CN206033359U - 超临界二氧化碳布雷顿循环发电‑废水处理的耦合系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种超临界二氧化碳布雷顿循环发电‑废水处理的耦合系统，包括超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统及超临界水氧化处理有机废水的生产系统；所述超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统包括主压缩机、再压缩机、低温回热器、高温回热器、第一热源、高压透平、低压透平及发电机；超临界水氧化处理有机废水的生产系统包括二氧化碳储罐、第一回热器、第二回热器、超临界水氧化反应器、余热回收器、第二热源、第三热源、工业水箱、废水箱、高压气液分离器、气体分离器、液氧储罐及常压气液分离器，该系统能够将超临界二氧化碳布雷顿循环系统与超临界水氧化法联合起来，使两者相互补充，实现有机废水处理及发电。

Description

超临界二氧化碳布雷顿循环发电-废水处理的耦合系统

技术领域

本实用新型属于可再生能源利用与有机废水处理技术领域，涉及一种超临界二氧化碳布雷顿循环发电-废水处理的耦合系统。

背景技术

随着人口指数增长，快速的工业化、城市化和人们生活质量的不断提高，人们越来越意识到能源与环境问题对人类生存和社会发展的重要性，能源、电力与环境成为国际社会日益关注的焦点问题，为解决和应对能源和电力短缺以及环境污染等问题，近年来，政府不断加大对可再生能源以及环境改善方面研究的支持力度。

目前世界上主要采用的发电手段有三种方式：火力发电、水力发电和核能发电。在火力发电中，广泛使用煤炭和其他化石燃料，导致了越来越多的环境问题，如全球变暖、臭氧层损耗和大气污染等。而利用水能进行发电，若增加水电站的容量，则需要建设大贮水的水库，这存在一定的局限性，如它们需要巨大的成本，淹没大面积土地，破坏生态平衡。利用核能进行发电，虽然比较清洁，但是若核废料处理不当会带来严重的环境问题。因此，在不破坏环境、不增加投资成本的条件下，通过寻找其他可再生能源来增加发电容量，提高发电效率成为了一个迫在眉睫的需求。超临界流体技术在近年来得到了广泛的应用，采用超临界二氧化碳布雷顿循环系统进行发电，其发电效率显著优于传统的蒸汽朗肯循环发电系统，同时，其设备尺寸规模相对于传统发电系统减小，初投资降低。二氧化碳(CO₂)由于其临界压力相对适中，具有较好的稳定性，在一定温度范围内表现出惰性气体的性质，以及其无毒、储量丰富、天然存在等特性，被认为是最具应用前景的能量传输和能量转换工质之一。

在环境治理方面，特别废水处理方面，随着排放标准的提高，对于一些难处理的废水来说，传统的水处理方法(物理法、化学法和生物法)并不能完全满足要求，而超临界水氧化法作为一种新兴的废水处理方法，能适应不同种类有机废水的处理。与传统的废水处理方法相比，超临界氧化技术具有反应速度快，氧化分解彻底，废水有机物去除率可达99％以上；废水里的有机物与氧化剂发生反应生成二氧化碳、水和氮气等；反应器系统占地面积小，反应器结构简单的优点。

然而，在超临界水氧化有机废水技术中，虽然会使水达到排放要求，但会产生大量的CO₂，对大气带来不良的影响，而超临界二氧化碳布雷顿循环中，一部分二氧化碳被强制冷却，造成其所携带的热量被浪费，如何克服以上两者系统的缺点，使两者系统能最优运行，是目前急需解决的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种超临界二氧化碳布雷顿循环发电-废水处理的耦合系统，该系统能够将超临界二氧化碳布雷顿循环系统与超临界水氧化法联合起来，使两者相互补充，实现有机废水处理及发电。

为达到上述目的，本实用新型所述的超临界二氧化碳布雷顿循环发电-废水处理的耦合系统包括超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统及超临界水氧化处理有机废水的生产系统；所述超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统包括主压缩机、再压缩机、低温回热器、高温回热器、第一热源、高压透平、低压透平及发电机；超临界水氧化处理有机废水的生产系统包括二氧化碳储罐、第一回热器、第二回热器、超临界水氧化反应器、余热回收器、第二热源、第三热源、工业水箱、废水箱、高压气液分离器、气体分离器、液氧储罐及常压气液分离器；

工业水箱的出口及废水箱的出口通过管道并管后再依次经余热回收器的冷侧、第一回热器的冷侧及第二热源与超临界水氧化反应器的预热水入口相连通，液氧储罐的出口依次经第二回热器的冷侧及第三热源与高压气液分离器的气体出口通过管道并管后与超临界水氧化反应器的入口相连通，超临界水氧化反应器的出口依次经第一回热器的热侧、第二回热器的热侧与高压气液分离器的入口相连通，高压气液分离器的液体出口与常压气液分离器的入口相连通，常压气液分离器气体出口及液体出口分别与气体分离器的入口及工业水箱的入口相连通，气体分离器的二氧化碳出口与二氧化碳储罐的入口相连通；

低压透平的工质出口依次经高温回热器的热侧及低温回热器的热侧后分为两路，其中一路与二氧化碳储罐的出口通过管道并管后依次经余热回收器的热侧及主压缩机与低温回热器的冷侧入口相连通，另一路依次经再压缩机与低温回热器的冷侧出口通过管道并管后再经高温回热器的冷侧与第一热源的入口相连通，第一热源的出口与高压透平及低压透平的入口相连通，高压透平的出口与第一热源的入口相连通，主压缩机、再压缩机、高压透平、低压透平及发电机同轴布置。

还包括第一止回阀、第二止回阀及水泵，其中，废水箱的出口与第二止回阀的入口相连通，工业水箱的出口与第一止回阀的入口相连通，第一止回阀的出口及第二止回阀的出口均与水泵的入口相连通，水泵的出口与余热回收器的冷侧相连通。

还包括第三止回阀及第四止回阀，其中，第三热源的出口与第三止回阀的入口相连通，高压气液分离器的气体出口与第四止回阀的入口相连通，第三止回阀的出口及第四止回阀的出口通过管道并管后与超临界水氧化反应器的入口相连通。

气体分离器的二氧化碳出口经第五止回阀与二氧化碳储罐的入口相连通，二氧化碳储罐上设有充装阀及排气阀；

还包括第六止回阀、第七止回阀及第八止回阀，低温回热器热侧的出口分为两路，其中一路与第六止回阀的入口相连通，另一路与第七止回阀的入口相连通，第六止回阀的出口与再压缩机的入口相连通，第八止回阀的入口与二氧化碳储罐的出口相连通，第七止回阀的出口及第八止回阀的出口均与余热回收器热侧的入口相连通；

工业水箱的底部出口处设有排水阀；

高压气液分离器的液体出口经减压阀与常压气液分离器的入口相连通；

液氧储罐的出口经液氧泵与第二回热器的冷侧入口相连通。

本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型所述的超临界二氧化碳布雷顿循环发电-废水处理的耦合系统在具体操作时，通过余热回收器回收超临界二氧化碳布雷顿发电系统中工质的余热，并通过回收的热量对进入到超临界水氧化反应器中的水进行预热，从而有效的提高系统的热效率，超临界水氧化反应器的产物经高压气液分离器、常压气液分离器及气体分离器分离出二氧化碳，再将分离出来的二氧化碳存储到二氧化碳储罐中，并将该二氧化碳作为工质补充到超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统中，从而为超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统提供稳定可靠的二氧化碳供给，从而实现超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统与超临界水氧化法的优势互补，在具体操作时，本实用新型不仅能够产生稳定的电能，还能高效的处理各类有机废水，达到降低二氧化碳排放量、治理废水污染及发电目的，为超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统与超临界水氧化处理有机废水系统的耦合运用提供了新的思路。

附图说明

图1为本实用新型的原理图。

其中，1为二氧化碳储罐、2为余热回收器、3为主压缩机、4为再压缩机、5为低温回热器、6为高温回热器、7为第一热源、8为高压透平、9为低压透平、10为发电机、11为工业水箱、12为废水箱、13为水泵、14为超临界水氧化反应器、15为第一回热器、16为第二热源、17为第二回热器、18为液氧储罐、19为液氧泵、20为第三热源、21为高压气液分离器、22为常压气液分离器、23为气体分离器、24为第八止回阀、25为第七止回阀、26为第六止回阀、27为第一止回阀、28为第二止回阀、29为第三止回阀、30为第四止回阀、31为减压阀、32为排水阀、33为第五止回阀、34为充装阀、35为排气阀。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步详细描述：

参考图1，本实用新型所述的超临界二氧化碳布雷顿循环发电-废水处理的耦合系统包括超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统及超临界水氧化处理有机废水的生产系统；所述超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统包括主压缩机3、再压缩机4、低温回热器5、高温回热器6、第一热源7、高压透平8、低压透平9及发电机10；超临界水氧化处理有机废水的生产系统包括二氧化碳储罐1、第一回热器15、第二回热器17、超临界水氧化反应器14、余热回收器2、第二热源16、第三热源20、工业水箱11、废水箱12、高压气液分离器21、气体分离器23、液氧储罐18及常压气液分离器22；

工业水箱11的出口及废水箱12的出口通过管道并管后再依次经余热回收器2的冷侧、第一回热器15的冷侧及第二热源16与超临界水氧化反应器14的预热水入口相连通，液氧储罐18的出口依次经第二回热器17的冷侧及第三热源20与高压气液分离器21的气体出口通过管道并管后与超临界水氧化反应器14的入口相连通，超临界水氧化反应器14的出口依次经第一回热器15的热侧、第二回热器17的热侧与高压气液分离器21的入口相连通，高压气液分离器21的液体出口与常压气液分离器22的入口相连通，常压气液分离器22气体出口及液体出口分别与气体分离器23的入口及工业水箱11的入口相连通，气体分离器23的二氧化碳出口与二氧化碳储罐1的入口相连通；

低压透平9的工质出口依次经高温回热器6的热侧及低温回热器5的热侧后分为两路，其中一路与二氧化碳储罐1的出口通过管道并管后依次经余热回收器2的热侧及主压缩机3与低温回热器5的冷侧入口相连通，另一路依次经再压缩机4与低温回热器5的冷侧出口通过管道并管后再经高温回热器6的冷侧与第一热源7的入口相连通，第一热源7的出口与高压透平8及低压透平9的入口相连通，高压透平8的出口与第一热源7的入口相连通，主压缩机3、再压缩机4、高压透平8、低压透平9及发电机10同轴布置。

本实用新型还包括第一止回阀27、第二止回阀28及水泵13，其中，废水箱12的出口与第二止回阀28的入口相连通，工业水箱11的出口与第一止回阀27的入口相连通，第一止回阀27的出口及第二止回阀28的出口均与水泵13的入口相连通，水泵13的出口与余热回收器2的冷侧相连通；本实用新型还包括第三止回阀29及第四止回阀30，其中，第三热源20的出口与第三止回阀29的入口相连通，高压气液分离器21的气体出口与第四止回阀30的入口相连通，第三止回阀29的出口及第四止回阀30的出口通过管道并管后与超临界水氧化反应器14的入口相连通；气体分离器23的二氧化碳出口经第五止回阀33与二氧化碳储罐1的入口相连通，二氧化碳储罐1上设有充装阀34及排气阀35。本实用新型还包括第六止回阀26、第七止回阀25及第八止回阀24，低温回热器5热侧的出口分为两路，其中一路与第六止回阀26的入口相连通，另一路与第七止回阀25的入口相连通，第六止回阀26的出口与再压缩机4的入口相连通，第八止回阀24的入口与二氧化碳储罐1的出口相连通，第七止回阀25的出口及第八止回阀24的出口均与余热回收器2热侧的入口相连通；

工业水箱11的底部出口处设有排水阀32；高压气液分离器21的液体出口经减压阀31与常压气液分离器22的入口相连通；液氧储罐18的出口经液氧泵19与第二回热器17的冷侧入口相连通。

当整个系统工作时，水泵13将工业水箱11内的工业用水抽出，并通过余热回收器2、第一回热器15及的第二热源16将温度加热至400-600℃，然后再进入到超临界水氧化反应器14中，使超临界水氧化反应器14的内部压力稳定在22-30MPa，从而使整个系统处于反应条件，再通过液氧泵19将液氧储罐18里的液氧抽出并加压到系统压力，然后再通过第二回热器17及第三热源20将氧气温度加热到50-300℃之间，然后进入到超临界水氧化反应器14中，再打开第二止回阀28，然后将工业水切换为废水，使废水与氧气在超临界水氧化反应器14内发生反应，并产生以二氧化碳为主的气体产物，气体产物经第一回热器15放热、高压气液分离器21气液分离、减压阀31减压、常压气液分离器22气液分离以及气体分离器23分离出二氧化碳，并将分离出来的二氧化存储到二氧化碳储罐1中，当二氧化碳储罐1内的压力预设值时，则通过排气阀35进行排气减压，其中，常压气液分离器22分离出来的液体进入到工业水箱11中；

待超临界水氧化处理有机废水的生产系统稳定运行后，启动超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统，打开第八止回阀24，低温低压的二氧化碳气体经余热回收器2及主压缩机3升压后进入低温回热器5，再经低温回热器5预热、高温回热器6换热、第一热源7加热后进入到高压透平8中进行发电，高压透平8输出的超临界二氧化碳经过第一热源7回热后进入低压透平9进行再次发电，低压透平9输出的乏气依次再高温回热器6放热及低温回热器5中放热后分为两路，其中一路进入到余热回收器2中继续放热，另一路进入到再压缩机4中进行升压，然后再与高温回热器6冷侧输出的二氧化碳混合后进入到高温回热器6中进行闭式循环，直至系统达到稳定。

Claims (8)

1.一种超临界二氧化碳布雷顿循环发电-废水处理的耦合系统，其特征在于，包括超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统及超临界水氧化处理有机废水的生产系统；所述超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统包括主压缩机(3)、再压缩机(4)、低温回热器(5)、高温回热器(6)、第一热源(7)、高压透平(8)、低压透平(9)及发电机(10)；超临界水氧化处理有机废水的生产系统包括二氧化碳储罐(1)、第一回热器(15)、第二回热器(17)、超临界水氧化反应器(14)、余热回收器(2)、第二热源(16)、第三热源(20)、工业水箱(11)、废水箱(12)、高压气液分离器(21)、气体分离器(23)、液氧储罐(18)及常压气液分离器(22)；

工业水箱(11)的出口及废水箱(12)的出口通过管道并管后再依次经余热回收器(2)的冷侧、第一回热器(15)的冷侧及第二热源(16)与超临界水氧化反应器(14)的预热水入口相连通，液氧储罐(18)的出口依次经第二回热器(17)的冷侧及第三热源(20)与高压气液分离器(21)的气体出口通过管道并管后与超临界水氧化反应器(14)的入口相连通，超临界水氧化反应器(14)的出口依次经第一回热器(15)的热侧、第二回热器(17)的热侧与高压气液分离器(21)的入口相连通，高压气液分离器(21)的液体出口与常压气液分离器(22)的入口相连通，常压气液分离器(22)气体出口及液体出口分别与气体分离器(23)的入口及工业水箱(11)的入口相连通，气体分离器(23)的二氧化碳出口与二氧化碳储罐(1)的入口相连通；

低压透平(9)的工质出口依次经高温回热器(6)的热侧及低温回热器(5)的热侧后分为两路，其中一路与二氧化碳储罐(1)的出口通过管道并管后依次经余热回收器(2)的热侧及主压缩机(3)与低温回热器(5)的冷侧入口相连通，另一路依次经再压缩机(4)与低温回热器(5)的冷侧出口通过管道并管后再经高温回热器(6)的冷侧与第一热源(7)的入口相连通，第一热源(7)的出口与高压透平(8)及低压透平(9)的入口相连通，高压透平(8)的出口与第一热源(7)的入口相连通，主压缩机(3)、再压缩机(4)、高压透平(8)、低压透平(9)及发电机(10)同轴布置。

2.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳布雷顿循环发电-废水处理的耦合系统，其特征在于，还包括第一止回阀(27)、第二止回阀(28)及水泵(13)，其中，废水箱(12)的出口与第二止回阀(28)的入口相连通，工业水箱(11)的出口与第一止回阀(27)的入口相连通，第一止回阀(27)的出口及第二止回阀(28)的出口均与水泵(13)的入口相连通，水泵(13)的出口与余热回收器(2)的冷侧相连通。

3.根据权利要求2所述的超临界二氧化碳布雷顿循环发电-废水处理的耦合系统，其特征在于，还包括第三止回阀(29)及第四止回阀(30)，其中，第三热源(20)的出口与第三止回阀(29)的入口相连通，高压气液分离器(21)的气体出口与第四止回阀(30)的入口相连通，第三止回阀(29)的出口及第四止回阀(30)的出口通过管道并管后与超临界水氧化反应器(14)的入口相连通。

4.根据权利要求3所述的超临界二氧化碳布雷顿循环发电-废水处理的耦合系统，其特征在于，气体分离器(23)的二氧化碳出口经第五止回阀(33)与二氧化碳储罐(1)的入口相连通，二氧化碳储罐(1)上设有充装阀(34)及排气阀(35)。

5.根据权利要求4所述的超临界二氧化碳布雷顿循环发电-废水处理的耦合系统，其特征在于，还包括第六止回阀(26)、第七止回阀(25)及第八止回阀(24)，低温回热器(5)热侧的出口分为两路，其中一路与第六止回阀(26)的入口相连通，另一路与第七止回阀(25)的入口相连通，第六止回阀(26)的出口与再压缩机(4)的入口相连通，第八止回阀(24)的入口与二氧化碳储罐(1)的出口相连通，第七止回阀(25)的出口及第八止回阀(24)的出口均与余热回收器(2)热侧的入口相连通。

6.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳布雷顿循环发电-废水处理的耦合系统，其特征在于，工业水箱(11)的底部出口处设有排水阀(32)。

7.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳布雷顿循环发电-废水处理的耦合系统，其特征在于，高压气液分离器(21)的液体出口经减压阀(31)与常压气液分离器(22)的入口相连通。

8.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳布雷顿循环发电-废水处理的耦合系统，其特征在于，液氧储罐(18)的出口经液氧泵(19)与第二回热器(17)的冷侧入口相连通。