[发明专利]一种碳循环系统及其应用

说明书

本发明公开了一种碳循环系统，包括CO₂产生系统、碳捕集装置、电转气装置和超临界CO₂发电厂，其中，该碳捕集系统捕获煤炭和天然气产生的二氧化碳，为电转气装置和超临界CO₂系统提供碳源。当电力系统的负荷需求较低时，通过碳捕集系统减少燃煤机组的最低输出，以容纳更多的可再生能源；多余的可再生能源发电量将被电转气装置所消耗。该碳循环系统可应用到包括新能源的综合能源系统优化调度中。

技术领域

本发明属于资源的循环利用与碳减排领域，特别涉及一种碳循环系统及其应用。

背景技术

近年来，可再生能源因其低排放和可持续性，在发电领域取得了长足发展。然而，可再生能源的随机性和波动性也给电力系统的安全运行带来了巨大的挑战。综合能源系统可将多种能源结合起来，在实现电力和热力的能源供需平衡的基础上，促进更多的新能源接入电网，减少碳排放。然而，并非所有的新能源出力都能得到充分的利用，造成资源的浪费与大量的碳排放。亟待解决回收由于燃煤和燃气产生的CO₂，以促进能源利用效率和实现碳减排。

发明目的

本发明的目的是提出一种促进能源利用效率与碳减排的碳循环系统及应用场景，以解决背景技术中存在的缺陷。本发明将所述碳循环系统运用在综合能源系统中，可为提高能源利用效率、新能源的渗透与低碳排放提供支撑。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种碳循环系统，包括CO₂产生子系统、碳捕集装置、电转气装置，其中，所述CO₂产生子系统包括以CH₄为燃料的燃气轮机GT、燃气锅炉GB，和以煤炭为燃料的热电联产CHP和超临界CO₂发电厂；所述碳捕集装置捕集CO₂产生子系统中所产生的CO₂，具体是从包括燃气轮机GT、燃气锅炉GB、热电联产CHP和超临界CO₂发电厂中所产生的烟气中分离和捕集CO₂，所述超临界CO₂发电厂采用S-CO₂机组发电；所被捕集的CO₂一部分进入超临界CO₂发电厂中作为补充工作液，一部分进入电转气装置P2G；所述碳循环系统被用于综合能源系统中，该综合能源系统包括发电装置、供热装置以及能源转换装置，所述发电装置包括风电或光伏的新能源发电装置、燃气轮机、燃气锅炉、热电联产和超临界CO₂发电厂；当所述新能源发电装置出力较高时，所述碳循环系统中的电转气装置P2G利用过剩的电力将一部分CO₂还原成CH₄并送至燃气轮机GT或燃气锅炉GB作为燃料。

根据本发明的另一个方面，提供了一种将上述碳循环系统用于综合能源系统优化调度的方法，包括以下步骤：

步骤1、建立CO₂产生过程模型：将发电过程中所产生的CO₂的来源指定为天然气和煤；对于天然气发电过程，将燃气轮机和燃气锅炉的输出表征为如式(1)所示：

其中P和H分别为机组的电功率和热功率输出，η为电或热的生产效率，Q为天然气的消耗速率，h_NG为天然气热值。上标GT和GB分别代表燃气轮机和燃气锅炉，下标i和j分别是燃气轮机和燃气锅炉的序列号；

将第i台燃气轮机和第j台燃气锅炉的二氧化碳排放量表征为如式(2)所示：

其中，为甲烷的密度，与分别为二氧化碳和甲烷的分子量；

将燃煤过程所产生的CO₂表征为如式(3)、式(4)所示：