CN103742211A - 一种太阳能及生物质能联合发电的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种太阳能及生物质能联合发电的系统和方法，包括生物质热解系统1、太阳能采集及转化系统2、蒸汽发生系统3、发电系统4，其中生物质热解系统包括料仓11、燃烧器12、生物质热解炉13、冷凝器14、净化装置15、储气罐16，所述料仓11依次与生物质热解炉13、冷凝器14、净化装置15、储气罐16、燃烧器12相连接，所述燃烧器12与生物质热解炉13相连接，储气罐16与蒸汽发生系统3相连接；冷凝器14依次与太阳能采集及转化系统2、蒸汽发生系统3、发电系统4相连接。本发明能实现两种能源优势互补，提高热发电系统的稳定性，同时不会造成有害物质的排放。

Description

一种太阳能及生物质能联合发电的系统和方法

技术领域

本发明涉及属于新能源发电领域，与能源利用、环境保护及分布式能源相关，具体涉及一种太阳能及生物质能联合发电的系统和方法。

背景技术

电力是国民经济可持续发展的重要因素。长期以来，人们通过锅炉等设备利用化石能源燃烧释放的能量获取高温高压的蒸汽，并通过能量转化获得电力资源。进入21世纪以来，随着常规化石能源(煤炭、石油、天然气)储量的日益减少，以及常规化石能源引发的环境污染问题日益增多，可再生能源的开发及发电技术成为人类密切关注的焦点。其中，太阳能热发电与生物质能发电是两种重要的可再生能源利用方式。

太阳能具有分布广泛，储量无限，收集利用清洁，CO₂零排放的优点引起人们广泛关注。太阳能热发电是利用集热器将太阳辐射能转换成热能并通过热力循环过程进行发电，可在不对环境带来任何污染和公害情况下，将太阳能转化为电能，太阳能发电被誉为未来最理想的发电方式。但受设备材料和聚光技术等因素限制，目前商业化最为成功的槽式太阳能热发电系统产生的水蒸汽温度一般不超过400℃，只能采用饱和蒸汽发电。与过热蒸汽发电相比，饱和蒸汽汽轮机发电效率较低，机组系专用设备且价格昂贵，故障率高；其次，由于太阳能资源的季节性差异较大、连续阴雨天无法发电等因素，导致系统设备利用率较低。

生物质资源主要指农业及林产业废弃物、畜牧养殖业粪便及城市含有可燃成分的固体废物。我国有丰富的生物质资源，我国农村仅稻草丢弃量便高达7亿吨(热值约10.2×10¹⁵kJ)，林产业废弃物近2亿吨(热值约3.1×10¹⁵kJ)，尚有大量的稻壳、秸秆等农业废弃物。生物质发电是通过燃烧生物质资源加热蒸汽进行热发电。以生物质秸秆为例，据统计每吨生物质秸秆的热值约相当于标准煤的50％，而且在生物质秸秆的再生利用过程中，排放的CO₂与生物质秸秆再生时吸收的CO₂达到碳平衡，具有CO₂零排放的作用。与燃煤电厂不同，生物质发电厂的生物质燃料受季节、收集、运输、仓储等因素影响，在满足发电设备连续运转方面还存在一些问题。

合理有效地利用太阳能与生物质能进行联合发电，能实现两种能源之间的优势互补，提高热发电系统的稳定性，对构建分布式能源供应系统意义重大。

专利CN200610039744.X公开了一种生物质气化蓄能的太阳能蓄热方法及装置，它包括有太阳能采集器、换热器、燃烧器、余热回收换热器、热管式气化炉，热管式气化炉内设有热管，所述的热管式气化炉外壁上设有烟气夹套，热管的吸热段设在烟气夹套内，热管的放热段设在热管式气化炉内，它将太阳能采集器采集的热水通过换热器形成水蒸气，与生物质送入气化炉中进行还原反应，生成可燃气体进入储气柜中，在太阳能供给不足的情况下进入燃烧室燃烧后释放高温烟气去太阳能发电系统，燃烧室燃烧后释放的烟气还通过换热器进入气化炉的烟气夹套经过冷水换热降温后，通过风机排除，加热的冷水用于民用。该发明方法的缺点是，蒸汽参与生物质反应，系统运行成本高，存在操作安全隐患；热管低温段在气化炉内布置，容易损坏，造成换热不匀及设备损坏；生物质处理规模受太阳能装机容量限制，负荷调整范围窄；太阳能采集器故障时，生物质热解产生的热水能量品位较低，用途季节性强。

专利CN201010183690.0公开了一种将太阳能热发电与生物质发电结合的方法及系统，该发明方法白天（晴天）发电时，在集热场被加热的导热油，一路经热交换器使反向流动的水升温成为360～380℃的过热蒸汽；另一路通过换热器对熔盐加热，进行能量存储。在生物质锅炉的水冷壁内被加热的水，变成蒸汽进入汽包和汽水分离器后，与上述360～380℃的蒸汽一起送入锅炉的过热器加热到535～545℃，再提供给汽轮机，带动发电机完成发电过程。该发明方法的优点是结合了太阳能和生物质，并通过熔盐储热系统的蓄热、放热功能实现了对联合发电系统的热量调整，建设了一套稳定的发电系统。其缺点是，该发明方法将生物质能直接进行燃烧利用，其烟气产物所需的配套烟气净化设备结构复杂，系统运行成本较高，同时受生物质中可能夹带的塑料等物品的影响，会造成二恶英等有害物质的排放。

专利CN201010237550.7公开了一种低温太阳能——生物质能热电联供系统及发电工艺，系统包括：传热流体（导热油、离子液体、水）循环回路，有机朗肯循环的工质循环回路，加热炉排烟管路，供热热水回路，冷却水回路。采用加热炉为传热流体补热或作备用热源，加热炉使用二甲醚、重油、生物质或由生物质制成的低品位廉价燃料；使用丙烷(R290)、五氟丙烷(R245fa)等作循环工质；能根据热用户对供热负荷的需求调节有机朗肯循环的排气回热量；该系统太阳能集热器为底部带回热措施的太阳能集热——余热回收一体化真空平板式集热器，在充分利用太阳能的同时，也能回收加热炉的排烟余热。该发明采用循环工质作为传热介质，将太阳能集热器收集的热量和生物质能燃烧的热量用以加热饱和水产生蒸汽。但该方法存在以下缺点，太阳能和生物质能利用系统为串联关系，其中一环出现故障，整体系统将不能正常工作；其次，循环工质使用丙烷(R290)、五氟丙烷(R245fa)等作循环工质，如操作不当造成泄漏，安全隐患较大。

专利CN201010298986.7公开了一种采用生物质锅炉作为辅助热源的太阳能发电方法及系统，包括太阳能聚光集热装置、生物质锅炉装置、汽轮发电机系统，其太阳能聚光集热装置以水为介质，采用中压太阳能真空集热管串并联矩阵组合，太阳能聚光集热装置的出口通过第二控制阀与生物质锅炉的汽包底部连通，生物质锅炉汽包的蒸汽出口与汽轮发电机的气缸连接。太阳能聚光集热装置的进水管路中串联除氧器和给水泵。生物质锅炉汽包的蒸汽出口与汽轮发电机气缸连接的管路中串联蒸汽再热器，蒸汽再热器连接到汽轮发电机气缸，蒸汽再热器置于生物质锅炉烟道中。补水罐是除盐储水罐，除盐储水罐通过补水泵与除氧器连接；通过第一控制阀与太阳能聚光集热装置的出口连接。该发明的优点是结合了太阳能和生物质，建设了一套稳定的发电系统。其缺点是，该发明方法太阳能只能产生饱和热水，在生物质锅炉无法投运的情况下，无法进行供热和发电；本方法将生物质能直接进行燃烧利用，其烟气产物所需的配套烟气净化设备结构复杂，系统运行成本较高，同时受生物质中可能夹带的塑料等物品的影响，会造成二恶英等有害物质的排放。

专利CN201019026107.2公开了一种太阳能和生物质能综合互补的联合热发电系统，包括生物质循环流化床燃烧锅炉系统、太阳能热吸收转化系统和汽轮机发电系统，在有太阳辐射情况下，生物质循环流化床燃烧锅炉系统和太阳能热吸收转化系统与汽轮机发电系统联合运行，将太阳能辐射热转化成热能用于加热给水，最后蒸汽经加热成为中温中压或高温高压蒸汽，从而带动汽轮机组发电；在没有太阳辐射或太阳能热吸收转化系统发生故障需要检修的情况下，太阳能热吸收转化系统被解列，而生物质循环流化床燃烧锅炉系统和汽轮机发电系统仍保持正常工作运行。该发明的优点是结合了太阳能和生物质，建设了一套稳定的发电系统。其缺点是，该发明方法将生物质能直接进行燃烧利用，其烟气产物所需的配套烟气净化设备结构复杂，系统运行成本较高，同时受生物质中可能夹带的塑料等物品的影响，会造成二恶英等有害物质的排放。

发明内容

本发明的目的是针对生物质直接燃烧可能造成二恶英等污染物排放的问题，提供一种联合发电的系统和方法，特别是一种太阳能及生物质能联合发电的系统和方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种太阳能及生物质能联合发电的系统，包括生物质热解系统1、太阳能采集及转化系统2、蒸汽发生系统3、发电系统4，其中所述生物质热解系统1包括料仓11、燃烧器12、生物质热解炉13、冷凝器14、净化装置15、储气罐16，所述料仓11依次与生物质热解炉13、冷凝器14、净化装置15、储气罐16、燃烧器12相连接，所述燃烧器12与生物质热解炉13相连接，所述储气罐16与所述蒸汽发生系统3相连接，所述冷凝器14依次与所述太阳能采集及转化系统2、蒸汽发生系统3、发电系统4相连接，所述发电系统4与所述冷凝器14相连接。

所述太阳能采集及转化系统2包括集热器21和热交换器22，其中所述集热器21为两个以上集热器串联或并联连接，连接后与所述热交换器22并联连接，所述生物质热解系统1的冷凝器14依次与热交换器22、蒸汽发生系统3相连接。

所述蒸汽发生系统3包括燃气锅炉31、过热器32和省煤器33，所述储气罐16与燃气锅炉31连接，所述太阳能采集及转化系统2依次与省煤器33、燃气锅炉31、过热器32、发电系统4相连接。

所述发电系统4包括汽轮机41、凝汽器42、除氧器43、发电机44、变电站45、电网46，其中所述蒸汽发生系统3依次与所述汽轮机41、凝汽器42、除氧器43相连接，所述汽轮机41依次与发电机44、变电站45、电网46相连接。

利用上述太阳能及生物质能联合发电系统的发电方法，包括：

步骤1、生物质燃料经料仓进入热解炉干馏，生成油气混合物和残渣，残渣排出；

步骤2、将油气混合物送入冷凝器冷凝，分离出热解气和焦油，焦油单独收集，将热解气净化后，送入储气罐储存；

步骤3、储气罐的热解气一部分进入燃烧器燃烧，生成高温烟气，高温烟气进入热解炉释放热量后排出，另一部分进入蒸汽发生系统做燃料使用；

步骤4、将除盐水送入冷凝器和太阳能采集及转化系统吸收热量，再进入蒸汽发生系统加热成过热蒸汽；

步骤5、将过热蒸汽送入发电系统膨胀做功带动发电，之后将做功后的乏汽冷却成水，再除氧加热、溶解成气体后送入生物质热解系统的冷凝器。

其中，所述步骤2和步骤4中的冷凝器为间接换热方式，即热解生成的油气混合物与作为冷却介质的除盐水采用间接换热方式。

所述步骤3中热解气的另一部分进入蒸汽发生系统的燃气锅炉使用，经燃烧释放热量后排出。

所述步骤4中太阳能采集和转化系统采用导热油作为传递介质，所述除盐水在太阳能采集及转化系统中的热交换器中吸收热量。

所述步骤4中蒸汽发生系统加热的步骤包括，除盐水在省煤器中加热至饱和状态，通过锅炉汽包进入锅炉加热，加热后的汽水混合物送回锅炉汽包，经汽包内的汽水分离装置处理后，饱和蒸汽进入过热器加热至过热状态。

所述步骤5中的乏汽在凝汽器中冷却成冷凝水，冷凝水在除氧器中除氧加热并溶解成气体。

应用本发明的有益效果：

（1）本发明合理有效地利用太阳能与生物质能进行联合发电，能实现两种能源之间的优势互补，提高热发电系统的稳定性，对构建分布式能源供应系统意义重大。

（2）本发明所述的生物质能经热解后，获取其中的焦油和热解气进行清洁利用，资源利用方法合理，经济效益良好。热解气经净化处理后进行燃烧利用，其烟气产物清洁卫生、环境友好，不会造成二恶英等有害物质的排放。

（3）生物质热解系统的冷凝器与太阳能采集及转化系统的热交换器的除盐水管路串联连接，对生物质能和太阳能的能源进行合理配置，梯级利用。

附图说明

图1为本发明一种太阳能及生物质能联合发电系统的工艺流程图

1、生物质热解系统  2、太阳能采集及转化系统3、蒸汽发生系统

4、发电系统        11、料仓       12、燃烧器    13、生物质热解炉

14、冷凝器         15、净化装置   16、储气罐    21、集热器

22、热交换器       31、燃气锅炉   32、过热器    33、省煤器

34、汽包           41、汽轮机     42、凝汽器    43、除氧器

44、发电机         45、变电站     46、电网

具体实施方式

为更好的说明本发明，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1所示，该系统包括：

生物质热解系统、太阳能采集及转化系统、蒸汽发生系统和发电系统四部分组成。

（1）生物质热解系统：包括生物质料仓11、燃烧器12、生物质热解炉13、冷凝器14、净化装置15和储气罐16。生物质料仓11出口与生物质热解炉13进料口连接，生物质热解炉13油气出口通过油气管路与冷凝器14油气入口连接，冷凝器14油气出口与净化装置15气体入口连接，净化装置15气体出口与储气罐16气体入口连接，储气罐16气体出口与燃烧器12气体入口连接，燃烧器12气体出口与生物质热解炉13高温烟气入口连接，生物质热解炉13低温烟气出口与管路1a连接。

所述生物质热解炉13设有辐射管加热装置，热解气在辐射管加热装置内燃烧后形成的高温气体，通过辐射方式向生物质燃料提供热解所需的热量。所述生物质热解炉的辐射管加热装置使热解气燃烧空间和生物质燃料热解空间完全隔绝。所述生物质热解炉设有进料口、油气出口、残渣出口、高温烟气入口和低温烟气出口。所述冷凝器14采用间接换热方式，即热解生成的油气资源与作为冷却介质的除盐水采用间接换热方式进行。所述冷凝器设有油气入口、油气出口，冷却水入口和冷却水出口。所述净化装置15主要作用是去除热解气中的灰尘、水分及其他杂质。所述净化装置设有气体入口和气体出口。所述储气罐16主要作用是储存经净化处理的热解气，供燃气锅炉和生物质热解炉配套燃烧器使用。所述燃烧器12为适合热解气理化特性，并能进行稳定工作的燃烧装置。

（2）太阳能采集及转化系统：包括集热器21和热交换器22。本发明的太阳能采集及转化系统包括两个以上串联或并联连接的集热器21，集热器21间配套有导热管，热交换器22与集热器21串联设置，热交换器22进行热量转化。两个以上集热器串联或并联连接后与热交换器22串联连接。

所述太阳能采集及转化系统采用导热油作为热量传递介质；

所述集热器还包括聚光镜、太阳跟踪装置和集热管等设备(图中未示出)；

所述热交换器采用间壁换热结构，即热源（导热油）和冷源（除盐水）不直接接触，而通过换热管或换热面进行间接换热。所述热交换器设有导热油入口、导热油出口、除盐水入口和除盐水出口。

（3）、蒸汽发生系统：包括省煤器33、燃气锅炉31和过热器32。燃气锅炉31包括汽包34、受热面、集箱、下降管等部件。

（4）、发电系统：包括汽轮机41、凝汽器42、除氧器43、发电机44、变电站45和电网46。

应用该系统的工艺流程为：

（1）经预处理合格的生物质燃料输送至生物质料仓，在给料机械的驱动下经进料口送入生物质热解炉，生物质热解炉炉温350-700℃，生物质在无氧状态下发生热解（即干馏），生成油气混合物和残渣。残渣自残渣出口排出，油气混合物自油气出口排出。

（2）生物质热解炉油气出口的油气混合物温度200-500℃，通过油气管路和冷凝器油气入口送入冷凝器，经冷凝后焦油和热解气进行分离，焦油进行单独收集，热解气经净化装置气体入口送入净化装置净化，净化合格的热解气送入储气罐。

（3）储气罐的热解气分两部分，一部分送往燃气锅炉，另一部分送入生物质热解炉的燃烧器。热解气经过燃烧器燃烧后获得800-900℃的高温烟气，高温烟气经生物质热解炉高温烟气入口送入生物质热解炉，通过间接换热装置向热解炉内的生物质释放热量，释放热量后150-200℃的低温烟气经生物质热解炉低温烟气出口和管路1a排出生物质热解炉。热解气在燃气锅炉燃烧放热后，经管路1b排出燃气锅炉。管路1a出口和管路1b出口的低温烟气经烟气净化处理合格后，排入大气。

（4）来自除氧器的除盐水经冷凝器冷却水入口进入，自冷却水出口流出，吸收了冷凝器中的热量，并送往太阳能采集及转化系统的热交换器。

（5）太阳能采集及转化系统中，集热器收集太阳能后，经集热管等元件传递给导热油，吸热后的导热油经导热管送入热交换器进行放热。

（6）来自冷凝器的冷凝水经热交换器的除盐水入口进入热交换器，吸收来自导热油的热量，自热交换器的除盐水出口排出送往蒸汽发生系统的省煤器（不设省煤器的锅炉，送往锅炉汽包）。

（7）来自太阳能采集及转化系统热交换器的除盐水送入燃气锅炉尾部烟道布置的省煤器，除盐水在省煤器加热至饱和水状态后，送入锅炉汽包，饱和状态的除盐水在燃气锅炉内布置的受热面内循环加热，加热后的汽水混合物送回锅炉汽包，经汽包内部设置的汽水分离装置处理后，饱和蒸汽被送入过热器。饱和蒸汽在过热器内被加热至过热状态后送往发电系统的汽轮机。

（8）来自蒸汽发生系统过热器的过热蒸汽在汽轮机中膨胀做功，带动发电机转子旋转发电，发出的低压电经变电站处理后送往电网。汽轮机做功后的乏汽进入凝汽器，被冷却水冷却后凝结成水，冷凝水送往除氧器并在除氧器中加热并溶解气体后，送往生物质热解系统的冷凝器。

所述生物质热解系统和太阳能采集及转化系统可同时运行；生物质热解系统在原料供给情况合格，设备工况正常的情况下可连续工作；太阳能采集及转化系统在设备工况正常，天气情况适宜的情况下可连续工作。

所述生物质热解系统生产的热解气在所述储气罐内储存，可满足生物质热解系统不能连续工作情况下，蒸汽发生系统燃气锅炉连续工作的需要。此时，来自除氧器的除盐水可直接送入生物质热解系统的冷凝器后端布置的太阳能采集及转化系统的热交换器。

所述太阳能采集及转化系统因故停止运行时，来自除氧器的除盐水可直接由生物质热解系统的冷凝器送往蒸汽发生系统的省煤器。

所述生物质热解系统和蒸汽发生系统中间设置的储气罐，可满足生物质热解系统因故停止运行时，蒸汽发生系统和发电系统的正常运行。

本发明利用热解技术提取生物质中的焦油、热解气资源，并利用热解气燃烧获取过热蒸汽，通过驱动汽轮机进行发电，由于采用了生物质热解技术，本发明完全避免了二恶英等污染物的排放。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种太阳能及生物质能联合发电的系统，其特征在于，包括生物质热解系统（1）、太阳能采集及转化系统（2）、蒸汽发生系统（3）、发电系统（4），其中所述生物质热解系统(1)包括料仓（11）、燃烧器（12）、生物质热解炉（13）、冷凝器（14）、净化装置（15）、储气罐（16），所述料仓（11）依次与生物质热解炉（13）、冷凝器（14）、净化装置（15）、储气罐（16）、燃烧器（12）相连接，所述燃烧器（12）与生物质热解炉（13）相连接，所述储气罐（16）与所述蒸汽发生系统（3）相连接，所述冷凝器（14）依次与所述太阳能采集及转化系统（2）、蒸汽发生系统（3）、发电系统（4）相连接，所述发电系统（4）与所述冷凝器（14）相连接。

2.根据权利要求1所述的一种太阳能及生物质能联合发电的系统，其特征在于，所述太阳能采集及转化系统（2）包括集热器（21）和热交换器（22），其中所述集热器（21）为两个以上集热器串联或并联连接，连接后与所述热交换器（22）并联连接，所述生物质热解系统（1）的冷凝器（14）依次与热交换器（22）、蒸汽发生系统（3）相连接。

3.根据权利要求1所述的一种太阳能及生物质能联合发电的系统，其特征在于，所述蒸汽发生系统（3）包括燃气锅炉（31）、过热器（32）和省煤器（33），所述储气罐（16）与燃气锅炉（31）连接，所述太阳能采集及转化系统（2）依次与省煤器（33）、燃气锅炉（31）、过热器（32）、发电系统（4）相连接。

4.根据权利要求1所述的一种太阳能及生物质能联合发电的系统，其特征在于，所述发电系统（4）包括汽轮机（41）、凝汽器（42）、除氧器（43）、发电机（44）、变电站（45）、电网（46），其中所述蒸汽发生系统（3）依次与所述汽轮机（41）、凝汽器（42）、除氧器（43）相连接，所述汽轮机（41）依次与发电机（44）、变电站（45）、电网（46）相连接。

5.利用权利要求1至4中任一项所述的太阳能及生物质能联合发电系统的发电方法，其特征在于，包括：

步骤1、生物质燃料经料仓进入热解炉干馏，生成油气混合物和残渣，残渣排出；

步骤2、将油气混合物送入冷凝器冷凝，分离出热解气和焦油，焦油单独收集，将热解气净化后，送入储气罐储存；

步骤3、储气罐的热解气一部分进入燃烧器燃烧，生成高温烟气，高温烟气进入热解炉释放热量后排出，另一部分进入蒸汽发生系统做燃料使用；

步骤4、将除盐水送入冷凝器和太阳能采集及转化系统吸收热量，再进入蒸汽发生系统加热成过热蒸汽；

步骤5、将过热蒸汽送入发电系统膨胀做功带动发电，之后将做功后的乏汽冷却成水，在除氧加热、除去溶解性气体后送入生物质热解系统的冷凝器。

6.根据权利要求5所述的发电方法，其特征在于，所述步骤2和步骤4中的冷凝器为间接换热方式，即热解生成的油气混合物与作为冷却介质的除盐水采用间接换热方式。

7.根据权利要求5所述的发电方法，其特征在于，所述步骤3中热解气的另一部分进入蒸汽发生系统的燃气锅炉使用。

8.根据权利要求5所述的发电方法，其特征在于，所述步骤4中太阳能采集和转化系统采用导热油作为传递介质，所述除盐水在太阳能采集及转化系统中的热交换器中吸收热量。

9.根据权利要求5所述的发电方法，其特征在于，所述步骤4中蒸汽发生系统加热的步骤包括，除盐水在省煤器中加热至饱和状态，通过锅炉汽包进入锅炉加热，加热后的汽水混合物送回锅炉汽包，经汽包内的汽水分离装置处理后，饱和蒸汽进入过热器加热至过热状态。

10.根据权利要求5所述的发电方法，其特征在于，所述步骤5中的乏汽在凝汽器中冷却成冷凝水，冷凝水在除氧器中除氧加热并除去溶解性气体。

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