利用太阳能驱动二氧化碳热分解的零排放发电系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了属于太阳能热发电领域的一种利用太阳能驱动二氧化碳热分解的零排放发电系统及方法。该系统主要由太阳能高温热化学反应器、回热器、储气室、燃烧室、透平、压缩机、泵等部分组成。在该系统中，聚集的高温太阳能为二氧化碳热化学分解提供热量，产生一氧化碳和氧气经加压送入燃烧室燃烧直接加热驱动二氧化碳动力循环发电；热化学产生的多余一氧化碳和氧气储存在储气室内，以适应太阳能辐射强度的变化。该系统利用太阳能高温热化学反应进行稳定储能，通过二氧化碳动力循环进行高效清洁发电；二者耦合，可避免太阳能波动对发电单元的影响，实现太阳能热发电高效稳定输出。

Zero Emission Power Generation System and Method Driven by Solar Energy for Thermal Decomposition of Carbon Dioxide

The invention discloses a zero-emission power generation system and method using solar energy to drive carbon dioxide thermal decomposition, belonging to the field of solar thermal power generation. The system is mainly composed of solar high temperature thermochemical reactor, regenerator, gas storage chamber, combustion chamber, turbine, compressor, pump and so on. In this system, the concentrated high-temperature solar energy provides heat for the thermal chemical decomposition of carbon dioxide, and produces carbon monoxide and oxygen, which are fed into the combustion chamber under pressure and directly heated to drive the power cycle of carbon dioxide to generate electricity. The excess carbon monoxide and oxygen generated by thermochemistry are stored in the gas storage chamber to adapt to the change of solar radiation intensity. The system uses the high temperature thermochemical reaction of solar energy to store energy stably, and uses carbon dioxide power cycle to generate clean and efficient power. The coupling of the two can avoid the influence of solar fluctuation on the generating unit and realize the efficient and stable output of solar thermal power generation.

【技术实现步骤摘要】
利用太阳能驱动二氧化碳热分解的零排放发电系统及方法
本专利技术属于太阳能热发电领域，特别涉及一种利用太阳能驱动二氧化碳热分解的零排放发电系统及方法；具体说是一种基于二氧化碳高温热化学的太阳能燃料集成于富氧燃烧直接加热的二氧化碳发电系统。
技术介绍
太阳能是储量最丰富的可再生能源，每小时到达地球表面的太阳能几乎可以满足人类目前一年内的能量需求。但是传统的光热、光伏发电受太阳能辐射强度波动性、间歇性的影响较大，为了保证电力的稳定输出，往往需要储能技术。太阳能热化学被认为是一种非常有潜力的将热能转化成化学能的储能方式，其中基于金属氧化物的太阳能热化学循环分解二氧化碳获得一氧化碳得到了越来越广泛的研究。该循环利用金属氧化物的氧化-还原反应，通过高价态金属氧化物与其低价态金属氧化物或者金属态之间互相转化实现对二氧化碳的分解，以基于氧化铈的二氧化碳两步分解为例，反应方程如下：第一步：第二步：CeO2-δ+δCO2→CeO2+δCO净反应：由此可见，该过程可将CO2分解成CO和O2，并且由于分为两部反应，两种反应产物可以在不同出口收集，无需增加分离设备。富氧燃烧直接加热的超临界二氧化碳动力循环被认为是一种非常有潜力的碳基燃料高效零排放发电的技术手段。在该动力循环中，含碳燃料与氧气燃烧，直接加热高压超临界二氧化碳，产生的高温高压烟气进入透平做功发电。由于该循环的运行工质和燃烧产物均为二氧化碳，可方便的从透平排气中分离出燃烧产生的二氧化碳，无需复杂的捕碳设备；同时利用超临界二氧化碳在临界点附近压缩耗功小以及采用回热手段，可实现高效发电。但是常规的富氧燃烧直接加热的超临界二氧化碳动力循环以常规的化石能源为燃料，燃烧所需的氧气往往来自耗电量巨大的空分单元，并且燃烧产物中含有硫化物、氮氧化物以及水分等杂质，需要复杂的净化分离装置。如果基于金属氧化物的太阳能热化学循环分解二氧化碳获得的一氧化碳和氧气应用于富氧燃烧直接加热的超临界二氧化碳动力循环，可以避免化石能源的消耗，并且省去空分、净化分离装置等设备。有鉴于此，本专利技术提出了一种利用太阳能驱动二氧化碳热分解的零排放发电系统，将基于二氧化碳的太阳能热化学循环与富氧燃烧直接加热的超临界二氧化碳动力循环合理耦合，可以克服太阳能波动性、间歇性对发电单元的影响，同时实现高效清洁发电，在太阳能热发电领域具有良好的应用前景。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种利用太阳能驱动二氧化碳热分解的零排放发电系统及方法，其特征在于，碟式太阳能集热器连接高温热化学反应器，高温热化学反应器与多流回热器连接并构成回路；其中，多流回热器的上流回热管连接氧气储存室，并通过氧气压缩机与燃烧室连接，多流回热器的中流回热管与胺基二氧化碳分离器连接；胺基二氧化碳分离器一路连接一氧化碳储存室与一氧化碳压缩机的连接节点；另一路和多流回热器的下流回热管一端与二氧化碳储存室的连接节点连接；下流回热管另一端再返回连接高温热化学反应器；一氧化碳压缩机与燃烧室连接；燃烧室与高压透平、1号回热器串联成回路；1号回热器与2号回热器、1号冷却器、压气机、2号冷却器、泵、2号回热器串联连接形成回路；泵又通过旁路回热器连接1号回热器和2号回热器连接节点；高压透平与低压透平、发电机串联；低压透平接旁路回热器；旁路回热器低压侧出口又连接二多流回热器的下流回热管一端与二氧化碳储存室的连接节点。所述的利用太阳能驱动二氧化碳热分解的零排放发电系统的工作原理，碟式太阳能集热器聚集高温太阳能热到高温热化学反应器驱动二氧化碳高温热化学分解反应；高温热化学反应器产生的氧气经多流回热器冷却，然后经氧气压缩机加压送至燃烧室；高温热化学反应器产生的一氧化碳经多流回热器冷却进入胺基二氧化碳分离器分离一氧化碳和二氧化碳，胺基二氧化碳分离器产生的一氧化碳经一氧化碳压缩机加压送至燃烧室，与来自氧气压缩机的高压氧气燃烧直接加热来自1号回热器的高压二氧化碳，形成的高温高压燃气进入高压透平做功；高压透平产生的一部分高温排气依次通过1号回热器、2号回热器、1号冷却器，冷却后的二氧化碳通过压气机加压，然后经2号冷却器冷却进入泵升压，泵出口的高压二氧化碳分成两股分别进入旁路回热器、2号回热器加热，升温后的两股高温二氧化碳汇合经1号回热器进一步加热，送至燃烧室调节燃烧温度；高压透平产生的其余高温排气进入低压透平做功，驱动发电机发电，产生的低压排气经旁路回热器冷却与来自胺基二氧化碳分离器的二氧化碳汇合，经多流回热器加热，最终进入高温热化学反应器完成循环。所述的一种利用太阳能驱动二氧化碳热分解的零排放发电系统的工作原理，当太阳能辐射强度大时，二氧化碳储存室的二氧化碳需汇入来自旁路回热器的二氧化碳，一起经多流回热器加热后进入高温热化学反应器进行高温热化学分解反应，多流回热器出口的多余氧气进入氧气储存室储存，胺基二氧化碳分离器出口的多余一氧化碳进入一氧化碳储存室储存；当太阳能辐射强度变小或无太阳能时，氧气储存室的氧气和一氧化碳储存室的一氧化碳分别通过氧气压缩机、一氧化碳压缩机加压后送至燃烧室燃烧，保证电力连续平稳输出，旁路回热器出口的多余低压二氧化碳进入二氧化碳储存室储存。所述的一种利用太阳能驱动二氧化碳热分解的零排放发电系统的工作原理，采用多流回热器预加热高温热化学反应器入口前的二氧化碳，高温热化学反应器内的发生基于金属氧化物为氧化铈、氧化锌或氧化铁的二氧化碳两步分解循环，反应温度约为1500℃，压力为1atm。所述的一种利用太阳能驱动二氧化碳热分解的零排放发电系统的工作原理，泵出口二氧化碳属于超临界状态，压力为30MPa左右，经旁路回热器、2号回热器、1号回热器预加热再进入燃烧室；高压透平排气压力为3MPa左右，一部分进入低压透平做功，质量为一氧化碳燃烧产生的量，排气压力为1atm。本专利技术具有以下优点及有益效果：太阳能驱动基于金属氧化物的热化学循环与富氧燃烧直接加热驱动两级二氧化碳动力循环耦合集成，可进行稳定化学储能并高效输出电力，同时满足物料平衡，实现太阳能稳定高效清洁发电，具有以下特点：(1)太阳能驱动二氧化碳分解制取的一氧化碳可进行稳定的化学储能，克服太阳能波动性和间歇性的影响，即时满足发电负荷的需要；同时太阳能热化学反应产生的氧气可用于一氧化碳燃烧，无需额外的空气分离设备。(2)二氧化碳作为发电工质，可以直接从尾部排气中分离燃烧产生的二氧化碳，为太阳能热化学循环提供原料，实现整体发电循环的物料自给；同时，利用超临界二氧化碳临界点附近压缩耗功小及回热效果好的特点，实现高效发电。(3)由于高压透平的排气压力为3MPa左右，高于太阳能驱动的二氧化碳热化学反应的压力，本系统采用两级透平做功，从高压透平排气分离出的燃烧产生的二氧化碳驱动低压透平做功释放压力，避免压力的浪费。(4)多流回热器可有效回收高温热化学产物的废热，提高太阳能到燃料的能量转化效率；发电单元的1号回热器、2号回热器、3号回热器可回收透平排气的热量，提高发电效率。附图说明图1为利用太阳能驱动二氧化碳热分解的零排放发电系统示意图。图中：1-碟式太阳能集热器，2-高温热化学反应器，3-多流回热器，4-氧气储存室，5-氧气压缩机，6-胺基二氧化碳分离器，7-一氧化碳储存室，8-一氧化碳压缩机，9-燃烧室，10-高压透平，11本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用太阳能驱动二氧化碳热分解的零排放发电系统，其特征在于，碟式太阳能集热器(1)连接高温热化学反应器(2)，高温热化学反应器(2)与多流回热器(3)连接并构成回路；其中，多流回热器(3)的上流回热管连接氧气储存室(4)，并通过氧气压缩机(5)与燃烧室(9)连接，多流回热器(3)的中流回热管与胺基二氧化碳分离器(6)连接；胺基二氧化碳分离器(6)一路连接一氧化碳储存室(7)与一氧化碳压缩机(8)的连接节点；另一路和多流回热器(3)的下流回热管一端与二氧化碳储存室(20)的连接节点连接；下流回热管另一端再返回连接高温热化学反应器(2)；一氧化碳压缩机(8)与燃烧室(9)连接；燃烧室(9)与高压透平(10)、1号回热器(13)串联成回路；1号回热器(13)与2号回热器(14)、1号冷却器(15)、压气机(16)、2号冷却器(17)、泵(18)、2号回热器(14)串联连接形成回路；泵(18)又通过旁路回热器(19)连接1号回热器(13)和2号回热器(14)连接节点；高压透平(10)与低压透平(11)、发电机(12)串联；低压透平(11)连接旁路回热器(19)；旁路回热器(19)低压侧出口又连接二多流回热器(3)的下流回热管一端与二氧化碳储存室(20)的连接节点。...

【技术特征摘要】
1.一种利用太阳能驱动二氧化碳热分解的零排放发电系统，其特征在于，碟式太阳能集热器(1)连接高温热化学反应器(2)，高温热化学反应器(2)与多流回热器(3)连接并构成回路；其中，多流回热器(3)的上流回热管连接氧气储存室(4)，并通过氧气压缩机(5)与燃烧室(9)连接，多流回热器(3)的中流回热管与胺基二氧化碳分离器(6)连接；胺基二氧化碳分离器(6)一路连接一氧化碳储存室(7)与一氧化碳压缩机(8)的连接节点；另一路和多流回热器(3)的下流回热管一端与二氧化碳储存室(20)的连接节点连接；下流回热管另一端再返回连接高温热化学反应器(2)；一氧化碳压缩机(8)与燃烧室(9)连接；燃烧室(9)与高压透平(10)、1号回热器(13)串联成回路；1号回热器(13)与2号回热器(14)、1号冷却器(15)、压气机(16)、2号冷却器(17)、泵(18)、2号回热器(14)串联连接形成回路；泵(18)又通过旁路回热器(19)连接1号回热器(13)和2号回热器(14)连接节点；高压透平(10)与低压透平(11)、发电机(12)串联；低压透平(11)连接旁路回热器(19)；旁路回热器(19)低压侧出口又连接二多流回热器(3)的下流回热管一端与二氧化碳储存室(20)的连接节点。2.一种权利要求1所述的利用太阳能驱动二氧化碳热分解的零排放发电系统的发电方法，其特征在于，碟式太阳能集热器(1)聚集高温太阳能热到高温热化学反应器(2)驱动二氧化碳高温热化学分解反应；高温热化学反应器(2)产生的氧气经多流回热器(3)冷却，然后经氧气压缩机(5)加压送至燃烧室(9)；高温热化学反应器(2)产生的一氧化碳经多流回热器(3)冷却进入胺基二氧化碳分离器(6)分离一氧化碳和二氧化碳，胺基二氧化碳分离器(6)产生的一氧化碳经一氧化碳压缩机(8)加压送至燃烧室(9)，与来自氧气压缩机(5)的高压氧气燃烧直接加热来自1号回热器(13)的高压二氧化碳，形成的高温高压燃气进入高压透平(10)做功；高压透平(10)产生的一部分高温排气依次通过1号回热器(13)、2号回热器(14)、1号冷却器(15)，冷却后的二氧化碳通过压气机(16)加压，然后经2号冷却器(17)冷...

【专利技术属性】
技术研发人员：许诚，辛团团，刘鑫，李潇洒，刘文毅，徐钢，杨勇平，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：北京,11