一種耦合太陽能和生物質的冷熱電三聯產系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種耦合太陽能和生物質的冷熱電三聯產系統,該系統包括生物質預熱器、生物質粉碎機、鼓泡流化床氣化爐、旋風分離除塵器、第一換熱器、氣?水分離器、空氣分流器、水泵、槽式太陽能集熱器、內燃機發電機組、溴化鋰吸收式機組、第二換熱器和溶液吸收式除濕機組。本發明充分利用了可再生能源,進一步提高系統能源利用率。本發明綜合利用了生物質和太陽能兩種能源技術,進行耦合和集成,實現了兩種能源的優勢互補。該系統總能系統效率高達77.4%,對優化能源結構,保護環境,減排溫室氣體,應對氣候變化具有十分重要作用。
【專利說明】
一種耦合太陽能和生物質的冷熱電三聯產系統
技術領域
[0001] 本發明涉及能源技術領域,特別是一種耦合太陽能和生物質的冷熱電三聯產系 統。
【背景技術】
[0002] 長期以來,能源問題一直都是人類生存和發展的基本保障,化石能源是當前世界 能源結構的主要組成部分。隨著煤炭、石油等化石能源的消耗,原本趨于平衡的能量循環被 破壞,化石能源在燃燒釋放能量的同時,大量的碳素釋放,打破了生態平衡。化石能源燃燒 釋放出的二氧化碳量已遠遠超出了綠色植物光合作用的吸收能力。隨之帶來的一系列臭氧 層破壞、氣候反常等現象,使得人來面臨的生態環境壓力越來越大。開發資源儲量大、清潔 無污染的可再生能源對于可持續發展有著重要意義。其中太陽能和生物質因其獨特的優勢 而被認為是化石燃料潛在的替代能源,其高效清潔利用技術受到廣泛關注。
[0003] 太陽能具有儲量無限性、存在普遍性、利用清潔性以及逐步提升的開發經濟性等 優勢,使之成為解決能源短缺、環境污染的有效途徑之一。太陽能光熱轉化技術利用太陽輻 射能轉換成熱能,有著長期的經驗積累和應用前景。以水作為直接傳熱工質,提供氣化反應 所需要的汽化潛熱,轉化為蒸汽內能,通過蒸汽內能的形式參與和生物質在較高溫度下進 行的氣化反應,間接轉化為合成氣化學能,實現品位間接提升。
[0004] 生物質與其它能源相比,分布廣泛、環境影響較小,可持續利用,是唯一可再生的 碳源。然而也存在資源分布分散、能量密度低等缺點,直接燃燒生物質量利用效率低,釋放 煙氣粉塵造成環境污染。生物質氣化技術將低能量密度的生物質轉化為使用方便的合成 氣,使得燃料的化學能轉移到合成氣中,提高燃氣利用效率。
[0005]冷熱電三聯產系統是集發電、供暖、制冷于一體的分布式能源系統,通過燃料燃燒 的高品位熱能用于發電,低品位熱能用來供熱、制冷或除濕,實現冷熱電聯產和能源的梯級 利用。耦合太陽能和生物質的冷熱電三聯產系統考慮太陽能經濟性集熱溫度與生物質氣化 反應溫度的特點,以及功、冷、濕并供實現能源的綜合梯級利用,提高系統的性能。分布式生 物質氣化供能系統就近收集固體生物燃料,避免低密度原料長距離輸送的能源消耗和費 用,發揮產品多樣性的優點,滿足終端用戶對氣、冷、熱、電、除濕等多種能源的需求,同時利 用中低溫太陽能集熱量提供氣化反應所需要的氣化潛熱,間接轉化為合成氣化學能,實現 能量的品位提升。
[0006]目前對現有設計理念和實施方案的生物質聯產系統的研究存在的主要問題在:1) 生物質聯產系統以生物質作為主要的原料來源,可再生能源利用單一,沒有真正意義實現 多能源互補及適度、深度應用。2)生物質聯產系統輸出產品缺乏多樣性,主要以熱電產品為 主,冷熱電、甚至除濕應用較少,無法滿足終端用戶能源需求的多樣性。3)通過生物質氣化 發電實現了對燃料化學能品位的提升,而如何高效利用生物質合成氣和發電過程中的余熱 資源,實現熱能的綜合梯級利用也是需要解決的關鍵問題。
【發明內容】
[0007] (一)要解決的技術問題
[0008] 為了最大限度的提高聯產系統總能效率,真正意義實現可再生能源綜合互補利 用,滿足不同用戶的產品需求,提高余熱資源綜合梯級利用,本發明提出了一種耦合太陽能 和生物質的冷熱電三聯產系統。
[0009] (二)技術方案
[0010] 為了達到上述目的,本發明提供了一種耦合太陽能和生物質的冷熱電三聯產系 統,該系統包括生物質預熱器、生物質粉碎機、鼓泡流化床氣化爐、旋風分離除塵器、第一換 熱器、氣-水分離器、空氣分流器、水栗、槽式太陽能集熱器、內燃機發電機組、溴化鋰吸收式 機組、第二換熱器和溶液吸收式除濕機組。
[0011] 其中:生物質預熱器,用于干燥生物質,降低生物質的含水量;生物質粉碎機,用于 將生物質原料破碎成粉狀物料;鼓泡流化床氣化爐,用于生物質和空氣、水蒸氣參與氣化反 應,生成合成氣,滿足內燃機發電機組燃料需求;旋風分離除塵器,用于對鼓泡流化床氣化 爐出口的合成氣進行除塵凈化處理,除去合成氣中的灰分及炭顆粒等雜質;第一換熱器,利 用合成氣的高溫熱能預熱空氣,以生產熱量,滿足干燥生物質和氣化反應需求,同時加熱一 部分進口側生活熱水,滿足用戶生活熱水需求;氣-水分離器,用于除去合成氣中冷凝出來 的水分;空氣分流器,用于利用預熱的空氣,一方面通入生物質預熱器干燥生物質,一方面 通入鼓泡流化床氣化爐滿足氣化反應的需求;水栗,用于對0 . IMPa、25 °C的水進行加壓處 理,通入到槽式太陽能集熱器中;槽式太陽能集熱器,以水作為吸熱工質,利用太陽熱能加 熱水,以生產水蒸氣,滿足鼓泡流化床氣化爐中氣化反應的需求;內燃機發電機組,利用經 過凈化處理的合成氣做功發電,滿足用戶和維持機組正常運行的電需求;溴化鋰吸收式機 組,采用溴化鋰溶液,用于利用內燃機發電機組的煙氣余熱制取冷凍水和熱水,以滿足用戶 制冷需求;第二換熱器,用于利用溴化鋰吸收式機組出口的余熱,加熱一部分進口側生活熱 水,滿足用戶生活熱水需求;溶液吸收式除濕機組,用于利用內燃機發電機組的缸套水余 熱,對需求建筑進行除濕,使得熱能合理利用。
[0012](三)有益效果
[0013]從上述技術方案可以看出,本發明具有以下有益效果:
[0014] 1、本發明提供的耦合太陽能和生物質的冷熱電三聯產系統,通過將太陽能和生物 質兩種可再生能源技術的有效整合,發揮各自的優勢,充分利用中低溫太陽能熱能,提高生 物質氣化過程效率,使得冷燃氣效率達59.3%,同時實現不同可再生能源的對口合理利用, 使得系統總能源效率達77.4%。
[0015] 2、本發明提供的耦合太陽能和生物質的冷熱電三聯產系統,生物質作為一種資源 豐富、潔凈的可再生能源,在進一步轉化利用過程中將生長過程中吸收的二氧化碳重新釋 放到大氣中,構成二氧化碳的不斷循環,其利用在一定程度上可實現二氧化碳零排放,從而 減少溫室氣體排放;
[0016] 3、本發明提供的耦合太陽能和生物質的冷熱電三聯產系統,太陽能作為一種潔凈 的可再生能源,通過槽式太陽能集熱器,以水為導熱介質生成中溫水蒸氣,太陽能光熱轉換 技術為氣化反應提供一部分蒸汽的氣化潛熱,通過水蒸氣參與生物質氣化反應,將太陽能 中低溫熱能間接轉化為合成氣化學能,實現品位間接提升;
[0017] 4、本發明提供的耦合太陽能和生物質的冷熱電三聯產系統,通過將低能量密度的 生物質轉換為高品質的電能,同時不同品位的余熱資源用于產生生活熱水、供熱、制冷、除 濕,實現了不同品位余熱資源的綜合梯級利用;
[0018] 5、本發明提供的耦合太陽能和生物質的冷熱電三聯產系統,充分利用氣化過程中 合成氣的余熱資源,將合成氣的高溫余熱資源進行回收,同時出去合成氣中的冷凝水,不僅 進一步凈化處理合成氣,還使得生物質氣化過程中的余熱資源得到充分合理利用;
[0019] 6、本發明提供的耦合太陽能和生物質的冷熱電三聯產系統,系統產品輸出多樣 性:生活熱水、供熱、制冷、除濕,滿足不同功能用戶對多種能源的需求;
[0020] 7、本發明提供的耦合太陽能和生物質的冷熱電三聯產系統,直接面向用戶,解決 生物質分散、能量密度低的問題,為電網末端或偏遠且生物質資源豐富的地區提供能量,降 低輸送過程中的能耗,提高系統的總效率。
【附圖說明】
[0021] 圖1是本發明提供的耦合太陽能和生物質的冷熱電三聯產系統的示意圖。
【具體實施方式】
[0022] 為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白,以下結合具體實施例,并參照 附圖,對本發明進一步詳細說明。
[0023] 如圖1所示,是本發明提供的耦合太陽能和生物質的冷熱電三聯產系統的示意圖, 該系統包括生物質預熱器、生物質粉碎機、鼓泡流化床氣化爐、旋風分離除塵器、第一換熱 器、氣-水分離器、空氣分流器、水栗、槽式太陽能集熱器、內燃機發電機組、溴化鋰吸收式機 組、第二換熱器和溶液吸收式除濕機組。
[0024]生物質原料(1)在生物質預熱器中經200Γ的空氣(9)預熱,除去生物質原料中的 外在水分,使得生物質原料水分含量降至10%左右。經過干燥處理的生物質原料(2)進入生 物質粉碎機進行研磨,使生物質原料粒徑在1 -2mm范圍內。經過干燥處理的生物質原料(3) 進入流化床氣化爐,與200 °C的空氣(10)和350 °C的水蒸氣(13)混合發生氣化反應(氣化壓 力為O.IMPa,氣化溫度為890°C),含有固體顆粒物的高溫合成氣(4)首先進入旋風分離除塵 器除去其中的灰分等固體顆粒物(30),再進入第一換熱器進行熱回收,預熱空氣(7)至200 °C并生產80°C的生活熱水(28),最終溫度降至25°C的合成氣(6)經氣-水分離器分離出冷凝 水(31)。在第一換熱器中經過高溫合成氣預熱至200°C的空氣(8)經過空氣分流器分流,分 別用于干燥生物質并參與氣化反應作為氣化劑。在太陽能集熱過程中,25°C、0.1 MPa的水 (11)經水栗加壓,通入槽式太陽能集熱器中吸收中低溫太陽熱能,產生350°C的水蒸氣(13) 作為生物質氣化反應的氣化劑。
[0025]經過凈化處理的合成氣(14)通入內燃機發電機組與空氣(15)混合燃燒發電,產生 400-500°C左右的煙氣(16)首先進入溴化鋰吸收式制冷機組,產生7°C冷凍水(23);然后進 入第二換熱器換熱,產生80°C的生活熱水(25),最后120°C左右的煙氣(18)排放至大氣。與 此同時,內燃機發電機組產生的低溫缸套水(19)用于為溶液吸收式除濕機組提供低溫余 熱,產生符合除濕要求的空氣(21),為用戶提供除濕負荷。
[0026] 本發明所提供的耦合太陽能和生物質的冷熱電三聯產系統裝置在具體實施例中 可采用主要參數如表1所示。選取稻殼作為研究對象,以1400kg/h稻殼輸入量進行計算,氣 化空氣量為2546kg/h,水蒸氣輸入量為560kg/h。同時選取廣東南部地區太陽能輻照指標作 為參考,年輻照時數2200-3000小時左右,年輻射總量4200-5800MJ/m 2,1050-1400kWh/m2,標 準光照下年平均日照時間3.8-4.45小時。
[0027] 表 1
[0028]
[0031]本發明中太陽能集熱量為477kW,占系統總能量的輸入比例為8.59%,生物質氣化 過程中冷燃氣效率達59.3%,系統總能源效率為77.4%。從設計分析中得知,本發明系統實 現冷、熱、電、除濕的多聯產,滿足不同功能用戶的需求,同時集成多種可再生能源,降低了 化石燃料排放的污染物,實現了可再生能源的綜合利用。
【主權項】
1. 一種耦合太陽能和生物質的冷熱電三聯產系統,其特征在于,該系統包括生物質預 熱器、生物質粉碎機、鼓泡流化床氣化爐、旋風分離除塵器、第一換熱器、氣-水分離器、空氣 分流器、水栗、槽式太陽能集熱器、內燃機發電機組、溴化鋰吸收式機組、第二換熱器和溶液 吸收式除濕機組,其中: 生物質預熱器,用于干燥生物質,降低生物質的含水量; 生物質粉碎機,用于將生物質原料破碎成粉狀物料; 鼓泡流化床氣化爐,用于生物質和空氣、水蒸氣參與氣化反應,生成合成氣,滿足內燃 機發電機組燃料需求; 旋風分離除塵器,用于對鼓泡流化床氣化爐出口的合成氣進行除塵凈化處理,除去燃 氣中的灰分及炭顆粒; 第一換熱器,利用合成氣的高溫熱能預熱空氣,以生產熱量,滿足干燥生物質和氣化反 應需求,同時加熱一部分進口側生活熱水,滿足用戶生活熱水需求; 氣-水分離器,用于除去合成氣中冷凝出來的水分; 空氣分流器,用于利用預熱的空氣,一方面通入生物質預熱器干燥生物質,一方面通入 鼓泡流化床氣化爐滿足氣化反應的需求; 水栗,用于對0.1MPa、25°C水進行加壓處理,通入到槽式太陽能集熱器中; 槽式太陽能集熱器,以水作為吸熱工質,利用太陽熱能加熱水,以生產水蒸氣,滿足鼓 泡流化床氣化爐中氣化反應的需求; 內燃機發電機組,利用經過凈化處理的合成氣做功發電,滿足用戶和維持機組正常運 行的電需求; 溴化鋰吸收式機組,采用溴化鋰溶液,用于利用內燃機發電機組的煙氣余熱制取冷凍 水和熱水,以滿足用戶制冷需求; 第二換熱器,用于利用溴化鋰吸收式機組出口的余熱,加熱一部分進口側生活熱水,滿 足用戶生活熱水需求; 溶液吸收式除濕機組,用于利用內燃機發電機組的缸套水余熱,對需求建筑進行除濕, 合理利用低溫余熱。2. 根據權利要求1所述的耦合太陽能和生物質的冷熱電三聯產系統,其特征在于,該冷 熱電三聯產系統采用生物質和太陽能為輸入原料,屬于可再生能源之間互補。3. 根據權利要求1所述的耦合太陽能和生物質的冷熱電三聯產系統,其特征在于,所 述第一換熱器和第二換熱器共同提供生活熱水,滿足用戶生活熱水需求。4. 根據權利要求1所述的耦合太陽能和生物質的冷熱電三聯產系統,其特征在于,所述 空氣分流器分成兩股不同流量的預熱空氣,分別通入生物質預熱器和鼓泡流化床氣化爐;5. 根據權利要求4所述的耦合太陽能和生物質的冷熱電三聯產系統,其特征在于,所述 生物質預熱器利用空氣分流器分流的一部分空氣,對生物質原料進行預熱,降低生物質含 水量,提高氣化反應效率。6. 根據權利要求4所述的耦合太陽能和生物質的冷熱電三聯產系統,其特征在于,所述 鼓泡流化床氣化爐中干燥后的生物質原料與空氣分流器分流的一部分空氣、槽式太陽能集 熱器出口的水蒸氣一起參與氣化反應,生成合成氣。
【文檔編號】C10J3/56GK105907426SQ201610227069
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月13日
【發明人】李洪強, 張曉烽, 王飛, 曾蓉, 康書碩, 張國強
【申請人】湖南大學