CN116575989A - 二氧化碳捕集封存与储能发电一体化系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及物理储能技术领域，提供一种二氧化碳捕集封存与储能发电一体化系统及控制方法，二氧化碳捕集封存与储能发电一体化系统包括：二氧化碳捕集单元、二氧化碳储能发电单元和二氧化碳封存单元；二氧化碳捕集单元用于捕集二氧化碳；二氧化碳储能发电单元与二氧化碳捕集单元相连，用于对捕集的二氧化碳进行储能，并利用二氧化碳储能进行发电；二氧化碳封存单元与二氧化碳储能发电单元相连，用于对利用后的二氧化碳进行封存。本发明实现二氧化碳捕集、储能发电和封存的集成耦合，各个单元既可以单独运行又可以联合运行，增强系统的集成适用性，并且提高二氧化碳的利用率，从而减少工业碳排放，降低二氧化碳封存压力。

Description

二氧化碳捕集封存与储能发电一体化系统及控制方法
技术领域
本发明涉及物理储能技术领域，尤其涉及一种二氧化碳捕集封存与储能发电一体化系统及控制方法。
背景技术
二氧化碳作为温室气体来源，是导致全球变暖的主要原因，为了解决碳排放量过大造成的全球变暖问题，目前二氧化碳减排方法主要包括：提高新能源利用率或加大新能源占比。例如利用风能、太阳能等进行发电，然而，由于风能、太阳能发电等受到自然条件限制，其发电的随机性、间歇性导致并网时，对于传统电网将产生巨大冲击，危害电网安全，稳定可靠性较差。
因此，亟需一种可以全面回收利用二氧化碳的系统，减少工业碳排放。
发明内容
本发明提供一种二氧化碳捕集封存与储能发电一体化系统及控制方法，实现二氧化碳捕集、储能发电和封存的集成耦合，各个单元既可以单独运行又可以联合运行，增强系统的集成性和适用性，并且提高二氧化碳的利用率，从而减少工业碳排放，降低二氧化碳封存压力，同时可以解决相关技术发电并网稳定可靠性差的问题，有效减少清洁电能的损失。
本发明提供一种二氧化碳捕集封存与储能发电一体化系统，包括：
二氧化碳捕集单元，用于捕集二氧化碳；
二氧化碳储能发电单元，与所述二氧化碳捕集单元相连，用于对捕集的二氧化碳进行储能，并利用二氧化碳储能进行发电；
二氧化碳封存单元，与所述二氧化碳储能发电单元相连，用于对利用后的二氧化碳进行封存。
根据本发明提供的一种二氧化碳捕集封存与储能发电一体化系统，所述二氧化碳捕集单元包括：
第一过滤组件，用于捕集烟气并过滤烟气中的颗粒杂质以及氮气；
第一压缩机，与所述第一过滤组件相连，用于对过滤后的烟气进行压缩；
吸收塔，所述吸收塔的第一入口与所述第一压缩机相连，用于通过所述吸收塔内的贫液吸收压缩后烟气中的二氧化碳，生成二氧化碳富液；
再生塔，所述再生塔的入口与所述吸收塔的第一出口相连，且所述再生塔的第一出口与所述吸收塔的第二入口相连，用于对所述吸收塔的二氧化碳富液进行减压解析，并将解析出二氧化碳气体后生成的贫液送回所述吸收塔；
第二过滤组件，与所述再生塔的第二出口相连，用于对解析出的二氧化碳气体进行过滤提纯。
根据本发明提供的一种二氧化碳捕集封存与储能发电一体化系统，所述第一过滤组件包括：
烟气分离器，用于过滤烟气中的颗粒杂质；
引风机，与所述烟气分离器相连，用于捕集引入烟气；
过滤装置，连接于所述引风机与所述第一压缩机之间，用于过滤烟气中的氮气，并将过滤后的烟气送入所述第一压缩机。
根据本发明提供的一种二氧化碳捕集封存与储能发电一体化系统，所述第二过滤组件包括：依次连接的气液分离器、第二冷却器、分水罐和干燥箱，且所述气液分离器与所述再生塔的第二出口相连，用于对所述再生塔解析出的二氧化碳气体进行多级过滤去水提纯。
根据本发明提供的一种二氧化碳捕集封存与储能发电一体化系统，所述二氧化碳储能发电单元包括：
串联设置的多级第二压缩机，且多级第二压缩机中的首级第二压缩机与所述二氧化碳捕集单元相连；
第一间冷器，设置于相邻两级第二压缩机之间；
储气罐，所述储气罐的入口经第二间冷器与多级第二压缩机中的末级第二压缩机相连，所述储气罐用于存储经多级压缩和冷却后生成的超临界二氧化碳；
串联设置的多级膨胀发电机组，且多级膨胀发电机组中的首级膨胀发电机组经第一再热器与所述储气罐的出口相连；
第二再热器，设置于相邻两级膨胀发电机组之间。
根据本发明提供的一种二氧化碳捕集封存与储能发电一体化系统，所述二氧化碳储能发电单元还包括：
蓄冷罐，所述蓄冷罐的入口分别与所述第一再热器和所述第二再热器相连，所述蓄冷罐的出口分别与所述第一间冷器和所述第二间冷器相连；
蓄热罐，所述蓄热罐的入口分别与所述第一间冷器和所述第二间冷器相连，所述蓄热罐的出口分别与所述第一再热器和所述第二再热器相连，所述蓄冷罐用于为所述第一间冷器和所述第二间冷器提供冷量，所述蓄热罐用于为所述第一再热器和所述第二再热器提供热量，且所述蓄冷罐与所述蓄热罐循环蓄冷蓄热。
根据本发明提供的一种二氧化碳捕集封存与储能发电一体化系统，多级膨胀发电机组中的末级膨胀发电机组经第一支路与所述首级第二压缩机的入口相连，且所述第一支路中设有第一缓冲罐，所述第一缓冲罐的两端分别设有第一控制阀和第二控制阀；
所述末级膨胀发电机组经第二支路与所述二氧化碳封存单元相连，且所述第二支路中设有第三控制阀；
所述储气罐的出口与所述第一再热器之间设有第四控制阀；所述储气罐的入口与所述第二间冷器之间设有第五控制阀，且所述第五控制阀的第一端与所述第二间冷器相连，所述第五控制阀的第二端与所述储气罐的入口相连。
根据本发明提供的一种二氧化碳捕集封存与储能发电一体化系统，所述二氧化碳封存单元包括：
第二缓冲罐，所述第二缓冲罐的第一入口与所述第二支路相连；所述第二缓冲罐的第二入口与所述第五控制阀的第一端之间连接有第六控制阀；
地下封存储层，与所述第二缓冲罐的出口相连，且所述地下封存储层与所述第二缓冲罐的出口之间设有增压泵和第七控制阀。
本发明还提供一种上述的二氧化碳捕集封存与储能发电一体化系统的控制方法，包括：
获取系统运行模式指令；
根据所述系统运行模式指令，控制所述第一控制阀、所述第二控制阀、所述第三控制阀、所述第四控制阀、所述第五控制阀、所述第六控制阀和所述第七控制阀的开闭，切换系统运行模式；
其中，所述系统运行模式包括：二氧化碳捕集封存模式、二氧化碳捕集储能发电循环模式以及二氧化碳捕集单次储能发电封存模式。
根据本发明提供的一种二氧化碳捕集封存与储能发电一体化系统的控制方法，切换系统运行模式的步骤，具体包括：
控制所述第一控制阀、所述第三控制阀和所述第五控制阀关闭，且控制所述第六控制阀和所述第七控制阀开启，所述系统运行至所述二氧化碳捕集封存模式；
控制所述第三控制阀和所述第六控制阀关闭，且控制所述第一控制阀、所述第二控制阀、所述第四控制阀和所述第五控制阀开启，所述系统运行至所述二氧化碳捕集储能发电循环模式；
控制所述第一控制阀和所述第二控制阀关闭，且控制所述第三控制阀、所述第四控制阀、所述第五控制阀、所述第六控制阀和所述第七控制阀开启，所述系统运行至所述二氧化碳捕集单次储能发电封存模式。
本发明提供的二氧化碳捕集封存与储能发电一体化系统及控制方法，至少包括但不限于以下有益效果：
(1)本发明系统集二氧化碳捕集、储能发电及封存单元于一体，各个单元既可以单独运行，又可以联合运行，具有多种运行模式，在实际运行过程中，可根据实际工况控制系统流路中的控制阀，实现系统运行模式的相互转换，满足实际需求；并且有效增强了系统的集成性和适用性，可以实现二氧化碳的高效利用，从而减少工业碳排放，降低二氧化碳封存压力，同时利用二氧化碳发出的电稳定可靠性高；
(2)本发明系统使用液态二氧化碳和超临界态二氧化碳进行能力储存，具有储能密度高、设备占地小等优势，在可再生能源消纳和火电机组蓄能调峰领域有较好的应用前景；
(3)在本发明二氧化碳储能发电单元中，由于二氧化碳的多级压缩和膨胀过程中需要热量交换，因此，添加蓄热罐、蓄冷罐通过换热器回收压缩中的热量用于膨胀过程，同时回收膨胀过程中的冷量用于压缩过程，实现内部的冷热循环，有效提高了二氧化碳的利用率，达到节能目的；
(4)本发明解决了传统二氧化碳单一封存导致利用率低、成本高等问题，通过二氧化碳储能发电单元对二氧化碳加以利用，提高了二氧化碳处理的经济性，降低了碳封存成本；
(5)本发明系统中捕集提纯后得到的较高浓度的二氧化碳可以外接管路引出，应用于其他工业领域，从而提高了系统的适用范围。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的二氧化碳捕集封存与储能发电一体化系统的结构框图；
图2是本发明提供的二氧化碳捕集封存与储能发电一体化系统的结构示意图；
图3是本发明提供的二氧化碳捕集封存与储能发电一体化系统的控制方法的流程示意图。
附图标记：
100：二氧化碳捕集单元；
101：第一过滤组件；1011：烟气分离器；1012：引风机；
1013：过滤装置；102：第一压缩机；103：吸收塔；
104：再生塔；105：第二过滤组件；1051：气液分离器；
1052：第二冷却器；1053：分水罐；1054：干燥箱；
106：贫富液换热器；107：富液泵；108：贫液泵；
109：第一冷却器；
200：二氧化碳储能发电单元；
201：第二压缩机；202：第一间冷器；203：第二间冷器；
204：储气罐；205：膨胀发电机组；206：第一再热器；
207：第二再热器；208：蓄冷罐；209：蓄热罐；210：第一支路；
211：第一缓冲罐；212：第一控制阀；213：第二控制阀；
214：第二支路；215：第三控制阀；216：第四控制阀；
217：第五控制阀；
300：二氧化碳封存单元；
301：第二缓冲罐；302：地下封存储层；303：第六控制阀；
304：增压泵；305：第七控制阀。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
下面结合图1-图3描述本发明的二氧化碳捕集封存与储能发电一体化系统及控制方法。
根据本发明第一方面的实施例，参照图1和图2所示，本发明提供一种二氧化碳捕集封存与储能发电一体化系统，主要包括：二氧化碳捕集单元100、二氧化碳储能发电单元200和二氧化碳封存单元300。其中，二氧化碳捕集单元100主要用于捕集二氧化碳；二氧化碳储能发电单元200与二氧化碳捕集单元100相连，二氧化碳储能发电单元200主要用于对捕集的二氧化碳进行储能，并利用二氧化碳储能进行发电；二氧化碳封存单元300与二氧化碳储能发电单元200相连，二氧化碳封存单元300主要用于对利用后的二氧化碳进行封存。
在现有储能技术中，只有抽水储能和压缩空气储能得以实现大规模商业应用，而抽水储能因其严苛的地理条件限制和建设成本等诸多方面因素，不能满足当前储能技术建设需要。相比之下，压缩空气储能越来越受到关注，因为它不仅可以应用于大规模储能，还可以以相对较低的资本成本无缝连接到现有的天然气发电系统，但这个源自燃气轮机技术的系统必须通过燃烧化石燃料来提高输出功率，从而增加了温室气体的排放，并且在压缩过程中产生的大量热量被浪费，从而降低了往返利用效率。由于空气的储能密度较低，储能规模较大，因此也受到地理条件的限制，很难应用于可再生能源。随着对压缩气体储能技术研究的深入，选择性价比更高的储能工质代替空气成为压缩气体储能技术的一个重要研究方向。因此，本发明鉴于CO2良好的物性特征，使用二氧化碳代替空气成为压缩气体储能的介质。
本发明通过将捕集后的二氧化碳用于压缩储能发电，不仅可以提高二氧化碳储能发电单元运行效率，还可以循环利用大量二氧化碳，提高二氧化碳的利用率，降低碳排放，缓解碳封存压力，提高二氧化碳处理的经济性，降低碳捕集和封存成本，使本发明系统更具有发展前景。
本发明实施例提供的二氧化碳捕集封存与储能发电一体化系统，将工业排放的二氧化碳进行捕集提纯、储能发电和封存，实现二氧化碳捕集、储能发电和封存的集成耦合，从而实现二氧化碳的高效利用，并且各个单元既可以单独运行又可以联合运行，增强系统的集成性和适用性，并且提高二氧化碳的利用率，从而减少工业碳排放，降低二氧化碳封存压力，同时相较于传统的风光发电，利用二氧化碳发电并网的稳定可靠性更高。
由于工业排放达标的烟气中包含二氧化碳、水、水蒸气、氮气、固体粉尘颗粒杂质以及处理过后的少量硫氧化物和氮氧化物及其他微量气体。
因此，为了对工业排放烟气中的二氧化碳进行捕集提纯，本发明提供一种二氧化碳捕集单元100。
根据本发明的一个实施例，参照图2所示，二氧化碳捕集单元100主要包括：第一过滤组件101、第一压缩机102、吸收塔103、再生塔104和第二过滤组件105。其中，第一过滤组件101主要用于捕集烟气，并过滤烟气中的颗粒杂质以及氮气；第一压缩机102与第一过滤组件101相连，用于对过滤后的烟气进行压缩；吸收塔103的第一入口与第一压缩机102相连，用于通过吸收塔103内的贫液吸收压缩后烟气中的二氧化碳，生成二氧化碳富液；再生塔104的入口与吸收塔103的第一出口相连，且再生塔104的第一出口与吸收塔103的第二入口相连，用于对吸收塔103的二氧化碳富液进行减压解析，并将解析出二氧化碳气体后生成的贫液送回吸收塔103；第二过滤组件105与再生塔104的第二出口相连，用于对解析出的二氧化碳气体进行过滤提纯。
具体地，二氧化碳捕集单元100运行时，通过第一过滤组件101过滤烟气中主要的粉尘等固体颗粒杂质以及氮气，剩余烟气进入第一压缩机102中进行压缩，吸收塔103吸入压缩后的烟气，烟气中的二氧化碳与吸收塔103内喷淋的吸收液(即贫液)进行反应吸收二氧化碳，生成的二氧化碳富液落至吸收塔103底部经第一出口流出，并送至再生塔104内，其余气体从吸收塔103顶部的第二出口排出。
再生塔104接收吸收塔103送入的二氧化碳富液，并对二氧化碳富液进行减压解析，将二氧化碳富液中的二氧化碳分离，分离出的二氧化碳气体经再生塔104顶端的第二出口排出，分离后的富液变回贫液，由再生塔104的第一出口重新送回吸收塔103内，如此循环。
再生塔104顶端的第二出口排出的二氧化碳气体经第二过滤组件105进行过滤提纯，可以得到浓度较高的二氧化碳气体。
因此，本发明实施例提供的二氧化碳捕集单元100，可以实现工业排放烟气中的二氧化碳捕集提纯，得到较为纯净、浓度较高的二氧化碳气体。并且本发明系统中捕集提纯后得到的较高浓度的二氧化碳可以外接管路引出，应用于其他工业领域，从而提高系统的适用范围。
根据本发明的一个实施例，参照图2所示，再生塔104的入口与吸收塔103的第一出口之间设有贫富液换热器106，且贫富液换热器106分别与再生塔104的第一出口和吸收塔103的第二入口相连。
这样设计的话，可以使得吸收塔103送出的二氧化碳富液与再生塔104送出的贫液通过贫富液换热器106换热，从而保证二氧化碳被充分吸收或解析，并且可以充分利用系统中循环介质的冷热量，从而达到节能的目的。
根据本发明的一个实施例，参照图2所示，再生塔104的入口与吸收塔103的第一出口之间还设有富液泵107，通过富液泵107可以将吸收塔103排出的二氧化碳富液加压送入再生塔104内；再生塔104的第一出口与吸收塔103的第二入口之间设有贫液泵108和第一冷却器109，通过贫液泵108和第一冷却器109可以将再生塔104解析分离后的贫液加压冷却后重新送回吸收塔103内进行再次二氧化碳循环吸收解析，通过设置富液泵107和贫液泵108可以提高运行效率。
根据本发明的一个实施例，参照图2所示，第一过滤组件101主要包括：烟气分离器1011、引风机1012和过滤装置1013。其中，烟气分离器1011可以为旋风分离器，通过烟气分离器1011可以过滤脱除工业排放烟气中的粉尘等固体颗粒杂质；引风机1012与烟气分离器1011相连，通过引风机1012可以捕集引入烟气；过滤装置1013连接于引风机1012与第一压缩机102之间，过滤装置1013可以为膜分离器，通过膜分离器可以过滤烟气中的氮气，膜分离器中的分离膜分离出的氮气自行排出，并将过滤后的剩余烟气送入第一压缩机102压缩。
根据本发明的一个实施例，参照图2所示，第二过滤组件105包括：依次连接的气液分离器1051、第二冷却器1052、分水罐1053和干燥箱1054，且气液分离器1051与再生塔104的第二出口相连，用于对再生塔104解析出的二氧化碳气体进行多级过滤去水提纯，从而得到浓度较高的二氧化碳气体。
具体地，气液分离器1051将从再生塔104排出的气液混合物分离。由于再生塔104排出的二氧化碳气体中仍包含一部分水分和吸收液液珠，通过气液分离器1051分离，液体从气液分离器1051的底部出口流出，其余气体进入第二冷却器1052冷却液化，分离二氧化碳中的水蒸汽，然后通过分水罐1053和干燥箱1054进一步将二氧化碳中的水分彻底排出，此时，气体为浓度较高的二氧化碳气体。
下面继续对本发明提供的二氧化碳储能发电单元200进行描述，请参照图2所示，本发明实施例提供的二氧化碳储能发电单元200主要包括：多级第二压缩机201、第一间冷器202、第二间冷器203、储气罐204、多级膨胀发电机组205、第一再热器206和第二再热器207等部件。
其中，多级第二压缩机201串联设置，且多级第二压缩机201中的首级第二压缩机与二氧化碳捕集单元100相连，具体与二氧化碳捕集单元100的干燥箱1054的出口相连，多级第二压缩机201可以利用可再生能源弃电、火力发电余电或电网谷电等供电方式驱动，用于对二氧化碳捕集单元100捕集的二氧化碳进行多级压缩；第一间冷器202设置于相邻两级第二压缩机201之间，第二间冷器203设置于多级第二压缩机201中的末级第二压缩机与储气罐204的入口之间，通过第一间冷器202和第二间冷器203用于对压缩后的二氧化碳进行冷却，通过多级压缩和冷却，从而形成超临界二氧化碳，送入储气罐204中。
储气罐204的入口经第二间冷器203与多级第二压缩机201中的末级第二压缩机相连，储气罐204用于存储经多级压缩和冷却后生成的超临界二氧化碳。并且储气罐204可以为钢制储罐、储气管道等储气结构，负责储存压缩冷却后的超临界二氧化碳，并在释能发电阶段将超临界二氧化碳送入膨胀发电机组205。
多级膨胀发电机组205串联设置，且多级膨胀发电机组205中的首级膨胀发电机组经第一再热器206与储气罐204的出口相连；第二再热器207设置于相邻两级膨胀发电机组205之间。每级膨胀发电机组205主要包括相连的膨胀机和发电机，用于电能输出。具体地，释能发电时，储气罐204中的超临界二氧化碳进入膨胀机，带动膨胀机做功，驱动发电机发电，做功后的二氧化碳压力温度降低，可以进入后续的第一缓冲罐211稳压。
根据本发明的一个实施例，参照图2所示，二氧化碳储能发电单元200还包括：蓄冷罐208和蓄热罐209。蓄冷罐208、第二间冷器203、第一间冷器202、蓄热罐209、第二再热器207和第一再热器206循环连接，利用蓄热蓄冷装置实现系统的内部热量平衡。其中，蓄冷罐208的入口分别与第一再热器206和第二再热器207相连，蓄冷罐208的出口分别与第一间冷器202和第二间冷器203相连；蓄热罐209的入口分别与第一间冷器202和第二间冷器203相连，蓄热罐209的出口分别与第一再热器206和第二再热器207相连，通过蓄冷罐208可以为第一间冷器202和第二间冷器203提供冷量，通过蓄热罐209可以为第一再热器206和第二再热器207提供热量，且蓄冷罐208与蓄热罐209循环蓄冷蓄热。
其中，第一间冷器202、第二间冷器203、第一再热器206和第二再热器207一般为壳管式换热器。第一间冷器202和第二间冷器203利用蓄冷罐208中的换热工质冷量对压缩过程中的二氧化碳进行级间冷却，并将压缩热能储存在蓄热罐209中；同理，第一再热器206和第二再热器207利用蓄热罐209中的换热工质热量对膨胀过程中的二氧化碳进行加热，有利于提高发电效率，并将膨胀过程中的冷量储存在蓄冷罐208中。
并且，蓄冷罐208和蓄热罐209内部填充蓄热材料，外部使用绝热外壳封装，蓄热过程中的换热工质可以为水或水蒸汽，也可以为导热油、甲醇等其他中低温蓄换热液体工质。其中，蓄冷罐208将第一再热器206和第二再热器207换热后的冷量进行储存，用于第一间冷器202和第二间冷器203冷却压缩过程中的二氧化碳；同理，蓄热罐209将第一间冷器202和第二间冷器203换热后的热量进行储存，用于第一再热器206和第二再热器207加热膨胀过程中的二氧化碳。
本发明实施例提供的二氧化碳储能发电单元，由于二氧化碳的多级压缩和膨胀过程中需要热量交换，因此，添加蓄冷罐208、蓄热罐209等装置并通过换热器回收压缩中的热量用于膨胀过程，同时回收膨胀过程中的冷量用于压缩过程，实现内部的冷热循环，有效提高了二氧化碳的利用率，达到节能的目的。
根据本发明的一个实施例，参照图2所示，多级膨胀发电机组205中的末级膨胀发电机组经第一支路210与首级第二压缩机的入口相连，且第一支路210中设有第一缓冲罐211，第一缓冲罐211的两端分别设有第一控制阀212和第二控制阀213。
当储能流体为多次储能循环时，打开第一控制阀212和第二控制阀213，将膨胀做功后的低压二氧化碳进入第一缓冲罐211进行稳压，然后从第一缓冲罐211顶部排出，并通过第一控制阀212节流减压，汇入二氧化碳捕集单元100的干燥箱1054排出的浓度较高的二氧化碳主流中，并重新进入压缩储能循环，这样设计的话，可以有效提高二氧化碳的利用率，从而减少工业碳排放，并且可以降低后续二氧化碳封存压力。
第一控制阀212可以为调节阀，将第一缓冲罐211中流出的低压二氧化碳进行减压稳流，使其平稳汇入二氧化碳压缩前的主流中；同时在进行后续封存时，第一控制阀212保持关闭，防止流体进入第一缓冲罐211。
第二控制阀213可以为截止阀，当二氧化碳储能发电单元200的储能流体进行单次储能发电封存时(即流体在膨胀发电机组205做功发电后直接进入后续二氧化碳封存单元300封存)，第二控制阀213处于关闭状态；当二氧化碳储能发电单元200的储能流体进行多次循环储能发电时(即流体膨胀做功后重新进入压缩机组压缩)，第二控制阀213处于开启状态。
根据本发明的一个实施例，参照图2所示，末级膨胀发电机组经第二支路214与二氧化碳封存单元300相连，且第二支路214中设有第三控制阀215。其中，第三控制阀215可以为截止阀，当系统运行至二氧化碳捕集封存模式或二氧化碳捕集储能发电循环模式，第三控制阀215处于关闭状态；当系统运行至二氧化碳捕集单次储能发电封存模式，第三控制阀215处于开启状态。
根据本发明的一个实施例，参照图2所示，储气罐204的出口与第一再热器206之间设有第四控制阀216；储气罐204的入口与第二间冷器203之间设有第五控制阀217，且第五控制阀217的第一端与第二间冷器203相连，第五控制阀217的第二端与储气罐204的入口相连。
其中，第四控制阀216可以为调节阀，将储气罐204中排出的超临界二氧化碳进行稳压，降低滑压损失和增大释能效率；同时，在储能阶段，可将第四控制阀216关闭，在释能阶段，第四控制阀216开启，达到控制储能和释能的效果。
下面继续对本发明提供的二氧化碳封存单元300进行描述，请参照图2所示，本发明实施例提供的二氧化碳封存单元300主要包括：第二缓冲罐301和地下封存储层302。其中，第二缓冲罐301的第一入口与第二支路214相连；第二缓冲罐301的第二入口与第五控制阀217的第一端之间连接有第六控制阀303；地下封存储层302与第二缓冲罐301的出口相连，且地下封存储层302与第二缓冲罐301的出口之间设有增压泵304和第七控制阀305。
其中，第二缓冲罐301可以为钢制储罐、储气管道等储气结构，用于将来自第六控制阀303的超临界二氧化碳与来自第三控制阀215的低压二氧化碳进行混合，平衡压力。地下封存储层302可以为废弃煤矿、洞穴以及地下盐水层等地形结构。
第五控制阀217和第六控制阀303可以为截止阀，当系统运行至二氧化碳捕集封存模式时，第五控制阀217关闭，第六控制阀303开启；当系统运行至二氧化碳捕集储能发电循环模式时，第五控制阀217开启，第六控制阀303关闭。
并且，第七控制阀305可以为调节阀，用于对第二缓冲罐301流出的流体进行稳压。增压泵304用于对第二缓冲罐301混合后的二氧化碳进行增压，使其满足封存条件后，注入地下封存储层302进行封存。
因此，本发明实施例提供的二氧化碳捕集封存与储能发电一体化系统通过对上述控制阀进行调节，可以实现二氧化碳捕集封存模式、二氧化碳捕集储能发电循环模式以及二氧化碳捕集单次储能发电封存模式等多种模式之间的切换，从而满足不同的工况需求。
下面对本发明提供的二氧化碳捕集封存与储能发电一体化系统的控制方法进行描述，下文描述的二氧化碳捕集封存与储能发电一体化系统的控制方法与上文描述的二氧化碳捕集封存与储能发电一体化系统可相互对应参照。
根据本发明第二方面的实施例，参照图3所示，本发明还提供一种上述实施例的二氧化碳捕集封存与储能发电一体化系统的控制方法，主要包括以下步骤：
S100、获取系统运行模式指令；
S200、根据系统运行模式指令，控制第一控制阀212、第二控制阀213、第三控制阀215、第四控制阀216、第五控制阀217、第六控制阀303和第七控制阀305的开闭，切换系统运行模式；其中，系统运行模式包括：二氧化碳捕集封存模式、二氧化碳捕集储能发电循环模式以及二氧化碳捕集单次储能发电封存模式。
其中，切换系统运行模式的步骤，具体包括：
控制第一控制阀212、第三控制阀215和第五控制阀217关闭，且控制第六控制阀303和第七控制阀305开启，系统运行至二氧化碳捕集封存模式；
控制第三控制阀215和第六控制阀303关闭，且控制第一控制阀212、第二控制阀213、第四控制阀216和第五控制阀217开启，系统运行至二氧化碳捕集储能发电循环模式；
控制第一控制阀212和第二控制阀213关闭，且控制第三控制阀215、第四控制阀216、第五控制阀217、第六控制阀303和第七控制阀305开启，系统运行至二氧化碳捕集单次储能发电封存模式。
因此，本发明实施例提供的二氧化碳捕集封存与储能发电一体化系统的控制方法，可以根据工作环境下的实际需求改变运行模式，提高系统运行效率，降低能量损失。
下面结合具体示例对本发明二氧化碳捕集封存与储能发电一体化系统的运行模式进行描述，参照图2所示，大致包括：
(1)二氧化碳捕集封存模式
控制第一控制阀212、第三控制阀215和第五控制阀217关闭，且控制第六控制阀303和第七控制阀305开启，系统进入二氧化碳捕集封存模式：
捕集提纯：工厂中经过环境安全处理的达标烟气进入系统后，通过烟气分离器1011，以脱除固体颗粒杂质，再通过引风机1012输送至过滤装置1013，过滤装置1013对烟气进行初步分离，过滤掉烟气中的大部分氮气，并直接排出，剩余气体通过第一压缩机102压缩后送至吸收塔103内；
进入吸收塔103内的烟气中的二氧化碳被吸收塔103顶部喷淋的吸收液(即贫液)吸收，贫液吸收了二氧化碳后变成二氧化碳富液，二氧化碳富液从吸收塔103塔底流出，并经富液泵107加压，在贫富液换热器106中吸收贫液的热量后，送至再生塔104内；二氧化碳富液进入再生塔104进行减压解析，解析出的二氧化碳从塔顶排出，进行下一道工序，解析后的贫液从再生塔104塔底排出，通过贫富液换热器106与二氧化碳富液换热，再经过贫液泵108加压和第一冷却器109冷却后返回吸收塔103，如此循环；
再生塔104出来的二氧化碳气体进入气液分离器1051进行分离，分离后的二氧化碳气体从上方进入第二冷却器1052冷却，其余液体从气液分离器1051的底部排出；冷却使二氧化碳气体中的水蒸气液化，进入分水罐1053中，水与二氧化碳分离流入罐底，二氧化碳气体从罐顶排出，进入干燥箱1054再次进行干燥，提纯后得到浓度较高的二氧化碳气体。
封存：二氧化碳气体经过多级压缩和级间冷却后，达到超临界状态，变为超临界二氧化碳，再经过第二缓冲罐301稳压后由增压泵304注入地下封存储层302中封存。
(2)二氧化碳捕集储能发电循环模式
控制第三控制阀215和第六控制阀303关闭，且控制第一控制阀212、第二控制阀213、第四控制阀216和第五控制阀217开启，系统进入二氧化碳捕集储能发电循环模式：
捕集提纯：参见前述二氧化碳捕集封存模式，此处不作赘述。
储能过程：经过捕集提纯后的二氧化碳气体从干燥箱1054出来后，进入多级第二压缩机201和多级间冷器进行多级压缩冷却，使二氧化碳达到超临界状态，并将第二压缩机201产生的压缩热送入蓄热罐209中进行储存，超临界二氧化碳进入储气罐204储存，将驱动第二压缩机201做功的电能转化为二氧化碳内能储存。
释能过程：存储在储气罐204中的超临界二氧化碳需要通过第四控制阀216进行稳压，尽可能降低滑压损失和增大释能效率，然后通过蓄热罐209和多级再热器带来的热量提升温度，分别进入膨胀发电机组205进行发电，将超临界二氧化碳内能转化为电能输出，其中多级再热器回收膨胀冷量并送入蓄冷罐208。从膨胀发电机组205出来的低压二氧化碳再经过第一缓冲罐211稳压后，重新回到首级第二压缩机的前管路入口处，再次进入多级压缩，如此循环往复。
(3)二氧化碳捕集单次储能发电封存模式
控制第一控制阀212和第二控制阀213关闭，且控制第三控制阀215、第四控制阀216、第五控制阀217、第六控制阀303和第七控制阀305开启，系统进入二氧化碳捕集单次储能发电封存模式：
捕集提纯：参见前述二氧化碳捕集封存模式，此处不作赘述。
单次储能发电封存：经过捕集提纯后的二氧化碳气体从干燥箱1054出来后，进入多级第二压缩机201和多级间冷器进行多级压缩冷却，使二氧化碳达到超临界状态，一部分超临界二氧化碳通过第六控制阀303直接进入第二缓冲罐301，准备进行封存；另一部分超临界二氧化碳从第五控制阀217进入储气罐204进行储能，从储气罐204出口排出的超临界二氧化碳经过膨胀发电机组205和多级再热器加热过程后膨胀做功，完成释能发电；此时从末级第二压缩机出口排出的低压二氧化碳经过第三控制阀215在第二缓冲罐301中与超临界二氧化碳进行混合，经过第七控制阀305稳压后，增压泵304再次增压，确保其超临界状态后输入地下封存储层302中进行封存。
此外，在二氧化碳捕集单次储能发电封存模式中，当控制第六控制阀303关闭时，此时压缩冷却得到的超临界二氧化碳全部进入储气罐204中进行存储，膨胀释能发电后再进行后续封存。这样设计的话，可以有效提高二氧化碳的利用率，从而提高发电量。
因此，本发明实施例提供的二氧化碳捕集封存与储能发电一体化系统及控制方法，具有多种运行模式，在实际运行过程中，可根据实际工况控制系统流路中的控制阀，实现系统运行模式的相互转换，满足实际需求，可以实现二氧化碳的高效利用，从而减少工业碳排放，降低二氧化碳封存压力，同时利用二氧化碳发出的电稳定可靠性高。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种二氧化碳捕集封存与储能发电一体化系统，其特征在于，包括：
二氧化碳捕集单元(100)，用于捕集二氧化碳；
二氧化碳储能发电单元(200)，与所述二氧化碳捕集单元(100)相连，用于对捕集的二氧化碳进行储能，并利用二氧化碳储能进行发电；
二氧化碳封存单元(300)，与所述二氧化碳储能发电单元(200)相连，用于对利用后的二氧化碳进行封存。
2.根据权利要求1所述的二氧化碳捕集封存与储能发电一体化系统，其特征在于，所述二氧化碳捕集单元(100)包括：
第一过滤组件(101)，用于捕集烟气并过滤烟气中的颗粒杂质以及氮气；
第一压缩机(102)，与所述第一过滤组件(101)相连，用于对过滤后的烟气进行压缩；
吸收塔(103)，所述吸收塔(103)的第一入口与所述第一压缩机(102)相连，用于通过所述吸收塔(103)内的贫液吸收压缩后烟气中的二氧化碳，生成二氧化碳富液；
再生塔(104)，所述再生塔(104)的入口与所述吸收塔(103)的第一出口相连，且所述再生塔(104)的第一出口与所述吸收塔(103)的第二入口相连，用于对所述吸收塔(103)的二氧化碳富液进行减压解析，并将解析出二氧化碳气体后生成的贫液送回所述吸收塔(103)；
第二过滤组件(105)，与所述再生塔(104)的第二出口相连，用于对解析出的二氧化碳气体进行过滤提纯。
3.根据权利要求2所述的二氧化碳捕集封存与储能发电一体化系统，其特征在于，所述第一过滤组件(101)包括：
烟气分离器(1011)，用于过滤烟气中的颗粒杂质；
引风机(1012)，与所述烟气分离器(1011)相连，用于捕集引入烟气；
过滤装置(1013)，连接于所述引风机(1012)与所述第一压缩机(102)之间，用于过滤烟气中的氮气，并将过滤后的烟气送入所述第一压缩机(102)。
4.根据权利要求2所述的二氧化碳捕集封存与储能发电一体化系统，其特征在于，所述第二过滤组件(105)包括：依次连接的气液分离器(1051)、第二冷却器(1052)、分水罐(1053)和干燥箱(1054)，且所述气液分离器(1051)与所述再生塔(104)的第二出口相连，用于对所述再生塔(104)解析出的二氧化碳气体进行多级过滤去水提纯。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的二氧化碳捕集封存与储能发电一体化系统，其特征在于，所述二氧化碳储能发电单元(200)包括：
串联设置的多级第二压缩机(201)，且多级第二压缩机(201)中的首级第二压缩机与所述二氧化碳捕集单元(100)相连；
第一间冷器(202)，设置于相邻两级第二压缩机(201)之间；
储气罐(204)，所述储气罐(204)的入口经第二间冷器(203)与多级第二压缩机(201)中的末级第二压缩机相连，所述储气罐(204)用于存储经多级压缩和冷却后生成的超临界二氧化碳；
串联设置的多级膨胀发电机组(205)，且多级膨胀发电机组(205)中的首级膨胀发电机组经第一再热器(206)与所述储气罐(204)的出口相连；
第二再热器(207)，设置于相邻两级膨胀发电机组(205)之间。
6.根据权利要求5所述的二氧化碳捕集封存与储能发电一体化系统，其特征在于，所述二氧化碳储能发电单元(200)还包括：
蓄冷罐(208)，所述蓄冷罐(208)的入口分别与所述第一再热器(206)和所述第二再热器(207)相连，所述蓄冷罐(208)的出口分别与所述第一间冷器(202)和所述第二间冷器(203)相连；
蓄热罐(209)，所述蓄热罐(209)的入口分别与所述第一间冷器(202)和所述第二间冷器(203)相连，所述蓄热罐(209)的出口分别与所述第一再热器(206)和所述第二再热器(207)相连，所述蓄冷罐(208)用于为所述第一间冷器(202)和所述第二间冷器(203)提供冷量，所述蓄热罐(209)用于为所述第一再热器(206)和所述第二再热器(207)提供热量，且所述蓄冷罐(208)与所述蓄热罐(209)循环蓄冷蓄热。
7.根据权利要求5所述的二氧化碳捕集封存与储能发电一体化系统，其特征在于，多级膨胀发电机组(205)中的末级膨胀发电机组经第一支路(210)与所述首级第二压缩机的入口相连，且所述第一支路(210)中设有第一缓冲罐(211)，所述第一缓冲罐(211)的两端分别设有第一控制阀(212)和第二控制阀(213)；
所述末级膨胀发电机组经第二支路(214)与所述二氧化碳封存单元(300)相连，且所述第二支路(214)中设有第三控制阀(215)；
所述储气罐(204)的出口与所述第一再热器(206)之间设有第四控制阀；所述储气罐(204)的入口与所述第二间冷器(203)之间设有第五控制阀(217)，且所述第五控制阀(217)的第一端与所述第二间冷器(203)相连，所述第五控制阀(217)的第二端与所述储气罐(204)的入口相连。
8.根据权利要求7所述的二氧化碳捕集封存与储能发电一体化系统，其特征在于，所述二氧化碳封存单元(300)包括：
第二缓冲罐(301)，所述第二缓冲罐(301)的第一入口与所述第二支路(214)相连；所述第二缓冲罐(301)的第二入口与所述第五控制阀(217)的第一端之间连接有第六控制阀(303)；
地下封存储层(302)，与所述第二缓冲罐(301)的出口相连，且所述地下封存储层(302)与所述第二缓冲罐(301)的出口之间设有增压泵(304)和第七控制阀(305)。
9.一种根据权利要求8所述的二氧化碳捕集封存与储能发电一体化系统的控制方法，其特征在于，包括：
获取系统运行模式指令；
根据所述系统运行模式指令，控制所述第一控制阀(212)、所述第二控制阀(213)、所述第三控制阀(215)、所述第四控制阀(216)、所述第五控制阀(217)、所述第六控制阀(303)和所述第七控制阀(305)的开闭，切换系统运行模式；
其中，所述系统运行模式包括：二氧化碳捕集封存模式、二氧化碳捕集储能发电循环模式以及二氧化碳捕集单次储能发电封存模式。
10.根据权利要求9所述的二氧化碳捕集封存与储能发电一体化系统的控制方法，其特征在于，切换系统运行模式的步骤，具体包括：
控制所述第一控制阀(212)、所述第三控制阀(215)和所述第五控制阀(217)关闭，且控制所述第六控制阀(303)和所述第七控制阀(305)开启，所述系统运行至所述二氧化碳捕集封存模式；
控制所述第三控制阀(215)和所述第六控制阀(303)关闭，且控制所述第一控制阀(212)、所述第二控制阀(213)、所述第四控制阀(216)和所述第五控制阀(217)开启，所述系统运行至所述二氧化碳捕集储能发电循环模式；
控制所述第一控制阀(212)和所述第二控制阀(213)关闭，且控制所述第三控制阀(215)、所述第四控制阀(216)、所述第五控制阀(217)、所述第六控制阀(303)和所述第七控制阀(305)开启，所述系统运行至所述二氧化碳捕集单次储能发电封存模式。
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