弃污染物(CO2、SO2、NOx、粉尘)排放，还有大量的废弃余热，且废弃余热的温度随原燃材料及窑系统工况的变化波动大。为实现政策性节能减排，几乎所有水泥厂都建设了(窑尾)“预热器废弃余热锅炉+(窑头)篦冷机废弃余热锅炉的发电系统”，一般利用的是窑头篦冷机300℃以上的废弃余热和预热器300℃以上的废弃余热，大量的80℃～300℃的废弃余热不能利用而直接排空造成热污染，同时，还有大量的其他高温设备辐射余热如水泥生产的主要设备—窑头罩(内顶部可达700℃至1500℃)及回转窑胴体(高温段达300℃～500℃，低温段达150℃～300℃)和窑尾烟室(烟室区域内部温度达900℃～1100℃)的高温热辐射污染，这些水泥生产中的高温设备现有的余热锅炉不能直接用来产生高温高压水蒸汽。
为能减少工作环境的强烈热辐射污染和利用这些高温设备的辐射热能，本申请人的中国专利提供了“利用回转窑筒体辐射热能供余热发电的装置ZL201420380874.X与ZL201420562882.6”及“利用干法回转窑窑头罩余热供余热发电的装置ZL201420382011.6”，但所涉的装置因只能用来预热锅炉用水和预热空气，不能有效解决高温设备的辐射热利用和热污染，不能普及推广应用。现有的水泥企业为防止高温造成回转窑报废，设置成排的吹风机为回转窑的标准配置，以成排的电吹风机持续的吹冷风降低回转窑的胴体温度，该方法不但增加电耗也造成热污染，电耗的增加也增加了碳排放。至今国内外尚无可有效消除回转窑类高温设备环境热污染或回收利用回转窑高温设备辐射余热的方法，也没有可有效利用大量80℃～300℃低温废弃余热的方式与设备。
另外，随着CCS技术的发展，超临界二氧化碳发电系统即一种以超临界状态的二氧化碳为工质的布雷顿循环系统已受到广泛关注，超临界二氧化碳发电系统主要包括热源、高速涡轮机、高速发电机、高速压气机、冷却器等，其高效换热器是超临界发电系统工程应用的基础。其循环过程中的循环介质为二氧化碳，在全循环过程中，二氧化碳均处于超临界状态，不发生相变，循环过程为超临界二氧化碳经压缩机升压——用换热器等压加热二氧化碳工质——工质进入涡轮机推动涡轮做功带动电机发电——工质进入冷却器——再进入压缩机形成闭式循环。超临界二氧化碳发电系统较传统的热能发电系统的系统热效率、总重及占地面积、污染物排放等方面表现出显著的优势，但其主要运动设备全部采用高速回转运动形式，加工精度及材料性能控制要求高，且超临界二氧化碳布雷顿循环要求压缩机参数处于近临界点，降低换热端差，其压缩机压缩过程中压缩功仍占涡轮输出功的30％以上，实际运用的压缩过程中压缩功仍占到涡轮输出功的40％到50％，即系统的压缩机自耗能仍偏高。同时对于临界点附近的换热性能突变需充分考虑运行裕量，实现这些目标要求有紧凑、高效和可靠的换热器进行快速的热量交换，实现低温差高效换热。现行超临界二氧化碳试验环路的热交换大多使用印制电路板热交换器(PCHE)，它适用于高工作温度和高工作压力，并具有良好的扩展能力，满足用换热器等压加热二氧化碳工质的要求，但机构复杂，投资大，且客观上难以适应我国大部分水泥窑系统废弃余热温度随原燃材料及窑系统工况波动大的状况。再者，其系统循环的高效率需建立在冷凝器出口即压气机吸入口(循环起点)的二氧化碳仍处于32℃、7.4MPa超临界状态的临界点上，超临界二氧化碳发电系统运行状态控制难度大，仍需要开展控制研究。
中国《水泥》(2014.No.9)《利用CO2动力循环的水泥余热发电系统》介绍了美国俄亥俄州阿克伦城Echogen公司利用水泥厂预热器排出的的废弃余热和熟料冷却机中段抽取的废弃余热设计的应用CO2动力循环余热发电系统。Echogen公司目前可提供的EPS100 8MW热机系统的废热交换器在北美地区的投资达2000～2500万美元，远高于国内8MW双锅炉整套余热发电系统的投资总额(国内水泥厂预热器的废弃余热锅炉和熟料冷却机的废弃余热锅炉发电系统总投资4000～6000万元人民币不等)，且客观上难以适应我国大部分水泥窑系统废弃余热温度随原燃材料及窑系统工况波动大的状况，而高效换热器是超临界发电系统工程应用的基础。再者，我国水泥企业已普及建好了预热器排出的废弃余热锅炉和熟料冷却机中段抽取的废弃余热锅炉发电系统(水工作介质)，相同热源相同产出情况下采取拆除低投资的系统换上高投资的系统，在国情下缺少现实性。显然，现有的CO2循环发电技术并不适合我国国情的水泥行业。
综上所述，降低生产过程中对外界能耗(电、煤)的需求、降低环境污染物排放是必要的。如何适应我国水泥生产企业现状，低投资的利用水泥生产过程中大量产生的废弃余热，开发适应于水泥窑烟气CO2捕集与应用CO2发电的装备系统，实现水泥生产的节能减排及二氧化碳减排，是一个现实的紧迫问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明有必要提供一种利用水泥厂余热实现二氧化碳循环发电的装备系统，以捕集的二氧化碳为工质，利用水泥厂生产过程中产生的废弃余热为主要能源的二氧化碳循环发电的装备系统，其便于利用水泥生产过程中产生的温度波动大、温差大的各类废弃余热为主要能源、且自耗能低、投资低、运行成本低。
一方面，本发明的目的在于提供一种利用水泥厂余热实现二氧化碳循环发电的装备系统，包括液态CO2储罐、高压泵送装置、CO2蓄能装置、稳流器、涡轮机/活塞式膨胀机、发电机、冷却装置和压缩装置；
所述的液态CO2储罐的出口与高压泵送装置的进口相连通，所述高压泵送装置的出口与CO2蓄能装置的进口相连通，所述CO2蓄能装置的出口与稳流器的进口相连通，所述稳流器的出口与涡轮机/活塞式膨胀机的进口相连通，所述涡轮机/活塞式膨胀机与发电机轴连接，所述涡轮机/活塞式膨胀机的出口与冷却装置的进口相连通，所述冷却装置的出口与压缩装置的进口相连通，所述压缩装置的出口分别与CO2蓄能装置的进口、液态CO2储罐的进口相连通；
所述CO2蓄能装置，用于将液态CO2储罐中泵出的低压液态CO2流体直接吸收水泥生产线产生的不同温度的废弃余热或高温热能蓄能转化为不同温度、不同压力、不同能量密度的超临界CO2流体；
所述稳流器，用于将不同温度、不同压力、不同能量密度的超临界CO2流体转化为等压超临界CO2流体；
所述废弃余热或高温热能为水泥厂内生产线工艺设备所产生的余热或辐射热。
进一步地，本发明的目的在于提供一种利用水泥厂余热实现二氧化碳循环发电的装备系统，其中，所述废弃余热或高温热能包括篦冷机排出的100℃～500℃的熟料冷却废弃余热、窑头罩内800℃～1500℃的辐射热、篦冷机内300℃～1500℃的辐射热、回转窑胴体高温段300℃～500℃、回转窑胴体低温段150℃～300℃的传导与辐射热、下料管内850℃～950℃的辐射热、头排收尘器内150℃～180℃的废弃余热、窑尾烟室内800℃～1200℃的传导与辐射热、预热器排放烟道中80℃～380℃的废弃余热及现有水介质余热锅炉发电后排放的80℃～170℃废弃余热等中的至少一种余热能源。
进一步地，本发明的目的在于提供一种利用水泥厂余热实现二氧化碳循环发电的装备系统，其中，所述CO2蓄能装置包括装置本体、CO2流体蓄能机构、支吊架、第一逆止阀、调节阀、安全阀，所述CO2流体蓄能机构通过支吊架固定在装置本体内的侧壁或顶板上，所述第一逆止阀设置在装置本体外与CO2流体蓄能机构的进口相连接；所述调节阀和安全阀设置在CO2流体蓄能机构的出口；所述CO2流体蓄能机构为热交换器，热交换器内的工作介质为CO2流体。
进一步地，本发明的目的在于提供一种利用水泥厂余热实现二氧化碳循环发电的装备系统，其中，所述热交换器可以是耐热的箱式热交换器、板式热交换器或盘式空心管热交换器。
进一步地，本发明的目的在于提供一种利用水泥厂余热实现二氧化碳循环发电的装备系统，其中，所述装置本体可以是窑头罩、篦冷机、回转窑胴体、窑尾烟室、下料管、头排收尘器、预热器等等所有水泥厂内的发热装置。
进一步地，本发明的目的在于提供一种利用水泥厂余热实现二氧化碳循环发电的装备系统，其中，所述稳流器包括稳流器本体、导流混合机构、进口管路和出口管路；所述导流混合机构设置在稳流器本体内，所述进口管路和出口管路均设置在稳流器本体上；所述进口管路与CO2蓄能装置的出口连接；所述出口管路与涡轮机/活塞式膨胀机的进口连接；所述导流混合机构包括螺旋叶片、折流板或多孔板中的至少一种。
进一步地，本发明的目的在于提供一种利用水泥厂余热实现二氧化碳循环发电的装备系统，其中，所述进口管路上设置有第一温压感应器、流量计、分配器、第二逆止阀；所述出口管道设置有调压阀、第二温压感应器。所述第一温压感应器、流量计、分配器、调压阀、第二温压感应器均与控制器连接。所述装置本体、调节阀、安全阀均与控制器电连接。所述高压泵送装置、CO2蓄能装置、稳流器、涡轮机/活塞式膨胀机、发电机和压缩装置均与控制器电连接。本发明的控制器用于对整个装备系统的控制、数据分析、数据处理存储等等。
进一步地，本发明的目的在于提供一种利用水泥厂余热实现二氧化碳循环发电的装备系统，其中，所述装备系统还包括回热器；所述压缩装置的出口与回热器的高压流体进口相连通，所述回热器的高压流体出口与CO2蓄能装置的进口相连通；
所述回热器的低压流体进口与涡轮机/活塞式膨胀机的出口相连通，所述回热器的低压流体出口与冷却装置的进口相连通。
进一步地，本发明的目的在于提供一种利用水泥厂余热实现二氧化碳循环发电的装备系统，其中，所述CO2蓄能装置包括窑头罩内置CO2蓄能装置、篦冷机内置CO2蓄能装置、窑胴体辐射CO2蓄能装置、窑头辐射CO2蓄能装置、窑尾烟室内置CO2蓄能装置、预热器CO2蓄能装置、下料管CO2蓄能装置、头排收尘器CO2蓄能装置等装置中的至少一种。
更进一步地，本发明的目的在于提供一种利用水泥厂余热实现二氧化碳循环发电的装备系统，其中，所述高压泵送装置的出口分别与窑头罩内置CO2蓄能装置、篦冷机内置CO2蓄能装置、窑胴体辐射CO2蓄能装置、窑头辐射CO2蓄能装置、窑尾烟室内置CO2蓄能装置、预热器CO2蓄能装置、下料管CO2蓄能装置、头排收尘器CO2蓄能装置等装置中的至少一种的进口相连通，所述窑头罩内置CO2蓄能装置、篦冷机内置CO2蓄能装置、窑胴体辐射CO2蓄能装置、窑头辐射CO2蓄能装置、窑尾烟室内置CO2蓄能装置、预热器CO2蓄能装置、下料管CO2蓄能装置、头排收尘器CO2蓄能装置等装置中的至少一种的出口分别与稳流器的进口相连通；
所述压缩装置的出口分别与窑头罩内置CO2蓄能装置、篦冷机内置CO2蓄能装置、窑胴体辐射CO2蓄能装置、窑头辐射CO2蓄能装置、窑尾烟室内置CO2蓄能装置、预热器CO2蓄能装置、下料管CO2蓄能装置、头排收尘器CO2蓄能装置等装置中的至少一种的进口相连通。
更进一步地，本发明的目的在于提供一种利用水泥厂余热实现二氧化碳循环发电的装备系统，其中，所述装备系统还包括回热器；所述压缩装置的出口与回热器的高压流体进口相连通，所述回热器的高压流体出口分别与窑头罩内置CO2蓄能装置、篦冷机内置CO2蓄能装置、窑胴体辐射CO2蓄能装置、窑头辐射CO2蓄能装置、窑尾烟室内置CO2蓄能装置、预热器CO2蓄能装置、下料管CO2蓄能装置、头排收尘器CO2蓄能装置等装置中的至少一种的进口相连通；
所述回热器的低压流体进口与涡轮机/活塞式膨胀机的出口相连通，所述回热器的低压流体出口与冷却装置的进口相连通。
进一步优选地，本发明的目的在于提供一种利用水泥厂余热实现二氧化碳循环发电的装备系统，其中，所述CO2蓄能装置包括窑尾烟室内置CO2蓄能装置和头排收尘器CO2蓄能装置，所述高压泵送装置的出口分别与窑尾烟室内置CO2蓄能装置的进口和头排收尘器CO2蓄能装置的进口相连通，所述窑尾烟室内置CO2蓄能装置的出口和头排收尘器CO2蓄能装置的出口分别与稳流器的进口相连通；
所述压缩装置的出口分别与窑尾烟室内置CO2蓄能装置的进口、头排收尘器CO2蓄能装置的进口、液态CO2储罐的进口相连通。
更进一步优选地，本发明的目的在于提供一种利用水泥厂余热实现二氧化碳循环发电的装备系统，其中，所述装备系统还包括回热器；所述压缩装置的出口与回热器的高压流体进口相连通，所述回热器的高压流体出口分别与窑尾烟室内置CO2蓄能装置的进口和头排收尘器CO2蓄能装置的进口相连通；
所述回热器的低压流体进口与涡轮机/活塞式膨胀机的出口相连通，所述回热器的低压流体出口与冷却装置的进口相连通。
进一步优选地，本发明的目的在于提供一种利用水泥厂余热实现二氧化碳循环发电的装备系统，其中，所述CO2蓄能装置包括窑头罩内置CO2蓄能装置和窑胴体高温段辐射CO2蓄能装置，所述高压泵送装置的出口分别与窑头罩内置CO2蓄能装置和窑胴体高温段辐射CO2蓄能装置的进口相连通，所述窑头罩内置CO2蓄能装置和窑胴体高温段辐射CO2蓄能装置的出口分别与稳流器的进口相连通；
所述压缩装置的出口分别与窑头罩内置CO2蓄能装置和窑胴体高温段辐射CO2蓄能装置的进口、液态CO2储罐的进口相连通。
更进一步优选地，本发明的目的在于提供一种利用水泥厂余热实现二氧化碳循环发电的装备系统，其中，所述装备系统还包括回热器；所述压缩装置的出口与回热器的高压流体进口相连通，所述回热器的高压流体出口分别与窑头罩内置CO2蓄能装置和窑胴体高温段辐射CO2蓄能装置的进口相连通；
所述回热器的低压流体进口与涡轮机/活塞式膨胀机的出口相连通，所述回热器的低压流体出口与冷却装置的进口相连通。
本发明的CO2蓄能装置简单高效、应用安全，可有效地将二氧化碳进行热交换，吸收各装置中的高温热能。
本发明以减排捕集的CO2为工质液化储存于液态CO2储罐，通过高压泵送装置将液态CO2储罐中的液态CO2连续压入CO2蓄能装置；CO2蓄能装置以低压CO2流体为工质吸收水泥厂内生产线工艺设备在干法水泥生产过程中连续产生的波动的或不同温度的各类废弃余热或辐射热进行蓄能，转化为波动的和/或不同温度、不同热能密度的高压热态超临界CO2流体后；高压热态超临界CO2流体经稳流器调节为等温等压CO2流体稳定供给涡轮机或活塞式膨胀机作功驱动发电机发电，经涡轮机或活塞式膨胀机作功释能后排出低压CO2流体；低压CO2流体有如下处理方式：1)低压CO2流体经冷却装置冷却、压缩装置压缩，压缩的流体在回热器回收低压CO2流体余热进入CO2蓄能装置中循环使用；或2)低压CO2流体经冷却装置冷却、压缩装置压缩送入CO2蓄能装置中循环使用；或3)低压CO2流体经冷却装置冷却、压缩装置压缩送入液态CO2储罐，再次送入CO2蓄能装置中供循环使用；从而实现二氧化碳循环发电供应水泥生产之用或供电网。
相比现有技术，具有如下有益效果：
1)本发明提供的利用水泥厂余热实现二氧化碳循环发电的装备系统，采用水泥生产过程中的各种废弃余热对液态CO2进行蓄能，实现二氧化碳循环发电，能够高效回收热能量，具有较高的热效率，有效存储并利用富余的能量，实现能量的灵活调节利用。
2)本发明提供的废弃余热和辐射热利用的CO2蓄能装置能有效利用水泥生产过程中各种不同温度的废弃热能和辐射热，通过蓄能、稳流变成等压等温的超临界流体，供给发电，保证发电的稳定和能量利用的广泛，可有效利用大量的80℃～300℃低温废弃余热，也可有效利用大量的高温辐射余热，实现有效利用水泥生产过程中的各类废热和辐射热，减少工作环境的强烈热辐射带来的污染。
3)利用二氧化碳循环发电的主要能源为水泥生产过程中大量产生的各类不同温度的废弃热能，且利用低能耗的高压泵输送，“冷却+压缩”所需电耗低，1t二氧化碳压缩冷凝液化所需电耗仅6～12Kw·h，而1t二氧化碳可发电达300Kw·h以上。可见本发明提供的装备系统的自耗能低，产能高，运行费用低；且本发明提供的设备在回收废弃热能时，电耗减少，碳排放也相应减少，可实现水泥生产对外界零电耗的需求，利于水泥企业实现“四零一负”的循环经济目标。
4)本发明提供的装备系统中经涡轮机/活塞式膨胀机作功释能后排出低压液态CO2流体还需经过回热器回收热能，进一步降低冷却装置冷却的功耗，通过将经过压缩装置压缩的流体在回热器中吸收热能，进一步回收热能，实现节能和低能耗。
5)本发明系统的CO2蓄能装置结构简单，可直接设置在水泥生产发热的设备上，各类设备废弃余热的工况波动大，通过稳流器实现超临界CO2流体的控制，满足发电系统对稳压CO2流体的需求。通过CO2蓄能装置中CO2流体直接吸收热能和强辐射热能实现对余热的回收和利用，可以适当减少冷却装置的设置，解决高温强辐射热对生产设备的烧蚀问题，延长生产设备的实用寿命，改善设备的工作环境，减少水泥厂的运行电耗，改善环境热污染危害。
6)本发明系统可大幅减少水泥生产过程中对环境造成的废弃、废水、废热和粉尘污染，有效实现水泥生产的减排和低碳生产。且二氧化碳无毒，不易燃，密度高且热容高，可以回收循环重复利用，无污染且节约能源，工作稳定性高，使用寿命长，实用性强，环境友好。
附图说明
图1为实施例1所述的利用水泥厂余热实现二氧化碳循环发电的装备系统的结构示意图。
图2为本发明所述的CO2蓄能装置的结构示意图。
图3为本发明所述的稳流器的结构示意图。
图4为实施例2所述的利用水泥厂余热实现二氧化碳循环发电的装备系统的结构示意图。
图5为实施例3所述的利用水泥厂余热实现二氧化碳循环发电的装备系统的结构示意图。
图6为实施例4所述的利用水泥厂余热实现二氧化碳循环发电的装备系统的结构示意图。
图7为实施例5所述的利用水泥厂余热实现二氧化碳循环发电的装备系统的结构示意图。
具体实施方式
下面以具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明不受下述实施例的限定。本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本发明。本发明的方法及应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。
实施例1
如图1所示，本发明提供一种利用水泥厂余热实现二氧化碳循环发电的装备系统，主要包括液态CO2储罐1、高压泵送装置2、CO2蓄能装置3、稳流器4、涡轮机/活塞式膨胀机5、发电机6、冷却装置7、压缩装置8，所述的液态CO2储罐1的出口与高压泵送装置2的进口相连通，高压泵送装置2的出口与CO2蓄能装置3的进口相连通，CO2蓄能装置3的出口与稳流器4的进口相连通，稳流器4的出口与涡轮机/活塞式膨胀机5的进口相连通，涡轮机/活塞式膨胀机5与发电机6轴连接，涡轮机/活塞式膨胀机5的出口与冷却装置7的进口相连通，冷却装置7的出口与压缩装置8的进口相连通，压缩装置8的出口分别与CO2蓄能装置3的进口、液态CO2储罐1的进口相连通，压缩装置8压缩液化CO2送入CO2蓄能装置3中循环蓄能供发电，或压缩装置8压缩为液化CO2送入液态CO2储罐1中供循环之用，实现二氧化碳循环发电供应水泥生产之用或供电网。
具体表现为以减排捕集的CO2为工质液化储存于液态CO2储罐1中，以高压泵送装置2将液态CO2储罐1中的低压液态CO2连续压入CO2蓄能装置3中，低压液态CO2流体直接吸收水泥生产线产生的不同温度的废弃余热或高温热能蓄能转化为不同温度、不同压力、不同能量密度的超临界CO2流体，废弃余热或高温热能为水泥厂内生产线工艺设备所产生的余热或辐射热，废弃余热或高温热能包括篦冷机排出的100℃～500℃的熟料冷却废弃余热、窑头罩内800℃～1500℃的辐射热、篦冷机内300℃～1500℃的辐射热、回转窑胴体高温段300℃～500℃、回转窑胴体低温段150℃～300℃的传导与辐射热、下料管内850℃～950℃的辐射热、头排收尘器内150℃～180℃的废弃余热、窑尾烟室内800℃～1200℃的传导与辐射热、预热器排放烟道中80℃～380℃的废弃余热及现有水介质余热锅炉发电后排放的80℃～170℃废弃余热中的至少一种余热能源；
不同温度、不同压力、不同能量密度的超临界CO2流体经稳流器4调节转化为等压超临界CO2流体，等压超临界CO2流体稳定供给涡轮机或活塞式膨胀机5作功驱动发电机6发电，经涡轮机或活塞式膨胀机5作功释能后排出低压CO2流体，低压CO2流体经冷却装置7冷却、压缩装置8压缩送入CO2蓄能装置3中循环蓄能，或低压CO2流体经冷却装置7冷却、压缩装置8压缩后送入液态CO2储罐1，再次送入CO2蓄能装置3中循环蓄能，实现二氧化碳循环发电供应水泥生产之用或供电网。
如图2所示，所述CO2蓄能装置3包括装置本体31、CO2流体蓄能机构32、支吊架33、第一逆止阀34、调节阀35、安全阀36，所述CO2流体蓄能机构32通过支吊架33固定在装置本体31内的侧壁或顶板上，所述第一逆止阀34设置在装置本体31外与CO2流体蓄能机构32的进口相连接；所述调节阀35和安全阀36设置在CO2流体蓄能机构32的出口；所述CO2流体蓄能机构32为热交换器，热交换器内的工作介质为CO2流体。通过高压泵送装置2将液态CO2储罐1中的液态CO2经第一逆止阀34连续压入CO2流体蓄能机构32，通过热交换直接以CO2为工作介质吸收蓄集高温热能，将低压CO2流体转化为能量密度高的高压热态超临界CO2流体，由于装置本体31工作环境不同，其能用于转化的余热和辐射热也有区别，因此形成的高压热态超临界CO2流体是波动的、不同温度和不同热能密度的高压热态超临界CO2流体。
如图3所示，所述稳流器4包括稳流器本体41、导流混合机构42、进口管路43和出口管路44；所述导流混合机构42设置在稳流器本体41内，所述进口管路43和出口管路44均设置在稳流器本体41上；所述进口管路43与CO2蓄能装置3的出口连接；所述出口管路44与涡轮机/活塞式膨胀机5的进口连接；所述进口管路43上设置有第一温压感应器431、流量计432、分配器433、第二逆止阀434；所述出口管道44设置有调压阀441、第二温压感应器442；所述导流混合机构42包括螺旋叶片421、折流板422或多孔板423中的至少一种。波动的、不同温度和不同热能密度的高压热态超临界CO2流体经CO2蓄能装置3的出口流出后，进入进口管路43，通过第一温压感应器431检测管路中的超临界CO2流体的温度和压力，依照涡轮机/活塞式膨胀机5发电需要的超临界CO2流体的温度和压力，通过流量计432检测流量，分配器433控制管路上各种超临界CO2流体的流量，使得进入稳流器本体41内的超临界CO2流体经过导流混合机构42的作用后，出口管路44上的第二温压感应器442检测管路中输出的等压等温的超临界CO2流体的温度和压力符合要求。
实施例2
如图4所示，实施例2与实施例1的不同之处在于，还包括回热器9；涡轮机/活塞式膨胀机5的出口与回热器9的低压流体进口相连通，回热器9的低压流体出口与冷却装置7的进口相连通，冷却装置7的出口与压缩装置8的进口相连通，压缩装置8的出口分别与回热器9的高压流体进口、CO2蓄能装置3的进口、液态CO2储罐1的进口相连通。经涡轮机或活塞式膨胀机5作功释能后排出低压CO2流体，低压CO2流体经回热器9回收余热后再经冷却装置7冷却、压缩装置8压缩送入液态CO2储罐1中供循环，或压缩装置8压缩的流体经回热器9吸收余热后进入CO2蓄能装置3中，实现二氧化碳循环发电。通过回热器9回收余热使得能量损耗更少，使得冷却装置7的功耗更低，能源利用合理。
实施例3
如图5所示，实施例3与实施例1的不同之处在于，所述CO2蓄能装置3为窑头罩内置CO2蓄能装置3a和窑胴体高温段辐射CO2蓄能装置3b的组合，窑头罩内置CO2蓄能装置3a和窑胴体高温段辐射CO2蓄能装置3b的具体结构可参考图4，根据具体的装置本体不同，装置本体的结构变化，但装置内的组成部分不变；其中，高压泵送装置2的出口分别与窑头罩内置CO2蓄能装置3a的进口和窑胴体高温段辐射CO2蓄能装置3b的进口相连通，窑头罩内置CO2蓄能装置3a的出口和窑胴体高温段辐射CO2蓄能装置3b的出口分别与稳流器4的进口相连通；压缩装置8的出口分别与窑胴体高温段辐射CO2蓄能装置3b的进口、窑头罩内置CO2蓄能装置3a的进口、液态CO2储罐1的进口相连通；实现二氧化碳循环发电供应水泥生产之用或供电网。
具体表现为以减排捕集的CO2为工质液化储存于液态CO2储罐1中，以高压泵送装置2将液态CO2储罐1中的低压液态CO2连续压入窑头罩内置CO2蓄能装置3a和窑胴体高温段辐射CO2蓄能装置3b中，低压液态CO2流体直接吸收水泥生产线产生的窑头罩产生的100～500℃的熟料冷却废弃余热、窑头罩内300℃～1500℃的辐射热、窑胴体高温段300℃～500℃和低温段150℃～300℃的辐射热，得到4种不同温度、不同压力、不同能量密度的超临界CO2流体，该超临界CO2流体经稳流器4调节转化为等压超临界CO2流体，等压超临界CO2流体稳定供给涡轮机或活塞式膨胀机5作功驱动发电机6发电，经涡轮机或活塞式膨胀机5作功释能后排出低压CO2流体，低压CO2流体经冷却装置7冷却、压缩装置8压缩为液化CO2送入窑头罩内置CO2蓄能装置3a和窑胴体高温段辐射CO2蓄能装置3b中循环蓄能，或低压CO2流体经冷却装置7冷却、压缩装置8压缩后送入液态CO2储罐1，再次送入窑头罩内置CO2蓄能装置3a和窑胴体高温段辐射CO2蓄能装置3b中循环蓄能，实现二氧化碳循环发电供应水泥生产之用或供电网。
所述窑头罩内置CO2蓄能装置3a包括装置本体一、CO2流体蓄能机构一、支吊架一、逆止阀一、调节阀一、安全阀一，所述CO2流体蓄能机构一通过支吊架固定在装置本体内的侧壁或顶板上，所述逆止阀一设置在装置本体一外与CO2流体蓄能机构一的进口相连接；所述调节阀一和安全阀一设置在CO2流体蓄能机构一的出口；所述CO2流体蓄能机构一为热交换器，热交换器内的工作介质为CO2流体。通过高压泵送装置2将液态CO2储罐1中的液态CO2经逆止阀一连续压入CO2流体蓄能机构一，通过热交换直接以CO2为工作介质吸收蓄集高温热能，将低压CO2流体转化为能量密度高的高压热态超临界CO2流体，由于装置本体一工作环境不同，其能用于转化的余热和辐射热也有区别，因此形成的高压热态超临界CO2流体是波动的、不同温度和不同热能密度的高压热态超临界CO2流体。
所述窑胴体高温段辐射CO2蓄能装置3b包括装置本体二、CO2流体蓄能机构二、支吊架二、逆止阀二、调节阀二、安全阀二，所述CO2流体蓄能机构二通过支吊架二固定在装置本体二内的侧壁或顶板上，所述逆止阀二设置在装置本体二外与CO2流体蓄能机构二的进口相连接；所述调节阀二和安全阀二设置在CO2流体蓄能机构二的出口；所述CO2流体蓄能机构二为热交换器，热交换器内的工作介质为CO2流体。通过高压泵送装置2将液态CO2储罐1中的液态CO2经逆止阀二连续压入CO2流体蓄能机构二，通过热交换直接以CO2为工作介质吸收蓄集高温热能，将低压CO2流体转化为能量密度高的高压热态超临界CO2流体，由于装置本体二工作环境不同，其能用于转化的余热和辐射热也有区别，因此形成的高压热态超临界CO2流体是波动的、不同温度和不同热能密度的高压热态超临界CO2流体。
波动的、不同温度和不同热能密度的高压热态超临界CO2流体经窑头罩内置CO2蓄能装置3a和窑胴体高温段辐射CO2蓄能装置3b的出口流出后，进入进口管路43，通过第一温压感应器431检测管路中的超临界CO2流体的温度和压力，依照涡轮机/活塞式膨胀机5发电需要的超临界CO2流体的温度和压力，通过流量计432检测流量，分配器433控制管路上各种超临界CO2流体的流量，使得进入稳流器本体41内的超临界CO2流体经过导流混合机构42的作用后，出口管路44上的第二温压感应器442检测管路中输出的等压等温的超临界CO2流体的温度和压力符合要求。
实施例4
如图6所示，实施例4与实施例1的不同之处在于，所述CO2蓄能装置3为窑头罩内置CO2蓄能装置3a和窑胴体高温段辐射CO2蓄能装置3b的组合，还包括回热器9；高压泵送装置2的出口分别与窑头罩内置CO2蓄能装置3a和窑胴体高温段辐射CO2蓄能装置3b的进口相连通，窑头罩内置CO2蓄能装置3a和窑胴体高温段辐射CO2蓄能装置3b的出口分别与稳流器4的进口相连通，稳流器4的出口与涡轮机/活塞式膨胀机5的进口相连通，涡轮机/活塞式膨胀机5与发电机6轴连接，涡轮机/活塞式膨胀机5的出口与回热器9的低压流体进口相连通，回热器9的低压流体出口与冷却装置7的进口相连通，冷却装置7的出口与压缩装置8的进口相连通，压缩装置8的出口分别与回热器9的高压流体进口、液态CO2储罐1进口相连通，回热器9的高压流体出口与窑头罩内置CO2蓄能装置3a和窑胴体高温段辐射CO2蓄能装置3b的进口相连通；液态CO2储罐1的出口与高压泵送装置2连通泵入窑头罩内置CO2蓄能装置3a和窑胴体高温段辐射CO2蓄能装置3b。
所述窑头罩内置CO2蓄能装置3a和窑胴体高温段辐射CO2蓄能装置3b的结构如实施例3所述。通过高压泵送装置2将液态CO2储罐1中的液态CO2经逆止阀连续压入CO2流体蓄能机构，通过热交换直接以CO2为工作介质吸收蓄集高温热能，将低压CO2流体转化为能量密度高的高压热态超临界CO2流体，由于装置本体工作环境不同，其能用于转化的余热和辐射热也有区别，因此形成的高压热态超临界CO2流体是波动的、不同温度和不同热能密度的高压热态超临界CO2流体。
上述系统工作过程为：以减排捕集的CO2为工质液化储存于液态CO2储罐1中，采用窑头罩内置CO2蓄能装置3a和窑胴体高温段辐射CO2蓄能装置3b同时蓄集热能，以高压泵送装置2将液态CO2储罐1中的液态CO2连续高压送入窑头罩内置CO2蓄能装置3a和窑胴体高温段辐射CO2蓄能装置3b中，低压液态CO2流体直接吸收水泥生产线产生的窑头罩产生的100～500℃的熟料冷却废弃余热、窑头罩内300℃～1500℃的辐射热、窑胴体高温段300℃～500℃和低温段150℃～300℃的辐射热，得到4种不同温度、不同压力、不同能量密度的超临界CO2流体，该超临界CO2流体经稳流器4调节转化为等压超临界CO2流体，等压超临界CO2流体稳定供给涡轮机或活塞式膨胀机5作功驱动发电机6发电，经涡轮机或活塞式膨胀机5作功释能后排出低压CO2流体，低压CO2流体经回热器9回收余热后再经冷却装置7冷却、压缩装置8压缩送入窑尾烟室内置CO2蓄能装置3d和头排收尘器CO2蓄能装置3c中循环蓄能，或送入液态CO2储罐1中供循环，实现二氧化碳循环发电。通过回热器9回收余热使得能量损耗更少。
实施例5
如图7所示，实施例5与实施例1的不同之处在于，所述CO2蓄能装置3为窑尾烟室内置CO2蓄能装置3d和头排收尘器CO2蓄能装置3c的组合，还包括回热器9；高压泵送装置2的出口分别与窑尾烟室内置CO2蓄能装置3d的进口和头排收尘器CO2蓄能装置3c的进口相连通，窑尾烟室内置CO2蓄能装置3d的出口和头排收尘器CO2蓄能装置3c的出口分别与稳流器4的进口相连通，稳流器4的出口与涡轮机/活塞式膨胀机5的进口相连通，涡轮机/活塞式膨胀机5与发电机6轴连接，涡轮机/活塞式膨胀机5的出口与回热器9的低压流体进口相连通，回热器9的低压流体出口与冷却装置7的进口相连通，冷却装置7的出口与压缩装置8的进口相连通，压缩装置8的出口分别与回热器9的高压流体进口、液态CO2储罐1的进口相连通，回热器9的高压流体出口与窑尾烟室内置CO2蓄能装置3d的进口和头排收尘器CO2蓄能装置3c的进口相连通；
所述窑尾烟室内置CO2蓄能装置3d和头排收尘器CO2蓄能装置3c的结构参考CO2蓄能装置3的结构。通过高压泵送装置2将液态CO2储罐1中的液态CO2经逆止阀连续压入CO2流体蓄能机构，通过热交换直接以CO2为工作介质吸收蓄集高温热能，将低压CO2流体转化为能量密度高的高压热态超临界CO2流体，由于装置本体工作环境不同，其能用于转化的余热和辐射热也有区别，因此形成的高压热态超临界CO2流体是波动的、不同温度和不同热能密度的高压热态超临界CO2流体。
上述系统工作过程为：以减排捕集的CO2为工质液化储存于液态CO2储罐1中，采用窑尾烟室内置CO2蓄能装置3d和头排收尘器CO2蓄能装置3c同时蓄集热能，以高压泵送装置2将液态CO2储罐1中的液态CO2连续高压送入窑尾烟室内置CO2蓄能装置3d和头排收尘器CO2蓄能装置3c中，利用干法水泥生产过程中窑尾烟室内波动的850℃～1200℃的热能和头排废弃100℃～300℃的废弃余热为能源对液态CO2直接蓄能，窑尾烟室内置CO2蓄能装置3d和头排收尘器CO2蓄能装置3c内的液态CO2直接吸收高温热能转化为两种不同温度和能量密度的高压热态CO2流体，两种不同温度和不同能量密度的高压热态CO2流体经稳流器4调节为等温等压热流体稳定供给涡轮机或活塞式膨胀机5作功驱动发电机6发电，经涡轮机或活塞式膨胀机5作功释能后排出低压CO2流体，低压CO2流体经回热器9回收余热后再经冷却装置7冷却、压缩装置8压缩送入回热器9吸收能量后进入窑尾烟室内置CO2蓄能装置3d和头排收尘器CO2蓄能装置3c中循环蓄能，或经压缩的流体直接送入液态CO2储罐1中供循环，实现二氧化碳循环发电。通过回热器9回收余热使得能量损耗更少。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种利用水泥厂余热实现二氧化碳循环发电的装备系统，其特征在于，包括液态CO2储罐、高压泵送装置、CO2蓄能装置、稳流器、涡轮机/活塞式膨胀机、发电机、冷却装置和压缩装置；
所述的液态CO2储罐的出口与高压泵送装置的进口相连通，所述高压泵送装置的出口与CO2蓄能装置的进口相连通，所述CO2蓄能装置的出口与稳流器的进口相连通，所述稳流器的出口与涡轮机/活塞式膨胀机的进口相连通，所述涡轮机/活塞式膨胀机与发电机轴连接，所述涡轮机/活塞式膨胀机的出口与冷却装置的进口相连通，所述冷却装置的出口与压缩装置的进口相连通，所述压缩装置的出口分别与CO2蓄能装置的进口、液态CO2储罐的进口相连通；
所述CO2蓄能装置，用于将液态CO2储罐中泵出的低压液态CO2流体直接吸收水泥生产线产生的不同温度的废弃余热或高温热能蓄能转化为不同温度、不同压力、不同能量密度的超临界CO2流体；
所述稳流器，用于将不同温度、不同压力、不同能量密度的超临界CO2流体转化为等压超临界CO2流体；
所述废弃余热或高温热能为水泥厂内生产线工艺设备所产生的余热或辐射热。
2.根据权利要求1所述的装备系统，其特征在于，所述废弃余热或高温热能包括篦冷机排出的100～500℃的熟料冷却废弃余热、窑头罩内800℃～1500℃的辐射热、篦冷机内300℃～1500℃的辐射热、回转窑胴体高温段300℃～500℃、回转窑胴体低温段150℃～300℃的传导与辐射热、下料管内850℃～950℃的辐射热、头排收尘器内150℃～180℃的废弃余热、窑尾烟室内800℃～1200℃的传导与辐射热、预热器排放烟道中80℃～380℃的废弃余热及现有水介质余热锅炉发电后排放的80℃～170℃废弃余热中的至少一种余热能源。
3.根据权利要求1所述的装备系统，其特征在于，所述CO2蓄能装置包括装置本体、CO2流体蓄能机构、支吊架、第一逆止阀、调节阀、安全阀，所述CO2流体蓄能机构通过支吊架固定在装置本体内的侧壁或顶板上，所述第一逆止阀设置在装置本体外与CO2流体蓄能机构的进口相连接；所述调节阀和安全阀设置在CO2流体蓄能机构的出口；所述CO2流体蓄能机构为热交换器，热交换器内的工作介质为CO2流体。
4.根据权利要求3所述的装备系统，其特征在于，所述热交换器包括耐热的箱式热交换器、板式热交换器或盘式空心管热交换器；所述装置本体包括窑头罩、篦冷机、回转窑胴体、窑尾烟室、预热器、下料管、头排收尘器。
5.根据权利要求1所述的装备系统，其特征在于，所述稳流器包括稳流器本体、导流混合机构、进口管路和出口管路；所述导流混合机构设置在稳流器本体内，所述进口管路和出口管路均设置在稳流器本体上；所述进口管路与CO2蓄能装置的出口连接；所述出口管路与涡轮机/活塞式膨胀机的进口连接；所述导流混合机构包括螺旋叶片、折流板或多孔板中的至少一种。
6.根据权利要求5所述的装备系统，其特征在于，所述进口管路上从CO2蓄能装置的出口至稳流器本体进口依次设置有第一温压感应器、流量计、分配器、第二逆止阀；所述出口管道从稳流器本体出口至涡轮机/活塞式膨胀机的进口依次设置有调压阀、第二温压感应器。
7.根据权利要求1所述的装备系统，其特征在于，所述装备系统还包括回热器；所述压缩装置的出口与回热器的高压流体进口相连通，所述回热器的高压流体出口与CO2蓄能装置的进口相连通；
所述回热器的低压流体进口与涡轮机/活塞式膨胀机的出口相连通，所述回热器的低压流体出口与冷却装置的进口相连通。
8.根据权利要求1所述的装备系统，其特征在于，所述CO2蓄能装置包括窑头罩内置CO2蓄能装置、篦冷机内置CO2蓄能装置、窑胴体辐射CO2蓄能装置、窑头辐射CO2蓄能装置、窑尾烟室内置CO2蓄能装置、预热器CO2蓄能装置、下料管CO2蓄能装置、头排收尘器CO2蓄能装置中的至少一种。
9.根据权利要求8所述的装备系统，其特征在于，所述高压泵送装置的出口分别与窑头罩内置CO2蓄能装置、篦冷机内置CO2蓄能装置、窑胴体辐射CO2蓄能装置、窑头辐射CO2蓄能装置、窑尾烟室内置CO2蓄能装置、预热器CO2蓄能装置、下料管CO2蓄能装置、头排收尘器CO2蓄能装置中至少一种的进口相连通，所述窑头罩内置CO2蓄能装置、篦冷机内置CO2蓄能装置、窑胴体辐射CO2蓄能装置、窑头辐射CO2蓄能装置、窑尾烟室内置CO2蓄能装置、预热器CO2蓄能装置、下料管CO2蓄能装置、头排收尘器CO2蓄能装置中至少一种的出口分别与稳流器的进口相连通；
所述压缩装置的出口分别与窑头罩内置CO2蓄能装置、篦冷机内置CO2蓄能装置、窑胴体辐射CO2蓄能装置、窑头辐射CO2蓄能装置、窑尾烟室内置CO2蓄能装置、预热器CO2蓄能装置、下料管CO2蓄能装置、头排收尘器CO2蓄能装置中至少一种的进口相连通。
10.根据权利要求7或8所述的装备系统，其特征在于，所述装备系统还包括回热器；所述压缩装置的出口与回热器的高压流体进口相连通，所述回热器的高压流体出口分别与窑头罩内置CO2蓄能装置、篦冷机内置CO2蓄能装置、窑胴体辐射CO2蓄能装置、窑头辐射CO2蓄能装置、窑尾烟室内置CO2蓄能装置、预热器CO2蓄能装置、下料管CO2蓄能装置、头排收尘器CO2蓄能装置中的至少一种的进口相连通；
所述回热器的低压流体进口与涡轮机/活塞式膨胀机的出口相连通，所述回热器的低压流体出口与冷却装置的进口相连通。
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