CN108692480A - 一种基于生物质气化和地源热泵的分布式多联产*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于生物质气化和地源热泵的分布式多联产***，该分布式多联产***包括气化炉、第一换热器、第二换热器、第三换热器、净化除尘器、内燃机、烟气热水型吸收式制冷机、第四换热器、第五换热器、压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器、水泵和地下换热器。本发明集成了生物质气化和地源热泵两种能源技术，通过***集成及能源梯级利用实现了两种能源高效应用。该***总能效率高达80％以上，对于可再生能源集成，优化既有能源供应***结构，降低环境碳排放具有重要现实意义。

Description

一种基于生物质气化和地源热泵的分布式多联产***

技术领域

本发明涉及生物质与地热能利用技术领域，特别是一种基于生物质气化和地源热泵的分布式多联产***。

背景技术

作为国家经济的基础，也是人类赖以生存和发展的物质基础，能源占有举足轻重的低位。随着社会发展及人民生活水平提高，能源消耗不断增加。从2005年到2015年，全球能源消耗增长显著。同时，随着科技进步和环保意识的提高，除了追求高效的能源供应***之外，还希望能源结构正朝着清洁化、低碳化方向前进。

分布式多联产***是建立在用户端，考虑用户不同能量产品需求的一种新型能源***，通过就近布置降低输送损失，同时减少初始投资。此外，考虑用户的产品需求，使得能源利用更为合理。由于其独立性、能源高效利用以及环境友好型而受到广泛关注。分布式多联产***是基于物理能和化学能的综合梯级利用原理，根据不同输入能源及输出能源的品位实现对口应用，因此其能量利用更加合理，总体能源效率更加突出。随着化石燃料的大规模利用，所带来的环境问题日益突出，而可再生能源的应用有利于降低环境影响。根据国家能源发展战略行动计划指出，通过优化能源结构，大幅度增加风电、太阳能、地热能等可再生能源的比例，争取到2020年非化石能源占一次能源消费比重达15％左右。因此，基于可再生能源的分布式多联产***不仅能降低环境影响，更符合目前可持续发展的战略需求。

生物质资源根据不同的来源可以进行分类，如农林水产类、废弃物类和种植型类等，但都主要通过光合作用将太阳能储存与其内部，本质意义是生物质是太阳能的一种。由于其排放二氧化碳循环周期与化石能源相比时间很短，经常被称作碳中性燃料。此外，生物质资源丰富、再生周期短、易于获得，但是也存在能量密度低等特点。因此，需要通过一定技术手段对生物质加以利用。常见的利用方式有裂解、气化、液化和燃烧等，而生物质气化技术通过将固体或液体生物燃料转化为气体燃料易于储存并加以利用而受到广泛关注。地源热泵通过利用高品位电能将低品位热能转移到高品位热能加以进一步利用，是利用浅层地热能的一种有效方式，由于地热能不受季节和气候的影响，使得其利用相对稳定。但是，目前对现有设计理念和实施方案的基于生物质和浅层地热能利用的能源***研究存在的主要问题有：1)可再生能源既有耦合方式缺乏集成深度；2)联产***烟气利用缺乏一定合理性，导致余热利用效率较低；3)联产***输出产品配比单一，缺乏一定灵活性及可调性；4)单一地源热泵运行COP较低，造成其能量损失及损都较大。因此，通过生物质气化与地源热泵两者相结合，实现生物质与浅层地热能不同品位能量的高效梯级利用是需要解决的关键问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了进一步提高集成多种可再生能源利用效率，满足不同用户的需求，本发明提出了一种基于生物质气化和地源热泵的分布式多联产***。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明提供了一种基于生物质气化和地源热泵的分布式多联产***，其特征在于，该***包括气化炉、第一换热器、第二换热器、第三换热器、净化除尘器、内燃机、烟气热水型吸收式制冷机、第四换热器、第五换热器、压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器、水泵和地下换热器，其中：气化炉，用于将生物质和第一换热器出口的水蒸气、第二换热器出口的高温空气一起参与气化反应，生成生物质合成气，满足后续内燃机发电的燃料需求；第一换热器，利用气化炉出口高温生物质合成气加热来自于第四换热器出口的中温水，从而产生水蒸气，满足生物质气化炉中气化反应的需求；第二换热器，利用第一换热器出口生物质合成气的高温热能预热空气，从而满足生物质气化炉中气化反应的需求；第三换热器，利用第二换热器出口生物质合成气的中温热能加热来自于内燃机的缸套水，提高进入烟气热水型吸收式制冷机的缸套水温度；净化除尘器，用于对第三换热器出口生物质合成气进行净化除尘处理，出去合成气中的灰分和冷凝水；内燃机，利用经过降温净化处理的净化除尘器出口常温合成气驱动内燃机发电；烟气热水型吸收式制冷机，利用内燃机出口一部分高温烟气和经过第三换热器加热的缸套水热能产冷冻水，从而满足用户冷量需求；第四换热器，利用烟气热水型吸收式制冷机出口烟气热能预热常温常压水；第五换热器，利用内燃机出口一部分烟气再热冷凝器出口中温水，从而生产用户所需热水(50-55℃)，满足用户热水需求；水泵，用于对蒸发器出口的水进行加压，使其通入到地下换热器中进行换热；地下换热器，利用水泵出口的水与地下介质进行换热，提供蒸发器换热所需热量；蒸发器，利用地下换热器出口的水的热量加热制冷剂，从而通入到压缩机中；压缩机，用于对蒸发器出口的制冷剂加压处理，使制冷剂达到过热状态；冷凝器，利用压缩机出口的制冷剂热量，加热进口侧常温常压水至35-45℃的中温水；节流阀，用于对冷凝器出口制冷剂进行节流降温降压，使得制冷剂达到湿蒸汽状态。

(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、本发明提供的基于生物质气化和地源热泵的分布式多联产***，通过生物质气化和地源热泵技术相结合，实现对生物质和浅层地热能的耦合应用，不仅能降低对化石能源的消耗，更能降低二氧化碳排放。

2、本发明提供的基于生物质气化和地源热泵的分布式多联产***，通过生物质与利用生物质合成气预热后的空气、水蒸气一起参与气化反应，生成高温合成气通过内燃机做功发电，实现生物质化学能向电力的转化。

3、本发明提供的基于生物质气化和地源热泵的分布式多联产***，通过利用生物质合成气的热能加热缸套水，增加进入烟气热水型吸收式制冷机的热水温度，从而提升制冷机冷量输出。

4、本发明提供的基于生物质气化和地源热泵的分布式多联产***，依次通过冷凝器和第五换热器实现常温水温度的分级提升，同时通过内燃机发电驱动压缩机正常运行。

5、本发明提供的基于生物质气化和地源热泵的分布式多联产***，内燃机高温排烟一部分通入烟气热水型吸收式制冷机，一部分通入第五换热器，通过控制分流比实现冷热产品分配，从而调节冷热产品比例，增强分布式多联产***灵活性。

附图说明

图1是本发明提供的基于生物质气化和地源热泵的分布式多联产***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，是本发明提供的基于生物质气化和地源热泵的分布式多联产***的示意图，该***包括气化炉、第一换热器、第二换热器、第三换热器、净化除尘器、内燃机、烟气热水型吸收式制冷机、第四换热器、第五换热器、压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器、水泵和地下换热器。

生物质原料(1)与经过第一换热器预热的水蒸气(13)、经过第二换热器预热的空气(15)一起进入生物质气化炉，发生气化反应生成高温生物质合成气(2)，然后进入第一换热器中，利用合成气高温热能加热来自于第四换热器出口的水(12)，经过加热的高温水蒸气(13)进入气化炉参与气化反应，随后高温合成气(3)进入第二换热器预热空气(14)，经过预热的空气(15)进入气化炉参与气化反应。合成气进入第三换热器用于加热来自内燃机的缸套水(16)，从而提高进入烟气热水型吸收式制冷机中缸套水(17)温度，经过降温处理的生物质合成气(5)进入净化除尘器中出去灰分和冷凝水(33)。常温常压合成气(6)随后通入内燃机发电做功，生产高温烟气(7)一部分通入烟气热水型吸收式制冷机驱动制冷剂产冷冻水(25)，另一部分进入第五换热器进一步再热地源热泵子***中冷凝器出口中温水(22)，同时烟气热水型吸收式制冷机出口中温烟气(9)通入第四换热器中用于预热进入第一换热器中的水(11)。在地源热泵子***中制冷剂(28)与地下换热器中水(30)进行换热，从而间接吸收来自土壤的热量，经过加热的制冷剂(29)进入压缩机，进一步压缩成过热状态(26)，随后制冷剂进入冷凝器中与常温常压水进行换热产中温水(22)，经过冷凝的制冷剂(27)进入节流阀节流降压处理，随后通入蒸发器完成热泵热力循环。此外，内燃机所发电力一方面提供用户需求，另一方面用于维持压缩机和水泵正常运行所需电量。

本发明所提供的基于生物质气化和地源热泵的分布式多联产***装置在具体实施例中可采用主要参数如表1所示。选取农村地区常见的稻壳作为研究对象，以1600kg/h稻壳输入量进行***性能计算，空气输入量为600kg/h，为方便计算，内燃机高温排烟按1:1分别通入烟气热水型吸收式制冷机和第五换热器中，选取R22作为制冷剂。

表1

表2

本发明中地热能输入量为1000kW，经过地源热泵利用浅层地热能，其总能效率达80.65％。该耦合***集成生物质和浅层地热能两种可再生能源，同时提升了多联产***总能效率，实现了不同可再生能源***集成互补。

Claims (6)

1.一种基于生物质气化和地源热泵的分布式多联产***，其特征在于，该***包括气化炉、第一换热器、第二换热器、第三换热器、净化除尘器、内燃机、烟气热水型吸收式制冷机、第四换热器、第五换热器、压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器、水泵和地下换热器，其中：

气化炉，用于将生物质和第一换热器出口的水蒸气、第二换热器出口的高温空气一起参与气化反应，生成生物质合成气，满足后续内燃机发电的燃料需求；

第一换热器，利用气化炉出口高温生物质合成气加热来自于第四换热器出口的中温水，从而产生水蒸气，满足生物质气化炉中气化反应的需求；

第二换热器，利用第一换热器出口生物质合成气的高温热能预热空气，从而满足生物质气化炉中气化反应的需求；

第三换热器，利用第二换热器出口生物质合成气的中温热能加热来自于内燃机的缸套水，提高进入烟气热水型吸收式制冷机的缸套水温度；

净化除尘器，用于对第三换热器出口生物质合成气进行净化除尘处理，出去合成气中的灰分和冷凝水；

内燃机，利用经过降温净化处理的净化除尘器出口常温合成气驱动内燃机发电；

烟气热水型吸收式制冷机，利用内燃机出口一部分高温烟气和经过第三换热器加热的缸套水热能产冷冻水，从而满足用户冷量需求；

第四换热器，利用烟气热水型吸收式制冷机出口烟气热能预热常温常压水；

第五换热器，利用内燃机出口一部分烟气再热冷凝器出口中温水，从而生产用户所需热水(50-55℃)，满足用户热水需求；

水泵，用于对蒸发器出口的水进行加压，使其通入到地下换热器中进行换热；

地下换热器，利用水泵出口的水与地下介质进行换热，提供蒸发器换热所需热量；

蒸发器，利用地下换热器出口的水的热量加热制冷剂，从而通入到压缩机中；

压缩机，用于对蒸发器出口的制冷剂加压处理，使制冷剂达到过热状态；

冷凝器，利用压缩机出口的制冷剂热量，加热进口侧常温常压水至35-45℃的中温水；

节流阀，用于对冷凝器出口制冷剂进行节流降温降压，使得制冷剂达到湿蒸汽状态。

2.根据权利要求1所述的基于生物质气化和地源热泵的分布式多联产***，其特征在于，所述第三换热器利用生物质合成气中温热能进一步加热内燃机出口缸套水，从而提高进入烟气热水型吸收式制冷机的热水温度。

3.根据权利要求1所述的基于生物质气化和地源热泵的分布式多联产***，其特征在于，所述内燃机出口高温烟气一部分用于驱动烟气热水型吸收式制冷机产冷冻水，另一部分用于再热冷凝器出口中温水产热水。

4.根据权利要求1所述的基于生物质气化和地源热泵的分布式多联产***，其特征在于，所述第四换热器中利用烟气热水型吸收式制冷机出口中温烟气预热进入生物质气化炉的水，一方面进一步利用烟气中低温余热，另一方面提高进入第一换热器水温。

5.根据权利要求1所述的基于生物质气化和地源热泵的分布式多联产***，其特征在于，所述冷凝器将常温水加热至35-45℃的中温水，通过第五换热器进一步将中温水加热至50-55℃的热水，从而满足用户热水需求。

6.根据权利要求1所述的基于生物质气化和地源热泵的分布式多联产***，其特征在于，所述内燃机发电一方面满足用户电力需求，另一方面提供压缩机和水泵正常运行所需电力。