專利名稱：太陽能與甲醇燃料互補的化學(xué)鏈燃燒發(fā)電系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽能熱發(fā)電和能源技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種控制co2排放的太陽能 與甲醇燃料互補的化學(xué)鏈燃燒發(fā)電系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
0)2作為人類向大氣中排放的主要溫室氣體，大部分來源于煤、石油、天然氣等化 石燃料的燃燒，其中29%來自發(fā)電。目前，C02的減排可通過調(diào)整能源結(jié)構(gòu)和提高能源轉(zhuǎn)化 及利用效率實現(xiàn)。從調(diào)整能源結(jié)構(gòu)的角度來看，可再生能源尤其是太陽能被寄予厚望。太陽能以其 儲量“無限性”、存在的普遍性、開發(fā)利用的清潔性以及逐漸顯露的經(jīng)濟性等優(yōu)勢，使許多發(fā) 達國家都把太陽能等可再生能源從原來的補充能源上升到戰(zhàn)略替代能源的地位。隨著我國 建設(shè)資源節(jié)約、環(huán)境友好型社會目標的提出，太陽能等可再生能源利用的步伐也明顯加快。當(dāng)前，太陽能利用技術(shù)的主要發(fā)展方向是太陽能光電轉(zhuǎn)化和太陽能光熱轉(zhuǎn)化，其 中光熱轉(zhuǎn)化的太陽能熱動力發(fā)電又是未來二三十年最具吸引力的太陽能技術(shù)。然而，由于 太陽能能量密度低、能量的時間不連續(xù)性及空間分布的不均性等造成了太陽能儲能困難， 所以在相當(dāng)長一段時間內(nèi)，太陽能完全替代化石燃料仍無法實現(xiàn)。另外，太陽能的大規(guī)模開 發(fā)利用成本仍然很高，在經(jīng)濟上無法與常規(guī)的化石能源相匹敵。太陽能熱化學(xué)是利用太陽熱能驅(qū)動吸熱化學(xué)反應(yīng)，提供反應(yīng)所需熱量，將分散的 太陽能轉(zhuǎn)化為能量密度高、可儲存、可運輸?shù)暮铣蓺饣騂2等燃料形式加以利用。2003年， 德國提出太陽能重整天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，該發(fā)電系統(tǒng)能夠使太陽能凈熱轉(zhuǎn)功效率達 到30%。瑞士國家能源研究中心研究了太陽能-天然氣-氧化鋅能源環(huán)境系統(tǒng)，其基本 思路是利用高溫太陽熱能作為熱源，將天然氣重整和氧化鋅還原鋅這兩個化學(xué)過程有機集 成，同時實現(xiàn)天然氣重整為合成氣和燃料鋅的制取。然而，當(dāng)前太陽能熱化學(xué)反應(yīng)溫度集中 在900 1200°C的高溫太陽熱能的轉(zhuǎn)化和利用，需采用昂貴的太陽能聚光裝置，聚集高于 900°C的高品位太陽能，以提供反應(yīng)需要的熱能，造成其成本過高，同時對材料的使用提出 了更高的要求，不利于大規(guī)模應(yīng)用。另外，雖然太陽能熱化學(xué)利用能減少化石燃料的使用， 降低C02的排放量，但合成氣直接燃燒造成C02被N2稀釋，增加了 C02的分離難度，考慮到 C02捕集，系統(tǒng)效率會大幅度降低。從提高能源轉(zhuǎn)化和利用效率的角度來看，由于短期內(nèi)人類以化石能源為主要能源 的形勢不會改變，尤其是我國，煤炭從資源構(gòu)成到能源消費構(gòu)成都占絕對主導(dǎo)地位，如何使 能源系統(tǒng)在分離co2的同時還能保持能源系統(tǒng)利用效率不降低甚至提高，是控制co2排放的 能源系統(tǒng)研究的主要目的?；瘜W(xué)鏈燃燒是一種不同于傳統(tǒng)的燃料與空氣直接接觸燃燒的燃燒方式，它通過金 屬氧化物作為傳遞氧的媒介，將傳統(tǒng)燃燒反應(yīng)分兩步進行還原反應(yīng)、氧化反應(yīng)。燃料首先 在還原反應(yīng)器中被金屬氧化物氧化為水蒸氣和C02，同時金屬氧化物被還原為金屬單質(zhì)或 低價金屬氧化物。被還原后的金屬單質(zhì)或低價金屬氧化物進入氧化反應(yīng)器，被氧化再生，放出大量的熱，產(chǎn)生高溫?zé)煔?。由于燃料與空氣不直接接觸燃燒，避免了隊對0)2的稀釋，還原 反應(yīng)器尾氣中CO2濃度高，在不增加專門的CO2分離設(shè)備情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)低能耗分離C02， 同時由于燃料品位被降低到被還原后的金屬氧化物的品位，使得燃燒畑損失降低，提高了 系統(tǒng)的效率。化學(xué)鏈燃燒因其能夠在分離CO2的同時實現(xiàn)系統(tǒng)效率的提高引起許多國家的重 視。日本對化學(xué)鏈燃燒的早期研究做了大量貢獻。1994年，日本學(xué)者Ishida教授和中國學(xué) 者金紅光教授率先提出控制CO2排放的化學(xué)鏈燃燒的濕空氣透平新系統(tǒng)，首次在國際上將 化學(xué)鏈燃燒與熱力循環(huán)有機結(jié)合，該研究于1995年獲得美國專利。隨后，歐美等國開始重 視化學(xué)鏈燃燒技術(shù)在控制溫室氣體方面的作用，歐盟FP5框架、FP6框架將化學(xué)鏈燃燒作為 重要研究內(nèi)容予以資助。瑞典查爾姆斯科技大學(xué)建立了國際首臺IOkW的化學(xué)鏈燃燒循環(huán) 流化床實驗臺，韓國建立了 50kW化學(xué)鏈燃燒的示范電站，挪威研究委員會資助的歐洲最大 的BIGC02研究計劃中擬要建立目前最具規(guī)模的天然氣基IOOkW化學(xué)鏈燃燒發(fā)電示范裝置， 美國能源部下屬國家能源技術(shù)實驗室也開展了多項關(guān)于化學(xué)鏈的研究。但化學(xué)鏈燃燒存在技術(shù)問題循環(huán)顆粒的性能對化學(xué)鏈燃燒過程至關(guān)重要，當(dāng)前 化學(xué)鏈燃燒所用氧載體多為Fe203、NiO顆粒，為保證循環(huán)材料物理性能的穩(wěn)定，其氧化反 應(yīng)溫度受到嚴格控制，一般控制在1200°C以下，而當(dāng)前燃氣透平入口初溫已達到1400°C以 上，氧化反應(yīng)溫度無法與燃氣透平入口初溫匹配，限制了燃氣透平入口初溫的提高，從而使 得系統(tǒng)效率的提高受到限制，造成了化學(xué)鏈燃燒動力循環(huán)系統(tǒng)的瓶頸。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提出一種控制CO2排放的太陽能與甲醇燃料互補的 化學(xué)鏈燃燒發(fā)電系統(tǒng)及方法，解決化學(xué)鏈燃燒動力系統(tǒng)因循環(huán)材料限制引起的燃氣透平入 口初溫低的問題，同時實現(xiàn)中低溫太陽能的高效熱發(fā)電利用，降低CO2的捕集能耗。(二)技術(shù)方案為了達到上述目的，本發(fā)明提供了一種控制CO2排放的太陽能與甲醇燃料互補的 化學(xué)鏈燃燒循環(huán)方法，該方法包括甲醇燃料在中低溫太陽能的驅(qū)動下還原Fe2O3循環(huán)顆粒，將中低溫太陽能轉(zhuǎn)化為 化學(xué)能儲存在還原產(chǎn)物FeO中，F(xiàn)eO繼續(xù)被空氣氧化再生，放出大量熱產(chǎn)生高溫?zé)煔?，同時 儲存在FeO中的中低溫太陽能以高溫?zé)崮艿男问结尫懦?，實現(xiàn)中低溫太陽能的品位提升； 所述中低溫太陽能是指溫度范圍在150°C至300°C之間的太陽能；上述方案中，該方法進一步包括甲醇燃料在還原Fe2O3循環(huán)顆粒的同時，在中低 溫太陽能驅(qū)動下被分解為包含H2和CO的合成氣，將中低溫太陽能轉(zhuǎn)化為合成氣的化學(xué)能， 合成氣與循環(huán)顆粒再生過程產(chǎn)生的高溫?zé)煔獍l(fā)生燃燒反應(yīng)，以進一步提高煙氣溫度驅(qū)動燃 氣透平做功，同時儲存在合成氣中的中低溫太陽能以高溫?zé)崮艿男问结尫懦?，完成中低?太陽能品位到高溫?zé)崮芷肺坏奶嵘?。為了達到上述目的，本發(fā)明提供了一種控制CO2排放的太陽能與甲醇燃料互補的 化學(xué)鏈燃燒發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)由中低溫太陽能驅(qū)動的化學(xué)鏈燃燒裝置和中低溫太陽能驅(qū)動 的補燃裝置構(gòu)成，其中
中低溫太陽能驅(qū)動的化學(xué)鏈燃燒裝置，包括太陽能集熱_還原反應(yīng)器2、氧化反應(yīng) 器6、氣固換熱器3、5、12、13、分流器19、旋風(fēng)分離器7、預(yù)熱器1和泵9，其中太陽能集熱_還原反應(yīng)器2，利用太陽能集熱器，以線性聚焦方式將低能流密度的 太陽能聚集成高能流密度的中低溫?zé)崮?，用以?qū)動接收自太陽能預(yù)熱器1的甲醇與循環(huán)顆 粒Fe203的還原反應(yīng)；氧化反應(yīng)器6，用于預(yù)熱后的壓縮空氣與預(yù)熱后的循環(huán)顆粒FeO發(fā)生強放熱的氧 化反應(yīng)；氣固換熱器3、5、12、13，換熱設(shè)備，用于實現(xiàn)冷、熱物流間的熱量交換；分流器19，分流裝置，用于對甲醇進行質(zhì)量分流；旋風(fēng)分離器7，用于將氣固混合物進行氣固分離；中低溫太陽能驅(qū)動的補燃裝置，包括太陽能集熱_分解反應(yīng)器11、補燃燃燒室8、 燃氣透平14、余熱鍋爐15、蒸汽透平16、冷凝器17、預(yù)熱器10、泵18和壓縮機4，其中太陽能集熱-分解反應(yīng)器11，利用太陽能集熱器，以線性聚焦方式將低能流密度 的太陽能聚集成高能流密度的中低溫?zé)崮?，用以?qū)動接收自太陽能預(yù)熱器10的甲醇分解 反應(yīng)；補燃燃燒室8，用于甲醇分解后的合成氣與接收自旋風(fēng)分離器的煙氣發(fā)生燃燒反 應(yīng)，進一步提高煙氣溫度；燃氣透平14，用于接收自補燃燃燒室的高溫?zé)煔馀蛎涀龉?；余熱鍋爐15，用于回收來自燃氣透平的煙氣余熱，產(chǎn)生高壓、低壓蒸汽，然后進入 蒸汽透平16做功。上述方案中，中低溫太陽能與甲醇燃料按照品位不同進行互補，綜合梯級利用。上述方案中，所述甲醇燃料采用中低溫太陽能驅(qū)動的化學(xué)鏈燃燒方式，預(yù)熱后的 甲醇蒸汽進入太陽能集熱-還原反應(yīng)器，在中低溫太陽能驅(qū)動下與循環(huán)顆粒Fe203發(fā)生還原 反應(yīng)，產(chǎn)生固體顆粒FeO和氣態(tài)產(chǎn)物水蒸氣和C02，F(xiàn)eO經(jīng)預(yù)熱后在氧化反應(yīng)器中被壓縮空 氣氧化再生，放出大量的熱，生成高溫Fe203和煙氣，經(jīng)氣固分離后，高溫?zé)煔膺M入補燃燃燒 室，F(xiàn)e203顆粒經(jīng)換熱器回收余熱后進入還原反應(yīng)器再循環(huán)。上述方案中，所述甲醇燃料部分預(yù)熱后，進入太陽能集熱-分解反應(yīng)器，在中低溫 太陽熱能的驅(qū)動下，發(fā)生分解反應(yīng)，產(chǎn)生合成氣，合成氣被預(yù)熱后作為燃料進入補燃燃燒 室，與接收自旋風(fēng)分離器的高溫?zé)煔?，發(fā)生燃燒反應(yīng)，放出大量的熱，進一步提高燃氣透平 入口初溫，解決了因保證循環(huán)材料物理性能的穩(wěn)定性，氧化反應(yīng)溫度受到限制，造成燃氣透 平入口初溫低的問題。上述方案中，所述太陽能集熱器采用拋物槽式聚光結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，以線性聚焦方 式將低能流密度的太陽能聚集成高能流密度的中低溫?zé)崮?，與高溫太陽能集熱器相比，其 聚光比低，制造和運行成本大大降低，有利于大規(guī)模的推廣和應(yīng)用。上述方案中，該系統(tǒng)合理利用中低溫太陽能，用以驅(qū)動甲醇_Fe203還原反應(yīng)和甲 醇分解反應(yīng)，實現(xiàn)中低溫太陽能向FeO和合成氣的化學(xué)能轉(zhuǎn)變，且以化學(xué)能形式儲存在FeO 和合成氣中的中低溫太陽能，通過氧化反應(yīng)和補燃，以高溫?zé)崮艿男问椒懦?，完成中低溫?陽能的品位到高溫?zé)崮芷肺坏奶嵘遗c直接燃燒相比反應(yīng)放熱量有所增加，增加部分即 為反應(yīng)吸收太陽能的量。
上述方案中，該系統(tǒng)利用中低溫太陽能，降低燃料的使用量，減少C02的排放，同時 由于采用化學(xué)鏈燃燒，燃料的燃燒被分為還原反應(yīng)和氧化反應(yīng)兩步進行，反應(yīng)產(chǎn)生的0)2未 被N2稀釋，co2濃度高，經(jīng)過簡單冷凝可除去水蒸氣，分離出co2，此過程不需要專門的co2分 離裝置和額外能耗，實現(xiàn)co2的零能耗分離，具有很高的經(jīng)濟和環(huán)境效益。上述方案中，在無太陽能或太陽輻照強度較弱的情況下，該系統(tǒng)中的還原反應(yīng)所 需熱量由循環(huán)顆粒攜帶的顯熱提供，分解反應(yīng)器及甲醇預(yù)熱所需熱量按照各過程所需能量 品味不同由煙氣余熱提供。上述方案中，在無太陽能或太陽輻照強度較弱的情況下，利用煙氣余熱提供甲醇 預(yù)熱和分解反應(yīng)所需反應(yīng)熱，利用高溫Fe203的顯熱提供還原反應(yīng)過程所需反應(yīng)熱，確保系 統(tǒng)在無太陽能或太陽輻照強度較弱的條件下的連續(xù)運行。(三)有益效果從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明的有益效果是1、注重中低溫太陽能與甲醇燃料的互補，實現(xiàn)能量品位的梯級利用；2、系統(tǒng)通過采用補燃方式，克服了化學(xué)鏈燃燒動力系統(tǒng)因循環(huán)材料限制引起的燃 氣透平入口初溫低的問題，提高了燃氣透平入口初溫；3、太陽能集熱器采用拋物槽式聚光結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，向原料預(yù)熱、還原反應(yīng)和分解 反應(yīng)提供150°C至300°C溫度范圍的熱量，與高溫太陽能集熱器相比，制造和運行成本較 低，有利于大規(guī)模的推廣和應(yīng)用；另外，該太陽能集熱器將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能的溫度與反應(yīng) 所需要的溫度匹配，實現(xiàn)了中低溫太陽能的合理利用；4、在還原反應(yīng)和分解反應(yīng)過程中，燃料化學(xué)能轉(zhuǎn)化FeO和合成氣的化學(xué)能，中低 溫太陽熱能也轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲存在FeO和合成氣中。從熱力學(xué)第一定律出發(fā)，本系統(tǒng)增加 了反應(yīng)產(chǎn)物的能量，增加的部分等于反應(yīng)吸收的太陽熱能；從熱力學(xué)第二定律出發(fā)，通過還 原反應(yīng)和分解反應(yīng)，低品位的太陽熱能提升為高品位的燃料化學(xué)能；5、由于本發(fā)明采用太陽能作為部分輸入能源，減少了燃料的使用，降低了 C02的排 放量，同時還原反應(yīng)產(chǎn)生水蒸氣和co2，co2可以通過簡單的物理冷凝方法分離出來，不需要 額外耗能，也不需要專門的co2分離裝置，從產(chǎn)生co2的源頭解決了 co2的控制問題，大大降 低了 co2的分離和捕集成本。


圖1為本發(fā)明提供的控制C02排放的太陽能與甲醇燃料互補的化學(xué)鏈燃燒動力系 統(tǒng)的第一實施例；圖2為本發(fā)明提供的在無太陽能或太陽輻照強度較弱情況下的控制C02排放的太 陽能與甲醇燃料互補的化學(xué)鏈燃燒動力系統(tǒng)的第二實施例。
具體實施例方式本發(fā)明提供了兩種具體的實施例，實施例1的具體流程如圖1所示，為本發(fā)明提供 的控制C02排放的太陽能與甲醇燃料互補的化學(xué)鏈燃燒動力系統(tǒng)；實施例2的具體流程如 圖2所示，為本發(fā)明提供的在無太陽能或太陽輻照強度較弱情況下的控制C02排放的太陽 能與甲醇燃料互補的化學(xué)鏈燃燒動力系統(tǒng)。下面對這兩種實施例進行詳細說明。
實施例1 本實施例系統(tǒng)由預(yù)熱器1、10，泵9、18，氣固換熱器3、5、12、13，分流器19，太陽能 集熱_還原反應(yīng)器2，太陽能集熱-分解反應(yīng)器11，氧化反應(yīng)器6，壓縮機4，旋風(fēng)分離器7， 補燃燃燒室8，燃氣透平14，余熱鍋爐15，蒸汽透平16，冷凝器17組成。其具體流程為甲醇S 1經(jīng)分流器19分流為兩股S2、S3進入系統(tǒng)，其中甲醇S2經(jīng)預(yù)熱器1預(yù)熱 后進入太陽能集熱_還原反應(yīng)器2，預(yù)熱熱源為槽式太陽能集熱器所聚集的200 300°C中 低溫太陽熱能。在還原反應(yīng)器中，甲醇與Fe2O3循環(huán)顆粒S7發(fā)生還原反應(yīng)。反應(yīng)后，甲醇被 氧化為氣態(tài)產(chǎn)物CO2和水蒸氣S6，F(xiàn)e2O3被還原為FeO固體顆粒S5，反應(yīng)所需反應(yīng)熱由太陽 能集熱器聚集中低溫太陽能提供。被還原的金屬氧化物S5在氣固換熱器12中被從燃氣透 平14排出的部分煙氣預(yù)熱，然后進入氧化反應(yīng)器6，冷卻后的煙氣S24進入底循環(huán)回收余 熱?？諝釹lO經(jīng)壓縮機4壓縮到一定壓力后，在氣固換熱器5中回收循環(huán)顆粒余熱，被預(yù)熱 后的壓縮空氣S13進入氧化反應(yīng)器6。經(jīng)加壓、預(yù)熱后的空氣S13在氧化反應(yīng)器6中與預(yù) 熱后FeO顆粒S14發(fā)生氧化反應(yīng)，放出大量的熱，循環(huán)顆粒被氧化再生，同時產(chǎn)生高溫?zé)煔狻?高溫氣固混合物S15在旋風(fēng)分離器7中進行氣固分離，氣體S16從旋風(fēng)分離器7頂部排出 后進入補燃燃燒室8，固體顆粒S17由底部排出。高溫固體顆粒S17經(jīng)氣固換熱器13預(yù)熱 合成氣，氣固換熱器5預(yù)熱空氣，在氣固換熱器3中被冷卻空氣冷卻到還原反應(yīng)溫度后回收 余熱進入還原反應(yīng)器2進行再循環(huán)。另外一股甲醇S3經(jīng)泵9加壓，在預(yù)熱器10中被太陽能集熱器聚集的中低溫太陽 熱能預(yù)熱后，進入太陽能集熱-分解反應(yīng)器11。甲醇在分解反應(yīng)器中發(fā)生部分分解，產(chǎn)生合 成氣S21，分解反應(yīng)所需熱量由太陽能集熱器提供的中低溫太陽能提供。合成氣S21經(jīng)氣 固換熱器13預(yù)熱后進入補燃燃燒室8，并在其中與高溫?zé)煔釹16中未反應(yīng)氧氣發(fā)生燃燒反 應(yīng)，放出大量反應(yīng)熱，進一步提高煙氣溫度。補燃后的高溫?zé)煔釹18進入燃氣輪機14膨脹 做功，經(jīng)余熱鍋爐15回收余熱，產(chǎn)生蒸汽做功后，排入環(huán)境中。實施例2 本實施例系統(tǒng)由預(yù)熱器1、9，泵8、17，氣固換熱器4、11、12，分流器18，還原反應(yīng)器 2，分解反應(yīng)器10，氧化反應(yīng)器5，壓縮機3，旋風(fēng)分離器6，補燃燃燒室7，燃氣透平13，余熱 鍋爐14，蒸汽透平15，冷凝器16組成。其具體流程為甲醇Sl經(jīng)分流器18分流為兩股S2、S3進入系統(tǒng)，其中甲醇S2經(jīng)預(yù)熱器1預(yù)熱后 進入還原反應(yīng)器2，預(yù)熱熱源為煙氣余熱。在還原反應(yīng)器中，甲醇與Fe2O3循環(huán)顆粒S7發(fā)生 還原反應(yīng)。反應(yīng)后，甲醇被氧化為氣態(tài)產(chǎn)物CO2和水蒸氣S6，F(xiàn)e2O3被還原為FeO固體顆粒 S5，反應(yīng)所需反應(yīng)熱由循環(huán)顆粒Fe2O3自身所攜帶的顯熱提供。被還原的金屬氧化物S5在 氣固換熱器11中被從燃氣輪機13排出的部分煙氣預(yù)熱，然后進入氧化反應(yīng)器5?？諝釹8 經(jīng)壓縮機3壓縮到一定壓力后，在氣固換熱器4中回收循環(huán)顆粒余熱，被預(yù)熱后的壓縮空氣 SlO進入氧化反應(yīng)器5。經(jīng)加壓、預(yù)熱后的空氣SlO在氧化反應(yīng)器5中與預(yù)熱后FeO顆粒 S12發(fā)生氧化反應(yīng)，放出大量的熱，循環(huán)顆粒被氧化再生，同時產(chǎn)生高溫?zé)煔狻８邷貧夤袒旌?物S13在旋風(fēng)分離器6中進行氣固分離，氣體S14從旋風(fēng)分離器6頂部排出后進入補燃燃 燒室7，固體顆粒S15由底部排出。高溫固體顆粒S15經(jīng)氣固換熱器12預(yù)熱合成氣，氣固換 熱器4預(yù)熱空氣，回收余熱后進入還原反應(yīng)器2進行再循環(huán)。另外一股甲醇S3經(jīng)泵8加壓，在預(yù)熱器9中被煙氣預(yù)熱后，進入分解反應(yīng)器10。
8甲醇在分解反應(yīng)器中發(fā)生部分分解，產(chǎn)生合成氣S19，分解反應(yīng)所需熱量由預(yù)熱FeO固體顆 粒S5后的煙氣提供。合成氣S19經(jīng)氣固換熱器12預(yù)熱后進入補燃燃燒室7，并在其中與高 溫?zé)煔釹14中未反應(yīng)氧氣發(fā)生燃燒反應(yīng)，放出大量反應(yīng)熱，進一步提高煙氣溫度。補燃后的 高溫?zé)煔釹16進入燃氣透平13膨脹做功，經(jīng)余熱鍋爐14回收余熱，產(chǎn)生蒸汽做功后，排入 環(huán)境中。以上各實施例均采用ASPEN PLUS軟件進行了模擬計算，基本參數(shù)及平衡工況狀態(tài) 參數(shù)和熱力性能參數(shù)見表1至表5，并在采用實施例的基本循環(huán)參數(shù)條件(見表1)下，分別 與通過聚集中高溫太陽熱能用以提供底循環(huán)蒸發(fā)段熱量的ISCC系統(tǒng)和傳統(tǒng)的聯(lián)合循環(huán)系 統(tǒng)進行了熱力性能方面的比較。對于實施例1的循環(huán)系統(tǒng)，當(dāng)甲醇摩爾流量為l_mol/s，太陽能集熱器聚集太陽 熱能溫度250°C，還原反應(yīng)溫度與分解反應(yīng)溫度均為200°C，氧化反應(yīng)溫度1000°C，燃氣透 平進氣參數(shù)1400°C /18bar時，循環(huán)的凈輸出功為447_kW。由于本循環(huán)系統(tǒng)輸入能源為太 陽能和甲醇，為合理評價系統(tǒng)性能，采用畑效率、太陽能凈發(fā)電效率對系統(tǒng)進行比較。模擬 條件下，實施例1的循環(huán)系統(tǒng)畑效率為57. 1%，太陽能凈發(fā)電效率約為30%。在相同基本 循環(huán)參數(shù)條件下，ISCC系統(tǒng)太陽能集熱器聚集的太陽熱能溫度450°C，燃氣輪機進氣參數(shù) 1400°C /18bar，畑效率為56. 5%，太陽能凈發(fā)電效率為23. 8%，與之相比，實施例1中本發(fā) 明的系統(tǒng)畑效率高出0.6個百分點，太陽能凈發(fā)電效率高出6. 2個百分點；傳統(tǒng)的聯(lián)合循 環(huán)系統(tǒng)燃氣輪機進氣參數(shù)1400°C /18bar，畑效率55.0%，與之相比，實施例1中本發(fā)明的 系統(tǒng)畑效率高出2. 1個百分點。另外，本發(fā)明在C02分離與捕集方面具有明顯優(yōu)勢。由于系 統(tǒng)輸入太陽能用來代替部分甲醇，在相同凈輸出功條件下，本系統(tǒng)可節(jié)約11. 8%燃料，C02 排放量由傳統(tǒng)聯(lián)合循環(huán)的0. 413_kg/kffh降低到0. 364_kg/kWh。采用化學(xué)吸收法從低壓、 低溫?zé)煔庵谢厥誄02的能耗約為0. 34_kffh/kg C02,由于實施例1中本系統(tǒng)所產(chǎn)生的53. 2% 的C02來自還原反應(yīng)，這部分C02可以通過簡單的物理冷凝實現(xiàn)零能耗分離，因此采用本發(fā) 明可使C02的回收能耗顯著下降，由0. 34kffh/kg C02下降到0. 14kffh/kg C02。對于實施例2的循環(huán)系統(tǒng)，當(dāng)甲醇流量為l_mol/s，氧化反應(yīng)溫度1000°C，燃氣透 平進氣參數(shù)1400°C /18bar時，循環(huán)的凈輸出功為410_kW，系統(tǒng)的循環(huán)熱效率為64.4%， 畑效率為57. 2%。在相同基本循環(huán)參數(shù)條件下，傳統(tǒng)的聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)燃氣輪機進氣參數(shù) 1400°C /18bar，循環(huán)熱效率為61. 6%，畑效率為55. 0%，與之相比，實施例2中本發(fā)明的系 統(tǒng)熱效率高出2. 8個百分點，畑效率高出2. 2個百分點。另外，本發(fā)明在C02分離與捕集方 面具有明顯優(yōu)勢。相同凈輸出功條件下，本系統(tǒng)可節(jié)約3. 9%燃料，C02排放量由傳統(tǒng)聯(lián)合循 環(huán)的0. 413_kg/kffh降低到0. 397_kg/kWh。采用化學(xué)吸收法從低壓、低溫?zé)煔庵谢厥誄02的 能耗約為0. 34_kffh/kg C02,由于實施例2中本系統(tǒng)所產(chǎn)生的55. 7%的C02來自還原反應(yīng)， 這部分0)2可以通過簡單的物理冷凝實現(xiàn)零能耗分離，因此采用本發(fā)明可使C02的回收能耗 顯著下降，由 0. 34kffh/kg C02 下降到 0. 145kffh/kg C02。本發(fā)明系統(tǒng)效率、太陽能熱發(fā)電效率提高和C02回收能耗降低的根本原因在于1.太陽能與替代燃料品位互補、梯級利用實施例1中采用太陽能集熱器聚集中 低溫太陽能，用以提供溫度要求不高的原料預(yù)熱、還原反應(yīng)和分解反應(yīng)所需的熱量，實現(xiàn)了 中低溫太陽能的合理、梯級利用；采用化學(xué)鏈燃燒，將傳統(tǒng)燃料直接燃燒的方式轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)鏈燃燒方式，降低了燃料的品位，大大減小了燃燒畑損失；回收高溫循環(huán)顆粒顯熱，用于預(yù) 熱合成氣、壓縮空氣，降低換熱畑損失。2.燃氣輪機入口初溫的提高實施例1中采用補燃，克服了化學(xué)鏈燃燒動力系統(tǒng) 因循環(huán)材料限制引起的燃氣透平入口初溫低的問題，提高了燃氣透平入口初溫；3.中低溫太陽能品位的提升實施例1中還原反應(yīng)過程吸收的中低溫太陽能以 化學(xué)能形式儲存在FeO中，并在氧化反應(yīng)器中通過氧化反應(yīng)，以高溫?zé)崮艿男问椒懦觯瑢崿F(xiàn) 了中低溫太陽能的品位到高溫?zé)崮芷肺坏奶嵘遗c直接燃燒相比氧化反應(yīng)放熱量有所增 加，增加部分即為還原反應(yīng)吸收太陽能的量；實施例1中分解反應(yīng)過程吸收的中低溫太陽 能以化學(xué)能形式儲存在合成氣中，并通過補燃以高溫?zé)崮艿男问结尫懦?，實現(xiàn)了中低溫太 陽能的低品位到高溫?zé)崮艿母咂肺惶嵘?，且與直接燃燒甲醇相比其放熱量有所增加，增加 部分即為分解反應(yīng)吸收的太陽熱能的量。4.太陽能利用和控制C02排放一體化實施例1中由于利用太陽熱能提供原料預(yù) 熱、還原反應(yīng)和分解反應(yīng)所需的熱量，減少了燃料的使用量，從而降低了系統(tǒng)的co2排放量； 由于采用化學(xué)鏈燃燒的間接燃燒方式，還原反應(yīng)器中co2濃度高且經(jīng)過簡單的物理冷凝可 除去水蒸氣，分離出co2，不需要專門的0)2分離裝置和額外能耗，實現(xiàn)了 co2的零能耗分離， 大大降低了 co2的分離和捕集能耗。表1系統(tǒng)基本循環(huán)參數(shù)(適用于實施例1、2) 表2實施例1循環(huán)平衡工況狀態(tài)參數(shù) 表3實施1循環(huán)熱力性能參數(shù) 表4實施例2循環(huán)平衡工況狀態(tài)參數(shù) 表5實施2循環(huán)熱力性能參數(shù) 注表3、表5中計算公式輸入熱量=甲醇低位熱值X甲醇流率+輸入太陽熱能；
輸入畑=甲醇化學(xué)畑X甲醇流率+輸入中低溫太陽能熱畑；熱效率=凈輸出功/輸入熱量；畑效率=凈輸出功/輸入畑；
太陽能凈發(fā)電效率=光學(xué)效率X反應(yīng)器吸收效率X畑效率。環(huán)境狀態(tài)取25 °C，l_bar。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳 細說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保 護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種控制CO2排放的太陽能與甲醇燃料互補的化學(xué)鏈燃燒循環(huán)方法，其特征在于，該方法包括甲醇燃料在中低溫太陽能的驅(qū)動下還原Fe2O3循環(huán)顆粒，將中低溫太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲存在還原產(chǎn)物FeO中，F(xiàn)eO繼續(xù)被空氣氧化再生，放出大量熱產(chǎn)生高溫?zé)煔?，同時儲存在FeO中的中低溫太陽能以高溫?zé)崮艿男问结尫懦?，實現(xiàn)中低溫太陽能的品位提升；所述中低溫太陽能是指溫度范圍在150℃至300℃之間的太陽能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制CO2排放的太陽能與甲醇燃料互補的化學(xué)鏈燃燒循環(huán)方 法，其特征在于，該方法進一步包括甲醇燃料在還原Fe2O3循環(huán)顆粒的同時，在中低溫太陽能驅(qū)動下被分解為包含H2和CO 的合成氣，將中低溫太陽能轉(zhuǎn)化為合成氣的化學(xué)能，合成氣與循環(huán)顆粒再生過程產(chǎn)生的高 溫?zé)煔獍l(fā)生燃燒反應(yīng)，以進一步提高煙氣溫度驅(qū)動燃氣透平做功，同時儲存在合成氣中的 中低溫太陽能以高溫?zé)崮艿男问结尫懦?，完成中低溫太陽能品位到高溫?zé)崮芷肺坏奶嵘?br> 3.一種用于實現(xiàn)權(quán)利要求1所述方法的控制CO2排放的太陽能與甲醇燃料互補的化學(xué) 鏈燃燒發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)由中低溫太陽能驅(qū)動的化學(xué)鏈燃燒裝置和中低溫太 陽能驅(qū)動的補燃裝置構(gòu)成，其中中低溫太陽能驅(qū)動的化學(xué)鏈燃燒裝置，包括太陽能集熱_還原反應(yīng)器(2)、氧化反應(yīng)器 (6)、氣固換熱器(3、5、12、13)、分流器(19)、旋風(fēng)分離器(7)、預(yù)熱器(1)和泵(9)，其中太陽能集熱-還原反應(yīng)器(2)，利用太陽能集熱器，以線性聚焦方式將低能流密度的太 陽能聚集成高能流密度的中低溫?zé)崮?，用以?qū)動接收自太陽能預(yù)熱器(1)的甲醇與循環(huán)顆 粒Fe2O3的還原反應(yīng)；氧化反應(yīng)器(6)，用于預(yù)熱后的壓縮空氣與預(yù)熱后的循環(huán)顆粒FeO發(fā)生強放熱的氧化 反應(yīng)；氣固換熱器(3、5、12、13)，換熱設(shè)備，用于實現(xiàn)冷、熱物流間的熱量交換；分流器(19)，分流裝置，用于對甲醇進行質(zhì)量分流；旋風(fēng)分離器(7)，用于將氣固混合物進行氣固分離；中低溫太陽能驅(qū)動的補燃裝置，包括太陽能集熱-分解反應(yīng)器(11)、補燃燃燒室(8)、 燃氣透平(14)、余熱鍋爐(15)、蒸汽透平(16)、冷凝器(17)、預(yù)熱器(10)、泵(18)和壓縮機 (4)，其中太陽能集熱_分解反應(yīng)器(11)，利用太陽能集熱器，以線性聚焦方式將低能流密度的 太陽能聚集成高能流密度的中低溫?zé)崮?，用以?qū)動接收自太陽能預(yù)熱器(10)的甲醇分解 反應(yīng)；補燃燃燒室(8)，用于甲醇分解后的合成氣與接收自旋風(fēng)分離器的煙氣發(fā)生燃燒反應(yīng)， 進一步提高煙氣溫度；燃氣透平(14)，用于接收自補燃燃燒室的高溫?zé)煔馀蛎涀龉?；余熱鍋爐(15)，用于回收來自燃氣透平的煙氣余熱，產(chǎn)生高壓、低壓蒸汽，然后進入蒸 汽透平(16)做功。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的控制CO2排放的太陽能與甲醇燃料互補的化學(xué)鏈燃燒發(fā)電系 統(tǒng)，其特征在于，中低溫太陽能與甲醇燃料按照品位不同進行互補，綜合梯級利用。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的控制CO2排放的太陽能與甲醇燃料互補的化學(xué)鏈燃燒發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述甲醇燃料采用中低溫太陽能驅(qū)動的化學(xué)鏈燃燒方式，預(yù)熱后的甲醇蒸 汽進入太陽能集熱-還原反應(yīng)器，在中低溫太陽能驅(qū)動下與循環(huán)顆粒Fe2O3發(fā)生還原反應(yīng)， 產(chǎn)生固體顆粒FeO和氣態(tài)產(chǎn)物水蒸氣和C02，F(xiàn)eO經(jīng)預(yù)熱后在氧化反應(yīng)器中被壓縮空氣氧 化再生，放出大量的熱，生成高溫Fe2O3和煙氣，經(jīng)氣固分離后，高溫?zé)煔膺M入補燃燃燒室， Fe2O3顆粒經(jīng)換熱器回收余熱后進入還原反應(yīng)器再循環(huán)。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的控制CO2排放的太陽能與甲醇燃料互補的化學(xué)鏈燃燒發(fā)電系 統(tǒng)，其特征在于，所述甲醇燃料部分預(yù)熱后，進入太陽能集熱_分解反應(yīng)器，在中低溫太陽 熱能的驅(qū)動下，發(fā)生分解反應(yīng)，產(chǎn)生合成氣，合成氣被預(yù)熱后作為燃料進入補燃燃燒室，與 接收自旋風(fēng)分離器的高溫?zé)煔?，發(fā)生燃燒反應(yīng)，放出大量的熱，進一步提高燃氣透平入口初 溫，解決了因保證循環(huán)材料物理性能的穩(wěn)定性，氧化反應(yīng)溫度受到限制，造成燃氣透平入口 初溫低的問題。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的控制CO2排放的太陽能與甲醇燃料互補的化學(xué)鏈燃燒發(fā)電系 統(tǒng)，其特征在于，所述太陽能集熱器采用拋物槽式聚光結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，以線性聚焦方式將 低能流密度的太陽能聚集成高能流密度的中低溫?zé)崮埽c高溫太陽能集熱器相比，其聚光 比低，制造和運行成本大大降低，有利于大規(guī)模的推廣和應(yīng)用。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的控制CO2排放的太陽能與甲醇燃料互補的化學(xué)鏈燃燒發(fā)電系 統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)合理利用中低溫太陽能，用以驅(qū)動甲醇-Fe2O3還原反應(yīng)和甲醇分解 反應(yīng)，實現(xiàn)中低溫太陽能向FeO和合成氣的化學(xué)能轉(zhuǎn)變，且以化學(xué)能形式儲存在FeO和合成 氣中的中低溫太陽能，通過氧化反應(yīng)和補燃，以高溫?zé)崮艿男问椒懦?，完成中低溫太陽能?品位到高溫?zé)崮芷肺坏奶嵘?，且與直接燃燒相比反應(yīng)放熱量有所增加，增加部分即為反應(yīng) 吸收太陽能的量。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的控制CO2排放的太陽能與甲醇燃料互補的化學(xué)鏈燃燒發(fā)電系 統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)利用中低溫太陽能，降低燃料的使用量，減少CO2的排放，同時由于 采用化學(xué)鏈燃燒，燃料的燃燒被分為還原反應(yīng)和氧化反應(yīng)兩步進行，反應(yīng)產(chǎn)生的CO2未被N2 稀釋，CO2濃度高，經(jīng)過簡單冷凝可除去水蒸氣，分離出CO2,此過程不需要專門的CO2分離裝 置和額外能耗，實現(xiàn)CO2的零能耗分離，具有很高的經(jīng)濟和環(huán)境效益。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的控制CO2排放的太陽能與甲醇燃料互補的化學(xué)鏈燃燒發(fā)電 系統(tǒng)，其特征在于，在無太陽能或太陽輻照強度較弱的情況下，該系統(tǒng)中的還原反應(yīng)所需熱 量由循環(huán)顆粒攜帶的顯熱提供，分解反應(yīng)器及甲醇預(yù)熱所需熱量按照各過程所需能量品味 不同由煙氣余熱提供。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的控制CO2排放的太陽能與甲醇燃料互補的化學(xué)鏈燃燒發(fā)電 系統(tǒng)，其特征在于，在無太陽能或太陽輻照強度較弱的情況下，利用煙氣余熱提供甲醇預(yù)熱 和分解反應(yīng)所需反應(yīng)熱，利用高溫Fe2O3的顯熱提供還原反應(yīng)過程所需反應(yīng)熱，確保系統(tǒng)在 無太陽能或太陽輻照強度較弱的條件下的連續(xù)運行。
全文摘要
本發(fā)明涉及太陽能熱發(fā)電和能源技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種控制CO2排放的太陽能與甲醇燃料互補的化學(xué)鏈燃燒發(fā)電系統(tǒng)及方法。該系統(tǒng)是中低溫太陽能熱化學(xué)過程與化學(xué)鏈燃燒動力循環(huán)的有機耦合，包括太陽能集熱-還原反應(yīng)器、太陽能集熱-分解反應(yīng)器、氧化反應(yīng)器、補燃燃燒室、燃氣透平、蒸汽透平、余熱鍋爐、熱交換器等。利用本發(fā)明，實現(xiàn)不同品質(zhì)能源互補的梯級利用，通過簡單冷凝可實現(xiàn)CO2的零能耗分離，同時該燃燒方式將燃料品位降低到FeO的品位，從而降低了燃燒過程的損失，提高了系統(tǒng)的效率；通過太陽能熱化學(xué)反應(yīng)，實現(xiàn)了中低溫太陽能品位的提升；通過補燃，解決了化學(xué)鏈燃燒動力系統(tǒng)因循環(huán)材料限制引起的燃氣透平入口初溫低的問題。
文檔編號H02N6/00GK101888194SQ20091008403
公開日2010年11月17日 申請日期2009年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月13日
發(fā)明者劉啟斌, 洪慧, 金紅光, 隋軍, 韓濤 申請人:中國科學(xué)院工程熱物理研究所