超临界水气化与超临界二氧化碳布雷顿循环联合生产系统

摘要

本发明公开了一种超临界水气化与超临界二氧化碳布雷顿循环联合生产系统，包括超临界水气化煤、生物质或有机废弃物反应系统及超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统。本发明中超临界水气化系统中产生的二氧化碳对布雷顿循环系统中的二氧化碳进行补充，降低成本费用，还对煤、生物质和有机废弃物进行有效利用和洁净转化，而超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统中余热给超临界水气化系统中的预热水进行预热，使系统热效率得到提高，本发明为超临界水气化系统与超临界布雷顿循环发电系统的耦合应用提供了新的思路。

说明书

技术领域

本发明属于洁净能源转化与可再生能源利用技术领域，涉及一种超临界水气化与超临界二氧化碳布雷顿循环联合生产系统。

背景技术

随着人口指数增长，快速的工业化、城市化和人们生活水平的提高，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，政府不断加大对洁净能源转化和可再生能源研究的支持力度。

煤、生物质和有机废弃物作为地球上一种丰富的资源，对其进行有效利用和洁净转化是十分必要的。热化学气化技术被认为是最具商业前景的煤、生物质和有机废弃物的洁净能源转化技术。传统的气化技术对于含湿量高的煤、生物质和有机废弃物来说，需要对它们进行干燥处理，这一过程要消耗大量的能量。而气化过程中产生的污染物绝大多数无控或少控排放，造成了严重的污染。超临界水气化技术是近年来发展起来的新型气化技术，利用此技术可以直接处理高含湿量的煤、生物质和有机废弃物，无需高能耗的干燥过程，且具有气化率高，气体产物中氢气和二氧化碳含量高，气态产物中不含焦油，不产生二次污染，反应速率快，反应器体积小等优点。由于其气化温度相对于常规气化技术要低，基本不产生NO_X等污染物，气化过程比较清洁，同时能提供大量的H₂，具有很好的发展前景。

同时，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。

然而在超临界水气化煤、生物质或有机废弃物技术中，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。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种超临界水气化与超临界二氧化碳布雷顿循环联合生产系统，该系统能够使超临界 水气化煤、生物质或有机废弃物反应产生的二氧化碳得到有效的利用，同时，超临界二氧化碳布雷顿循环浪费的热量也能得到有效的利用。

为达到上述目的，本发明所述的超临界水气化与超临界二氧化碳布雷顿循环联合生产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气化煤、生物质或有机废弃物反应系统；

所述超临界水气化煤、生物质或有机废弃物反应系统包括储料器、超临界水气化反应器、回热器、冷却器、第一热源、水箱、气液分离器、气体分离装置、二氧化碳储罐及余热回收器；储料器的出口与超临界水气化反应器的入料口相连通，超临界水气化反应器的出口与回热器的热端入口相连通，回热器的热端出口经冷却器与气液分离器的入口相连通，气液分离器的气体出口与气体分离装置的入口相连通，气体分离装置的二氧化碳出口与二氧化碳储罐的入口相连通，气液分离器的液体出口与水箱的入口相连通，水箱的出口与余热回收器的冷端入口相连通，余热回收器的冷端出口与回热器的冷端入口相连通，回热器的冷端出口经第一热源与超临界水气化反应器的预热水入口相连通，二氧化碳储罐的出口及超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统的低温回热器热端出口与余热回收器的热端入口相连通，余热回收器的热端出口与超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统的主压缩机入口相连通。

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、高压透平、低压透平、发电机、第二热源、高温回热器及低温回热器；

余热回收器的热端出口与主压缩机的入口相连通，主压缩机的出口与低温回热器的冷端入口相连通，低温回热器的冷端出口与高温回热器 的冷端入口相连通，高温回热器的冷端出口与第二热源的入口相连通，第二热源的出口与高压透平的入口及低压透平的入口相连通，高压透平的出口与第二热源的入口相连通，低压透平的出口与高温回热器的热端入口相连通，高温回热器的热端出口与低温回热器的热端入口相连通，低温回热器的热端出口与余热回收器的热端入口及再压缩机的入口相连通，再压缩机的出口与高温回热器的冷端入口相连通；

主压缩机的输出轴、再压缩机的输出轴、高压透平的输出轴及低压透平的输出轴与发电机的驱动轴相连接。

储料器的出口依次经泥浆泵及截止阀与超临界水气化反应器的进料口相连通；

冷却器的出口经减压阀与气液分离器的入口相连通；

水箱的出口经水泵与余热回收器的冷端入口相连通；

气体分离装置的二氧化碳出口经第一止回阀与二氧化碳储罐的入口相连通，二氧化碳储罐的入口还连通有二氧化碳充装阀。

二氧化碳储罐的出口经第二止回阀与余热回收器的热端入口相连通。

低温回热器的热端出口经第三止回阀与余热回收器的热端入口相连通。

低温回热器的热端出口经第四止回阀与再压缩机的入口相连通。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的超临界水气化与超临界二氧化碳布雷顿循环联合生产系统在具体操作时，煤、生物质或有机废弃物与水配置成浆料放置到储 料器中，储料器输出煤、生物质或有机废弃物的浆料，煤、生物质及有机废弃物的浆料在超临界水气化反应器中反应，再通过回热器回收能量降温，然后再经冷却器降温、气液分离器分离以及气体分离装置分离出二氧化碳及可燃合成气，最后二氧化碳存储到二氧化碳储罐中供超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统使用，从而有效的利用超临界水气化反应器产生的二氧化碳，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，从而实现煤、生物质及有机废弃物的综合利用，降低二氧化碳的排放量，达到治污及发电的目的。同时本发明通过余热回收器利用超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统的余热对超临界水气化反应器的预热水进行预热，有效的利用余热，提高系统的热效率。

附图说明

图1为本发明的原理图。

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为第二热源、8为高压透平、9为低压透平、10为发电机、11为储料器、12为泥浆泵、13为超临界水气化反应器、14为回热器、15为第一热源、16为冷却器、17为气液分离器、18为气体分离装置、19为水箱、20为水泵、21为第二止回阀、22为第三止回阀、23为第四止回阀、24为截止阀、25为减压阀、26为第一止回阀、27为二氧化碳充装阀。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1，本发明所述的超临界水气化与超临界二氧化碳布雷顿循环 联合生产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气化煤、生物质或有机废弃物反应系统；所述超临界水气化煤、生物质或有机废弃物反应系统包括储料器11、超临界水气化反应器13、回热器14、冷却器16、第一热源15、水箱19、气液分离器17、气体分离装置18、二氧化碳储罐1及余热回收器2；储料器11的出口与超临界水气化反应器13的入料口相连通，超临界水气化反应器13的出口与回热器14的热端入口相连通，回热器14的热端出口经冷却器16与气液分离器17的入口相连通，气液分离器17的气体出口与气体分离装置18的入口相连通，气体分离装置18的二氧化碳出口与二氧化碳储罐1的入口相连通，气液分离器17的液体出口与水箱19的入口相连通，水箱19的出口与余热回收器2的冷端入口相连通，余热回收器2的冷端出口与回热器14的冷端入口相连通，回热器14的冷端出口经第一热源15与超临界水气化反应器13的预热水入口相连通，二氧化碳储罐1的出口及超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统的低温回热器热端出口与余热回收器2的热端入口相连通，余热回收器2的热端出口与超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统的主压缩机入口相连通。

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、高压透平8、低压透平9、发电机10、第二热源7、高温回热器6及低温回热器5；余热回收器2的热端出口与主压缩机3的入口相连通，主压缩机3的出口与低温回热器5的冷端入口相连通，低温回热器5的冷端出口与高温回热器6的冷端入口相连通，高温回热器6的冷端出口与第二热源7的入口相连通，第二热源7的出口与高压透平8的入口及低压透平9的入口相连通，高压透平8的出口与第二热源7的入口相连通，低压透平9的出口与高 温回热器6的热端入口相连通，高温回热器6的热端出口与低温回热器5的热端入口相连通，低温回热器5的热端出口与余热回收器2的热端入口及再压缩机4的入口相连通，再压缩机4的出口与高温回热器6的冷端入口相连通；主压缩机3的输出轴、再压缩机4的输出轴、高压透平8的输出轴及低压透平9的输出轴与发电机10的驱动轴相连接。

需要说明的是，储料器11的出口依次经泥浆泵12及截止阀24与超临界水气化反应器13的进料口相连通；冷却器16的出口经减压阀25与气液分离器17的入口相连通；水箱19的出口经水泵20与余热回收器2的冷端入口相连通；气体分离装置18的二氧化碳出口经第一止回阀26与二氧化碳储罐1的入口相连通，二氧化碳储罐1的入口还连通有二氧化碳充装阀27；二氧化碳储罐1的出口经第二止回阀21与余热回收器2的热端入口相连通；低温回热器5的热端出口经第三止回阀22与余热回收器2的热端入口相连通；低温回热器5的热端出口经第四止回阀23与再压缩机4的入口相连通。

本发明的具体工作过程为：

开启水泵20，调节减压阀25使系统达到设定压力，同时使水泵20出口处水的质量流量达到设定值；再开启第一热源15，使超临界水气化反应器13内流体的温度达到设定值；将煤、生物质或者有机废弃物配置成质量浓度小于60％的均匀物料，再将该物料放入储料器11中，通过泥浆泵12将物料输送至超临界水气化反应器13中，物料在超临界水气化反应器13中发生水气化反应，再通过回热器14回收能量降温，随后通过冷却器16将温度降至室温，然后通过减压阀25将压力调节至常压， 再依次经气液分离器17气液分离、气体分离装置18分离出水、二氧化碳及可燃合成气，分离出来的二氧化碳进入到二氧化碳储罐1中存储起来，分离出来的可燃合成气回收再利用，分离出来的水进入水箱19中，水箱19中的水经水泵20在余热回收器2中预热、在回热器14中预热进入到第一热源15中。

当整个超临界水气化系统稳定运行后，启动超临界二氧化碳布雷顿循环系统，打开第二止回阀21、第三止回阀22及第四止回阀23，低温低压的二氧化碳气体经余热回收器2进入到主压缩机3升压，再进入到低温回热器5中吸热、高温回热器6中吸热，然后进入到第二热源7中；第二热源7输出的超临界二氧化碳直接进入到高压透平8及低压透平9中进行发电，高压透平8输出的超临界二氧化碳再经过第二热源7回热后进入低压透平9进行再次发电，做功后的乏气依次进入高温回热器6及低温回热器5中放热，低温回热器5热端输出的二氧化碳分为两部分，其中一部分进入到余热回收器2中进一步冷却，另一部分进入到再压缩机4中升压，再压缩机4输出的二氧化碳与低温回热器5冷端输出的二氧化碳汇流后进入到高温回热器6的冷端内，然后再进行闭式循环，直至整个系统达到稳定为止。

本发明中超临界水气化煤、生物质或有机废弃物反应系统产生的二氧化碳得到了有效利用，为超临界布雷顿二氧化碳循环系统提供了稳定可靠地二氧化碳供给。

本发明超临界二氧化碳布雷顿循环系统的余热对超临界水气化系统的预热水进行了预热，有效的利用了余热，提高了系统的热效率。

超临界水气化煤、生物质或有机废弃物反应系统与超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统优势互补，不仅能产生稳定的电能和可燃合成气供给，还能有效的利用和洁净煤、生物质和有机废弃物，降低二氧化碳排放量，减少环境污染，达到治污、发电与制可燃合成气的三重目的。