CN110985153A - 一种基于化学链燃烧的分布式能源*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于化学链燃烧的分布式能源***，其包括空气反应单元、燃料反应单元以及冷热电三联供单元，所述空气反应单元与所述燃气反应单元相连接并形成回路，所述空气反应单元和所述燃气反应单元均与所述冷热电三联供单元相连接，以为所述冷热电三联供单元提供热源。本发明通过通过天然气的化学链燃烧方式使得天然气完全氧化，CO2的分离操作简单、廉价，且甲烷化学链燃烧供热比直接燃烧供热方式效率更高。同时再利用利用化学链燃烧产生的余热为冷热电三联供单元提供热源，实现了冷热电三联供单元的发电、供热以及供冷，从而提高了基于化学链燃烧的分布式能源***的能源利用率。

Description

一种基于化学链燃烧的分布式能源***
技术领域
本发明涉及燃气技术领域，特别涉及一种基于化学链燃烧的分布式能源***。
背景技术
分布式能源***(Distributed energy sources)是指分布在用户端的能源综合利用***，是目前在发达国家广泛应用以及我国政府积极倡导的一种先进能源***技术。分布式供能***多使用天然气等清洁能源，按照能源梯级利用的原则，采用高品位能源发电、低品位能源供热、制冷或除湿的方式，在满足用户多种形式用能的同时，达到最大化能源利用效率，控制排放污染的作用。
天然气是一种国际公认可以规模化应用的高品质的清洁能源，也是正在进行中的能源大转型主要能源，未来发展潜力巨大。2011年国家***和能源局等四部委联合下发了《关于发展天然气分布式能源的指导意见》，在全国提倡大力发展天然气分布式能源。但是目前在北京、上海等城市建成的分布式能源站中发电端均采用的大规模燃气内燃机或燃气轮机直接燃烧天然气发电，发电效率仅为35％-45％，能源利用率不达标造成能源浪费。
因而现有技术还有待改进和提高。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种基于化学链燃烧的分布式能源***，通过利用化学链燃烧产生的余热进行额外发电、制冷以及制热，提高了能源利用率。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种基于化学链燃烧的分布式能源***，其包括空气反应单元、燃料反应单元以及冷热电三联供单元，所述空气反应单元与所述燃气反应单元相连接并形成回路，所述空气反应单元和所述燃气反应单元均与所述冷热电三联供单元相连接，以为所述冷热电三联供单元提供热源。
所述基于化学链燃烧的分布式能源***，其中，所述空气反应单元包括空气反应器、第一换热器以及第一发电装置；所述第一换热器分别与冷热电三联供单元和所述空气反应器相连接，所述空气反应器与所述第一发电装置相连接，所述第一发电装置与所述第一换热器相连接。
所述基于化学链燃烧的分布式能源***，其中，所述燃料反应单元包括燃料反应器、第二换热器以及第二发电装置；所述第二换热器分别与冷热电三联供单元和所述燃料反应器相连接，所述燃料反应器与所述第二发电装置相连接，所述第二发电装置与所述第二换热器相连接。
所述基于化学链燃烧的分布式能源***，其中，所述空气反应单元与所述燃气反应单元相连接并形成回路的氧载体的活性成分为NiO，并且以Al2O3作为支架。
所述基于化学链燃烧的分布式能源***，其中，所述NiO的质量分数为35％-45％。
所述基于化学链燃烧的分布式能源***，其中，所述冷热电三联供单元包括余热回收装置、冷热单元以及第三发电装置，所述余热回收装置分别与所述空气反应单元和燃料反应单元，所述余热回收装置、第三发电装置以及冷热单元依次连接以形成回路。
所述基于化学链燃烧的分布式能源***，其中，所述冷热单元包括制冷机构和制热机构，所述制冷机构和所述制热机构并联设置且均可单独启动。
所述基于化学链燃烧的分布式能源***，其中，所述冷热电三联供单元还包括冷凝器和加压泵，所述冷凝器与所述加压泵依次连接于所述冷热单元与所述余热回收装置之间。
所述基于化学链燃烧的分布式能源***，其中，所述冷热电三联供单元还包括第三换热器和回收装置，所述余热回收装置通过所述第三换热器与所述回收装置相连接。
有益效果：与现有技术相比，本发明提供了一种基于化学链燃烧的分布式能源***，其包括空气反应单元、燃料反应单元以及冷热电三联供单元，所述空气反应单元与所述燃气反应单元相连接并形成回路，所述空气反应单元和所述燃气反应单元均与所述冷热电三联供单元相连接，以为所述冷热电三联供单元提供热源。本发明通过通过天然气的化学链燃烧方式使得天然气完全氧化，CO2的分离操作简单、廉价，且甲烷化学链燃烧供热比直接燃烧供热方式效率更高。同时再利用利用化学链燃烧产生的余热为冷热电三联供单元提供热源，实现了冷热电三联供单元的发电、供热以及供冷，从而提高了基于化学链燃烧的分布式能源***的能源利用率。
附图说明
图1为本发明提供的基于化学链燃烧的分布式能源***的结构原理图。
具体实施方式
本发明提供一种基于化学链燃烧的分布式能源***，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
下面结合附图，通过对实施例的描述，对发明内容作进一步说明。
本实施提供了一种基于化学链燃烧的分布式能源***，如图1所示，所述***包括空气反应单元100、燃料反应单元200以及冷热电三联供单元300，所述空气反应单元100与所述燃料反应单元200相连接并形成回路，所述空气反应单元100和所述燃料反应单元200均与所述冷热电三联供单元300相连接，以为所述冷热电三联供单元300提供热源。在本实施例中，空气流入空气反应单元100，天然气9流入燃料反应单元200，所述空气在空气反应单元100以及天然气9在燃料反应单元200内发生化学链燃烧，并且反应产生的烟气以及反应产物气流分别流入冷热电三联供单元300，以通过所述冷热电三联供单元300回收所述烟气和反应物携带的热量，并将回收得到的热量用于发电、制冷以及制热，从而提高了基于化学链燃烧的分布式能源***的能源利用率。其中，所述反应产物包括CO2及H2O。
进一步，所述空气反应单元100包括空气反应器2、第一换热器6以及第一发电装置8；所述第一换热器6的空气出口与所述空气反应器2的空气进口通过管路连接，所述空气反应器2的出口与第一发电装置8的进口通过管路连接，所述第一发电装置8的出口与第一换热器6的进口通过管路相连接，所述第一换热器6的出口通过管路与冷热电三联供单元300连通。空气10通过第一换热器6的空气进口进入第一换热器6，并与流经第一换热器6的反应产物气流进行热交换以对空气进行预热，预热后的空气10流入空气反应器2并在空气反应器2内进行化学链燃烧，化学链燃烧产生的反应产物气流流经第一发电装置8，第一发电装置8利用反应产物气流携带热量进行发电，经过第一发电装置8的反应产物气流流入第一换热器6，并经过第一换热器6的反应产物气流进入冷热电三联供单元300。此外，在本实施例的一个实现方式中，为了使得空气的压力可以满足空气反应器2反应的需求，所述第一换热器6的空气进口前设置有空气压缩机4，空气通空气压缩机4加压后流入第一换热器6，并通过第一换热器6进行预设，以使得流入空气反应器2的空气处于高温高压状态。
进一步，所述燃料反应单元200包括燃料反应器1、第二换热器5以及第二发电装置7；所述第二换热器5的燃料出口与所述燃料反应器1的燃料进口通过管路连接，所述燃料反应器1的出口与第二发电装置7的进口通过管路连接，所述第二发电装置7的出口与第二换热器5的进口通过管路相连接，所述第二换热器5的出口通过管路与冷热电三联供单元300连通。天然气9通过第二换热器5的空气进口进入第二换热器5，并与流经第二换热器5的烟气进行热交换以对天然气9进行预热，预热后的天然气9流入燃料反应器1并在燃料反应器1内进行化学链燃烧，化学链燃烧产生的烟气流经第二发电装置7，第二发电装置7利用烟气携带的热量进行发电，经过第二发电装置7的烟气流入第二换热器5，经过第二换热器5的烟气进入冷热电三联供单元300。此外，在本实施例的一个实现方式中，为了使得天然气9的压力可以满足燃料反应器1反应的需求，所述第二换热器5的空气进口前设置有燃料压缩机3，天然气9燃料压缩机3加压后流入第二换热器5，并通过第二换热器5进行预设，以使得流入燃料反应器1的天然气9处于高温高压状态。
进一步，在本实施例的一个实现方式中，所述空气反应单元100与所述燃料反应单元200相连接并形成回路的氧载体的活性成分为NiO，并且以Al2O3作为支架。也就是说，以NiO为活性成分Al2O3为支架的氧载体在空气反应器2和燃料反应器1中循环，其中，燃料反应器1主要发生NiO的还原反应，空气反应器2中主要发生Ni的氧化反应。由此，高温高压的天然气9和空气分别流入燃料反应器1和空气反应器2中发生化学链燃烧，被氧化的Ni基氧载体NiO/Al2O3被高压高速气流带入燃料反应器1中与甲烷发生反应，还原的Ni基氧载体Ni/Al2O3在重力的作用下回到空气反应器2中继续被空气氧化，如此循环。
进一步，所述燃料反应器1主要发生NiO的还原反应包括：
CH4+NiOCO+2H2+Ni+203.8kJmol-1
CH4+2NiOCO2+2H2+2Ni+160.7kJmol-1
CH4+4NiOCO2+2H2O+4Ni+156.9kJmol-1
H2+NiOH2O+Ni-1.9kJmol-1
CO+H2OCO2+H2-41.1kJmol-1。
所述空气反应器2中主要发生Ni的氧化反应包括：
2Ni+O22NiO-479.8kJmol-1。
进一步，有上述反应可以看出，CH4在燃料反应器1中被NiO完全氧化，仅有CO2和H2O生成。空气反应器2中Ni与O2的反应是强放热反应，NiO氧化CH4为强吸热反应，同时为使氧载体在空气反应器2和燃料反应器1之间循环提供必要的动力并降低空气反应器2入口和燃料反应器1入口的气流温差，空气需预先经空气压缩机4压缩和第一换热器6预热，天然气9需预先经过燃气压缩机压缩和第二换热器5预热，以提供较大的NiO循环量，携带足够的热量以此满足NiO氧化CH4的反应需求。空气反应器2和燃料反应器1的出口热流温度均可高达1200C，并可直接用于第一发电装置8和第二发电装置7发电(其中，第一发电装置8和第二发电装置7可以均为驱动燃气轮机等)，第一发电装置8出口的烟道气余热可直接进入第一换热器6用于空气进行预热，第二发电装置7出口的烟道气余热可直接进入第二换热器5用于天热气进行预热，从而实现化学链燃烧***的蓄热循环，同时有备于后续的额外发电和冷能、热能生产的温度范围(<400C)。
进一步，在本实施例的一个实现方式中，所述空气反应器2的进口压力保持在5-6个大气压，运行温度控制在1200C-1300C。燃料反应器1的进口压力和运行压力保持在4-6个大气压。第一换热器6出口热流温度和第二换热器5出口热流温度均控制在400C-500C。此外，在空气反应器2与燃料反应器1之间进行的化学链燃烧反应中，氧载体中NiO的质量分数为35％-45％，例如，氧载体中NiO的质量分数为40％。
进一步，在本实施例的一个实现方式中，所述冷热电三联供单元300包括余热回收装置17、冷热单元以及第三发电装置18，所述余热回收装置17分别与所述空气反应单元100和燃料反应单元200，所述余热回收装置17、第三发电装置18以及冷热单元依次连接以形成回路。其中，所述所述冷热单元包括制冷机构19和制热机构20，所述制冷机构19和所述制热机构20并联设置且均可单独启动。第一换热器6出口的高温CO2及H2O15以及第二换热器5出口的高温烟气16(主要由N2组成)均流入余热回收装置17(例如，余热回收蒸汽发生器)，余热回收装置17利用余热将常温氨水溶液加热产生氨水蒸汽，氨水蒸汽用于第三发电装置18(例如，氨水蒸汽轮机)中进行发电，第三发电装置18出口的氨水蒸汽仍然含有过量的热量，在夏季可用于冷热单元中的制冷机构19(例如，单效溴化锂吸收制冷机)生产冷能，生产出-12C的冷水21，在冬季可用于冷热单元中制热机构20(例如，热交换)生产22-90C的热水22。制冷机构19的出口和制热机构20的出口的氨水蒸汽流回余热回收装置17利中完成氨水工质朗肯循环。此外，所述冷热电三联供单元300还包括冷凝器23和加压泵24，所述冷凝器23与所述加压泵24依次连接于所述冷热单元与所述余热回收装置17之间。也就是说，制冷机构19的出口和制热机构20的出口的氨水蒸汽经过冷凝器23和加压泵24回流至余热回收装置17利中完成氨水工质朗肯循环。其中，余热回收装置17流出的氨水蒸汽温度控制在290C-320C。
进一步，在本实施例的一个实现方式中，所述冷热电三联供单元300还包括第三换热器31和回收装置32，所述余热回收装置17通过所述第三换热器31与所述回收装置32相连接。余热回收装置17利出口的CO2及H2O和烟气仍具有较多的余热，可用于第三换热器31中，以通过第三换热器31将常温自来水生产为3每日供应的70C的热水。第三换热器31流出的CO2和液态H2O可直接分离出高纯的CO2，经压缩后储存在CO2回收装置32内，第三换热器31流出的常温烟气(主要由N2组成)可直接排放。
此外，为了进一步说明本实施例提供的基于化学链燃烧的分布式能源***，下面结合一个具体实施例加以说明。
以10.8kg/min的天然气流量作为反应进料，并压缩、预热至5bar、865℃；进料空气流量设为145.2kg/min，进料温度为25℃，经压缩、预热至5bar、456℃；燃料反应器运行压力为5bar，空气反应器运行温度为1200℃，循环的Ni基氧载体与燃料比为1.2，燃料反应器出口温度为1285℃，空气反应器出口温度为1200℃；第一换热器出口热流温度为450℃，第二换热器出口温度为400℃，压力均为1bar；氨水溶液流量为17.4kg/min，第三发电装置入口温度为300℃，压强为100bar，第三发电装置出口温度为117℃，压强为3bar，冷热单元出口温度为90℃；余热回收装置出口的CO2、H2O和烟气温度均为170℃，压力为1bar；常温25℃自来水流量为118.2kg/min，经第三换热器换热后出口热水温度为70℃；第三换热器出口的CO2和H2O以及废烟道气温度均为55℃。整个***正常运行，***净发电量夏季和冬季均为938.94kW，夏季冷能净生产量230.82kW，夏季热能生产401.13kW，冬季热能生产689.65kW；净发电效率夏季和冬季均为34.79％，净发电
Figure BDA0002275744760000081
效率夏季和冬季均为32.69％；净产热效率夏季为14.86％，冬季为25.22％，净产热
Figure BDA0002275744760000082
效率夏季为1.83％，冬季为3.15％；夏季净冷能效率为8.55％，净冷能
Figure BDA0002275744760000083
效率为0.52％；整个***的综合能效夏季为58.20％，冬季为60.34％；整个***的综合
Figure BDA0002275744760000084
效率夏季为35.04％，冬季为35.84％；燃料能源节约率夏季为23.36％，冬季为27.20％。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种基于化学链燃烧的分布式能源***，其特征在于，其包括空气反应单元、燃料反应单元以及冷热电三联供单元，所述空气反应单元与所述燃气反应单元相连接并形成回路，所述空气反应单元和所述燃气反应单元均与所述冷热电三联供单元相连接，以为所述冷热电三联供单元提供热源。
2.根据权利要求1所述基于化学链燃烧的分布式能源***，其特征在于，所述空气反应单元包括空气反应器、第一换热器以及第一发电装置；所述第一换热器分别与冷热电三联供单元和所述空气反应器相连接，所述空气反应器与所述第一发电装置相连接，所述第一发电装置与所述第一换热器相连接。
3.根据权利要求1所述基于化学链燃烧的分布式能源***，其特征在于，所述燃料反应单元包括燃料反应器、第二换热器以及第二发电装置；所述第二换热器分别与冷热电三联供单元和所述燃料反应器相连接，所述燃料反应器与所述第二发电装置相连接，所述第二发电装置与所述第二换热器相连接。
4.根据权利要求1所述基于化学链燃烧的分布式能源***，其特征在于，所述空气反应单元与所述燃气反应单元相连接并形成回路的氧载体的活性成分为NiO，并且以Al2O3作为支架。
5.根据权利要求4所述基于化学链燃烧的分布式能源***，其特征在于，所述NiO的质量分数为35％-45％。
6.根据权利要求1所述基于化学链燃烧的分布式能源***，其特征在于，所述冷热电三联供单元包括余热回收装置、冷热单元以及第三发电装置，所述余热回收装置分别与所述空气反应单元和燃料反应单元，所述余热回收装置、第三发电装置以及冷热单元依次连接以形成回路。
7.根据权利要求6所述基于化学链燃烧的分布式能源***，其特征在于，所述冷热单元包括制冷机构和制热机构，所述制冷机构和所述制热机构并联设置且均可单独启动。
8.根据权利要求6所述基于化学链燃烧的分布式能源***，其特征在于，所述冷热电三联供单元还包括冷凝器和加压泵，所述冷凝器与所述加压泵依次连接于所述冷热单元与所述余热回收装置之间。
9.根据权利要求6所述基于化学链燃烧的分布式能源***，其特征在于，所述冷热电三联供单元还包括第三换热器和回收装置，所述余热回收装置通过所述第三换热器与所述回收装置相连接。
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