超臨界二氧化碳布雷頓循環發電‑廢水處理的耦合系統的製作方法

2023-10-18 15:37:19 2

本發明屬於可再生能源利用與有機廢水處理技術領域，涉及一種超臨界二氧化碳布雷頓循環發電-廢水處理的耦合系統。

背景技術：

隨著人口指數增長，快速的工業化、城市化和人們生活質量的不斷提高，人們越來越意識到能源與環境問題對人類生存和社會發展的重要性，能源、電力與環境成為國際社會日益關注的焦點問題，為解決和應對能源和電力短缺以及環境汙染等問題，近年來，政府不斷加大對可再生能源以及環境改善方面研究的支持力度。

目前世界上主要採用的發電手段有三種方式：火力發電、水力發電和核能發電。在火力發電中，廣泛使用煤炭和其他化石燃料，導致了越來越多的環境問題，如全球變暖、臭氧層損耗和大氣汙染等。而利用水能進行發電，若增加水電站的容量，則需要建設大貯水的水庫，這存在一定的局限性，如它們需要巨大的成本，淹沒大面積土地，破壞生態平衡。利用核能進行發電，雖然比較清潔，但是若核廢料處理不當會帶來嚴重的環境問題。因此，在不破壞環境、不增加投資成本的條件下，通過尋找其他可再生能源來增加發電容量，提高發電效率成為了一個迫在眉睫的需求。超臨界流體技術在近年來得到了廣泛的應用，採用超臨界二氧化碳布雷頓循環系統進行發電，其發電效率顯著優於傳統的蒸汽朗肯循環發電系統，同時，其設備尺寸規模相對於傳統發電系統減小，初投資降低。二氧化碳(CO2)由於其臨界壓力相對適中，具有較好的穩定性，在一定溫度範圍內表現出惰性氣體的性質，以及其無毒、儲量豐富、天然存在等特性，被認為是最具應用前景的能量傳輸和能量轉換工質之一。

在環境治理方面，特別廢水處理方面，隨著排放標準的提高，對於一些難處理的廢水來說，傳統的水處理方法(物理法、化學法和生物法)並不能完全滿足要求，而超臨界水氧化法作為一種新興的廢水處理方法，能適應不同種類有機廢水的處理。與傳統的廢水處理方法相比，超臨界氧化技術具有反應速度快，氧化分解徹底，廢水有機物去除率可達99％以上；廢水裡的有機物與氧化劑發生反應生成二氧化碳、水和氮氣等；反應器系統佔地面積小，反應器結構簡單的優點。

然而，在超臨界水氧化有機廢水技術中，雖然會使水達到排放要求，但會產生大量的CO2，對大氣帶來不良的影響，而超臨界二氧化碳布雷頓循環中，一部分二氧化碳被強制冷卻，造成其所攜帶的熱量被浪費，如何克服以上兩者系統的缺點，使兩者系統能最優運行，是目前急需解決的問題。

技術實現要素：

本發明的目的在於克服上述現有技術的缺點，提供了一種超臨界二氧化碳布雷頓循環發電-廢水處理的耦合系統，該系統能夠將超臨界二氧化碳布雷頓循環系統與超臨界水氧化法聯合起來，使兩者相互補充，實現有機廢水處理及發電。

為達到上述目的，本發明所述的超臨界二氧化碳布雷頓循環發電-廢水處理的耦合系統包括超臨界二氧化碳布雷頓循環發電系統及超臨界水氧化處理有機廢水的生產系統；所述超臨界二氧化碳布雷頓循環發電系統包括主壓縮機、再壓縮機、低溫回熱器、高溫回熱器、第一熱源、高壓透平、低壓透平及發電機；超臨界水氧化處理有機廢水的生產系統包括二氧化碳儲罐、第一回熱器、第二回熱器、超臨界水氧化反應器、餘熱回收器、第二熱源、第三熱源、工業水箱、廢水箱、高壓氣液分離器、氣體分離器、液氧儲罐及常壓氣液分離器；

工業水箱的出口及廢水箱的出口通過管道並管後再依次經餘熱回收器的冷側、第一回熱器的冷側及第二熱源與超臨界水氧化反應器的預熱水入口相連通，液氧儲罐的出口依次經第二回熱器的冷側及第三熱源與高壓氣液分離器的氣體出口通過管道並管後與超臨界水氧化反應器的入口相連通，超臨界水氧化反應器的出口依次經第一回熱器的熱側、第二回熱器的熱側與高壓氣液分離器的入口相連通，高壓氣液分離器的液體出口與常壓氣液分離器的入口相連通，常壓氣液分離器氣體出口及液體出口分別與氣體分離器的入口及工業水箱的入口相連通，氣體分離器的二氧化碳出口與二氧化碳儲罐的入口相連通；

低壓透平的工質出口依次經高溫回熱器的熱側及低溫回熱器的熱側後分為兩路，其中一路與二氧化碳儲罐的出口通過管道並管後依次經餘熱回收器的熱側及主壓縮機與低溫回熱器的冷側入口相連通，另一路依次經再壓縮機與低溫回熱器的冷側出口通過管道並管後再經高溫回熱器的冷側與第一熱源的入口相連通，第一熱源的出口與高壓透平及低壓透平的入口相連通，高壓透平的出口與第一熱源的入口相連通，主壓縮機、再壓縮機、高壓透平、低壓透平及發電機同軸布置。

還包括第一止回閥、第二止回閥及水泵，其中，廢水箱的出口與第二止回閥的入口相連通，工業水箱的出口與第一止回閥的入口相連通，第一止回閥的出口及第二止回閥的出口均與水泵的入口相連通，水泵的出口與餘熱回收器的冷側相連通。

還包括第三止回閥及第四止回閥，其中，第三熱源的出口與第三止回閥的入口相連通，高壓氣液分離器的氣體出口與第四止回閥的入口相連通，第三止回閥的出口及第四止回閥的出口通過管道並管後與超臨界水氧化反應器的入口相連通。

氣體分離器的二氧化碳出口經第五止回閥與二氧化碳儲罐的入口相連通，二氧化碳儲罐上設有充裝閥及排氣閥；

還包括第六止回閥、第七止回閥及第八止回閥，低溫回熱器熱側的出口分為兩路，其中一路與第六止回閥的入口相連通，另一路與第七止回閥的入口相連通，第六止回閥的出口與再壓縮機的入口相連通，第八止回閥的入口與二氧化碳儲罐的出口相連通，第七止回閥的出口及第八止回閥的出口均與餘熱回收器熱側的入口相連通；

工業水箱的底部出口處設有排水閥；

高壓氣液分離器的液體出口經減壓閥與常壓氣液分離器的入口相連通；

液氧儲罐的出口經液氧泵與第二回熱器的冷側入口相連通。

本發明具有以下有益效果：

本發明所述的超臨界二氧化碳布雷頓循環發電-廢水處理的耦合系統在具體操作時，通過餘熱回收器回收超臨界二氧化碳布雷頓發電系統中工質的餘熱，並通過回收的熱量對進入到超臨界水氧化反應器中的水進行預熱，從而有效的提高系統的熱效率，超臨界水氧化反應器的產物經高壓氣液分離器、常壓氣液分離器及氣體分離器分離出二氧化碳，再將分離出來的二氧化碳存儲到二氧化碳儲罐中，並將該二氧化碳作為工質補充到超臨界二氧化碳布雷頓循環發電系統中，從而為超臨界二氧化碳布雷頓循環發電系統提供穩定可靠的二氧化碳供給，從而實現超臨界二氧化碳布雷頓循環發電系統與超臨界水氧化法的優勢互補，在具體操作時，本發明不僅能夠產生穩定的電能，還能高效的處理各類有機廢水，達到降低二氧化碳排放量、治理廢水汙染及發電目的，為超臨界二氧化碳布雷頓循環發電系統與超臨界水氧化處理有機廢水系統的耦合運用提供了新的思路。

附圖說明

圖1為本發明的原理圖。

其中，1為二氧化碳儲罐、2為餘熱回收器、3為主壓縮機、4為再壓縮機、5為低溫回熱器、6為高溫回熱器、7為第一熱源、8為高壓透平、9為低壓透平、10為發電機、11為工業水箱、12為廢水箱、13為水泵、14為超臨界水氧化反應器、15為第一回熱器、16為第二熱源、17為第二回熱器、18為液氧儲罐、19為液氧泵、20為第三熱源、21為高壓氣液分離器、22為常壓氣液分離器、23為氣體分離器、24為第八止回閥、25為第七止回閥、26為第六止回閥、27為第一止回閥、28為第二止回閥、29為第三止回閥、30為第四止回閥、31為減壓閥、32為排水閥、33為第五止回閥、34為充裝閥、35為排氣閥。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明做進一步詳細描述：

參考圖1，本發明所述的超臨界二氧化碳布雷頓循環發電-廢水處理的耦合系統包括超臨界二氧化碳布雷頓循環發電系統及超臨界水氧化處理有機廢水的生產系統；所述超臨界二氧化碳布雷頓循環發電系統包括主壓縮機3、再壓縮機4、低溫回熱器5、高溫回熱器6、第一熱源7、高壓透平8、低壓透平9及發電機10；超臨界水氧化處理有機廢水的生產系統包括二氧化碳儲罐1、第一回熱器15、第二回熱器17、超臨界水氧化反應器14、餘熱回收器2、第二熱源16、第三熱源20、工業水箱11、廢水箱12、高壓氣液分離器21、氣體分離器23、液氧儲罐18及常壓氣液分離器22；

工業水箱11的出口及廢水箱12的出口通過管道並管後再依次經餘熱回收器2的冷側、第一回熱器15的冷側及第二熱源16與超臨界水氧化反應器14的預熱水入口相連通，液氧儲罐18的出口依次經第二回熱器17的冷側及第三熱源20與高壓氣液分離器21的氣體出口通過管道並管後與超臨界水氧化反應器14的入口相連通，超臨界水氧化反應器14的出口依次經第一回熱器15的熱側、第二回熱器17的熱側與高壓氣液分離器21的入口相連通，高壓氣液分離器21的液體出口與常壓氣液分離器22的入口相連通，常壓氣液分離器22氣體出口及液體出口分別與氣體分離器23的入口及工業水箱11的入口相連通，氣體分離器23的二氧化碳出口與二氧化碳儲罐1的入口相連通；

低壓透平9的工質出口依次經高溫回熱器6的熱側及低溫回熱器5的熱側後分為兩路，其中一路與二氧化碳儲罐1的出口通過管道並管後依次經餘熱回收器2的熱側及主壓縮機3與低溫回熱器5的冷側入口相連通，另一路依次經再壓縮機4與低溫回熱器5的冷側出口通過管道並管後再經高溫回熱器6的冷側與第一熱源7的入口相連通，第一熱源7的出口與高壓透平8及低壓透平9的入口相連通，高壓透平8的出口與第一熱源7的入口相連通，主壓縮機3、再壓縮機4、高壓透平8、低壓透平9及發電機10同軸布置。

本發明還包括第一止回閥27、第二止回閥28及水泵13，其中，廢水箱12的出口與第二止回閥28的入口相連通，工業水箱11的出口與第一止回閥27的入口相連通，第一止回閥27的出口及第二止回閥28的出口均與水泵13的入口相連通，水泵13的出口與餘熱回收器2的冷側相連通；本發明還包括第三止回閥29及第四止回閥30，其中，第三熱源20的出口與第三止回閥29的入口相連通，高壓氣液分離器21的氣體出口與第四止回閥30的入口相連通，第三止回閥29的出口及第四止回閥30的出口通過管道並管後與超臨界水氧化反應器14的入口相連通；氣體分離器23的二氧化碳出口經第五止回閥33與二氧化碳儲罐1的入口相連通，二氧化碳儲罐1上設有充裝閥34及排氣閥35。本發明還包括第六止回閥26、第七止回閥25及第八止回閥24，低溫回熱器5熱側的出口分為兩路，其中一路與第六止回閥26的入口相連通，另一路與第七止回閥25的入口相連通，第六止回閥26的出口與再壓縮機4的入口相連通，第八止回閥24的入口與二氧化碳儲罐1的出口相連通，第七止回閥25的出口及第八止回閥24的出口均與餘熱回收器2熱側的入口相連通；

工業水箱11的底部出口處設有排水閥32；高壓氣液分離器21的液體出口經減壓閥31與常壓氣液分離器22的入口相連通；液氧儲罐18的出口經液氧泵19與第二回熱器17的冷側入口相連通。

當整個系統工作時，水泵13將工業水箱11內的工業用水抽出，並通過餘熱回收器2、第一回熱器15及的第二熱源16將溫度加熱至400-600℃，然後再進入到超臨界水氧化反應器14中，使超臨界水氧化反應器14的內部壓力穩定在22-30MPa，從而使整個系統處於反應條件，再通過液氧泵19將液氧儲罐18裡的液氧抽出並加壓到系統壓力，然後再通過第二回熱器17及第三熱源20將氧氣溫度加熱到50-300℃之間，然後進入到超臨界水氧化反應器14中，再打開第二止回閥28，然後將工業水切換為廢水，使廢水與氧氣在超臨界水氧化反應器14內發生反應，並產生以二氧化碳為主的氣體產物，氣體產物經第一回熱器15放熱、高壓氣液分離器21氣液分離、減壓閥31減壓、常壓氣液分離器22氣液分離以及氣體分離器23分離出二氧化碳，並將分離出來的二氧化存儲到二氧化碳儲罐1中，當二氧化碳儲罐1內的壓力預設值時，則通過排氣閥35進行排氣減壓，其中，常壓氣液分離器22分離出來的液體進入到工業水箱11中；

待超臨界水氧化處理有機廢水的生產系統穩定運行後，啟動超臨界二氧化碳布雷頓循環發電系統，打開第八止回閥24，低溫低壓的二氧化碳氣體經餘熱回收器2及主壓縮機3升壓後進入低溫回熱器5，再經低溫回熱器5預熱、高溫回熱器6換熱、第一熱源7加熱後進入到高壓透平8中進行發電，高壓透平8輸出的超臨界二氧化碳經過第一熱源7回熱後進入低壓透平9進行再次發電，低壓透平9輸出的乏氣依次再高溫回熱器6放熱及低溫回熱器5中放熱後分為兩路，其中一路進入到餘熱回收器2中繼續放熱，另一路進入到再壓縮機4中進行升壓，然後再與高溫回熱器6冷側輸出的二氧化碳混合後進入到高溫回熱器6中進行閉式循環，直至系統達到穩定。