联合超临界水氧化技术的超临界二氧化碳发电系统的制作方法

本实用新型属于清洁能源发电系统技术领域，特别是一种联合超临界水氧化技术的超临界二氧化碳发电系统。

背景技术：

随着能源短缺和环境污染问题日益严峻，转变传统高能耗、高污染的经济增长方式，发展低碳经济，实现可持续发展，正在成为世界各国经济发展的共同选择。

开发利用清洁、环保、可再生及有利于生态循环的新能源是人类缓解能源和环境问题的关键。而电能消费是能源消耗的主要形式之一，大约68％的其它各种能源被转化为电能消费。因此，开发新能源并将之转化为电能以存储和利用有巨大意义。

目前作为主要的新能源，太阳能热发电是先将太阳能转化为热能，再将热能转化成电能，它有两种转化方式。一种是将太阳热能直接转化成电能，如半导体或金属材料的温差发电，真空器件中的热电子和热电离子发电，碱金属热电转换，以及磁流体发电等。另一种方式是将太阳热能通过热机(如汽轮机)带动发电机发电，与常规热力发电类似，只不过其热能不是来自燃料，而是来自太阳能。

地热发电是利用地下热水和蒸汽为动力源的一种发电技术。首先把地热能转换为机械能，再把机械能转换为电能。地热一般分为低温地热(60～100℃)、中温地热(100～150℃)和高温地热(150℃以上)。由于地热的温度通常都小于250℃，因此它属于低品位能源。为了提高效率，地热发电一般需与其它热源联合发电。

然而由于聚光的代价和地热的分布不均等原因，太阳能热发电和地热发电等发电技术并非所有城市都适合。而且新能源的开发没有与环境污染治理相结合，容易使城市增加建设和管理成本。

随着社会生活和经济活动的发展，城市人口不断增多，城市规模急剧扩大，城市污水污泥成为困扰人类的一大问题。如何有效处理城市污水污泥的同时产生电能，并形成以低能耗、低排放为标志的低碳经济，实现环境治理和能源开发相结合的可持续发展，是城市经济发展必须解决的重要问题。

中国专利(名称为：基于二次反射聚光吸热技术的超临界二氧化碳发电系统专利号：cn201510666417.6)公开了一种利用太阳能热发电的技术方案。包括太阳的聚光系统、吸热储能换热系统和发电系统。

中国专利(名称为：一种地热、燃气以及超临界二氧化碳联合发电系统，专利号：cn201510132018.1)公开了一种利用地热和燃气的发电技术。技术方案中，首先包括地热的采集和利用，其次地热联合其他能源共同作用换热系统，最后是发电系统。

太阳能热发电不仅要建设太阳能聚光系统，而且要建设热能发电系统，并且需要将水从环境状态加热到过热蒸汽状态。因此利用太阳能发电存在成本高、转换效率低的问题。利用地热发电，需借助其他燃料作为辅助热源，例如与燃气联合发电，系统结构复杂，维护难度大，发电的费用成本高。可见，现有的能源解决方案中，多数都只考虑新能源的开发利用，以减少环境污染，而没有考虑对已造成的环境污染问题的解决方案。或者只考虑环境污染的解决方案，而没有提及能源问题。由此而来的重复建设、高昂投资成为变相的环境负担和能源浪费。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种联合超临界水氧化技术的超临界二氧化碳发电系统，能够有效处理污水污泥的同时产生电能，实现环境污染治理和能源开发利用相结合的生态型发展模式。

本实用新型的目的还在于提供一种联合超临界水氧化技术的超临界二氧化碳发电系统的发电方法。

本实用新型解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：

一种联合超临界水氧化技术的超临界二氧化碳发电系统，其特征在于：包括超临界水氧化单元、热交换单元、超临界二氧化碳发电单元、膨胀机发电单元及尾气热能利用回收单元；超临界水氧化单元包括超临界水氧化反应器，热交换单元包括主热交换器，超临界二氧化碳发电单元包括透平、电机、高温热交换器、低温热交换器、高温压缩机、低温压缩机及冷却器，膨胀机发电单元包括膨胀机及发电机；尾气热能利用回收单元包括液化分离处理装置；超临界水氧化反应器的高温烟气出口连接至主热交换器的热介质入口，主热交换器的热介质出口连接至膨胀机的气体入口，主热交换器的发电工质出口连接至透平，透平驱动电机，透平的发电工质出口依次连接高温热交换器及低温热交换器，低温热交换器的发电工质出口一部分经冷却器、低温压缩机后连接依次连接低温热交换器及高温热交换器的换热入口，一部分经高温压缩机后连接回高温热交换器的换热入口，高温热交换器换热出口连接回主热交换的发电工质入口；膨胀机的低温蒸汽出口连接至液化分离处理装置。

而且，所述超临界二氧化碳发电单元包括第一透平、第二透平、第二电机、第二电机，所述主热交换器的发电工质出口分别连接至第一透平、第二透平的发电工质入口，第一透平驱动第一电机(6)，第二透平驱动第二电机，第一透平的、第二透平的发电工质出口均依次连接高温热交换器及低温热交换器。

而且，所述超临界二氧化碳发电单元的工质为超临界二氧化碳。

本实用新型的优点和有益效果为：

1、本实用新型联合超临界水氧化技术的超临界二氧化碳发电系统，超临界水氧化处理过程产生的热能作为热源，该热源通过热交换单元，将能量传递给超临界二氧化碳发电单元的工质——超临界二氧化碳；被加热的超临界二氧化碳驱动发电单元发电，超临界水氧化的热能只是部分传递给超临界二氧化碳发电单元，剩余部分热能进入能量阶梯利用部分，即膨胀机发电单元，进一步转化为电能，从膨胀机发电单元的尾气中低温蒸汽可作为供热利用，其余尾气进行液化分离后得到气肥，极大提高能量的回收和利用。

2、本实用新型联合超临界水氧化技术的超临界二氧化碳发电系统，超临界水氧化技术是一种可实现对多种有机废物进行深度氧化处理的技术，以超临界水为反应介质，经过均相的氧化反应，将有机物完全转化为清洁的co2、h2o、n2和其他无害小分子，在氧化处理前，首先应保证水的超临界状态，即温度374℃以上、压强22.1mpa以上，当氧化反应正常进行后，超临界水氧化反应器中温度和压力可高达约650～1000℃，压力约25～35mpa，采用超临界水氧化技术处理城市废水和污泥，该处理过程产生大量热能，将超临界水氧化过程产生的大量热能，将超临界水氧化过程产生的大量热能转化为电能，实现环境污染治理和能源开发利用相结合的生态型发展模式。

3、本实用新型联合超临界水氧化技术的超临界二氧化碳发电系统，超临界二氧化碳指的是热力学状态处于临界点之上，即温度t≥31℃，压力p≥74个大气压的状态，超临界二氧化碳处在介于液体和气体之间的单一相态，具有独特的物理化学性质，其粘度接近于气体，密度接近于液体，扩散系数介于气体和液体之间，故其兼有气体和液体的特点，既像气体一样容易扩散，又像液体一样有很强的溶解能力，因而超临界二氧化碳具有高扩散性和高溶解性。

4、本实用新型联合超临界水氧化技术的超临界二氧化碳发电系统，超临界二氧化碳作为发电系统的循环工质和传热流体，用于热能转换为电能的能量转换过程，由于其密度高，循环简单，所以发电机组重量轻，尺寸小，在温度较低条件下相比其他工质其布雷顿循环效率较高，使得将中低温热能资源转换成电能成为可能。

5、本实用新型联合超临界水氧化技术的超临界二氧化碳发电系统，用于解决城市发展中环境污染和能源短缺的问题，也可用于分布式发电系统，该方案能够有效处理污水污泥的同时产生电能；实现环境污染治理和能源开发利用相结合的生态型发展模式。

附图说明

图1为本实用新型的工艺流程示意图；

图2为本实用新型的能量传递和转化示意图。

图3为本实用新型的超临界水氧化单元的示意图。

附图标记说明：

i-超临界水氧化单元、ii-热交换单元、iii-超临界二氧化碳发电单元、iv-膨胀机发电单元、v-尾气热能利用回收单元；

1-超临界水氧化反应器、2-主热交换器、3-第一透平、4-第二透平、5-第二电机、6-第一电机、7-高温热交换器、8-低温热交换器、9-高温压缩机、10-冷却器、11-低温压缩机、12-膨胀机、13-发电机、14-液化分离处理装置。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本实用新型作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本实用新型的保护范围。

一种联合超临界水氧化技术的超临界二氧化碳发电系统，如图1所示，包括超临界水氧化单元(i)、热交换单元(ii)、超临界二氧化碳发电单元(iii)、膨胀机发电单元(iv)及尾气热能利用回收单元(v)；超临界水氧化单元(i)包括超临界水氧化反应器(1)，热交换单元(ii)包括主热交换器(2)，超临界二氧化碳发电单元(iii)包括透平、电机、高温热交换器(7)、低温热交换器(8)、高温压缩机(9)、低温压缩机(11)及冷却器(10)，膨胀机发电单元(iv)包括膨胀机(12)及发电机(13)；尾气热能利用回收单元(v)包括液化分离处理装置(14)；超临界水氧化反应器(1)的高温烟气出口连接至主热交换器(2)的热介质入口，主热交换器(2)的热介质出口连接至膨胀机(12)的气体入口，主热交换器(2)的发电工质出口连接至透平，透平驱动电机，透平的发电工质出口依次连接高温热交换器(7)及低温热交换器(8)，低温热交换器(8)的发电工质出口一部分经冷却器(10)、低温压缩机(11)后连接依次连接低温热交换器(8)及高温热交换器(7)的换热入口，一部分经高温压缩机(9)后连接回高温热交换器(7)的换热入口，高温热交换器(7)换热出口连接回主热交换的发电工质入口；膨胀机(12)的低温蒸汽出口连接至液化分离处理装置(14)。

超临界二氧化碳发电单元(iii)包括第一透平(3)、第二透平(4)、第二电机(5)、第二电机(5)，主热交换器(2)的发电工质出口分别连接至第一透平(3)、第二透平(4)的发电工质入口，第一透平(3)驱动第一电机(6)，第二透平(4)驱动第二电机(5)，第一透平(3)的、第二透平(4)的发电工质出口均依次连接高温热交换器(7)及低温热交换器(8)。

超临界二氧化碳发电单元(iii)的工质为超临界二氧化碳。

上述联合超临界水氧化技术的超临界二氧化碳发电系统的发电方法，其包括如下步骤：

1)超临界水氧化单元(i)产生热能：超临界水氧化单元(i)处理污水、污泥，产生热能；

2)超临界二氧化碳发电单元(iii)发电：超临界水氧化单元(i)产生的热能经主换热器后对超临界二氧化碳发电单元(iii)的超临界二氧化碳工质进行换热，超临界二氧化碳作为工质带动透平旋转，透平的传动轴带动电机发电；

3)超临界二氧化碳工质循环：透平做功后的超临界二氧化碳乏气顺序通过高温热交换器(7)和低温热交换器(8)降温，从低温热交换器(8)出来的超临界二氧化碳一部分进入高温压缩机(9)经压缩后进入高温热交换器(7)预热，另一部分经冷却器(10)进一步冷却到低温压缩机(11)的入口温度，经低温压缩机(11)压缩后，进入低温热交换器(8)预热，再进入高温回热器预热，与前一部分超临界二氧化碳一起进入主换热器换热，换热温升后的超临界二氧化碳再次进入超临界二氧化碳发电单元(iii)，带动透平旋转，电机发电，完成其闭式循环过程；

4)膨胀机发电单元(iv)发电：步骤1)所产生的热能一部分经主换热器对超临界二氧化碳加热后进入膨胀机发电单元(iv)，进一步转化为电能；

5)尾气热能利用回收：尾气中萃取部分超临界二氧化碳作为超临界二氧化碳发电单元(iii)中的工质定时补充，其余经液化分离处理，生成可利用的气肥。

超临界水氧化处理过程产生的热能作为热源，该热源通过热交换单元，将能量传递给超临界二氧化碳发电单元的工质——超临界二氧化碳；被加热的超临界二氧化碳驱动发电单元发电，超临界水氧化的热能只是部分传递给超临界二氧化碳发电单元，剩余部分热能进入能量阶梯利用部分，即膨胀机发电单元，进一步转化为电能，从膨胀机发电单元的尾气中低温蒸汽可作为供热利用，其余尾气进行液化分离后得到气肥，极大提高能量的回收和利用。

超临界水氧化技术是一种可实现对多种有机废物进行深度氧化处理的技术，以超临界水为反应介质，经过均相的氧化反应，将有机物完全转化为清洁的co2、h2o、n2和其他无害小分子，在氧化处理前，首先应保证水的超临界状态，即温度374℃以上、压强22.1mpa以上，当氧化反应正常进行后，超临界水氧化反应器中温度和压力可高达约650～1000℃，压力约25～35mpa，采用超临界水氧化技术处理城市废水和污泥，该处理过程产生大量热能，将超临界水氧化过程产生的大量热能，将超临界水氧化过程产生的大量热能转化为电能，实现环境污染治理和能源开发利用相结合的生态型发展模式。

超临界二氧化碳指的是热力学状态处于临界点之上，即温度t≥31℃，压力p≥74个大气压的状态，超临界二氧化碳处在介于液体和气体之间的单一相态，具有独特的物理化学性质，其粘度接近于气体，密度接近于液体，扩散系数介于气体和液体之间，故其兼有气体和液体的特点，既像气体一样容易扩散，又像液体一样有很强的溶解能力，因而超临界二氧化碳具有高扩散性和高溶解性。

超临界二氧化碳作为发电系统的循环工质和传热流体，用于热能转换为电能的能量转换过程，由于其密度高，循环简单，所以发电机组重量轻，尺寸小，在温度较低条件下相比其他工质其布雷顿循环效率较高，使得将中低温热能资源转换成电能成为可能。

超临界水氧化处理过程单位时间产生热能为q0，维持自身反应所需热能为q1，换热系统效率η1(即热能传递给超临界二氧化碳的效率)，超临界二氧化碳发电系统效率η2，则该系统单位时间发电量为：

w1(η1，η2)＝(q0-q1)η1η2

根据设计参数取值不同，式中：

η1——取80％～90％；

η2——取46％～55％。

膨胀机发电系统效率η3，则该系统单位时间转化的电能为：

w2(η1，η3)＝(q0-q1)(1-η1)η3

式中：

η3——取8％～15％。

则该技术方案，单位时间总的发电量为：

w＝w1十w2

＝(q0-q1)(η1η2+η3^-)

＝(q0-q1)^t

式中：

η——该技术方案有效净输出热能的发电效率，约为46.8～56.5％。

结合热能阶梯利用部分(低温蒸汽用于供热)，系统总的净输出热能的利用率可达70％以上。

本实用新型的基于超临界水氧化技术的超临界二氧化碳发电系统的控制系统采用分布式计算机控制系统结合大数据及云计算的智能控制理念。智能控制下的该系统包含启动和停止程序、保护系统及发电机、控制负荷、控制温度、控制系统内超临界二氧化碳的循环量等基本功能。除此之外还可通过云计算数据系统，积累和分析应用参数，达到节能，减少排放，提高效率。

尽管为说明目的公开了本实用新型的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本实用新型及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本实用新型的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。