CN105910295A - 一种耦合生物质和太阳能的分布式能源*** - Google Patents

一种耦合生物质和太阳能的分布式能源*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种耦合生物质和太阳能的分布式能源***，该***包括生物质预热器、生物质粉碎机、循环流化床气化炉、旋风分离除尘器、空气分流器、第一换热器、第二换热器、冷凝器、水泵、槽式太阳能集热器、燃气内燃机发电机组、烟气蒸汽型吸收式机组、第三换热器和固体吸收式除湿机组。本发明综合利用了生物质和太阳能两种可再生能源技术，同时对能源***能量进行体积利用。通过对不同能源优势互补，不同品位能源集成，使得该***总能***效率高达72.9％，该***对可再生能源利用，环境可持续发展提供了新思路。

Description

一种耦合生物质和太阳能的分布式能源***
技术领域
本发明涉及能源技术领域，特别是一种耦合生物质和太阳能的分布式能源***。
背景技术
近些年来，随着经济发展加快，全球能源需求不断增长，能源、环境和气候变化问题日益突出。大力开发利用可再生能源资源，降低化石能源消耗，维护生态稳定，共同推进人类社会可持续发展，已成为各国共识。开发资源储量大、清洁无污染的可再生能源对于可持续发展有着重要意义。其中太阳能和生物质因其独特的优势而被认为是化石燃料潜在的替代能源，其高效清洁利用技术受到广泛关注。
作为取之不尽，用之不竭的能源，以及其清洁性，太阳能利用是缓解能源短缺，降低环境污染的有效手段。通过太阳能光热技术将太阳辐射能转换成热能，以水作为直接传热工质，提供气化反应所需要的汽化潜热，转化为蒸汽内能，通过蒸汽内能的形式参与和生物质在较高温度下进行的气化反应，间接转化为合成气化学能，实现品位间接提升。
生物质是指通过光合作用而形成的各种有机体，可转化为固态、液态和气态燃料及化工原料或产品。同时在利用生成过程中实现了二氧化碳的零排放。在世界能源消耗中，生物质能占总能耗的14％，在发展中国家则可达40％。与其它能源相比，分布广泛、环境影响较小，可持续利用。然而也存在资源分布分散、能量密度低等缺点，直接燃烧生物质量利用效率低，释放烟气粉尘造成环境污染。生物质气化技术将低能量密度的生物质转化为使用方便的合成气，使得燃料的化学能转移到合成气中，提高燃气利用效率。
分布式能源***通过燃料燃烧的高品位热能用于发电，低品位热能用来供热、制冷或除湿，实现冷热电联产和能源的梯级利用。耦合生物质和太阳能的分布式能源***考虑太阳能经济性集热温度与生物质气化反应温度的特点，以及功、冷、湿并供实现能源的综合梯级利用，提高***的性能。分布式生物质气化供能***就近收集固体生物燃料，避免低密度原料长距离输送的能源消耗和费用，发挥产品多样性的优点，满足终端用户对气、冷、热、电、除湿等多种能源的需求，同时利用中低温太阳能集热量提供气化反应所需要的气化潜热，间接转化为合成气化学能，实现能量的品位提升。
目前对现有设计理念和实施方案的生物质联产***的研究存在的主要问题在：1)生物质联产***以生物质作为主要的原料来源，生物质能源利用方式较为单一。2)生物质联产***输出产品缺乏多样性，主要以热电产品为主，冷热电、甚至除湿应用较少，未能满足用户端对能量产品多元化的需求。3)通过生物质气化发电实现了对燃料化学能品位的提升，而如何高效利用生物质合成气和发电过程中的余热资源，实现能量的综合梯级利用也是需要解决的关键问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了最大限度的提高能源***总能效率，实现可再生能源互补集成，满足用户多元化的产品需求，提高余热资源综合梯级利用，本发明提出了一种耦合生物质和太阳能的分布式能源***。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明提供了一种耦合生物质和太阳能的分布式能源***，该***包括生物质预热器、生物质粉碎机、循环流化床气化炉、旋风分离除尘器、空气分流器、第一换热器、第二换热器、冷凝器、水泵、槽式太阳能集热器、燃气内燃机发电机组、烟气蒸汽型吸收式机组、第三换热器和固体吸收式除湿机组。
其中：生物质预热器，用于干燥生物质，降低生物质的含水量；生物质粉碎机，用于将生物质原料破碎成粉状物料；循环流化床气化炉，用于生物质和水蒸气参与气化反应，生成合成气，满足燃气内燃机发电机组燃料需求；旋风分离除尘器，用于对循环流化床气化炉出口的合成气进行除尘净化处理，除去燃气中的灰分及炭颗粒等杂质；空气分流器，用于利用预热的空气，一方面通入生物质预热器干燥生物质，一方面通入循环流化床气化炉满足气化反应的需求；第一换热器，利用合成气的高温热能预热空气，以生产热量，满足干燥生物质需求；第二换热器，利用合成气的高温热能产生120℃热水，满足满足烟气蒸汽型吸收式机组的热水需求；冷凝器，用于除去合成气中冷凝出来的水分；水泵，用于对0.1MPa、25℃水进行加压处理，通入到槽式太阳能集热器中；槽式太阳能集热器，以水作为吸热工质，利用太阳热能加热水，以生产水蒸气，满足循环流化床气化炉中气化反应的需求；燃气内燃机发电机组，利用经过净化处理的合成气做功发电，满足用户和维持机组正常运行的电需求；烟气蒸汽型吸收式机组，采用溴化锂溶液，用于利用燃气内燃机发电机组的烟气和第二换热器产生水蒸气为余热制取冷冻水，以满足用户制冷需求；第三换热器，用于利用溴化锂吸收式机组出口的余热，加热进口侧生活热水，满足用户生活热水需求；固体吸收式除湿机组，用于利用内燃机发电机组的缸套水余热，对需求建筑进行除湿，合理利用低温余热。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的耦合生物质和太阳能的分布式能源***，通过将太阳能和生物质两种可再生能源技术的有效整合，发挥各自的优势，充分利用太阳能热能，提高生物质气化过程效率，使得冷燃气效率达63.2％，同时实现不同可再生能源的对口合理利用，使得***总能源效率达72.9％。
2、本发明提供的耦合生物质和太阳能的分布式能源***，生物质作为一种储量丰富、洁净的可再生能源，通过一定技术手段将生长过程中吸收的二氧化碳重新释放到大气中，在一定程度上可实现二氧化碳零排放，从而减少温室气体排放；
3、本发明提供的耦合生物质和太阳能的分布式能源***，太阳能作为一种清洁的可再生能源，通过槽式太阳能集热器，以水为导热介质生成中温水蒸气，太阳能光热转换技术为气化反应提供一部分蒸汽的气化潜热，通过水蒸气参与生物质气化反应，将太阳能中低温热能间接转化为合成气化学能；
4、本发明提供的耦合生物质和太阳能的分布式能源***，通过将低能量密度的生物质转换为高品质的电能以及不同品位的热能如生活热水、供热、制冷，实现对能量***中能源的梯级利用；
5、本发明提供的耦合生物质和太阳能的分布式能源***，充分利用气化过程中合成气的余热资源，将合成气的高温余热资源进行回收，不仅进一步净化合成气，同时还充分利用合成气的余热能；
6、本发明提供的耦合生物质和太阳能的分布式能源***，***产品输出多元化：发电、生活热水、制冷，满足不同功能用户对多种能源的需求；
7、本发明提供的耦合生物质和太阳能的分布式能源***，直接面向用户，解决生物质分散、能量密度低的问题，为电网末端或偏远且生物质资源丰富的地区提供能量，降低输送过程中的能耗，提高***的总效率。
附图说明
图1是本发明提供的耦合生物质和太阳能的分布式能源***的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，是本发明提供的耦合生物质和太阳能的分布式能源***的示意图，该***包括生物质预热器、生物质粉碎机、循环流化床气化炉、旋风分离除尘器、空气分流器、第一换热器、第二换热器、冷凝器、水泵、槽式太阳能集热器、燃气内燃机发电机组、烟气蒸汽型吸收式机组、第三换热器和固体吸收式除湿机组。
生物质原料(1)在生物质预热器中经200℃的空气(9)预热，除去生物质原料中的外在水分，使得生物质原料水分含量降至10％左右。经过干燥处理的生物质原料(2)进入生物质粉碎机进行研磨，使生物质原料粒径在1-2mm范围内。经过干燥处理的生物质原料(3)进入循环流化床气化炉，与350℃的水蒸气(15)混合发生气化反应(气化压力为0.1MPa，气化温度为850℃)。含有固体颗粒物的高温合成气(4)首先进入旋风分离除尘器除去其中的灰分等固体颗粒物(29)，然后进入第一换热器进行热回收，预热空气(9)至200℃(10)，再通入第二换热器生产0.6MPa的水蒸气(18)用于为烟气蒸汽型吸收式机组提供余热，最终温度降至25℃的合成气(7)经冷凝器分离出冷凝水(30)。在第一换热器中经过高温合成气预热至200℃的空气(10)经过空气分流器分流，分别用于干燥生物质并参与气化反应作为气化剂。在太阳能集热过程中，25℃、0.1MPa的水(11)经水泵加压，通入槽式太阳能集热器中吸收中低温太阳热能，产生350℃的水蒸气(15)作为生物质气化反应的气化剂。
经过净化处理的合成气(8)通入燃气内燃机发电机组与空气(16)混合燃烧发电，产生400-500℃左右的烟气(17)首先进入烟气蒸汽型吸收式机组，产生7℃冷冻水(24)；然后进入第三换热器换热，产生80℃的生活热水(26)，最后120℃左右的烟气(17)排放至大气。与此同时，内燃机发电机组产生的低温缸套水(20)用于为固体吸收式除湿机组提供低温余热，产生符合除湿要求的空气(22)，为用户提供除湿负荷。
本发明所提供的耦合生物质和太阳能的分布式能源***装置在具体实施例中可采用主要参数如表1所示。选取稻壳作为研究对象，以1000kg/h木屑输入量进行计算，气化空气量为1820kg/h，水蒸气输入量为380kg/h。同时选取湖南地区太阳能辐照指标作为参考，年辐照时数1400-2200小时左右，年辐射总量4190-5016MJ/㎡，标准光照下年平均日照时间3.1-3.8小时。
表1
表2
本发明中太阳能集热量为324kW，占***总能量的输入比例为7.62％，生物质气化过程中冷燃气效率达63.2％，***总能源效率为72.9％。从设计分析中得知，本发明***实现冷、热、电、除湿的多输出，同时耦合多种可再生能源，实现了可再生能源的综合互补，同时减少了对化石能源的依赖。

Claims (7)

1.一种耦合生物质和太阳能的分布式能源***，其特征在于，该***包括生物质预热器、生物质粉碎机、循环流化床气化炉、旋风分离除尘器、空气分流器、第一换热器、第二换热器、冷凝器、水泵、槽式太阳能集热器、燃气内燃机发电机组、烟气蒸汽型吸收式机组、第三换热器和固体吸收式除湿机组，其中：
生物质预热器，用于干燥生物质，降低生物质的含水量；
生物质粉碎机，用于将生物质原料(农林废弃物)破碎成粉状物料；
循环流化床气化炉，用于生物质和水蒸气参与气化反应，生成合成气，满足燃气内燃机发电机组燃料需求；
旋风分离除尘器，用于对鼓泡流化床气化炉出口的合成气进行除尘净化处理，除去燃气中的灰分及炭颗粒；
空气分流器，用于利用预热的空气，一方面通入生物质预热器干燥生物质，一方面通入鼓泡流化床气化炉满足气化反应的需求；
第一换热器，利用合成气的高温热能预热空气，以生产热量，满足干燥生物质需求；
第二换热器，利用合成气的高温热能产生0.6MPa水蒸气，满足满足烟气蒸汽型吸收式机组的蒸汽需求；
冷凝器，用于除去合成气中冷凝出来的水分；
水泵，用于对0.1MPa、25℃水进行加压处理，通入到槽式太阳能集热器中；
槽式太阳能集热器，以水作为吸热工质，利用太阳热能加热水，以生产水蒸气，满足循环流化床气化炉中气化反应的需求；
燃气内燃机发电机组，利用经过净化处理的合成气做功发电，满足用户和维持机组正常运行的电需求；
烟气蒸汽型吸收式机组，采用溴化锂溶液，用于利用燃气内燃机发电机组的烟气和第二换热器产生水蒸气为余热制取冷冻水，以满足用户制冷需求；
第三换热器，用于利用溴化锂吸收式机组出口的余热，加热进口侧生活热水，满足用户生活热水需求；
固体吸收式除湿机组，用于利用内燃机发电机组的缸套水余热，对需求建筑进行除湿，合理利用低温余热。
2.根据权利要求1所述的耦合生物质和太阳能的分布式能源***，其特征在于，该分布式能源***输入原料为生物质和太阳能，为可再生能源之间互补。
3.根据权利要求1所述的耦合生物质和太阳能的分布式能源***，其特征在于，所述循环流化床气化炉中干燥后的生物质原料与槽式太阳能集热器出口的水蒸气一起参与气化反应，生成合成气。
4.根据权利要求1所述的耦合生物质和太阳能的分布式能源***，其特征在于，所述第二换热器中高温合成气用于产0.6MPa水蒸汽，用于提供烟气蒸汽型吸收式机组余热热源。
5.根据权利要求1所述的耦合生物质和太阳能的分布式能源***，其特征在于，所述空气分流器分成两股不同流量的预热空气，分别通入生物质预热器和循环流化床。
6.根据权利要求5所述的耦合生物质和太阳能的分布式能源***，其特征在于，所述生物质预热器利用预热过空气，对生物质原料进行预热，降低生物质含水量，提高气化反应效率。
7.根据权利要求5所述的耦合生物质和太阳能的分布式能源***，其特征在于，所述循环流化床气化炉中干燥后的生物质原料与空气分流器分流的一部分空气、槽式太阳能集热器出口的水蒸气一起参与气化反应，生成合成气。
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