WO2017143652A1 - 零碳排放化石燃料发电方法及装备 - Google Patents

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Abstract

一种零碳排放化石燃料发电方法及装备，提出一种碳捕集与封存（CCS）的完整技术方案：在二氧化碳封存场地上的发电厂中对煤炭等化石燃料进行富氧燃烧发电，所产生的二氧化碳烟气就地增压注入碳封存场地的盐水层，所发出的电能对外输送。该方法省略了运输环节所包括的碳装载和远距离输送然后再卸载的全过程，大幅降低CCS完整技术方案的实施难度和成本，提高CCS技术方案的可行性，有利于规模化实现煤炭等化石燃料发电过程的碳捕集与封存，既零碳排放化石燃料发电，为CCS突破困境增添一条技术路径，最终实现大量煤炭／油气等化石能源资源与大量盐水层地质资源的大规模综合利用。

Description

零碳排放化石燃料发电方法及装备 技术领域
本发明零碳排放化石燃料发电方法及装备，属于清洁能源技术领域，具体涉及碳捕集封存(CCS：Carbon Capture Storage)技术方案(技术路线)。
背景技术
化石燃料碳排放导致气候恶化，但抛弃大量的化石能源资源很不现实。所以，尽快实现化石燃料的碳捕集封存(CCS)，是发展经济并防止气候灾变，实现2℃(2DS)气候目标的必由之路；另一方面，人们也开发出大量适合长期碳封存的地质资源，如油气藏、煤藏，以及盐水层等等。期望将化石能源和碳封存资源综合利用的CCS技术方案，现有很多种类和项目，如图4、图5、图6所示，都包含有碳的捕集、运输和封存三个环节。其中的碳捕集环节，现有富氧燃烧、化学萃取、膜分离，以及燃烧前捕集等等单元技术；其中的封存环节主要是开发封存资源勘探和安全评估技术；其中的运输环节，主要是超临界管网建设和运营技术等等。人们普遍认为CCS的单元技术并不复杂，但将所有单元集成为完整(全流程)的技术方案则非常困难，所以，完整CCS技术方案多年来推进缓慢，至今未能实现将化石能源和碳封存资源真正结合的愿望，起不到规模化碳捕集封存的作用，以致近年来广受各国质疑、否定甚至正在进行的试验示范项目被关闭。但即使在这样的CCS现有技术困境中，人们也并没有放弃对CCS的渴望和追求，反而不断呼吁开发新的CCS技术方案。
发明内容
本发明为克服造成当前CCS困境的技术缺点，提出一种零碳排放化石燃料发电方法及装备，也是一项新的完整CCS技术方案。本发明所述的化石燃料包括煤碳、石油、天然气、煤层气以及可燃冰中的一种或组合；所述的零碳排放，是指化石燃料发电过程产生的二氧化碳大部或全部实现CCS。本发明所要达到的目的是：省略现有CCS技术的运输环节，也就是省略了运输环节所包括的碳装载和远距离输送然后再卸载的全过程，大幅降低CCS完整技术方案的实施难度和成本，提高CCS技术方案的可行性，有利于规模化实现煤炭等化石燃料发电过程的碳捕集与封存，既零碳排放化石燃 料发电，为CCS突破困境增添一条新的技术路径，最终实现大量煤炭/油气等化石能源资源与大量盐水层地质资源的大规模综合利用。
本发明零碳排放化石燃料发电方法的技术方案是：
一种零碳排放化石燃料发电方法，其步骤包括：在二氧化碳封存场地上的发电厂中对化石燃料进行富氧燃烧发电，所产生的二氧化碳烟气就地增压注入碳封存场地以封存二氧化碳，所发出的电能对外输送；所述的富氧燃烧，是在燃烧过程鼓入氧气以提高烟气中二氧化碳浓度的燃烧方法。
进一步的技术方案是：
所述的零碳排放化石燃料发电方法，其二氧化碳烟气就地增压注入碳封存场地，是发电产生的二氧化碳直接增压注入碳封存场地，所述直接增压注入碳封存场地是二氧化碳烟气产生地点与注入地点之间的水平距离近零。
所述的零碳排放化石燃料发电方法，二氧化碳烟气经由抗腐蚀性设施和管道增压注入碳封存场地。
所述的零碳排放化石燃料发电方法，其碳封存场地是碳封存场地盐水层，它是地面下具有盐水层的适于封存二氧化碳的地质构造的场地，二氧化碳烟气就地增压注入碳封存场地盐水层中。
所述的零碳排放化石燃料发电方法，其发电厂中使用水和/或空气作为动力冷却介质。
所述的零碳排放化石燃料发电方法，所述发出的电能对外输送，是发电厂对外部电网输出电力，包括通过电力电缆向所在国家电网、国际电网、洲际电网输出电力，和/或向发电厂近旁的工厂输出电力。
一种用于本发明方法的零碳排放化石燃料发电装备技术方案是：
它包括富氧燃烧动力装置，该富氧燃烧动力装置联接有：化石燃料输入装置，发变电装置，动力冷却装置，空分制氧装置，以及二氧化碳烟气净化增压储气装置；该二氧化碳烟气净化增压储气装置还联接二氧化碳注入井束的上端，二氧化碳注入井束的末端与碳封存场地盐水层相联通。
进一步的技术方案是：
所述的零碳排放化石燃料发电装备，其二氧化碳烟气净化增压储气装置和二氧化碳注入井束均由抗腐蚀性材料制成。
所述的零碳排放化石燃料发电装备，其动力冷却装置包括冷却水泵和/或冷却风机。
结合本发明的技术原理对本发明的技术方案和效果作说明如下：
本发明技术原理：一些地区存在适于长期大量碳封存的盐水层等地质构造，在这些二氧化碳封存场地上利用化石燃料富氧燃烧发电，在燃烧过程鼓入氧气，使燃烧产生的烟气直接成为高浓度二氧化碳烟气，然后就地增压注入碳封存场地，从而低成本实现碳捕集与封存。由于本发明技术方案省略了现有碳捕集环节和碳封存环节之间高风险的运输环节，不仅省略了运输环节所包括的碳装载和远距离输送然后再卸载的全过程，而且不必受制于输送环节须要将二氧化碳捕集成为指标严格的高纯度、高压、超临界液化成品的商业技术要求。本发明技术原理体现了因地制宜和要素省略的特点。
本发明技术效果：降低了CCS完整技术方案的实施难度和成本，提高了规模化实施CCS的可行性；对于CCS技术试验示范项目，可以缩短周期，降低资金门槛，从而使煤炭和石油等化石燃料加速成为零碳排放的清洁能源，为CCS突破困境增添一条新的技术路径。
附图说明
图1是本发明零碳排放化石燃料发电方法的一个实施例的流程示意图，也是本发明的CCS技术路线示意图。本实施例方法步骤为：在碳封存场地上进行富氧燃烧化石燃料发电，所产生的二氧化碳烟气就地注入碳封存场地。
图2是本发明零碳排放化石燃料发电装备一个实施例的示意图。本实施例的二氧化碳烟气净化增压储气装置6还联接二氧化碳注入井束7的上端，二氧化碳注入井束7的末端与碳封存场地8的盐水层相联通。
图3是本发明零碳排放化石燃料发电方法的又一个实施例示意图，本实施例方法步骤为：在碳封存场地上进行富氧燃烧燃煤发电，所产生的二氧化碳烟气就地注入碳封存场地。
图4是一种现有富氧燃烧燃煤发电CCS技术方案示意图。
图5是一种现有燃煤发电CCS技术方案示意图。
图6是一种现有燃油/燃气发电CCS技术方案示意图。
附图中：1—富氧燃烧动力装置，2—化石燃料输入装置，2.1—化石燃料(煤/油 /气)，3—发变电装置，3.1—电力电缆向电网输电，4—动力冷却装置，4.1—冷却介质(水/空气)，5—空分制氧装置，5.1—空气，5.2—氮气，6—二氧化碳烟气净化增压储气装置，6.1—固体副产物，7—二氧化碳注入井束，8—碳封存场地盐水层。
具体实施方式
结合附图和实施例对本发明零碳排放化石燃料发电方法及装备作进一步说明如下：
实施例1：是本发明零碳排放化石燃料发电方法的基本实施例。如附图1、3所示，零碳排放化石燃料发电方法，其步骤包括：在二氧化碳封存场地上的发电厂中对化石燃料进行富氧燃烧发电，所产生的二氧化碳烟气就地增压注入碳封存场地以封存二氧化碳，所发出的电能对外输送；所述的富氧燃烧，是在燃烧过程鼓入氧气以提高烟气中二氧化碳浓度的燃烧方法。
实施例2：是在实施例1基础上的进一步实施例。如附图2所示，所产生的二氧化碳烟气就地增压注入碳封存场地，是发电产生的二氧化碳直接增压注入碳封存场地，所述直接增压注入碳封存场地是二氧化碳烟气产生地点与注入地点之间的水平距离近零。
本实施例的二氧化碳烟气产生地点(源)与注入地点(汇)之间的水平距离小于20公里，不足现有CCS技术方案源汇通常距离约200公里的十分之一，发电产生的二氧化碳直接增压注入碳封存场地，在碳捕集环节和碳封存环节之间，省略了现有CCS技术的运输环节，从而省略了运输环节所包括的碳装载、卸载和远距离输送的全过程。
所述的富氧燃烧方法，是一种使化石燃料烟气成为高浓度二氧化碳的低成本现有技术。
实施例3：是在实施例1基础上的进一步实施例，二氧化碳烟气经由抗腐蚀性设施和管道增压注入碳封存场地。
由于化石燃料烟气中含有二氧化碳、二氧化硫等腐蚀性气体，增压注入烟气的管道设施，采用可靠性、安全性有保证的合格抗腐蚀性工艺材料。
实施例4：是在实施例1基础上的进一步实施例。所述的碳封存场地是碳封存场地盐水层，它是地面下具有盐水层的适于封存二氧化碳的地质构造的场地，化石燃料发电所产生的二氧化碳烟气就地增压注入碳封存场地盐水层中，以封存二氧化碳。
本实施例选择在地面下具有盐水层地质构造的场地上兴建燃煤发电厂的好处在于：该地区已探明的大量盐水层的碳封存潜力，数十倍于该地区已探明油气田的碳的可封存量，这样可以满足大型燃煤发电厂长期发电的碳捕集封存需要。
发电厂中使用水和/或空气作为动力冷却介质，其中的冷却水可以采用淡水和/或咸水。
为满足燃烧发电过程对蒸汽轮机等燃烧动力装置的冷却要求，本实施例采用循环冷却水加空气冷却的冷却工艺，所需的冷却水部分取自发电厂下面的盐水层。
实施例5：是在实施例1基础上的进一步实施例。所述发出的电能对外输送，是发电厂对外部电网输出电力，包括通过电力电缆向所在国家电网、国际电网、洲际电网输出电力，和/或向发电厂近旁的工厂输出电力。
只向近旁工厂输送电能也是一种实施例。这样，工厂产生的二氧化碳就可与燃烧发电产生的含碳烟气汇合后就地注入碳封存场地。
实施例6：是用于本发明方法的零碳排放化石燃料发电装备的基本实施例。如图2所示零碳排放化石燃料发电装备，它包括富氧燃烧动力装置1，该富氧燃烧动力装置1联接有：化石燃料输入装置2，发变电装置3，动力冷却装置4，空分制氧装置5，以及二氧化碳烟气净化增压储气装置6；该二氧化碳烟气净化增压储气装置6还联接二氧化碳注入井束7的上端，二氧化碳注入井束7的末端与碳封存场地盐水层8相联通。
本实施例所述的联接、联通，在联接、联通的路径中按行业工艺规范要求，设置有法兰、阀门等常规部件。
实施例7：是在实施例6基础上的进一步实施例，所述的零碳排放化石燃料发电装备，其二氧化碳烟气净化增压储气装置6和二氧化碳注入井束7均由抗腐蚀性材料制成。
所述的零碳排放化石燃料发电装备，其动力冷却装置4包括冷却水泵和/或冷却风机。
本实施例采用循环冷却水加空气式冷却装置，取用发电厂下面盐水层的咸水作为循环冷却水的补充水。
本实施例的二氧化碳烟气产生地点(源)与注入地点(汇)之间的水平距离小于2公里，不足现有CCS技术方案源汇通常距离约200公里的百分之一。
实施例8：是在实施例7基础上的进一步实施例。本实施例在一处大面积盐水层上方场地新建燃煤发电厂，发电产生的二氧化碳烟气就地增压注入碳封存场地盐水层以封存二氧化碳；该燃煤发电厂配置富氧燃烧的燃煤发电机组群，由10台中等规模(300MW)的单机组成，这样配置利于适应盐水层的大面积分布；而且这样配置可使二氧化碳烟气净化增压储气装置6处于所联接的二氧化碳注入井束7上端的正上方，使本实施例的二氧化碳烟气产生地点(源)与注入地点(汇)之间的水平距离为零。
本实施例由于采用富氧燃烧，中小型机组发电的总热能效率可以相当于普通大型机组。另一方面，这样配置会增加一些煤炭输送设施，如铁道、输料机，但总体来说，与输送转运高压超临界的二氧化碳相比，输送转运煤炭、石油、天然气等化石燃料更为成熟、安全、低成本。发电厂每年发出约200亿度无碳排放的清洁电能向电网供电。燃煤发电产生的固体副产物主要是粉煤灰，可以作为建材原料、土壤改良剂或填埋。
实施例9：是在实施例7基础上的又一个优选实施例。本实施例在一处大面积盐水层上方场地新建燃油燃气富氧燃烧发电厂，发电产生的二氧化碳烟气就地增压注入碳封存场地盐水层以封存二氧化碳；发电燃料主要由石油和天然气管道从外地高产油气田输入。本实施例的二氧化碳烟气净化增压储气装置6处于所联接的二氧化碳注入井束7上端的正上方，二氧化碳烟气产生地点(源)与注入地点(汇)之间的水平距离为零。
本实施例发电厂由50台小规模(100MW)单机的机组群组成，这样配置利于适应盐水层的大面积分布，需要配套建设一些油气管网，但这要比建设高压超临界的二氧化碳管网更为成熟、安全、低成本。
实施例10：本实施例在一处枯竭油田上方场地新建燃油燃气富氧燃烧发电厂，发电产生的二氧化碳烟气就地直接增压注入作为碳封存场地的油田；发电燃料主要由石油和天然气管道从外地高产油气田输入，也有一部分来自本地枯竭油田因注入二氧化碳产生强制驱油效果而增产的石油。
本发明的权利要求保护范围不限于上述实施例。

Claims (9)

  1. 一种零碳排放化石燃料发电方法，其特征在于，步骤包括：在二氧化碳封存场地上的发电厂中对化石燃料进行富氧燃烧发电，所产生的二氧化碳烟气就地增压注入碳封存场地以封存二氧化碳，所发出的电能对外输送；所述的富氧燃烧，是在燃烧过程鼓入氧气以提高烟气中二氧化碳浓度的燃烧方法。
  2. 根据权利要求1所述的零碳排放化石燃料发电方法，其特征在于，所述的二氧化碳烟气就地增压注入碳封存场地，是发电产生的二氧化碳直接增压注入碳封存场地，所述直接增压注入碳封存场地是二氧化碳烟气产生地点与注入地点之间的水平距离近零。
  3. 根据权利要求1所述的零碳排放化石燃料发电方法，其特征在于，二氧化碳烟气经由抗腐蚀性设施和管道增压注入碳封存场地。
  4. 根据权利要求1或2或3所述的零碳排放化石燃料发电方法，其特征在于，所述的碳封存场地是碳封存场地盐水层，它是地面下具有盐水层的适于封存二氧化碳的地质构造的场地，二氧化碳烟气就地增压注入碳封存场地盐水层中。
  5. 根据权利要求1所述的零碳排放化石燃料发电方法，其特征在于，发电厂中使用水和/或空气作为动力冷却介质。
  6. 根据权利要求1所述的零碳排放化石燃料发电方法，其特征在于，所述发出的电能对外输送，是发电厂对外部电网输出电力，包括通过电力电缆向所在国家电网、国际电网、洲际电网输出电力，和/或向发电厂近旁的工厂输出电力。
  7. 一种用于权利要求1所述方法的零碳排放化石燃料发电装备，其特征在于，它包括富氧燃烧动力装置(1)，该富氧燃烧动力装置(1)联接有：化石燃料输入装置(2)，发变电装置(3)，动力冷却装置(4)，空分制氧装置(5)，以及二氧化碳烟气净化增压储气装置(6)；该二氧化碳烟气净化增压储气装置(6)还联接二氧化碳注入井束(7)的上端，二氧化碳注入井束(7)的末端与碳封存场地盐水层(8)相联通。
  8. 根据权利要求7所述的零碳排放化石燃料发电装备，其特征在于，所述的二氧化碳烟气净化增压储气装置(6)和二氧化碳注入井束(7)均由抗腐蚀性材料制成。
  9. 根据权利要求7所述的零碳排放化石燃料发电装备，其特征在于，所述的动力冷却装置(4)包括冷却水泵和/或冷却风机。
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