本发明专利技术公开了一种低CO2排放的太阳能与甲醇互补的热力循环系统及方法，将太阳能品位提升与高效联合循环系统相结合，中低温太阳能首先提供甲醇/水蒸气重整的反应热，将燃料转化为以H2和CO2为主要成分的合成气，H2与CO2摩尔比接近3∶1，从而使低品位太阳能转化为合成气化学能；再通过吸收单元实现CO2的分离；经过脱碳的清洁燃料最终在高效联合循环中实现热功转换。太阳能的引入与CO2分离的结合，减少了化石能源消耗，实现了燃料的清洁利用。本发明专利技术中太阳能净转功效率为16.8％，系统当量效率为55.1％，比常规联合循环高1个百分点，化石燃料节约率达到11.8％，以低能耗代价实现CO2的减排，节约了化石燃料并实现了中低温太阳能的高效热功转换和与化石燃料的互补利用。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及能源
，特别是一种低CO2排放的太阳能与甲醇互补的热力循环系统及方法。
技术介绍
目前与本专利技术相关的技术主 要包括中低温太阳能利用技术以及能源系统中CO2的分离技术，其各自技术的发展状况及特征如下I.中低温太阳能利用技术鉴于化石能源的有限性及其利用过程中产生污染的严重性，对新型洁净能源(如太阳能、风能、地热能等)的有效利用成为可持续发展的一个重要方面。近年来，太阳能以其独具的储量无限性、存在的普遍性、开发利用的清洁性以及逐步提升的经济性等优势获得广泛关注，成为解决能源短缺、环境污染和温室效应的有效途径之一。当前，太阳能利用技术的主要发展方向是太阳能光电转化和光热转化，其中光热转化的太阳能热动力发电又是未来二三十年最具吸引力的太阳能技术。但是一方面太阳能能量密度低、时空分布不连续，需配置庞大而昂贵的蓄能装置；另一方面太阳能集热效率随着集热温度增加而减小，而动力循环热转功效率的增长又需要以工质初温的提高为基础，这一矛盾使太阳能热发电效率难以提高(现仅10%左右)，也由此造成了较高的太阳能发电成本，严重制约了光热发电大规模发展和工程应用。目前太阳能热发电技术以及新兴的热化学能量转换技术(如天然气重整的热化学能量转化系统等)研究多集中在高温太阳热能的转化和利用，且多为高温集热和热化学转换等部件性能的提高和相关新材料的研发。1000°C以上的高温集热无不以设备复杂、投资成本高和光热转换效率低为代价。相对而言，当前150 350°C的中低温太阳能热利用技术以其良好的集热性能和经济简单的集热装置获得大规模商业化。这个温度范围的集热器，聚光比低，集热性能良好，集热效率一般能达到60%以上，有效避免了高温太阳能能量转化系统的高成本代价。然而，工质的温度越低，实现热功转换越难，目前对中低温热能的直接利用尚缺乏行之有效的技术。而常规能源利用系统技术和工艺已日臻完善，如先进的联合循环工质初温已达1600°C。设想太阳能等可再生能源如果得以在常规能源系统中实现能量转换和释放，不但可以替代部分化石能源消耗，减少相应的污染物排放，更将极大地提高可再生能源能量释放品位和热转功效率，同时缓解其不稳定、不连续的供给难题。中低温太阳能和化石燃料的互补梯级利用有望为同时解决太阳能能量转化效率低和实现化石燃料的清洁利用提供一条全新的途径。多能源互补系统中，中低温太阳能可以和热力系统中某些物理吸热过程相集成(热集成)，如蒸发过程、回热过程；也可以和某些吸热化学反应相集成(热化学集成)，如热解反应和重整反应等。前者如N. Lior和K. Koai提出的蒸汽朗肯循环互补系统，低温段工质水吸收约100°C太阳能热量蒸发，高温段化石燃料燃烧提供热量使蒸汽过热，形成不同热源在不同温度段的匹配利用，太阳能热输入份额高达80%，系统热效率可达18%。后者如H. Hong和H. Jin提出的一种中低温太阳能与化石燃料热化学互补的联合循环系统，利用甲醇燃料在中低温条件下的热解特性，以200 300°C的太阳能驱动甲醇热解吸热反应，生成以H2和CO为主要成分的合成气，从而使低品位太阳能转化为高品位合成气化学能；合成气驱动燃气/蒸汽联合循环做功，实现了中低温太阳能品位的提升和其在动力系统中的高效转化。其案例分析中，太阳能热输入比例为18%，太阳能发电净效率和系统烟效率分别达到35%和60. 7%，但该计算忽略了透平叶片冷却影响。又如N. Zhang提出的一种太阳能品位间接提升的系统，中低温太阳能首先通过热集成提供甲烷重整反应所需蒸汽的气化潜热，所产生的蒸汽再与甲烷发生高温重整反应，在热化学反应中，低品位太阳能以蒸汽内能为载体，转化为高品位合成气化学能，实现了品位的间接提升，之后合成气驱动燃气循环做功，最终实现了太阳能的高效热功转换。与常规化学回热循环相比，化石能源节约率达20% 30%。2.能源系统中CO2的分离技术能源系统集成CO2分离过程的主要方式可以根据CO2分离过程在系统中的位置(或者说分离点)的不同分为“燃烧前分离”、“燃烧中分离”、“燃烧后分离”以及“化学链燃 烧”等四类。I)燃烧前分离该技术是利用合适的碳转化方法将碳基燃料转化为合成气(主要成分为CO和H2)，进一步通过变换反应将合成气中的CO转化为CO2和H2,再通过分离工艺将CO2分离出来，可得到较洁净的富氢燃料气。由于CO2分离是在燃烧过程前进行的，待分离合成气中的CO2浓度较高，分离能耗相对燃烧后有所降低。但燃料化学能降低，通常燃烧前分离的动力发电系统热转功效率下降7 10个百分点。2)燃烧中分离该技术是利用空分系统制取富氧或纯氧气体，然后将燃料与氧气一同输送到专门的纯氧燃烧炉进行燃烧，生成烟气的主要成分是0)2和水蒸气。燃烧后的部分烟气重新回注燃烧炉，一方面降低燃烧温度；另一方面进一步提高尾气中CO2质量浓度，一般可达95 %以上，由于烟气的主要成分是CO2和H2O,可不必分离而直接加压液化回收处理。但是分离O2时需要耗费巨量的电功，空分单元的耗功，使系统出功减少0. 22 0. 25kffh/kg O2左右。3)燃烧后分离燃烧后分离CO2是最常见也是最容易想到的分离措施，因为燃烧后的烟气的CO2浓度一般都较低，一般采用化学吸收法进行分离，由于尾气中除了 CO2酸性气体外还有氮和硫的氧化物以及金属污染物，给后面的吸收带来了很大麻烦。且分离CO2浓度低，处理尾气量大，分离CO2能耗对系统性能的影响非常大，一般使系统效率下降10 15% ；4)化学链燃烧该技术包括两个连续的氧化还原反应，在还原反应过程中，燃料和金属氧化物发生反应，生成金属的同时燃料被氧化为CO2和H2O ;在氧化反应中金属与空气反应重新生成金属氧化物，其过程具有天然分离二氧化碳的优势，也就是燃烧产物只需要简单的冷却混合物中的水就可以分离二氧化碳，不需要额外的分离能耗。在燃烧过程中也体现了比一般燃烧过程燃烧不可逆损失小的特点
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本专利技术的主要目的是提供一种低CO2排放的太阳能与甲醇互补的热力循环系统及方法，以实现中低温太阳热能高效转换以及和化石燃料互补的综合梯级利用，并以低能耗代价实现CO2的分离。(二)技术方案为实现上述目的，本专利技术提供了一种低CO2排放的太阳能与甲醇互补的热力循环系统，该系统包括压气机I，用于将空气SI升压至Brayton循环的最高压力，形成压缩空气S2输出给燃烧室2 ；燃烧室2，用于合成气S9和压缩空气S2发生燃烧反应，得到高温燃气S14，输出给燃气透平3 ； 燃气透平3，用于高温燃气S14进行膨胀做功，输出给三压再热锅炉10 ；太阳能集热器4，用于聚集所需的中低温太阳能，并输出给太阳能接收反应器5 ;太阳能接收反应器5，用于利用太阳能集热器4聚集的太阳热能，使甲醇燃料S3与饱和水S13在一定的压力下进行化学重整反应；换热器6，用于利用重整反应得到的合成气S4对水S12及脱除CO2的清洁燃料气S8进行预热，将富含CO2的合成气S5输出给冷凝器7 ；冷凝器7，用于将富含CO2的合成气S5冷却至要求温度，输出给脱水单元8 ；脱水单元8，用于将合成气S6中的冷凝水脱除，输出给CO2物理吸收单元9 ；CO2物理吸收单元9，用于将合成燃料气S7中的CO2分离，输本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种低CO2排放的太阳能与甲醇互补的热力循环系统，其特征在于，该系统包括：压气机(1)，用于将空气(S1)升压至Brayton循环的最高压力，形成压缩空气(S2)输出给燃烧室(2)；燃烧室(2)，用于合成气(S9)和压缩空气(S2)发生燃烧反应，得到高温燃气(S14)，输出给燃气透平(3)；燃气透平(3)，用于高温燃气(S14)进行膨胀做功，输出给三压再热锅炉(10)；太阳能集热器(4)，用于聚集所需的中低温太阳能，并输出给太阳能接收反应器(5)；太阳能接收反应器(5)，用于利用太阳能集热器(4)聚集的太阳热能，使甲醇燃料(S3)与饱和水(S13)在一定的压力下进行化学重整反应；换热器(6)，用于利用重整反应得到的合成气(S4)对水(S12)及脱除CO2的清洁燃料气(S8)进行预热，将富含CO2的合成气(S5)输出给冷凝器(7)；冷凝器(7)，用于将富含CO2的合成气(S5)冷却至要求温度，输出给脱水单元(8)；脱水单元(8)，用于将合成气(S6)中的冷凝水脱除，输出给CO2物理吸收单元(9)；CO2物理吸收单元(9)，用于将合成燃料气(S7)中的CO2分离，输出给换热器(6)，换热器(6)将合成气(S9)输出给燃烧室(2)；三压再热锅炉(10)，用于由烟气(S15)供热，完成不同压力给水的预热、蒸发、过热过程；蒸汽透平(11)，用于余热锅炉产生的过热蒸汽(S19)膨胀做功；冷凝器(12)，用于将蒸汽透平排汽(S20)冷凝至饱和水(S17)状态，以便循环利用；泵(13)，用于将水(S17)升压至所需压力；发电机(14、15)，用于分别与燃气及蒸汽透平连接，将透平产生机械功转化为电能输出。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：张娜，李元媛，
申请(专利权)人：中国科学院工程热物理研究所，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。