CN104895675B - 可全天连续运行的太阳能与生物质互补联合循环发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可全天连续运行的太阳能与生物质互补联合循环发电系统，在充足光照条件时，该系统直接利用高温聚光太阳能借助高温回转式太阳能气化反应器完成固体碳氢燃料的气化反应，产生的合成气经净化处理后送至燃气‑蒸汽联合循环发电系统的燃烧室中进行发电；在光照条件不充足时，该系统利用热解反应器并借助利用高温融盐存储的太阳能驱动固体碳氢燃料进行热解反应，热解产生的液体燃料利用雾化器雾化，经雾化的液体燃料再送至燃气‑蒸汽联合循环系统的燃烧室中进行发电。本发明满足了利用太阳能全天连续地将固体碳氢燃料转化为可供燃气‑蒸汽联合循环系统使用的优质燃料，同时通过该系统也能够适用于煤炭等其他碳氢固体碳氢燃料。

Description

可全天连续运行的太阳能与生物质互补联合循环发电系统
技术领域
本发明涉及多种能源互补利用的技术领域，尤其是一种可全天连续运行的太阳能与生物质互补联合循环发电系统。
背景技术
为应对经济和现代文明的高速发展，能源需求量将逐年扩大，有限的化石能源储量将制约人类文明的发展进程，同时由于大量燃用化石能源所导致的环境污染等问题也亟待解决。为此在实现现有化石能源高效和清洁利用的同时，大力开发太阳能和生物质等清洁能源，以逐步替代化石能源成也为解决当前能源与环境协调相容和实现人类可持续发展的重要途径。
太阳能作为一种清洁的可再生能源，以辐射的形式投射至地球表面，是人类可以利用的最丰富的能源，具有一些普通能源无法比拟的优点，如清洁、资源量巨大等。地球每年接收的太阳能总量达到1×1018kWh，相当于1.3×1014吨标准煤，在美国西南部、非洲、澳大利亚和中国西部等地区的太阳能资源均非常丰富。其中，基于太阳能光热利用方式的太阳能光热发电技术已进入商业化运营阶段。根据太阳能聚光方式的不同可分为线聚光和点聚光两大类，抛物槽式和线性菲涅尔集热装置采用的是太阳能线聚光技术，其聚光比相对较低，所能达到的集热温度也相应较低；而碟式和塔式集热装置采用的是太阳能点聚光技术，双轴跟踪，聚光比高，最高集热温度能超过1000℃。
常规槽式太阳能热发电系统通常以导热油作为中间导热介质，受导热油高温分解特性的限制，系统的集热温度在400℃以下，并直接影响到所配套的汽轮发电机组的循环热效率，而采用点聚光形式的塔式太阳能热发电系统则以高温融盐作为导热介质，目前工作温度能提升至560℃左右，但总体而言系统的发电效率仍偏低。另外，由于太阳能具有间歇性供应等特性，因此太阳能热发电系统中通常需配套储能蓄热装置，以延长机组的运行时间，以塔式太阳能热发电站为例，其连续运行时间约为14～15小时，受储能成本及蓄热装置保温特性等因素的影响，难以保证太阳能热发电系统的全天连续运行。
为了提高太阳能的净发电效率和实现机组的连续稳定运行，现已开发出多种太阳能与联合循环发电系统相集成的互补型发电系统，主要的互补方式包括以下两种：1、利用线性聚光装置与底部朗肯循环相结合，用于完成蒸汽部分的预热或蒸发，以提高机组的发电容量；2、利用塔式点聚光集热技术与顶部布雷顿循环相结合，将经压气机加压后的空气加热至800～1000℃，而后再送入燃烧室，以此减少化石能源的消耗。另外，利用塔式聚焦产生的高温太阳能驱动生物质等固体碳氢燃料气化，而且再借助联合循环发电系统高效利用的技术方案也已被提出，通过将太阳能转换为高品质化学能后，再实现化学能的高效转化。
经过相关的计算和模拟分析得出上述利用方案在提升太阳能热利用效率方面具有很大的潜力，但同时，我们也需明确上述技术方案的不足之处，对于利用高温太阳能与布雷顿顶循环相结合以加热压缩空气的互补形式，不仅仍需消耗大量的天然气等化石能源，同时因集热温度过高，难以通过蓄热的方式在夜间实现发电系统的互补运行。对于利用高温太阳能驱动生物质气化，进而发电的互补方式，虽然系统均使用清洁的可再生能源，但仍然无法克服高温储能这一难题。
因此，在实现太阳能的高效利用和系统连续运行等方面，还需要开展大量的相关研究工作。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种可全天连续运行的太阳能与生物质互补联合循环发电系统，以满足利用太阳能全天连续地将生物质等固体碳氢燃料A转化为可供燃气-蒸汽联合循环系统使用的优质燃料，同时通过该系统也能够适用于煤炭等其他碳氢固体碳氢燃料A。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种可全天连续运行的太阳能与生物质互补联合循环发电系统，包括定日镜场1、双曲面反射镜2、高温回转式太阳能气化反应器3、气化余热锅炉4、净化装置5、燃烧室6、压缩机7、燃气透平8、余热锅炉9、蒸汽透平10、冷凝器11、给水泵12、发电机13、融盐泵14、低温融盐储罐15、高温融盐储罐16、热解反应器、17和焦油雾化器18，其中，燃烧室6、压缩机7、燃气透平8、余热锅炉9、蒸汽透平10、冷凝器11、给水泵12和发电机13构成燃气-蒸汽联合循环发电系统；在光照条件充足时，该太阳能与生物质互补联合循环发电系统直接利用高温聚光太阳能借助高温回转式太阳能气化反应器3完成固体碳氢燃料的气化反应，反应产生的合成气经净化处理后送至燃气-蒸汽联合循环发电系统的燃烧室6中进行发电；在光照条件不充足时，该太阳能与生物质互补联合循环发电系统利用热解反应器17并借助利用高温融盐存储的太阳能驱动固体碳氢燃料进行热解反应，热解产生的液体燃料利用雾化器18雾化，经雾化的液体燃料再送至燃气-蒸汽联合循环系统的燃烧室6中进行发电。
上述方案中，所述定日镜场1用于收集太阳能并聚焦至双曲面反射镜2以获取高温聚焦太阳能，高温聚焦太阳能再由双曲面反射镜2反射并投射至高温回转式太阳能气化反应器3中，用以提供气化反应所需要的高温热量。
上述方案中，所述高温回转式太阳能气化反应器3为回转式气化反应装置，高温聚光太阳能透过入射光线孔进入反应器内部，加热反应段外壁，将高温热量传递至反应物，借助反应器的回转式转动，能够改善气化反应特性。
上述方案中，所述高温回转式太阳能气化反应器3的外腔内表面布置有融盐集热管束，用以在满足固体碳氢燃料正常气化时，利用融盐吸收并存储富余的高温太阳能。
上述方案中，所述固体碳氢燃料被送至高温回转式太阳能气化反应器3，定日镜场1将太阳光线聚焦反射至双曲面反射镜2，进而调整光路下射至高温回转式太阳能气化反应器3中，利用聚焦所产生850℃的聚光太阳能驱动固体碳氢燃料在高温回转式太阳能气化反应器3中进行气化反应。
上述方案中，所述高温回转式太阳能气化反应器3中气化反应产生的高温可燃合成气，首先进入气化余热锅炉4，以利用气化余热锅炉4回收热量；在气化余热锅炉4中，该高温可燃合成气加热通入气化余热锅炉4中的水产生水蒸汽，将产生的一部分水蒸汽作为气化剂也同步送至高温回转式太阳能气化反应器3中，同时将剩余的水蒸汽送至燃气-蒸汽联合循环发电系统中加以利用，降温后的可燃合成气送至净化装置5中除去杂质，而后送至燃气-蒸汽联合循环发电系统的燃烧室6中。
上述方案中，在由燃烧室6、压缩机7、燃气透平8、余热锅炉9、蒸汽透平10、冷凝器11、给水泵12和发电机13构成的燃气-蒸汽联合循环发电系统中，空气首先经由压缩机7压缩加压后送至燃烧室6，在燃烧室6中参与可燃合成气的燃烧反应，燃烧产生的高温烟气送至燃气透平8并驱动其旋转作功，燃气透平8排放的高温烟气借助余热锅炉9回收热量并生产高温高压蒸汽，该高温高压蒸汽送至蒸汽透平10驱动其旋转作功，蒸汽透平10排放的蒸汽乏汽依次经过冷凝器11和水泵12进行冷凝和加压处理，而后送至余热锅炉9中循环利用，最后烟气从余热锅炉9中排出，同时燃气透平8和蒸汽透平10驱动发电机13旋转发电。
上述方案中，在白天时段，该太阳能与生物质互补联合循环发电系统在利用太阳能驱动固体碳氢燃料进行气化反应的同时，低温融盐储罐15的冷融盐经融盐泵14送至高温回转式太阳能气化反应器3中，利用白天时段富余的太阳能将融盐加热至550℃，加热后的融盐作为储热介质送至高温融盐储罐16中存储。
上述方案中，在夜间时段，固体碳氢燃料A被送至该太阳能与生物质互补联合循环发电系统的热解反应器17，融盐从高温融盐储罐16分别送至热解反应器17和焦油雾化器18中；首先在热解反应器17中利用550℃的融盐显热驱动固体碳氢燃料热解，热解产生的焦油和烷烃类可燃气体借助净化装置5进行净化处理，而后送至焦油雾化器18，雾化所需的热能同样由高温熔盐提供，最终经雾化的液体燃料和烷烃类可燃气体送至燃烧室6中，经燃烧后驱动燃气-蒸汽联合循环发电系统进行发电。
上述方案中，在所述热解反应器17中生产的固体产物将返送至高温回转式太阳能气化反应器3中，待白天时段与固体碳氢燃料一起参与气化反应。
(三)有益效果
从上述技术方案可看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的可全天连续运行的太阳能与生物质互补联合循环发电系统，利用高温太阳能直接驱动生物质气化反应，或间接驱动生物质的热解反应，能将太阳能转化为高品质的化学能，再借助先进的燃气-蒸汽联合循环，能实现太阳能的高效利用。
2、本发明提供的可全天连续运行的太阳能与生物质互补联合循环发电系统，在白天时段借助融盐存储高温太阳能，在夜间驱动生物质热解反应，用于生产供联合循环发电系统使用的雾化液体燃料，由此能实现燃气和配套蒸汽装置的全天连续运行。
3、本发明提供的可全天连续运行的太阳能与生物质互补联合循环发电系统，利用融盐存储太阳能，同时也直接利用高温融盐驱动生物质的热解反应，实现融盐工质的多功能应用，由此可简化系统结构并降低蓄能部分的初投资。
4、本发明提供的可全天连续运行的太阳能与生物质互补联合循环发电系统，相对于传统的塔式太阳能热发电系统而言，利用融盐驱动生物质热解并为焦油雾化提供热能，占联合循环发电系统输入能量的比例相对较低，即无需消耗巨量的融盐工质，这不仅降低蓄热部分的直接投资，并有利于实现少量融盐的高效保温，以延长系统的连续运行时间。
5、本发明提供的可全天连续运行的太阳能与生物质互补联合循环发电系统，通过合理的系统设计，能够延长发电装置的运行时间，提高系统的可用率，相对而言，可增加系统的利润收入，并缩短系统的投资回收周期。
附图说明
图1为依据本发明实施例的可全天连续运行的太阳能与生物质互补联合循环发电系统的结构示意图。
附图标记为：1-定日镜场、2-双曲面反射镜、3-高温回转式太阳能气化反应器、4-气化余热锅炉、5-净化装置、6-燃烧室、7-压缩机、8-燃气透平、9-余热锅炉、10-蒸汽透平、11-冷凝器、12-给水泵、13-发电机、14-融盐泵、15-低温融盐储罐、16-高温融盐储罐、17-热解反应器、18-焦油雾化器；A-生物质或煤炭等固体碳氢燃料、B-水、C-灰尘和H2S等杂质、D-空气、E-烟气。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
图1是本发明提供的可全天连续运行的太阳能与生物质互补联合循环发电系统的结构示意图，该系统包括定日镜场1、双曲面反射镜2、高温回转式太阳能气化反应器3、气化余热锅炉4、净化装置5、燃烧室6、压缩机7、燃气透平8、余热锅炉9、蒸汽透平10、冷凝器11、给水泵12、发电机13、融盐泵14、低温融盐储罐15、高温融盐储罐16、热解反应器17和焦油雾化器18，其中，燃烧室6、压缩机7、燃气透平8、余热锅炉9、蒸汽透平10、冷凝器11、给水泵12和发电机13构成燃气-蒸汽联合循环发电系统。在白天光照条件充足时，该系统直接利用高温聚光太阳能借助高温回转式太阳能气化反应器3完成生物质等固体碳氢燃料的气化反应，反应产生的合成气经净化处理后送至燃气-蒸汽联合循环发电系统的燃烧室6中进行高效发电。在夜间等光照条件不充足时，使用热解反应器17并借助利用高温融盐存储的太阳能驱动生物质等固体碳氢燃料A进行热解反应，热解产生的焦油等液体燃料利用雾化器18雾化，经雾化的液体燃料再送至燃气-蒸汽联合循环系统的燃烧室6中进行高效发电。
定日镜场1用于收集太阳能并聚焦至双曲面反射镜2以获取高温聚焦太阳能，高温聚焦太阳能再由双曲面反射镜2反射并投射至高温回转式太阳能气化反应器3中，用以提供气化反应所需要的高温热量。高温回转式太阳能气化反应器3无需安装在集热塔顶端，可提高运行可靠性并降低运行能耗。
定日镜场1富裕配置，同时高温回转式太阳能气化反应器3的外腔内表面布置有融盐集热管束，用以在满足生物质等固体碳氢燃料A正常气化时，利用融盐吸收并存储富余的高温太阳能。
高温回转式太阳能气化反应器3为回转式气化反应装置，高温聚光太阳能透过入射光线孔进入反应器内部，加热反应段外壁，将高温热量传递至反应物，借助反应器的回转式转动，能够改善气化反应特性。
生物质或煤炭等固体碳氢燃料A被送至高温回转式太阳能气化反应器3，定日镜场1将太阳光线聚焦反射至双曲面反射镜2，进而调整光路下射至高温回转式太阳能气化反应器3中，利用聚焦所产生850℃左右的聚光太阳能驱动固体碳氢燃料A在高温回转式太阳能气化反应器3中进行气化反应。
高温回转式太阳能气化反应器3中气化反应产生的高温可燃合成气，首先进入气化余热锅炉4，以利用气化余热锅炉4回收热量。在气化余热锅炉4中，该高温可燃合成气加热通入气化余热锅炉4中的水B产生水蒸汽，将产生的一部分水蒸汽作为气化剂也同步送至高温回转式太阳能气化反应器3中，同时将剩余的水蒸汽送至燃气-蒸汽联合循环发电系统中加以利用，降温后的可燃合成气送至净化装置5中除去灰尘和H2S等杂质，而后送至燃气-蒸汽联合循环发电系统的燃烧室6中。
在由燃烧室6、压缩机7、燃气透平8、余热锅炉9、蒸汽透平10、冷凝器11、给水泵12和发电机13构成的燃气-蒸汽联合循环发电系统中，空气D首先经由压缩机7压缩加压后送至燃烧室6，在燃烧室6中参与可燃合成气的燃烧反应，燃烧产生的高温烟气送至燃气透平8并驱动其旋转作功，燃气透平8排放的高温烟气借助余热锅炉9回收热量并生产高温高压蒸汽，该高温高压蒸汽送至蒸汽透平10驱动其旋转作功，蒸汽透平10排放的蒸汽乏汽依次经过冷凝器11和水泵12进行冷凝和加压处理，而后送至余热锅炉9中循环利用，最后烟气E从余热锅炉9中排出，同时燃气透平8和蒸汽透平10驱动发电机13旋转发电。
在白天时段，本发明提供的可全天连续运行的太阳能与生物质互补联合循环发电系统，在利用太阳能驱动生物质或煤炭等固体碳氢燃料A进行气化反应的同时，低温融盐储罐15的冷融盐经融盐泵14送至高温回转式太阳能气化反应器3中，利用白天时段富余的太阳能将融盐加热至550℃左右，加热后的融盐作为储热介质送至高温融盐储罐16中存储。
在夜间时段，本发明提供的可全天连续运行的太阳能与生物质互补联合循环发电系统，生物质或煤炭等固体碳氢燃料A被送至热解反应器17，融盐从高温融盐储罐16分别送至热解反应器17和焦油雾化器18中。首先在热解反应器17中利用550℃左右的融盐显热驱动固体碳氢燃料A热解，热解产生的焦油和烷烃类可燃气体借助净化装置5进行净化处理，而后送至焦油雾化器18，雾化所需的热能同样由高温熔盐提供，最终经雾化的液体燃料和烷烃类可燃气体送至燃烧室6中，经燃烧后驱动燃气-蒸汽联合循环发电系统进行高效发电。在热解反应器17中生产的焦炭等固体产物将返送至高温回转式太阳能气化反应器3中，待白天时段与生物质或煤炭等固体碳氢燃料A一起参与气化反应。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种可全天连续运行的太阳能与生物质互补联合循环发电系统，包括定日镜场(1)、双曲面反射镜(2)、高温回转式太阳能气化反应器(3)、气化余热锅炉(4)、净化装置(5)、燃烧室(6)、压缩机(7)、燃气透平(8)、余热锅炉(9)、蒸汽透平(10)、冷凝器(11)、给水泵(12)、发电机(13)、融盐泵(14)、低温融盐储罐(15)、高温融盐储罐(16)、热解反应器(17)和焦油雾化器(18)，其特征在于，
燃烧室(6)、压缩机(7)、燃气透平(8)、余热锅炉(9)、蒸汽透平(10)、冷凝器(11)、给水泵(12)和发电机(13)构成燃气-蒸汽联合循环发电系统；
在光照条件充足时，该太阳能与生物质互补联合循环发电系统直接利用高温聚光太阳能借助高温回转式太阳能气化反应器(3)完成固体碳氢燃料的气化反应，反应产生的合成气经净化处理后送至燃气-蒸汽联合循环发电系统的燃烧室(6)中进行发电；
在光照条件不充足时，该太阳能与生物质互补联合循环发电系统利用热解反应器(17)并借助利用高温融盐存储的太阳能驱动固体碳氢燃料进行热解反应，热解产生的液体燃料利用雾化器(18)雾化，经雾化的液体燃料再送至燃气-蒸汽联合循环系统的燃烧室(6)中进行发电；
其中，所述高温回转式太阳能气化反应器(3)为回转式气化反应装置，高温聚光太阳能透过入射光线孔进入反应器内部，加热反应段外壁，将高温热量传递至反应物，借助反应器的回转式转动，能够改善气化反应特性。
2.根据权利要求1所述的可全天连续运行的太阳能与生物质互补联合循环发电系统，其特征在于，所述定日镜场(1)用于收集太阳能并聚焦至双曲面反射镜(2)以获取高温聚焦太阳能，高温聚焦太阳能再由双曲面反射镜(2)反射并投射至高温回转式太阳能气化反应器(3)中，用以提供气化反应所需要的高温热量。
3.根据权利要求1所述的可全天连续运行的太阳能与生物质互补联合循环发电系统，其特征在于，所述高温回转式太阳能气化反应器(3)的外腔内表面布置有融盐集热管束，用以在满足固体碳氢燃料正常气化时，利用融盐吸收并存储富余的高温太阳能。
4.根据权利要求1所述的可全天连续运行的太阳能与生物质互补联合循环发电系统，其特征在于，所述固体碳氢燃料被送至高温回转式太阳能气化反应器(3)，定日镜场(1)将太阳光线聚焦反射至双曲面反射镜(2)，进而调整光路下射至高温回转式太阳能气化反应器(3)中，利用聚焦所产生850℃的聚光太阳能驱动固体碳氢燃料在高温回转式太阳能气化反应器(3)中进行气化反应。
5.根据权利要求1所述的可全天连续运行的太阳能与生物质互补联合循环发电系统，其特征在于，所述高温回转式太阳能气化反应器(3)中气化反应产生的高温可燃合成气，首先进入气化余热锅炉(4)，以利用气化余热锅炉(4)回收热量；在气化余热锅炉(4)中，该高温可燃合成气加热通入气化余热锅炉(4)中的水产生水蒸汽，将产生的一部分水蒸汽作为气化剂也同步送至高温回转式太阳能气化反应器(3)中，同时将剩余的水蒸汽送至燃气-蒸汽联合循环发电系统中加以利用，降温后的可燃合成气送至净化装置(5)中除去杂质，而后送至燃气-蒸汽联合循环发电系统的燃烧室(6)中。
6.根据权利要求1所述的可全天连续运行的太阳能与生物质互补联合循环发电系统，其特征在于，在由燃烧室(6)、压缩机(7)、燃气透平(8)、余热锅炉(9)、蒸汽透平(10)、冷凝器(11)、给水泵(12)和发电机(13)构成的燃气-蒸汽联合循环发电系统中，空气首先经由压缩机(7)压缩加压后送至燃烧室(6)，在燃烧室(6)中参与可燃合成气的燃烧反应，燃烧产生的高温烟气送至燃气透平(8)并驱动其旋转作功，燃气透平(8)排放的高温烟气借助余热锅炉(9)回收热量并生产高温高压蒸汽，该高温高压蒸汽送至蒸汽透平(10)驱动其旋转作功，蒸汽透平(10)排放的蒸汽乏汽依次经过冷凝器(11)和水泵(12)进行冷凝和加压处理，而后送至余热锅炉(9)中循环利用，最后烟气从余热锅炉(9)中排出，同时燃气透平(8)和蒸汽透平(10)驱动发电机(13)旋转发电。
7.根据权利要求1所述的可全天连续运行的太阳能与生物质互补联合循环发电系统，其特征在于，在白天时段，该太阳能与生物质互补联合循环发电系统在利用太阳能驱动固体碳氢燃料进行气化反应的同时，低温融盐储罐(15)的冷融盐经融盐泵(14)送至高温回转式太阳能气化反应器(3)中，利用白天时段富余的太阳能将融盐加热至550℃，加热后的融盐作为储热介质送至高温融盐储罐(16)中存储。
8.根据权利要求1所述的可全天连续运行的太阳能与生物质互补联合循环发电系统，其特征在于，在夜间时段，固体碳氢燃料A被送至该太阳能与生物质互补联合循环发电系统的热解反应器(17)，融盐从高温融盐储罐(16)分别送至热解反应器(17)和焦油雾化器(18)中；首先在热解反应器(17)中利用550℃的融盐显热驱动固体碳氢燃料热解，热解产生的焦油和烷烃类可燃气体借助净化装置(5)进行净化处理，而后送至焦油雾化器(18)，雾化所需的热能同样由高温熔盐提供，最终经雾化的液体燃料和烷烃类可燃气体送至燃烧室(6)中，经燃烧后驱动燃气-蒸汽联合循环发电系统进行发电。
9.根据权利要求8所述的可全天连续运行的太阳能与生物质互补联合循环发电系统，其特征在于，在所述热解反应器(17)中生产的固体产物将返送至高温回转式太阳能气化反应器(3)中，待白天时段与固体碳氢燃料一起参与气化反应。
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