一种深海碳封存与发电系统技术方案

本发明专利技术公开了一种深海碳封存与发电系统，包括余热透平、废气换热器、气体剥离装置、废气处理装置、超临界二氧化碳压缩机、波浪能发电设备、地热换热器、超临界二氧化碳透平和海底冷却器。本发明专利技术通过对电厂废气进行余热发电并进行二氧化碳剥离，将剥离出的二氧化碳应用于海底地热布雷顿循环，最终存储于深海封存孔穴，系统结构紧凑、体积小、效率高；利用富足的海底地热能为热源，无污染且成本低廉；将二氧化碳以二氧化碳水合物的形式存储，成本较低、环境友好、密封性好；利用海底地质体中拥有良好储盖的枯竭油田、气田或天然孔穴作为碳封存场所，封存效果好，降低后期维护及监测成本，具有广阔的应用前景。

A deep-sea carbon storage and power generation system

【技术实现步骤摘要】
一种深海碳封存与发电系统
本专利技术属于环保技术和新能源发电
，特别涉及一种深海碳封存与发电系统。
技术介绍
随着工业化进程的不断发展和社会的不断进步，人类对于化石能源的需求量日益增高，燃烧化石燃料所导致的空气污染和温室效应已严重危及人类赖以生存的地球环境。全球变暖导致了冰川融化、海平面上升等一系列全球性问题，世界各国逐渐意识到了全球变暖导致的生态环境问题，开始从技术、经济、政策、法律层面探究长期有效的解决途径，来缓解全球变暖的趋势。目前主要解决方法分为两种，一是寻求低成本有效方案减少二氧化碳的排放，二是将二氧化碳气体封存起来。全球变暖与化石燃料大量燃烧导致的二氧化碳排放密切相关，目前化石燃料仍然是当今世界能源产业的主导，减少二氧化碳排放需要能源结构从原本化石能源向清洁能源转变。尽管目前世界各国不懈努力，但能源结构的转变仍是一个长期缓慢的过程，因而现阶段采用二氧化碳封存技术是解决温室效应的重要手段。燃煤电厂作为二氧化碳排放的主要方式，往往将燃烧产生的二氧化碳不经处理直接排向大气。对燃煤电厂排放的二氧化碳进行捕捉及封存，对于减缓温室效应具有重要意义，然而二氧化碳捕捉及封存技术能耗较高，技术尚不成熟，目前只有少部分电厂采用，降低二氧化碳碳封存能耗、提高二氧化碳碳封存效率是国内外研究的重点。地热能作为无污染的清洁能源，是由地球的熔融岩浆和放射性物质的衰变产生的，其储量巨大，是可再生能源发展的重要方向。当前人类只对陆地上的地热资源进行了一定规模的开发，然而地球表面大部分被海洋覆盖，海底赋存着更为丰富的地热资源。初步估计该海底拥有约10万兆瓦潜力的地热能，平均温度可达330℃。在低温、高压状态下，二氧化碳将和水形成一种较为特殊的包络化合物，称为二氧化碳水合物。二氧化碳水合物中，水分子通过氢键形成主体结晶网络，二氧化碳作为客体分子填充在网络孔穴中，采用二氧化碳水合物存储、固定二氧化碳，是当今水合物领域的研究热点。当压力大于7.4MPa，温度高于31.1℃时，二氧化碳便进入超临界态，此时，二氧化碳体现出高密度、低粘度的物理性质，将其作为布雷顿循环工质，将显著提高系统热效率、减小系统占地面积，具有良好的工程应用前景。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术的局限性，提供了一种深海碳封存与发电系统，本专利技术通过对电厂废气进行余热发电并进行二氧化碳剥离，将剥离出的二氧化碳应用于海底地热布雷顿循环，最终存储于深海封存孔穴，系统结构紧凑、体积小、效率高；利用富足的海底地热能为热源，无污染且成本低廉；将二氧化碳以二氧化碳水合物的形式存储，成本较低、环境友好、密封性好；利用海底地质体中拥有良好储盖的枯竭油田、气田或天然孔穴作为碳封存场所，封存效果好，降低后期维护及监测成本，具有广阔的应用前景。本专利技术采用如下技术方案来实现的：一种深海碳封存与发电系统，包括余热透平、废气换热器、气体剥离装置、废气处理装置、超临界二氧化碳压缩机、波浪能发电设备、地热换热器、超临界二氧化碳透平和海底冷却器；其中，余热透平及废气处理装置布置于海岸上，波浪能发电设备布置于海面，其余设备布置于海平面以下的海水中；余热透平通过电厂的废气驱动做功，余热透平出口依次连通废气冷却器和气体剥离装置，气体剥离装置用于将二氧化碳从冷却之后的废气中剥离，气体剥离装置的废气出口与布置于海岸的废气处理装置相连，二氧化碳出口与超临界二氧化碳压缩机入口相连，超临界二氧化碳压缩机出口穿过海床，与位于海底地热层的地热换热器入口连通，地热换热器出口穿出海床，与超临界二氧化碳透平入口相连，超临界二氧化碳透平出口与海底冷却器高温侧入口相连，海底冷却器低温侧出口通过注入通道与深海封存孔穴相连；波浪能发电设备布置于海面，产生的部分电能用于驱动超临界二氧化碳压缩机工作，剩余的电能与余热透平和超临界二氧化碳透平发出的电能共同并入电网。本专利技术进一步的改进在于，余热透平为双级轴向烟气透平，入口温度范围为180℃～250℃，转速在10000rpm～30000rpm之间。本专利技术进一步的改进在于，废气冷却器与气体剥离装置布置在海平面以下10m～300m。本专利技术进一步的改进在于，气体剥离装置采用二氧化碳选择透过膜进行二氧化碳剥离。本专利技术进一步的改进在于，废气冷却器及海底冷却器利用高压低温的海水作为冷源。本专利技术进一步的改进在于，超临界二氧化碳压缩机采用单级或双级的离心式压缩机，其入口压力范围为7.5MPa～9MPa，入口温度范围为31.5℃～40℃，转速在30000rpm～50000rpm之间。本专利技术进一步的改进在于，超临界二氧化碳透平采用轴流式透平，其入口压力范围为18MPa～22MPa，入口温度范围为80℃～330℃，转速在30000rpm～50000rpm之间。本专利技术进一步的改进在于，超临界二氧化碳压缩机、地热换热器、超临界二氧化碳透平及海底冷却器均布置在800m～2000m深的海底，该海底深度范围的海水压力为7.8MPa～19.6MPa，温度为2℃～8℃，海底地热层是热泉或热干岩，温度在200℃～380℃之间。本专利技术进一步的改进在于，深海封存孔穴为废弃的海底油田、废弃的海底气田或天然形成的海底孔穴，位于500m～1000m深的海底，孔隙率为0.2～0.6，温度为0℃～8℃，压力为5MPa～10MPa；对于海底油田或气田，其含水饱和度大于0.2。本专利技术进一步的改进在于，在工作时，电厂产生的中高温烟气首先进入余热透平膨胀做功，将烟气的内能转化成机械能进行发电，膨胀做功后的烟气通过废气冷却器，与低温海水进行热量交换达到超临界二氧化碳压缩机所需的低温状态，之后进入气体剥离装置进行二氧化碳剥离，脱除二氧化碳的废气通入废气处理装置进行脱硫脱硝处理，达到排放标准后排放到大气；波浪能发电设备利用海洋波浪动能发电并驱动超临界二氧化碳压缩机工作，气体剥离装置剥离出的二氧化碳工质进入超临界二氧化碳压缩机被压缩至低温高压状态，随后通过输送管道穿过海床，进入置于海底地热层的地热换热器，经海底地热源加热之后达到高温高压状态，由地热换热器出口管道引出海床至超临界二氧化碳透平，高温高压的超临界二氧化碳工质在超临界二氧化碳透平中膨胀做功，将内能转化为机械能进行发电，做完功的超临界二氧化碳工质流出超临界二氧化碳透平进入海底冷却器，与低温海水进行热量交换达到二氧化碳水合物生成所需的低温状态，最后从海底冷却器离开的二氧化碳工质穿过注入通道，排入深海封存孔穴，在0℃～8℃和5MPa～8MPa的条件下与水反应生成固态的二氧化碳水合物，实现二氧化碳的地质封存。本专利技术至少具有如下有益的技术效果：本专利技术这种深海碳封存与发电技术，综合利用电厂废气余热、海洋波浪能、海底地热能进行发电，为节能减排及可再生能源开发提供了新的方向。同时，将电厂废气中的二氧化碳剥离作为超临界二氧化碳布雷顿循环的工质，充分利用了超临界二氧化碳高密度、低粘度和低表面张力的特点，简化系统结构，提高系统紧凑度及效率。此外，将经循环做功后的二氧化碳排入深海封存孔穴进行封存，实现了电厂本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种深海碳封存与发电系统，其特征在于，包括余热透平(2)、废气换热器(4)、气体剥离装置(5)、废气处理装置(6)、超临界二氧化碳压缩机(7)、波浪能发电设备(8)、地热换热器(9)、超临界二氧化碳透平(12)和海底冷却器(13)；其中，/n余热透平(2)及废气处理装置(6)布置于海岸上，波浪能发电设备(8)布置于海面，其余设备布置于海平面以下的海水中；余热透平(2)通过电厂(1)的废气驱动做功，余热透平(2)出口依次连通废气冷却器(4)和气体剥离装置(5)，气体剥离装置(5)用于将二氧化碳从冷却之后的废气中剥离，气体剥离装置(5)的废气出口与布置于海岸的废气处理装置(6)相连，二氧化碳出口与超临界二氧化碳压缩机(7)入口相连，超临界二氧化碳压缩机(7)出口穿过海床(10)，与位于海底地热层(11)的地热换热器(9)入口连通，地热换热器(9)出口穿出海床(10)，与超临界二氧化碳透平(12)入口相连，超临界二氧化碳透平(12)出口与海底冷却器(13)高温侧入口相连，海底冷却器(13)低温侧出口通过注入通道(14)与深海封存孔穴(15)相连；波浪能发电设备(8)布置于海面，产生的部分电能用于驱动超临界二氧化碳压缩机(7)工作，剩余的电能与余热透平(2)和超临界二氧化碳透平(12)发出的电能共同并入电网(3)。/n...

【技术特征摘要】
1.一种深海碳封存与发电系统，其特征在于，包括余热透平(2)、废气换热器(4)、气体剥离装置(5)、废气处理装置(6)、超临界二氧化碳压缩机(7)、波浪能发电设备(8)、地热换热器(9)、超临界二氧化碳透平(12)和海底冷却器(13)；其中，
余热透平(2)及废气处理装置(6)布置于海岸上，波浪能发电设备(8)布置于海面，其余设备布置于海平面以下的海水中；余热透平(2)通过电厂(1)的废气驱动做功，余热透平(2)出口依次连通废气冷却器(4)和气体剥离装置(5)，气体剥离装置(5)用于将二氧化碳从冷却之后的废气中剥离，气体剥离装置(5)的废气出口与布置于海岸的废气处理装置(6)相连，二氧化碳出口与超临界二氧化碳压缩机(7)入口相连，超临界二氧化碳压缩机(7)出口穿过海床(10)，与位于海底地热层(11)的地热换热器(9)入口连通，地热换热器(9)出口穿出海床(10)，与超临界二氧化碳透平(12)入口相连，超临界二氧化碳透平(12)出口与海底冷却器(13)高温侧入口相连，海底冷却器(13)低温侧出口通过注入通道(14)与深海封存孔穴(15)相连；波浪能发电设备(8)布置于海面，产生的部分电能用于驱动超临界二氧化碳压缩机(7)工作，剩余的电能与余热透平(2)和超临界二氧化碳透平(12)发出的电能共同并入电网(3)。


2.根据权利要求1所述的一种深海碳封存与发电系统，其特征在于，余热透平(2)为双级轴向烟气透平，入口温度范围为180℃～250℃，转速在10000rpm～30000rpm之间。


3.根据权利要求1所述的一种深海碳封存与发电系统，其特征在于，废气冷却器(4)与气体剥离装置(5)布置在海平面以下10m～300m。


4.根据权利要求1所述的一种深海碳封存与发电系统，其特征在于，气体剥离装置(5)采用二氧化碳选择透过膜进行二氧化碳剥离。


5.根据权利要求1所述的一种深海碳封存与发电系统，其特征在于，废气冷却器(4)及海底冷却器(13)利用高压低温的海水作为冷源。


6.根据权利要求1所述的一种深海碳封存与发电系统，其特征在于，超临界二氧化碳压缩机(7)采用单级或双级的离心式压缩机，其入口压力范围为7.5MPa～9MPa，入口温度范围为31.5℃～40℃，转速在30000rpm～50000rpm之间。


7.根据权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢永慧，李金星，施东波，张荻，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61