超臨界二氧化碳低溫動力系統的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種超臨界二氧化碳低溫動力系統，包括二氧化碳儲罐、壓縮工段、燃料罐、燃料吸收罐、換熱器、空調和用能設備，用能設備為動力單元和/或燃氣輪機。二氧化碳儲罐通過壓縮工段與燃料吸收罐連接，燃料罐與燃料吸收罐的液/固燃料入口連接。燃料吸收罐高壓流體出口與動力單元和/或燃氣輪機連接，動力單元和/或燃氣輪機的出口通過換熱器連接到廢氣排放口，換熱器與空調連接。本發明通過向燃料吸收罐中的高壓二氧化碳流體加入燃料，形成超臨界二氧化碳低溫動力系統，提高了超臨界二氧化碳的儲能潛力，具有燃燒溫度和排煙溫度低的特性，與高溫動力系統相比熱效率大幅提高，開辟了儲能用能的新途徑。
【專利說明】
超臨界二氧化碳低溫動力系統
技術領域
[0001]本發明屬于動力設備技術領域，涉及一種超臨界二氧化碳低溫動力系統。
【背景技術】
[0002]動力系統是指電力系統和動力部分的總和。其中，動力部分，包括火電廠的鍋爐、汽輪機、熱力網和用熱設備;水電廠的水庫、水輪機等，低溫動力是一個有待開發的新技術領域。儲能技術可以實現能量的有效存儲，并在需要時完成能量的高效率釋放。利用儲能技術可以隨時將富余能源轉化為電力、動力、冷能或熱能，利用二氧化碳進行能量存儲，從而有效減少能源的浪費。如何利用二氧化碳為載體實現供能系統的儲能和供能，提高能源的利用率，減少能量的浪費，是供能系統面臨的重要挑戰。
[0003]以二氧化碳為工作介質儲能供能系統較為少見。二氧化碳是一種無毒、不易燃、密度高、臨界點適宜(臨界溫度T c = 31.1°C，臨界壓力P c = 7.38*10 6 Pa)的流體，具有較好的流動性和傳輸特性，常被用于制冷、化工等領域。但從總體上來看，目前對于二氧化碳的開發和利用還不夠。單純的二氧化碳儲能和供能，能量不能最大限度的發揮，有待于進一步挖掘和提高二氧化碳的應用價值，拓寬超臨界二氧化碳的儲能和用能的潛力。

【發明內容】

[0004]本發明的目的是提供一種超臨界二氧化碳低溫動力系統，進一步提高超臨界二氧化碳的儲能和用能潛力，有效的存儲并利用二氧化碳儲存的能量，開辟新能源新的利用途徑。
[0005]本發明的技術方案是:超臨界二氧化碳低溫動力系統，包括二氧化碳儲罐和壓縮工段，二氧化碳儲罐與壓縮工段連接。系統設有燃料吸收罐、燃料罐和換熱器，燃料吸收罐設有壓縮氣體入口、液/固燃料入口和高壓流體出口。壓縮工段與壓縮氣體入口連接，燃料罐與液/固燃料入口連接，高壓流體出口與動力單元和/或燃氣輪機連接。動力單元和/或燃氣輪機的出口通過換熱器連接到廢氣排放口，換熱器與空調連接。
[0006]動力單元設有空氣壓縮機、煙氣輪機、發電機和燃燒室，燃燒室設有燒嘴。空氣壓縮機出口連接到燃燒室，燃料吸收罐的高壓流體出口連接到燒嘴。燃燒室出口連接到煙氣輪機，煙氣輪機出口連接到換熱器。煙氣輪機與發電機軸連接。燃燒室出口壓力為0.1?lOOMPa，溫度為100?1500 °C。煙氣輪機出口氣體排放溫度為-100?300°C，可以根據實際需要進行調節。燃氣輪機設有超臨界流體入口、空氣入口和出氣口，燃料吸收罐的高壓流體出口連接到燃氣輪機的超臨界流體入口，出氣口連接到換熱器。燃氣輪機與發電機軸連接。
[0007]系統設有氣體燃料罐，氣體燃料罐連接到二氧化碳儲罐。二氧化碳儲罐中的氣體為二氧化碳、氮氣、空氣、燃氣和煙氣，二氧化碳的濃度為O?100%(V)。燃料吸收罐出口壓力為0.1?lOOMPa。空調設有電加熱和電制冷裝置，用于彌補廢氣冷量或熱量不足。燃料罐中燃料為氣體燃料、液體燃料或固體燃料，或上述燃料的兩種或三種混合，燃料吸收罐中燃料的濃度為O?100%(v)。通過改變燃料吸收罐中添加燃料的種類和添加比例以及改變空氣加入比例和動力單元的工藝流程，可實現動力單元出口氣體的溫度和壓力的調節。動力單元可應用于汽車、輪船、飛機、助動車等交通工具上，交通工具所使用攜帶燃料的超臨界二氧化碳流體可采用自備儲罐加注的方式進行補充。動力單元內的煙氣輪機可以是燃氣輪機、煙氣輪機、汽輪機、活塞式發動機。壓縮工段壓縮使用低谷電或風能、太陽能及潮汐能發的電。
[0008]動力單元可應用于固定場所或非固定場所，采用分體式壓縮氣體儲罐或管道和分體式燃料儲罐或管道，壓縮氣體儲罐與燃料儲罐分開設置。壓縮氣體為空氣、煙氣、含有氧氣或不含有氧氣的二氧化碳、含有氧氣或不含有氧氣的氮氣、不含有氧氣的一氧化碳、惰性氣體等或以上氣體的混合物。分體式燃料儲罐中的燃料為甲醇、乙醇、一氧化碳、柴油、汽油、氫氣或碳氫化合物，或其它具有熱值的氣體燃料、液體燃料和固體燃料，或以上的混合物。允許分體式燃料儲罐內加入任意比例的不可燃成分。壓縮氣體儲罐壓力為0.1?lOOMPa，燃料儲罐壓力為0.1?lOOMPa。壓縮氣體儲罐與燃料儲罐的出口均連接到燃燒室入口。助燃空氣既可以來自壓縮空氣儲罐，又可以來自周圍環境的空氣，或兩者同時按任意比例使用。
[0009]本發明超臨界二氧化碳低溫動力系統，通過向燃料吸收罐中的高壓二氧化碳流體加入燃料，形成攜帶燃料的超臨界二氧化碳流體，進一步提高了超臨界二氧化碳的儲能潛力，攜帶燃料的超臨界二氧化碳流體與壓縮空氣混合燃燒產生巨大的能量進行做功，使攜帶燃料的超臨界二氧化碳流體儲存的能量充分釋放進行利用，實現了二氧化碳儲存的能量的高效利用，開辟儲能用能的新途徑。二氧化碳壓力源和燃料構成的超臨界二氧化碳低溫動力系統具有燃燒溫度和排煙溫度低的特性，與高溫動力系統相比熱效率大幅提高。通過儲能材料二氧化碳，使有熱值的燃料都能夠安全、方便、最大限度發揮其作用。
【附圖說明】
[0010]圖1為本發明超臨界二氧化碳低溫動力系統的流程示意圖；
圖2為本發明另一實施方案的流程示意圖；
圖3為本發明第三種方案的流程示意圖；
圖4為本發明第四種實施方案的流程示意圖；
其中:I一二氧化碳儲_、2—壓縮工段、3—燃料吸收_、4一動力單兀、5—換熱器、6—空氣壓縮機、7—空氣入口、8—煙氣輪機、9一發電機、10—燃燒室、11一燒嘴、12—廢氣排放口、13—燃氣輪機、14一空調、15—液體燃料罐、16—氣體燃料罐、18—高壓流體出口、19—壓縮氣體儲罐、20—燃料儲罐、21 一燃料壓縮工段、22—大樓。
【具體實施方式】
[0011]下面結合實施例和附圖對本發明進行詳細說明。本發明保護范圍不限于實施例，本領域技術人員在權利要求限定的范圍內做出任何改動也屬于本發明保護的范圍。
[0012]實施例1
本發明超臨界二氧化碳低溫動力系統如圖1所示，包括二氧化碳儲罐1、壓縮工段2、動力單元4、燃料吸收罐3、液體燃料罐15、空調14和換熱器5。動力單元設有空氣壓縮機6、煙氣輪機8、發電機9和燃燒室10，燃燒室設有燒嘴11 ο燃料吸收罐設有壓縮氣體入口、液/固燃料入口和高壓流體出口 18。二氧化碳儲罐與壓縮工段連接，壓縮工段與燃料吸收罐的壓縮氣體入口連接，液體燃料罐15通過輸送栗與燃料吸收罐的液/固燃料入口連接。燃料吸收罐的高壓流體出口與燒嘴11連接，空氣壓縮機出口連接到燃燒室。燃燒室出口連接到煙氣輪機，煙氣輪機出口通過換熱器連接到廢氣排放口 12，煙氣輪機與發電機9軸連接，換熱器與空調14連接。燃燒室出口壓力為2MPa，溫度為600°C。二氧化碳儲罐I中的氣體為二氧化碳，二氧化碳的濃度為99.99%( V)。燃料吸收罐3出口壓力為20MPa。
[0013]本發明超臨界二氧化碳低溫動力系統的運行過程為，二氧化碳儲罐I中的二氧化碳氣體進入壓縮單元，在壓縮單元經多級壓縮機將二氧化碳氣體壓縮成高壓超臨界流體，送入燃料吸收罐3。液體燃料罐的乙醇燃料通過高壓輸送栗將液體燃料罐中的乙醇打入燃料吸收罐，形成壓力為20MPa的混合超臨界流體。混合超臨界流體通過動力單元的燒嘴進入燃燒室，與空氣壓縮機壓縮的高壓空氣混合燃燒產生的煙氣到煙氣輪機做功帶動發電機發電。離開煙氣輪機的氣體經換熱器換熱后到廢氣排放口 12排放，換熱器通過工質循環將冷量傳給空調，為空調制冷。可以通過調節燃料在超臨界流體中的濃度，控制廢氣的溫度，來為空調提供冷量或熱量，當冷量或熱量不足時，使用電加熱彌補。
[0014]實施例2
本發明另一實施方式如圖2所示，包括二氧化碳儲罐1、壓縮工段2、燃氣輪機13、燃料吸收罐3、氣體燃料罐16、液體燃料罐15、發電機9、空調14和換熱器5。氣體燃料罐與二氧化碳儲罐連接，二氧化碳儲罐與壓縮工段連接，壓縮工段與燃料吸收罐的壓縮氣體入口連接，液體燃料罐15通過輸送設備與液/固燃料入口連接。燃氣輪機設有超臨界流體入口、空氣入口7和出氣口，燃料吸收罐的高壓流體出口 18連接到超臨界流體入口，出氣口連接到換熱器。燃氣輪機與發電機9軸連接，換熱器與空調14連接。燃燒室出口壓力為0.1MPa，溫度為500°C。二氧化碳儲罐I中的氣體為二氧化碳和CO，二氧化碳的濃度為70%(v)。燃料吸收罐出口壓力為40MPa。
[0015]本實施例的運行過程為，氣體燃料罐16中⑶通入二氧化碳儲罐I中與二氧化碳混合，混合后二氧化碳的濃度為70%(v)。混合氣體經壓縮單元多級壓縮機壓縮成高壓超臨界流體，送入燃料吸收罐3 ο液體燃料罐15中的汽油通過螺旋輸送機打入燃料吸收罐，形成壓力為40MPa的混合超臨界流體，汽油含量為5%( V)。混合超臨界流體通過超臨界流體入口進入燃氣輪機，與從燃氣輪機尾部進入的經多級壓縮的高壓空氣混合并燃燒產生高壓煙氣，驅動燃氣輪機頭部的渦輪轉動做功帶動發電機發電。離開燃氣輪機的氣體經換熱器換熱后到廢氣排放口 12排放，換熱器通過工質循環將冷量傳給空調，為空調制冷。可以通過調節燃料在超臨界流體中的濃度，空氣入口的進氣量，控制廢氣的溫度，來為空調提供冷量或熱量，當冷量或熱量不足時，使用電加熱彌補。
[0016]實施例3
本發明再一實施方式如圖3所示，包括二氧化碳儲罐1、壓縮工段2、燃氣輪機13、燃料吸收罐3、動力單元4、氣體燃料罐16、液體燃料罐15、發電機9、空調14和換熱器5。氣體燃料罐與二氧化碳儲罐連接，液體燃料罐15與燃料吸收罐3連接。二氧化碳儲罐通過壓縮工段與燃料吸收罐的壓縮氣體入口連接，燃料吸收罐的高壓流體出口 18分為兩路，一路連接到燃氣輪機的超臨界流體入口，一路連接到動力單元燃燒室的燒嘴。燃燒室出口壓力為8MPa，溫度為650 °C。二氧化碳儲罐I中的氣體為二氧化碳和天然氣，二氧化碳的濃度為90%( V)。燃料吸收罐出口壓力為20MPa。
[0017]本實施例的運行過程為，氣體燃料罐16中天然氣通入二氧化碳儲罐I中與二氧化碳混合，混合后二氧化碳的濃度為90%(v)。混合氣體經壓縮單元多級壓縮機壓縮成高壓超臨界流體，送入燃料吸收罐3。液體燃料罐15中的甲醇燃料通過高壓輸送栗打入燃料吸收罐，形成壓力為20MPa的混合超臨界流體，甲醇燃料的濃度為5%(v)。混合超臨界流體一路通過超臨界流體入口進入燃氣輪機，與燃氣輪機的高壓壓縮空氣混合并燃燒產生高壓煙氣，驅動燃氣輪機轉動做功帶動發電機發電。另一路通過動力單元的燒嘴11進入燃燒室，與空氣壓縮機壓縮的高壓空氣混合燃燒產生的煙氣到煙氣輪機做功帶動發電機發電。
[0018]實施例4
本發明第四種實施方式如圖4所示，包括壓縮工段2、壓縮氣體儲罐19、燃料儲罐20、燃料壓縮工段21、大樓22、換熱器5、煙氣輪機8、發電機9、燃燒室10和空氣入口 7。煙氣輪機與發電機同軸連接，燃燒室設有燒嘴11，大樓內裝有空調設備，壓縮工段與氣體來源管路連接，燃料壓縮工段與氣體燃料來源管路連接。壓縮工段2連接到壓縮氣體儲罐，壓縮氣體儲罐出口連接到燃燒室，外來空氣管路連接到燒嘴。燃料壓縮工段21連接到燃料儲罐，燃料儲罐出口連接到燒嘴。燃燒室的出口連接到煙氣輪機入口，煙氣輪機出口通過換熱器連接到廢氣排放口 12。換熱器與大樓22內的空調系統連接，利用水循環為大樓供暖。壓縮氣體和外來空氣同時為燃料燃燒提供助燃風，確保燃料充分燃燒。
[0019]本實施例的運行過程為，空氣經壓縮工段壓縮進入壓縮氣體儲罐，高爐煤氣經燃料壓縮工段21壓縮進入燃料儲罐，壓縮的空氣和燃料氣進入燃燒室燃燒，產生的煙氣進入煙氣輪機做功發電。做功后的煙氣溫度降低經換熱器換熱后到廢氣排放口 12排放。換熱器通過大樓內空調循環系統的水循環，利用剩余的熱量為大樓取暖提供熱量。
【主權項】
1.一種超臨界二氧化碳低溫動力系統，包括二氧化碳儲罐(I)和壓縮工段(2)，所述二氧化碳儲罐與壓縮工段連接，其特征是:所述系統設有燃料吸收罐(3)、燃料罐、換熱器(5)和空調(14)，所述燃料吸收罐設有壓縮氣體入口、液/固燃料入口和高壓流體出口(18);所述壓縮工段與壓縮氣體入口連接，所述燃料罐與液/固燃料入口連接，所述高壓流體出口與動力單元(4)和/或燃氣輪機(13)連接;所述動力單元(4)和/或燃氣輪機(13)的出口通過換熱器連接到廢氣排放口( 12)，所述換熱器與空調(14)連接。2.根據權利要求1所述的超臨界二氧化碳低溫動力系統，其特征是:所述動力單元設有空氣壓縮機(6)、煙氣輪機(8)、發電機(9)和燃燒室(10)，所述燃燒室設有燒嘴(11);所述空氣壓縮機出口連接到燃燒室，所述燃料吸收罐的高壓流體出口( 18)連接到燒嘴;所述燃燒室出口連接到煙氣輪機，所述煙氣輪機出口連接到換熱器(5);所述煙氣輪機與發電機(9)軸連接。3.根據權利要求2所述的超臨界二氧化碳低溫動力系統，其特征是:所述燃燒室出口壓力為0.1?lOOMPa，溫度為100?1500°C，所述煙氣輪機出口氣體排放溫度為-100?300°C，可以根據實際需要進行調節。4.根據權利要求1所述的超臨界二氧化碳低溫動力系統，其特征是:所述燃氣輪機(13)設有超臨界流體入口、空氣入口(7)和出氣口，所述燃料吸收罐的高壓流體出口( 18 )連接到超臨界流體入口，所述出氣口連接到換熱器;所述燃氣輪機與發電機(9)軸連接。5.根據權利要求1所述的超臨界二氧化碳低溫動力系統，其特征是:所述系統設有氣體燃料罐(16)，所述氣體燃料罐連接到二氧化碳儲罐(I)。6.根據權利要求1所述的超臨界二氧化碳低溫動力系統，其特征是:所述二氧化碳儲罐(I)中的氣體為二氧化碳、氮氣、空氣、燃氣和煙氣或其不同種類任意比例混合物，所述二氧化碳的濃度為O?100%( V)；所述燃料吸收罐(3)出口壓力為0.I?10MPa。7.根據權利要求1所述的超臨界二氧化碳低溫動力系統，其特征是:所述空調(14)設有電加熱和電制冷裝置，用于彌補廢氣冷量或熱量的不足。8.根據權利要求1所述的超臨界二氧化碳低溫動力系統，其特征是:所述燃料罐中燃料為氣體燃料、液體燃料或固體燃料，或上述燃料的兩種或三種混合，或一種或多種有熱值的物質的混合物;所述燃料吸收罐(3)中燃料的濃度為O?100%(v)。9.根據權利要求1所述的超臨界二氧化碳低溫動力系統，其特征是:通過改變燃料吸收罐中添加燃料的種類和添加比例以及改變空氣加入比例和動力單元和/或燃氣輪機的工藝流程及參數，可實現動力單元出口氣體的溫度和壓力的調節;壓縮工段(2)壓縮使用低谷電或風能、太陽能及潮汝能發出的電力。10.根據權利要求1所述的超臨界二氧化碳低溫動力系統，其特征是:所述動力單元可應用于汽車、輪船、飛機、助動車等交通工具上，所述交通工具所使用攜帶燃料的超臨界二氧化碳流體可采用自備儲罐加注的方式進行補充；動力單元內的煙氣輪機可以是燃氣輪機、煙氣輪機、汽輪機、活塞式發動機;空氣入口的進氣量可根據系統需要任意調節。11.根據權利要求10所述的超臨界二氧化碳低溫動力系統，其特征是:所述動力單元可應用于固定場所或非固定場所，采用分體式壓縮氣體儲罐或管道和分體式燃料儲罐或管道，所述壓縮氣體儲罐與燃料儲罐分開設置;所述壓縮氣體為空氣、煙氣、含有氧氣或不含有氧氣的二氧化碳、含有氧氣或不含有氧氣的氮氣、不含有氧氣的一氧化碳、惰性氣體等或以上氣體的混合物;所述分體式燃料儲罐中的燃料為甲醇、乙醇、一氧化碳、柴油、汽油、氫氣、碳氫化合物或其它具有熱值的氣體燃料、液體燃料和固體燃料，或以上的混合物;允許分體式燃料儲罐內加入任意比例的不可燃成分;壓縮氣體儲罐壓力為0.1?lOOMPa，燃料儲罐壓力為0.1?10MPa;壓縮氣體儲罐與燃料儲罐的出口均連接到燃燒室入口 ；助燃空氣既可以來自壓縮空氣儲罐，又可以來自周圍環境的空氣，或兩者同時按任意比例使用。
【文檔編號】F25B29/00GK106089437SQ201610411815
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月13日 公開號201610411815.8, CN 106089437 A, CN 106089437A, CN 201610411815, CN-A-106089437, CN106089437 A, CN106089437A, CN201610411815, CN201610411815.8
【發明人】賈會平
【申請人】石家莊新華能源環保科技股份有限公司