一种基于化学链燃烧的氢气储能、热电联产及CO2捕获的系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于化学链燃烧的氢气储能、热电联产及CO2捕获的系统及方法，该系统包括化学链燃烧系统、燃气轮机发电系统、补燃系统和余热回收利用系统。其中，化学链燃烧系统用以生产氢气、高温气体及实现燃烧产物中CO2的吸附与分离；燃气轮机发电系统利用化学链燃烧系统或者补燃系统产生的高温气体进行发电；补燃系统在电力负荷较大的情况下接入，提升燃气透平入口的气体温度，提高发电效率；余热回收利用系统可实现系统内气体余热资源的高、中、低温梯级利用，生产系统内部所需的水蒸气以及供热。本发明专利技术在CO2捕获和供热的同时，通过控制反应条件，可以调控发电和氢气储能的产出比例，根据电力需求进行生产，提高能源利用的动态效率。

Hydrogen storage, combined heat and power generation and CO based on chemical looping combustion

The invention relates to hydrogen energy storage, heat and power cogeneration and CO based on chemical chain combustion

【技术实现步骤摘要】
一种基于化学链燃烧的氢气储能、热电联产及CO2捕获的系统及方法
本专利技术涉及能源与环境
，尤其涉及一种基于化学链燃烧的氢气储能、热电联产及CO2捕获的系统及方法。
技术介绍
目前能源消耗的主要方式是含碳的化石燃料的氧化放热，随着全球能源消耗量日益增多，大气中二氧化碳浓度的不断升高，全球气候变暖趋势逐渐加剧。在目前国际范围内环境保护政策日益严格的形势下，CO2气体的减排显得尤为重要。与此同时，能源系统供需负荷变化增大，如何实现系统储能调剂控制负荷以实现系统整体动态效率和经济效益最大化成为亟待解决的问题。1983年科学家Richter等首次提出化学链燃烧的概念，其目的是降低热电厂气体燃烧过程中产生的熵变，提高能源使用效率。20世纪90年代后期，许多学者开始把化学链燃烧作为一种CO2捕捉的新型工艺进行研究。其基本原理是将传统的燃料与空气直接接触的燃烧借助于氧载体的作用而分解为2个气固反应，燃料与空气无需接触，由氧载体将空气中的氧传递到燃料中。利用化学链燃烧可以排除氮氧化物对CO2的分离产生影响，由于燃料与空气不直接接触，不会有氮氧化合物产生，燃料反应器气体产物仅有CO2和H2O，分离水分即可获得纯的CO2，省却了N2/O2分离装置，提高了CO2捕获的效率。氢气作为一种清洁、高效的二次能源受到越来越多国家的重视，将氢气储能与发电相结合，可以在电力负荷较小的情况下利用氢气储能替代电力生产，利用氢气储能平衡电力负荷的波动，实现能源系统的优化配置。化学链燃烧系统通过控制反应条件可以实现不同比例的氢气输出，将化学链燃烧系统与燃气轮机发电系统结合可以实现氢气储能与发电的联合生产；化学链燃烧系统产生的这部分氢气一方面可以作为补燃系统的燃料，避免了传统的补燃系统中含碳燃料的燃烧所产生的CO2，实现CO2的近零排放；另一方面还可以将氢气作为目标产物，利用氢气的生产进行储能，通过控制系统的反应条件实现氢气储能和电力生产的部分转换，在电力充足的情况下从发电向氢气储能生产转移，实现能源的合理利用。
技术实现思路
要解决的技术问题：本专利技术的目的是利用化学链燃烧、燃气轮机发电和余热回收利用的方式实现氢气储能、热电联产及CO2捕获。本专利技术在高效捕获CO2的基础上，还可以实现氢气储能和电力发电的按负荷需要生产配置，并且利用系统的余热生产水蒸气与供热，提高整体能源利用的动态效率，具有经济和环境保护效益。本专利技术所述的技术方案为：本专利技术提供了一种基于化学链燃烧的氢气储能、热电联产及CO2捕获的系统，该系统包括化学链燃烧系统、燃汽轮机发电系统、补燃系统、余热回收利用系统。其中，所述化学链燃烧系统包括空气反应器、燃料反应器、煅烧炉、气固分离装置和气固换热器，用以生产氢气、高温气体资源及CO2分离；所述燃汽轮机发电系统包括压气机、燃气透平和发电机，该系统利用化学链燃烧系统或者补燃系统产生的高温气体进行发电；所述补燃系统主要包括补燃燃烧室，在电力负荷较大的情况下接入，提升化学链燃烧系统输入到燃气透平入口的气体温度，、供燃气轮机发电使用，提高发电效率。所述余热回收利用系统包括多种蒸发器、预热器、过热器、压气机、水泵以及热交换器，用以回收燃气轮机发电系统和化学链燃烧系统产生的气体余热资源，生产本专利技术系统内部所需要的水蒸气以及供热。本专利技术提供了一种应用所述系统进行氢气储能、热电联产及CO2捕获的方法，具体包括以下步骤：所述化学链燃烧系统中，空气、水蒸汽、还原态氧载体Ni和CO2吸收剂CaO一起流入空气反应器中，在该反应器内实现氧气与氧载体反应，生成氧化态氧载体NiO以及氮气、少量的氧气和水蒸气的混合气；空气反应器的出口连接第一气固分离装置和第二气固分离装置，第一气固分离装置分离出来的固态的CaO和NiO混合物流入煅烧炉中，第二气固分离装置分离出来的固态的CaO和NiO混合物通过气固换热器冷却以后流入燃料反应器中，并且与燃料反应器中的甲烷反应，生成还原态氧载体Ni、水蒸气、氢气和碳酸钙；从第一气固分离装置和第二气固分离装置分离出的N2/O2/H2O混合气体流入燃气轮机发电系统或者补燃系统，在补燃系统中混合气体与燃料反应器产生的氢气反应放热，提高混合气的温度达到特定的燃气透平进气温度，进一步流入燃气透平中膨胀做功，驱动发电机发电。所述余热回收利用系统的可以实现燃气轮机和化学链燃烧系统所产生的温度范围为600℃～1000℃的气体余热资源的回收及高、中、低温梯级再利用，生产化学链燃烧系统所需的水蒸气和供热，最终经过余热回收利用系统的梯级再利用以后余热资源的温度降到100℃以下。其中，燃气轮机尾气依次流经过热器A1、蒸发器A2、预热器A3产生水蒸气，最终经过热交换器A4与供热系统进行热量交换；煅烧炉中生成的高温CO2/H2O的混合气则依次流经过热器C1、过热器C2、过热器C3、蒸发器C4、压气机、蒸发器C5、预热器C6生产水蒸气，从蒸发器C4流到蒸发器C5的蒸汽被压气机增压，用以提高水蒸汽的露点，确保水蒸汽在蒸发器C5中继续保持气态，从而产生本专利技术系统所需的足够的蒸汽，经过预热器C6以后水蒸汽冷凝并且与CO2气体分离，随后CO2气体将经过压气机压缩后进行存储或再利用。燃料反应器产生的H2/H2O混合气在存储之前，一次经过蒸发器B1和热交换器B2，进行水蒸气生产和供热。进一步地余热回收利用系统产生的高温水蒸汽供化学链燃烧系统使用，这部分水蒸气可以用于冷却从第二气固分离装置流入燃料反应器的固体颗粒以及控制空气反应器、煅烧炉和燃料反应器中的反应条件。进一步地，所述氢气储能、热电联产及CO2捕获的方法可以通过控制化学链燃烧系统的反应条件实现在燃料反应器中的氢气产出，并且生成的CO2可以被吸附剂CaO吸收生成碳酸钙，实现燃料反应器中氢气的提纯与CO2气体的捕获。本专利技术所述一种基于化学链燃烧的氢气储能、热电联产及CO2捕获的系统及方法在CO2捕获和供热的基础上，还提供了一种可切换的电力和氢气输出模式：在电力负荷较大的情况下，接入补燃系统，利用补燃升温的方法提高燃气轮机发电系统入口气体温度，从而提高系统的发电效率，并且利用燃料反应器产生的部分氢气作为补燃系统的燃料可以避免补燃系统产生额外的CO2排放，实现以电力生产为主氢气储能为辅的能源利用方式；在电力负荷较小的情况下，可以省却补燃系统，降低燃气轮机发电系统的入口气体温度，在实现较低发电需求的同时，提高氢气储能的比例，实现以氢气储能为主电力生产为辅的能源利用方式。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术所述一种基于化学链燃烧的氢气储能、热电联产及CO2捕获的系统与方法，在CO2气体的近零排放的基础上，还可以实现氢气储能、电力生产和供热的联产，显著减少工业生产中温室气体的排放和提高能源的利用效率。本专利技术所述的余热回收利用系统可以将化学链燃烧系统及燃气轮机发电系统的余热资源回收再利用，生产系统本身所需的水蒸气和供热，充分提高系统的能源利用效率；本专利技术在特定工况下可以通过增加补燃系统提高系统发电效率，与传统的以含碳燃料为主的补燃系统不同，本专利技术可以利用系统内部产生的氢气作为补燃系统的燃料，不会产生额外的CO2排放，在较高电力输出的同时可以实现CO2的近零排放；该系统还可以通过控制反应条件，控制不同比例的电力和氢气储能产出，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于化学链燃烧的氢气储能、热电联产及CO

【技术特征摘要】
1.一种基于化学链燃烧的氢气储能、热电联产及CO2捕获系统，该系统包括化学链燃烧系统01、燃气轮机发电系统02、补燃系统03和余热回收利用系统04，其特征在于：所述化学链燃烧系统01包括空气反应器1、燃料反应器2、煅烧炉3、第一气固分离装置5、第二气固分离装置6和气固换热器7；所述燃汽轮机发电系统02包括压气机8、燃气透平9和发电机10；所述补燃系统03主要包括补燃燃烧室4；所述余热回收系统04包括过热器A1、蒸发器A2、预热器A3、热交换器A4、过热器C1、过热器C2、过热器C3、蒸发器C4、蒸发器C5、预热器C6、压气机11～13、水泵14和热交换器B2。2.如权利要求1所述的化学链燃烧系统01，其特征在于空气反应器1的出口连接第一气固分离装置5和第二气固分离装置6，第一气固分离装置5的底部与煅烧炉3相连，第二气固分离装置6的底部经过气固换热器7与燃料反应器2相连，补燃燃烧室4入口分别与第一气固分离装置5的顶部、第二气固分离器6顶部、燃料反应器2出口相连，燃料反应器2与外部燃料补给系统相连，煅烧炉3与空气反应器1和燃料反应器2相连，空气压气机8的出口分别与空气反应器1和燃气透平9入口相连。3.如权利要求1所述的余热回收利用系统04，其特征在于从燃气透平9流出的尾气依次流经过热器A1、蒸发器A2、预热器A3产生水蒸气，最终经过热交换器A4进行供热，并且燃气轮机尾气在经过热交换器A4以后实现水蒸气冷凝及气液分离，煅烧炉3流出的高温CO2/H2O混合气依次流经过热器C1、过热器C2、过热器C3、蒸发器C4、压气机12、蒸发器C5、预热器C6，经过预热器C6以后水蒸气冷凝，分离出的纯CO2气体进一步经压气机13压缩后进行存储或者再利用。蒸发器B1分别与过热器A1入口、蒸发器A2、蒸发器A3出口、过热器C3入口、蒸发器C4出口、蒸发器C5、预热器C6出口相连，实现水的预热、蒸发及水蒸气加热。4.如权利要求1所述补燃系统03，利用燃料燃烧的方法提高从化学链燃烧系统01流入燃气轮机发电系统02的入口气体温度，提高燃气轮机发电效率。5.一种应用权利要求1～4所述的系统进行氢气储能、热电联产及CO2捕获的方法，其特征在于，该方法包括：化学链燃烧系统01中，空气、水蒸汽、氧载体和CO2吸附剂一起流入空气反应器1内，发生氧气与氧载体的反应，生成氧化态氧载体；空气反应器1反应后的混合物经过气固分离以后，其中氧化态氧载体和CO2...

【专利技术属性】
技术研发人员：严晋跃，王统才，王甫，
申请(专利权)人：宁波瑞翔新材料技术有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33