本发明专利技术涉及一种分布式供能系统中实现CO2零排放的方法及其系统，本发明专利技术利用化学链燃烧系统零能耗分离CO2的特点和甲烷通过与CO2发生重整反应制取合成气燃料的特点，将二者融汇耦合。耦合后系统通过甲烷重整子系统产出合成气，通过动力子系统产出电能，通过余热利用子系统产出冷冻水用于空调系统制冷和生活热水的同时，实现了CO2分离与利用一体化，实现了CO2的零排放。本发明专利技术所述系统配置合理，能够充分发挥各个子系统的特点，实现化学成分对口转化和能量的梯级利用原则，不仅提高了系统的能源利用率，还起到了减排CO2的重要作用。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种供能系统对排放进行处理的技术，特别是在多能源互补的分布式多联产系统中进行CO2零排放的方法。
技术介绍
化学链燃烧技术是将传统燃料燃烧系统中的燃烧器分为两个独立的化学反应器，并通过合适的载氧体在两个反应器间通过化学反应传递能量并循环使用，使空气与燃料实现不直接接触的″燃烧″。因此，化学链燃烧技术解决了在传统燃烧方式中回收CO2高能耗的难题，低能耗地实现了CO2的分离。在化学链燃烧这一概念被提出之后，由于其具有对燃料化学能与物理能的充分利用和低能耗分离CO2的特点，迅速引起全球相关研究学者对化学链燃烧的深入和广泛研究。其中，涉及能源动力系统方面主要是研究化学链燃烧技术与温室气体控制一体化的能源环境系统集成，扩展化学链燃烧的应用范围。利用甲烷-二氧化碳重整技术(CH4-CO2Reforming)制取合成气的过程是甲烷、二氧化碳利用的一条有效途径。由于所述过程打破了对甲烷(CH4)以燃烧方式的传统利用，而着眼于对其化学能的利用，因此不仅拓展了CH4的利用方式，更有利于减少温室气体的排放，被认为是最有研究价值的天然气转化途径之一。多能源互补和多功能联产是可持续能源系统发展的两大特征和趋势。特别是将太阳能与
化石燃料进行热化学互补，也就是借助于热化学反应过程与转换方法将所聚集的太阳能与化石燃料互补利用，可以将太阳能从低品位的热能转换成高品位的燃料化学能，实现太阳能的能量品位提升与高效利用。在多联产新概念基础上进行系统集成，形成新的化工-动力多联产系统，即将热工过程与化工过程有机结合在一起，使系统中化学成分转化和能量利用形式更为合理。多功能联产系统通常由热工、化工以及污染物控制等过程组成。因此，将多能源互补与多功能联产进行优化整合，不仅可以提高能源利用率，也可以开拓能源利用新渠道，将实施能源多元化战略付诸实际，是解决能源利用与环境协调相容难题的有效途径之一。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述已有技术之缺陷提供一种分布式供能系统中实现CO2零排放的方法及其系统，所述方法利用化学链燃烧低能耗分离CO2的特点和甲烷与CO2重整制取合成气技术，以太阳能驱动CH4-CO2重整反应和化学链燃烧反应，实现CO2分离与利用一体化，从而完成CO2的零排放。本专利技术还提供了实现CO2零排放的系统。本专利技术所述问题是以下述技术方案解决的。一种分布式供能系统中实现CO2零排放的方法，所述分布式供能系统包括燃料反应侧、空气反应侧、化学链载氧体循环三部分；所述燃料反应侧的操作如下：甲烷与CO2在重整化学反应器中发生重整反应，如式(一)所示，CO2+CH4→2CO+2H2 (一)所述反应为强吸热反应，反应所需热量由太阳能提供，反应生成的合成气中，一氧化碳(CO)与氢气(H2)的摩尔比为1：1；重整化学反应器由管路依次连通热管式气液换热器和分流器，将合成气冷却、分流；所述燃料侧压气机将分流后的合成气压缩后，其出口由管路连接至化学链还原反应器、化学链还原反应旋风分离器；压缩后的合成气与硫酸钙(CaSO4)固体颗粒在化学链还原反应器中发生还原反应，如式(二)和(三)所示，1/4CaSO4+CO→1/4CaS+CO2 (二)1/4CaSO4+H2→1/4CaS+H2O (三)反应后生成的气固混合物经化学链还原反应旋风分离器分离成气体流(CO2和H2O混合气体)和固体流(硫化钙(CaS))；气体流经过气固换热器再加热后，进入到燃料侧燃气透平做功；所述燃料侧燃气透平出口管路依次连通烟气吸收式制冷机组和热水换热器进行换热，分别制取冷冻水和生活热水；热水换热器出口排放的烟气通入到CO2分离器中，将水冷凝后，分离出的CO2气体被引入到重整化学反应器中，作为甲烷重整化学反应的反应物，分流器的分流比例为1:1。上述实现CO2零排放的方法，所述空气反应侧操作如下：所述空气侧压气机将空气压缩后，其出口由管路连接至化学链氧化反应器，压缩后的空气与CaS固体颗粒在化学链氧化反应器中发生氧化反应，如式(四)所示：CaS+2O2→CaSO4 (四)所述反应为强放热反应，放出的反应热会加热生成的固体CaSO4和未反应的空气；反应后生成的气固混合物经化学链氧化反应旋风分离器，分离成高温气体流和高温固体流；高温气体流进入到空气侧燃气透平做功；所述空气侧燃气透平出口管路依次连通烟气吸收式制冷
机组和热水换热器进行换热，分别制取冷冻水和生活热水；烟气经过余热利用后，被排放到大气中。上述实现CO2零排放的方法，所述载氧体循环操作如下：固体颗粒CaSO4/CaS作为载氧体在化学链还原反应器和化学链氧化反应器之间通过循环流化床交替往复使用，为″燃烧″提供氧；所述CaS为化学链还原反应器生成物中的固体流，CaS固体流沿管路由化学链还原反应旋风分离器出口至化学链氧化反应器入口，在化学链氧化反应器中发生化学链氧化反应；所述CaSO4为化学链氧化反应器生成物中的高温固体流，CaSO4高温固体流沿管路由化学链氧化反应旋风分离器出口至气固换热器入口，在气固换热器中释放显热给化学链还原反应器生成的烟气气体流后，沿管路送至化学链还原反应器入口，在化学链还原反应器中发生还原反应。一种实现上述CO2零排放的系统，包括甲烷重整子系统、化学链燃烧子系统、动力子系统、余热利用子系统和CO2分离系统；上述实现CO2零排放的系统，所述甲烷重整子系统包括重整化学反应器、热管式气液换热器和分流器；所述重整化学反应器由管路连通热管式气液换热器和分流器。上述实现CO2零排放的系统，所述化学链燃烧子系统包括燃料侧压气机、化学链还原反应器、化学链还原反应旋风分离器、空气侧压气机、化学链氧化反应器、化学链氧化反应旋风分离器和气固换热器；所述燃料侧压气机通过管道连通化学链还原反应器、化学链还原反应旋风分离器、化学链氧化反应器、化学链氧化反应旋风分离器和气固换热器；所述气固换热器通过管道与化学链还原反应器连通；所述化学链氧化反应旋风分离器通过管道与气固换
热器连通；所述空气侧压气机通过管道连通化学链氧化反应器。上述实现CO2零排放的系统，所述动力子系统包括燃料侧燃气透平、空气侧燃气透平；所述燃料侧燃气透平通过管道与气固换热器连通；所述空气侧燃气透平通过管道与化学链氧化反应旋风分离器连通。上述实现CO2零排放的系统，所述余热利用子系统包括烟气吸收式制冷机组和热水换热器；所述烟气吸收式制冷机组通过管道分别与燃料侧燃气透平、空气侧燃气透平、热水换热器连通。上述实现CO2零排放的系统，所述CO2分离系统包括CO2分离器；所述CO2分离器通过管道分别与热水换热器、重整化学反应器连通。本专利技术利用化学链燃烧系统低能耗分离CO2的特点和甲烷通过与CO2发生重整反应制取合成气燃料的特点，将二者融汇耦合。耦合后系统通过甲烷重整子系统产出合成气，通过动力子系统产出电能，通过余热利用子系统产出冷冻水用于空调系统制冷和生活热水的同时，实现了CO2分离与利用一体化，即实现了多能源互补的分布式多功能联产系统CO2零排放。本专利技术系统配置合理，能够充分发挥各个子系统的特点，实现化学成分对口转化和能量的梯级利用原则，不仅提高了系统的能源利用率，还起到了减排CO2的重要作用。本专利技术主要用于小型本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种分布式供能系统中实现CO2零排放的方法，其特征在于，所述分布式供能系统包括燃料反应侧、空气反应侧和化学链载氧体循环三部分；所述燃料反应侧的操作如下：甲烷(CH4)与CO2在重整化学反应器(1)中发生重整反应，如式(一)所示，CO2+CH4→2CO+2H2 (一)所述反应为强吸热反应，反应所需热量由太阳能提供，反应生成的合成气中，一氧化碳(CO)与氢气(H2)的摩尔比为1:1；所述重整化学反应器(1)由管路依次连通热管式气液换热器(2)和分流器(3)，将合成气冷却、分流；所述燃料侧压气机(4)将分流后的合成气压缩后，其出口由管路连接至化学链还原反应器(5)、化学链还原反应旋风分离器(6)；压缩后的合成气与硫酸钙(CaSO4)固体颗粒在化学链还原反应器(5)中发生还原反应，如式(二)和(三)所示，1/4CaSO4+CO→1/4CaS+CO2 (二)1/4CaSO4+H2→1/4CaS+H2O (三)反应后生成的气固混合物经化学链还原反应旋风分离器(6)分离成气体流(CO2和H2O混合气体)和固体流(硫化钙(CaS))；气体流经过气固换热器(7)再加热后，进入到燃料侧燃气透平(8)做功；所述燃料侧燃气透平(8)出口管路依次连通烟气吸收式制冷机组(9)和热水换热器(10)进行换热，分别制取冷冻水和生活热水；热水换热器(10)出口排放的烟气通入到CO2分离器(11)中，将水冷凝后，分离出的CO2气体被引入到重整化学反应器(1)中，作为甲烷重整化学反应的反应物，分流器(3)的分流比例为1:1。...
【技术特征摘要】
1.一种分布式供能系统中实现CO2零排放的方法，其特征在于，所述分布式供能系统包括燃料反应侧、空气反应侧和化学链载氧体循环三部分；所述燃料反应侧的操作如下：甲烷(CH4)与CO2在重整化学反应器(1)中发生重整反应，如式(一)所示，CO2+CH4→2CO+2H2 (一)所述反应为强吸热反应，反应所需热量由太阳能提供，反应生成的合成气中，一氧化碳(CO)与氢气(H2)的摩尔比为1:1；所述重整化学反应器(1)由管路依次连通热管式气液换热器(2)和分流器(3)，将合成气冷却、分流；所述燃料侧压气机(4)将分流后的合成气压缩后，其出口由管路连接至化学链还原反应器(5)、化学链还原反应旋风分离器(6)；压缩后的合成气与硫酸钙(CaSO4)固体颗粒在化学链还原反应器(5)中发生还原反应，如式(二)和(三)所示，1/4CaSO4+CO→1/4CaS+CO2 (二)1/4CaSO4+H2→1/4CaS+H2O (三)反应后生成的气固混合物经化学链还原反应旋风分离器(6)分离成气体流(CO2和H2O混合气体)和固体流(硫化钙(CaS))；气体流经过气固换热器(7)再加热后，进入到燃料侧燃气透平(8)做功；所述燃料侧燃气透平(8)出口管路依次连通烟气吸收式制冷机组(9)和热水换热器(10)进行换热，分别制取冷冻水和生活热水；热水换热器(10)出口排放的烟气通入到CO2分离器(11)中，将水冷凝后，分离出的CO2气体被引入到重整化学反应
\t器(1)中，作为甲烷重整化学反应的反应物，分流器(3)的分流比例为1:1。2.根据权利要求1所述的实现CO2零排放的方法，其特征在于，所述空气反应侧操作如下：所述空气侧压气机(12)将空气压缩后，其出口由管路连接至化学链氧化反应器(13)，压缩后的空气与CaS固体颗粒在化学链氧化反应器(13)中发生氧化反应，如式(四)所示：CaS+2O2→CaSO4 (四)所述反应为强放热反应，放出的反应热会加热生成的固体CaSO4和未反应的空气；反应后生成的气固混合物经化学链氧化反应旋风分离器(14)，分离成高温气体流和高温固体流；高温气体流进入到空气侧燃气透平(15)做功；所述空气侧燃气透平(15)出口管路依次连通烟气吸收式制冷机组(9)和热水换热器(10)进行换热，分别制取冷冻水和生活热水；烟气经过余热利用后，被排放到大气中。3.根据权利要求2所述的实现CO2零排放的方法，其特征在于，所述载氧体循环操作如下：固体颗粒CaSO4/CaS作为载氧体在化学链还原反应器(5)和化学链氧化反应器(...
【专利技术属性】
技术研发人员：王江江，付超，
申请(专利权)人：华北电力大学保定，
类型：发明
国别省市：河北;13
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