CN108771950B - 一种采用化学吸收增压的二氧化碳循环发电系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种采用化学吸收增压的二氧化碳循环发电系统，系统包括化学吸收设备和二氧化碳循环设备。本发明还提供了采用化学吸收增压的二氧化碳循环发电方法，二氧化碳循环的透平排气由吸收塔中的溶液吸收，溶液由泵增压输入至再生塔，再生塔中的溶液加热后解吸出高压二氧化碳，高压二氧化碳进一步增压至超临界态，并通过二氧化碳循环系统发电。本发明简便、经济地实现二氧化碳气体的压缩过程，使二氧化碳循环充分扩大压比，有利于采用再热提高热效率，并使循环工质流量大幅减少，换热器设备规模缩小。

Description

一种采用化学吸收增压的二氧化碳循环发电系统及方法
技术领域
本发明涉及一种采用化学吸收增压的二氧化碳循环发电系统，属于新型发电技术领域。
背景技术
二氧化碳具有化学性质稳定、高温腐蚀较弱、易获取、无毒、不可燃、密度大、压缩系数低、比热大、扩散系数高等物性特点，其临界压力为7.38MPa，在工程上容易达到，临界温度为31℃，可由自然环境中的冷源冷却至临界点附近或液态。因此，二氧化碳被用作闭式循环发电系统的工质。当循环中工质达到临界点以上，即构成超临界二氧化碳循环，可获得非常可观的热效率，并因此成为当前能源领域的研究热点。
受制于设备许用强度，超临界二氧化碳循环中工质运行最高压力在30MPa等级。通常循环的低压侧在8MPa左右，循环的压比只有3～4；透平做功段工质比焓降较小，工质流量大，且透平分级再热比较困难，透平排气温度高，回热器换热量极大。如果进一步增大压比，透平排气压力将远低于临界压力，压缩过程中首先需要将气态的低压二氧化碳压缩至临界压力附近，这段压缩过程耗功远大于从临界压力压缩到高压的过程，此时，循环的热效率下降。
因此，如何更加简便、经济地实现二氧化碳气体压缩过程，是二氧化碳循环充分利用再热提高热效率、减小流量、缩小换热器规模的关键问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是如何更加简便、经济地实现二氧化碳气体压缩过程。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种采用化学吸收增压的二氧化碳循环发电系统，其特征在于：包括用于以化学溶液为吸收剂吸收二氧化碳的吸收塔，吸收塔二氧化碳进口连接回热器低温侧出口，吸收塔出口连接富液泵进口；富液泵出口分为两路，分别连接贫富液换热器富液侧进口和再生气富液换热器富液侧进口；贫富液换热器富液侧出口和再生气富液换热器富液侧出口汇合并连接再生塔进口，再生塔贫液出口连接贫富液换热器贫液侧进口，贫富液换热器贫液侧出口连接水力透平进口，水力透平出口连接吸收塔贫液进口；
再生塔再生气出口连接再生气富液换热器再生气侧进口，再生气富液换热器再生气侧出口连接再生气二氧化碳换热器低压侧进口，再生气二氧化碳换热器低压侧出口连接预冷器进口，预冷器出口连接一级压缩机进口，一级压缩机出口连接中间冷却器进口，中间冷却器出口连接二级压缩机进口；二级压缩机出口分为两路，分别连接反应热回收器进口和再生气二氧化碳换热器高压侧进口；反应热回收器出口和再生气二氧化碳换热器高压侧出口汇合并连接回热器高压侧进口；
回热器高压侧出口连接主加热器加热段进口，主加热器加热段出口连接高压透平进口，高压透平出口连接主加热器再热段进口，主加热器再热段出口连接低压透平进口，低压透平出口连接回热器低压侧进口，回热器低压侧出口连接吸收塔二氧化碳进口；发电机与高压透平、低压透平依次连接。
优选地，所述化学溶液为配有活性剂的碳酸钾溶液。
优选地，所述吸收塔连接反应热排出器，吸收塔内的反应热由反应热排出器排出并加以利用。
优选地，所述再生塔连接再生加热器，由再生加热器提供再生塔内的反应所需的热量。
优选地，所述再生气富液换热器的冷凝水出口连接再生塔进口。
优选地，所述预冷器、中间冷却器的冷凝水出口均连接吸收塔进口。
优选地，所述主加热器可以设计成不同的结构以适应不同的热源形式，例如：聚光型太阳能集热器、外燃式加热炉或管壳式换热器。
优选地，所述一级压缩机、二级压缩机为采用分级中间冷却的压缩机；所述高压透平、低压透平为采用分级再热的透平。
本发明还提供了一种采用化学吸收增压的二氧化碳循环发电方法，其特征在于：采用上述的采用化学吸收增压的二氧化碳循环发电系统，步骤为：低压透平排出的二氧化碳进入吸收塔，二氧化碳溶入吸收塔内的吸收剂中形成混合溶液；所述混合溶液经富液泵增压后分为两路：一路经贫富液换热器吸收再生塔出来的贫液的热量，另一路经再生气富液换热器吸收再生塔出来的再生气的热量，然后两路汇合并进入再生塔；
再生塔的贫液进入贫富液换热器释放余热，然后经水力透平释放压力能，再回到吸收塔；再生塔的再生气经再生气富液换热器释放余热，然后依次经再生气二氧化碳换热器、预冷器，再经一级压缩机压缩，再经中间冷却器冷却，再经二级压缩机压缩；
二级压缩机出口的二氧化碳分两路：一路进入反应热回收器加热，另一路进入再生气二氧化碳换热器加热，然后两路汇合进入回热器进一步升温，再进入主加热器进一步升温，接着进入高压透平；高压透平排气进入主加热器再热，再进入低压透平，高压透平和低压透平推动发电机产生电能，最后低压透平排气进入回热器释放余热后进入吸收塔，如此循环。
优选地，进入吸收塔的二氧化碳压力为0.1～0.5MPa；吸收塔中的吸收反应温度为100～150℃；再生塔内的压力为6～8MPa；再生塔中的解吸反应温度为200～250℃。
相比现有技术，本发明提供的采用化学吸收增压的二氧化碳循环发电系统具有如下有益效果：
1、透平排气压力进一步降低，从而为透平多级再热提供充足的压差范围，为循环系统从再热过程获得热效率提升创造条件，循环的工质流量降低，回热器的规模缩小。
2、透平排气的溶液吸收增压过程功耗很小，仅需要中低温热量提供再生反应热，吸收反应释放的热量仍有较高的品位适合多种用途。
3、透平排气的溶液吸收增压设备简单，设备和溶液成本较低，没有复杂的机械，可靠性高。
附图说明
图1为本实施例提供的采用化学吸收增压的二氧化碳循环发电系统示意图；
附图标记说明：
1-吸收塔，2-反应热排出器，3-富液泵，4-贫富液换热器，5-再生气富液换热器，6-再生加热器，7-再生塔，8-水力透平，9-反应热回收器，10-再生气二氧化碳换热器，11-预冷器，12-一级压缩机，13-中间冷却器，14-二级压缩机，15-回热器，16-主加热器，17-高压透平，18-低压透平，19-发电机。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
图1为本实施例提供的采用化学吸收增压的二氧化碳循环发电系统示意图，所述的采用化学吸收增压的二氧化碳循环发电系统包括吸收塔1，吸收塔1采用的吸收剂为碳酸钾，吸收塔1二氧化碳进口连接回热器15低温侧出口，吸收塔1出口连接富液泵3进口，富液泵3出口分为两路分别连接贫富液换热器4富液侧进口和再生气富液换热器5富液侧进口，贫富液换热器4富液侧出口和再生气富液换热器5富液侧出口汇合并连接再生塔7进口，再生塔7贫液出口连接贫富液换热器4贫液侧进口，贫富液换热器4贫液侧出口连接水力透平8进口，水力透平8出口连接吸收塔1贫液进口。再生塔7再生气出口连接再生气富液换热器5再生气侧进口，再生气富液换热器5再生气侧出口连接再生气二氧化碳换热器10低压侧进口，再生气二氧化碳换热器10低压侧出口连接预冷器11进口，预冷器11出口连接一级压缩机12进口，一级压缩机12出口连接中间冷却器13进口，中间冷却器13出口连接二级压缩机14进口，二级压缩机14出口分为两路分别连接反应热回收器9进口和再生气二氧化碳换热器10高压侧进口，反应热回收器9出口和再生气二氧化碳换热器10高压侧出口汇合并连接回热器15高压侧进口，回热器15高压侧出口连接主加热器16加热段进口，主加热器16加热段出口连接高压透平17进口，高压透平17出口连接主加热器16再热段进口，主加热器16再热段出口连接低压透平18进口，低压透平18出口连接回热器15低压侧进口，回热器15低压侧出口连接吸收塔1二氧化碳进口。发电机19、高压透平17、低压透平18依次连接，且三者同轴设置。
吸收塔1连接反应热排出器2，吸收塔1内的反应热主要由反应热排出器2排出并可加以利用。再生塔7连接再生加热器6，由再生加热器6提供再生塔7内的反应所需的热量。
再生气富液换热器5的冷凝水出口连接再生塔7进口。预冷器11、中间冷却器13的冷凝水出口连接吸收塔1进口。
本实施例提供的采用化学吸收增压的二氧化碳循环发电系统的各个设备之间通过管道连接，根据系统控制需要，管道上还可布置阀门、仪表等设备。系统中还可包括辅助设施、电气系统、控制系统等。
本实施例提供的采用化学吸收增压的二氧化碳循环发电系统的具体实施步骤如下：
低压透平18排气的低压二氧化碳进入吸收塔1，二氧化碳溶入碳酸钾吸收溶液中，吸收过程压力为0.2MPa，温度120℃，反应热主要由反应热排出器2排出并可加以利用；溶液经富液泵3增压至7MPa，然后分为两路：一路经贫富液换热器4吸收再生塔7出来的贫液的热量，另一路经再生气富液换热器5吸收再生塔7出来的再生气的热量，然后两路汇合并进入再生塔7，再生塔7的解吸温度200℃，由再生加热器6提供反应所需热量；再生塔7的贫液再进入贫富液换热器4释放余热，再经水力透平8释放压力能，然后回到吸收塔1；再生塔7的再生气经再生气富液换热器5释放余热(产生的冷凝水回收进入再生塔7)，然后再依次经再生气二氧化碳换热器10、预冷器11降温至25℃，再经一级压缩机12压缩，再经中间冷却器13冷却(产生的冷凝水回收进入吸收塔1)，再经二级压缩机14压缩，二级压缩机14出口的二氧化碳工质压力25MPa/25℃，含极少量的水，然后分两路：一路进入反应热回收器9加热，另一路进入再生气二氧化碳换热器10加热，然后两路汇合进入回热器15进一步升温，再进入主加热器16达到高温，例如：600℃，接着工质进入高压透平17，高压透平17排气进入主加热器16再热至600℃，再进入低压透平18，高压透平17和低压透平18推动发电机19产生电能，最后低压透平18排气进入回热器15释放余热后进入吸收塔1。
由上述参数估算得到二氧化碳循环系统的发电效率可达50％以上，进一步利用反应热排出器2排出的余热发电，可使发电效率提高至55％以上。
本发明简便、经济地实现了二氧化碳气体的压缩过程，使二氧化碳循环充分扩大压比，有利于采用再热提高热效率，并使循环工质流量大幅减少，换热器设备规模缩小。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种采用化学吸收增压的二氧化碳循环发电系统，其特征在于：包括用于以化学溶液为吸收剂吸收二氧化碳的吸收塔(1)，吸收塔(1)二氧化碳进口连接回热器(15)低温侧出口，吸收塔(1)出口连接富液泵(3)进口；富液泵(3)出口分为两路，分别连接贫富液换热器(4)富液侧进口和再生气富液换热器(5)富液侧进口；贫富液换热器(4)富液侧出口和再生气富液换热器(5)富液侧出口汇合并连接再生塔(7)进口，再生塔(7)贫液出口连接贫富液换热器(4)贫液侧进口，贫富液换热器(4)贫液侧出口连接水力透平(8)进口，水力透平(8)出口连接吸收塔(1)贫液进口；
再生塔(7)再生气出口连接再生气富液换热器(5)再生气侧进口，再生气富液换热器(5)再生气侧出口连接再生气二氧化碳换热器(10)低压侧进口，再生气二氧化碳换热器(10)低压侧出口连接预冷器(11)进口，预冷器(11)出口连接一级压缩机(12)进口，一级压缩机(12)出口连接中间冷却器(13)进口，中间冷却器(13)出口连接二级压缩机(14)进口；二级压缩机(14)出口分为两路，分别连接反应热回收器(9)进口和再生气二氧化碳换热器(10)高压侧进口；反应热回收器(9)出口和再生气二氧化碳换热器(10)高压侧出口汇合并连接回热器(15)高压侧进口；
回热器(15)高压侧出口连接主加热器(16)加热段进口，主加热器(16)加热段出口连接高压透平(17)进口，高压透平(17)出口连接主加热器(16)再热段进口，主加热器(16)再热段出口连接低压透平(18)进口，低压透平(18)出口连接回热器(15)低压侧进口，回热器(15)低压侧出口连接吸收塔(1)二氧化碳进口；发电机(19)与高压透平(17)、低压透平(18)依次连接。
2.如权利要求1所述的一种采用化学吸收增压的二氧化碳循环发电系统，其特征在于：所述化学溶液为配有活性剂的碳酸钾溶液。
3.如权利要求1所述的一种采用化学吸收增压的二氧化碳循环发电系统，其特征在于：所述吸收塔(1)连接反应热排出器(2)，吸收塔(1)内的反应热由反应热排出器(2)排出并加以利用。
4.如权利要求1所述的一种采用化学吸收增压的二氧化碳循环发电系统，其特征在于：所述再生塔(7)连接再生加热器(6)，由再生加热器(6)提供再生塔(7)内的反应所需的热量。
5.如权利要求1所述的一种采用化学吸收增压的二氧化碳循环发电系统，其特征在于：所述再生气富液换热器(5)的冷凝水出口连接再生塔(7)进口。
6.如权利要求1所述的一种采用化学吸收增压的二氧化碳循环发电系统，其特征在于：所述预冷器(11)、中间冷却器(13)的冷凝水出口均连接吸收塔(1)进口。
7.如权利要求1所述的一种采用化学吸收增压的二氧化碳循环发电系统，其特征在于：所述主加热器(16)为聚光型太阳能集热器、外燃式加热炉或管壳式换热器。
8.如权利要求1所述的一种采用化学吸收增压的二氧化碳循环发电系统，其特征在于：所述一级压缩机(12)、二级压缩机(14)为采用分级中间冷却的压缩机；所述高压透平(17)、低压透平(18)为采用分级再热的透平。
9.一种采用化学吸收增压的二氧化碳循环发电方法，其特征在于：采用如权利要求1～8任一项所述的采用化学吸收增压的二氧化碳循环发电系统，步骤为：低压透平(18)排出的二氧化碳进入吸收塔(1)，二氧化碳溶入吸收塔(1)内的吸收剂中形成混合溶液；所述混合溶液经富液泵(3)增压后分为两路：一路经贫富液换热器(4)吸收再生塔(7)出来的贫液的热量，另一路经再生气富液换热器(5)吸收再生塔(7)出来的再生气的热量，然后两路汇合并进入再生塔(7)；
再生塔(7)的贫液进入贫富液换热器(4)释放余热，然后经水力透平(8)释放压力能，再回到吸收塔(1)；再生塔(7)的再生气经再生气富液换热器(5)释放余热，然后依次经再生气二氧化碳换热器(10)、预冷器(11)，再经一级压缩机(12)压缩，再经中间冷却器(13)冷却，再经二级压缩机(14)压缩；
二级压缩机(14)出口的二氧化碳分两路：一路进入反应热回收器(9)加热，另一路进入再生气二氧化碳换热器(10)加热，然后两路汇合进入回热器(15)进一步升温，再进入主加热器(16)进一步升温，接着进入高压透平(17)；高压透平(17)排气进入主加热器(16)再热，再进入低压透平(18)，高压透平(17)和低压透平(18)推动发电机(19)产生电能，最后低压透平(18)排气进入回热器(15)释放余热后进入吸收塔(1)，如此循环。
10.如权利要求9所述的一种采用化学吸收增压的二氧化碳循环发电方法，其特征在于：进入吸收塔(1)的二氧化碳压力为0.1～0.5MPa；吸收塔(1)中的吸收反应温度为100～150℃；再生塔(7)内的压力为6～8MPa；再生塔(7)中的解吸反应温度为200～250℃。
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