CN111663975A - 一种基于甲烷重整储能的超临界二氧化碳发电***及方法 - Google Patents

一种基于甲烷重整储能的超临界二氧化碳发电***及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于甲烷重整储能的超临界二氧化碳发电***及方法，包括储能分***和发电分***，储能分***包括集热反应器，集热反应器的与一氧化碳和氢气储罐相连通，一氧化碳和氢气储罐与储能工质压缩机相连通，储能工质压缩机与放热反应器相连通，放热反应器与甲烷和二氧化碳储罐相连通，甲烷和二氧化碳储罐与集热反应器相连通；发电分***包括透平，透平与回热器相连通，回热器与预冷器相连通，预冷器与压缩机相连通，压缩机与回热器相连通，回热器与放热反应器相连通，放热反应器与透平相连通。该***能够实现太阳能甲烷重整储能与超临界二氧化碳发电有机的结合，能够实现对太阳能进行平稳持续的利用。

Description

一种基于甲烷重整储能的超临界二氧化碳发电***及方法
技术领域
本发明涉及太阳能利用技术领域，特别涉及一种基于甲烷重整储能的超临界二氧化碳发电***及方法。
背景技术
太阳能具有清洁、取之不尽用之不竭等特点，但是存在时间分布不均问题，太阳能用于发电时一般都需要使用储能等技术。
热化学储能主要是基于一种可逆的热化学反应，通过化学键的断裂重组实现能量的存储和释放，在储能反应中，储能材料吸收热量分解成两种物质单独储存，当需要供能时，两种物质充分接触发生反应，将储存的化学能转化为热能并释放出来。热化学储能密度和效率高，适用于太阳能热能的高温高密度储存。热化学储能的体积和重量储能密度远高于显热或者相变蓄热，储能载体可以在常温下长期储存，热化学储能通常可以得到高品位热能，大多数热化学储能载体安全、无毒、价格低廉，而且便于处理。其中，甲烷重整是一种常见的热化学储能体系，储能密度高，原料来源丰富。
超临界二氧化碳具有能量密度大、传热效率高等特点，是环保、清洁的天然工质流体。以超临界二氧化碳为工质的发电技术也是目前国际上新型、高效的发电技术之一。
在我国西北地区，太阳能资源丰富，水资源匮乏，因此，如果能够开发出一种新的***，该***可以将太阳能甲烷重整热化学储能与超临界二氧化碳发电进行有机的结合，会对太阳能光热发电带来巨大变化。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于甲烷重整储能的超临界二氧化碳发电***及方法，将太阳能甲烷重整储能与超临界二氧化碳发电相结合，能够实现对太阳能进行平稳持续的利用。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于甲烷重整储能的超临界二氧化碳发电***，包括储能分***和发电分***；
所述的储能分***包括集热反应器2，集热反应器2的出口与一氧化碳和氢气储罐3的入口相连通，一氧化碳和氢气储罐3的出口与储能工质压缩机4的入口相连通，储能工质压缩机4的出口与放热反应器5的管程入口相连通，放热反应器5的管程出口与甲烷和二氧化碳储罐6的入口相连通，甲烷和二氧化碳储罐6的出口与集热反应器2的入口相连通；
所述的发电分***包括透平8，所述的透平8的出口与回热器9的热侧入口相连通，回热器9的热侧出口与预冷器10的热侧入口相连通，预冷器10的热侧出口与压缩机11的入口相连通，压缩机11的出口与回热器9的冷侧入口相连通，回热器9的冷侧出口与放热反应器5的壳程入口相连通，放热反应器5的壳程出口与透平8的入口相连通。
所述的集热反应器2对应位置设置有用于将太阳光聚焦于集热反应器2上的镜场1。
所述的集热反应器2中装载有甲烷重整催化剂，放热反应器5的管程中装载有甲烷化催化剂。
所述的透平8与储能工质压缩机4通过联轴器联动，透平8与压缩机11和发电机12通过联轴器联动。
所述的甲烷和二氧化碳储罐6的出口与集热反应器2的入口之间设置有阀门7。
所述的放热反应器5为管壳式。
一种基于甲烷重整储能的超临界二氧化碳发电方法，包括以下步骤；
当太阳辐射充足时，阀门7打开，甲烷和二氧化碳储罐6中的甲烷和二氧化碳进入集热反应器2，在甲烷重整催化剂的催化作用下，发生甲烷重整反应，吸收集热反应器2的热量，生成一氧化碳和氢气，进入一氧化碳和氢气储罐3，一氧化碳和氢气经过储能工质压缩机4加压后，进入放热反应器5的管程，与管程中的甲烷化催化剂接触，一氧化碳和氢气发生甲烷化反应，释放出热量，生成甲烷和二氧化碳，进入甲烷和二氧化碳储罐6；放热反应器5的壳程的二氧化碳吸收管程甲烷化反应释放的热量后，进入透平8做功，做功后的二氧化碳进入回热器9的热侧，与回热器9冷侧的二氧化碳换热后，进入预冷器10的热侧，进一步冷却后，进入压缩机11的入口，经过压缩机11压缩后，进入回热器9的热侧，与回热器9热侧的二氧化碳换热，进入放热反应器5的壳程，由于太阳辐射充足，甲烷重整反应的量要大于甲烷化反应的量，一部分一氧化碳和氢气储存在一氧化碳和氢气储罐3中，透平8通过联轴器拖动储能工质压缩机4、压缩机11转动，多余的功拖动发电机12转动发电；
当没有太阳辐射时，阀门7关闭，一氧化碳和氢气储罐3中储存的一氧化碳和氢气，经过储能工质压缩机4加压后，进入放热反应器5的管程，与管程中的甲烷化催化剂接触，一氧化碳和氢气发生甲烷化反应，释放出热量，生成甲烷和二氧化碳，进入甲烷和二氧化碳储罐6；放热反应器5的壳程的二氧化碳吸收管程甲烷化反应释放的热量后，进入透平8做功，做功后的二氧化碳进入回热器9的热侧，与回热器9冷侧的二氧化碳换热后，进入预冷器10的热侧，进一步冷却后，进入压缩机11的入口，经过压缩机11压缩后，进入回热器9的热侧，与回热器9热侧的二氧化碳换热，进入放热反应器5的壳程，由于没有太阳辐射，只发生甲烷化反应，储存在一氧化碳和氢气储罐3中的一氧化碳和氢气经过放热反应器5后生成甲烷和二氧化碳，储存在甲烷和二氧化碳储罐6中，透平8通过联轴器拖动储能工质压缩机4、压缩机11转动，多余的功拖动发电机12转动发电。
本发明的有益效果：
本发明所述的基于甲烷重整储能的超临界二氧化碳发电***在具体工作时，通过集热反应器利用太阳能为甲烷重整提供热量，通过放热反应器中甲烷化反应放热为超临界二氧化碳布雷顿循环发电提供热量，从而实现太阳能甲烷重整储能与超临界二氧化碳发电的有机结合。
附图说明
图1为本发明的***示意图。
其中，1为镜场、2为集热反应器、3为一氧化碳和氢气储罐、4为储能工质压缩机、5为放热反应器、6为甲烷和二氧化碳储罐、7为阀门、8为透平、9为回热器、10为预冷器、11为压缩机、12为发电机。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
参考图1，本发明所述的基于甲烷重整储能的超临界二氧化碳发电***，包括储能分***和发电分***，储能分***包括镜场1、集热反应器2、一氧化碳和氢气储罐3、储能工质压缩机4、放热反应器5、甲烷和二氧化碳储罐6、阀门7。发电分***包括透平8、回热器9、预冷器10、压缩机11、发电机12。
集热反应器2的出口与一氧化碳和氢气储罐3的入口相连通，一氧化碳和氢气储罐3的出口与储能工质压缩机4的入口相连通，储能工质压缩机4的出口与放热反应器5的管程入口相连通，放热反应器5的管程出口与甲烷和二氧化碳储罐6的入口相连通，甲烷和二氧化碳储罐6的出口与阀门7的入口相连通，阀门7的出口与集热反应器2的入口相连通。
集热反应器2中装载有甲烷重整催化剂，放热反应器5的管程中装载有甲烷化催化剂。
放热反应器5的壳程出口与透平8的入口相连通，透平8的出口与回热器9的热侧入口相连通，回热器9的热侧出口与预冷器10的热侧入口相连通，预冷器10的热侧出口与压缩机11的入口相连通，压缩机11的出口与回热器9的冷侧入口相连通，回热器9的冷侧出口与放热反应器5的壳程入口相连通。
透平8与储能工质压缩机4通过联轴器联动，透平8与压缩机11和发电机12通过联轴器联动。
优选的，甲烷和二氧化碳储罐6的出口与集热反应器2的入口之间设置有阀门7。
镜场1将太阳光聚集到集热反应器2上，甲烷和二氧化碳经过集热反应器2中的甲烷重整催化剂，甲烷和二氧化碳在700-800℃、常压下发生甲烷重整反应，吸收集热反应器2的热量，生成一氧化碳和氢气，进入一氧化碳和氢气储罐3，一氧化碳和氢气经过储能工质压缩机4压缩后，加压到1.5MPa，进入放热反应器5的管程，与管程中的甲烷化催化剂接触，一氧化碳和氢气在1.5MPa、500-600℃发生甲烷化反应，释放出热量，生成甲烷和二氧化碳，进入甲烷和二氧化碳储罐6，甲烷和二氧化碳经过阀门7后进入集热反应器2继续发生甲烷重整反应，完成循环。
放热反应器5的壳程的二氧化碳吸收管程甲烷化反应释放的热量后，进入透平8做功，做功后的二氧化碳进入回热器9的热侧，与回热器9冷侧的二氧化碳换热后，进入预冷器10的热侧，进一步冷却后，进入压缩机11的入口，经过压缩机11压缩后，进入回热器9的热侧，与回热器9热侧的二氧化碳换热，进入放热反应器5的壳程，完成循环。
透平8通过联轴器拖动储能工质压缩机4、压缩机11和发电机12转动。
当太阳辐射充足时，阀门7打开，甲烷和二氧化碳储罐6中的甲烷和二氧化碳进入集热反应器2，在甲烷重整催化剂的催化作用下，甲烷和二氧化碳在700-800℃、常压下发生甲烷重整反应，吸收集热反应器2的热量，生成一氧化碳和氢气，进入一氧化碳和氢气储罐3，一氧化碳和氢气经过储能工质压缩机4压缩后，加压到1.5MPa，进入放热反应器5的管程，与管程中的甲烷化催化剂接触，一氧化碳和氢气在1.5MPa、500-600℃发生甲烷化反应，释放出热量，生成甲烷和二氧化碳，进入甲烷和二氧化碳储罐6。放热反应器5的壳程的二氧化碳吸收管程甲烷化反应释放的热量后，进入透平8做功，做功后的二氧化碳进入回热器9的热侧，与回热器9冷侧的二氧化碳换热后，进入预冷器10的热侧，进一步冷却后，进入压缩机11的入口，经过压缩机11压缩后，进入回热器9的热侧，与回热器9热侧的二氧化碳换热，进入放热反应器5的壳程，由于太阳辐射充足，甲烷重整反应的量要大于甲烷化反应的量，一部分一氧化碳和氢气储存在一氧化碳和氢气储罐3中。透平8通过联轴器拖动储能工质压缩机4、压缩机11转动，多余的功拖动发电机12转动发电。
当没有太阳辐射时，阀门7关闭，一氧化碳和氢气储罐3中储存的一氧化碳和氢气，经过储能工质压缩机4加压后，进入放热反应器5的管程，与管程中的甲烷化催化剂接触，一氧化碳和氢气在1.5MPa、500-600℃发生甲烷化反应，释放出热量，生成甲烷和二氧化碳，进入甲烷和二氧化碳储罐6。放热反应器5的壳程的二氧化碳吸收管程甲烷化反应释放的热量后，进入透平8做功，做功后的二氧化碳进入回热器9的热侧，与回热器9冷侧的二氧化碳换热后，进入预冷器10的热侧，进一步冷却后，进入压缩机11的入口，经过压缩机11压缩后，进入回热器9的热侧，与回热器9热侧的二氧化碳换热，进入放热反应器5的壳程，由于没有太阳辐射，只发生甲烷化反应，储存在一氧化碳和氢气储罐3中的一氧化碳和氢气经过放热反应器5后生成甲烷和二氧化碳，储存在甲烷和二氧化碳储罐6中。透平8通过联轴器拖动储能工质压缩机4、压缩机11转动，多余的功拖动发电机12转动发电。
需要指出的是，上述实施例只为说明本发明的技术构思和特点，具体的实施方法，如集热反应器2和放热反应器5的操作条件等等仍可进行修改和改进，但都不会由此而背离权利要求书中所规定的本发明的范围和基本精神。

Claims (6)

1.一种基于甲烷重整储能的超临界二氧化碳发电***，其特征在于，包括储能分***和发电分***；
所述的储能分***包括集热反应器(2)，集热反应器(2)的出口与一氧化碳和氢气储罐(3)的入口相连通，一氧化碳和氢气储罐(3)的出口与储能工质压缩机(4)的入口相连通，储能工质压缩机(4)的出口与放热反应器(5)的管程入口相连通，放热反应器(5)的管程出口与甲烷和二氧化碳储罐(6)的入口相连通，甲烷和二氧化碳储罐(6)的出口与集热反应器(2)的入口相连通；
所述的发电分***包括透平(8)，所述的透平(8)的出口与回热器(9)的热侧入口相连通，回热器(9)的热侧出口与预冷器(10)的热侧入口相连通，预冷器(10)的热侧出口与压缩机(11)的入口相连通，压缩机(11)的出口与回热器(9)的冷侧入口相连通，回热器(9)的冷侧出口与放热反应器(5)的壳程入口相连通，放热反应器(5)的壳程出口与透平(8)的入口相连通；
所述的集热反应器(2)对应位置设置有用于将太阳光聚焦于集热反应器(2)上的镜场(1)。
2.根据权利要求1所述的一种基于甲烷重整储能的超临界二氧化碳发电***，其特征在于，所述的集热反应器(2)中装载有甲烷重整催化剂，放热反应器(5)的管程中装载有甲烷化催化剂。
3.根据权利要求1所述的一种基于甲烷重整储能的超临界二氧化碳发电***，其特征在于，所述的透平(8)与储能工质压缩机(4)通过联轴器联动，透平(8)与压缩机(11)和发电机(12)通过联轴器联动。
4.根据权利要求1所述的一种基于甲烷重整储能的超临界二氧化碳发电***，其特征在于，所述的甲烷和二氧化碳储罐(6)的出口与集热反应器(2)的入口之间设置有阀门(7)。
5.根据权利要求1所述的一种基于甲烷重整储能的超临界二氧化碳发电***，其特征在于，所述的放热反应器(5)为管壳式。
6.基于权利要求1所述的一种基于甲烷重整储能的超临界二氧化碳发电方法，其特征在于，包括以下步骤；
当太阳辐射充足时，阀门(7)打开，甲烷和二氧化碳储罐(6)中的甲烷和二氧化碳进入集热反应器(2)，在甲烷重整催化剂的催化作用下，发生甲烷重整反应，吸收集热反应器(2)的热量，生成一氧化碳和氢气，进入一氧化碳和氢气储罐(3)，一氧化碳和氢气经过储能工质压缩机(4)加压后，进入放热反应器(5)的管程，与管程中的甲烷化催化剂接触，一氧化碳和氢气发生甲烷化反应，释放出热量，生成甲烷和二氧化碳，进入甲烷和二氧化碳储罐(6)；放热反应器(5)的壳程的二氧化碳吸收管程甲烷化反应释放的热量后，进入透平(8)做功，做功后的二氧化碳进入回热器(9)的热侧，与回热器(9)冷侧的二氧化碳换热后，进入预冷器(10)的热侧，进一步冷却后，进入压缩机(11)的入口，经过压缩机(11)压缩后，进入回热器(9)的热侧，与回热器(9)热侧的二氧化碳换热，进入放热反应器(5)的壳程，由于太阳辐射充足，甲烷重整反应的量要大于甲烷化反应的量，一部分一氧化碳和氢气储存在一氧化碳和氢气储罐(3)中，透平(8)通过联轴器拖动储能工质压缩机(4)、压缩机(11)转动，多余的功拖动发电机(12)转动发电；
当没有太阳辐射时，阀门(7)关闭，一氧化碳和氢气储罐(3)中储存的一氧化碳和氢气，经过储能工质压缩机(4)加压后，进入放热反应器(5)的管程，与管程中的甲烷化催化剂接触，一氧化碳和氢气发生甲烷化反应，释放出热量，生成甲烷和二氧化碳，进入甲烷和二氧化碳储罐(6)；放热反应器(5)的壳程的二氧化碳吸收管程甲烷化反应释放的热量后，进入透平(8)做功，做功后的二氧化碳进入回热器(9)的热侧，与回热器(9)冷侧的二氧化碳换热后，进入预冷器(10)的热侧，进一步冷却后，进入压缩机(11)的入口，经过压缩机(11)压缩后，进入回热器(9)的热侧，与回热器(9)热侧的二氧化碳换热，进入放热反应器(5)的壳程，由于没有太阳辐射，只发生甲烷化反应，储存在一氧化碳和氢气储罐(3)中的一氧化碳和氢气经过放热反应器(5)后生成甲烷和二氧化碳，储存在甲烷和二氧化碳储罐(6)中，透平(8)通过联轴器拖动储能工质压缩机(4)、压缩机(11)转动，多余的功拖动发电机(12)转动发电。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112539673A (zh) * 2020-12-02 2021-03-23 上海发电设备成套设计研究院有限责任公司 一种电-热-电储能***及方法
CN113860329A (zh) * 2021-10-29 2021-12-31 西安热工研究院有限公司 一种基于合成氨的化学储能***及方法
CN113982835A (zh) * 2021-11-04 2022-01-28 西安热工研究院有限公司 一种基于合成甲醇的化学储能***及方法
CN114262262A (zh) * 2021-12-27 2022-04-01 西安热工研究院有限公司 一种利用合成甲醇废气制取甲醇的储能***及方法

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