CN110761863A - 一种利用矿井回风瓦斯和煤泥低值热能的超临界co2热电联产系统 - Google Patents

Abstract

一种利用矿井回风瓦斯和煤泥低值热能的超临界CO₂热电联产系统，包括：混合燃烧炉，实现煤泥和回风瓦斯在其中的混合燃烧，产生热能；SCO₂动力发电装置，吸收混合燃烧炉产生的热能，并将其转化为机械能驱动发电机输出电能；TCO₂热泵装置，利用SCO₂动力发电装置排出的低品位热能，产生高温热能；煤炭烘干装置，利用TCO₂热泵装置的高温热能，去除煤炭中的水分。本发明能够回用煤矿产生的大量废弃低浓度瓦斯和煤泥，为煤矿作业提供电力和热能供应，促进煤炭清洁、节能开采，提高了一次能源的利用效率，减少了环境污染，且该系统具有结构紧凑，能量转化率高，工质环保等优点。

Description

一种利用矿井回风瓦斯和煤泥低值热能的超临界CO2热电联产 系统

技术领域

本发明属于节能减排技术领域，涉及一种超临界CO₂热电联产系统，特别涉及一种利用矿井回风瓦斯和煤泥低值热能的超临界CO₂热电联产系统。

背景技术

煤炭依然是当前世界主要的一次能源之一，煤炭生产过程中会产生大量含低浓度甲烷的回风瓦斯以及高水、高灰的低热值煤泥。这两种副产物的工业利用价值低，通常采用直接排弃的处理方式，造成了能源浪费和环境污染。因此，实现回风瓦斯和煤泥的有效回收利用，对提高煤炭能源利用率和缓解环境污染具有重要的意义。

供电和供热是煤矿生产的必要需求，当前煤矿生产供电主要靠电网，难以满足煤矿对供电可靠性、供电质量和供电经济性的高要求。另外，当前煤矿生产供热主要靠区域锅炉房，系统能耗高，污染严重。而回风瓦斯甲烷浓度低(0-1％)，煤泥热值低(8.37～18.84MJ/kg)，两者单独利用的工业价值极低。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，煤矿生产对电能和热能的需求，实现节能减排，本发明的目的在于提供一种利用矿井回风瓦斯和煤泥低值热能的超临界CO₂热电联产系统，将SCO₂布雷顿循环与TCO₂朗肯循环有机结合，实现了一套系统两种功能(供电和供热)，通过SCO₂布雷顿循环将热能高效的转化为电能，并以TCO₂朗肯循环为底循环，使得SCO₂布雷顿循环排放的低品位热能的温度显著提升，满足煤矿生产对高温热源的需求。该系统循环以CO₂为工质，具有卓越的热物理性质和环境友好性，能源转化效率高，系统部件结构紧凑，具有良好的应用前景。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种利用矿井回风瓦斯和煤泥低值热能的超临界CO₂热电联产系统，包括：

混合燃烧炉3，实现煤泥和回风瓦斯在其中的混合燃烧，产生热能；

SCO₂动力发电装置，吸收混合燃烧炉3产生的热能，并将其转化为机械能驱动发电机6输出电能；

TCO₂热泵装置，利用SCO₂动力发电装置排出的低品位热能，产生高温热能；

煤炭烘干装置10，利用TCO₂热泵装置的高温热能，去除煤炭中的水分。

所述混合燃烧炉3配备有煤泥给料机1和鼓风机2，实现煤泥和回风瓦斯的自动供给，其中，所述鼓风机2布置在矿井排风管道支路中。

所述SCO₂动力发电装置包括SCO₂布雷顿循环装置4，其蒸汽管内的CO₂工质在混合燃烧炉3中加热加压，高压高温的CO₂工质在SCO₂布雷顿循环装置4中膨胀做功，将热能转化为机械能，并传递给发电机6，将机械能转化为电能输出；所述SCO₂布雷顿循环装置4排出的低压低温CO₂工质进入气体冷却器5中放热，并返回SCO₂布雷顿循环装置4，CO₂工质被驱动再次进入混合燃烧炉3，完成一次循环。

所述SCO₂动力发电装置采用再压缩布雷顿循环，CO₂工质一直处于超临界状态。

CO₂工质在混合燃烧锅炉3内吸收煤泥和回风瓦斯混合燃烧释放的热量达到高压高温状态，然后进入膨胀机13将热能转化为机械能，并带动发电机6产生电能，膨胀机13排出的低压低温CO₂蒸气依次经过高温回热器15和低温回热器14，并在两个换热器中再次被冷却，将热量传递给低温侧的CO₂工质，从而提高系统效率；冷却后的CO₂工质分为两路，其中第一路进入气体冷却器5，将余热传递给底循环即TCO₂朗肯循环，然后经1号压缩机11驱动，流经低温回热器14和高温回热器15的低温侧返回混合燃烧炉3，另一路进入2号压缩机12，然后在高温回热器15的低温侧入口与第一路CO₂工质混合。

所述TCO₂热泵装置包括3号压缩机7，SCO₂动力发电装置通过气体冷却器5将余热传递给TCO₂朗肯循环，TCO₂朗肯循环中的CO₂工质流经气体冷却器5并吸热蒸发变为亚临界状态过热CO₂工质，亚临界状态过热CO₂工质在3号压缩机7中被压缩为超临界状态高温蒸气，超临界状态高温蒸气通过换热器8将高品位热能传递给煤炭烘干装置10，出换热器8的超临界状态低温CO₂工质流经电子膨胀阀9，状态变为亚临界状态的气液两相，然后再次返回气体冷却器5，完成一次循环。

所述气体冷却器5采用紧凑式印刷电路板换热器，所述换热器8为微通道换热器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)回收利用煤矿生产的废弃物(煤泥和回风瓦斯)，有效提高了一次能源的利用效率，并减少了对环境的污染。

(2)相较于单独回收利用煤泥或回风瓦斯，将两者同时回收，混合利用，有效提高了两种废弃物的工业利用价值，降低了利用难度。

(3)顶循环采用SCO₂布雷顿循环能够有效提高能源转化效率。SCO₂卓越的热物性使该系统具备了结构紧凑、环境友好性等优点。

(4)底循环采用TCO₂朗肯循环，能够实现与SCO₂布雷顿循环排放余热的最佳匹配，在提供更高温度热能供应的同时，保持高的循环热效率。

(5)该系统具备两种功能，能够同时为煤矿生产提供电能和热能。

(6)该系统集成化程度高，对安装场所等条件要求低。

(7)该系统采用分布式能源系统概念，有效避免了传统煤矿生产使用电网供电存在的输电距离远、投资成本高、维护任务重等问题。

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图。

图2是本发明超临界CO₂再压缩布雷顿循环装置结构示意图。

图3是本发明的回风瓦斯输送管道结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

如图1所示，本发明一种利用矿井回风瓦斯和煤泥低值热能的超临界CO₂热电联产系统，包括混合燃烧炉3、SCO₂动力发电装置4、TCO₂热泵装置和煤炭烘干装置10。

混合燃烧炉3配备有煤泥给料机1和鼓风机2，分别将煤矿产出的煤泥和矿井排出的低浓度瓦斯送入炉内混合燃烧，实现煤泥和回风瓦斯的自动供给，同时利用回风瓦斯和煤泥获得较高热值，混合燃烧炉3内，瓦斯和煤泥混合燃烧产生的热能将蒸汽管内的CO₂工质加热加压。

SCO₂动力发电装置吸收混合燃烧炉3产生的热能，并将其高效转化为机械能驱动发电机输出电能。即，混合燃烧炉3内加热加压的CO₂工质进入SCO₂布雷顿循环装置4，高温高压的CO₂工质膨胀做功，将热能转化为机械能，然后传递给发电机6，将机械能转化为电能输出。SCO₂布雷顿循环装置4排出的低压低温CO₂工质进入气体冷却器5中放热，并返回SCO₂布雷顿循环装置4，然后CO₂工质被驱动再次进入混合燃烧炉3，完成一次循环。

TCO₂热泵装置利用SCO₂动力发电装置排出的低品位热能，产生高温热能，并传输给煤炭烘干装置10，去除煤炭中的水分。其中，TCO₂热泵装置中亚临界状态的CO₂工质吸收SCO₂动力发电装置排出的低品位热能，经压缩机压缩到超临界、高温状态。

即，在气体冷却器5中，SCO₂布雷顿循环将余热传递给TCO₂朗肯循环。具体地，在气体冷却器5的低温侧，TCO₂朗肯循环中的CO₂工质吸热蒸发，得到亚临界状态过热CO₂工质，然后进入3号压缩机7。亚临界状态过热CO₂工质在3号压缩机7中被压缩为超临界状态高温蒸气。超临界状态高温蒸气进入换热器8，将高品位热能传递给煤炭烘干装置10，而CO₂自身被冷却得到超临界状态低温CO₂工质。超临界状态低温CO₂工质流经电子膨胀阀9，状态变为亚临界状态的气液两相，然后再次返回气体冷却器5再次吸热蒸发，完成一次循环。

其中，SCO₂动力发电装置与TCO₂热泵装置间热量传递的气体冷却器5采用紧凑式印刷电路板换热器。换热器8为微通道换热器，TCO₂热泵装置通过该微通道换热器将CO₂工质中热量传递给煤炭，完成烘干工艺。

SCO₂动力发电装置采用再压缩布雷顿循环，如图1和图2所示，CO₂工质在混合燃烧锅炉3内吸收煤泥和回风瓦斯混合燃烧释放的热量达到高压高温状态，然后进入膨胀机13将热能转化为机械能，并带动发电机6产生电能。膨胀机13排出的低压低温CO₂蒸气依次经过高温回热器15和低温回热器14，并在两个换热器中再次被冷却，将热量传递给低温侧的CO₂工质，从而提高系统效率。冷却后的CO₂工质分为两路，其中一路进入气体冷却器5，将余热传递给底循环(TCO₂朗肯循环)，然后经1号压缩机11驱动，流经低温回热器14和高温回热器15的低温侧返回混合燃烧炉3。另一路进入2号压缩机12，然后在高温回热器15的低温侧入口与第一路CO₂工质混合，整个过程中CO₂工质一直处于超临界状态。

如图3所示，矿井排风管道16内安装一台主风机18，将矿井里的瓦斯和空气等的混合气体抽出，支路17内安装一台鼓风机2，将回风瓦斯鼓入混合燃烧炉3。支路设计能够在该系统停止时，确保矿井内的瓦斯气体顺利从主排风管道排出，确保矿井作业的安全性。

本发明的工作过程为：

煤泥给料机1和鼓风机2分别将煤泥和回风瓦斯送入混合燃烧炉3混合燃烧，对蒸汽管内的CO₂工质进行加热。待CO₂工质状态达到设计压力和温度值，高温高压的CO₂工质进入膨胀机13做功，并带动发电机6发电。膨胀机13排出的低压低温CO₂工质在气体冷却器5中将一部分余热传递给TCO₂朗肯循环，然后经SCO₂再压缩布雷顿循环返回混合燃烧炉3，完成一次循环。同时，在底循环(TCO₂朗肯循环)中，CO₂工质在气体冷却器5中吸热蒸发，然后经过3号压缩机7做功，变为高压高温蒸气，在换热器8中将热量传递给煤炭烘干装置，最后经过电子膨胀阀9返回气体冷却器5，完成一次循环。整个系统依此持续运行为煤矿生产提供电能和热能。

本发明与当前煤矿普遍采用供电与供热技术相比，实现了煤矿生产中废弃产物(回风瓦斯和煤泥)的高效综合回收利用，减少了环境污染，促进了煤炭生产用节能减排技术的发展。本发明采用分布式能源概念，将煤矿生产必须的供电与供热功能高度集成，实现供能与用能区域集中化，克服了传统供电与供热方式能源传输距离远、建设周期长、成本高、污染大、保障难等缺点。另外，本发明采用先进的SCO₂布雷顿循环与TCO₂朗肯循环，是系统具有较高的发电效率和供热品质。本发明实现了将煤矿废弃回风瓦斯和煤泥低值热能转化为煤矿作业所需的高品位电能和热能，提高了一次能源的利用效率，减少了环境污染，且该系统具有结构紧凑，能量转化率高，工质环保等优点。回收利用煤矿产生的大量废弃低浓度瓦斯和煤泥，为煤矿作业提供电力和热能供应，促进煤炭清洁、节能开采。

因此，采用本发明具有明显的经济效益和环境效益，能够实现煤炭生产过程更加节能减排。

Claims (7)

1.一种利用矿井回风瓦斯和煤泥低值热能的超临界CO₂热电联产系统，其特征在于，包括：

混合燃烧炉(3)，实现煤泥和回风瓦斯在其中的混合燃烧，产生热能；

SCO₂动力发电装置，吸收混合燃烧炉(3)产生的热能，并将其转化为机械能驱动发电机(6)输出电能；

TCO₂热泵装置，利用SCO₂动力发电装置排出的低品位热能，产生高温热能；

煤炭烘干装置(10)，利用TCO₂热泵装置的高温热能，去除煤炭中的水分。

2.根据权利要求1所述利用矿井回风瓦斯和煤泥低值热能的超临界CO₂热电联产系统，其特征在于，所述混合燃烧炉(3)配备有煤泥给料机(1)和鼓风机(2)，实现煤泥和回风瓦斯的自动供给，其中，所述鼓风机(2)布置在矿井排风管道支路中。

3.根据权利要求1所述利用矿井回风瓦斯和煤泥低值热能的超临界CO₂热电联产系统，其特征在于，所述SCO₂动力发电装置包括SCO₂布雷顿循环装置(4)，其蒸汽管内的CO₂工质在混合燃烧炉(3)中加热加压，高压高温的CO₂工质在SCO₂布雷顿循环装置(4)中膨胀做功，将热能转化为机械能，并传递给发电机(6)，将机械能转化为电能输出；所述SCO₂布雷顿循环装置(4)排出的低压低温CO₂工质进入气体冷却器(5)中放热，并返回SCO₂布雷顿循环装置(4)，CO₂工质被驱动再次进入混合燃烧炉(3)，完成一次循环。

4.根据权利要求1或3所述利用矿井回风瓦斯和煤泥低值热能的超临界CO₂热电联产系统，其特征在于，所述SCO₂动力发电装置采用再压缩布雷顿循环，CO₂工质一直处于超临界状态。

5.根据权利要求4所述利用矿井回风瓦斯和煤泥低值热能的超临界CO₂热电联产系统，其特征在于，CO₂工质在混合燃烧锅炉(3)内吸收煤泥和回风瓦斯混合燃烧释放的热量达到高压高温状态，然后进入膨胀机(13)将热能转化为机械能，并带动发电机(6)产生电能，膨胀机(13)排出的低压低温CO₂蒸气依次经过高温回热器(15)和低温回热器(14)，并在两个换热器中再次被冷却，将热量传递给低温侧的CO₂工质，从而提高系统效率；冷却后的CO₂工质分为两路，其中第一路进入气体冷却器(5)，将余热传递给底循环即TCO₂朗肯循环，然后经1号压缩机(11)驱动，流经低温回热器(14)和高温回热器(15)的低温侧返回混合燃烧炉3，另一路进入2号压缩机(12)，然后在高温回热器(15)的低温侧入口与第一路CO₂工质混合。

6.根据权利要求3所述利用矿井回风瓦斯和煤泥低值热能的超临界CO₂热电联产系统，其特征在于，所述TCO₂热泵装置包括3号压缩机(7)，SCO₂动力发电装置通过气体冷却器(5)将余热传递给TCO₂朗肯循环，TCO₂朗肯循环中的CO₂工质流经气体冷却器(5)并吸热蒸发变为亚临界状态过热CO₂工质，亚临界状态过热CO₂工质在3号压缩机(7)中被压缩为超临界状态高温蒸气，超临界状态高温蒸气通过换热器(8)将高品位热能传递给煤炭烘干装置(10)，出换热器(8)的超临界状态低温CO₂工质流经电子膨胀阀(9)，状态变为亚临界状态的气液两相，然后再次返回气体冷却器(5)，完成一次循环。

7.根据权利要求6所述利用矿井回风瓦斯和煤泥低值热能的超临界CO₂热电联产系统，其特征在于，所述气体冷却器(5)采用紧凑式印刷电路板换热器，所述换热器(8)为微通道换热器。

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