CN213039267U

CN213039267U - 一种煤炭地下气化与超临界二氧化碳储能混合集成系统

Info

Publication number: CN213039267U
Application number: CN202021041476.7U
Authority: CN
Inventors: 曹和平; 陈焕倬; 曹云鹏; 连红卫; 翟学东; 李想
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-06-09
Filing date: 2020-06-09
Publication date: 2021-04-23
Anticipated expiration: 2030-06-09

Abstract

本实用新型公开了一种煤炭地下气化与超临界二氧化碳储能混合集成系统，该系统可以包括煤炭地下气化系统、分离机构以及超临界二氧化碳发电系统。本申请提供的煤炭地下气化与超临界二氧化碳储能混合集成系统，利用太阳能光伏发电的电能、风力发电的电能和电网负荷低谷时期的电能，由电动机带动压缩机转动将来自外界环境的空气压缩后送入煤炭地下气化系统参与反应；煤炭气化后生成的混合气体中二氧化碳气体被单独分离，其中一部分用于推动涡轮膨胀机对外做功发电，另一部分以气化剂形式重新回注到气化煤层区参与反应；整个过程实现了能量的回收利用和CO₂的零排放。

Description

一种煤炭地下气化与超临界二氧化碳储能混合集成系统

技术领域

本实用新型涉及能源开发利用技术领域，特别是涉及一种煤炭地下气化与超临界二氧化碳储能混合集成系统。

背景技术

中国作为全球最大的煤炭生产国、消费国和进口国，根据《BP世界能源统计年鉴(2019年)》公布数据显示，2018年度全国能源消费结构中煤炭的消费占比约为58％，且特有的煤炭资源条件和国情，又决定了以煤炭为主体的能源结构将在很长时间内不会被动摇。但传统的煤炭开采、运输、发电方式在资源利用率、环境污染、经济成本上仍有许多问题需要解决。同时，受井工采煤技术水平的限制，约50％左右的煤炭资源被遗弃在井下，造成了大量的煤炭资源浪费，根据不完全统计，我国目前老旧矿井遗弃的煤炭资源在300亿吨以上。为了解决这些问题，必须刻不容缓地改变传统煤炭生产和消费方式，发展洁净、高效的煤炭生产和利用技术，而煤炭地下气化技术则是一条最佳的途径。

煤炭地下气化(Underground Coal Gasification，简称UCG)是采用化学开采方法将煤炭在地下原位直接进行燃烧气化产生可燃气体，是一种高碳资源低碳化开发清洁能源新技术。它将建井、采煤、选矿、气化等工艺在地下煤层内合而为一，将物理采煤转化为化学采气，即把具有复杂稠环芳香族结构的原煤大分子转变为结构简单的以H₂、CO、CH₄为主要成分的可燃气体。整个气化过程省去了庞大、笨重的采煤设备和繁重的人工体力劳动，因而具有安全性好、投资少、效率高、成本低、见效快、污染少等优点。

然而，在煤炭地下气化生产过程中，还是不可避免地会产生二氧化碳。如果这些二氧化碳排放到大气中，势必会产生温室气体效应，对环境产生破坏。传统的地面气化方法可以采用化学链燃烧技术来实现二氧化碳减排。该燃烧形式把一步化学反应转变成了两步化学反应来完成，实现了能量的梯级利用，提高了能源利用率。特别突出的是，从燃料反应器内排出的产物中不包含N₂，主要产物CO₂和水蒸气直接通入冷凝器冷却后就可以分离出高浓度的CO₂，这样在不消耗额外能量的情况下得到高浓度的CO₂，方便了对CO₂的进一步回收和处理。而且由于燃料不与氧气进行直接接触，避免了燃料型NO_X的生成。但是煤炭地下气化过程中的燃料煤是在地下原位状态发生反应的，将载氧体输送至地下气化工作面并进行循环利用无疑是不现实的。我们国家富煤的地区大多水资源贫乏，限制了煤炭地下气化的发展，对于煤炭地下气化来说，比较可行的二氧化碳减排方法是对地下气化过程中生成的二氧化碳进行捕集并将其作为气化剂输送到地下气化工作面进行循环利用，也就是二氧化碳回炉。而且，在这个过程中，二氧化碳部分代替了水蒸气作为气化剂，这对于水资源缺乏的地区来说，具有重要的现实意义。

实用新型内容

本实用新型提供了一种煤炭地下气化与超临界二氧化碳储能混合集成系统。该系统既利用了太阳能光伏发电的电能、风力发电的电能和电网负荷低谷时期的电能，同时又利用气化过程中产生的二氧化碳气体推动涡轮膨胀机发电，并部分二氧化碳气体以气化剂的形式重新回注到气化煤层区域参与反应，整个过程实现了CO₂的零排放，具有重要的现实意义。

本实用新型提供了如下方案：

一种煤炭地下气化与超临界二氧化碳储能混合集成系统，包括煤炭地下气化系统、分离机构以及超临界二氧化碳发电系统；

所述分离机构用于将所述煤炭地下气化系统排出的高温煤气进行组分分离获得二氧化碳气体以及煤制气体；

所述超临界二氧化碳发电系统用于接收所述分离机构供给的二氧化碳气体作为工质实现发电；

所述煤炭地下气化系统用于接收所述超临界二氧化碳发电系统排出的二氧化碳气体作为部分气化剂实现煤炭气化。

优选地：还包括依次相连的第一压缩机、二氧化碳储存罐以及第二压缩机，所述第一压缩机与所述分离机构相连，所述第二压缩机与所述超临界二氧化碳发电系统相连。

优选地：所述二氧化碳储存罐连接有温度、压力、流量监控系统。

优选地：所述分离机构包括依次相连的过滤器、分离器以及缓冲器，所述过滤器与所述煤炭地下气化系统的煤气出气口相连；所述缓冲器与所述第一压缩机相连。

优选地：所述超临界二氧化碳发电系统的二氧化碳气体排放口与所述二氧化碳储存罐相连；所述二氧化碳储存罐通过第三压缩机与所述煤炭地下气化系统的气化剂进气口相连。

优选地：还包括第四压缩机，所述第四压缩机用于将空气进行压缩作为部分气化剂供给所述煤炭地下气化系统。

优选地：所述第一压缩机、所述第二压缩机、所述第三压缩机以及所述第四压缩机同轴设置且与电动机相连。

优选地：还包括供电组件，所述供电组件用于为所述电动机提供太阳能光伏发电的电能和/或风力发电的电能和/或电网负荷低谷时期的电能。

优选地：所述超临界二氧化碳发电系统包括第一换热器、第二换热器、第三换热器、第一涡轮膨胀机、第二涡轮膨胀机、第三涡轮膨胀机以及发电机；所述第一涡轮膨胀机、所述第二涡轮膨胀机、所述第三涡轮膨胀机以及所述发电机同轴相连；所述第一换热器的冷侧入口以及出口分别与所述第二压缩机以及第一涡轮膨胀机相连，所述第一换热器的热侧的入口以及出口分别与所述分离器的煤制气体供应端以及第二换热器的热侧的入口相连；所述第二换热器的冷侧的入口以及出口分别与所述第一涡轮膨胀机以及第二涡轮膨胀机相连，所述第二换热器的热侧的出口与所述第三换热器的热侧的入口相连；所述第三换热器的冷侧的入口以及出口分别与第二涡轮膨胀机以及第三涡轮膨胀机相连，所述第三涡轮膨胀机与所述二氧化碳储罐相连。

优选地：所述第三换热器的热侧的出口连接有煤制气混合气体储罐。

根据本实用新型提供的具体实施例，本实用新型公开了以下技术效果：

通过本实用新型，可以实现一种煤炭地下气化与超临界二氧化碳储能混合集成系统，在一种实现方式下，该系统可以包括煤炭地下气化系统、分离机构以及超临界二氧化碳发电系统；所述分离机构用于将所述煤炭地下气化系统排出的高温煤气进行组分分离获得二氧化碳气体以及煤制气体；所述超临界二氧化碳发电系统用于接收所述分离机构供给的二氧化碳气体作为工质实现发电；所述煤炭地下气化系统用于接收所述超临界二氧化碳发电系统排出的二氧化碳气体作为部分气化剂实现煤炭气化。本申请提供的煤炭地下气化与超临界二氧化碳储能混合集成系统，利用太阳能光伏发电的电能、风力发电的电能和电网负荷低谷时期的电能，由电动机带动压缩机转动将来自外界环境的空气压缩后送入煤炭地下气化系统参与反应；煤炭气化后生成的混合气体中二氧化碳气体被单独分离，其中一部分用于推动涡轮膨胀机对外做功发电，另一部分以气化剂形式重新回注到气化煤层区参与反应；整个过程实现了能量的回收利用和 CO₂的零排放。

当然,实施本实用新型的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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是本实用新型实施例提供的一种煤炭地下气化与超临界二氧化碳储能混合集成系统的结构示意图。

图中：煤炭地下气化系统1、分离机构2、过滤器21、分离器22、缓冲器 23、超临界二氧化碳发电系统3、第一换热器31、第二换热器32、第三换热器33、第一涡轮膨胀机34、第二涡轮膨胀机35、第三涡轮膨胀机36、发电机 37、第一压缩机41、第二压缩机42、第三压缩机43、第四压缩机44、二氧化碳储存罐5、电动机6、供电组件7、煤制气混合气体储罐8。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例

参见图1，为本实用新型实施例提供的一种煤炭地下气化与超临界二氧化碳储能混合集成系统，如图1所示，该系统包括煤炭地下气化系统1、分离机构2以及超临界二氧化碳发电系统3；

所述分离机构2用于将所述煤炭地下气化系统1排出的高温煤气进行组分分离获得二氧化碳气体以及煤制气体；具体的，所述分离机构2包括依次相连的过滤器21、分离器22以及缓冲器23，所述过滤器21与所述煤炭地下气化系统1的煤气出气口相连；所述缓冲器23与所述第一压缩机41相连。经分离器分离出的可燃气体混合气(煤制气体)的温度保持在700-900摄氏度。

具体的，还包括依次相连的第一压缩机41、二氧化碳储存罐5以及第二压缩机42，所述第一压缩机41与所述分离机构2相连，所述第二压缩机42 与所述超临界二氧化碳发电系统3相连。所述二氧化碳储存罐5连接有温度、压力、流量监控系统。第一压缩机41、二氧化碳储存罐5以及第二压缩机42 可以将二氧化碳进行升压使其满足二氧化碳超临界发电系统所需的二氧化碳的压力要求。二氧化碳储存罐具有稳定压力的作用，保证供给超临界二氧化碳发电系统的二氧化碳气体的压力稳定。二氧化碳气体储罐内设置温度、压力、流量监控系统，通过一种联合控制系统，当二氧化碳气体罐体内压力低于某一数值时，第一压缩机快速启动并向二氧化碳气体储罐内充入压缩二氧化碳气体，以确保二氧化碳气体储罐内气体压力始终维持某一恒定值。

所述超临界二氧化碳发电系统用于接收所述分离机构供给的二氧化碳气体作为工质实现发电；所述超临界二氧化碳发电系统3包括第一换热器31、第二换热器32、第三换热器33、第一涡轮膨胀机34、第二涡轮膨胀机35、第三涡轮膨胀机36以及发电机37；所述第一涡轮膨胀机34、所述第二涡轮膨胀机35、所述第三涡轮膨胀机36以及所述发电机37同轴相连；所述第一换热器31的冷侧入口以及出口分别与所述第二压缩机42以及第一涡轮膨胀机34 相连，所述第一换热器31的热侧的入口以及出口分别与所述分离器22的煤制气体供应端以及第二换热器32的热侧的入口相连；所述第二换热器32的冷侧的入口以及出口分别与所述第一涡轮膨胀机34以及第二涡轮膨胀机35相连，所述第二换热器32的热侧的出口与所述第三换热器33的热侧的入口相连；所述第三换热器33的冷侧的入口以及出口分别与第二涡轮膨胀机35以及第三涡轮膨胀机36相连，所述第三涡轮膨胀机36与所述二氧化碳储罐5相连。所述第三换热器33的热侧的出口连接有煤制气混合气体储罐8。其中各换热器的作用是用于将加压后的二氧化碳气体进行等压加热，获得超临界状态的二氧化碳气体。

所述煤炭地下气化系统用于接收所述超临界二氧化碳发电系统排出的二氧化碳气体作为部分气化剂实现煤炭气化。由于煤炭地下气化系统在对煤进行气化的过程中会消耗一部分二氧化碳，因此二氧化碳的供应量可以根据二氧化碳的消耗量计算确定。

进一步的，所述超临界二氧化碳发电系统3的二氧化碳气体排放口与所述二氧化碳储存罐5相连；所述二氧化碳储存罐5通过第三压缩机43与所述煤炭地下气化系统1的气化剂进气口相连。

进一步的，还包括第四压缩机44，所述第四压缩机44用于将空气进行压缩作为部分气化剂供给所述煤炭地下气化系统1。所述第一压缩机41、所述第二压缩机42、所述第三压缩机43以及所述第四压缩机44同轴设置且与电动机6相连。还包括供电组件7，所述供电组件7用于为所述电动机6提供太阳能光伏发电的电能和/或风力发电的电能和/或电网负荷低谷时期的电能。

该系统的具体工作流程包括：

本申请提供的系统中，太阳能发电子系统、风力发电子系统和电网负荷低谷时期的电能驱动电动机6转动，将来自于环境中的空气通过第四压缩机44 压缩后产生高压空气，第四压缩机44的出口与煤炭地下气化系统1的进气孔相连通，经过压缩后的高压空气被送入到煤炭地下气化系统1参与气化反应。煤炭地下气化系统1中产生的高温煤气混合气体由煤气出气孔排出，并依次经过过滤器21、分离器22后将煤制气中的二氧化碳和其他可燃气体混合气(煤制气体)进行分离，被单独分离的二氧化碳气体经过第一压缩机41增压后储存至二氧化碳气体储罐5。二氧化碳气体储罐5内的部分气体进入第三压缩机 43再次增压后变成高温高压二氧化碳气体，高温高压二氧化碳气体随同第四压缩机44出口的高温高压空气一同进入煤炭地下气化系统1的气化煤层区域。

二氧化碳气体储罐5的气体出口与第二压缩机42的入口相连通，经第二压缩机42增压后的二氧化碳气体与第一换热器31(高温换热器)低温侧入口相连通，第一换热器31的低温侧出口与第一涡轮膨胀机34(高温涡轮膨胀机) 入口相连通，通过与第一换热器31热侧的高温煤气进行热交换，被加热的高温CO₂气体进入第一涡轮膨胀机34做功，第一涡轮膨胀机34出口与第二换热器32(中温换热器)低温侧入口相连通，通过与第二换热器32热侧的中温煤气进行热交换，被加热的中温CO₂气体进入第二涡轮膨胀机35(中压涡轮膨胀机)做功，第二涡轮膨胀机35出口与第三换热器33(低温换热器)低温侧入口相连通，通过与第三换热器33热侧的低温煤气进行热交换，被加热的低温 CO₂气体进入第三涡轮膨胀机36(低压涡轮膨胀机)做功，经第三涡轮膨胀机 36做功完毕的CO₂气体重新返回二氧化碳气体储罐5。各膨胀机做功时同步带动发电机37进行发电。第三换热器33热侧出口排出的煤制气体进入煤制气混合气体储罐8等待供给用户端使用。

总之，本申请提供的煤炭地下气化与超临界二氧化碳储能混合集成系统，利用太阳能光伏发电的电能、风力发电的电能和电网负荷低谷时期的电能，由电动机带动压缩机转动将来自外界环境的空气压缩后送入煤炭地下气化系统参与反应；煤炭气化后生成的混合气体中二氧化碳气体被单独分离，其中一部分用于推动涡轮膨胀机对外做功发电，另一部分以气化剂形式重新回注到气化煤层区参与反应；整个过程实现了能量的回收利用和CO₂的零排放。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本实用新型的保护范围内。

Claims

1.一种煤炭地下气化与超临界二氧化碳储能混合集成系统，其特征在于，包括煤炭地下气化系统、分离机构以及超临界二氧化碳发电系统；

2.根据权利要求1所述的煤炭地下气化与超临界二氧化碳储能混合集成系统，其特征在于，还包括依次相连的第一压缩机、二氧化碳储存罐以及第二压缩机，所述第一压缩机与所述分离机构相连，所述第二压缩机与所述超临界二氧化碳发电系统相连。

3.根据权利要求2所述的煤炭地下气化与超临界二氧化碳储能混合集成系统，其特征在于，所述二氧化碳储存罐连接有温度、压力、流量监控系统。

4.根据权利要求2所述的煤炭地下气化与超临界二氧化碳储能混合集成系统，其特征在于，所述分离机构包括依次相连的过滤器、分离器以及缓冲器，所述过滤器与所述煤炭地下气化系统的煤气出气口相连；所述缓冲器与所述第一压缩机相连。

5.根据权利要求4所述的煤炭地下气化与超临界二氧化碳储能混合集成系统，其特征在于，所述超临界二氧化碳发电系统的二氧化碳气体排放口与所述二氧化碳储存罐相连；所述二氧化碳储存罐通过第三压缩机与所述煤炭地下气化系统的气化剂进气口相连。

6.根据权利要求5所述的煤炭地下气化与超临界二氧化碳储能混合集成系统，其特征在于，还包括第四压缩机，所述第四压缩机用于将空气进行压缩作为部分气化剂供给所述煤炭地下气化系统。

7.根据权利要求6所述的煤炭地下气化与超临界二氧化碳储能混合集成系统，其特征在于，所述第一压缩机、所述第二压缩机、所述第三压缩机以及所述第四压缩机同轴设置且与电动机相连。

8.根据权利要求7所述的煤炭地下气化与超临界二氧化碳储能混合集成系统，其特征在于，还包括供电组件，所述供电组件用于为所述电动机提供太阳能光伏发电的电能和/或风力发电的电能和/或电网负荷低谷时期的电能。

9.根据权利要求4所述的煤炭地下气化与超临界二氧化碳储能混合集成系统，其特征在于，所述超临界二氧化碳发电系统包括第一换热器、第二换热器、第三换热器、第一涡轮膨胀机、第二涡轮膨胀机、第三涡轮膨胀机以及发电机；所述第一涡轮膨胀机、所述第二涡轮膨胀机、所述第三涡轮膨胀机以及所述发电机同轴相连；所述第一换热器的冷侧入口以及出口分别与所述第二压缩机以及第一涡轮膨胀机相连，所述第一换热器的热侧的入口以及出口分别与所述分离器的煤制气体供应端以及第二换热器的热侧的入口相连；所述第二换热器的冷侧的入口以及出口分别与所述第一涡轮膨胀机以及第二涡轮膨胀机相连，所述第二换热器的热侧的出口与所述第三换热器的热侧的入口相连；所述第三换热器的冷侧的入口以及出口分别与第二涡轮膨胀机以及第三涡轮膨胀机相连，所述第三涡轮膨胀机与所述二氧化碳储罐相连。

10.根据权利要求9所述的煤炭地下气化与超临界二氧化碳储能混合集成系统，其特征在于，所述第三换热器的热侧的出口连接有煤制气混合气体储罐。