一种基于太阳能集成富氧燃烧与化学链燃烧的热电联产系统及其工作方法技术方案

本发明专利技术公开一种基于太阳能集成富氧燃烧与化学链燃烧的热电联产系统及其工作方法，该系统是将太阳能热化学过程和燃料动力循环的有机耦合，实现太阳能的阶梯利用，一方面还原后的载氧体将太阳能转化为化学能储存在载氧体蓄热器中，为化学链燃烧提供必要的热能，一方面利用光照下微藻光合作用吸收CO2释放O2的特点，为富氧燃烧提供纯净的O2，为空气反应器提供二次风。此外，通过将富氧燃烧系统与化学链燃烧系统进行互补整合，实现了燃料的合理高效利用，同时利用富氧燃烧与化学链燃烧产生的纯净的CO2推动透平来发电供热，既解决了因捕集分离CO2而造成的高能耗高成本问题，又能有效利用CO2烟气余热。

A cogeneration system based on solar energy integrated oxygen enriched combustion and chemical looping combustion and its working method

The invention discloses a thermoelectric cogeneration system based on solar energy integrated oxygen-enriched combustion and chemical chain combustion and its working method. The system is an organic coupling of solar energy thermochemical process and fuel power cycle to realize the step utilization of solar energy. On the one hand, the reduced oxygen carrier converts solar energy into chemical energy and stores it on-board. Oxygen regenerator provides the necessary thermal energy for chemical chain combustion. On the one hand, it utilizes the characteristics of photosynthesis of microalgae to absorb CO2 and release O2. It provides pure O2 for oxygen-enriched combustion and secondary air for air reactor. In addition, through the complementary integration of the oxygen-enriched combustion system and the chemical chain combustion system, the rational and efficient utilization of fuel is realized. At the same time, the pure CO2 produced by the oxygen-enriched combustion and chemical chain combustion is used to drive the turbine to generate electricity and heat, which not only solves the problem of high energy consumption and high cost caused by capturing and separating CO2, but also effectively benefits the heating. Use CO2 flue gas waste heat.

【技术实现步骤摘要】
一种基于太阳能集成富氧燃烧与化学链燃烧的热电联产系统及其工作方法
本专利技术涉及一种控制CO2排放的基于太阳能且集成富氧燃烧与化学链燃烧的热电联产系统及其工作方法，属于太阳能热发电和能源

技术介绍
自从工业文明以来，地球大气中的CO2浓度由于人类的生产活动而急剧上升。CO2作为一种典型的温室气体，直接导致温室效应。目前，CO2的减排可通过调整能源结构和提高能源转化及利用效率实现。从调整能源结构的角度来看，可再生能源尤其是太阳能是当前人们尤其关注的。当前，太阳能利用技术的主要方向是太阳能光电转化与光热转化。然而，由于太阳能储能困难，所以在相当长一段时间内，太阳能完全替代化石燃料仍无法实现。此外，人类对太阳能利用的发展方向还有植物(比如微藻)的光合作用，植物光合作用可以大量地吸收二氧化碳，然后释放出新鲜氧气，这个过程可以固定大量二氧化碳，对于二氧化碳减排这一全球性问题的解决具有重要的潜在意义，并且诸如小球藻之类的微藻，除了改善生态环境外，也可以用于处理工业废水和城市污水。从能源结构角度来看，由于短期内人类以化石能源为主要能源的形势不会改变，尤其是我国，煤炭从储量构成到能源消费体系都占绝对主导地位，如何使能源系统环境友好且在分离CO2的同时提高系统利用效率，是控制CO2排放的能源系统研究的主要目的。富氧燃烧技术是采用高浓度氧气(95％及以上)代替空气与燃料进行燃烧，同时将大部分烟气(约70％)循环来调节炉膛内绝热火焰温度的一种高效清洁技术。富氧燃烧技术将传统电厂与空气分离单元和烟气处理单元相结合，是生产高纯度二氧化碳并最终控制二氧化碳排放的有效方法。在富氧燃烧技术中，由于燃料在一个低N2高二氧化碳和水的气氛中燃烧，所以生成烟气主要由二氧化碳和水蒸气组成，经过较为简单的后处理即可得到高纯度的二氧化碳产品。化学链燃烧是一种新型燃烧技术，燃料不直接与空气接触燃烧，而是通过载氧体在空气反应器和燃料反应器之间的交替氧化-还原反应，实现氧的转移，完成燃料化学能的转化过程。由于燃料反应器中，燃料与固体氧载体颗粒反应，从燃料反应器中出来的H2O和CO2没有被N2稀释，CO2浓度较高，不需要专门的CO2分离设备，经过简单的冷凝除去其中的水蒸气即可得到几乎纯净的CO2，实现了零能耗分离CO2，同时由于燃料品位降低到被还原后的金属单质(或低价金属氧化物)的品位，使得燃烧损失降低，提高了燃料燃烧的效率。由于富氧燃烧和化学链燃烧具有较好的CO2减排效果及较高的燃烧效率，因此基于太阳能将富氧燃烧、化学链燃烧与热力循环耦合的燃烧动力系统突破了能源系统控制CO2分离的技术难题，提高了太阳能和化学能的转化利用，降低了CO2分离的投资和能耗。
技术实现思路
本专利技术的目的之一是为了解决上述的传统富氧燃烧需要大规模空分制氧，投资大、能耗高，使得富氧燃烧系统经济性和能源利用效率下降等技术问题而提供一种基于太阳能集成富氧燃烧和化学链燃烧的热电联产系统，该热电联产系统，不仅可以使富氧燃烧系统经济性和能源利用效率提高，同时能够缓解化学链燃烧中载氧体颗粒易烧结等技术问题，并且能够以低成本、低能耗捕集CO2，加以循环利用。此外，提高太阳能和化学能的转化利用，降低了CO2分离的投资和能耗。本专利技术的目的之二在于提供上述的一种基于太阳能集成富氧燃烧和化学链燃烧的热电联产系统的工作方法。本专利技术的技术方案之一一种基于太阳能集成富氧燃烧和化学链燃烧的热电联产系统包括太阳能利用系统、富氧燃烧系统、化学链燃烧系统、热电发生系统、隔墙和CO2储存装置；所述的CO2储存装置包括两个输入口和一个输出口；所述太阳能利用系统由太阳能集热装置与微藻培养装置组成，其中所述太阳能集热装置由低聚光比的抛物槽式集热器与载氧体蓄热器组成；所述的微藻培养装置是对微藻，如绿藻、蓝藻等进行大规模培养的装置，即所述微藻培养装置是利用藻类光合作用，进而产生O2的培养池，微藻是一种光利用度极高的植物，所述微藻培养装置能替代成本高昂的空分装置，为下面的富氧燃烧提供纯净的O2；同时也可以作为二次风通入空气反应器，减少载氧体蓄热器中金属载氧体的烧结；进一步的，微藻光合作用发生在叶绿体上，反应方程式如下，(CH2O)表示糖类，所述微藻培养装置有3个接口，分别是培养液输入口、O2输出口、CO2输入口；本专利技术的实施例中所述微藻培养装置中所用的微藻培养液是利用城市污水或工业废水进行配制所得的微藻培养液(城市污水可取自上海白龙港污水处理厂，工业废水可取自工业园区污水处理厂)，最终所得的微藻培养液，按每升计算，含有NaHCO3(4.5g)、MgSO4(0.2g)、NaNO3(1.5g)、CaCl2(0.04g)、FeSO4(0.01g)、K2SO4(1.0g)，余量为城市污水或工业废水；本专利技术的实施例中所述微藻培养装置中所用的微藻为能在工业浓盐水中生长的盐水藻或能在城市污水中生长的淡水藻如小球藻等，盐水藻可以取自中西部高原荒漠的大小盐湖中，小球藻取自泉州小球藻生产基地；所述的低聚光比的抛物槽式集热器在太阳能充足的情况下，聚集中温太阳热能作为热源，将太阳能转变为还原态金属载氧体MxOz的化学能储存到载氧体蓄热器中，通过载氧体蓄热器为空气反应器提供所需的还原态金属载氧体MxOz(注：MxOy为氧化态的金属载氧体；MxOz为还原态的金属氧化物载氧体)；所述的低聚光比的抛物槽式集热器包括导热油出口和导热油回流口；所述的载氧体蓄热器包括2个侧面入口、1个底部出口和1个侧面出口；所述低聚光比的抛物槽式集热器的导热油出口通过管道S171与载氧体蓄热器10的1个侧面入口相连，载氧体蓄热器的1个侧面出口通过管道S172与低聚光比的抛物槽式集热器的导热油回流口相连；所述富氧燃烧系统由预热器、锅炉、烟气净化冷凝器组成，所述预热器3包括两个入口、两个出口；所述的烟气净化冷凝器包括一个入口、一个出口和一个底部排放口，该底部排放口连接管道S7；所述化学链燃烧系统包括空气反应器、燃料反应器及旋风分离器，所述的空气反应器包括4个接口，分别为底部一次风入口、底部侧面的二次风入口、底部侧面的载氧体入口和顶部侧面出口，该底部一次风入口连接有管道S16；所述的燃料反应器包括5个接口，分别为底部燃料进口、底部侧面的固体废渣出口、底部侧面的载氧体出口、顶部气体输出口、顶部的载氧体入口；所述的旋风分离器包括3个接口，分别为侧面切线入口、顶部气体出口和底部料腿；所述富氧燃烧系统的预热器与化学链燃烧系统的空气反应器通过隔墙周边密封连接，所述的隔墙由铝硅耐热球铁RQTAl5SI5制成，厚度3mm，四周用高温耐火砖密封，以保证在设备运行过程中，将空气反应器中产生的热量以热传导方式传递给预热器；所述的微藻培养装置的O2输出口经阀门与管道S1的一端相连，管道S1的另一端分为两路，一路通过管道S1.1与所述预热器的一个入口相连，另一路通过管道S1.2与空气反应器的底部侧面的二次风入口连接；所述的空气反应器的底部侧面的载氧体入口通过管道S15与载氧体蓄热器的底部出口相连，空气反应器的顶部侧面出口与旋风分离器的侧面切线入口通过管道连接；所述的旋风分离器的顶部气体出口通过管道S18与预热器的另一个入口进行连接，旋风分离器的底部料腿与燃料反应器的顶部的载氧体入口相连；所述的燃本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于太阳能集成富氧燃烧和化学链燃烧的热电联产系统，包括富氧燃烧系统和热电发生系统，其特征在于还包括太阳能利用系统和化学链燃烧系统、隔墙和CO2储存装置；所述的CO2储存装置包括两个输入口和一个输出口；所述太阳能利用系统由太阳能集热装置与微藻培养装置组成，其中所述太阳能集热装置由低聚光比的抛物槽式集热器与载氧体蓄热器组成；所述的微藻培养装置是对微藻进行大规模培养的装置，所述微藻培养装置有3个接口，分别是培养液输入口、O2输出口、CO2输入口；所述的载氧体蓄热器包括2个侧面入口、1个底部出口和1个侧面出口；所述的低聚光比的抛物槽式集热器包括导热油出口和导热油回流口；所述低聚光比的抛物槽式集热器的导热油出口通过管道(S171)与载氧体蓄热器的1个侧面入口相连，载氧体蓄热器的1个侧面出口通过管道(S172)与低聚光比的抛物槽式集热器的导热油回流口相连；所述富氧燃烧系统由预热器、锅炉、烟气净化冷凝器组成，所述预热器包括两个入口、两个出口；所述的烟气净化冷凝器包括一个入口、一个出口和一个底部排放口，该底部排放口连接管道(S7)；所述化学链燃烧系统包括空气反应器、燃料反应器及旋风分离器，所述的空气反应器包括4个接口，分别为底部一次风入口、底部侧面的二次风入口、底部侧面的载氧体入口和顶部侧面出口，该底部一次风入口连接有管道(S16)；所述的燃料反应器包括5个接口，分别为底部燃料进口、底部侧面的固体废渣出口、底部侧面的载氧体出口、顶部气体输出口、顶部的载氧体入口；所述的旋风分离器包括3个接口，分别为侧面切线入口、顶部气体出口和底部料腿；所述富氧燃烧系统的预热器与化学链燃烧系统的空气反应器通过隔墙周边密封连接，所述的隔墙由铝硅耐热球铁RQTAl5SI5制成，厚度3mm，四周用高温耐火砖密封；所述微藻培养装置的O2输出口经阀门与管道(S1)的一端相连，管道(S1)的另一端分为两路，一路通过管道(S1.1)与所述预热器的一个入口相连，另一路通过管道(S1.2)与空气反应器的底部侧面的二次风入口连接；所述的空气反应器的底部侧面的载氧体入口通过管道(S15)与载氧体蓄热器的底部出口相连，空气反应器的顶部侧面出口与旋风分离器的侧面切线入口通过管道连接；所述的旋风分离器的顶部气体出口通过管道(S18)与预热器的另一个入口进行连接，旋风分离器的底部料腿与燃料反应器的顶部的载氧体入口相连；所述的燃料反应器的底部侧面的载氧体出口与上述载氧体蓄热器的另一个侧面入口连接；所述的燃料反应器的底部燃料进口连接管道(S14)，通过管道(S14)向燃料反应器中添加燃料；所述的热电发生系统由低温预热器、高温预热器、CO2压缩机、一级透平机、二级透平机、余热锅炉和发电机组成；所述的预热器的一个出口通过管道(S2)与锅炉的入口相连，预热器的另一个出口连接管道(S19)；所述的锅炉的出口通过管道(S3)与烟气净化冷凝器的入口相连，管道(S3)上设有一支路管道(S3.1)与管道(S1.1)合并一同进入到预热器3中；所述的烟气净化冷凝器的出口与管道(S4)的一端相连，管道(S4)的另一端分为两路，一路通过管道(S4.1)与CO2储存装置的一个入口相连，另一路通过管道(S4.2)与微藻培养装置的培养液输入口相连；所述的燃料反应器的底部侧面的固体废渣出口连接的管道(S13)与来自烟气净化冷凝器输出灰硫成分的管道(S4.2)汇合后与微藻培养装置的培养液输入口连接；所述的CO2储存装置的另一个入口通过管道(S12)与余热锅炉的出口端相连，CO2储存装置的出口端与微藻培养装置的CO2输入口通过管道(S5)连接；所述的燃料反应器的顶部气体输出口通过管道(S6)与低温预热器的入口相连、低温预热器的出口通过管道(S8)与高温预热器的入口相连，高温预热器的出口通过管道(S9)与CO2压缩机的输入端连通；所述的CO2压缩机的输出端通过管道(S10)与一级透平机的输入端连接，所述的一级透平机的输出端分成两路，一路通过管道(S10.1)与高温预热器的输入端相连、一路通过管道(S11)与二级透平机的输入端连接；所述的一级透平机与发电机连接，带动发电机给用户供电；所述的二级透平机的输出端分成两路，一路通过管道(S11.2)与余热锅炉的输入端连通，一路通过管道(S11.1)与烟气净化冷凝器的底部排放口连接的管道(S7)，燃料反应器的顶部气体输出口连接的管道(S6)交叉汇合后共同与低温预热器的入口相连。...

【技术特征摘要】
1.一种基于太阳能集成富氧燃烧和化学链燃烧的热电联产系统，包括富氧燃烧系统和热电发生系统，其特征在于还包括太阳能利用系统和化学链燃烧系统、隔墙和CO2储存装置；所述的CO2储存装置包括两个输入口和一个输出口；所述太阳能利用系统由太阳能集热装置与微藻培养装置组成，其中所述太阳能集热装置由低聚光比的抛物槽式集热器与载氧体蓄热器组成；所述的微藻培养装置是对微藻进行大规模培养的装置，所述微藻培养装置有3个接口，分别是培养液输入口、O2输出口、CO2输入口；所述的载氧体蓄热器包括2个侧面入口、1个底部出口和1个侧面出口；所述的低聚光比的抛物槽式集热器包括导热油出口和导热油回流口；所述低聚光比的抛物槽式集热器的导热油出口通过管道(S171)与载氧体蓄热器的1个侧面入口相连，载氧体蓄热器的1个侧面出口通过管道(S172)与低聚光比的抛物槽式集热器的导热油回流口相连；所述富氧燃烧系统由预热器、锅炉、烟气净化冷凝器组成，所述预热器包括两个入口、两个出口；所述的烟气净化冷凝器包括一个入口、一个出口和一个底部排放口，该底部排放口连接管道(S7)；所述化学链燃烧系统包括空气反应器、燃料反应器及旋风分离器，所述的空气反应器包括4个接口，分别为底部一次风入口、底部侧面的二次风入口、底部侧面的载氧体入口和顶部侧面出口，该底部一次风入口连接有管道(S16)；所述的燃料反应器包括5个接口，分别为底部燃料进口、底部侧面的固体废渣出口、底部侧面的载氧体出口、顶部气体输出口、顶部的载氧体入口；所述的旋风分离器包括3个接口，分别为侧面切线入口、顶部气体出口和底部料腿；所述富氧燃烧系统的预热器与化学链燃烧系统的空气反应器通过隔墙周边密封连接，所述的隔墙由铝硅耐热球铁RQTAl5SI5制成，厚度3mm，四周用高温耐火砖密封；所述微藻培养装置的O2输出口经阀门与管道(S1)的一端相连，管道(S1)的另一端分为两路，一路通过管道(S1.1)与所述预热器的一个入口相连，另一路通过管道(S1.2)与空气反应器的底部侧面的二次风入口连接；所述的空气反应器的底部侧面的载氧体入口通过管道(S15)与载氧体蓄热器的底部出口相连，空气反应器的顶部侧面出口与旋风分离器的侧面切线入口通过管道连接；所述的旋风分离器的顶部气体出口通过管道(S18)与预热器的另一个入口进行连接，旋风分离器的底部料腿与燃料反应器的顶部的载氧体入口相连；所述的燃料反应器的底部侧面的载氧体出口与上述载氧体蓄热器的另一个侧面入口连接；所述的燃料反应器的底部燃料进口连接管道(S14)，通过管道(S14)向燃料反应器中添加燃料；所述的热电发生系统由低温预热器、高温预热器、CO2压缩机、一级透平机、二级透平机、余热锅炉和发电机组成；所述的预热器的一个出口通过管道(S2)与锅炉的入口相连，预热器的另一个出口连接管道(S19)；所述的锅炉的出口通过管道(S3)与烟气净化冷凝器的入口相连，管道(S3)上设有一支路管道(S3.1)与管道(S1.1)合并一同进入到预热器3中；所述的烟气净化冷凝器的出口与管道(S4)的一端相连，管道(S4)的另一端分为两路，一路通过管道(S4.1)与CO2储存装置的一个入口相连，另一路通过管道(S4.2)与微藻培养装置的培养液输入口相连；所述的燃料反应器的底部侧面的固体废渣出口连接的管道(S13)与来自烟气净化冷凝器输出灰硫成分的管道(S4.2)汇合后与微藻培养装置的培养液输入口连接；所述的CO2储存装置的另一个入口通过管道(S12)与余热锅炉的出口端相连，CO2储存装置的出口端与微藻培养装置的CO2输入口通过管道(S5)连接；所述的燃料反应器的顶部气体输出口通过管道(S6)与低温预热器的入口相连、低温预热器的出口通过管道(S8)与高温预热器的入口相连，高温预热器的出口通过管道(S9)与CO2压缩机的输入端连通；所述的CO2压缩机的输出端通过管道(S10)与一级透平机的输入端连接，所述的一级透平机的输出端分成两路，一路通过管道(S10.1)与高温预热器的输入端相连、一路通过管道(S11)与二级透平机的输入端连接；所述的一级透平机与发电机连接，带动发电机给用户供电；所述的二级透平机的输出端分成两路，一路通过管道(S11.2)与余热锅炉的输入端连通，一路通过管道(S11.1)与烟气净化冷凝器的底部排放口连接的管道(S7)，燃料反应器的顶部气体输出口连接的管道(S6)交叉汇合后共同与低温预热器的入口相连。2.如权利要求1所述的一种基于太阳能集成富氧燃烧和化学链燃烧的热电联产系统的工作方...

【专利技术属性】
技术研发人员：金晶，李焕龙，刘敦禹，王秋麟，熊志波，翟中媛，赵冰，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：上海,31