一种超临界二氧化碳地热发电系统及发电方法与流程

本发明属于地热资源开发和二氧化碳封存技术领域，具体涉及一种超临界二氧化碳地热发电系统及发电方法。

背景技术：

地热能是指在当前和可预见的未来，在技术和经济可允许的条件下，可开发利用的地球内部热能，包括地壳岩石中的热流体和其伴生的有用组分。一般认为，地热能主要来源于两部分，一是融岩岩浆产生的热，另一个是由地壳内放射性元素的衰变产生的热能。

干热岩作为一种重要的地热资源类型，已逐渐成为国内外学者研究的热点。干热岩埋藏深(3000～10000m)、温度高(250～650℃)、压力高(＞20mpa)、不含水或含少量水、且渗透率很低。传统的干热岩地热开发采用水力压裂对地热储层进行改造，并向储层中注入大量的水作为载热工质，从地热储层中吸收热量。然而，实际应用表明，采用水作为载热工质会存在许多负面问题：(1)注入地下的水漏失严重，漏失率约为10～70％，从而造成水资源耗量大增；(2)当热源温度高于水的临界温度时，由于水与岩层的热化学作用会产生矿物质的溶解和沉淀，从而使得注入井和产出井之间产生短路或形成堵塞，而影响载热工质的吸热过程。

研究表明，采用超临界二氧化碳作为载热工质能够很好地解决上述问题。一方面，超临界二氧化碳向周围岩石孔隙中的缓慢渗漏，会引起矿物质的溶解沉淀和地层水蒸发盐析，使得围岩中的孔隙度和渗透率降低，导致超临界二氧化碳的渗漏速率逐渐降低；另一方面，通过渗漏流向围岩中的超临界二氧化碳能够迅速地与残余水反应并以碳酸盐的形式沉淀下来，从而形成永久性的二氧化碳地质封存。不难想象，如果能够将超临界二氧化碳地热发电与化石燃料电厂烟气中二氧化碳捕集和封存有效地结合起来，不仅能实现开发地热资源的目的，还能实现化石燃料电厂烟气中二氧化碳的地质封存，使得火电厂和地热开发联合发电实现二氧化碳零排放成为可能。

然而经调研，目前已公开的超临界二氧化碳地热发电技术鲜有同时耦合化石燃料电厂烟气中二氧化碳捕集和封存的，并且所公开的超临界二氧化碳地热发电技术中，尚存在以下问题未能解决：(1)所提出的超临界二氧化碳地热发电系统均是针对载热工质为超临界二氧化碳的，对于实际地热发电应用中，初期的载热工质为超临界二氧化碳和水蒸气混合物的情况无法适用；(2)所提出的超临界二氧化碳地热发电系统不能充分利用超临界二氧化碳作为载热工质本身所具有的独特物性特点，如临界点附近进行压缩，可大大减小压缩机功耗；超临界二氧化碳在地热储层中吸热，压力会显著升高，从而可以取消地热开发利用中的输送动力设备。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提出了一种超临界二氧化碳地热发电系统及发电方法,不仅能实现开发地热资源的目的，还能实现化石燃料电厂烟气中二氧化碳的地质封存，使得火电厂和地热开发联合发电实现二氧化碳零排放成为可能。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种超临界二氧化碳地热发电系统，包括闪蒸回路阀门1、闪蒸罐2、超临界二氧化碳回路阀门4、透平3、发电机5、预冷器6、压缩机7、后置冷却器8、化石燃料电厂烟气二氧化碳捕集处理装置9、注入井10和产出井11；所述注入井10和产出井11位于干热岩地热储层中，产出井11的高温载热工质出口依次通过闪蒸回路阀门1和闪蒸罐2与透平3相连通或直接通过超临界二氧化碳回路阀门4与透平3入口相连通，透平3的工质出口依次通过预冷器6、压缩机7和后置冷却器8与注入井10的进口相连通；此外，注入井10的进口还连通自化石燃料电厂烟气二氧化碳捕集处理装置9的出口，来自自化石燃料电厂烟气二氧化碳捕集处理装置9的二氧化碳进入注入井10中。

所述压缩机7进口的超临界二氧化碳位于二氧化碳临界点(31.1℃、7.39mpa)之上的区域，具体温度范围为32～40℃，压力范围为7.4～8.5mpa。

所述注入井10中回注的二氧化碳包括地热发电系统中的二氧化碳回注和化石燃料电厂烟气中二氧化碳捕集后的回注两部分，通过回注进入地热储层中的二氧化碳中会有一部分二氧化碳泄漏出压裂带，进入外围区域，从而形成永久性的二氧化碳地质封存。

所述的一种超临界二氧化碳地热发电系统的发电方法，当产出井11中的高温载热工质为超临界二氧化碳和水蒸气混合物时，超临界二氧化碳回路阀门4关闭、闪蒸回路阀门1打开，混合工质进入闪蒸回路，并在闪蒸罐2内完成闪蒸分离，从闪蒸罐2顶部分离出的超临界二氧化碳进入透平3做功，并带动发电机5旋转产出电能；从闪蒸罐2底部分离出的水通过收集留作他用；当产出井11中的高温载热工质为超临界二氧化碳时，闪蒸回路阀门1关闭、超临界二氧化碳回路阀门4打开，来自产出井11的超临界二氧化碳高温载热工质直接进入透平3做功，带动发电机5旋转产出电能；

完成做功后的超临界二氧化碳，其压力为7.4～8.5mpa，随后进入预冷器6被循环冷却水冷却到温度为32～40℃，随后进入压缩机7进行压缩，压缩机出口压力为13～30mpa，随后在后置冷却器8被循环冷却水冷却到20～45℃进入二氧化碳注入井10重新开始吸热过程；

来自化石燃料电厂烟气二氧化碳捕集处理装置9的超临界二氧化碳通过注入井10注入地下的干热岩储层中，所注入的超临界二氧化碳，一部分会通过泄漏流出压裂带，从而形成永久性的二氧化碳地质封存。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的一种超临界二氧化碳地热发电系统与方法，具有如下优点：(1)超临界二氧化碳由于自身物性特点，其密度随温度升高而显著降低，因此，超临界二氧化碳在密闭的干热岩地热储层空间中受热时压力会升高，使得产出井压力大于注入井压力能够为载热工质在地面系统中提供自驱动力，降低工质循环过程中的能量消耗；(2)选用超临界二氧化碳作为高温载热工质，二氧化碳的泄漏可作为二氧化碳地质封存的一种途径，在一定程度上还能产生额外的环境效益和经济效益；(3)选用超临界二氧化碳为高温载热工质，岩层内的矿物质不溶于超临界二氧化碳，使得载热工质的纯度能够得到一定程度的保证，减少工质上升到地面后的处理工序以及减少对地面设备的损害。本发明所提出的一种超临界二氧化碳地热发电系统与方法，不仅能实现开发地热资源的目的，还能实现化石燃料电厂烟气中二氧化碳的地质封存，使得火电厂和地热开发联合发电实现二氧化碳零排放成为可能。此外，本发明所提出地热发电系统也适用于地热开采初期载热工质为超临界二氧化碳和水蒸气混合物的情况。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图。

其中，1为闪蒸回路阀门、2为闪蒸罐、3为透平、4为超临界二氧化碳回路阀门、5为发电机、6为预冷器、7为压缩机、8为后置冷却器、9为化石燃料电厂烟气二氧化碳捕集处理装置、(10)为注入井、(11)为产出井。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1，本发明所述的一种超临界二氧化碳地热发电系统，包括闪蒸回路阀门1、闪蒸罐2、超临界二氧化碳回路阀门4、透平3、发电机5、预冷器6、压缩机7、后置冷却器8、化石燃料电厂烟气二氧化碳捕集处理装置9、注入井10和产出井11。来自产出井11的高温载热工质依次经过闪蒸回路阀门1、闪蒸罐2进入透平3入口或直接通过超临界二氧化碳回路阀门4进入透平3入口，从透平3出来的工质依次流经预冷器6、压缩机7、后置冷却器8后，进入注入井10的进口；此外，注入井10的进口还连通有来自化石燃料电厂烟气二氧化碳捕集处理装置9的二氧化碳。

当地热开采处于初期阶段时，产出井中的高温载热工质为超临界二氧化碳和水蒸气混合气时，此时高温载热工质通过闪蒸回路闪蒸回路阀门1和闪蒸罐2，另一路超临界二氧化碳回路阀门4关闭进入透平3对外做功；随着地热开采的不断进行，高温载热工质逐渐转变为纯的超临界二氧化碳，此时高温载热工质直接通过超临界二氧化碳回路超临界二氧化碳回路阀门4打开，另一路闪蒸回路阀门1关闭进入透平3对外做功。完成做功后的超临界二氧化碳，其压力为7.8mpa左右，随后进入预冷器6被循环冷却水冷却到温度为35℃左右，随后进入压缩机7进行压缩，压缩机出口压力约为14.5mpa左右，随后在后置冷却器8被循环冷却水冷却到30℃左右进入二氧化碳注入井10重新开始吸热过程。

来自化石燃料电厂烟气二氧化碳捕集处理装置9的超临界二氧化碳通过注入井注入地下的干热岩储层中，所注入的超临界二氧化碳，一部分会通过泄漏流出压裂带，从而形成永久性的二氧化碳地质封存。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。