CN109306880A - 一种基于电厂内部能量回收的co2压缩液化可调式复合系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于电厂内部能量回收的CO2压缩液化可调式复合系统，属于能源与环境技术领域。本系统包括三通阀、分液罐、分流器、膨胀机、换热器、压缩机级间换热器、多级CO2压缩机、压缩机，冷凝器、混合器、冷侧蒸发器、节流阀、发电机组、CO2加压泵。系统包括可调式CO2压缩液化单元以及内部能量集成系统两个部分。实现了对多种类，多温位余热多级分段整合利用，对CO2流量动态调节，不同温位采出以及在应对发电量波动，有很好的效果，并且系统高度集成减少换热过程中的不可逆损失，系统能耗降低明显，能源利用率显著提升，可广泛应用于带有碳捕集压缩领域。

Description

一种基于电厂内部能量回收的CO2压缩液化可调式复合系统
技术领域
本发明涉及一种基于电厂内部能量回收的CO2压缩液化可调式复合系统，属于能源与环境技术领域。
背景技术
目前，世界能源消耗的80％仍来自化石燃料，其中火力发电厂是导致温室气体效应的一个重要部分。可再生能源虽然正在兴起，但不能满足当下经济社会发展的需求。因此，在低碳经济的转型关头，CCS(Carbon Capture and Storage)技术成为破解的突破口。CCS技术可以有效地减少来自大型发电厂排放源所产生的二氧化碳排放量，在能源危机，全球变暖的情况下，碳补集电厂成为大势所趋，并且提高不可再生能源利用率显的尤为重要。
捕集CO2需要将其压缩至不同高压(80bar-150bar不等；)使其变成液态，用于长距离运输，地下驱油等。多级压缩是目前比较成熟的技术方案，由于压缩机级间温度不高，冷源采用冷却水，这种方法虽然设备简单，操作方便，但能耗过高。目前，有通过制冷循环，来降低压缩过程功耗，但是能耗依然居高不下，并且外部氨循环制冷，必须采用精馏设备，结构非常复杂，而且氨水是一种在高温工作的工质对，因此对于内部能量回收意义不大；
对于压缩机级间余热浪费，以及需要额外冷却水，仍没有较好的解决方法。并且电厂CO2捕集完全处于一种静态状态，难以应对电厂发电量波动以及CO2产需动态调整。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的不足之处，以及提供本发明的首要目的在于提供一种基于电厂内部能量回收的CO2压缩液化可调式复合系统。实现了对多种类，多温位余热能的充分利用，对电能削峰填谷，对CO2流量动态调节，以及在应对发电量波动，有很好的效果，并且减少换热过程中的不可逆损失，系统能耗降低明显，能源利用率显著提升。
本发明的技术方案：
一种基于电厂内部能量回收的CO2压缩液化可调式复合系统，分为可调式CO2压缩液化单元和内部能量集成系统两部分；可调式CO2压缩液化单元包括分液罐Ⅰ、第一压缩机、第一换热器、分液罐Ⅱ、第二压缩机、第二换热器、分液罐Ⅲ、混合器Ⅰ、第三压缩机、第三换热器、第四换热器、第五换热器、三通阀、冷侧蒸发器、分流器Ⅰ、分液罐Ⅳ、节流阀Ⅰ、分液罐Ⅴ和CO2加压泵Ⅰ；
CO2原料经分液罐Ⅰ分液后，气相进入第一压缩机压缩，再经第一换热器与来自分流器Ⅱ的第一股工质进行热交换，并降温至常温；之后进入分液罐Ⅱ，罐顶气相组分进入第二压缩机压缩，经第二换热器与来自分流器Ⅱ的第二股工质进行热交换后，进入分液罐Ⅲ；分液罐Ⅲ罐顶气相组分进入混合器Ⅰ，在混合器Ⅰ处与用于系统内部冷却的CO2混合、之后进入第三压缩机压缩，经第三换热器与来自分流器Ⅱ的第三股工质进行热交换，降温至常温；再经第四换热器与来自分液罐Ⅴ顶部低温CO2换热，内部制冷工质显冷在第四换热器中释放，之后CO2经第五换热器与来自分液罐Ⅴ底部低温CO2换热，分液罐Ⅴ罐底液相潜冷在第五换热器中释放，将CO2冷凝至低温；之后进入三通阀，三通阀有端口a、端口b和端口c，选择端口a、端口b即为选择内部制冷，CO2通过分流器Ⅰ后，经节流阀Ⅰ降温降压并进入分液罐Ⅴ分液；分液罐Ⅴ罐顶气相进入第四换热器与来自第三换热器的CO2进行换热后，与来自分液罐Ⅲ的CO2进行混合，完成内部制冷；选择端口a、端口c，CO2首先进入冷侧蒸发器与来自节流阀Ⅱ的有机工质制冷剂进行换热，之后进入分流器Ⅲ；分两种情况：①CO2全部进入分液罐Ⅳ，此时系统全部通过外部制冷，经CO2加压泵Ⅰ加压至超临界，与经第五换热器的CO2换热后，经CO2加压泵Ⅱ采出；②一部分CO2进入分液罐Ⅳ，通过调节分流器Ⅰ调节CO2循环量以及采出量，并且根据需求进行不同温度CO2采出，此时系统通过内外部结合制冷，其中一股通过分流器Ⅰ后，经节流阀Ⅰ降温降压并进入分液罐Ⅴ分液；分液罐Ⅴ罐顶气相进入第四换热器与来自第三换热器的CO2进行换热后，与来自分液罐Ⅲ的CO2进行混合，进行内部循环；另一股经CO2加压泵Ⅰ加压至超临界，罐底气相进入第五换热器与来自第四换热器的CO2进行换热后，经CO2加压泵Ⅱ采出；分液罐Ⅳ和分液罐Ⅴ罐底通过混合器Ⅱ混合；
内部能量集成系统包括工质泵、分流器Ⅱ、混合器Ⅲ、第六换热器、膨胀机、混合器Ⅳ、冷凝器、分流器Ⅲ、节流阀Ⅱ、第四压缩机和发电机组；
有机工质经冷凝器冷凝至饱和液相；经分流器Ⅲ分成两股，其中一股有机工质经工质泵加压后，再进入分流器Ⅱ，分为三股，有机工质分别与第一换热器、第二换热器、第三换热器)进行热交换，升温后在混合器Ⅲ处等压混合、再经第六换热器换热在出口达到过热状态，随后有机工质进入膨胀机做功、膨胀机出口排气经混合器Ⅳ与来自第四压缩机混合、冷凝器冷凝至饱和液相，完成动力侧循环；制冷循环：另一股工质经节流阀Ⅱ节流膨胀至低温低压，用于主路循环CO2降温冷凝，有机工质由饱和液相变为饱和气相，冷侧蒸发器出口低温低压饱和气体进入到第四压缩机压缩，第四压缩机排气经混合器Ⅳ混合，进入冷凝器冷凝完成制冷循环。
本发明的有益效果：
(1)本发明是一种利用电厂内部多种类、大温差余热能集成的CO2可调式复合循环。在内部能量回收过程，工质与热源形成一个分级多段的温度匹配，回收大部分余热，损失大幅度降低，提高了复合循环的能源利用率。在节能减排方面获得较大收益，为带有CCS系统的电站的可持续发展提供能源支持。
(2)本发明工质选择本着低ODP、低GWP、高效的宗旨。本发明采用R290作为工质，同时也可根据工程实际情况，也可采其他工质，包括R1234yf、R227ea、R600、R600a等有机工质。
(3)本发明集成度高，整个循环中使用一种工质，避免多种工质，多种结构导致的系统冗杂，同时内部能量回收系统中膨胀机与压缩机同轴，避免能量转换中的消耗，在简化系统结构的基础上，提高能源利用率。系统使用方便灵活性好，并且易于控制，避免了多独立循环回路控制难的问题。
(4)本发明中，所述的一种基于电厂内部能量回收的CO2压缩液化可调式复合系统，可根据电网以及CO2需求量，切换至不同运行模式。可根据电厂实际情况调节不同类型，不同比例能量需求，以及动态控制CO2产量。
附图说明
图1是本发明一种基于电厂内部能量回收的CO2压缩液化可调式复合系统的示意图。
图中：1分液罐Ⅰ；2第一压缩机；3第一换热器；4分液罐Ⅱ；5第二压缩机；6第二换热器；7分液罐Ⅲ；8混合器Ⅰ；9第三压缩机；10第三换热器；11第四换热器；12第五换热器；13三通阀；14冷侧蒸发器；15分流器Ⅰ；16分液罐Ⅳ；17节流阀Ⅰ；18分液罐Ⅴ；19混合器Ⅱ；20CO2加压泵Ⅰ；21工质泵；22分流器Ⅱ；23混合器Ⅲ；24第六换热器；25膨胀机；26混合器Ⅳ；27冷凝器；28分流器Ⅲ；29节流阀Ⅱ；30第四压缩机；31发电机组；32CO2加压泵Ⅱ；ACO2低温采出；BCO2中低温采出；CCO2常温采出。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例
一种基于电厂内部能量回收的CO2压缩液化可调式复合系统，分为可调式CO2压缩液化单元和内部能量集成系统两部分；
可调式CO2压缩液化单元包括分液罐Ⅰ、第一压缩机、第一换热器、分液罐Ⅱ、第二压缩机、第二换热器、分液罐Ⅲ、混合器Ⅰ、第三压缩机、第三换热器、第四换热器、第五换热器、三通阀、冷侧蒸发器、分流器Ⅰ、分液罐Ⅳ、节流阀Ⅰ、分液罐Ⅴ和CO2加压泵Ⅰ；
内部能量集成系统包括工质泵、分流器Ⅱ、混合器Ⅲ、第六换热器、膨胀机、混合器Ⅳ、冷凝器、分流器Ⅲ、节流阀Ⅱ、第四压缩机和发电机组；
内部集成系统中的有机工质经冷凝器冷凝至饱和液相。经分流器Ⅲ分成两股，其中一股有机工质经工质泵加压后，进入分流器Ⅱ、(由于三个压缩机出口温位大致相同，我们选择将物流平分为三股)有机工质分别与第一换热器、第二换热器、第三换热器进行热交换，升温后在混合器Ⅲ处等压混合、再经第六换热器换热在出口达到过热状态，随后有机工质进入膨胀机做功、膨胀机出口排气经混合器Ⅲ与来自压缩机、冷凝器冷凝至饱和液相，完成动力侧循环。制冷循环：另一股工质经节流阀Ⅱ节流膨胀至低温低压，用于主路循环CO2降温冷凝，有机工质由饱和液相变为饱和气相，换热器出口低温低压饱和气体进入到第四压缩机压缩，第四压缩机排气经混合器Ⅳ混合，进入冷凝器冷凝完成制冷循环。
本系统中内部冷凝的方法，通过将低温高压CO2，进行节流降温降压，产生大量冷能，对进入第四换热器、第五换热器的CO2进行冷凝，之后进入混合器Ⅰ，完成循环。
本系统中，通过内部循环在一定时间内控制CO2采出，原理如下：当外部采出CO2量改变时，可以通过增加内部冷却循环侧的分流器Ⅰ阀开度，增加CO2循环量，波动范围在一定范围一定时间内，系统可以自主进行调控。
下面结合实际生产，对本发明做一下详细说明。
对比例子中，以500MW燃气电厂碳捕集压缩技术为例，选取初态为40℃，100kPa，组分为CO2:95.8％；H2O:4.16％；O2:0.01％；N2:0.03％；处理量为143411.8kg/h的CO2气体为研究对象，需将其压缩至150bar超临界状态，使用目前较为经济的三级压缩+冷凝的形式，压缩比为3，压缩机效率为0.75，为了将本系统与之前提到系统(16.8MW)进行对比，下面将给出，本案例就内部外部冷凝结合的一个状态给出详细表述。
1.CO2原料从入口(40℃，1bar)进入分液罐Ⅰ1，气相进入第一压缩机2压缩，出口状态为(147.3℃，300kPa)，经过第一换热器3与回收系统工质进行热交换，经换热器降温至40℃，之后进入分液罐Ⅱ4，罐顶气相组分进入第二压缩机5，压缩至(147.5℃，900kPa)，经第二换热器6冷凝至(40℃，900kPa)之后进入分液罐Ⅲ7，罐顶气相组分进入混合器Ⅰ8，在混合器Ⅰ8处与用于系统内部冷却的CO2混合、之后进入第三压缩机9，压缩至(147.5℃，900kPa)。经第三换热器10降温至(40℃，2700kPa)，经第四换热器11与来自分液罐Ⅴ18顶部低温CO2换热(内部制冷工质显冷在第四换热器中释放)，之后CO2经第五换热器与来自分液罐Ⅴ底部低温CO2换热(分液罐Ⅴ罐底液相潜冷在第五换热器中释放)将CO2冷凝至(-7.709℃，2700kPa)、随后经第五换热器12出口与三通阀13入口相连，三通阀(13)在本例中CO2选择通过端口a、端口c，进入冷侧蒸发器14继续降温完全为液相、至(-9.299℃，2700kPa)，进入分流器15(本案例中分流器分流比为1:1)，其中一股经节流阀Ⅰ17节流膨胀、经节流阀降温降压至(-42℃，900kPa)，随后经分液罐Ⅴ18分液，气相经罐顶至第四换热器11换热完成内部循环。另一股进入分液罐Ⅳ16，两个分液罐16、18罐底液相CO2进入混合器Ⅱ19混合至(-21℃、2700kPa)、液体CO2经加压泵Ⅰ21加压，至(-18℃，7500kPa)，经第五换热器12热侧CO2换热释放冷量，最后经CO2加压泵Ⅱ21加压，至(20℃，15000kPa)，由出口CO2采出。
2.内部集成系统中的有机工质(40℃，1373kPa)经冷凝器27冷凝后由分流器Ⅲ28分成两股，其中一股工质经工质泵21加压至(46.83℃，1373kPa)后，进入分流器Ⅱ22、(由于三个压缩机出口温位大致相同，我们选择将物流平分为三股)工质经换热器升温后在混合器Ⅲ23处等压混合、经第六换热器24换热在出口达到过热状态至(144℃，6520kPa)，之后有机工质进入膨胀机25做功、膨胀机出口(62.01℃，1373kPa)工质经混合器Ⅲ26、冷凝器27冷凝后(40℃，1373kPa)、冷凝器出口连接分流器Ⅲ28之后回到工质泵，完成动力侧循环。制冷循环：另一股工质经节流阀Ⅱ29节流膨胀至(8.21℃，604kPa)、用于主路循环CO2降温冷凝，有机工质由饱和液相变为饱和气相(8.21℃，604kPa)，换热器出口低温低压饱和气体进入到第四压缩机30，压缩至(47.25℃，1373kPa)，完成制冷循环。压缩机耗功主要来自于膨胀机做功。膨胀机25和第四压缩机30排气经混合器Ⅳ26混合(59.73℃，1373kPa)，进入冷凝器27冷凝完成制冷循环。(系统中有机工质制冷原理是采用蒸汽压缩式，利用电厂内部能量集成驱动膨胀机25做功，不需外部电能辅助。膨胀机所获得机械能，通过传动装置传递给压缩机30驱动制冷循环，剩余机械能带动发电机组进行发电。多余的机械能通过发电机组31输出电能，补偿系统压缩耗电)经计算，本系统在此过程中消耗电能总计5102kW，相较于传统三级压缩加冷凝液化的系统(总耗功16833kW)，有较大提升。
可以发现，系统在增加多种运行模式的同时，在系统整体能耗方面也有较大的降低，内部能量回收的CO2压缩液化可调式复合系统相较于带烟气余热回收的系统能耗降低20.2％，系统实现了CO2由低压至高压，不同温位CO2采出，以及产量动态调节，使系统提高了应对外界条件变化的能力。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于电厂内部能量回收的CO2压缩液化可调式复合系统，分为可调式CO2压缩液化单元和内部能量集成系统两部分；其特征在于，可调式CO2压缩液化单元包括分液罐Ⅰ(1)、第一压缩机(2)、第一换热器(3)、分液罐Ⅱ(4)、第二压缩机(5)、第二换热器(6)、分液罐Ⅲ(7)、混合器Ⅰ(8)、第三压缩机(9)、第三换热器(10)、第四换热器(11)、第五换热器(12)、三通阀(13)、冷侧蒸发器(14)、分流器Ⅰ(15)、分液罐Ⅳ(16)、节流阀Ⅰ(17)、分液罐Ⅴ(18)和CO2加压泵Ⅰ(20)；
CO2原料经分液罐Ⅰ(1)分液后，气相进入第一压缩机(2)压缩，再经第一换热器(3)与来自分流器Ⅱ(22)的第一股工质进行热交换，并降温至常温；之后进入分液罐Ⅱ(4)，罐顶气相组分进入第二压缩机(5)压缩，经第二换热器(6)与来自分流器Ⅱ(22)的第二股工质进行热交换后，进入分液罐Ⅲ(7)；分液罐Ⅲ(7)罐顶气相组分进入混合器Ⅰ(8)，在混合器Ⅰ(8)处与用于系统内部冷却的CO2混合、之后进入第三压缩机(9)压缩，经第三换热器(10)与来自分流器Ⅱ(22)的第三股工质进行热交换，降温至常温；再经第四换热器(11)与来自分液罐Ⅴ(18)顶部低温CO2换热，内部制冷工质显冷在第四换热器(11)中释放，之后CO2经第五换热器(12)与来自分液罐Ⅴ(18)底部低温CO2换热，分液罐Ⅴ(18)罐底液相潜冷在第五换热器(12)中释放，将CO2冷凝至低温；之后进入三通阀(13)，三通阀(13)有端口a、端口b和端口c，选择端口a、端口b即为选择内部制冷，CO2通过分流器Ⅰ(15)后，经节流阀Ⅰ(17)降温降压并进入分液罐Ⅴ(18)分液；分液罐Ⅴ(18)罐顶气相进入第四换热器(11)与来自第三换热器(10)的CO2进行换热后，与来自分液罐Ⅲ(7)的CO2进行混合，完成内部制冷；选择端口a、端口c，CO2首先进入冷侧蒸发器(14)与来自节流阀Ⅱ(29)的有机工质制冷剂进行换热，之后进入分流器Ⅲ(28)；分两种情况：①CO2全部进入分液罐Ⅳ(16)，此时系统全部通过外部制冷，经CO2加压泵Ⅰ(20)加压至超临界，与经第五换热器(12)的CO2换热后，经CO2加压泵Ⅱ(32)采出；②一部分CO2进入分液罐Ⅳ(16)，通过调节分流器Ⅰ(15)调节CO2循环量以及采出量，并且根据需求进行不同温度CO2采出，此时系统通过内外部结合制冷，其中一股通过分流器Ⅰ(15)后，经节流阀Ⅰ(17)降温降压并进入分液罐Ⅴ(18)分液；分液罐Ⅴ(18)罐顶气相进入第四换热器(11)与来自第三换热器(10)的CO2进行换热后，与来自分液罐Ⅲ(7)的CO2进行混合，进行内部循环；另一股经CO2加压泵Ⅰ(20)加压至超临界，罐底气相进入第五换热器(12)与来自第四换热器(11)的CO2进行换热后，经CO2加压泵Ⅱ(20)采出；分液罐Ⅳ(16)和分液罐Ⅴ(18)罐底通过混合器Ⅱ(19)混合；
内部能量集成系统包括工质泵(21)、分流器Ⅱ(22)、混合器Ⅲ(23)、第六换热器(24)、膨胀机(25)、混合器Ⅳ(26)、冷凝器(27)、分流器Ⅲ(28)、节流阀Ⅱ(29)、第四压缩机(30)和发电机组(31)；
有机工质经冷凝器(27)冷凝至饱和液相；经分流器Ⅲ(28)分成两股，其中一股有机工质经工质泵(21)加压后，再进入分流器Ⅱ(22)，分为三股，有机工质分别与第一换热器(3)、第二换热器(6)、第三换热器(10)进行热交换，升温后在混合器Ⅲ(23)处等压混合、再经第六换热器(24)换热在出口达到过热状态，随后有机工质进入膨胀机(25)做功、膨胀机(25)出口排气经混合器Ⅳ(26)与来自第四压缩机(30)混合、冷凝器(27)冷凝至饱和液相，完成动力侧循环；制冷循环：另一股工质经节流阀Ⅱ(29)节流膨胀至低温低压，用于主路循环CO2降温冷凝，有机工质由饱和液相变为饱和气相，冷侧蒸发器(14)出口低温低压饱和气体进入到第四压缩机(30)压缩，第四压缩机(30)排气经混合器Ⅳ(26)混合，进入冷凝器(27)冷凝完成制冷循环。
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