一种利用水泥厂余热实现二氧化碳循环发电的装备系统技术方案

本实用新型专利技术提供一种利用水泥厂余热实现二氧化碳循环发电的装备系统，包括液态CO2储罐、高压泵送装置、CO2蓄能装置、稳流器、涡轮机/活塞式膨胀机、发电机、冷却装置和压缩装置；所述CO2蓄能装置，用于将液态CO2储罐中泵出的低压液态CO2流体直接吸收水泥生产线产生的不同温度的废弃余热或高温热能蓄能转化为不同温度、不同压力、不同能量密度的超临界CO2流体；所述稳流器，用于将不同温度、不同压力、不同能量密度的超临界CO2流体转化为等压超临界CO2流体。该装备系统以捕集的二氧化碳为工质，利用水泥生产过程中产生的温度波动大、温差大的各类废弃余热为主要能源实现二氧化碳循环发电，耗能低。

Equipment system for carbon dioxide circular power generation by utilizing waste heat of cement plant

The utility model provides a realization of the equipment system of carbon dioxide cycle power generation using a cement plant waste heat, including liquid CO2 tank, high pressure pump device, CO2 storage device, current regulator, turbine / piston expansion engine, generator, cooling device and a compression device; wherein the CO2 storage device, for low pressure liquid fluid CO2 pump out liquid CO2 tank in the direct absorption of cement production line produced by waste heat at different temperatures or high temperature heat storage into different temperature and pressure, the energy density of supercritical CO2 fluid; the current regulator, for different temperature and pressure, different energy density of supercritical CO2 fluid into isobaric supercritical fluid CO2. The equipment system uses capture carbon dioxide as working fluid, and uses the waste heat generated by the temperature fluctuation and large temperature difference in the process of cement production as the main energy to realize the carbon dioxide cycle power generation, and the energy consumption is low.

【技术实现步骤摘要】
一种利用水泥厂余热实现二氧化碳循环发电的装备系统
本技术涉及低碳与能源利用设备的
，具体涉及一种利用水泥厂余热实现二氧化碳循环发电的装备系统。
技术介绍
气候变化已成为影响人类生存和发展的问题之一，而工业排放的二氧化碳被认为是导致气候变暖的主要原因。我国作为世界上最大的发展中国家，以煤炭为主的一次能源和以火力发电为主的二次能源作为能源结构。随着经济总量的迅速增长，一次能源和二次能源的CO2排放具有增长快、总量大的特点，而当前碳减排和应对气候变化的经济性的CCS或CCUS技术选择有限，主要集中在煤化工、合成气与煤汽化-燃气蒸汽联合发电(IGCC)领域的二氧化碳捕集、运输与封闭及二氧化碳用于驱油、驱气的研究与应用。在世界范围内的水泥生产领域尚未见任何具体的二氧化碳应用的研究或实践报道。目前，我国经济建设的基本建筑材料—水泥的实际产能逾35亿吨，干法回转窑生产线达1700多条。水泥的生产企业为公认的高耗能企业，为二氧化碳的主要排放源之一，不仅一次能源(煤)和二次能源(电)消耗大，且有大量的废弃污染物(CO2、SO2、NOx、粉尘)排放，还有大量的废弃余热，且废弃余热的温度随原燃材料及窑系统工况的变化波动大。为实现政策性节能减排，几乎所有水泥厂都建设了(窑尾)“预热器废弃余热锅炉+(窑头)篦冷机废弃余热锅炉的发电系统”，一般利用的是窑头篦冷机300℃以上的废弃余热和预热器300℃以上的废弃余热，大量的80℃～300℃的废弃余热不能利用而直接排空造成热污染，同时，还有大量的其他高温设备辐射余热如水泥生产的主要设备—窑头罩(内顶部可达700℃至1500℃)及回转窑胴体(高温段达300℃～500℃，低温段达150℃～300℃)和窑尾烟室(烟室区域内部温度达900℃～1100℃)的高温热辐射污染，这些水泥生产中的高温设备现有的余热锅炉不能直接用来产生高温高压水蒸汽。为能减少工作环境的强烈热辐射污染和利用这些高温设备的辐射热能，本申请人的中国专利提供了“利用回转窑筒体辐射热能供余热发电的装置ZL201420380874.X与ZL201420562882.6”及“利用干法回转窑窑头罩余热供余热发电的装置ZL201420382011.6”，但所涉的装置因只能用来预热锅炉用水和预热空气，不能有效解决高温设备的辐射热利用和热污染，不能普及推广应用。现有的水泥企业为防止高温造成回转窑报废，设置成排的吹风机为回转窑的标准配置，以成排的电吹风机持续的吹冷风降低回转窑的胴体温度，该方法不但增加电耗也造成热污染，电耗的增加也增加了碳排放。至今国内外尚无可有效消除回转窑类高温设备环境热污染或回收利用回转窑高温设备辐射余热的方法，也没有可有效利用大量80℃～300℃低温废弃余热的方式与设备。另外，随着CCS技术的发展，超临界二氧化碳发电系统即一种以超临界状态的二氧化碳为工质的布雷顿循环系统已受到广泛关注，超临界二氧化碳发电系统主要包括热源、高速涡轮机、高速发电机、高速压气机、冷却器等，其高效换热器是超临界发电系统工程应用的基础。其循环过程中的循环介质为二氧化碳，在全循环过程中，二氧化碳均处于超临界状态，不发生相变，循环过程为超临界二氧化碳经压缩机升压——用换热器等压加热二氧化碳工质——工质进入涡轮机推动涡轮做功带动电机发电——工质进入冷却器——再进入压缩机形成闭式循环。超临界二氧化碳发电系统较传统的热能发电系统的系统热效率、总重及占地面积、污染物排放等方面表现出显著的优势，但其主要运动设备全部采用高速回转运动形式，加工精度及材料性能控制要求高，且超临界二氧化碳布雷顿循环要求压缩机参数处于近临界点，降低换热端差，其压缩机压缩过程中压缩功仍占涡轮输出功的30％以上，实际运用的压缩过程中压缩功仍占到涡轮输出功的40％到50％，即系统的压缩机自耗能仍偏高。同时对于临界点附近的换热性能突变需充分考虑运行裕量，实现这些目标要求有紧凑、高效和可靠的换热器进行快速的热量交换，实现低温差高效换热。现行超临界二氧化碳试验环路的热交换大多使用印制电路板热交换器(PCHE)，它适用于高工作温度和高工作压力，并具有良好的扩展能力，满足用换热器等压加热二氧化碳工质的要求，但机构复杂，投资大，且客观上难以适应我国大部分水泥窑系统废弃余热温度随原燃材料及窑系统工况波动大的状况。再者，其系统循环的高效率需建立在冷凝器出口即压气机吸入口(循环起点)的二氧化碳仍处于32℃、7.4MPa超临界状态的临界点上，超临界二氧化碳发电系统运行状态控制难度大，仍需要开展控制研究。中国《水泥》(2014.No.9)《利用CO2动力循环的水泥余热发电系统》介绍了美国俄亥俄州阿克伦城Echogen公司利用水泥厂预热器排出的的废弃余热和熟料冷却机中段抽取的废弃余热设计的应用CO2动力循环余热发电系统。Echogen公司目前可提供的EPS1008MW热机系统的废热交换器在北美地区的投资达2000～2500万美元，远高于国内8MW双锅炉整套余热发电系统的投资总额(国内水泥厂预热器的废弃余热锅炉和熟料冷却机的废弃余热锅炉发电系统总投资4000～6000万元人民币不等)，且客观上难以适应我国大部分水泥窑系统废弃余热温度随原燃材料及窑系统工况波动大的状况，而高效换热器是超临界发电系统工程应用的基础。再者，我国水泥企业已普及建好了预热器排出的废弃余热锅炉和熟料冷却机中段抽取的废弃余热锅炉发电系统(水工作介质)，相同热源相同产出情况下采取拆除低投资的系统换上高投资的系统，在国情下缺少现实性。显然，现有的CO2循环发电技术并不适合我国国情的水泥行业。综上所述，降低生产过程中对外界能耗(电、煤)的需求、降低环境污染物排放是必要的。如何适应我国水泥生产企业现状，低投资的利用水泥生产过程中大量产生的废弃余热，开发适应于水泥窑烟气CO2捕集与应用CO2发电的装备系统，实现水泥生产的节能减排及二氧化碳减排，是一个现实的紧迫问题。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本技术有必要提供一种利用水泥厂余热实现二氧化碳循环发电的装备系统，以捕集的二氧化碳为工质，利用水泥厂生产过程中产生的废弃余热为主要能源的二氧化碳循环发电的装备系统，其便于利用水泥生产过程中产生的温度波动大、温差大的各类废弃余热为主要能源、且自耗能低、投资低、运行成本低。一方面，本技术的目的在于提供一种利用水泥厂余热实现二氧化碳循环发电的装备系统，包括液态CO2储罐、高压泵送装置、CO2蓄能装置、稳流器、涡轮机/活塞式膨胀机、发电机、冷却装置和压缩装置；所述的液态CO2储罐的出口与高压泵送装置的进口相连通，所述高压泵送装置的出口与CO2蓄能装置的进口相连通，所述CO2蓄能装置的出口与稳流器的进口相连通，所述稳流器的出口与涡轮机/活塞式膨胀机的进口相连通，所述涡轮机/活塞式膨胀机与发电机轴连接，所述涡轮机/活塞式膨胀机的出口与冷却装置的进口相连通，所述冷却装置的出口与压缩装置的进口相连通，所述压缩装置的出口分别与CO2蓄能装置的进口、液态CO2储罐的进口相连通；所述CO2蓄能装置，用于将液态CO2储罐中泵出的低压液态CO2流体直接吸收水泥生产线产生的不同温度的废弃余热或高温热能蓄能转化为不同温度、不同压力、不同能量密度的超临界CO2流体本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用水泥厂余热实现二氧化碳循环发电的装备系统，其特征在于，包括液态CO2储罐、高压泵送装置、CO2蓄能装置、稳流器、涡轮机/活塞式膨胀机、发电机、冷却装置和压缩装置；所述的液态CO2储罐的出口与高压泵送装置的进口相连通，所述高压泵送装置的出口与CO2蓄能装置的进口相连通，所述CO2蓄能装置的出口与稳流器的进口相连通，所述稳流器的出口与涡轮机/活塞式膨胀机的进口相连通，所述涡轮机/活塞式膨胀机与发电机轴连接，所述涡轮机/活塞式膨胀机的出口与冷却装置的进口相连通，所述冷却装置的出口与压缩装置的进口相连通，所述压缩装置的出口分别与CO2蓄能装置的进口、液态CO2储罐的进口相连通；所述CO2蓄能装置，用于将液态CO2储罐中泵出的低压液态CO2流体直接吸收水泥生产线产生的不同温度的废弃余热或高温热能蓄能转化为不同温度、不同压力、不同能量密度的超临界CO2流体；所述稳流器，用于将不同温度、不同压力、不同能量密度的超临界CO2流体转化为等压超临界CO2流体；所述废弃余热或高温热能为水泥厂内生产线工艺设备所产生的余热或辐射热。

【技术特征摘要】
1.一种利用水泥厂余热实现二氧化碳循环发电的装备系统，其特征在于，包括液态CO2储罐、高压泵送装置、CO2蓄能装置、稳流器、涡轮机/活塞式膨胀机、发电机、冷却装置和压缩装置；所述的液态CO2储罐的出口与高压泵送装置的进口相连通，所述高压泵送装置的出口与CO2蓄能装置的进口相连通，所述CO2蓄能装置的出口与稳流器的进口相连通，所述稳流器的出口与涡轮机/活塞式膨胀机的进口相连通，所述涡轮机/活塞式膨胀机与发电机轴连接，所述涡轮机/活塞式膨胀机的出口与冷却装置的进口相连通，所述冷却装置的出口与压缩装置的进口相连通，所述压缩装置的出口分别与CO2蓄能装置的进口、液态CO2储罐的进口相连通；所述CO2蓄能装置，用于将液态CO2储罐中泵出的低压液态CO2流体直接吸收水泥生产线产生的不同温度的废弃余热或高温热能蓄能转化为不同温度、不同压力、不同能量密度的超临界CO2流体；所述稳流器，用于将不同温度、不同压力、不同能量密度的超临界CO2流体转化为等压超临界CO2流体；所述废弃余热或高温热能为水泥厂内生产线工艺设备所产生的余热或辐射热。2.根据权利要求1所述的装备系统，其特征在于，所述废弃余热或高温热能包括篦冷机排出的100～500℃的熟料冷却废弃余热、窑头罩内800℃～1500℃的辐射热、篦冷机内300℃～1500℃的辐射热、回转窑胴体高温段300℃～500℃、回转窑胴体低温段150℃～300℃的传导与辐射热、下料管内850℃～950℃的辐射热、头排收尘器内150℃～180℃的废弃余热、窑尾烟室内800℃～1200℃的传导与辐射热、预热器排放烟道中80℃～380℃的废弃余热及现有水介质余热锅炉发电后排放的80℃～170℃废弃余热中的至少一种余热能源。3.根据权利要求1所述的装备系统，其特征在于，所述CO2蓄能装置包括装置本体、CO2流体蓄能机构、支吊架、第一逆止阀、调节阀、安全阀，所述CO2流体蓄能机构通过支吊架固定在装置本体内的侧壁或顶板上，所述第一逆止阀设置在装置本体外与CO2流体蓄能机构的进口相连接；所述调节阀和安全阀设置在CO2流体蓄能机构的出口；所述CO2流体蓄能机构为热交换器，热交换器内的工作介质为CO2流体。4.根据权利要求3所述的装备系统，其特征在于，所述热交换器包括耐热的箱式热交换器、板式热交换器或盘式空心管热交换器；所述装置本体包括窑头罩、篦冷机、回转窑胴体、窑尾烟室、预热器、下料管、头排收尘器。5.根据权利要求1所述的装备系统，其特征在于，所述稳流器包括稳流器本体、导流混合机构、进口管路和出口管路；所述导流混合机构设置在稳流器本体内，所述进口管路和出口管路均设置在稳流器本体上；...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹小林，
申请(专利权)人：长沙紫宸科技开发有限公司，
类型：新型
国别省市：湖南,43