专利名称：用co的制作方法
一、用CO2作工质利用低温热源供热发电制冷联产的战略意义。
随着社会的高度工业化发展，二氧化碳在大气中的浓度显著增加，由此引起的温室效应，导致全球大气升温恶化后果，一直是使全人类忧心忡忡的问题。
据有关部门的统计，全球每年CO2的排放量高达290亿吨，而约有一半的CO2存留于大气中。工业化前CO2的浓度是280×10-6，目前已高达约360×10-6。温室效应引起的生态环境的变化，如温室气体引发的厄尔尼诺、拉尼娜等全球气候异常，频繁的洪涝干旱、台风等，以及由此引发的世界粮食减产、沙漠化现象等，早已引起世界环保组织的忧虑。1997年的《京都议定书》对各国温室气体排放量的递减做了明确的规定，但由于CO2气体排放与工业发达国家经济发展密切相关，作为CO2气体排放最多的美国已于2001年退出该协议。我国也是气体排放较多的国家之一，虽然我国对于CO2气体的治理做了大量工作，但同很多国家一样，CO2气体排放的治理和国民经济快速发展之间，一直存在难以两全的困境。而本人研究的成果用CO2作工质利用各种低温热源(≥-30℃的流体都可，至少≥0℃的流体实用价值高)都能发电并同时供热制冷的新工艺技术，则不仅可以解决我国CO2气体排放治理的问题，而且对于促进我国国民经济高速发展具有更深远的战略意义。
鉴于CO2气体对环境的危害，人类一直都在探索科学利用CO2的途经，其中用CO2作工质利用流体的热源发电的课题，科学家门也早有探究。由于CO2沸点(常压下)为-77.8℃，故可利用其蒸发吸热而利用低品位的热源，使CO2升温增压后驱动汽轮机发电，从而大大拓展能源渠道。据悉罗马尼亚已在地热发电中用二氧化碳作为驱动汽轮机的工质已实现了工业化，其奥拉迪亚市高等教育学院建成了利用地下热水用CO2作工质的地热发电站，已投入运转并加入电网发电。
由此可见，利用CO2作工质吸取各种低温热源供热发电制冷联产也完全可以实现工业化。据报道罗马尼亚用CO2发电利用的地热是高于50℃以上中品位的中热值热源，而如果用CO2作工质发电时又同时使CO2高温制热及低温制冷的话，则不仅可一举三得，更重要的是只要比CO2的蒸发温度高20～30℃以上的流体低温热源也能实现供热发电，那么将CO2发电并制冷后的液体的蒸发温度控制在-55～-45℃之间，则理论上≥-30℃的流体热源都可作为供热热源，至少≥0℃以上的流体供热发电完全可以实现工业化。这样，由于发电热源的广泛拓展，由此而给我们人类带来无限神奇美妙的前景那么众多的中、低品位的热源海湖江河水、地热水、太阳能、空气、某些流体工业产品的余热均能成为取之不尽用之不竭的能源所在！如此一来，本项工艺技术如得以广泛应用，则不仅可以大幅减少制造工业中产生的温室气体排放量，而且也能彻底解决全球的能源危机、石油危机，更为人类开发海下资源、外太空创造更有利条件，为人类各种活动、为提高生活质量提供取之不尽用之不竭的洁净能源！尤其对我国加速成为最具竞争力的世界强国带来亘古未见的机遇！首先，由于我国大部分地区处在亚热带、温带地区，所拥有的中低品位低温热源如阳光、海水、湖江河水、地热水，工厂排放的较高热值的余热均无穷无尽，利用起来经济价值高，为我国各企业产品带来高效率、低成本优势，起码我国可做到能源自给自余，从而不再需要每年进口几千万桶的石油及天然气，如此便可节约大量外流财富，迅速推进现代化；第二、由于用CO2作工质利用低温热源发电逐渐代替火力发电，不仅大幅度减少工业废气中CO2、SO2、N2O，砷化物、灰尘对空气的污染，而且将大幅减少采矿、砍伐森林等破坏生态的行为，从而解决我国由于工业高速发展带来的工业污染对生态环境的后顾之忧；第三、可推动我国CO2及气体产业的发展，如我国若有300万家(1200万家企业的25％)自建CO2供热发电及制冷装置，则将至少拉动150000亿元(每装置平均按500万元)的投资与消费，我国的液体CO2产量也会由80万吨/年迅速增长到3000万吨/年(按每装置需10t计)CO2的产值将迅速由8亿元增长至300亿元以上，且由于CO2的回收、生产、销售、服务、设备制造及CO2发电装置的厂房设备的安装、投运及相关产业的发展，所能带来的就业岗位至少在6000万个以上(按每装置及相关连企业岗位20个计算)这样对我国的城市化发展也起到极大的推动作用。还有不少颇具战略意义的方面如在北美碳交易市场、欧盟碳交易中凭此技术我国便可大赚一回，还有能使我国能源从此不再受制于人等，在此不再赘述。
二、用CO2作工质利用低温热源供热发电制冷联产的工作原理1、CO2的物理热学性质这里简单介绍一下CO2的物理相变及热学性质，以帮助我们了解CO2供热发电制冷的基本原理。
a、密度气体CO2的密度比空气重，大约是空气的1.5倍。0℃时，压力为101.3kpa的密度为1.9769kg/m3；在20℃时，压力为101.3kpa时为1.7909kg/m；液体CO2的密度在较高温度区域内比水轻，但在较低温度下则比水略重；固体CO2的密度大约在1500～1700kg/m3之间；b、三相点、温度T＝-56.57℃，压力p＝0.518Mpa.固体焓hs＝-54kcal/kg，液体焓hl＝-7.6kcal/kg气体含hg＝75.4kcal/kg；c、临界点、温度Tc＝31.1℃，压力Pc＝7.38Mpa，密度ρc＝468kg/m3，热焓h＝151.8kcal/kg；d、CO2工作时几个重要状态点的参数；①、温度-50℃，压力0.10Mpa，液体热焓hl＝-5kcal/kg，气体热焓hg＝76kcal/kg，②、温度25℃，压力0.1Mpa，过热气体热焓175kcal/kg③、温度60℃，压力7.5Mpa，过热气体热焓185kcal/kg2、CO2供热发电制冷联产的工作原理附
图1CO2供热发电制冷联产状态变化原理图。
由图1、CO2供热发电制冷联产状态变化原理图可知，处在A点状态的CO2气体，经B、C、D、E、F、G、H、I，八个过程，即四次压缩，四次冷却，即可将A点状态0.1Mpa，25℃压缩并被冷却达到I点状态7.5Mpa、60℃，并在被串联的自来水冷却时，加热自来水使自来水温度由23℃升至55℃左右，达到向需洗浴用热水部门直接提供生活用热水。然后处在I点状态7.5MPa、60℃的CO2气体进入二级膨胀的汽轮发电机之高压缸一级膨胀推动汽轮机高速运转作功，压力降至1.0Mpa后，再进入低压缸二级膨胀继续对汽轮机作功后，本身内能、体积能、速度能、位能均急骤下降，气体冷凝液化为液体到达J点状态，CO2气体减少的内能，体积能(二者之和即为热焓)，速度能、位能(此二者变化的数值相对于前二者来说可忽略不计)即转化成发电机的电能，从而实现向用户供电的目的，与此同时，由于CO2气体失去大量的内能、体积能，温度骤然下降，本身液化为温度很低的液体即J点状态(-50℃0.1Mpa)，从而制得深度的冷源，达到制冷的目的。(更重要是低温液体CO2在提供冷源时，实际上具备了向比它温度高的物质摄取热能的强大动力，从而可以在地球的任何位置向自然界获取无本能源)，此低温液体CO2再被冷却热源加热蒸发并过热升温，完成了一个循环，重又回到A点状态。如此又具备了供热发电的能量又转入下一个供热发电制冷循环。
这个工作循环实际上是卡诺的热力发动机的理想可逆循环和克劳德法液化制冷循环流程融合在一起，并有进一步改进的流程达到基本无“功损失”、有效能可最大化利用的目的。
3、CO2供热发电制冷联产工艺流程简述附流程简图2。CO2气体由A点0.1Mpa经往复式四级压缩机(无油润滑)的一级压缩至B点130℃、0.4Mpa，经一级中间冷却器与自来水(23℃)换热后到达C点温度降至35℃，再经二级压缩后到达D点125℃、1.2MPa，再经二级中间冷却器与一级中冷来的自来水(32.5℃换热后到达E点，温度降至45℃，再经三级压缩到达F点120℃、3.0MPa。在三级中冷器与二级中冷来的自来水(41℃)换热后至达G点，温度降至50℃，再经压缩机四级压缩到达H点135℃、7.5Mpa，在四级冷却器中与三级中冷来的自来水(48℃)换热后到达I点温度降至60℃。此时自来水被加热到55℃送入热水桶，热水桶内热水可根据用户需要可直接送至用户或继续用绝缘电加热电阻继续升温至用户所需温度而送出，如此达到供热目的。I点状态的CO2直接进入具有高低压两个缸的汽轮机的高压缸经喷嘴膨胀推动汽轮机高速运转作功后，压力降至1.0Mpa，然后进入汽轮机的低压缸继续膨胀作功推动汽轮机发电，本身压力降至0.1Mpa、-50℃，并大部分冷凝成液体，到达状态J点，在冷凝过程中CO2液体被迅速抽出进入CO2蒸发器，与加热源(或称被冷却介质)换热，提供冷量给被冷却介质，本身获得能量，回到状态A，又将进入下一个供热发电制冷的循环。
在这个循环过程中，几乎不需要担心各工序的效率问题，因为它将卡诺循环及克劳德循环融合在一起并有进一步改进，如果任一工序在供热发电制冷中的某个方面降低了效率的话，那就会使相反的方面的效率得到提高，如压缩机的打气效率降低，则其供热效率提高，如其制冷时漏冷损失增加，则其供热发电效率可能会提高，因为漏入热量显然是不需要成本的。
4、CO2供热发电制冷热力学过程计算CO2由状态A→B→C→D→E→F→G→H→I→J→A经历一个循环过程，其热力学过程及计算如下以1台压缩机8m3/min打气流量(进口状态)计算(一)由A点25℃.0.1Mpa气体CO2到I点60℃、7.5Mpa，期间四次压缩的终态温度T2，根据《化工工艺设计手册》上实际气体往复式压缩机的计算方程式T2=T1ϵK-1K;]]>每级压缩所做理论功W=1.634PtVtKK-1[ϵKK-1-1]]]>则分别计算T2得(各加上10℃左右机械损失温升)
B点T2＝130℃，D点T2＝125℃；F点T2＝120℃；H点T2＝135℃。
分别计算各级压缩做功W1＝20.9kwh(A→B)W2＝16.1kwh(C→D)W3＝13.2kwh(E→F)W4＝13.2kwh(G→H)压缩机总计对CO2作功Wλ＝W1+W2+W3+W4＝63.4kwh(二)由A点到I点，期间四级冷却放出热量计算一级冷却Q1＝mCp(T2-T1)＝26kwh(B→C)二级冷却Q2＝21.9kwh (D→E)三级冷却Q3＝20.5kwh (F→G)四级冷却Q4＝20.5kwh (H→I)CO2经四级冷却总放出热量Q放＝Q1+Q2+Q3+Q4＝87.6kwh若按每1kgCO2用2.5kg自来水串联冷却，则自来水理论上可获得温升 以自来水入口温度23℃计算，可得55℃热水共2357kg/h。
(三)CO2气体由I→J点即绝热膨胀发电并制冷过程。
a、首先计算CO2气体由I点60℃、7.5Mpa经过绝热膨胀，假设为无机械阻力，有足够的空间和时间，也无相变，即视作理想气体膨胀的终点温度。
按理想气体公式T2=T1ϵ1-γγ=333×(7.50.1)1-1.251.25=140.4k]]> 而如果以实际气体的节流膨胀的焦一汤公式计算其终点温度T2＝T1+HJT(P2-P1)＝333+1.38×10-5(0.1-7.5)×106＝231K＝-42℃由于汽轮机的输出能量的效应及CO2气体在汽轮机的高低压缸内作绝热膨胀，既有较大的膨胀空间，又因克服机械阻力作功后大部分气体液化，其熵变度大，便似克劳德液化流程中的膨胀机效应，使得CO2绝热膨胀过程较为接近理想气体，假使无相变液化过程仍全部为气相，则其T2温度肯定介于上述两种T2计算结果之间，且将比较接近-132℃，至少在-100℃左右，但本工艺技术的目的不是要制得很低温度的CO2，只是要求得到比被冷却介质(或称低温热源)有足够温差的低温液体CO2就够了，因此可根据需要在汽轮机低压缸出液箱对其加热，控制其液化温度在-40℃-50℃就可以，从而保证设备不需要更耐深度低温的昂贵材料。因此下面即以CO2在-50℃液化与蒸发来计算其热力学数据。
b、I点到J点状态是一不可逆过程，却可假设为3个可逆过程的组合。
因此用热力学方程式计算可得
ΔH1=-W1=-P2ΔV=-P2nRT(1p2-1p1)=-16.26kwh]]>ΔH2＝-W+(-ΔU)＝-nRΔT-mcpΔT＝-35.55kwhΔH3＝-(W3+ΔconH)＝-nRT-ΔconH＝-100.68kwh∵-W＝ΔH＝ΔH1+ΔH2+ΔH3∴ W＝-ΔH＝-(ΔH1+ΔH2+ΔH3)＝152.5kwh即得CO2气体对汽轮机所作的功152.5kwh。
c.若以查图法计算，查得I点热焓H＝185kcal/kg。
J点液体热焓H1＝-5kcal/kg。气体Hg＝76kcal/kg。
如果以J点CO2组成全部为液体计算此台压缩机发电做功为W出＝208.3kwh。
而如果以J点状态CO2仍全部为气态，则计算所得W出为W出＝119.5kwh，显然CO2绝热膨胀发电作功的实际情况介于两者之间，这也验证了上述按分解为可逆步骤计算所得结果较为接近实际情况。
(四)CO2气体由J→A状态，即-50℃、0.1Mpa的液体CO2将制得的冷量转移至被冷却介质(或称加热源)，本身取得热量而被蒸发升温成为过热气体的不可逆过程，这也可以分解为个可逆过程来计算 Q1＝ΔH1＝ΔvapH+W1＝ΔvapH+nRT＝100.8kwhQ2＝ΔH2＝ΔU+W2＝mcpΔT+nRΔT＝24.24kwhQ吸＝Q1+Q2＝125kwh.
此亦为CO2提供给被冷却介质的制冷量，也是CO2从外界获取的用来供热发电的热量。
同样用查图表法计算CO2由J→A点，Q吸＝ΔH＝197kwh，所以实际情况也应介于二者之间。
三、CO2作工质利用低温热源供热发电制冷的技术经济评价。
1、发电量由上述热力学计算，此8m3/min的四级压缩机的理论发电量为152.5kwh，如果以发电机组的机械功损失为5％计，则可实际发电为145kwh，换算成CO2每kg发电量＝0.154kwh。
2、供热量由上述热力学计算得，此压缩机理论供热量为87.6kwh，则每kgCO2供热量为；0.093kwh。若以其热损失5％计(因CO2温度与环境温差并不大)，实际供热量0.088kwh/kg。
3、制冷量由上述热力学计算，此压缩机理论上提供的制冷量为125kwh，换算成每kgCO2的制冷量为0.133kwh，若以冷量损失5％计，则实际制冷量为0.126kwh/kg。
4、压缩机的耗电量由上述热力学计算得，此压缩机的理论耗电量为63.4kwh，若以压缩机有效功率85％计算，则实际耗电量为74.6kwh，换算成每kgCO2耗电0.079kwh。
5、所耗热能，由于所利用的低温热源，可取自无本的太阳能，海湖江河水、空气或工业废热气，废热水或其它废热流体，其成本只需计算其动力输送能耗，而这些流体都是用风机或低压泵，低压压缩机输送，其压力一般不会超过0.4Mpa，其动力消耗便不会超过CO2压缩机能耗的1/10，若以压缩机能耗的1/10计算，则计耗能0.008kwh。
综上所述，则可知每kgCO2总耗能为0.079+0.0079＝0.087kwh，而却能同时生产出0.154kwh的电能、0.126kwh的冷量、0.088kwh的热能，发电效率为177％，制冷效率为145％，制热效率为101％。也即是用6.5kg的CO2耗能0.56kwh的热能，可同时生产1kwh的电能、0.82kwh的冷量、0.57kwh的热量，即总效率为423％。其经济效益即使在理论上的计算结果折扣一半也是无与伦比！也就是本技术方案能源投入与产出之比为1∶4.23，与火力发电能源投入与产出之比2.2∶1比较，本技术方案之能耗不到火力发电的九分之一，何况所用能源是取之不尽用之不竭天然的无本的洁净能源！四、本工艺技术与火力发电技术之比较1、本技术与火力发电相比，不但不产生大量的温室气体、含硫、砷、氮的氧化物及夹带灰尘的污染气体和水体，且能回收工业废气中的温室气体CO2，变废为宝，其重大经济与环境保护战略意义前已述及，不再赘述。
2、本技术与火力发电相比，它所需热源不仅来源广泛，且取之不尽用之不竭，还能促使气候温度有所下降，而且热源供给成本非常之低，其重大意义前也已述及。
3、本技术与火力发电相比，它所能耗仅单以发电量计算也只有火力发电的四分之一，而若以供热制冷及发电叠加计算，则其能耗不到后者的九分之一，其优势不言而喻。
4、本技术与火力发电相比，流程非常短，厂房设备投资大大减少，尤其没有固体燃料的运输、投入与排出，没有给水净化系统，也没有排废净化除污系统，所以投资、施工、自动化调节，都节省得多。
5、本技术与火力发电或其它介质供热制冷工艺比较，同时综合供热、发电、制冷三方面的功能，从而大大减少单一功能建厂所占的用地面积、资金及其它各种资源，等于避免了重复建设，大大节约了财富和自然资源。
6、本技术与火力发电比较，运行安全稳定性更可靠，材料与维修费用低，也容易实现自动化操作管理，因为温度压力不是那么高，无腐蚀介质(纯净的CO2是没有腐蚀的)不象火力发电含硫、砷、空气杂质造成既有高温腐蚀又有低温腐蚀，所以设备使用寿命长，所需条件、材料均大为减少。
7、本技术与火力发电比较，工质循环量约为后者的1.5倍，本技术所需工质循环量为发电1Kwh需CO2量1÷0.154＝6.5kg，比火力发电的约4kg水蒸汽多一半，但前者消耗辅助动力比后者低得多。
8、本技术与火力发电比较，其汽轮机参数要求前者略低，后者其高温热胀冷缩与防震要求高，后者只是耐低温要求高，但不属深冷参数，温差小得多，只是低压缸材质抗冷脆要求高。
9、本技术与火力发电比较，汽轮机低压缸的液击点蚀可能严重些，设计与生产过程须重点预防。
10、用CO2作工质供热发电并制冷与其它介质，如氟利昂、异丁烷、氨、水蒸气，等比较，既来源容易，又安全可靠，具无毒无污染，不易燃易爆，且工艺条件低，发电、制冷效率高数倍，推广应用容易等优点。
11、用CO2作工质供热发电并制冷时，若被冷却介质为湿空气或水时，应注意防止冷却介质在蒸发设备中结冰冻结堵塞，造成传热效率下降影响工作效率，因此这是本工艺技术方案的一个缺点。因此用空气作加热源时最好用干空气，用水作加热源时应尽量提高水的压力和流速，减小水的温降，还应考虑设计CO2的蒸发温度在-5℃～5℃之间，以使加热源在高于冰点与CO2液体换热，达到比较理想的工作效率。
五、用CO2作工质利用低温热源供热发电制冷联产工艺技术的适应范围。
1、本技术应用范围更有优势，不但适于各工厂企业，也更适于学校、宾馆、酒店、超市、体育馆、会堂、展览馆、生活小区等，只相当于建一个中型锅炉的费用，便可全部解决电力、供热、空调的问题，而且用户根据需要的侧重点，可以按需调节供热与制冷的相对负荷。而且如果室内需要热空气，也可将工艺流程中各冷却器的自来水切换为冷空气便可由供热水改为直接供热空气，只须调节空气流量便可。
2、本技术应用区域也是无限广阔，不管东南西北、海底天空、沙漠高山，边防哨卡，只要有阳光、水、空气等低温热源的地方，就能安装本装置，获取无本能源，为人类充分开发大自然、海洋、外太空创造基本条件。尤其可充分利用太阳能、地热水和南方的海湖江河水，所以不管城市、农村均能普及受惠。
3、本技术流程的工艺条件也能根据用户需要或加热源温度范围的需要，可以将压缩机的级数及最后级排出压力进行任意变更，一般从节能方面考虑在1.6Mpa～12Mpa之间均能随意选择，都能实现供热发电制冷的目的，只是其工作效能随之改变而已，一般工作压力不应超过12Mpa，以免设备造价及工作安全性有更高要求。
综上所述，本技术前景不可估量，也许它能彻底改变整个世界，更希望能为振兴我国经济，拯救全球生态环境作出卓越贡献。计算所用数据出自《化学工程手册》《化工工艺设计手册》《发酵工厂二氧化碳的回收和应用》及有关杂志上技术论文。
权利要求
本工艺技术的特征是利用低温低压(0.1Mpa、25℃)的气体CO2，通过四次压缩四次冷却将其增压至较高压力(7.5Mpa、60℃)，与此同时输出一定热量(加热自来水)，然后经过二级节流膨胀对汽轮机作功输出电能，同时气体CO2本身失去内能及体积能，温度骤降冷凝成低温低压液体(-50℃、0.1Mpa)，制得冷量，与比其温度高的低温热源物质换热，输出冷量，本身获得热量被蒸发并过热升温，回到初始状态(0.1Mpa、25℃)，而完成一个供热发电制冷联产的工艺循环。如此循环往复，实现连续联合供热发电制冷联产的目的。
全文摘要
本技术是利用CO
文档编号F25B1/10GK1570513SQ200310112408
公开日2005年1月26日 申请日期2003年12月2日 优先权日2003年12月2日
发明者李志明 申请人:李志明