本發明涉及一種直接燃燒加熱的超臨界二氧化碳動力循環系統和方法。
背景技術：
清潔、高效、經濟是發電技術進步所追求的核心目標，尋找新的能源形式替代傳統的化石能源和開發新的、更先進的能量轉換方式是實現這一目標的兩個方向。當今世界，化石燃料發電仍將長期占據電力結構的主體地位，所以提高發電效率、減少排放、降低發電成本是技術創新的主要方向。
近年來，超臨界二氧化碳動力循環成為研究熱點，并且被認為具有諸多潛在優勢。二氧化碳的臨界點為31℃/7.4MPa，在溫度和壓力超過臨界點時的狀態為超臨界態。超臨界二氧化碳動力循環的研究始于上世紀四十年代，在六、七十年代取得階段性研究成果，之后主要由于透平機械、緊湊式熱交換器制造技術不成熟而中止，直至本世紀初，超臨界二氧化碳動力循環的研究在美國再度興起，并為世界其它國家所關注。由于二氧化碳化學性質穩定、密度高、無毒性、低成本、循環系統簡單、結構緊湊、效率高，超臨界二氧化碳動力循環被認為在火力發電、第四代核能發電、聚光型太陽能熱發電、余熱發電、地熱發電等領域具有良好的應用前景。
超臨界二氧化碳動力循環有兩種方式：一是直接燃燒加熱方式(半閉式)，二是間接加熱方式(閉式)。直接燃燒加熱循環的特點是超臨界二氧化碳在燃燒器中被燃氣直接加熱至高溫，燃燒產物在透平出口后的處理工藝中排放或收集；間接加熱循環的特點是超臨界二氧化碳通過換熱器從熱源中吸收熱量，間接加熱至高溫，工質不接觸熱源介質，熱源和動力循環是相對獨立的系統。間接加熱循環的透平入口溫度低于直接燃燒加熱循環。兩種循環方式的共同點是均采用回熱手段，以及臨界點附近壓縮以減少做功，這是其具有高循環效率的兩個關鍵因素。
直接燃燒加熱的超臨界二氧化碳動力循環可以達到更高的工作溫度，有利于充分發揮超臨界二氧化碳動力循環的高效率優勢，并且后端的燃燒產物處理工藝簡單，有望替代整體煤氣化聯合循環和天然氣聯合循環，實現比燃氣輪機-蒸汽輪機發電更高效率和更低排放。目前，行業上研究較多的是采用純氧燃燒而非空氣燃燒，以避免產生氮氧化物，但由此帶來的問題是系統中需要配備空氣分離裝置來供給氧氣，空氣分離裝置在整個系統造價中占有較大的比例。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題是如何采用空氣燃燒的方法直接加熱超臨界二氧化碳使其動力循環。
為了解決上述技術問題，本發明的技術方案是提供了一種直接燃燒加熱的超臨界二氧化碳動力循環系統，其特征在于，包括泵，泵的出口連接回熱器低壓側的入口，回熱器低壓側的出口依次連接第一冷卻器、水分離器、壓縮機、第二冷卻器、氣體分離器，水分離器底部設有疏水口，氣體分離器的頂部設有排氣口，底部連接泵的入口；回熱器的高壓側依次通過燃燒器、透平形成回路，燃燒器上設有氣體燃料入口、空氣入口，透平與發電機連接。
優選地，所述泵的出口處設有二氧化碳排放口一或/和入口處設有二氧化碳排放口二。
各部件的作用如下：
泵，用于將液態的二氧化碳增壓至高壓，泵的入口和出口分別設有二氧化碳排放口，可用于收集燃燒產生的多余二氧化碳，兩個排放口排出的二氧化碳溫度和壓力不同；
具有高壓側進口、高壓側出口、低壓側進口、低壓側出口的回熱器，泵產生的高壓二氧化碳經由高壓側進口進入后自高壓側出口輸出至燃燒器，透平排出的低壓二氧化碳經由低壓側進口進入后自低壓側出口輸出至第一冷卻器；
燃燒器，同時輸入來自回熱器的二氧化碳、氣體燃料、空氣，燃料與空氣燃燒產生的熱量加熱二氧化碳，在燃燒器出口，二氧化碳工質和燃燒產物及其它殘余氣體達到設定溫度，然后輸出給透平；
透平，與發電機相連，做功產生的混合介質經由低壓側進口輸入回熱器；
第一冷卻器，用于冷卻回熱器的低壓側出口輸出的混合介質，使其中的水轉變為液體；
水分離器，將自第一冷卻器的混合介質中的水與氣體分離，分離后的水通過疏水口收集，分離后的氣體進入壓縮機；
壓縮機，用于將氣態的二氧化碳增壓至臨界壓力以上；
第二冷卻器，用于冷卻來自壓縮機混合介質，使其中的二氧化碳轉變為液體；
氣體分離器，將自第二冷卻器的混合介質中的二氧化碳與氣體分離，分離后的氣體(主要成分為氮氣)通過排氣口收集，分離后的二氧化碳進入泵。
本發明還提供了一種直接燃燒加熱的超臨界二氧化碳動力循環的方法，其特征在于，采用上述直接燃燒加熱的超臨界二氧化碳動力循環系統，具體步驟為：由泵將二氧化碳增壓后送入回熱器內，二氧化碳在回熱器內被自低壓側進口送入的混合介質加熱后自高壓側出口送至燃燒器，燃燒器中燃料燃燒產生熱量及燃燒產物，高溫混合介質自燃燒器出口進入透平做功并推動發電機，透平出口混合介質由低壓側進口進入回熱器，換熱后的混合介質進入第一冷卻器將水液化，通過水分離器后，水從疏水口排出收集，氣體介質進入壓縮機增壓，壓縮機出口的混合介質經第二冷卻器使二氧化碳液化，在氣體分離器中，氣體通過排氣口排放或收集，液體二氧化碳進入泵，多余的二氧化碳可以由泵出口或入口設置的可選二氧化碳排放口一或可選二氧化碳排放口二收集。
優選地，所述泵將二氧化碳增壓至25-35MPa。
優選地，所述燃燒器可以通過泵出口至回熱器出口之間的二氧化碳管路中引出一旁路進行冷卻。
優選地，所述透平可以通過泵出口至回熱器出口之間的二氧化碳管路中引出一旁路進行冷卻。
優選地，所述燃燒器可以通過控制燃燒溫度、采用燃氣輪機燃燒室的低氮燃燒技術(如：注蒸汽或水、干式低氮燃燒)，減少氮氧化物的生成。
優選地，所述水分離器疏水口收集的水可以處理后利用或排放到環境。
優選地，所述氣體分離器排放口收集的氣體可以處理后利用或排放到環境。
優選地，所述泵的入口或出口可設置二氧化碳排放口，用于收集燃燒產生的多余二氧化碳。
優選地，所述壓縮機可以采用中間冷卻，以減少做功損耗。
與現有技術相比，本發明的有益效果是：
1、本發明的燃燒器中引入氣體燃料、空氣和循環回路中的二氧化碳，不需要采用空氣分離裝置生產純氧作為燃燒的氧化劑。
2、本發明的氮氧化物排放既可以在燃燒過程中加以控制也可以在排放氣體的后處理中加以控制，或者在允許的條件下直接排放。
附圖說明
圖1為本發明提供的一種直接燃燒加熱的超臨界二氧化碳動力循環系統的示意圖。
具體實施方式
為使本發明更明顯易懂，茲以優選實施例，并配合附圖作詳細說明如下。
實施例
如圖1所示，為本發明提供的一種直接燃燒加熱的超臨界二氧化碳動力循環系統，其包括泵1，泵1的出口連接回熱器3低壓側的入口，回熱器3低壓側的出口依次連接第一冷卻器9、水分離器10、壓縮機12、第二冷卻器13、氣體分離器14，水分離器10底部設有疏水口11，氣體分離器14的頂部設有排氣口15，底部連接泵1的入口；回熱器3的高壓側依次通過燃燒器4、透平7形成回路，燃燒器4上設有氣體燃料入口5、空氣入口6，透平7與發電機8連接。泵1的出口處設有二氧化碳排放口一2，入口處設有二氧化碳排放口二16。各個設備之間通過管道連接，根據系統控制需要，管道上可布置閥門、儀表。組成系統的其它部分還有輔助設施、電氣系統、儀控系統等。
一種直接燃燒加熱的超臨界二氧化碳動力循環系統的方法：
由泵1將二氧化碳工質增壓至30MPa，然后自高壓側進口送入回熱器3內，二氧化碳工質在回熱器3內被自低壓側進口送入的混合介質加熱后自高壓側出口送至燃燒器4，燃燒器4中燃料燃燒產生熱量及燃燒產物，高溫混合介質自燃燒器4出口，溫度可達到1000℃以上，進入透平7做功并推動發電機8，透平7出口混合介質由低壓側進口進入回熱器3，換熱后的混合介質進入第一冷卻器9將水液化，通過水分離器10后，水從疏水口11排出收集，氣體介質進入壓縮機12增壓至8MPa，壓縮機12出口的混合介質經第二冷卻器13使二氧化碳液化，在氣體分離器14中，氣體通過排放口15排放或收集，液體二氧化碳進入泵1，多余的二氧化碳由泵1出入口處的二氧化碳排放口一2、二氧化碳排放口二16收集。
超臨界二氧化碳動力循環的燃燒器4出口溫度在設計、氮氧化物生成、成本可接受的范圍內盡可能地高，以達到更高的效率，可達1000℃以上。透平7的膨脹比可根據最優化循環效率或滿足其它設計要求選取。壓縮機12的出口壓力根據第二冷卻器13的冷卻能力設定，確保第二冷卻器13出口的二氧化碳轉變為液體，而其它介質仍為氣體。