[发明专利]利用地热能实现二氧化碳循环发电的装备系统及方法

说明书

本发明提供一种利用地热能实现二氧化碳循环发电的装备系统及方法，公开的系统包括液态CO₂储罐、高压泵/压缩机、地热能CO₂蓄能装置、地热生产井、稳流调节器、涡轮机/活塞式膨胀机、发电机、冷却器和CO₂压缩机；还公开以低压液态CO₂流体为工质，采用地热水与低温CO₂流体热交换形成不同温度、不同压力、不同能量密度的超临界CO₂流体后，经稳流调节器调节成等压超临界CO₂流体后实现发电的方法。该装备系统及方法采用地热生产井中70～300℃的地热水中的热能对液态CO₂进行蓄能，调质后实现二氧化碳循环发电，能够高效回收热能量，具有较高的热效率，有效存储并利用地热中的能量，实现能量的灵活调节利用。

技术领域

本发明涉及低碳与能源利用设备的技术领域，具体涉及一种利用地热能实现二氧化碳循环发电的装备系统及方法。

背景技术

气候变化已成为影响人类生存和发展的问题之一，而工业排放的二氧化碳被认为是导致气候变暖的主要原因。我国作为世界上最大的发展中国家，以煤炭为主的一次能源和以火力发电为主的二次能源作为能源结构。随着经济总量的迅速增长，一次能源和二次能源的CO₂排放具有增长快、总量大的特点，为应对气候变化发展低碳能源尤其是可再生能源和新能源已成为人们的共识，地热资源利用发电及超临界二氧化碳发电等已受到广泛关注。

地热主要是地球内部长寿命放射性同位素热核反应产生的热能。离地球表面5000米深，15℃以上的岩石和液体的总含热量，据推算约为14.5×10²¹KJ，约相当于4948万亿吨标准煤的热量。按照其储存形式，地热资源可分为蒸汽型、热水型、地压型、干热岩型和熔岩型5大类。我国将地热资源按温度划分为高温地热(高于150℃)和中低温地热(低于150℃)，高温地热主要用于发电，中低温地热通常直接用于采暖、工农业加温、水产养殖及医疗和洗浴等。我国地热资源分布广泛，资源丰富。全国地热可开采资源量为每年68亿立方米，所含地热量为973万亿千焦耳。据河北省地矿局计算，仅河北平原可采地热资源量达4.93×10²⁰KJ，相当于168147亿吨标准煤。该区域地热资源主要赋存于上第三系砂岩和古生界及中上元古界的古潜山碳酸盐岩储水层，主要分布在华北断坳构造沉降区，热储层埋藏深度较浅，埋深3000m以浅地热资源分布广泛，出水口热水温度最高达96℃。虽说有各种梯级开发应用方案，但目前地热资源开发利用类型单一，废弃的地热水温度高，地热资源远未得到充分利用，浪费严重。迫切需要新的技术方案实现地热资源的可持续利用，发挥地热资源在发展低碳经济产业和节能减排中的作用。

为此，国内外科技工作者进行了大量的研究，其中由中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司申请的中国专利CN204672103U提供的“一种利用地热的二氧化碳捕集、发电与封存装置”代表了先进技术水平，其将经冷却器冷却的CO₂压缩液化压入地热层，一部分二氧化碳永久封存在地下，一部分二氧化碳在地热层中加热增压后通过管道输送至地面，在二氧化碳膨胀机中转化为机械能带动二氧化碳发电机产生电力。但该方案存在如下主要问题：其一，将液化CO₂压入地热层再从另一处钻井用管道引出，投资大、耗能大；其二，液化CO₂压入地热层，除风险大、且客观上不可控、易发生安全事故外，压入的CO₂还将酸化地质并置换出地质层大量的烃类如甲烷等进入大气生态圈，造成不可预期的环境危害。