超临界CO2布雷顿循环发电系统的制作方法

本申请实施例涉及新能源技术领域，尤其涉及一种超临界co2布雷顿循环发电系统。

背景技术：

超临界二氧化碳(化学式：co2)是指处于临界状态(温度和压力达到临界点)的co2，其物理状态介于液体和气体之间，兼具气体粘性小和液体密度大的特殊物理特性，具有流动性好、传热效率高、动力粘度小等典型优势，所以，超临界co2被认为是最具有发展前景的布雷顿循环工质之一。在超临界co2布雷顿循环发电系统中，冷态时，系统内的co2处于气、液混合的两相区，为保证系统具有较高的工作效率，通常需要co2的温度达到400℃以上。因此，热源成超临界二氧化碳循环发电系统研究的重点之一。

传统的超临界二氧化碳循环发电系统通常以核能和各种化石燃料等作为热源，近年来，随着新能源技术如太阳能、地热能、生物能等新能源技术的发展，为超临界二氧化碳循环发电系统的热源提供了更多的选择。

技术实现要素：

本申请实施例提供一种超临界co2布雷顿循环发电系统，将焦炭冷却过程中产生的废热用于超临界co2发电，有利于节能、减排，促进环境保护和社会的可持续发展。

本申请实施例提供一种超临界co2布雷顿循环发电系统，包括：超临界co2布雷顿循环发电装置和干熄焦装置；

所述超临界co2布雷顿循环发电装置用于以超临界co2作为循环工质进行发电；所述超临界co2布雷顿循环发电装置包括加热器；

所述干熄焦装置通过所述加热器与所述超临界co2布雷顿循环发电装置连接，所述干熄焦装置用于通过惰性气体冷却炽热的焦炭，为所述加热器提供高温惰性气体，从而对流经所述加热器的超临界co2进行加热。

可选地，所述干熄焦装置包括焦炉；

所述焦炉包括第一惰性气体输入端、第一惰性气体输出端、焦炭输入端、焦炭输出端；

所述第一惰性气体输入端与所述加热器的第二惰性气体输出端连接，所述第一惰性气体输出端与所述加热器的第二惰性气体输入端连接；

所述焦炭输入端用于焦炭的装入，所述焦炭输出端用于将冷却后的焦炭排出。

可选地，所述焦炭输入端和所述第一惰性气体输出端位于所述焦炉的一侧，所述焦炭输出端和所述第一惰性气体输入端位于所述焦炉的另一侧。

可选地，所述干熄焦装置还包括循环驱动设备；

所述循环驱动设备设置在所述第二惰性气体输出端和所述第一惰性气体输入端之间，所述循环驱动设备用于为所述干熄焦装置内的惰性气体提供循环动力。

可选地，所述循环驱动设备为压缩机。

可选地，所述干熄焦装置还包括电动机；

所述电动机与所述压缩机刚性连接，所述电动机用于带动所述压缩机旋转。

可选地，所述干熄焦装置还包括除尘净化设备；

所述除尘净化设备设置在所述第一惰性气体输出端之后，所述除尘净化设备用于去除所述惰性气体中携带的颗粒物。

可选地，所述除尘净化设备包括一级除尘净化设备和二级除尘净化设备；

所述一级除尘净化设备设置在所述第一惰性气体输出端与所述第二惰性气体输入端之间；

所述二级除尘净化设备设置在所述第二惰性气体输出端和所述循环驱动设备之间。

可选地，所述干熄焦装置中预先充入有足量的惰性气体。

可选地，所述惰性气体为氮气。

本申请实施例提供的超临界co2布雷顿循环发电系统，通过设置超临界co2布雷顿循环发电系统包括超临界co2布雷顿循环发电装置和干熄焦装置。其中，超临界co2布雷顿循环发电装置用于以超临界co2作为循环工质进行发电，超临界co2布雷顿循环发电装置包括加热器，干熄焦装置120通过加热器与超临界co2布雷顿循环发电装置连接，干熄焦装置用于通过惰性气体冷却炽热的焦炭，为加热器提供高温惰性气体，从而对流经加热器的超临界co2进行加热，实现了利用炽热的焦炭冷却过程中产生的热量作为超临界co2布雷顿循环发电装置中的超临界co2的热源进行发电，通过超临界co2布雷顿循环发电装置利用干熄焦装置产生的废热发电，变废为宝，实现了节能、减排，促进了环境保护和社会的可持续发展。

附图说明

为了更清楚地说明本申请或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的超临界co2简单回热布雷顿循环发电系统的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的超临界co2布雷顿循环发电系统实施例一的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的超临界co2布雷顿循环发电系统实施例二的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的超临界co2布雷顿循环发电系统实施例三的结构示意图；

图5为本申请实施例提供的超临界co2布雷顿循环发电系统实施例四的结构示意图。

附图标记说明：

100-超临界co2布雷顿循环发电系统；

110-超临界co2布雷顿循环发电装置；

111-加热器；

120-干熄焦装置；

121-焦炉；

122-循环驱动设备；

123-除尘净化设备；

p1-第一惰性气体输入端；

p2-第一惰性气体输出端；

q1-第二惰性气体输入端；

q2-第二惰性气体输出端；

s1-焦炭输入端；

s2-焦炭输出端。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请中的附图，对本申请中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

布雷顿循环作为一种典型的热力学循环，是由美国科学家布雷顿首次提出的以气体为工质的热力学循环。简单的布雷顿循环气体工质先后经过等熵压缩、等压吸热、等熵膨胀以及等压冷却四个过程实现能量的高效转化。当工质处于超临界状态时，由于避免了工质相态的改变，减少了压缩功的消耗，其循环效率能够得到更大的提升。

任何一种物质都存在三种相态：固态、液态和气态，在一定的温度和压力下，物质的相态会发生变化，从而呈现不同的相态。其中，气态和液态两种相态呈现平衡状态的点叫做临界点，临界点处对应的温度和压力分别叫做临界温度和临界压力，物质在临界点处的状态叫做临界态，若对处于临界态的物质继续升温和加压力，当温度和压力提高超过临界温度和临界压力时，物质就进入了超临界态。

当co2的温度和压力分别达到其临界温度31.1℃和临界压力7.38mpa时，co2将处于超临界状态，即成为超临界co2。超临界co2是一种介于液态co2和气态co2之间co2，兼具气体粘性小和液体密度大的特殊物理特性，所以，超临界co2具有流动性好、传热效率高、可压缩性小等典型优势，此外，使用超临界co2作为循环工质还具有工程可实现性好、循环效率高、组件和系统占地面积小、经济效益好等优点，因此，超临界co2被认为是最具有发展前景的布雷顿循环工质之一。

超临界co2布雷顿循环发电系统一种以超临界co2作为循环工质的闭式循环发电系统。以超临界co2简单回热布雷顿循环发电系统为例，图1为本申请实施例提供的超临界co2简单回热布雷顿循环发电系统的结构示意图。超临界co2布雷顿循环发电系统主要包括加热器、透平、发电机、压缩机、冷却器和回热器等核心部件，循环过程中，工质始终处于超临界态，低温低压的超临界co2工质经过压缩机升压后，在回热器内与气轮机排出的乏气换热以实现预热，预热到一定温度后，被加热器进一步加热，随后进入透平膨胀做功带动发电机发电，做完功的乏气由气缸排出，进入回热器与压缩机排出的低温高压工质换热，达到预冷的目的，预冷后的工质进入冷却器进行进一步冷却，冷却后的超临界co2再次进入压缩机进行下一次循环。

由上述分析，加热器超临界co2布雷顿循环发电系统的重要组成部分，主要用于对流经的超临界co2进行加热，那么，加热器为超临界co2来源于哪里，即热源是什么，对整个超临界co2布雷顿循环发电系统来说至关重要。

本申请实施例的整体思路：现有技术中在超临界co2布雷顿循环发电系统多以煤、石油、天然气等化石燃料作为热源，超临界co2布雷顿循环发电系统在发电过程中会产生较多的温室气体，不利于环境保护。本申请的技术方案以节能减排作为出发点，考虑到焦化工业在生产焦炭的过程，高温处理后的炽热的焦炭温度超过1000℃，在进入下一阶段的工艺流程前或者进行运输前需要冷却为常温，会产生大量的高温废热，那么，如果将这一部分废热作为热源，对超临界co2进行加热，不仅可以提高热效率，还有利于节能、减排，促进社会的可持续发展。基于此，本申请实施例提供一种超临界co2布雷顿循环发电系统，通过将处理焦炭废热的焦炉外接在加热器上，将冷却高温焦炭后产生的高温工质输入到加热器中，为流经加热器超临界co2进行加热，保证了对焦炭废热的合理利用，在处理了工业废热的过程，为超临界co2布雷顿循环发电系统提供了热源，保证了超临界co2布雷顿循环发电系统的工作质量。

需要说明的是，本申请实施例提供的超临界co2布雷顿循环发电系统，可以是超临界co2简单布雷顿循环发电系统或者超临界co2简单回热布雷顿循环发电系统，也可以是超临界co2再压缩布雷顿循环发电系统或者超临界co2预压缩布雷顿循环发电系统，还可以是超临界co2中间冷却布雷顿循环发电系统或者超临界co2中间再热布雷顿循环发电系统。

图2为本申请实施例提供的超临界co2布雷顿循环发电系统实施例一的结构示意图，如图2所示，本申请实施例中，超临界co2布雷顿循环发电系统100包括：超临界co2布雷顿循环发电装置110和干熄焦装置120。

超临界co2布雷顿循环发电装置110用于以超临界co2作为循环工质进行发电，超临界co2布雷顿循环发电装置110包括加热器111。

干熄焦装置120连接在超临界co2布雷顿循环发电装置110的加热器111上，干熄焦装置120用于通过惰性气体冷却炽热的焦炭，为加热器111提供高温惰性气体，从而对流经加热器111的超临界co2进行加热。

可以理解的是，本实施例中，超临界co2布雷顿循环发电装置110中除包括加热器111外，还可以包括压缩机、透平、电动机、冷却器等其他用于实现超临界co2布雷顿循环发电的器件。

其中，加热器111是一种用来使热量从热流体传递到冷流体换热装置，本实施例中，加热器111以惰性气体和超临界co2作为换热工质，其中，超临界co2为超临界co2布雷顿循环发电装置110的工作物质，惰性气体是干熄焦装置120的工作物质。需要说明的，在加热器111中两种换热工质分别从不同的管路流入或流出，因此，两种换热工质不相混合，从而保证了整个超临界co2布雷顿循环发电系统工作的可靠性。

本实施例中可以选用各种形式或结构的加热器111，可以为混合式加热器，也可以为间隔式加热器或蓄热式加热器等，此处不作限制。

干熄焦装置120连接在加热器111上，由干熄焦装置120和加热器111构成惰性气体循环。在干熄焦装置120中，通过低温惰性气体与炽热的焦炭直接接触，与炽热的焦炭进行换热，产生高温惰性气体，并将产生的高温惰性气体源源不断地提供给加热器111，以使高温惰性气体为流经加热器111的超临界co2进行加热，被加热器111利用后的惰性气体变为低温，流回至干熄焦装置中，继续进行下一次惰性气体循环。

研究表明，通过本申请实施例中从加热器111流出的超临界co2的温度可以达到400℃至900℃，能够满足超临界co2布雷顿循环发电系统100的发电需求。

可以理解的是，为保证超临界co2布雷顿循环发电系统100工作的连续性和可靠性，干熄焦装置120中预先充入有足量的惰性气体。

干熄焦装置120中的惰性气体可以为任一一种惰性气体，如氦气、氖气等，有利于保证环境及设备的安全性。进一步地，为节约成本，优选地，本申请实施例中惰性气体为氮气。

可以理解的是，干熄焦装置120与加热器111通过管道连接，从而保证惰性气体的循环。

本实施例中，通过设置超临界co2布雷顿循环发电系统100包括超临界co2布雷顿循环发电装置110和干熄焦装置120。其中，超临界co2布雷顿循环发电装置110用于以超临界co2作为循环工质进行发电，超临界co2布雷顿循环发电装置110包括加热器111，干熄焦装置120通过加热器111与超临界co2布雷顿循环发电装置110连接，干熄焦装置120用于通过惰性气体冷却炽热的焦炭，为加热器111提供高温惰性气体，从而对流经加热器111的超临界co2进行加热，实现了利用炽热的焦炭冷却过程中产生的热量为超临界co2布雷顿循环发电装置110中的超临界co2进行加热，通过超临界co2布雷顿循环发电装置110利用干熄焦装置120产生的废热发电，变废为宝，实现了节能、减排，促进了环境保护和社会的可持续发展。

图3为本申请实施例提供的超临界co2布雷顿循环发电系统实施例二的结构示意图，在上述实施例的基础上，如图3所示，本实施例中，干熄焦装置120包括焦炉121。

焦炉121包括第一惰性气体输入端p1、第一惰性气体输出端p2、焦炭输入端s1、焦炭输出端s2。第一惰性气体输入端p1与加热器111的第二惰性气体输出端q2连接，第一惰性气体输出端p2与加热器111的第二惰性气体输入端q1连接；焦炭输入端s1用于焦炭的装入，焦炭输出端s2用于将冷却后的焦炭排出。

本实施例中，焦炉121是焦炭与惰性气体进行换热的装置，在焦炉121中，惰性气体与焦炭直接接触，通过流入的低温惰性气体带走焦炭的热量，对焦炭的进行冷却。具体地，红热的焦炭从焦炉121的焦炭输入端s1装入焦炉121中，在焦炭下落的过程中与从第一惰性气体输入p1输入的低温惰性气体换热，将热量传递给惰性气体，惰性气体温度升高，变为高温惰性气体，从第一惰性气体输出端p2输出，焦炭温度降低，下落到焦炉底部以后，从焦炭输出端s2排出。

其中，焦炉121，是一种通常由耐火砖和耐火砌块砌成的炉子，通常高达数十米，具有很好的密封性。

在一种可能的实现方式中，焦炭输入端s1和第一惰性气体输出端p2位于焦炉121的一侧，焦炭输出端s2和第一惰性气体输入端p1位于焦炉的另一侧。

示例性地，焦炭输入端s1和第一惰性气体输出端p2均设置在焦炉121顶部，焦炭输出端s2和第一惰性气体输入端p1均设置在焦炉121的底部。通过本实现方式，能够保证焦炭与惰性气体的充分接触，从而有利于提高对焦炭废热的利用率。

另外，焦炉121上的第一惰性气体输入端p1与加热器111上的第二惰性气体输出端q2连接，焦炉121上的第一惰性气体输出端p2与加热器111上的第二惰性气体输入端q1连接，从而实现了焦炉121和加热器111中惰性气体的循环，保证了焦炉121中低温惰性气体的供应和加热器中高温惰性气体的供应，进而保证了超临界co2布雷顿循环发电系统100能够实现正常发电。

可以理解的是，本实施例中第一惰性气体输入端p1与第二惰性气体输出端q2之间、第一惰性气体输出端p2与第二惰性气体输入端q1之间分别通过相应的管道连接。

研究表明，通常从第一惰性气体输入端p1输入(即从第二惰性气体输出端q2输出)的惰性气体的温度在80℃到150℃之间，而从第一惰性气体输出端p2输出的惰性气体的温度在850℃到950℃之间，由此可见，本申请实施例提供的超临界co2布雷顿循环发电系统100能够对炽热的焦炭冷却过程中产生的热量进行充分利用。

本实施例中，通过设置焦炉121包括第一惰性气体输入端p1、第一惰性气体输出端p2、焦炭输入端s1、焦炭输出端s2，并设置第一惰性气体输入端p1与加热器111的第二惰性气体输出端q2连接，第一惰性气体输出端p2与加热器111的第二惰性气体输入端q1连接，焦炭输入端s1用于焦炭的装入，焦炭输出端s2用于将冷却后的焦炭排出，由于焦炭与惰性气体在密闭地空间(焦炉121)中进行换热，从而有利于减少能量的散失，提高了废热能量利用率。

图4为本申请实施例提供的超临界co2布雷顿循环发电系统实施例三的结构示意图，在上述实施例二的基础上，如图4所示，本实施例中的干熄焦装置120还包括循环驱动设备122；

循环驱动设备122设置在第二惰性气体输出端q2和第一惰性气体输入端p1之间，循环驱动设备122用于为干熄焦装置120内的惰性气体提供循环动力。

其中，循环驱动设备122通过管路连接在第二惰性气体输出端q2和第一惰性气体输入端p1上。

本实施例中干熄焦装置120高度密封，为使干熄焦装置120的设备和连通管路里的惰性气体流动起来，本实施例中在干熄焦装置120中增设循环驱动设备122，该循环驱动设备122主要用于推动焦装置120内的惰性气体流动，从而维持干熄焦装置120与加热器111内的惰性气体循环。

在一种可能的实现方式中，循环驱动设备122为气体增压设备，如增压泵、各类风机等。

可选地，循环驱动设备122为压缩机。相应地，干熄焦装置122还包括电动机，电动机与压缩机刚性连接，电动机用于带动压缩机旋转。

可以理解的是，在超临界co2布雷顿循环发电系统100工作之前，需要先启动电动机带动压缩机旋转，以保证后续工作的顺利进行。

另外，需要说明的是，本实施例中的循环驱动设备122只要对气体起到压缩作用，保证气体流通即可，因此，对其性能和精度要求不高。

本实施例中，通过设置干熄焦装置120还包括循环驱动设备122，循环驱动设备122设置在第二惰性气体输出端q2和第一惰性气体输入端p1之间，循环驱动设备122用于为干熄焦装置120内的惰性气体提供循环动力，保证了干熄焦装置120内惰性气体的流动，加快了焦炉121及加热器111内的换热速率，进而有利于提高超临界co2布雷顿循环发电系统的工作效率。

图5为本申请实施例提供的超临界co2布雷顿循环发电系统实施例四的结构示意图，在上述实施例三的基础上，本实施例中干熄焦装置120还包括除尘净化设备123。

除尘净化设备123设置在第一惰性气体输出端p2之后，除尘净化设备123用于去除惰性气体中携带的颗粒物。

本实施例中，由于惰性气体在对焦炭进行冷却时，与焦炭直接接触，因此，从焦炉输出的惰性气体中会含有大量的粉尘，为保证设备安全和便于设备及管路维护，需要干熄焦装置120中设置除尘净化设备123。

需要说明的是，本实施例中除尘净化设备123可以为一个，也可以为多个，除尘净化设备123可以设置在焦炉121的第一惰性气体输出端p2与第二随性气体输入端q1之间，也可以设置在第二惰性气体输出端q2与循环驱动设备122之间，此处不作限制。

在一种可能实现方式中，除尘净化设备123包括一级除尘净化设备和二级除尘净化设备；一级除尘净化设备设置在第一惰性气体输出端p2与第二惰性气体输入端q1之间；二级除尘净化设备设置在第二惰性气体输出端q2和循环驱动设备122之间。

其中，一级除尘净化设备主要用于分离惰性气体中的大颗粒焦粉，以减少惰性气体对加热器111内部结构的冲刷磨损，达到保护加热器111的目的。二级除尘净化设备主要用于滤除惰性气体中的小颗粒焦粉，达到保护循环驱动设备122的目的。

另外，由于流经一级除尘净化设备的气体为高温惰性气体，因此，一级除尘净化设备需要具有耐高温特性；由于二级除尘净化设备需要对直径更小的焦粉颗粒进行过滤，因此，二级除尘净化设备相较于一级除尘净化设备需要有更高的精度。通过一级除尘净化设备和二级除尘净化设备进行两级除尘，净化效果更好。

本实施例中，通过设置干熄焦装置包括除尘净化设备123，除尘净化设备123设置在第一惰性气体输出端p2之后，除尘净化设备123用于去除惰性气体中携带的颗粒物，减少了干熄焦装置120发生故障的可能性，从而有利于提高超临界co2布雷顿循环发电系统100运行的稳定性和可靠性。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。