CN114893269A - 二氧化碳收集和压缩空气储能相耦合的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种二氧化碳收集和压缩空气储能相耦合的系统及方法，压缩机的输入端口用于接收富含二氧化碳的气体，压缩机的输出端口与冷却器的输入端口通过管道连通，冷却器的输出端口与气液分离罐的输入端口通过管道连通；气液分离罐的液体输出端口与液态二氧化碳收集罐的输入端口通过管道连通，气液分离罐的气体输出端口与储气罐的输入端口通过管道连通；储气罐的输出端口与回热器的输入端口通过管道连通，回热器的输出端口与透平的输入端口通过管道连通，透平的输出端口用于排除二氧化碳浓度低的气体；本发明可将二氧化碳液化，以便于进一步储存和利用；二氧化碳浓度较低的其它高压气体可作为压缩空气储能介质用于发电或驱动其它设备。

Description

二氧化碳收集和压缩空气储能相耦合的系统及方法
技术领域
本发明涉及气体收集和储能技术领域，特别涉及一种二氧化碳收集和压缩空气储能相耦合的系统及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
能源是经济社会发展的重要物质基础，也是碳排放的最主要来源；在能源行业尤其是火电行业中，燃烧后的烟气含有大量二氧化碳；如何捕捉和收集二氧化碳是目前一个重要研究方向。
目前二氧化碳捕捉和收集的主要方式有两种：一种方式是将二氧化碳与烟气中其它气体分开，然后经压缩液态后保存；另一种方式是利用化学吸收法将二氧化碳和吸收剂反应生成固定二氧化碳，但上述两种方式均存在系统复杂和造价较高的问题，而且上述方式无法对二氧化碳收集量进行准确的计算。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种二氧化碳收集和压缩空气储能相耦合的系统及方法，可用于收集富含二氧化碳气体中的部分二氧化碳，并将二氧化碳液化，以便于进一步储存和利用；同时二氧化碳浓度较低的其它高压气体可作为压缩空气储能介质，在合适的条件下用于发电或驱动其它设备。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明第一方面提供了一种二氧化碳收集和压缩空气储能相耦合的系统。
一种二氧化碳收集和压缩空气储能相耦合的系统，包括：压缩机、冷却器、气液分离罐、液态二氧化碳收集罐、储气罐、回热器和透平；
压缩机的输入端口用于接收富含二氧化碳的气体，压缩机的输出端口与冷却器的输入端口通过管道连通，冷却器的输出端口与气液分离罐的输入端口通过管道连通；
气液分离罐的液体输出端口与液态二氧化碳收集罐的输入端口通过管道连通，气液分离罐的气体输出端口与储气罐的输入端口通过管道连通；
储气罐的输出端口与回热器的输入端口通过管道连通，回热器的输出端口与透平的输入端口通过管道连通，透平的输出端口用于排除二氧化碳浓度低的气体。
作为可选的一种实现方式，压缩机与电动机电连接，发电机与透平电连接。
作为可选的一种实现方式，压缩机与异步电机连接，异步电机与发电机连接。
作为可选的一种实现方式，压缩机包括多台串联连接的子压缩机。
本发明第二方面提供了一种第一方面所述的二氧化碳收集和压缩空气储能相耦合的系统的工作方法，包括以下过程：
富含二氧化碳的气体被压缩机压缩后，气体内的二氧化碳的分压力为提高到一定值，对照二氧化碳温度与液化压力对应表，得出此分压力下二氧化碳液化温度，压缩后的高压气体经过冷却器减温至低于所述二氧化碳液化温度，此时低温高压蒸汽中有二氧化碳开始液化；
经气液分离罐的气液分离后，部分液化的二氧化碳进入液态二氧化碳收集罐，其它高压气体作为压缩空气储能介质被封装在储气罐中；
储气罐中的气体作为压缩空气储能介质，在需要时，利用回热器加热，推动透平做功发电，或用于推动其他设备的驱动透平，或者推动透平带动压缩机。
作为可选的一种实现方式，压缩机将富含二氧化碳的气体利用压缩机提升压力至P1，富含二氧化碳的气体种二氧化碳浓度比例为n1；
压缩后气体内的二氧化碳的分压力为P2＝n1*P1，对照二氧化碳温度与液化压力对应表，得出分压力P2下二氧化碳的液化温度为T2；
压缩后的高压气体经过冷却器减温至T3，对照二氧化碳温度与液化压力对应表，得出此温度下二氧化碳的分压力为P3，此冷却过程中部分二氧化碳会液化成液态，气体整体因失去部分二氧化碳而使压力从P1降至P4，P4为低温状态下气体的压力值，此时系统中二氧化碳的浓度比例为n2＝P3/P4；
根据富含二氧化碳的气体总量、n1和n2得到二氧化碳收集量。
作为可选的一种实现方式，P1大于或等于7.39MPa。
作为可选的一种实现方式，T3的数值小于T2，且P3的数值小于P2。
作为可选的一种实现方式，根据富含二氧化碳的气体总量、n1和n2得到二氧化碳收集量Y，包括：
Y＝(n1-n2)*X/(1-n2)。
作为可选的一种实现方式，富含二氧化碳的气体为提前除尘和净化后的气体。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明所述的二氧化碳收集和压缩空气储能相耦合的系统及方法，可用于收集富含二氧化碳气体中的部分二氧化碳，并将二氧化碳液化，以便于进一步储存和利用；同时二氧化碳浓度较低的其它高压气体可作为压缩空气储能介质，在合适的条件下用于发电或驱动其它设备。
2、本发明所述的二氧化碳收集和压缩空气储能相耦合的系统及方法，将二氧化碳收集和压缩空气储能相耦合结合，可在处理化工或能源项目中富含二氧化碳的尾气或烟气的同时实现压缩空气储能；此方式可减少二氧化碳收集的能量利用量，即将部分二氧化碳收集过程中利用的能量以压缩空气储能的型式储存，提高了能量利用率。
3、本发明所述的二氧化碳收集和压缩空气储能相耦合的系统及方法，根据富含二氧化碳的气体总量、n1和n2得到二氧化碳收集量Y，实现更精准的二氧化碳收集量计算。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例提供的二氧化碳收集和压缩空气储能相耦合的系统的结构示意图。
其中，1压缩机；2、冷却器；3、气液分离罐；4、液态二氧化碳收集罐；5、储气罐；6、回热器；7、透平；8、电动机；9、发电机。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1：
如图1所示，本发明实施例1提供了一种二氧化碳收集和压缩空气储能相耦合的系统，包括：压缩机1、冷却器2、气液分离罐3、液态二氧化碳收集罐4、储气罐5、回热器6和透平7；
压缩机1的输入端口用于接收富含二氧化碳的气体，压缩机1的输出端口与冷却器2的输入端口通过管道连通，冷却器2的输出端口与气液分离罐3的输入端口通过管道连通；
气液分离罐3的液体输出端口与液态二氧化碳收集罐4的输入端口通过管道连通，气液分离罐3的气体输出端口与储气罐5的输入端口通过管道连通；
储气罐5的输出端口与回热器6的输入端口通过管道连通，回热器6的输出端口与透平7的输入端口通过管道连通，透平7的输出端口用于排除二氧化碳浓度低的气体。
本实施例中，压缩机1与电动机8电连接，发电机8与透平7电连接。
可以理解的，在其他一些实施方式中，压缩机与异步电机连接，异步电机与发电机连接，即通过透平带动压缩机和异步电机。
本实施例中，压缩机可以为大功率压缩机，可以理解的，在其他一些实施方式中，压缩机包括多台串联连接的子压缩机。
可以理解的，在其他一些实施方式中，冷却器冷却介质系统和回热器加热系统可根据系统设计需要合并，实现系统内的减温和加热之间的能量循环。
可以理解的，在其他一些实施方式中，压缩机压缩后的富含二氧化碳的高压气体温度可经过减温器减温，并尽可能降低气体温度，该温度值根据减温系统的配置确定。
可以理解的，在其他一些实施方式中，所述液态二氧化碳可集中进行提纯或加压处理，以便可以进一步利用。
可以理解的，在其他一些实施方式中，所述高压储气罐中的二氧化碳浓度较低的高压气体作为压缩空气储能介质，该高压气体可利用其内能做功使用。
可以理解的，在其他一些实施方式中，所述富含二氧化碳的气体需要提前除尘和净化。
可以理解的，在其他一些实施方式中，二氧化碳收集和压缩空气储能方式建立在二氧化碳不同温度下对应的液化压力理论之上。
上述系统的工作方法，包括：
压缩后气体内的二氧化碳的分压力为提高到一定值，可对照二氧化碳温度与液化压力对应表，得出此分压力下二氧化碳的液化温度；压缩后的高压气体经过冷却器减温至低于此二氧化碳液化温度，此时低温高压蒸汽中即会有二氧化碳开始液化；
经气液分离后，部分液化的二氧化碳进入液态二氧化碳收集罐；其它二氧化碳浓度较低的高压气体作为压缩空气储能介质被封装在高压储气罐中；
液态二氧化碳被收集后，可集中进行提纯或加压处理，以便可以进一步利用；
高压储气罐中的二氧化碳浓度较低的高压气体作为压缩空气储能介质，该高压气体可利用其内能做功使用。在需要时，高压气体可推动透平做功发电，或用于推动其他设备的驱动透平，甚至可以考虑使用该高压气体推动透平带动压缩机；高压气体进入透平前可利用回热器加热，回热器热端热量可考虑使用冷却器回收的热量。
其中，液态二氧化碳指在高压低温下将二氧化碳气体液化成液体形态；气体分压是指定温定容下，互不反应之数种气体混合置于一密闭容器中，混合气体所呈现的压力称为总压力；而各成份气体单独占有该容器时之压力称为气体的分压。
具体的，包括：
将富含二氧化碳的气体(二氧化碳浓度比例为n1)利用压缩机提升压力至P1(P1≥7.39MPa，建议根据具体情况保证此压力值尽可能高)，压缩机可以是多台压缩机串联使用。
压缩后气体内的二氧化碳的分压力为P2＝n1*P1，对照二氧化碳温度与液化压力对应表(如表1所示)，得出此分压力下二氧化碳的液化温度为T2。
压缩后的高压气体经过冷却器减温至T3(T3<T2，建议根据具体情况保证此温度值尽可能低)，对照二氧化碳温度与液化压力对应表，得出此温度下二氧化碳的分压力为P3(P3<P2)。考虑二氧化碳介质特性，此冷却过程中部分二氧化碳会液化成液态；气体整体因失去部分二氧化碳而使压力从P1降至P4，P4为低温状态下气体的压力值，此时系统中二氧化碳的浓度比例为n2＝P3/P4。
在整个过程中，若假定富含二氧化碳的气体总量为X，通过以上过程可收集到的二氧化碳量为Y，可通过公式Y＝(n1-n2)*X/(1-n2)来计算二氧化碳收集量。
表1：
Figure BDA0003696034930000081
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种二氧化碳收集和压缩空气储能相耦合的系统，其特征在于：
包括：压缩机、冷却器、气液分离罐、液态二氧化碳收集罐、储气罐、回热器和透平；
压缩机的输入端口用于接收富含二氧化碳的气体，压缩机的输出端口与冷却器的输入端口通过管道连通，冷却器的输出端口与气液分离罐的输入端口通过管道连通；
气液分离罐的液体输出端口与液态二氧化碳收集罐的输入端口通过管道连通，气液分离罐的气体输出端口与储气罐的输入端口通过管道连通；
储气罐的输出端口与回热器的输入端口通过管道连通，回热器的输出端口与透平的输入端口通过管道连通，透平的输出端口用于排除二氧化碳浓度低的气体。
2.如权利要求1所述的二氧化碳收集和压缩空气储能相耦合的系统，其特征在于：
压缩机与电动机电连接，发电机与透平电连接。
3.如权利要求1所述的二氧化碳收集和压缩空气储能相耦合的系统，其特征在于：压缩机与异步电机连接，异步电机与发电机连接。
4.如权利要求1所述的二氧化碳收集和压缩空气储能相耦合的系统，其特征在于：
压缩机包括多台串联连接的子压缩机。
5.一种权利要求1-4任一项所述的二氧化碳收集和压缩空气储能相耦合的系统的工作方法，其特征在于：
包括以下过程：
富含二氧化碳的气体被压缩机压缩后，气体内的二氧化碳的分压力为提高到一定值，对照二氧化碳温度与液化压力对应表，得出此分压力下二氧化碳液化温度，压缩后的高压气体经过冷却器减温至低于所述二氧化碳液化温度，此时低温高压蒸汽中有二氧化碳开始液化；
经气液分离罐的气液分离后，部分液化的二氧化碳进入液态二氧化碳收集罐，其它高压气体作为压缩空气储能介质被封装在储气罐中；
储气罐中的气体作为压缩空气储能介质，在需要时，利用回热器加热，推动透平做功发电，或用于推动其他设备的驱动透平，或者推动透平带动压缩机。
6.如权利要求5所述的工作方法，其特征在于：
压缩机将富含二氧化碳的气体利用压缩机提升压力至P1，富含二氧化碳的气体种二氧化碳浓度比例为n1；
压缩后气体内的二氧化碳的分压力为P2＝n1*P1，对照二氧化碳温度与液化压力对应表，得出分压力P2下二氧化碳的液化温度为T2；
压缩后的高压气体经过冷却器减温至T3，对照二氧化碳温度与液化压力对应表，得出此温度下二氧化碳的分压力为P3，此冷却过程中部分二氧化碳会液化成液态，气体整体因失去部分二氧化碳而使压力从P1降至P4，P4为低温状态下气体的压力值，此时系统中二氧化碳的浓度比例为n2＝P3/P4；
根据富含二氧化碳的气体总量、n1和n2得到二氧化碳收集量。
7.如权利要求6所述的工作方法，其特征在于：
P1大于或等于7.39MPa。
8.如权利要求6所述的工作方法，其特征在于：
T3的数值小于T2，且P3的数值小于P2。
9.如权利要求6所述的工作方法，其特征在于：
根据富含二氧化碳的气体总量、n1和n2得到二氧化碳收集量Y，包括：
Y＝(n1-n2)*X/(1-n2)。
10.如权利要求5所述的工作方法，其特征在于：
富含二氧化碳的气体为提前除尘和净化后的气体。
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