碳捕集利用与封存和超临界二氧化碳储能技术的耦合系统

技术领域

本发明属于碳捕集利用与封存（CCUS）、超临界二氧化碳储能等领域，特别涉及一种碳捕集利用与封存和超临界二氧化碳储能技术的耦合系统，是一种可实现电力系统灵活调节和能源优化配置的综合系统。

背景技术

能源和环境问题的可持续发展是构建绿色生态文明的重要手段，碳中和目标下，CCUS技术得到大力发展，为实现零碳能源系统提供保障，作为我国实现碳中和目标技术组合的重要组成部分，CCUS技术的内涵和外延在不断丰富和拓展。CCUS是目前实现化石能源低碳化利用的重要技术路径，在化石燃料电厂及工业过程中增加碳捕集、利用和封存，可以有效提高碳回收，减少碳排放。

二氧化碳的地质封存一般是将超临界状态的二氧化碳注入深层地质结构中进行，常见的适宜封存的地质结构包括油藏、气藏、咸水层、不可开采的煤矿等。因此CCUS项目大多集中在化石燃料产业集群附近，以方便超临界二氧化碳的运输和封存，同时为二氧化碳的循环利用提供有利条件。

超临界二氧化碳具有较高的可利用的能量，当温度超过超临界温度和临界压力时，二氧化碳将处于临界状态，具有粘性低、密度大的特点，具有极大的压缩能，可以推动膨胀机进行发电，实现超临界二氧化碳的利用。超临界二氧化碳储能系统在过程中并不会产生杂质气体，不会影响二氧化碳的封存和运输。超临界二氧化碳储能发电技术可以提供持续稳定的电力输出，为灵活调控电力系统，充分挖掘配套电源的调峰潜力，优化配置能源提供技术支撑。

CCUS与二氧化碳储能技术耦合可以进一步提高碳利用，保障电力系统的灵活性，为能源优化配置提供广阔的空间，实现资源的有效利用。

发明内容

为了优化整合能源配置，提高化石燃料电厂的电力系统灵活调控，本发明提供一种CCUS与超临界二氧化碳储能发电的耦合系统，能够大规模长时间存储能量，并可以持续有效地输出功率，有效提高能源配置与利用。在CCUS的环节中，将二氧化碳作为一种储能循环工质，从而增加二氧化碳的循环与利用。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种碳捕集利用与封存和超临界二氧化碳储能技术的耦合系统，包括一级膨胀机E1、二级膨胀机E2、一级压缩机C1、二级压缩机C2、高压超临界二氧化碳存储罐、低压超临界二氧化碳存储罐、发电机、液态二氧化碳存储罐、二氧化碳捕集装置、电动机、二氧化碳封存端、二氧化碳利用端；

一级膨胀机E1、低压超临界二氧化碳存储罐、二级膨胀机E2、液态二氧化碳存储罐、一级压缩机C1、二级压缩机C2、高压超临界二氧化碳存储罐、二氧化碳封存端依次管道串连；

一级膨胀机E1管道连接至二级膨胀机E2；

一级膨胀机E1和二级膨胀机E2共同管道连接至发电机；

低压超临界二氧化碳存储罐和液态二氧化碳存储罐分别管道连接至二氧化碳利用端；

一级压缩机C1和二级压缩机C2共同管道连接至电动机；

二氧化碳捕集装置管道连接至二级压缩机C2；

高压超临界二氧化碳存储罐管道连接至一级膨胀机E1。

作为更进一步的优选方案，高压超临界二氧化碳存储罐和二氧化碳封存端分别通过用于升温的换热器T1连接至一级膨胀机E1；二级膨胀机E2通过用于降温的换热器T2连接至液态二氧化碳存储罐；液态二氧化碳存储罐通过用于升温的换热器T3连接至一级压缩机C1；一级压缩机C1通过用于降温的换热器T4连接至二级压缩机C2；二级压缩机C2通过用于降温的换热器T5连接至高压超临界二氧化碳存储罐。

作为更进一步的优选方案，换热器T1、换热器T2、换热器T3、换热器T4、换热器T5均与蓄热器H2和蓄冷器H1相连。

作为更进一步的优选方案，一级压缩机C1管道连接至低压超临界二氧化碳存储罐，所述低压超临界二氧化碳存储罐管道连接至二级压缩机C2。

作为更进一步的优选方案，二氧化碳封存端包括海洋封存和地质封存。

本发明的有益效果：

碳利用与封存中存储在地质层（页岩、煤层、油藏、天然气藏、咸水层等）内的二氧化碳具有很大的储量，是天然的容器，可长时间储能，在用电高峰期，可以为膨胀机提供持续稳定的二氧化碳输入，从而实现电力的持续稳定输出。做完功的二氧化碳可存储在低压超临界二氧化碳存储罐2和液态二氧化碳存储罐4中，可用于二氧化碳的化工和生物利用，或再次循环参与到储能系统中。在用电负荷低谷期，利用多余的电能驱动压缩机，将二氧化碳压缩为高压超临界状态并存储在高压超临界二氧化碳存储罐1以及盐穴和枯竭油气藏内，实现能量的存储。

在化石燃料电厂等产生较多二氧化碳的场景下，采用CCUS与储能技术相耦合的方法，充分发挥CCUS系统的能源集群优势。在CCUS的环节中，增加超临界二氧化碳的储能和释能环节，将压缩机和膨胀机作为单独的压缩系统和发电系统，为电力系统的调峰提供便利。耦合系统充分利用了捕集到的二氧化碳，过程中不会影响二氧化碳纯度，也不会造成多余的碳排放，为碳中和提供良好的技术支撑，耦合系统还可以丰富电力系统的能源配置，促进电力源网荷储的一体化，具有灵活的电力调节作用，实现能源的互济互补，可作为大规模长期储能技术实现电网负荷调节，削峰填谷。

二氧化碳的临界临界温度为304.2K，临界压力为7.28MPa，状态参数低，较容易实现超临界状态。由于超临界流体粘度小、密度大、扩散系数大，具有良好的流动性和传递性，在运输方面具有极大优势。以超临界二氧化碳为工质可以减小系统中涡轮机械和换热器的结构尺寸，降低维护成本，也有利于实现更高的热电转换效率。耦合系统中采用蓄冷器H1和蓄热器H2来保存过程中产生的热能和冷能，并在需要的时候释放，可进一步提高能量的利用效率。

附图说明

图1为CCUS和二氧化碳储能技术的耦合系统示意图；

图中序号说明：

1: 高压超临界二氧化碳存储罐；2:低压超临界二氧化碳存储罐；3:发电机；4:液态二氧化碳存储罐；5:二氧化碳捕集装置；6:电动机；7：二氧化碳封存端；8：二氧化碳利用端；C1：一级压缩机；C2:二级压缩机；E1:一级膨胀机；E2:二级膨胀机；H1:蓄冷器；H2：蓄热器；T1-T5:换热器；V1-V6:单向阀。

具体实施方式

下面结合实例对本发明作进一步详细说明。

如图1为本发明的CCUS和二氧化碳储能技术的耦合系统。

一种碳捕集利用与封存和超临界二氧化碳储能技术的耦合系统，包括一级膨胀机E1、二级膨胀机E2、换热器、发电机3、一级压缩机C1、二级压缩机C2、电动机6、高压超临界二氧化碳存储罐1、低压超临界二氧化碳存储罐2、液态二氧化碳存储罐4、蓄冷器H1、蓄热器H2、单向阀、碳捕集装置、碳利用与碳封存等，以二氧化碳为载体，将碳捕集利用与封存和储能技术结合，形成一个可实现电力系统灵活调节和能源优化配置的综合系统。

膨胀机中，高压超临界二氧化碳存储罐1、盐穴和枯竭油气藏内封存的二氧化碳均通过换热器与一级膨胀机E1进口相连，一级膨胀机E1出口与低压超临界二氧化碳存储罐2相连；二级膨胀机E2进口与低压超临界二氧化碳存储罐2相连，出口通过换热器与液态二氧化碳存储罐4相连；一级膨胀机E1出口与二级膨胀机E2进口相连；一级膨胀机E1和二级膨胀机E2均与发电机3相连，一级膨胀机E1进口前通过换热器与盐穴、枯竭油气藏相连，也与高压超临界二氧化碳存储罐1相连，出口与低压超临界二氧化碳存储罐2相连；二级膨胀机E2进口与低压超临界二氧化碳存储罐2相连，出口通过换热器与液态二氧化碳存储罐4相连工质膨胀做功带动发电机3输出功率。

一级压缩机C1和二级压缩机C2均与电动机6相连，且压缩机后均有换热器对压缩机出口的工质进行冷却，一级压缩机C1进口与碳捕集装置相连，也通过换热器与液态二氧化碳存储罐4相连；一级压缩机C1出口和二级压缩机C2进口分别与低压超临界二氧化碳存储罐2相连；二级压缩机C2出口经换热器后与高压超临界二氧化碳存储罐1相连。

碳利用与碳封存中，高压超临界二氧化碳存储罐1中的二氧化碳可用于地质利用、海洋封存、盐穴和枯竭油气藏封存，当采用地质利用的油/气藏被开采完后，演变为枯竭油气藏可进一步用于存储二氧化碳；低压超临界二氧化碳存储罐2和液态二氧化碳存储罐4中的二氧化碳可用于化工、生物利用。

二氧化碳地质利用、海洋封存、地质封存（盐穴、枯竭油气藏等）等分别与高压超临界二氧化碳存储罐1相连，二氧化碳化工利用、生物利用与低压超临界二氧化碳存储罐2和液态二氧化碳存储罐4相连。

将封存二氧化碳的盐穴、枯竭油气藏作为天然的大容量存储容器，与释能系统连接，可长时间储能，并提供持续稳定的电力输出。

存储罐中的二氧化碳，即可以参与到碳利用封存的流程中，也可以参与到压缩储能和膨胀释能的过程中。

高压超临界二氧化碳存储罐1、低压超临界二氧化碳存储罐2和液态二氧化碳存储罐4与其他装置或系统相连时，需要通过单向阀，单向阀V1-V6只作装置说明，并不限制其数量和接口。

蓄冷器H1和蓄热器H2均与换热器相连，用于预冷二氧化碳的换热器进口与蓄冷器H1相连，出口与蓄热器H2相连；用于加热二氧化碳的换热器进口与蓄热器H2相连，出口与蓄冷器H1相连。高温二氧化碳在经过换热器预冷时，可将热量存储在蓄热器H2中；蓄热器H2内的热量可用来给膨胀机前的二氧化碳加热，提高其做功能力，并将冷能存储在蓄冷器H1中，从而实现热量存储和高效利用。

碳捕集过程是持续进行的，在用电高峰时，二氧化碳经一级压缩机C1压缩后得到的超临界二氧化碳可不经过二级压缩机C2，直接存入低压存储罐中，在用电低谷时，再将储存在低压存储罐中的超临界二氧化碳送入二级压缩机C2进行压缩储能，为电力调峰提供更多的空间。

在用电高峰时，封存在盐穴、枯竭油气藏内的二氧化碳通过换热器T1加热后（压力30MPa，温度450K），对一级膨胀机E1做功，带动发电机3持续稳定输出电功，膨胀后的二氧化碳（压力10MPa，温度350K）经单向阀存储在低压超临界二氧化碳存储罐2中（罐内压力≥8MPa，温度≥310K）。高压超临界二氧化碳存储罐1（罐内压力≥30MPa，温度≥350K）可以通过单向阀为该释能过程补充超临界二氧化碳。

经一级膨胀机E1膨胀后的二氧化碳和低压超临界二氧化碳存储罐2中的二氧化碳可进一步经过二级膨胀机E2做功，带动发电机3输出电能，做完功后的二氧化碳（压力3MPa，温度273K）经换热器T2冷却液化后存储在液态二氧化碳存储罐4中（罐内压力≥3MPa，温度≤268K）。

低压超临界二氧化碳存储罐2和液态二氧化碳存储罐4中的二氧化碳可在化工和生物等领域加以利用。

低压超临界二氧化碳存储罐2中的二氧化碳，可经单向阀V2进入二级压缩机C2中进行压缩；液态二氧化碳存储罐4中的二氧化碳经换热器T3加热后变为气态，经一级压缩机C1进行压缩。

碳捕集过程中二氧化碳经压缩脱水后（压力4MPa，常温），由电动机6带动一级压缩机C1将二氧化碳压缩为超临界状态（压力10MPa，温度350K），可直接存入低压超临界二氧化碳存储罐2中（罐内压力≥8MPa，温度≥310K），也可通过换热器T4将超临界二氧化碳降温后（压力10MPa，温度310K）由电动机6带动二级压缩机C2将二氧化碳进一步压缩（压力35MPa，温度400K），再经换热器T5后将二氧化碳存储在高压超临界二氧化碳存储罐1中。其中，一级压缩机C1可持续运行，二级压缩机C2仅在用电低谷期进行，实现电力的错峰调节。

高压超临界二氧化碳存储罐1中的二氧化碳经单向阀V6流出，通过运输（管道、罐车、船舶等方式）后，二氧化碳可用于地质利用，海洋封存，盐穴和枯竭油气藏等地质封存。采用地质利用时，在地质资源开采完成后可转化为超临界二氧化碳存储容器，即成为枯竭油气藏来存储超临界二氧化碳。低压超临界二氧化碳存储罐2和液态二氧化碳存储罐4中的二氧化碳可用于二氧化碳的化工和生物利用。

液态二氧化碳存储罐4中的二氧化碳可经过单向阀V4经加热后接入一级压缩机C1进入压缩储能过程；低压超临界二氧化碳存储罐2中的二氧化碳可经单向阀V2后接入二级压缩机C2完成罐内二氧化碳的再压缩。

蓄冷器H1内的工质流过换热器T2、T4和T5为二氧化碳预冷，完成预冷后的工质流入蓄热器H2中实现热能的存储；蓄热器H2内的工质流过换热器T1和T3为二氧化碳加热，完成加热后的工质流入蓄冷器H1中实现冷能的存储。

本发明所提供的系统可以实现连续稳定的长期运行，寿命长，且整个释能和储能过程中不存在碳排放，也不会改变二氧化碳纯度。在典型的CCUS技术的基础上，增加了超临界二氧化碳在储能方向的应用，为实现燃料电厂的电力源网荷储一体化提供有效的技术支撑，可作为大规模长时间储能技术实现电网负荷调节，削峰填谷。

采用地质利用的二氧化碳在地质资源开采完成后可转化为超临界二氧化碳存储容器，即成为枯竭油气藏来存储超临界二氧化碳。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。