本發(fā)明屬于可再生能源利用與有機(jī)廢水處理技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電-廢水處理的耦合系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著人口指數(shù)增長，快速的工業(yè)化、城市化和人們生活質(zhì)量的不斷提高，人們越來越意識到能源與環(huán)境問題對人類生存和社會發(fā)展的重要性，能源、電力與環(huán)境成為國際社會日益關(guān)注的焦點問題，為解決和應(yīng)對能源和電力短缺以及環(huán)境污染等問題，近年來，政府不斷加大對可再生能源以及環(huán)境改善方面研究的支持力度。
目前世界上主要采用的發(fā)電手段有三種方式：火力發(fā)電、水力發(fā)電和核能發(fā)電。在火力發(fā)電中，廣泛使用煤炭和其他化石燃料，導(dǎo)致了越來越多的環(huán)境問題，如全球變暖、臭氧層損耗和大氣污染等。而利用水能進(jìn)行發(fā)電，若增加水電站的容量，則需要建設(shè)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(tài)平衡。利用核能進(jìn)行發(fā)電，雖然比較清潔，但是若核廢料處理不當(dāng)會帶來嚴(yán)重的環(huán)境問題。因此，在不破壞環(huán)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(fā)電容量，提高發(fā)電效率成為了一個迫在眉睫的需求。超臨界流體技術(shù)在近年來得到了廣泛的應(yīng)用，采用超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)電，其發(fā)電效率顯著優(yōu)于傳統(tǒng)的蒸汽朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，同時，其設(shè)備尺寸規(guī)模相對于傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)減小，初投資降低。二氧化碳(CO2)由于其臨界壓力相對適中，具有較好的穩(wěn)定性，在一定溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出惰性氣體的性質(zhì)，以及其無毒、儲量豐富、天然存在等特性，被認(rèn)為是最具應(yīng)用前景的能量傳輸和能量轉(zhuǎn)換工質(zhì)之一。
在環(huán)境治理方面，特別廢水處理方面，隨著排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，對于一些難處理的廢水來說，傳統(tǒng)的水處理方法(物理法、化學(xué)法和生物法)并不能完全滿足要求，而超臨界水氧化法作為一種新興的廢水處理方法，能適應(yīng)不同種類有機(jī)廢水的處理。與傳統(tǒng)的廢水處理方法相比，超臨界氧化技術(shù)具有反應(yīng)速度快，氧化分解徹底，廢水有機(jī)物去除率可達(dá)99％以上；廢水里的有機(jī)物與氧化劑發(fā)生反應(yīng)生成二氧化碳、水和氮氣等；反應(yīng)器系統(tǒng)占地面積小，反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點。
然而，在超臨界水氧化有機(jī)廢水技術(shù)中，雖然會使水達(dá)到排放要求，但會產(chǎn)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(huán)中，一部分二氧化碳被強(qiáng)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(tǒng)的缺點，使兩者系統(tǒng)能最優(yōu)運行，是目前急需解決的問題。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供了一種超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電-廢水處理的耦合系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)⒊R界二氧化碳布雷頓循環(huán)系統(tǒng)與超臨界水氧化法聯(lián)合起來，使兩者相互補(bǔ)充，實現(xiàn)有機(jī)廢水處理及發(fā)電。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所述的超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電-廢水處理的耦合系統(tǒng)包括超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)及超臨界水氧化處理有機(jī)廢水的生產(chǎn)系統(tǒng)；所述超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)包括主壓縮機(jī)、再壓縮機(jī)、低溫回?zé)崞鳌⒏邷鼗責(zé)崞?、第一熱源、高壓透平、低壓透平及發(fā)電機(jī)；超臨界水氧化處理有機(jī)廢水的生產(chǎn)系統(tǒng)包括二氧化碳儲罐、第一回?zé)崞?、第二回?zé)崞鳌⒊R界水氧化反應(yīng)器、余熱回收器、第二熱源、第三熱源、工業(yè)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(yè)水箱的出口及廢水箱的出口通過管道并管后再依次經(jīng)余熱回收器的冷側(cè)、第一回?zé)崞鞯睦鋫?cè)及第二熱源與超臨界水氧化反應(yīng)器的預(yù)熱水入口相連通，液氧儲罐的出口依次經(jīng)第二回?zé)崞鞯睦鋫?cè)及第三熱源與高壓氣液分離器的氣體出口通過管道并管后與超臨界水氧化反應(yīng)器的入口相連通，超臨界水氧化反應(yīng)器的出口依次經(jīng)第一回?zé)崞鞯臒醾?cè)、第二回?zé)崞鞯臒醾?cè)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(yè)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(zhì)出口依次經(jīng)高溫回?zé)崞鞯臒醾?cè)及低溫回?zé)崞鞯臒醾?cè)后分為兩路，其中一路與二氧化碳儲罐的出口通過管道并管后依次經(jīng)余熱回收器的熱側(cè)及主壓縮機(jī)與低溫回?zé)崞鞯睦鋫?cè)入口相連通，另一路依次經(jīng)再壓縮機(jī)與低溫回?zé)崞鞯睦鋫?cè)出口通過管道并管后再經(jīng)高溫回?zé)崞鞯睦鋫?cè)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(jī)、再壓縮機(jī)、高壓透平、低壓透平及發(fā)電機(jī)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(yè)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，水泵的出口與余熱回收器的冷側(cè)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并管后與超臨界水氧化反應(yīng)器的入口相連通。
氣體分離器的二氧化碳出口經(jīng)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(shè)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?zé)崞鳠醾?cè)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(jī)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余熱回收器熱側(cè)的入口相連通；
工業(yè)水箱的底部出口處設(shè)有排水閥；
高壓氣液分離器的液體出口經(jīng)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(jīng)液氧泵與第二回?zé)崞鞯睦鋫?cè)入口相連通。
本發(fā)明具有以下有益效果：
本發(fā)明所述的超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電-廢水處理的耦合系統(tǒng)在具體操作時，通過余熱回收器回收超臨界二氧化碳布雷頓發(fā)電系統(tǒng)中工質(zhì)的余熱，并通過回收的熱量對進(jìn)入到超臨界水氧化反應(yīng)器中的水進(jìn)行預(yù)熱，從而有效的提高系統(tǒng)的熱效率，超臨界水氧化反應(yīng)器的產(chǎn)物經(jīng)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，并將該二氧化碳作為工質(zhì)補(bǔ)充到超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)中，從而為超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的二氧化碳供給，從而實現(xiàn)超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)與超臨界水氧化法的優(yōu)勢互補(bǔ)，在具體操作時，本發(fā)明不僅能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的電能，還能高效的處理各類有機(jī)廢水，達(dá)到降低二氧化碳排放量、治理廢水污染及發(fā)電目的，為超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)與超臨界水氧化處理有機(jī)廢水系統(tǒng)的耦合運用提供了新的思路。
附圖說明
圖1為本發(fā)明的原理圖。
其中，1為二氧化碳儲罐、2為余熱回收器、3為主壓縮機(jī)、4為再壓縮機(jī)、5為低溫回?zé)崞鳌?為高溫回?zé)崞鳌?為第一熱源、8為高壓透平、9為低壓透平、10為發(fā)電機(jī)、11為工業(yè)水箱、12為廢水箱、13為水泵、14為超臨界水氧化反應(yīng)器、15為第一回?zé)崞鳌?6為第二熱源、17為第二回?zé)崞鳌?8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(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述：
參考圖1，本發(fā)明所述的超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電-廢水處理的耦合系統(tǒng)包括超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)及超臨界水氧化處理有機(jī)廢水的生產(chǎn)系統(tǒng)；所述超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)包括主壓縮機(jī)3、再壓縮機(jī)4、低溫回?zé)崞?、高溫回?zé)崞?、第一熱源7、高壓透平8、低壓透平9及發(fā)電機(jī)10；超臨界水氧化處理有機(jī)廢水的生產(chǎn)系統(tǒng)包括二氧化碳儲罐1、第一回?zé)崞?5、第二回?zé)崞?7、超臨界水氧化反應(yīng)器14、余熱回收器2、第二熱源16、第三熱源20、工業(yè)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(yè)水箱11的出口及廢水箱12的出口通過管道并管后再依次經(jīng)余熱回收器2的冷側(cè)、第一回?zé)崞?5的冷側(cè)及第二熱源16與超臨界水氧化反應(yīng)器14的預(yù)熱水入口相連通，液氧儲罐18的出口依次經(jīng)第二回?zé)崞?7的冷側(cè)及第三熱源20與高壓氣液分離器21的氣體出口通過管道并管后與超臨界水氧化反應(yīng)器14的入口相連通，超臨界水氧化反應(yīng)器14的出口依次經(jīng)第一回?zé)崞?5的熱側(cè)、第二回?zé)崞?7的熱側(cè)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(yè)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(zhì)出口依次經(jīng)高溫回?zé)崞?的熱側(cè)及低溫回?zé)崞?的熱側(cè)后分為兩路，其中一路與二氧化碳儲罐1的出口通過管道并管后依次經(jīng)余熱回收器2的熱側(cè)及主壓縮機(jī)3與低溫回?zé)崞?的冷側(cè)入口相連通，另一路依次經(jīng)再壓縮機(jī)4與低溫回?zé)崞?的冷側(cè)出口通過管道并管后再經(jīng)高溫回?zé)崞?的冷側(cè)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(jī)3、再壓縮機(jī)4、高壓透平8、低壓透平9及發(fā)電機(jī)10同軸布置。
本發(fā)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(yè)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的出口與余熱回收器2的冷側(cè)相連通；本發(fā)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的出口通過管道并管后與超臨界水氧化反應(yīng)器14的入口相連通；氣體分離器23的二氧化碳出口經(jīng)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(shè)有充裝閥34及排氣閥35。本發(fā)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?zé)崞?熱側(cè)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(jī)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的出口均與余熱回收器2熱側(cè)的入口相連通；
工業(yè)水箱11的底部出口處設(shè)有排水閥32；高壓氣液分離器21的液體出口經(jīng)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(jīng)液氧泵19與第二回?zé)崞?7的冷側(cè)入口相連通。
當(dāng)整個系統(tǒng)工作時，水泵13將工業(yè)水箱11內(nèi)的工業(yè)用水抽出，并通過余熱回收器2、第一回?zé)崞?5及的第二熱源16將溫度加熱至400-600℃，然后再進(jìn)入到超臨界水氧化反應(yīng)器14中，使超臨界水氧化反應(yīng)器14的內(nèi)部壓力穩(wěn)定在22-30MPa，從而使整個系統(tǒng)處于反應(yīng)條件，再通過液氧泵19將液氧儲罐18里的液氧抽出并加壓到系統(tǒng)壓力，然后再通過第二回?zé)崞?7及第三熱源20將氧氣溫度加熱到50-300℃之間，然后進(jìn)入到超臨界水氧化反應(yīng)器14中，再打開第二止回閥28，然后將工業(yè)水切換為廢水，使廢水與氧氣在超臨界水氧化反應(yīng)器14內(nèi)發(fā)生反應(yīng)，并產(chǎn)生以二氧化碳為主的氣體產(chǎn)物，氣體產(chǎn)物經(jīng)第一回?zé)崞?5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，并將分離出來的二氧化存儲到二氧化碳儲罐1中，當(dāng)二氧化碳儲罐1內(nèi)的壓力預(yù)設(shè)值時，則通過排氣閥35進(jìn)行排氣減壓，其中，常壓氣液分離器22分離出來的液體進(jìn)入到工業(yè)水箱11中；
待超臨界水氧化處理有機(jī)廢水的生產(chǎn)系統(tǒng)穩(wěn)定運行后，啟動超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，打開第八止回閥24，低溫低壓的二氧化碳?xì)怏w經(jīng)余熱回收器2及主壓縮機(jī)3升壓后進(jìn)入低溫回?zé)崞?，再經(jīng)低溫回?zé)崞?預(yù)熱、高溫回?zé)崞?換熱、第一熱源7加熱后進(jìn)入到高壓透平8中進(jìn)行發(fā)電，高壓透平8輸出的超臨界二氧化碳經(jīng)過第一熱源7回?zé)岷筮M(jìn)入低壓透平9進(jìn)行再次發(fā)電，低壓透平9輸出的乏氣依次再高溫回?zé)崞?放熱及低溫回?zé)崞?中放熱后分為兩路，其中一路進(jìn)入到余熱回收器2中繼續(xù)放熱，另一路進(jìn)入到再壓縮機(jī)4中進(jìn)行升壓，然后再與高溫回?zé)崞?冷側(cè)輸出的二氧化碳混合后進(jìn)入到高溫回?zé)崞?中進(jìn)行閉式循環(huán)，直至系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定。