一种开放式超临界二氧化碳储能系统及运行方法

本发明属于物理储能，具体涉及一种开放式超临界二氧化碳储能系统及运行方法。

背景技术：

1、火力发电会产生大量的碳排放，资料指出当前火力发电二氧化碳排放量占比持续较高，在减排的大背景下，降低火电行业的碳排放量势在必行。这一方面可以通过碳捕获技术收集排放的二氧化碳进行封存(如注入海底、地下等)或者再利用(如利用植物或微生物进行光合作用固碳)；另一方面可以通过淘汰小型、老旧火电机组，利用可再生能源如风能、太阳能等进行发电降低碳排放。

2、为了实现碳排放目标，再生能源发电装机量逐年升高，但是可再生能源尤其是风电和光电发电具有显著的波动性和随机性。储能系统可以在用电低谷时存储风光电产生的多余电力，而在用电高峰时释放，帮助电网削峰填谷，缓解电网负荷压力，提高电网整体运行效率；同时，在没有储能配套的情况下，当风电和光伏发电超出电网接纳能力或输电通道限制时，可能被迫弃风或弃光。储能系统能够存储这部分原本可能被浪费的能源，提升可再生能源的实际利用率。

3、超临界二氧化碳储能是一种利用超临界状态二氧化碳作为工作介质进行能量存储和转换的技术。当风能、太阳能等可再生能源处于发电高峰时段、电力富余时，利用多余电力驱动压缩机将常温常压下的二氧化碳压缩至超临界状态，并将其储存在专门设计的压力容器中，储能阶段完成；当电网处于用电高峰期而风能、太阳能出力不足时，超临界二氧化碳被释放到膨胀机中，迅速膨胀并做功，驱动发电机产生电能，释能阶段完成。由于压缩过程中会产生大量的热能，因此通常通过换热器将该热能进行储存并用于释能过程中给二氧化碳补热。其优点是相比于空气，超临界二氧化碳储能系统具有更高的储能密度和能量转换效率，且二氧化碳无毒、不易燃，对金属腐蚀性较弱，在封闭循环中使用，不直接排放到大气，有助于减少温室气体排放。

4、微藻生产柴油技术是一种利用高效光合生物转化太阳能和二氧化碳为可再生燃料的绿色技术，该技术首先需要从自然界中选取或通过基因工程改良具有高油脂含量、快速生长、易于培养等优良特性的微藻种类，然后在光生物反应器中培养，当微藻达到一定生物量且油脂积累达到峰值时，通过物理或化学方法进行收获，收获的微藻生物质经油脂提取及酯交换反应生成生物柴油。该技术的优点在于微藻在光合作用过程中会吸收大量二氧化碳，有助于碳减排；微藻能用海水培养，耐受沙漠、干旱等环境，且能够利用垂直空间培养，占地空间较小；产生的生物柴油热值较高，为石化燃料的80％左右，且基本不含硫和芳烃，燃烧产物污染小。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种开放式超临界二氧化碳储能系统及运行方法，结合二氧化碳储能、微藻生产柴油技术和二氧化碳海底封存技术，利用火电排放的二氧化碳作为工质进行储能，并将二氧化碳通过微藻反应进行固化或输送至海底封存，兼具有经济效益和环境效益。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种开放式超临界二氧化碳储能系统，包括火电厂单元、超临界二氧化碳储能单元、碳酸钙储热单元和微藻单元；

3、超临界二氧化碳储能单元中设置多级压缩储能机组和多级膨胀机释能机组，多级压缩储能机组级间设置换热器，多级膨胀机释能机组中每级膨胀机入口设置蓄热器；火电厂单元的二氧化碳出口依次连接多级压缩储能机组和多级膨胀机释能机组；碳酸钙储热单元包括碳酸钙反应装置、太阳能集热器以及氧化钙反应装置；所述换热器的冷侧连接碳酸钙反应装置，太阳能集热器用于加热碳酸钙反应装置；氧化钙反应装置的热气体进出口连通所述蓄热器的热侧；微藻单元的出气口连接氧化钙反应装置；超临界二氧化碳储能单元的出气口还连通海底。

4、进一步的，火电厂单元包括依次连接的锅炉、炉后引风机、吸收塔，吸收塔的出口经第一进气阀门连接超临界二氧化碳储能单元中的多级压缩储能机组气体入口；换热器包括第一换热器和第二换热器，多级压缩储能机组包括第一级压缩机、第二级压缩机和第三级压缩机，多级压缩储能机组中：第一进气阀门、二氧化碳储存罐、第一排气阀门、第一级压缩机、第一换热器、第二级压缩机、第二换热器、第三级压缩机、第二进气阀门、超临界二氧化碳储存罐沿气体流向依次连接；第一级压缩机、第二级压缩机以及第三级压缩机的动力端连接电动机。

5、进一步的，蓄热器包括第一蓄热器、第二蓄热器以及第三蓄热器，多级膨胀机释能机组包括第一膨胀机、第二膨胀机以及第三膨胀机；多级膨胀机释能机组中：第一蓄热器的冷侧、第一膨胀机、第二蓄热器的冷侧、第二膨胀机、第三蓄热器的冷侧、第三膨胀机沿着二氧化碳流向依次连接，第一膨胀机、第二膨胀机以及第三膨胀机连接第一发电机。

6、进一步的，氧化钙反应装置的热气体进出口分别连通所述第一蓄热器的热侧、第三蓄热器的热侧以及第三蓄热器的热侧。

7、进一步的，碳酸钙反应装置设置有换热结构、氧化钙出药口和碳酸钙进药口；换热结构用于吸收蓄热器及太阳能集热器的热能加热碳酸钙；微藻单元包括微藻反应室、微藻生物质处理装置、内燃机、第二发电机以及除湿装置，微藻反应室、微藻生物质处理装置和内燃机依次连接，内燃机的气体出口依次连接氧化钙反应装置和除湿装置。

8、进一步的，超临界二氧化碳储能单元中设置超临界二氧化碳储存罐，与超临界二氧化碳储存罐顶部连通的进气管路上设置有第二进气阀门，第二进气阀门之前连接多级压缩机组的出口；与超临界二氧化碳储存罐底部连通的排气管路上设置有第二排气阀门和第三排气阀门，第二排气阀门连接多级膨胀机组，第三排气阀门连接管路通往海底。

9、进一步的，氧化钙反应装置设置有两套换热结构和进出药口，通过第一套换热结构与内燃机排气进行换热使氧化钙与二氧化碳达到反应温度；通过第二套换热结构将氧化钙与二氧化碳反应生成热传递给膨胀机组前的换热器从而对二氧化碳进行加热；通过进药口输入氧化钙与二氧化碳，通过出药口输出氧化钙。

10、本发明所述开放式超临界二氧化碳储能系统的运行方法，包括：预置阶段，吸收塔产生的二氧化碳进入多级压缩机组压缩至超临界二氧化碳；在储能阶段，二氧化碳压缩过程中通过换热器将热量传递至碳酸钙反应装置；

11、释能阶段，超临界二氧化碳经蓄热器加热后进入多级膨胀机组膨胀发电；

12、碳酸钙反应装置太阳能集热器进一步加热使碳酸钙到达其分解温度，碳酸钙分解生成二氧化碳与氧化钙，将热能转化为化学能储存；微藻单元生成的二氧化碳进入氧化钙反应室，氧化钙反应室中氧化钙和二氧化碳反应放热，蓄热器的热量来自氧化钙和二氧化碳反应放热。

13、进一步的，当风力、太阳能发电峰值且储能阶段完成时，将超临界二氧化碳经管路输送至海底进行封存。

14、进一步的，末级膨胀机排气口通过排气管路将二氧化碳排至微藻反应室，微藻在设定条件下生成微藻生物质，将微藻生物质送入微藻生成物处理装置中经过处理生成生物柴油，一部分生物柴油用作内燃机燃料带动第二发电机进行发电，生物柴油燃烧生成的高温二氧化碳、水蒸气混合物将热量传递给氧化钙反应装置，后送入除湿装置，尾气中仅有二氧化碳，将其通入微藻反应室中进行循环利用；剩余的生物柴油回收。

15、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明在火电厂已有设备的基础上，本发明结合二氧化碳储能、微藻生产柴油技术和二氧化碳海底封存技术，采用火电排放的二氧化碳作为储能工质，在储能阶段利用风光的富余电力带动压缩机将二氧化碳压缩至超临界状态进行储存，同时由换热器收集压缩二氧化碳过程中产生的热量对碳酸钙进行预热，通过太阳能集热器将碳酸钙进一步加热至分解温度，从而将热能转化为化学能进行储存，生成的氧化钙同时也具有一定工业和商业价值；在释能阶段超临界二氧化碳膨胀做功，做功结束排出的二氧化碳进入微藻反应室作为微藻产生生物质的原料，氧化钙和二氧化碳经加热后反应放出大量热量，该热量经过蓄热器用于加热膨胀机前的二氧化碳工质，提高其做功能力。

16、进一步的，微藻在二氧化碳、光照及营养等条件下生成微藻生物质，经过处理过后转化为生物柴油，该生物柴油可用于内燃机燃料，内燃机带动发电机发电，同时产生高温尾气中的热量可经过换热用于加热氧化钙和二氧化碳至反应条件，经过除湿后尾气中只剩二氧化碳，可通入微藻反应室进行循环利用,氧化钙和二氧化碳反应生成大量热量，提高了内燃机尾气热能的品质。

17、进一步的，二氧化碳的临界压力较高，超过7.3773mpa，压缩机组采用三级压缩，同时在第一级压缩机后设置第一换热器，在第二级压缩机后设置第二换热器用于给二氧化碳进行级间冷却，降低压缩机能耗，同时储存压缩热。

18、进一步的，由于二氧化碳的临界温度较低，仅31.3摄氏度，采用三级膨胀且在每级膨胀机前均设置有蓄热器对超临界二氧化碳进行补热,提高其做功能力。

19、进一步的，碳酸钙反应装置设置有换热结构和进出药口，换热结构用于吸收蓄热器及太阳能集热器的热能加热碳酸钙，由于碳酸钙在自然界中非常常见，而生产碳酸钙则需要经过煅烧或其它方式，因此可以通过氧化钙出药口输出一部分分解生成的氧化钙用于出售以降低成本，通过碳酸钙进药口补充碳酸钙。

20、氧化钙反应装置设置有两套换热结构和进出药口，通过第一套换热结构与内燃机排气进行换热使氧化钙与二氧化碳达到反应温度；通过第二套换热结构将氧化钙与二氧化碳反应生成热传递给膨胀机组前的换热器从而对二氧化碳进行加热；通过进药口输入氧化钙与二氧化碳，通过出药口输出氧化钙。

21、进一步地，当储能完成且风电、太阳能发电仍有富于时，将超临界二氧化碳经管道输送至海底进行封存，使得系统在具有经济效益的同时兼具环境效益。