CN109372604B - 一种镁为载体的半闭式能量转换远传及固碳系统与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种镁为载体的半闭式能量转换远传及固碳系统，包括利用可再生能源电力电解镁的子系统、镁与二氧化碳反应发电子系统、固碳子系统。可再生能源电厂的冗余电力提供给电解镁厂，电解镁厂生产的镁通过远距离运输环节输送至使用地点。镁与二氧化碳在反应器中反应生成氧化镁和碳，反应热输入超临界二氧化碳循环用于发电。镁与二氧化碳反应生成氧化镁给氧化镁固碳装置，氧化镁固碳装置中的碳酸化反应热传递给二氧化碳循环用于发电。本发明还提供了一种镁为载体的半闭式能量转换远传及固碳方法。本发明可大量消纳可再生能源，可实现能量的大规模远距离传输，可高效率发电，可固定二氧化碳。
Description
技术领域
本发明涉及一种镁为载体的半闭式能量转换远传及固碳系统与方法，属于新能源技术领域。
背景技术
当今社会正在经历一场前所未有的能源革命，一方面可再生能源替代常规化石能源全面进入工业生产和日常生活中的用能领域，另一方面能源的载体变得更加多样化，电、热、氢，以及含能材料都是能源载体。能源技术日新月异，但也带来不容忽视的矛盾和冲突。我国西部地区和三北地区是太阳能、风能、水能等可再生能源富集区域，但是，这些新能源无法被电网消纳，弃风、弃光、弃水的情况相当突出，造成严重的资源浪费。东部地区工业发达，人口密集，但是可再生能源少，化石能源的大量使用带来严重的大气污染问题和大量的碳排放，制约了社会的高质量发展进程。
如何将西部地区和三北地区的可再生能源高效地转移至东部地区，如何减少排放，是急需解决的重要问题。目前来看，可再生能源制氢，然后远距离输送氢，这是一条可行的途径，但是，成本很高，还存在安全问题。因此，还必须寻找其他的能量转换、远传方式，并且减少碳排放，实现更好的综合效益。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能量转换、远传方式，并且减少碳排放，实现更好的综合效益。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种镁为载体的半闭式能量转换远传及固碳系统，其特征在于：包括利用可再生能源电力电解镁的子系统、镁与二氧化碳反应发电子系统、固碳子系统；
所述利用可再生能源电力电解镁的子系统包括可再生能源发电厂和电解镁厂，可再生能源发电厂的冗余电力输送系统与电解镁厂连接，电解镁厂通过运输环节连接镁供给装置；
所述镁与二氧化碳反应发电子系统包括超临界二氧化碳循环回路和镁与二氧化碳的反应器；所述超临界二氧化碳循环回路包括压缩机，压缩机出口分为三路，第一路连接低温回热器低温侧进口，第二路与氧化镁固碳装置进口连接，第三路与燃烧产物收集器二氧化碳侧进口连接；低温回热器低温侧出口与氧化镁固碳装置出口汇合后与高温回热器低温侧进口连接，高温回热器低温侧出口与燃烧产物收集器二氧化碳侧出口汇合后连接所述反应器二氧化碳进口，所述反应器二氧化碳出口连接除尘器进口，除尘器出口连接透平进口，透平出口连接高温回热器高温侧进口，高温回热器高温侧出口连接低温回热器高温侧进口，低温回热器高温侧出口连接预冷器进口，预冷器出口连接压缩机进口；发电机连接透平；所述反应器燃烧固体产物出口连接燃烧产物收集器进口，镁供给装置连接所述反应器镁进口；二氧化碳供给装置连接压缩机进口；
所述固碳子系统包括氧化镁固碳装置和二氧化碳供给装置，燃烧产物收集器出口连接氧化镁固碳装置固体进口，二氧化碳供给装置连接氧化镁固碳装置气体进口。
优选地，所述高温回热器高压侧二氧化碳旁路出口连接所述反应器旁路二氧化碳进口和透平进口。
本发明还提供了一种镁为载体的半闭式能量转换远传及固碳方法，其特征在于：采用上述的一种镁为载体的半闭式能量转换远传及固碳系统，步骤为：
步骤1：可再生能源电厂的冗余电力提供给电解镁厂，电解镁厂生产的镁通过运输环节输送至使用地点的镁供给装置；
步骤2：镁供给装置向反应器输入镁，镁与二氧化碳在反应器中反应生成氧化镁和碳，2Mg+CO2＝2MgO+C，反应器释放的热量传递给进入反应器的旁路二氧化碳工质；
步骤3：压缩机出口的二氧化碳工质分为三路，第一路进入低温回热器，第二路进入氧化镁固碳装置吸收碳酸化反应热，第三路进入燃烧产物收集器吸收燃烧产物余热，低温回热器和氧化镁固碳装置出来的两路二氧化碳工质汇合进入高温回热器，高温回热器出来的二氧化碳工质与燃烧产物收集器出来的二氧化碳工质汇合，再进入反应器吸热，再进入透平膨胀做功，推动发电机产生电能，透平排气进入高温回热器和低温回热器将部分热量传递给二氧化碳工质后，再经预冷器冷却，最后返回到压缩机；
步骤4：二氧化碳供给装置向压缩机和氧化镁固碳装置输入二氧化碳，反应器输出固体产物进入燃烧产物收集器，分离出的氧化镁进入氧化镁固碳装置，氧化镁固碳装置中发生碳酸化反应MgO+CO2＝MgC，碳酸化反应热传递给二氧化碳工质。
优选地，所述步骤1中，电解镁厂电解镁的原料为氯化镁。
优选地，所述步骤2中，反应器中镁与二氧化碳的反应温度为800-1400℃，压力为20-40MPa。
优选地，所述步骤3中，高温回热器高压侧抽出部分二氧化碳工质用于冷却反应器和透平。
优选地，所述步骤4中，氧化镁固碳装置中的碳酸化反应温度为200-500℃，压力为8MPa以上。
相比现有技术，本发明提供的镁为载体的半闭式能量转换远传及固碳系统具有如下有益效果：
1、可大量消纳可再生能源，特别是，我国的青海省太阳能发电、风电、水电都很丰富，又是电解镁原料氯化镁的原料地，电解镁产业非常发达，电解镁厂可以就地大量消纳可再生能源电力，将电能以较高的效率转换为镁，从而避免弃风、弃光、弃水问题。
2、可实现能量的大规模远距离传输，镁是轻质金属，化学性质稳定，无毒无害，镁为载体的大规模能量传输方式既经济又安全。
3、可高效率发电，镁与二氧化碳的反应释放的高温反应热可用于直接加热二氧化碳工质进行高效率发电，镁转换电，又变回能量。
4、可固定二氧化碳，镁与二氧化碳的反应生成氧化镁和碳，氧化镁通过化学工艺吸收二氧化碳，生成非常稳定的碳酸镁，这是一种永久、稳定的固碳方式，并且释放的反应热也可利用，1吨镁可固定二氧化碳约2.7吨。
附图说明
图1为本实施例提供的镁为载体的半闭式能量转换远传及固碳系统示意图；
附图标记说明：
1-压缩机，2-低温回热器，3-氧化镁固碳装置，4-燃烧产物收集器，5-高温回热器，6-反应器，7-除尘器，8-透平，9-发电机，10-预冷器，11-可再生能源发电厂，12-电解镁厂，13-运输环节，14-镁供给装置，15-二氧化碳供给装置。
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为本实施例提供的镁为载体的半闭式能量转换远传及固碳系统示意图，所述的镁为载体的半闭式能量转换远传及固碳系统包括可再生能源发电厂11，可再生能源发电厂11将冗余的电力输送给电解镁厂12，电解镁厂12生产镁，并通过远距离的传输环节13输送至使用地点。电解镁的原料氯化镁可来自西部的盐湖。
超临界二氧化碳循环回路中，压缩机1出口分为三路，第一路连接低温回热器2低温侧进口，第二路与氧化镁固碳装置3进口连接，第三路与燃烧产物收集器4二氧化碳侧进口连接；低温回热器2低温侧出口与氧化镁固碳装置3出口汇合后与高温回热器5低温侧进口连接，高温回热器5低温侧出口与燃烧产物收集器4二氧化碳侧出口汇合后连接反应器6二氧化碳进口，反应器6二氧化碳出口连接除尘器7进口，除尘器7出口连接透平8进口，透平8出口连接高温回热器5高温侧进口，高温回热器5高温侧出口连接低温回热器2高温侧进口，低温回热器2高温侧出口连接预冷器10进口，预冷器10出口连接压缩机1进口；发电机9连接透平8。所述反应器6燃烧固体产物出口连接燃烧产物收集器4进口，镁供给装置14连接反应器6镁进口。二氧化碳供给装置15连接压缩机1进口。
所述固碳子系统包括氧化镁固碳装置3和二氧化碳供给装置15，反应器6固体产物出口连接氧化镁固碳装置3固体进口，二氧化碳供给装置15连接氧化镁固碳装置3气体进口。
所述的镁为载体的半闭式能量转换远传及固碳系统的实施方法为：
可再生能源电厂11的冗余电力提供给电解镁厂12，电解镁的原料为氯化镁可来自西部的盐湖，电解镁厂12生产的镁通过远距离的运输环节13输送至使用地点。
镁与二氧化碳在反应器6中反应生成氧化镁和碳，镁供给装置14向反应器6输入镁，反应器6释放的热量传递给进入反应器6的其余二氧化碳工质。
压缩机1出口的二氧化碳工质分为三路，第一路进入低温回热器2，第二路进入氧化镁固碳装置3吸收碳酸化反应热，第三路进入燃烧产物收集器4吸收燃烧产物余热，低温回热器2和氧化镁固碳装置3出来的两路二氧化碳工质汇合进入高温回热器5，高温回热器5出来的二氧化碳工质与燃烧产物收集器4出来的二氧化碳工质汇合，再进入反应器6吸热，再进入透平8膨胀做功，推动发电机9产生电能，透平8排气进入高温回热器5和低温回热器2将部分热量传递给二氧化碳工质后，再经预冷器10冷却，最后返回到压缩机1。
二氧化碳供给装置15向压缩机1和氧化镁固碳装置3输入二氧化碳，反应器6输出固体产物进入燃烧产物收集器4，分离出的氧化镁进入氧化镁固碳装置3，氧化镁固碳装置3中的碳酸化反应热传递给二氧化碳工质。
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 (6)
1.一种镁为载体的半闭式能量转换远传及固碳方法，其特征在于：采用镁为载体的半闭式能量转换远传及固碳系统，其包括利用可再生能源电力电解镁的子系统、镁与二氧化碳反应发电子系统、固碳子系统；
所述利用可再生能源电力电解镁的子系统包括可再生能源发电厂(11)和电解镁厂(12)，可再生能源发电厂(11)的冗余电力输送系统与电解镁厂(12)连接，电解镁厂(12)通过运输环节(13)连接镁供给装置(14)；
所述镁与二氧化碳反应发电子系统包括超临界二氧化碳循环回路和镁与二氧化碳的反应器(6)；所述超临界二氧化碳循环回路包括压缩机(1)，压缩机(1)出口分为三路，第一路连接低温回热器(2)低温侧进口，第二路与氧化镁固碳装置(3)进口连接，第三路与燃烧产物收集器(4)二氧化碳侧进口连接；低温回热器(2)低温侧出口与氧化镁固碳装置(3)出口汇合后与高温回热器(5)低温侧进口连接，高温回热器(5)低温侧出口与燃烧产物收集器(4)二氧化碳侧出口汇合后连接所述反应器(6)二氧化碳进口，所述反应器(6)二氧化碳出口连接除尘器(7)进口，除尘器(7)出口连接透平(8)进口，透平(8)出口连接高温回热器(5)高温侧进口，高温回热器(5)高温侧出口连接低温回热器(2)高温侧进口，低温回热器(2)高温侧出口连接预冷器(10)进口，预冷器(10)出口连接压缩机(1)进口；发电机(9)连接透平(8)；所述反应器(6)燃烧固体产物出口连接燃烧产物收集器(4)进口，镁供给装置(14)连接所述反应器(6)镁进口；二氧化碳供给装置(15)连接压缩机(1)进口；
所述固碳子系统包括氧化镁固碳装置(3)和二氧化碳供给装置(15)，燃烧产物收集器(4)出口连接氧化镁固碳装置(3)固体进口，二氧化碳供给装置(15)连接氧化镁固碳装置(3)气体进口；
所述方法的步骤为：
步骤1：可再生能源电厂(11)的冗余电力提供给电解镁厂(12)，电解镁厂(12)生产的镁通过运输环节(13)输送至使用地点的镁供给装置(14)；
步骤2：镁供给装置(14)向反应器(6)输入镁，镁与二氧化碳在反应器(6)中反应生成氧化镁和碳，2Mg+CO2＝2MgO+C，反应器(6)释放的热量传递给进入反应器(6)的旁路二氧化碳工质；
步骤3：压缩机(1)出口的二氧化碳工质分为三路，第一路进入低温回热器(2)，第二路进入氧化镁固碳装置(3)吸收碳酸化反应热，第三路进入燃烧产物收集器(4)吸收燃烧产物余热，低温回热器(2)和氧化镁固碳装置(3)出来的两路二氧化碳工质汇合进入高温回热器(5)，高温回热器(5)出来的二氧化碳工质与燃烧产物收集器(4)出来的二氧化碳工质汇合，再进入反应器(6)吸热，再进入透平(8)膨胀做功，推动发电机(9)产生电能，透平(8)排气进入高温回热器(5)和低温回热器(2)将部分热量传递给二氧化碳工质后，再经预冷器(10)冷却，最后返回到压缩机(1)；
步骤4：二氧化碳供给装置(15)向压缩机(1)和氧化镁固碳装置(3)输入二氧化碳，反应器(6)输出固体产物进入燃烧产物收集器(4)，分离出的氧化镁进入氧化镁固碳装置(3)，氧化镁固碳装置(3)中发生碳酸化反应MgO+CO2＝MgCO3，碳酸化反应热传递给二氧化碳工质。
2.如权利要求1所述的一种镁为载体的半闭式能量转换远传及固碳方法，其特征在于：所述高温回热器(5)高压侧二氧化碳旁路出口连接所述反应器(6)旁路二氧化碳进口和透平(8)进口。
3.如权利要求1所述的一种镁为载体的半闭式能量转换远传及固碳方法，其特征在于：所述步骤1中，电解镁厂(12)电解镁的原料为氯化镁。
4.如权利要求1所述的一种镁为载体的半闭式能量转换远传及固碳方法，其特征在于：所述步骤2中，反应器(6)中镁与二氧化碳的反应温度为800-1400℃，压力为20-40MPa。
5.如权利要求1所述的一种镁为载体的半闭式能量转换远传及固碳方法，其特征在于：所述步骤3中，所述高温回热器(5)高压侧抽出部分二氧化碳工质用于冷却反应器(6)和透平(8)。
6.如权利要求1所述的一种镁为载体的半闭式能量转换远传及固碳方法，其特征在于：所述步骤4中，氧化镁固碳装置(3)中的碳酸化反应温度为200-500℃，压力为8MPa以上。
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