CN108266964A - 一种燃煤电厂二氧化碳捕集耦合空气压缩储能工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃煤电厂二氧化碳捕集耦合空气压缩储能工艺，所述工艺由燃煤电厂膜捕集版块、微藻固碳版块、沼气提纯版块、空气压缩储能版块组成；空气压缩储能版块为燃煤电厂膜捕集版块中烟气的压缩提供动力，为微藻固碳版块提供碳源；燃煤电厂膜捕集版块中截留气为微藻固碳版块提供碳源，同时为沼气提纯版块烟气的加压提供动力，在空气压缩储能版块能量不足时，压缩机采用电力驱动保证捕集过程的持续进行；沼气提纯版块采用膜—低温深冷技术获得的液化二氧化碳为燃煤电厂膜捕集版块提供低温能量后部分为微藻固碳版块提供萃取剂，利用完液化天然气冷能量后为空气压缩储能版块提供甲烷原料；微藻固碳环版块产出的生物柴油有利于降低交通行业碳排放。

Description

一种燃煤电厂二氧化碳捕集耦合空气压缩储能工艺

技术领域

本发明涉及二氧化碳捕集和储能技术领域，尤其涉及一种燃煤电厂二氧化碳捕集耦合空气压缩储能工艺。

背景技术

工业革命以来，化石燃料的大量燃烧导致空气中二氧化碳浓度迅速增加，根据世界气象组织报道，现大气中二氧化碳浓度超过了400ppm，以二氧化碳为主的温室气体使温室效应加剧，北极、南极冰川的融化，海平面的上升，以及其它自然灾害的发生。在人类活动排放的二氧化碳中，燃煤发电排放的二氧化碳所占比例最大，约占总量的40%左右。为实现2050年全球增温控制在2摄氏度以内的目标，对燃煤电厂排放的烟气中的二氧化碳进行捕集势在必行。

燃煤电厂发电过程中，并非均满负荷运行，会根据不同的时间段的负荷进行调整，夜间调峰阶段，有些电厂停止运行，有的低负荷运行，不仅有害锅炉的寿命，而且还增加了单位发电的能耗和二氧化碳排放量。

抽水储能、压缩空气储能和电化学电池储能适用于系统调峰，目前最成熟的储能方式是抽水储能，但是受到地理水文条件约束太大，不能满足大部分地区，压缩空气储能技术通过将空气高压密封在报废矿井、沉降的海底储气罐、山洞、过期油气井或新建储气井中，然后可以在电网负荷高峰期将压缩空气释放推动汽轮机发电具有很大的发展空间，可以充分利用风力资源，有利于提高我国能源结构中可再生能源所占的比例。目前压缩空气储能系统的形式根据工作介质、存储介质与热源可以分为：传统压缩空气储能系统（需要化石燃料燃烧）、带储热装置的压缩空气储能系统和液气压缩储能系统。

生物能源与碳捕获和储存技术(BECCS)是一种非常有效的温室气体减排技术，该技术结合了二氧化碳捕与封存(CCS)和生物能源的使用，能够实现负碳排放。

目前二氧化碳捕集技术中主要有溶剂吸收法、吸附法、膜分离法、低温深冷分离法等，目前醇胺吸收法应用最广泛，但是存在吸收剂再生温度较高，所需能耗较大，化学吸收剂的泄露或挥发等会造成环境污染。膜分离法以其占地面积小、能耗低、无相变、操作简便的优点，具有广阔的应用前景，但是当烟气的压强较小，二氧化碳的浓度较低时，实际运行中所需通过压缩机增加烟气组分的浓度，当纯度满足不低于95%时，随着捕集率的增加所需的膜面积以及压缩等设备的能耗也将随之增加，这是目前阻碍膜分离法工业应用的主要因素。

微藻可以通过光合作用固定二氧化碳，同时释放氧气并产生有机质，产生的有机物可以加工成生物柴油等产品，微藻的光合作用效率与玉米、大豆、花生、向日葵、油菜籽等产油作物相比光合作用效率更高。微藻提取完油脂后产生的固体藻粉富含有机质和碳元素既可以作为牲畜的饲料同时可以作为煤炭替代燃料。牲畜的粪便通过厌氧发酵可以产生沼气，可以通过这种可再生能源制备纯净的甲烷。

因此，研究一种燃煤电厂烟道气二氧化碳混合捕集技术降低燃煤电厂碳排放同时利用空气压缩储能技术为捕集系统提供动力，降低捕集系统的能耗，提高工艺整体的能源利用效率，增加碳捕集系统的经济性，对于全球二氧化碳减排具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种燃煤电厂二氧化碳捕集耦合空气压缩储能工艺，利用压缩空气储能版块中压缩空气弥补膜捕集工艺进料气的不足；利用微藻固碳版块实现降低膜捕集版块为满足系统90%捕集率而超过膜分离最佳捕集率所增加的能耗；利用微藻固碳提取的生物柴油增加工艺收益，藻粉作为牲畜的饲料；利用牲畜产生的粪便厌氧发酵产生的甲烷为空气压缩储能版块提供燃料；利用液化天然气为膜捕集环节提供低温条件，利用完低温能量后为空气压缩储能版块提供燃料，提高工艺的经济性。

本发明提供的技术方案如下：一种燃煤电厂二氧化碳捕集耦合空气压缩储能工艺，步骤如下：

在燃煤电厂膜捕集版块，燃煤电厂烟道气经过除杂净化后，然后经过压缩、干燥，进入2级膜分离环节，在第2级膜组件的渗透气中得到纯度超过95%的二氧化碳气体，膜组件进料气的加压实行双项方案，当空气压缩储能环节能量不足时使用电驱动压缩机，其它条件下通过使用压缩透平膨胀机，利用高压空气为进料气增压；第2级膜组件渗透气经过加压、降温、进一步脱水干燥后，利用沼气提纯版块的低温液化天然气和低温液态二氧化碳提供冷能量得到液态二氧化碳，再通过液体泵加压到所需压力条件，之后经过换热升温到商业用途所需温度，加压的压强结合降温环节所降低的温度进行设定，明显比直接加压液化降温得到超临界二氧化碳所需能耗要低。

微藻固碳版块用于固定燃煤电厂膜捕集版块截留气中的二氧化碳，同时可以固定空气压缩储能版块中甲烷燃烧后排放烟气中的二氧化碳组分，微藻光合作用产生的有机质加工成生物柴油可以缓解交通行业对石油的需求量，藻粉加工成牲畜的饲料。

牲畜产生的粪便经过厌氧发酵后产生沼气，在沼气纯化版块，沼气经过净化处理后通过膜—低温深冷捕集技术将二氧化碳从甲烷中分离出来得到较高浓度甲烷，为空气压缩储能版块提供燃料，同时可以得到超临界二氧化碳。

空气压缩储能版块，利用全天候间歇的风能和夜间燃煤电厂多余的负荷容量提供的电力为压缩机供电，空气经过多级压缩后先经过换热降温，将高压空气贮存到储气罐或结合地形条件选择的其它空气储存设施中；利用压缩空气发电的过程中，高压空气先经过换热器加热，沼气提纯版块中的沼气提纯产物甲烷和利用完低温能量的液化天然气作为甲烷原料与高压空气混合燃烧，产生的高温蒸汽驱动膨胀机进行发电，通过整合与其它版块的能量提高系统的能量利用效率；最终排放的气体为微藻固碳版块提供碳源。

附图说明

下面结合附图和具体的实施方式对本发明进行更详细的说明：

图1为本发明燃煤电厂二氧化碳捕集耦合空气压缩储能工艺的一种实施结构示意图。

图 2为沼气纯化版块中甲烷热交换示意图。

图3为液化天然气热交换示意图。

图4为液态二氧化碳热交换示意图。

附图中标号说明：

1、3、5、29、34、56、压缩机；2、4、6、8、11、14、16、18、20、25、32、36、37、38、43、44、49、50、51、57、58、66、68、83、换热器；7、高压空气储存设施；9、燃气轮机的燃烧室；10、15、19、61、67、膨胀机；12、气体分流器；13、17、42、压缩透平膨胀机；21、烟气净化装置；22、23、30、31、烟气通道控制阀；27、77、80、气体混合器；26、45、55、60、气液分离器；28、33、46、膜组件；39、62、64、液体泵；40、沼气池；41、沼气净化装置；47、真空泵；35、48、多级压缩机；52、气体干燥装置；53、59、LNG换热器；63、82、液体混合器；65、液化天然气储存罐；69、光反应器；70、微藻溶液脱水器装置；71、萃取预处理装置；72、脂质萃取装置；73、萃取剂储存装置；74、脂质加工装置；75、藻粉加工装置；76、牲畜饲养厂；78、79、甲烷预处理设施；81、液体分流器。

具体实施方式

为了更好的说明本发明现有的技术方案，下面将结合现有技术方案描述中所需附图进行详细说明。

参照图1，本发明的一种燃煤电厂二氧化碳捕集耦合空气压缩储能工艺包括：

燃煤电厂膜捕集版块、微藻固碳版块、沼气提纯版块、空气压缩储能版块；燃煤电厂膜捕集版块包括烟气净化与压缩环节、干燥环节、膜分离环节、加压液化环节；微藻固碳版块包括进气温调节环节、光合作用阶段、微藻溶液脱水环节、萃取预处理环节、脂质萃取环节；沼气提纯版块包括沼气预处理环节、膜分离环节、加压多级降温环节、2级低温蒸馏环节；空气压缩储能版块包括加压储存环节和多级膨胀发电环节。

在空气压缩储能版块，空气从S1进入压缩机1中，空气被压缩后，使用系统循环水通过S2在换热器2中进行降温，温度降低后通过S3与压缩机3相连，经过加压后的空气通过S4与换热器4相连，温度降低的空气经过S5到达压缩机5中，再次加压后达到设定的压力条件，经过S6在换热器6中进行降温，降温后的空气通过S7进入高压空气储存设施7中。

在释放空气发电时，高压空气从S8流出，先经过循环水在换热器8中升温后，通过S9进入燃气轮机的燃烧室9中，来自沼气纯化版块中提纯后的甲烷通过S11进入燃气轮机的燃烧室9，利用完低温能量的液化天然气通过S10进入燃气轮机的燃烧室9，燃气燃烧后的高温高压气体先经过S12与膨胀机10相连，进行膨胀发电，经过膨胀降温后的中压低温烟气先经过S13与换热器11相连，经过升温后通过S14与气体分流器12相连，分别为压缩透平膨胀机13和压缩透平膨胀机17提供动力，为燃煤电厂膜捕集版块中第1、2级膜组件进料气增压；一部分高压烟气通过S15进入压缩透平膨胀机13的膨胀端口，膨胀降压后烟气温度降低，先通过S16在换热器14中升温，升温后的烟气经过S17进入膨胀机15中，膨胀发电后，烟气温度降低，经过S18进入换热器16中，烟气温度调节到合适温度后通过S19进入到微藻固碳环节，并通过S85进入光反应器69中；另一部分的烟气经S20进入压缩透平膨胀机17的膨胀端口，经过膨胀降温降压后，先经过S21进入换热器18中升温，然后再经过S22与膨胀机19相连，在膨胀机19中烟气经过膨胀发电降到大气压，之后经过S23进入换热器20中，经过温度调节后，通过S24进入微藻固碳环节，并通过S86进入光反应器69中；换热器11、14、16、18、20使用系统循环进行温度调节。

在燃煤电厂膜捕集版块，来自燃煤电厂的烟道气经过S25进入烟气净化与压缩环节，在烟气净化装置21中烟气中的硫氧化物和重金属以及颗粒物等污染被除去，减少对膜组件的破坏增加膜材料的使用寿命及分离效果；污染物除去后的烟气经过S26到达烟气通道控制阀22，当空气压缩储能版块提供动力时选择通过S27进入压缩环节；当供应不足时候通过S34进入压缩29中，直接使用电厂的电驱动压缩；在夜间用电负荷降低时，空气压缩储能版块进行储气阶段，烟气通道控制阀22通过S34进入压缩环节；烟气经过压缩透平膨胀机13压缩端口加压后通过S28进入换热器24中使用循环水降温，然后通过S29进入干燥环节，当烟气经过S34进入压缩机29中被压缩增压后再通过S35进入换热器24中然后通过相同路径S29进入干燥环节。

来自S29中烟气先经过换热器25进一步降温，降温后的烟气通过S30进入气液分离器26中，液态水冷凝从S32进入循环水系统，干燥后的烟气经过S31与气体混合器27相连，与来自S43中第2级膜组件截留气混合均匀通过S33进入膜分离环节。

膜组件28的进料气侧与S33相连，截留气侧与S36相连，渗透气侧与S37相连；进料气从S33进入膜组件28后将二氧化碳组分与烟气其它组分分离，富集二氧化碳的渗透气通过S37与烟气通道控制阀30相连；渗透气通过S38进入压缩透平膨胀机17的压缩端口相连，加压后的气体通过S39与烟气通道控制阀31相连，然后进入换热器32中；渗透气通过S41与压缩机34相连，气体在压缩机34中被加压，加压后的气体会通过S42与烟气通道控制阀31相连，然后进入换热器32中；第2级膜组件的进料气加压情况与第1级膜组件进料气加压情景保持同步；加压后的渗透气在换热器32中使用循环水降温后通过S40进入膜组件33；膜组件28的截留气通过S36进入微藻固碳版块。

膜组件33的进料气侧与S40相连，渗透气侧与S44相连，截留气侧与S43相连，截留气通过S43进入气体混合器27中；渗透气经过S44与多级压缩机35相连进入加压液化环节。

第2级膜组件渗透气为二氧化碳组分浓度不低于95%的气体，二氧化碳气体通过S45与换热器36相连，然后通过S46与换热器37相连，然后通过S47与换热器38相连；渗透气经过换热器36、37、38多级降温后被液化，多级压缩机35设定的压强为经过换热器38降温后的温度条件下渗透气所需压强；在换热器36使用循环水降温，换热器37利用沼气纯化版块中利用完低温液化天然气的低温气体提供低温能量，换热器38利用沼气纯化版块中低温二氧化碳液体提供低温能量；膜组件33的渗透气被液化后得到液态二氧化碳，然后经过S48与液体泵39相连，在液体泵39中低温液态二氧化碳被加压到超临界二氧化碳所需压强，然后经过S49进入下一环节。

在微藻固碳版块，来自燃煤电厂膜捕集版块膜组件28中截留气经过S36进入压缩透平膨胀机42的膨胀端口，为沼气纯化版块的气体加压提供动力，膨胀后的截留气先经过S82进入换热器66中，经过升温后通过S83与膨胀机67相连，经过膨胀发电后降压到大气压，然后经过S84进入到换热器68中，进行温度调节，温度调节后经过S85进入到光合作用阶段。

在光合作用阶段，微藻在光反应器中进行繁殖固定S85中来自燃煤电厂膜捕集版块截留气中二氧化碳和S86、S87中来自空气压缩储能版块中天然气燃烧排放烟气中二氧化碳。

微藻通过光合作用利用二氧化碳合成有机物，然后通过S88进入微藻溶液脱水器装置70，脱水后的微藻浓溶液经过S89进入萃取预处理装置71，经过预处理后的微藻通过S90进入脂质萃取装置72中。

有机物在萃取环节，使用的萃取剂为超临界二氧化碳，来自沼气纯化版块的液态二氧化碳经过S91进入萃取剂储存装置73中；在萃取剂储存装置73中经过压力和温度调节后得到超临界二氧化碳，然后通过S92进入脂质萃取装置72中；有机物经过萃取后得到的脂质经过S93进入脂质加工装置74中，获得生物柴油通过S94进入商业用途；脂质提取过程中产生的藻粉通过S95进入藻粉加工装置75中，加工成牲畜饲料后经过S96进入牲畜饲养厂76中；牲畜饲养厂76产生的粪便等有机物通过S97进入沼气池40中。

在沼气纯化版块，来自沼气池40中的沼气，先经过S50进入沼气预处理环节；经过沼气净化装置41脱硫除杂后，沼气经过S51进入压缩透平膨胀机42的压缩端口，沼气加压后通过S52使用循环水在换热器43中降温，沼气降温后进入干燥阶段；经换热器43初步降温后经过S53在换热器44中进一步降温，降温后的沼气通过S54进入气液分离器45中；在换热器44的低温能量由低温蒸馏环节气体和膜组件46的截留气提供；在气液分离器45中，水蒸气冷凝从S56中进入系统循环水，气体组分从S55中进入膜分离环节。

在膜分离环节，膜组件46的进料气侧与S55相连，截留气侧与S58相连，渗透气侧与S57相连；膜组件46的渗透气从S57进入真空泵中，在真空泵的抽吸下，二氧化碳组分与甲烷分离效果被增强，渗透气恢复大气压后经过S59 进入多级压缩机48中，进入加压多级降温环节。

膜组件46的渗透气经过多级压缩机48加压后，通过S60进入换热器49，然后经过S61进入换热器50中，然后经过S62进入换热器51中，经过多级降温后进入气体干燥装置52中；在换热器49中使用循环水降温，在换热器50中使用利用较低温的液化天然气的冷能量作为冷源，在换热器51中，使用低温二氧化碳液体作为低温能量；在气体干燥装置52中进一步干燥脱水完成后，膜组件46的渗透气通过S64进入LNG换热器53，使用来自液化天然气储存罐65中的液化天然气通过S78为LNG换热器53提供低温能量，然后进入2级低温蒸馏环节。

经过LNG换热器53提供低温环节，二氧化碳液化后进入气液分离器55中发生气液分离，液态二氧化碳从S73进入液体泵62中，气体组分通过S66进入压缩机56中；气体经过压缩机56加压后，二氧化碳组分分压增加的同时气体的温度升高，气体通过S67在换热器57使用循环水进行初步降温，然后经过S68进入换热器58中使用来自膨胀机61中低温气体进一步降温，然后通过S69进入LNG换热器59中进入第2级低温蒸馏环节。

经过LNG换热器59低温液化后的气体，通过S70进入气液分离器60中，气体组分通过S71进入膨胀机61中，膨胀降压到与膜组件46截留气相同压强后经过S72为系统提供低温能量；气液分离器60中分离的液态二氧化碳从S75流入液体混合器63中，与经过液体泵62加压到与S75中液态二氧化碳相同压强的液态二氧化碳经过S74在液体混合器63中混合均匀，然后通过S76进入液体泵64中，加压到超临界二氧化碳所需压强，通过S77为系统系统低温能量。

参照图2，本发明的沼气纯化版块中甲烷热交换步骤包括：

来自沼气纯化版块膨胀机61中的气体经过S72先为换热器58提供低温能量，气体升温后通过S98与来自膜组件的46截留气通过S58在气体混合器77中混合均匀，然后通过S99为换热器44提供低温能量，升温后通过S100进入甲烷预处理设施78中；在甲烷预处理设施78中调节好压力和温度后通过S11进入燃气轮机的燃烧室9中，为燃气轮机的燃烧室9提供燃料。

参照图3，本发明的液化天然气热交换步骤包括：

来自液化天然气储存罐65中的液化天然气为LNG换热器53和LNG换热器59提供低温冷能量，LNG换热器53升温后的液化天然气气体通过S78进入气体混合器80中；在LNG换热器59中升温后的液化天然气气体通过S80进入气体混合器80中，与来自S78中气体混均匀后通过S101为换热器37提供低温能量；气体经过换热器37升温后，通过S102为换热器50降温；经过换热器50升温后的气体经过S103进入甲烷预处理设施79中；在甲烷预处理设施79中调节好压力和温度后通过S10进入燃气轮机的燃烧室9中，为燃气轮机的燃烧室9提供燃料。

参照图4，本发明的液态二氧化碳热交换步骤包括：

来自沼气纯化版块液体泵64中的低温液态二氧化碳经过S77为换热器38提供低温能量；液体二氧化碳升温后经过S104进入液体分流器81中，一部分液态二氧化碳为微藻固碳版块的萃取剂储存装置提供萃取剂，另外一部分通过S105进入液体混合器82中；燃煤电厂膜捕集版块的液体泵39中的液态二氧化碳经过S49与S105中的液态二氧化碳在液体混合器82中混合均匀；混合后的液态二氧化碳经过S106为换热器51提供低温能量；液态二氧化碳升温后经过S107进入换热器83中，在换热器83中液态二氧化碳温度被调整到超临界态所需温度，然后经过S108进入下一步商业用途。

Claims (4)

1.一种燃煤电厂二氧化碳捕集耦合空气压缩储能工艺，其特征在于：

由燃煤电厂膜捕集版块、微藻固碳版块、沼气提纯版块、空气压缩储能版块组成；其中，在燃煤电厂膜捕集版块，烟道气经过除杂净化后，然后经过压缩、干燥，通过2级膜组件提纯得到体积分数不小于95%的二氧化碳气体，然后经过多级加压到低温液化环节所需压力，初步降温后，进一步脱水干燥，然后利用液化天然气提供低温得到液态二氧化碳，再通过液体泵加压到所需压力条件，然后经过换热器进一步升温到超临界所需温度；在微藻固碳版块，来自燃煤电厂膜捕集版块和空气压缩储能版块的二氧化碳为微藻提供碳源，光合作用产生的有机质加工成生物柴油可以缓解交通行业对石油的需求量减少交通行业的碳排放，藻粉加工成牲畜的饲料；在沼气纯化版块，牲畜产生的粪便经过厌氧发酵后产生沼气，沼气经过净化处理后通过膜—低温深冷捕集技术将二氧化碳和甲烷组分分离，甲烷为空气压缩储能版块提供燃料，同时得到超临界二氧化碳；在空气压缩储能版块，空气经过多级压缩后先经过换热降温，高压空气被贮存到储气罐或其它空气储存设施中，当储存的高压空气释放发电时，空气先经过换热器加热，然后与甲烷在燃气轮机的燃烧室燃烧，产生的高温蒸汽经过膨胀机初步膨胀发电，先经过换热器升温后再通过压缩透平膨胀机的膨胀端口进行膨胀，膨胀后的空气先经过换热器升温，然后再经过膨胀机降压到大气压。

2.根据权利要求1所述的燃煤电厂膜捕集版块，其特征在于：

2级膜分离环节的第1级和第2级膜组件的进料气都通过压缩透平膨胀机的压缩端口加压烟气，由空气压缩储能版块升温后的第一级膨胀后的空气提供动力；当空气压缩储能版块的提供的能量不能为压缩机提供动力时，通过控制阀可以实现使用电驱动压缩机为烟气增加压强，保证膜分离过程的正常运行；在低温液化过程，利用沼气提纯版块中低温液化天然气和低温液态二氧化碳流体为膜捕集浓缩后的二氧化碳气体降温，降低二氧化碳液化所需压强，之后再使用液压泵提升到所需压强，有利减少系统能耗。

3.根据权利要求1所述的微藻固碳版块，其特征在于：

通过压缩透平膨胀机，利用燃煤电厂膜捕集版块膜组件截留气的压力为沼气提纯版块中净化后的沼气增加压力，之后再经过膨胀机发电能量回收，温度调节后进入光反应器，在光反应器同时对空气压缩储能版块中甲烷燃烧后的排放的烟气中的二氧化碳进行捕集。

4.根据权利要求1所述的沼气提纯版块，其特征在于：

膜使用1级膜组件提纯二氧化碳浓度后，使用液化天然气为第1、2级低温蒸馏环节提供低温能量，为燃煤电厂膜捕集版块二氧化碳气体降温后为，在第1级低温蒸馏环节之前的烟气进行初步降温，然后作为空气压缩储能版块中甲烷原料，提高了系统能量利用效率。