适用于乡村以生物质为能源二氧化碳循环发电的装备系统的制作方法

本发明涉及低碳与能源技术领域，尤其是涉及一种以二氧化碳为工质，适应于乡村以生物质为能源二氧化碳循环发电的装备系统。

背景技术：

气候变化已成为影响人类生存和发展的问题之一，而大量的二氧化碳排放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，为应对气候变化发展低碳能源尤其是可再生能源和新能源已成为人们的共识，生物质发电、太阳能发电及超临界二氧化碳发电等已受到广泛关注。

今天，生物质发电技术已成熟应用，但由于现有的生物质发电系统庞大、投资也很高，不适宜于地域广大而分散的乡村，加之运输成本问题不宜远距离运输，导致大量的生物质如秸秆、稻草等被遗弃或就地焚烧，严重污染环境，也影响空中飞行安全，虽然各级政府年年依法严查督办，但在电费仍昂贵乃至缺电的乡村，大量的生物质被就地焚烧大区域污染空气影响航空安全的事件仍屡禁不止。究其原因是缺少一种适应于广大乡村的生物质发电方法。而另一方面，投资仅数千元至数十万元不等的各类中小型燃煤沸腾炉、炉排炉、层燃炉及以高硫石煤为燃料的改进型沸腾炉在广大乡村乃至乡镇县城上得以普遍采用。

而随CCS技术应用发展起来的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，但在应用上尚存在诸多的瓶颈，其一，现有的超临界二氧化碳发电系统其高效换热器是超临界发电系统工程应用的基础，客观上要求用高效换热器等压加热二氧化碳工质，因此，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，能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；其二，现行的超临界二氧化碳发电系统包括热源、高速涡轮机、高速发电机、高速压气机、冷却器等，其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，系统投资大；其三，现行的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；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。显然，现有的超临界CO₂循环发电技术方案并不适合我国乡村。

鉴于此，迫切需要开发一种适应于乡村状况的、利于广阔乡村节能减排的超临界CO₂发电的装备系统。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种可就近利用乡村中量大的可再生生物质资源为能源、且运行稳定、自耗能低、投资低、运行成本低的适应于乡村以生物质为能源二氧化碳循环发电的装备系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：适用于乡村以生物质为能源二氧化碳循环发电的装备系统，主要包括液态CO₂储罐、CO₂高压泵送装置、生物质炉CO₂蓄能装置、稳流调节器、涡轮机/活塞式膨胀机、发电机、回热器、冷却器和压缩机，所述液态CO₂储罐的出口与CO₂高压泵送装置的进口相连通，所述CO₂高压泵送装置出口与生物质炉CO₂蓄能装置进口连通，所述生物质炉CO₂蓄能装置出口与稳流调节器进口连通，所述稳流调节器出口与涡轮机/活塞式膨胀机进口连通，所述涡轮机/活塞式膨胀机与发电机轴连接，所述涡轮机/活塞式膨胀机出口经回热器与冷却器相连通，所述冷却器出口与压缩机的进口连通，所述压缩机出口分别与液态CO₂储罐的进口连通、回热器的高压流体进口连通，所述回热器的高压流体出口与生物质炉CO₂蓄能装置进口连通。系统超临界CO₂流体压力稳定在一定压力范围时，可关闭CO₂高压泵送装置，超临界CO₂流体在压缩机的作用下实现CO₂循环发电。

进一步，所述的生物质炉CO₂蓄能装置为经CO₂高压泵送装置和/或压缩机送入的CO₂直接吸收生物质炉中生物质燃料燃烧释放的700℃～1500℃高温热能转化为高蓄能密度的高压热态超临界CO₂流体的装置。所述生物质炉CO₂蓄能装置主要包括生物质炉和设置于生物质炉内的CO₂蓄能机构；所述的生物质炉是指以秸秆稻草枝叶等生物质为燃料的炉，包括乡村居民家用沸腾炉和/或炉排炉和/或层燃炉等；所述的CO₂蓄能机构含热交换器。所述的生物质炉CO₂蓄能装置为两套以上并联使用。

进一步，所述的热交换器为箱式热交换器和/或板式热交换器和/或盘式热交换器和/或螺旋绕管式热交换器和/或列管式热交换器和/或夹套式热交换器，工作介质为CO₂流体。

进一步，所述的稳流调节器为将生物质炉CO₂蓄能装置产生的波动的和/或不同温度不同热能密度的高压热态CO₂流体调整为等压热态超临界CO₂流体的装置。

进一步，所述稳流调节器包括稳流调节器本体、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调节器本体内，所述进口管路和出口管路均设置在稳流调节器本体外侧上；所述进口管路与生物质炉CO₂蓄能装置的出口连接；所述出口管路与涡轮机/活塞式膨胀机的进口连接。所述出口管路与涡轮机/活塞式膨胀机的进口连接；所述进口管路上设置有第一温压感应器、流量计、分配器、第三逆止阀；所述出口管道设置有调压阀、第二温压感应器；所述导流混合机构包括螺旋叶片、折流板或多孔板中的至少一种。

进一步，所述的回热器为回收涡轮机/活塞式膨胀机出口流出的低压CO₂流体的余热的装置。

进一步，所述的生物质燃料沸腾炉和/或炉排炉和/或层燃炉可以因情适宜加以利用。

本发明的技术原理与技术优势：

1）为适应广大乡村环境变化的能源条件，以低投资的易于实现清洁燃烧的生物质炉，利用大量产生的秸秆稻草枝叶等生物质燃料能源改造设置成生物质炉CO₂蓄能装置高效的获取生物质产生的高温能源。

2）设置液态CO₂储存罐，并以低功率、低能耗的高压泵装置输送液态CO₂储存罐中的CO₂流体，以满足广大的边远乡村较差的不理想的经济环境条件要求，并大幅降低生产运行中的自耗电能。

3）利用CO₂的特性，设置直热式的CO₂蓄能装置，以CO₂蓄能装置中的CO₂流体为工质，直接吸收蓄集不同温度、不同热力强度的热能，直接将CO₂流体转化为不同蓄能密度的高压热态的超临界CO₂流体，机构虽简单但蓄能速度快、效率高。

4）设置稳流调节器，以稳流调节器将分散设置的若干个生物质炉CO₂蓄能装置产生的不同温度、不同压力、不同能量密度的超临界CO₂流体调整为等压热态超临界CO₂流体，以等压热态超临界CO₂流体稳定供给涡轮机或活塞式膨胀机做功驱动发电机发电，可稳定发电系统运行工况和电能输出。

5）设置低投资的利用乡村天然的生物质热能生物质炉CO₂蓄能装置，就地利用了乡村的生物质低碳能源，可自然化解各级政府年年严查督办的乡村生物质随地焚烧问题，又解决了完全“靠天吃饭”及晚上不能发电或无稳定电能的问题，利于乡村生活/生产之用电或供电网外卖创收。

本发明的有益效果：

1）针对广大乡村具有的生物质能源条件，开发的适应于乡村的二氧化碳循环发电的装备系统，装备简单，占地面积小，投资小，系统自耗能低，产能高，运行费用低，系统装备操控简单而可靠，易于实现自动化控制，具有良好的实用性和经济性。

2）既可有效解决广大的乡村每年大量的生物质就地焚烧影响环境空气和航空安全的问题，又可就地生产大量的电能满足生活、生产之需，在广大的乡村推广应用，可有效降减日益增长的煤电生产对环境的巨大污染。

3）适应于乡村的利用生物质能源为原料的二氧化碳循环发电的装备系统，有益于CCS技术的推广应用和全球应对气候变化的碳减排行动，可避免CO₂的深层地质封存和深海封存对地球环境造成的不可预期的影响，如液化CO₂将地质层甲烷和深海水合物甲烷大规模置换进入地球大气圈可能造成的灾难性风险。

4）利于乡村经济的发展，能促进广大乡村的就业和创业，增加乡村收入和社会财富，利于社会稳定。

附图说明

图1 为本发明适用于乡村以生物质为能源二氧化碳循环发电的装备系统示意图。

图2 为一种设有2套沸腾炉CO₂蓄能装置的装备系统示意图。

图3 为一种设有2套液态CO₂储罐+3套高压泵+3套沸腾炉CO₂蓄能装置的装备系统示意图。

图4 为一种设有2套液态CO₂储罐+2套高压泵分别供2套沸腾炉CO₂蓄能装置及2套炉排炉CO₂蓄能装置的装备系统示意图。

图5 为一种沸腾炉CO₂蓄能装置的装备系统示意图。

图6 为一种炉排炉CO₂蓄能装置的装备系统示意图。

图7为一种稳流调节器的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步的说明。

参照图1，适用于乡村以生物质为能源二氧化碳循环发电的装备系统，主要包括液态CO₂储罐1、CO₂高压泵送装置2、生物质炉CO₂蓄能装置3、稳流调节器4、涡轮机/活塞式膨胀机5、发电机6、回热器7、冷却器8和压缩机9，所述液态CO₂储罐1的出口经第一管道阀101与CO₂高压泵送装置2的进口相连通，所述CO₂高压泵送装置2出口经第一逆止阀201与第一三通阀202连通，第一三通阀202经第二管道阀301与生物质炉CO₂蓄能装置3进口连通，所述生物质炉CO₂蓄能装置3出口经第三管道阀302、第四管道阀402与稳流调节器4进口连通，所述稳流调节器4出口经第五管道阀401与涡轮机/活塞式膨胀机5进口连通，所述涡轮机/活塞式膨胀机5与发电机6轴连接，等压热态临界CO₂流体通过涡轮机/活塞式膨胀机5作功驱动发电机6发电，所述涡轮机/活塞式膨胀机5出口经回热器7与冷却器8相连通，带余热的CO₂从涡轮机/活塞式膨胀机5出口经回热器7回收余热后进冷却器8，冷却器8出口与压缩机9的进口连通，CO₂工质通过第六管道阀801进入冷凝器8、压缩机9，压缩机9出口与第二三通阀104连通，第二三通阀104经第七管道阀103、第二逆止阀102与液态CO₂储罐1的进口连通，第二三通阀104经第三逆止阀105、第八管道阀106与回热器7高压流体进口连通，回热器7的高压流体出口与第一三通阀202连通。系统超临界CO₂流体压力稳定在一定压力范围时，可关闭CO₂高压泵送装置2及第七管道阀103，超临界CO₂流体在压缩机9的作用下实现CO₂循环发电。

所述的生物质炉CO₂蓄能装置3为经CO₂高压泵送装置2和/或压缩机9送入的CO₂直接吸收生物质炉中生物质燃料燃烧释放的700℃～1500℃高温热能转化为高蓄能密度的高压热态超临界CO₂流体的装置。所述生物质炉CO₂蓄能装置主要包括生物质炉和设置于生物质炉内的CO₂蓄能机构；所述的生物质炉是指以秸秆稻草枝叶等生物质为燃料的炉，包括乡村居民家用沸腾炉和/或炉排炉和/或层燃炉等；所述的CO₂蓄能机构含热交换器。所述的生物质炉CO₂蓄能装置为两套以上并联使用。

所述的热交换器可为箱式热交换器和/或板式热交换器和/或盘式热交换器和/或螺旋绕管式热交换器和/或列管式热交换器和/或夹套式热交换器，工作介质为CO₂流体。

所述的稳流调节器4为将生物质炉CO₂蓄能装置3产生的波动的和/或不同温度不同热能密度的高压热态超临界CO₂流体调整为等压热态超临界CO₂热流体的装置。

参照图7，所述的稳流调节器包括稳流调节器本体41、导流混合机构42、进口管路43和出口管路44；所述导流混合机构42设置在稳流调节器本体41内，所述进口管路43和出口管路44均设置在稳流调节器本体41上；所述进口管路43与生物质炉CO₂蓄能装置的出口连接；所述出口管路44与涡轮机/活塞式膨胀机的进口连接；所述进口管路43上设置有第一温压感应器431、流量计432、分配器433、第三逆止阀434；所述出口管道44设置有调压阀441、第二温压感应器442；所述导流混合机构42包括螺旋叶片421、折流板422或多孔板423中的至少一种。

波动的、不同温度和不同热能密度的高压热态超临界CO₂流体经生物质炉CO₂蓄能装置的出口流出后，进入进口管路43，通过第一温压感应器431检测管路中的超临界CO₂流体的温度和压力，依照涡轮机/活塞式膨胀机发电需要的超临界CO₂流体的温度和压力，通过流量计432检测流量，分配器433控制管路上各种超临界CO₂流体的流量，使得进入稳流调节器本体41内的超临界CO₂流体经过导流混合机构42的作用后，出口管路44上的第二温压感应器442检测管路中输出的等压等温的超临界CO₂流体的温度和压力符合要求。

所述的回热器7为回收涡轮机/活塞式膨胀机5出口流出的低压CO₂流体余热的装置。

实施例1

参照图2，一种采用2套沸腾炉CO₂蓄能装置的装备系统，主要包括液态CO₂储罐1、CO₂高压泵送装置2、生物质炉CO₂蓄能装置3、第二生物质炉CO₂蓄能装置3ˊ、稳流调节器4、涡轮机5、发电机6、回热器7、冷却器8和压缩机9，所述液态CO₂储罐1的出口经第一管道阀101与CO₂高压泵送装置2的进口相连通，所述CO₂高压泵送装置2出口经第一逆止阀201与第一三通阀202连通，第一三通阀202与第三三通阀203连通，第三三通阀203经第二管道阀301与生物质炉CO₂蓄能装置3进口连通，所述生物质炉CO₂蓄能装置3出口经第三管道阀302、第四管道阀402与稳流调节器4进口连通，第三三通阀203经第九管道阀301ˊ与第二生物质炉CO₂蓄能装置3ˊ进口连通，所述第二生物质炉CO₂蓄能装置3ˊ出口经第十管道阀302ˊ、第十一管道阀403与稳流调节器4进口连通，所述稳流调节器4出口经第五管道阀401与涡轮机5进口连通，所述涡轮机5与发电机6轴连接，等压热态超临界CO₂流体通过涡轮机5作功驱动发电机6发电，所述涡轮机5出口经回热器7与冷却器8相连通，带余热的CO₂从涡轮机5出口经回热器7回收余热后进冷却器8，冷却器8出口与压缩机9的进口连通，CO₂工质通过第六管道阀801进入冷却器8、压缩机9，压缩机9的出口与第二三通阀104连通，第二三通阀104经第七管道阀103、第二逆止阀102与液态CO₂储罐1的进口连通，第二三通阀104经第二逆止阀105、第八管道阀106与回热器7的高压流体进连通，回热器7的高压流体出口与第一三通阀连通。系统超临界CO₂流体压力稳定在一定压力范围时，可关闭CO₂高压泵送装置2及第七管道阀103，超临界CO₂流体在压缩机9的作用下实现CO₂循环发电。

实施例2

参照图3，一种设有2套液体CO₂储罐+3套高压泵+3套沸腾炉CO₂蓄能装置的装备系统，主要包括液态CO₂储罐1、第二液态CO₂储罐1ˊ、CO₂高压泵送装置2、第二CO₂高压泵送装置2ˊ、 第三CO₂高压泵送装置2〞、生物质炉CO₂蓄能装置3、第二生物质炉CO₂蓄能装置3ˊ、第三生物质炉CO₂蓄能装置3〞、稳流调节器4、涡轮机5、发电机6、回热器7、冷却器8和压缩机9，所述液态CO₂储罐1、第二液态CO₂储罐1ˊ的进口经第二逆止阀102、第七管道阀103、第二三通阀104、第十二管道阀103ˊ、第三逆止阀102ˊ连通，液态CO₂储罐1的出口经第一管道阀101与CO₂高压泵送装置2的进口相连通，CO₂高压泵送装置2出口经第一逆止阀201与第一三通阀202连通，第一三通阀202经第二管道阀301与生物质炉CO₂蓄能装置3进口连通，生物质炉CO₂蓄能装置3出口经第三管道阀302、第四管道阀402与稳流调节器4进口连通，第一三通阀202与分配阀701连通，第二液态CO₂储罐1ˊ、液态CO₂储罐1分别经第十三管道阀202ˊ、第十四管道阀203ˊ与第二CO₂高压泵送装置2ˊ的进口相连通，第二CO₂高压泵送装置2ˊ出口经第四逆止阀201ˊ与第三三通阀203连通，第三三通阀203经第十五管道阀301ˊ与第二生物质炉CO₂蓄能装置3ˊ进口连通，第二生物质炉CO₂蓄能装置3ˊ出口经第十六管道阀302ˊ、第十一管道阀403与稳流调节器4进口连通，第三三通阀203与分配阀701连通，第二液态CO₂储罐1ˊ经第十七管道阀101ˊ与第三CO₂高压泵送装置2〞的进口相连通，第三CO₂高压泵送装置2〞出口经第五逆止阀201〞与第四三通阀202〞连通，第四三通阀202〞经第十八管道阀301〞与第三生物质炉CO₂蓄能装置3〞进口连通，第三生物质炉CO₂蓄能装置3〞出口经第十九管道阀302〞、第二十管道阀404与稳流调节器4进口连通，第四三通阀202〞与分配阀701连通，稳流调节器4出口经第五管道阀401与涡轮机5进口连通，所述涡轮机5与发电机6轴连接，等压热态CO₂流体通过涡轮机5作功驱动发电机6发电，所述涡轮机5出口经回热器7与冷却器8相连通，带余热的CO₂从涡轮机5出口经回热器7回收余热后进冷却器8，冷却器8出口与压缩机9的进口连通，CO₂工质通过第六管道阀801进入冷却器8、压缩机9，压缩机9出口与第五三通阀107连通，第五三通阀107与第二三通阀104连通，第五三通阀107经第二逆止阀105、第八管道阀106与回热器7的高压流体进口连通，回热器7的高压流体出口与分配阀701连通。

本实施例中，所述的液态CO₂储罐1、CO₂高压泵送装置2、生物质炉CO₂蓄能装置3为两套以上并联使用，提高发电功率。

实施例3

参照图4，一种采用2套液体CO₂储罐+2套高压泵分别供2套沸腾炉CO₂蓄能装置及2套炉排炉CO₂蓄能装置的装备系统，主要包括液态CO₂储罐1、等二液态CO₂储罐1ˊ、CO₂高压泵送装置2、等二CO₂高压泵送装置2ˊ、沸腾炉CO₂蓄能装置3B、等二沸腾炉CO₂蓄能装置3Bˊ、炉排炉CO₂蓄能装置3A、等二炉排炉CO₂蓄能装置3Aˊ、稳流调节器4、涡轮机5、发电机6、回热器7、冷却器8和压缩机9，所述液态CO₂储罐1、等二液态CO₂储罐1ˊ的进口经第二逆止阀102、第七管道阀103、第二三通阀104、第十二管道阀103ˊ、第三逆止阀102ˊ连通，液态CO₂储罐1的出口经第一管道阀101与CO₂高压泵送装置2的进口相连通，CO₂高压泵送装置2出口经第一逆止阀201与第一三通阀202连通，第一三通阀202与第三三通阀203连通，第三三通阀203经第二十一管道阀3B1与沸腾炉CO₂蓄能装置3B进口连通，沸腾炉CO₂蓄能装置3B出口经第二十二管道阀3B2、第四管道阀402与稳流调节器4进口连通，第三三通阀203经第二十三管道阀3B1ˊ与等二沸腾炉CO₂蓄能装置3Bˊ进口连通，等二沸腾炉CO₂蓄能装置3Bˊ出口经第二十四管道阀3B2ˊ、第十一管道阀403与稳流调节器4进口连通，第一三通阀202与分配阀701连通，等二液态CO₂储罐1ˊ的出口经第十七管道阀101ˊ与等二CO₂高压泵送装置2ˊ的进口相连通，等二CO₂高压泵送装置2ˊ出口经第四逆止阀201ˊ与第六三通阀204口连通，第六三通阀204与第七三通阀205连通，第六三通阀204与分配阀701连通，第七三通阀205经第二十五管道阀3A1与炉排炉CO₂蓄能装置3A进口连通，炉排炉CO₂蓄能装置3A出口经第二十六管道阀3A2、第二十管道阀404与稳流调节器4进口连通，第七三通阀205经第二十七管道阀3A1ˊ与等二炉排炉CO₂蓄能装置3Aˊ进口连通，等二炉排炉CO₂蓄能装置3Aˊ出口经第二十八管道阀3A2ˊ、第二十九管道阀405与稳流调节器4进口连通，稳流调节器4出口经第五管道阀401与涡轮机5进口连通，所述涡轮机5与发电机6轴连接，所述等压热态超临界CO₂流体通过涡轮机5作功驱动发电机6发电，所述涡轮机5出口经回热器7与冷却器8相连通，带余热的CO₂从涡轮机5出口经回热器7回收余热后进冷却器8，冷却器8出口与压缩机9的进口连通，CO₂工质通过第六管道阀801进入冷却器、压缩机9，压缩机9出口与第五三通阀107连通，第五三通阀107与第二三通阀104连通，第五三通阀107经第二逆止阀105、第八管道阀106与回热器7的高压流体进口连通，回热器7的高压流体出口与分配阀701连通。

所述的实施例1、实施例2中，所述的沸腾炉CO₂蓄能装置，如图5所示，主要包括入口调节阀Ⅰ3-B1、出口调节阀Ⅰ3-B2、沸腾炉3-B3、CO₂流体蓄能机构Ⅰ3-B4、逆止阀Ⅰ3-B5、安全阀Ⅰ3-B6、温压感应器Ⅰ3-B7和支吊架Ⅰ3-B8；所述CO₂流体蓄能机构Ⅰ3-B4用支吊架Ⅰ3-B8固定在沸腾炉3-B3的内壁上，或嵌入内壁耐火材料中，所述逆止阀Ⅰ3-B5设置于沸腾炉3-B3的低温区外，与沸腾炉3-B3内的CO₂流体蓄能机构Ⅰ3-B4的进口相连通，所述入口调节阀Ⅰ3-B1、出口调节阀Ⅰ3-B2、安全阀Ⅰ3-B6、温压感应器Ⅰ3-B7设置于沸腾炉3-B3外，与沸腾炉3-B3的高温区内的CO₂流体蓄能机构Ⅰ3-B4的出口相连通。

所述的实施例2中，所述的炉排炉CO₂蓄能装置，如图6所示，主要包括入口调节阀Ⅱ3-A1、出口调节阀Ⅱ3-A2、炉排炉3-A3、CO₂流体蓄能机构Ⅱ3-A4、逆止阀Ⅱ3-A5、安全阀Ⅱ3-A6、温压感应器Ⅱ3-A7和支吊架Ⅱ3-A8；所述CO₂流体蓄能机构Ⅱ3-A4用支吊架Ⅱ3-A8固定在炉排炉3-A3的内壁上，或嵌入内壁耐火材料中，所述逆止阀Ⅱ3-A5设置于炉排炉3-A3的低温区外，与炉排炉3-A3内的CO₂流体蓄能机构Ⅱ3-A4的进口相连通，所述入口调节阀Ⅱ3-A1、出口调节阀Ⅱ3-A2、安全阀Ⅱ3-A6、温压感应器Ⅱ3-A7设置于沸腾炉3-A3外，与沸腾炉3-A3的高温区内的CO₂流体蓄能机构Ⅱ3-A4的出口相连通。