CN216986969U - 一种碳捕集利用和co2储能发电一体化*** - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于碳处理技术领域，提供一种碳捕集利用和CO2储能发电一体化***。所述***包括碳捕集单元、CO2储能单元和CO2释能发电单元，碳捕集单元包括依次连接的CO2来源工厂、吸附再生设备、液化精馏设备和CO2中间储存罐；CO2储能单元包括CO2低压存储设备、压缩机和CO2高压存储设备，CO2低压存储设备第一进口与CO2中间储存罐出口连接，CO2低压存储设备出口与压缩机进口连接，压缩机出口与CO2高压存储设备进口连接；CO2释能发电单元包括透平膨胀机和发电机，透平膨胀机进口与CO2高压存储设备出口连接，透平膨胀机出口与CO2低压存储设备第二进口连接。该***能实现经济效益最优匹配。
Description
技术领域
本实用新型涉及碳处理技术领域，尤其涉及一种碳捕集利用和CO2储能发电一体化***。
背景技术
以煤炭、石油、天然气为主的化石能源长期以来在能源消费结构中占主体地位，在应对全球气候危机的形势下，如何处置化石能源燃烧排放出的大量CO2已成为世界各国关注的焦点。大力发展二氧化碳捕集、利用与封存(CCUS)技术不仅是未来减少二氧化碳排放、保障能源安全的战略选择，而且是构建生态文明和实现可持续发展的重要手段。CCUS可将火电、钢铁、煤化工、水泥等行业生产过程中排放的CO2进行分离、富集和提纯，从而进行CO2原料化生产和封存利用。但是，当前CCUS成本相对较高，在实际工程推广中面临着***流程能耗高、经济效益不明显等问题。
另一方面，大力开发利用可再生能源也是减少碳排放的重要手段，但随着可再生能源的大规模应用及并网发电，许多能源问题也随之出现。典型的如风电和光电均存在波动大、调峰难、消纳并网困难等问题，随之出现了“弃风”、“弃电”现象，不仅给电网造成巨大压力，同时也造成电能的浪费。
实用新型内容
针对现有技术存在的问题，本实用新型提供一种碳捕集利用和CO2储能发电一体化***。
本实用新型提供一种碳捕集利用和CO2储能发电一体化***，包括碳捕集单元、CO2储能单元和CO2释能发电单元，
所述碳捕集单元包括依次连接的CO2来源工厂、吸附再生设备、液化精馏设备和CO2中间储存罐；
所述CO2储能单元包括CO2低压存储设备、压缩机和CO2高压存储设备，所述CO2低压存储设备的第一进口与所述CO2中间储存罐的出口连接，所述CO2低压存储设备的出口与所述压缩机的进口连接，所述压缩机的出口与所述CO2高压存储设备的进口连接；
所述CO2释能发电单元包括透平膨胀机和发电机，所述透平膨胀机的进口与所述CO2高压存储设备的出口连接，所述透平膨胀机的出口与所述CO2低压存储设备的第二进口连接，所述透平膨胀机对外做功带动所述发电机发电。
在本实用新型的一些实施例中，所述一体化***还包括可再生能源电厂，所述可再生能源电厂为驱动所述压缩机提供能量。
在本实用新型的一些实施例中，所述可再生能源电厂为风力发电厂和/或太阳能发电厂。
在本实用新型的一些实施例中，所述压缩机为多级离心式，设有中间冷却装置，所述压缩机连接有电动机。
在本实用新型的一些实施例中，所述透平膨胀机为多级离心式，设有中间再热装置。
在本实用新型的一些实施例中，所述中间再热装置的热源来自所述压缩机产生的压缩热。
在本实用新型的一些实施例中，所述CO2低压存储设备和所述CO2高压存储设备为耐压钢制压力容器或盐穴、硬岩穴、已开采煤矿坑类地下存储设备。
在本实用新型的一些实施例中，所述CO2中间储存罐为液态CO2储存罐。
在本实用新型的一些实施例中，所述CO2来源工厂包括火电厂、钢铁厂、水泥厂和化工厂。
在本实用新型的一些实施例中，所述碳捕集单元捕集到的CO2一部分供给至高值产品生产工厂。
本实用新型提供了一种碳捕集利用和CO2储能发电一体化***，该***以从燃煤电厂或钢铁、煤化工、水泥等高排放工厂捕集的CO2作为可再生能源电厂储能发电的“中间介质”，进而通过CO2储能发电、CO2原料化利用及CO2作为载热介质等手段实现CCUS技术捕集的CO2在可再生能源电厂的有效利用，解决了“弃光”、“弃风”及CO2减排问题，实现了碳捕集利用工厂与可再生能源电厂协调运行和综合经济效益最优匹配。
附图说明
图1为本实用新型提供的一种碳捕集利用和CO2储能发电一体化***的结构示意图；
图中：I-碳捕集单元，II-CO2储能单元，III-CO2释能发电单元，1-CO2来源工厂，2-吸附再生设备，3-液化精馏设备，4-CO2中间存储罐，5-CO2低压存储设备，6-压缩机，7-CO2高压存储设备，8-透平膨胀机，9-发电机，10-可再生能源电厂，11-电网。
具体实施方式
下面结合实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。
当前，CCUS成本相对较高，在实际工程推广中面临着***流程能耗高、经济效益不明显等问题；风电、光电存在消纳量不足，常规储能成本高，投资回收期长等问题。此外，CCUS技术和可再生能源储能技术应用场景相对分散固定、技术结合度不高，化石能源CO2减排与可再生能源开发存在技术方向矛盾，给碳处理工作开展带来一定影响。
针对上述缺陷和不足，为有效结合CCUS技术和CO2储能技术的优势、提高能源综合利用效率和经济效益，本实用新型实施例提供一种碳捕集利用和CO2储能发电一体化***，其结构示意图如图1所示，包括碳捕集单元I、CO2储能单元II和CO2释能发电单元III，
其中，碳捕集单元I包括依次连接的CO2来源工厂1、吸附再生设备2、液化精馏设备3和CO2中间储存罐4；
CO2储能单元II包括CO2低压存储设备5、压缩机6和CO2高压存储设备7，CO2低压存储设备5的第一进口与CO2中间储存罐4的出口连接，CO2低压存储设备5的出口与压缩机6的进口连接，压缩机6的出口与CO2高压存储设备7的进口连接；
CO2释能发电单元III包括透平膨胀机8和发电机9，透平膨胀机8的进口与CO2高压存储设备7的出口连接，透平膨胀机8的出口与CO2低压存储设备5的第二进口连接，透平膨胀机8对外做功带动发电机9发电。
本实用新型通过将CCUS技术和CO2储能发电技术相结合，即以通过CCUS技术捕集到的CO2作为储能发电的循环工质，储能阶段利用富裕电力驱动压缩机压缩CO2至超临界状态并存储起来，同时回收压缩热；在释能阶段使用压缩热将高压CO2再加热，推动透平膨胀机对外做功，实现释能发电，可弥补可再生能源电厂电力低谷。
相比于常见的压缩空气储能和电化学储能，CO2储能具有效率高、储能密度大、成本低、寿命长、环境友好等优点，适合MW级以上规模电力储能应用，在风电和光电蓄能调峰领域具备很好的应用前景。
本实用新型将CCUS技术和CO2储能发电技术结合可以更便捷地调控机组净发电出力、发电成本以及高排放行业碳排放量，解决了“弃光”、“弃风”及CO2减排问题，实现了碳捕集利用工厂与可再生能源电厂协调运行和综合经济效益最优匹配。
在本实用新型的一些实施例中，CO2来源工厂1包括火电厂、钢铁厂、水泥厂和化工厂等生产过程中会产生CO2的工厂。从CO2来源工厂1捕集的原料气可以是火电厂锅炉烟气、钢铁生产焦化烧结等过程产生烟气、煤化工制取乙二醇、烯烃、二甲醚等过程产生烟气、水泥生产石灰石煅烧、熟料燃烧等过程产生烟气等。
在火电、钢铁、水泥等工厂布置碳捕集装置可以提供大量CO2源，将其作为CO2储能工质和生产高值产品原料可以有效将这部分CO2利用，达到很好的供需匹配。
在本实用新型的一些实施例中，所述一体化***还包括可再生能源电厂10，其富余电力为驱动压缩机6提供能量，或者为CO2来源工厂1、吸附再生设备2、液化精馏设备3等提供生产用电。可再生能源电厂10主要为风力发电厂和/或太阳能发电厂。由发电机9产生的电力可与可再生能源电厂10的电力接入电网11实现并网消纳。
在本实用新型的一些实施例中，压缩机6连接有电动机，电动机的电源自可再生能源电厂10，从而驱动压缩机6工作。压缩机6为多级离心式，设有中间冷却装置，用以提高压缩机6的效率。
在本实用新型的一些实施例中，透平膨胀机8为多级离心式，设有中间再热装置，用以提高透平膨胀机8的效率。
在本实用新型的一些实施例中，为实现能源循环利用，透平膨胀机8中间再热装置的热源来自压缩机6产生的压缩热。
在本实用新型的一些实施例中，CO2低压存储设备5和CO2高压存储设备7为耐压(25MPa)钢制压力容器。
在本实用新型的另一些实施例中，CO2低压存储设备5和CO2高压存储设备7为熔融盐穴、硬岩穴、已开采煤矿坑等地下存储设备。
在本实用新型的一些实施例中，CO2中间储存罐4为液态CO2储存罐，起到稳压缓冲和供给CO2储能单元II中CO2泄露损失作用。CO2储能单元II运行前，需要在CO2中间储存罐4中充注足量CO2，CO2储能单元II运行后，对CO2的需求量会有所降低，但需要定期从CO2中间储存罐4补充CO2到CO2储能单元II，以防止***CO2泄漏和损耗超出标准。
在本实用新型的一些实施例中，所述碳捕集单元捕集到的CO2还可以有其他资源化利用方式。比如一部分连接至高值产品生产工厂，用于生产甲醇、聚碳酸亚丙酯等；又比如作为深部地热能开采过程的载热介质，携带地热能一起被抽取到地面，压入涡轮机将热能转化为电能。
需要注意的是，由碳捕集单元I捕集到的CO2运送至CO2中间储存罐4和高值产品生产工厂的输运距离不应过大。
需要说明的是，本实用新型提供的碳捕集利用和CO2储能发电一体化***，其包括的装置或设备不仅限于上述主要设备，还包括其他必要设备、部件和控制***，属于本领域技术人员公知内容，此处不再赘述。
本实用新型提供的碳捕集利用和CO2储能发电一体化***，其工作原理及具体操作过程为：
碳捕集过程：对火电、钢铁、水泥等高排放工厂安装CO2捕集***，用以处理工厂产生的捕集原料气，再经过吸附再生设备和液化精馏设备处理，得到纯度大于99％的液态CO2，其中CO2压缩液化工程压缩机和制冷***压缩机耗功由可再生能源电厂提供。CO2一部分将作为CO2储能的循环工质，另一部分作为原料生产转化为甲酸、聚碳酸亚丙脂等高能量、高值化合物。其中，CO2中间存储罐用于存储低温低压液态CO2，起到稳压缓冲和供给CO2储能***中CO2泄露损失作用。
CO2储能过程：由可再生能源电厂利用过剩电力驱动压缩机，将CO2低压存储设备中的低压CO2压缩成高温高压的超临界CO2并将其储存在CO2高压存储设备中，即将电能以CO2内能储存起来。
CO2释能过程：CO2高压存储设备中的超临界CO2进入透平膨胀机并驱动发电机发电，同时超临界CO2降为低压CO2并储存到CO2低压存储设备中，即将CO2内能转换为电能输出，输出电能接入电网实现并网消纳。CO2通过储能和释能过程中实现循环。
具体实施应用例：
某燃煤电厂配置一套年捕集5万吨的醇胺法碳捕集***，CO2储能***采用串联式管道存储，高压存储设备总容积为1600m3，存储压力为25MPa，存储温度为108℃(381K)，此时CO2处于超临界态，密度553.07kg/m3。因此，在高压存储设备中存储的CO2总质量为884.912t。低压存储设备存储压力为7.5MPa，存储温度为35℃(208K)，密度661.10kg/m3，因此，低压存储设备总容积为1338.5m3。因此，CO2储能***可以使燃煤电厂年CO2捕集量的17.7％得到有效利用。考虑CO2储能***效率，假定循环效率60％，储能时长和释能时长均为4h，则储能功率为8MW，释能功率为4.8MW。按照光电15％的储能配置要求，可满足32MW级光电***储能调峰需求。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，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实用新型各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种碳捕集利用和CO2储能发电一体化***，其特征在于，包括碳捕集单元、CO2储能单元和CO2释能发电单元，
所述碳捕集单元包括依次连接的CO2来源工厂、吸附再生设备、液化精馏设备和CO2中间储存罐；
所述CO2储能单元包括CO2低压存储设备、压缩机和CO2高压存储设备，所述CO2低压存储设备的第一进口与所述CO2中间储存罐的出口连接，所述CO2低压存储设备的出口与所述压缩机的进口连接，所述压缩机的出口与所述CO2高压存储设备的进口连接；
所述CO2释能发电单元包括透平膨胀机和发电机，所述透平膨胀机的进口与所述CO2高压存储设备的出口连接，所述透平膨胀机的出口与所述CO2低压存储设备的第二进口连接，所述透平膨胀机对外做功带动所述发电机发电。
2.根据权利要求1所述的碳捕集利用和CO2储能发电一体化***，其特征在于，所述一体化***还包括可再生能源电厂，所述可再生能源电厂为驱动所述压缩机提供能量。
3.根据权利要求2所述的碳捕集利用和CO2储能发电一体化***，其特征在于，所述可再生能源电厂为风力发电厂和/或太阳能发电厂。
4.根据权利要求1所述的碳捕集利用和CO2储能发电一体化***，其特征在于，所述压缩机为多级离心式，设有中间冷却装置，所述压缩机连接有电动机。
5.根据权利要求1所述的碳捕集利用和CO2储能发电一体化***，其特征在于，所述透平膨胀机为多级离心式，设有中间再热装置。
6.根据权利要求5所述的碳捕集利用和CO2储能发电一体化***，其特征在于，所述中间再热装置的热源来自所述压缩机产生的压缩热。
7.根据权利要求1所述的碳捕集利用和CO2储能发电一体化***，其特征在于，所述CO2低压存储设备和所述CO2高压存储设备为耐压钢制压力容器或熔融盐穴、硬岩穴、已开采煤矿坑类地下存储设备。
8.根据权利要求1所述的碳捕集利用和CO2储能发电一体化***，其特征在于，所述CO2中间储存罐为液态CO2储存罐。
9.根据权利要求1-8任一项所述的碳捕集利用和CO2储能发电一体化***，其特征在于，所述CO2来源工厂包括火电厂、钢铁厂、水泥厂和化工厂。
10.根据权利要求9所述的碳捕集利用和CO2储能发电一体化***，其特征在于，所述碳捕集单元捕集到的CO2一部分供给至高值产品生产工厂。
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