一种深海碳封存与发电系统
技术领域
本实用新型属于环保技术和新能源发电技术领域，特别涉及一种深海碳封存与发电系统。
背景技术
随着工业化进程的不断发展和社会的不断进步，人类对于化石能源的需求量日益增高，燃烧化石燃料所导致的空气污染和温室效应已严重危及人类赖以生存的地球环境。全球变暖导致了冰川融化、海平面上升等一系列全球性问题，世界各国逐渐意识到了全球变暖导致的生态环境问题，开始从技术、经济、政策、法律层面探究长期有效的解决途径，来缓解全球变暖的趋势。目前主要解决方法分为两种，一是寻求低成本有效方案减少二氧化碳的排放，二是将二氧化碳气体封存起来。全球变暖与化石燃料大量燃烧导致的二氧化碳排放密切相关，目前化石燃料仍然是当今世界能源产业的主导，减少二氧化碳排放需要能源结构从原本化石能源向清洁能源转变。尽管目前世界各国不懈努力，但能源结构的转变仍是一个长期缓慢的过程，因而现阶段采用二氧化碳封存技术是解决温室效应的重要手段。燃煤电厂作为二氧化碳排放的主要方式，往往将燃烧产生的二氧化碳不经处理直接排向大气。对燃煤电厂排放的二氧化碳进行捕捉及封存，对于减缓温室效应具有重要意义，然而二氧化碳捕捉及封存技术能耗较高，技术尚不成熟，目前只有少部分电厂采用，降低二氧化碳碳封存能耗、提高二氧化碳碳封存效率是国内外研究的重点。
地热能作为无污染的清洁能源，是由地球的熔融岩浆和放射性物质的衰变产生的，其储量巨大，是可再生能源发展的重要方向。当前人类只对陆地上的地热资源进行了一定规模的开发，然而地球表面大部分被海洋覆盖，海底赋存着更为丰富的地热资源。初步估计该海底拥有约10万兆瓦潜力的地热能，平均温度可达330℃。
在低温、高压状态下，二氧化碳将和水形成一种较为特殊的包络化合物，称为二氧化碳水合物。二氧化碳水合物中，水分子通过氢键形成主体结晶网络，二氧化碳作为客体分子填充在网络孔穴中，采用二氧化碳水合物存储、固定二氧化碳，是当今水合物领域的研究热点。当压力大于7.4MPa，温度高于31.1℃时，二氧化碳便进入超临界态，此时，二氧化碳体现出高密度、低粘度的物理性质，将其作为布雷顿循环工质，将显著提高系统热效率、减小系统占地面积，具有良好的工程应用前景。
实用新型内容
本实用新型的目的是针对现有技术的局限性，提供了一种深海碳封存与发电系统，本实用新型通过对电厂废气进行余热发电并进行二氧化碳剥离，将剥离出的二氧化碳应用于海底地热布雷顿循环，最终存储于深海封存孔穴，系统结构紧凑、体积小、效率高；利用富足的海底地热能为热源，无污染且成本低廉；将二氧化碳以二氧化碳水合物的形式存储，成本较低、环境友好、密封性好；利用海底地质体中拥有良好储盖的枯竭油田、气田或天然孔穴作为碳封存场所，封存效果好，降低后期维护及监测成本，具有广阔的应用前景。
本实用新型采用如下技术方案来实现的：
一种深海碳封存与发电系统，包括余热透平、废气冷却器、气体剥离装置、废气处理装置、超临界二氧化碳压缩机、波浪能发电设备、地热换热器、超临界二氧化碳透平和海底冷却器；其中，
余热透平及废气处理装置布置于海岸上，波浪能发电设备布置于海面，其余设备布置于海平面以下的海水中；余热透平通过电厂的废气驱动做功，余热透平出口依次连通废气冷却器和气体剥离装置，气体剥离装置用于将二氧化碳从冷却之后的废气中剥离，气体剥离装置的废气出口与布置于海岸的废气处理装置相连，二氧化碳出口与超临界二氧化碳压缩机入口相连，超临界二氧化碳压缩机出口穿过海床，与位于海底地热层的地热换热器入口连通，地热换热器出口穿出海床，与超临界二氧化碳透平入口相连，超临界二氧化碳透平出口与海底冷却器高温侧入口相连，海底冷却器低温侧出口通过注入通道与深海封存孔穴相连；波浪能发电设备产生的部分电能用于驱动超临界二氧化碳压缩机工作，剩余的电能与余热透平和超临界二氧化碳透平发出的电能共同并入电网。
本实用新型进一步的改进在于，余热透平为双级轴向烟气透平，入口温度范围为180℃～250℃，转速在10000rpm～30000rpm之间。
本实用新型进一步的改进在于，废气冷却器与气体剥离装置布置在海平面以下10m～300m。
本实用新型进一步的改进在于，气体剥离装置采用二氧化碳选择透过膜进行二氧化碳剥离。
本实用新型进一步的改进在于，废气冷却器及海底冷却器利用高压低温的海水作为冷源。
本实用新型进一步的改进在于，超临界二氧化碳压缩机采用单级或双级的离心式压缩机，其入口压力范围为7.5MPa～9MPa，入口温度范围为31.5℃～40℃，转速在30000rpm～50000rpm 之间。
本实用新型进一步的改进在于，超临界二氧化碳透平采用轴流式透平，其入口压力范围为18MPa～22MPa，入口温度范围为80℃～330℃，转速在30000rpm～50000rpm之间。
本实用新型进一步的改进在于，超临界二氧化碳压缩机、地热换热器、超临界二氧化碳透平及海底冷却器均布置在800m～2000m深的海底，该海底深度范围的海水压力为7.8MPa～19.6MPa，温度为2℃～8℃，海底地热层是热泉或热干岩，温度在200℃～380℃之间。
本实用新型进一步的改进在于，深海封存孔穴为废弃的海底油田、废弃的海底气田或天然形成的海底孔穴，位于500m～1000m深的海底，孔隙率为0.2～0.6，温度为0℃～8℃，压力为5MPa～10MPa；对于海底油田或气田，其含水饱和度大于0.2。
本实用新型至少具有如下有益的技术效果：
本实用新型这种深海碳封存与发电技术，综合利用电厂废气余热、海洋波浪能、海底地热能进行发电，为节能减排及可再生能源开发提供了新的方向。同时，将电厂废气中的二氧化碳剥离作为超临界二氧化碳布雷顿循环的工质，充分利用了超临界二氧化碳高密度、低粘度和低表面张力的特点，简化系统结构，提高系统紧凑度及效率。此外，将经循环做功后的二氧化碳排入深海封存孔穴进行封存，实现了电厂二氧化碳“零排放”。
进一步，本实用新型的气体剥离装置采用二氧化碳选择透过膜进行二氧化碳剥离，相较于传统吸收法、吸附法、低温精馏法等分离工艺，该方法设备简单轻便、易操作、没有有机溶剂泄漏的风险，对环境友好。
进一步，本实用新型的废气冷却器及海底冷却器利用高压低温的海水作为冷源，无需额外冷却工质，结构简单；且广袤的海洋提供了充足的海水冷源，冷却器冷端温升几乎可以忽略不计，换热器换热效率高、结构紧凑。
进一步，本实用新型将地热循环部件布置于海底，海底高压海水提供了较高的环境压力，可以大幅减小系统管道及设备壳体内外的压差，减小了工质的泄漏流量，同时降低了对管道及设备的强度要求，降低了系统成本同时提高了系统的安全性和稳定性。
进一步，循环做功后的二氧化碳以水合物形式封存，避免了其溶于水对于海水PH值的影响，对于环境更为友好；相较于其余封存方式，采用二氧化碳水合物方式进行碳封存，对于压力及温度要求较低，无需额外设备对于二氧化碳进行增压或降温，降低了二氧化碳封存成本。
进一步，采用深海封存孔穴封存二氧化碳水合物，深海封存孔穴温度及压力波动较小，避免了二氧化碳水合物分解，泄漏量小、安全可靠；此外，通过监测海封存孔穴的温度及压力，可以及时获取二氧化碳是否泄漏以及泄漏地点，降低后期维护及监测成本。
附图说明
图1为本实用新型一种深海碳封存与发电系统的热力循环系统图。
附图标记说明：
1、发电厂，2、余热透平，3、电网，4、废气冷却器，5、气体剥离装置，6、废气处理装置，7、超临界二氧化碳压缩机，8、波浪能发电设备，9、地热换热器，10、海床，11、海底地热层，12、超临界二氧化碳透平，13、海底冷却器，14、注入通道，15、深海封存孔穴，16、二氧化碳水合物。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的实施例作详细说明，本实施例以本实用新型技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实用新型提供的一种深海碳封存与发电系统，包括余热透平2、废气冷却器4、气体剥离装置5、废气处理装置6、超临界二氧化碳压缩机7、波浪能发电设备8、地热换热器9、超临界二氧化碳透平12和海底冷却器13。其中，余热透平2及废气处理装置 6布置于海岸上，波浪能发电设备8布置于海面，其余设备布置于海平面以下的海水中。余热透平2由电厂1的废气驱动做功，余热透平2出口依次连通废气冷却器4和气体剥离装置 5，气体剥离装置5用于将二氧化碳从冷却之后的废气中剥离，气体剥离装置5的废气出口与布置于海岸的废气处理装置6相连，被剥离出的二氧化碳进入超临界二氧化碳压缩机7，超临界二氧化碳压缩机7出口穿过海床10，与位于海底地热层11的地热换热器9入口连通，地热换热器9出口穿出海床10，与超临界二氧化碳透平12入口相连，超临界二氧化碳透平 12出口与海底冷却器13高温侧入口相连，海底冷却器13低温侧出口通过注入通道14与深海封存孔穴15相连。波浪能发电设备8布置产生的部分电能用于驱动超临界二氧化碳压缩机7工作，剩余的电能与余热透平2和超临界二氧化碳透平12发出的电能共同并入电网3。
本实用新型的原理和过程主要为：在工作时，电厂1产生的中高温烟气首先进入余热透平2膨胀做功，将烟气的内能转化成机械能进行发电，膨胀做功后的烟气通过废气冷却器4，与低温海水进行热量交换达到超临界二氧化碳压缩机7所需的低温状态，之后进入气体剥离装置5进行二氧化碳剥离，脱除二氧化碳的废气通入废气处理装置6进行脱硫脱硝处理，达到排放标准后排放到大气。
波浪能发电设备8利用海洋波浪动能发电并驱动超临界二氧化碳压缩机7工作，气体剥离装置5剥离出的二氧化碳工质进入超临界二氧化碳压缩机7被压缩至低温高压状态，随后通过输送管道穿过海床10，进入置于海底地热层11的地热换热器9，经海底地热源加热之后达到高温高压状态，由地热换热器9出口管道引出海床10至超临界二氧化碳透平12，高温高压的超临界二氧化碳工质在超临界二氧化碳透平12中膨胀做功，将内能转化为机械能进行发电，做完功的超临界二氧化碳工质流出超临界二氧化碳透平12进入海底冷却器13，与低温海水进行热量交换达到二氧化碳水合物16生成所需的低温状态，最后从海底冷却器13离开的二氧化碳工质穿过注入通道14，排入深海封存孔穴15，并以二氧化碳水合物16的状态进行封存，形成本实用新型这种深海碳封存与发电技术。
在本实用新型中，余热透平2为双级轴向烟气透平，入口温度范围为180℃～250℃，转速在10000rpm～30000rpm之间，利用电厂中高温烟气余热发电，提高了整体发电效率。废气冷却器4与气体剥离装置5布置在海平面以下10m～300m，气体剥离装置5采用二氧化碳选择透过膜进行二氧化碳剥离，相较于传统吸收法、吸附法、低温精馏法等分离工艺，该方法设备简单轻便、易操作、没有有机溶剂泄漏的风险，对环境友好。废气冷却器4及海底冷却器13利用高压低温的海水作为冷源，结构简单、换热效率高、结构紧凑，无需额外冷却工质；波浪能发电设备8利用海水波浪动能发电并驱动超临界二氧化碳压缩机7工作，提高了系统整体发电效率。超临界二氧化碳压缩机7采用单级或双级的离心式压缩机，其入口压力范围为7.5MPa～9MPa，入口温度范围为31.5℃～40℃，转速在30000rpm～50000rpm之间。超临界二氧化碳透平12采用轴流式透平，其入口压力范围为18MPa～22MPa，入口温度范围为 80℃～330℃，转速在30000rpm～50000rpm之间。发电系统中二氧化碳工质始终处于超临界状态，可以充分发挥超临界二氧化碳工质高密度、低粘度和低表面张力等优良特性。超临界二氧化碳压缩机7、地热换热器9、超临界二氧化碳透平12及海底冷却器13均布置在800m～2000m深的海底，该海底深度范围的海水压力为7.8MPa～19.6MPa，温度为2℃～8℃，海底地热层11可以是热泉、热干岩等多种形式，温度在200℃～380℃之间。海底高压海水提供了较高的环境压力，可以大幅减小系统管道及设备壳体内外的压差，减小了工质的泄漏流量，同时降低了对管道及设备的强度要求，降低了系统成本同时提高了系统的安全性和稳定性。深海封存孔穴15可以为废弃的海底油田、废弃的海底气田或天然形成的海底孔穴，位于 500m～1000m深的海底，孔隙率为0.2～0.6，温度为0℃～8℃，压力为5MPa～10MPa，此外，对于海底油田或气田，其含水饱和度应大于0.2。经过超临界二氧化碳透平12做功后的二氧化碳穿过注入通道14，进入深海封存孔穴15，在0℃～8℃和5MPa～8MPa的条件下与水反应生成固态的二氧化碳水合物16，实现二氧化碳的地质封存。相较于其余封存方式，采用二氧化碳水合物16方式进行碳封存，对于压力及温度要求较低，无需额外设备对于二氧化碳进行增压或降温，降低了二氧化碳封存成本；二氧化碳以水合物形式存在，避免了其溶于水对于海水PH值的影响，对于环境更为友好；深海封存孔穴15的温度压力波动较小，二氧化碳水合物16在其热力学稳定范围内保持固体状态，避免了泄漏，此外，通过监测海封存孔穴15 的温度及压力，可以及时获取二氧化碳是否泄漏以及泄漏地点，降低后期维护及监测成本。
