CN105925329A - 一种分布式供能系统中实现co2零排放的方法及其系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种分布式供能系统中实现CO2零排放的方法及其系统，本发明利用化学链燃烧系统零能耗分离CO2的特点和甲烷通过与CO2发生重整反应制取合成气燃料的特点，将二者融汇耦合。耦合后系统通过甲烷重整子系统产出合成气，通过动力子系统产出电能，通过余热利用子系统产出冷冻水用于空调系统制冷和生活热水的同时，实现了CO2分离与利用一体化，实现了CO2的零排放。本发明所述系统配置合理，能够充分发挥各个子系统的特点，实现化学成分对口转化和能量的梯级利用原则，不仅提高了系统的能源利用率，还起到了减排CO2的重要作用。
Description
技术领域
本发明涉及一种供能系统对排放进行处理的技术，特别是在多能源互补的分布式多联产系统中进行CO2零排放的方法。
背景技术
化学链燃烧技术是将传统燃料燃烧系统中的燃烧器分为两个独立的化学反应器，并通过合适的载氧体在两个反应器间通过化学反应传递能量并循环使用，使空气与燃料实现不直接接触的″燃烧″。因此，化学链燃烧技术解决了在传统燃烧方式中回收CO2高能耗的难题，低能耗地实现了CO2的分离。在化学链燃烧这一概念被提出之后，由于其具有对燃料化学能与物理能的充分利用和低能耗分离CO2的特点，迅速引起全球相关研究学者对化学链燃烧的深入和广泛研究。其中，涉及能源动力系统方面主要是研究化学链燃烧技术与温室气体控制一体化的能源环境系统集成，扩展化学链燃烧的应用范围。
利用甲烷-二氧化碳重整技术(CH4-CO2Reforming)制取合成气的过程是甲烷、二氧化碳利用的一条有效途径。由于所述过程打破了对甲烷(CH4)以燃烧方式的传统利用，而着眼于对其化学能的利用，因此不仅拓展了CH4的利用方式，更有利于减少温室气体的排放，被认为是最有研究价值的天然气转化途径之一。
多能源互补和多功能联产是可持续能源系统发展的两大特征和趋势。特别是将太阳能与化石燃料进行热化学互补，也就是借助于热化学反应过程与转换方法将所聚集的太阳能与化石燃料互补利用，可以将太阳能从低品位的热能转换成高品位的燃料化学能，实现太阳能的能量品位提升与高效利用。在多联产新概念基础上进行系统集成，形成新的化工-动力多联产系统，即将热工过程与化工过程有机结合在一起，使系统中化学成分转化和能量利用形式更为合理。多功能联产系统通常由热工、化工以及污染物控制等过程组成。因此，将多能源互补与多功能联产进行优化整合，不仅可以提高能源利用率，也可以开拓能源利用新渠道，将实施能源多元化战略付诸实际，是解决能源利用与环境协调相容难题的有效途径之一。
发明内容
本发明的目的在于克服上述已有技术之缺陷提供一种分布式供能系统中实现CO2零排放的方法及其系统，所述方法利用化学链燃烧低能耗分离CO2的特点和甲烷与CO2重整制取合成气技术，以太阳能驱动CH4-CO2重整反应和化学链燃烧反应，实现CO2分离与利用一体化，从而完成CO2的零排放。
本发明还提供了实现CO2零排放的系统。
本发明所述问题是以下述技术方案解决的。
一种分布式供能系统中实现CO2零排放的方法，所述分布式供能系统包括燃料反应侧、空气反应侧、化学链载氧体循环三部分；
所述燃料反应侧的操作如下：
甲烷与CO2在重整化学反应器中发生重整反应，如式(一)所示，
CO2+CH4→2CO+2H2 (一)
所述反应为强吸热反应，反应所需热量由太阳能提供，反应生成的合成气中，一氧化碳(CO)与氢气(H2)的摩尔比为1：1；重整化学反应器由管路依次连通热管式气液换热器和分流器，将合成气冷却、分流；所述燃料侧压气机将分流后的合成气压缩后，其出口由管路连接至化学链还原反应器、化学链还原反应旋风分离器；压缩后的合成气与硫酸钙(CaSO4)固体颗粒在化学链还原反应器中发生还原反应，如式(二)和(三)所示，
1/4CaSO4+CO→1/4CaS+CO2 (二)
1/4CaSO4+H2→1/4CaS+H2O (三)
反应后生成的气固混合物经化学链还原反应旋风分离器分离成气体流(CO2和H2O混合气体)和固体流(硫化钙(CaS))；气体流经过气固换热器再加热后，进入到燃料侧燃气透平做功；所述燃料侧燃气透平出口管路依次连通烟气吸收式制冷机组和热水换热器进行换热，分别制取冷冻水和生活热水；热水换热器出口排放的烟气通入到CO2分离器中，将水冷凝后，分离出的CO2气体被引入到重整化学反应器中，作为甲烷重整化学反应的反应物，分流器的分流比例为1:1。
上述实现CO2零排放的方法，所述空气反应侧操作如下：
所述空气侧压气机将空气压缩后，其出口由管路连接至化学链氧化反应器，压缩后的空气与CaS固体颗粒在化学链氧化反应器中发生氧化反应，如式(四)所示：
CaS+2O2→CaSO4 (四)
所述反应为强放热反应，放出的反应热会加热生成的固体CaSO4和未反应的空气；反应后生成的气固混合物经化学链氧化反应旋风分离器，分离成高温气体流和高温固体流；高温气体流进入到空气侧燃气透平做功；所述空气侧燃气透平出口管路依次连通烟气吸收式制冷机组和热水换热器进行换热，分别制取冷冻水和生活热水；烟气经过余热利用后，被排放到大气中。
上述实现CO2零排放的方法，所述载氧体循环操作如下：
固体颗粒CaSO4/CaS作为载氧体在化学链还原反应器和化学链氧化反应器之间通过循环流化床交替往复使用，为″燃烧″提供氧；所述CaS为化学链还原反应器生成物中的固体流，CaS固体流沿管路由化学链还原反应旋风分离器出口至化学链氧化反应器入口，在化学链氧化反应器中发生化学链氧化反应；所述CaSO4为化学链氧化反应器生成物中的高温固体流，CaSO4高温固体流沿管路由化学链氧化反应旋风分离器出口至气固换热器入口，在气固换热器中释放显热给化学链还原反应器生成的烟气气体流后，沿管路送至化学链还原反应器入口，在化学链还原反应器中发生还原反应。
一种实现上述CO2零排放的系统，包括甲烷重整子系统、化学链燃烧子系统、动力子系统、余热利用子系统和CO2分离系统；
上述实现CO2零排放的系统，所述甲烷重整子系统包括重整化学反应器、热管式气液换热器和分流器；所述重整化学反应器由管路连通热管式气液换热器和分流器。
上述实现CO2零排放的系统，所述化学链燃烧子系统包括燃料侧压气机、化学链还原反应器、化学链还原反应旋风分离器、空气侧压气机、化学链氧化反应器、化学链氧化反应旋风分离器和气固换热器；所述燃料侧压气机通过管道连通化学链还原反应器、化学链还原反应旋风分离器、化学链氧化反应器、化学链氧化反应旋风分离器和气固换热器；所述气固换热器通过管道与化学链还原反应器连通；所述化学链氧化反应旋风分离器通过管道与气固换热器连通；所述空气侧压气机通过管道连通化学链氧化反应器。
上述实现CO2零排放的系统，所述动力子系统包括燃料侧燃气透平、空气侧燃气透平；所述燃料侧燃气透平通过管道与气固换热器连通；所述空气侧燃气透平通过管道与化学链氧化反应旋风分离器连通。
上述实现CO2零排放的系统，所述余热利用子系统包括烟气吸收式制冷机组和热水换热器；所述烟气吸收式制冷机组通过管道分别与燃料侧燃气透平、空气侧燃气透平、热水换热器连通。
上述实现CO2零排放的系统，所述CO2分离系统包括CO2分离器；所述CO2分离器通过管道分别与热水换热器、重整化学反应器连通。
本发明利用化学链燃烧系统低能耗分离CO2的特点和甲烷通过与CO2发生重整反应制取合成气燃料的特点，将二者融汇耦合。耦合后系统通过甲烷重整子系统产出合成气，通过动力子系统产出电能，通过余热利用子系统产出冷冻水用于空调系统制冷和生活热水的同时，实现了CO2分离与利用一体化，即实现了多能源互补的分布式多功能联产系统CO2零排放。
本发明系统配置合理，能够充分发挥各个子系统的特点，实现化学成分对口转化和能量的梯级利用原则，不仅提高了系统的能源利用率，还起到了减排CO2的重要作用。
本发明主要用于小型工业、商业及民用的分布式供能系统中，优点是：
1、直接利用太阳能作为驱动化学反应的能量，有利于资源的循环利用，实现可持续发展。
2、本发明将燃料化学链燃烧分离出高纯度CO2与甲烷重整利用CO2进行有机整合，实现能源动力系统中CO2分离与利用技术一体化。
3、通过系统的合理配置，本发明实现了物理能与化学能的综合梯级利用，形成了输出产品有合成气、电、冷、热的多功能联产系统。
附图说明
图1本发明实现CO2零排放的系统原理图。
图中各标号表示为：1、重整化学反应器；2、热管式气液换热器；3、分流器；4、燃料侧压气机；5、化学链还原反应器；6、化学链还原反应旋风分离器；7、气固换热器；8、燃料侧燃气透平；9、烟气型吸收式制冷机组；10、热水换热器；11、CO2分离器；12、空气侧压气机；13、化学链氧化反应器；14、化学链氧化反应旋风分离器；15、空气侧燃气透平。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明包括实现CO2零排放的方法及其系统，它包括燃料反应侧、空气反应侧和化学链载氧体循环三部分。其中，在燃料反应侧，重整化学反应器1有CH4输入口、CO2输入口、太阳能熔盐换热输入/出口和合成气输出口；CH4与CO2输入到重整化学反应器1并混合，吸收太阳能熔盐的高温热后，达到反应温度，在NiO作为催化剂的条件下，发生重整反应(如式(一)所示)；反应生成的合成气(CO:H2摩尔比例为1:1)由重整化学反应器1出口沿管路输送至热管式气液换热器2热流入口，利用冷却水将合成气冷却至常温；冷却后的合成气在热管式气液换热器2热流出口沿管路被送至分流器3入口，分流器3将合成气分流成两部分，一部分作为系统产品输出，另一部分作为化学链燃烧子系统燃料；由分流器3分流出用于化学链燃烧子系统中的合成气，沿管路被引入燃料侧压气机4进行压缩；压缩后的合成气沿管路由燃料侧压气机4出口送至化学链还原反应器5入口处，与化学链还原反应器5另一入口进入的载氧体(固体CaSO4颗粒)进行混合，并与高温太阳能熔盐进行换热，达到反应温度后，发生还原反应(如式(二)、式(三)所示)；反应后产生的气固混合物(包含气态H2O、CO2和固体CaS)在化学链还原反应器5出口沿管路送至化学链还原反应旋风分离器6入口，在化学链还原反应旋风分离器6的作用下，将混合物中气体和固体成份分离开；其中烟气(包含气态H2O、CO2)沿气体出口经管路输送至气固换热器7气体入口处，与气固换热器7固体入口进入的高温CaSO4固体颗粒进行换热；经过再热后的高温烟气在气固换热器7出口处由管路被送至燃料侧燃气透平8入口，并进入燃料侧燃气透平8做功，输出电能；燃料侧燃气透平8出口处的烟气沿管路被送至烟气型吸收式制冷机组9的烟气入口处，驱动烟气型吸收式制冷机组9生产冷冻水(供/回水温度为：9/14℃)，用于空调制冷；烟气型吸收式制冷机组9烟气出口处由管路连接至热水换热器10烟气入口处，烟气进入热水换热器10后，与常温水换热，加热常温水至生活热水温度(65℃)；烟气经余热利用后，沿管路由烟气型吸收式制冷机组9烟气出口送至CO2分离器11入口处，进入CO2分离器11后与冷却水换热，将烟气中的气态H2O冷凝，得到高纯度的CO2，其中，气态CO2沿气体出口经管路与重整化学反应器1的CO2输入口相连，使系统达到CO2分离与利用一体化的目的。为实现系统CO2零排放的目标，需要将燃料在化学链燃烧系统中燃料反应后生成的CO2由甲烷重整反应完全消耗，因此，分流器的分流比例应为1:1。
其次，在空气反应侧，空气被引入空气侧压气机12中进行压缩；压缩后的空气在空气侧压气机12排气口沿管路被送至化学链氧化反应器13气体入口处，与化学链氧化反应器13另一入口进入的载氧体(固体CaS颗粒)进行混合，由太阳能熔盐加热至反应温度后发生氧化反应(如式(四)所示)；由于氧化反应是强放热反应，反应后产生的高温气固混合物(包含未反应的空气和固体CaSO4)在化学链氧化反应器13出口沿管路送至化学链氧化反应旋风分离器14入口，在旋风分离器的作用下，将混合物中气体和固体成份分离开；其中高温烟气在化学链氧化反应旋风分离器14气体出口处由管路被送至空气侧燃气透平15入口，并进入空气侧燃气透平15做功，输出电能；空气侧燃气透平15出口处的烟气沿管路被送至烟气型吸收式制冷机组9的烟气入口处，驱动烟气型吸收式制冷机组9生产冷冻水(供/回水温度为：9/14℃)，用于空调制冷；烟气型吸收式制冷机组9烟气出口处由管路连接至热水换热器10烟气入口处，烟气进入热水换热器10后，与常温水换热，加热常温水至生活热水温度(65℃)；烟气经余热利用，实现梯级利用后，可直接排放至大气中，而排放至大气中的烟气成份为缺氧空气。
再次，在载氧体循环侧，系统选择CaSO4/CaS作为化学链燃烧子系统载氧体，在化学链还原反应器5和化学链氧化反应器13之间通过循环流化床交替往复使用，为″燃烧″提供氧。由化学链还原反应旋风分离器6固体出口处的固体CaS颗粒沿循环流化床输送至化学链氧化反应器13固体入口处，参与化学链氧化反应；由化学链氧化反应旋风分离器14固体出口处的高温固体CaSO4颗粒沿循环流化床输送至气固换热器7固体入口处，进入气固换热器7后释放显热给由气固换热器7气体入口进入的烟气，而后，固体CaSO4颗粒由气固换热器7固体出口沿循环流化床被送至化学链还原反应化学反应器5固体入口处，参与化学链还原反应。由于有化学链还原反应旋风分离器6、化学链氧化反应旋风分离器14的作用，可保证载氧体CaSO4/CaS颗粒在系统中不泄露，进行闭式往复循环。
本发明所述的实现CO2零排放的系统，包括甲烷重整子系统、化学链燃烧子系统、动力子系统、余热利用子系统和CO2分离系统。
其中，所述甲烷重整子系统包括重整化学反应器1、热管式气液换热器2和分流器3；所述重整化学反应器1由管路连通热管式气液换热器2和分流器3。
所述化学链燃烧子系统包括燃料侧压气机4、化学链还原反应器5、化学链还原反应旋风分离器6、空气侧压气机12、化学链氧化反应器13、化学链氧化反应旋风分离器14和气固换热器7；所述燃料侧压气机4通过管道连通化学链还原反应器5、化学链还原反应旋风分离器6、化学链氧化反应器13、化学链氧化反应旋风分离器14和气固换热器7；所述气固换热器7通过管道与化学链还原反应器5连通；所述化学链氧化反应旋风分离器14通过管道与气固换热器7连通；所述空气侧压气机12通过管道连通化学链氧化反应器13。
所述动力子系统包括燃料侧燃气透平8、空气侧燃气透平15；所述燃料侧燃气透平8通过管道与气固换热器7连通；所述空气侧燃气透平15通过管道与化学链氧化反应旋风分离器14连通。
所述余热利用子系统包括烟气吸收式制冷机组9和热水换热器10；所述烟气吸收式制冷机组9通过管道分别与燃料侧燃气透平8、空气侧燃气透平15、热水换热器10连通。
所述CO2分离系统包括CO2分离器11；所述CO2分离器11通过管道分别与热水换热器10、甲烷重整化学反应器1连通。
以上仅是本发明的优选实施方式，并不用以限制本发明的其他实施方式，对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明核心技术的前提下，还可以做出各种等同的改进和替换，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种分布式供能系统中实现CO2零排放的方法，其特征在于，所述分布式供能系统包括燃料反应侧、空气反应侧和化学链载氧体循环三部分；
所述燃料反应侧的操作如下：
甲烷(CH4)与CO2在重整化学反应器(1)中发生重整反应，如式(一)所示，
CO2+CH4→2CO+2H2 (一)
所述反应为强吸热反应，反应所需热量由太阳能提供，反应生成的合成气中，一氧化碳(CO)与氢气(H2)的摩尔比为1:1；所述重整化学反应器(1)由管路依次连通热管式气液换热器(2)和分流器(3)，将合成气冷却、分流；所述燃料侧压气机(4)将分流后的合成气压缩后，其出口由管路连接至化学链还原反应器(5)、化学链还原反应旋风分离器(6)；压缩后的合成气与硫酸钙(CaSO4)固体颗粒在化学链还原反应器(5)中发生还原反应，如式(二)和(三)所示，
1/4CaSO4+CO→1/4CaS+CO2 (二)
1/4CaSO4+H2→1/4CaS+H2O (三)
反应后生成的气固混合物经化学链还原反应旋风分离器(6)分离成气体流(CO2和H2O混合气体)和固体流(硫化钙(CaS))；气体流经过气固换热器(7)再加热后，进入到燃料侧燃气透平(8)做功；所述燃料侧燃气透平(8)出口管路依次连通烟气吸收式制冷机组(9)和热水换热器(10)进行换热，分别制取冷冻水和生活热水；热水换热器(10)出口排放的烟气通入到CO2分离器(11)中，将水冷凝后，分离出的CO2气体被引入到重整化学反应器(1)中，作为甲烷重整化学反应的反应物，分流器(3)的分流比例为1:1。
2.根据权利要求1所述的实现CO2零排放的方法，其特征在于，所述空气反应侧操作如下：
所述空气侧压气机(12)将空气压缩后，其出口由管路连接至化学链氧化反应器(13)，压缩后的空气与CaS固体颗粒在化学链氧化反应器(13)中发生氧化反应，如式(四)所示：
CaS+2O2→CaSO4 (四)
所述反应为强放热反应，放出的反应热会加热生成的固体CaSO4和未反应的空气；反应后生成的气固混合物经化学链氧化反应旋风分离器(14)，分离成高温气体流和高温固体流；高温气体流进入到空气侧燃气透平(15)做功；所述空气侧燃气透平(15)出口管路依次连通烟气吸收式制冷机组(9)和热水换热器(10)进行换热，分别制取冷冻水和生活热水；烟气经过余热利用后，被排放到大气中。
3.根据权利要求2所述的实现CO2零排放的方法，其特征在于，所述载氧体循环操作如下：
固体颗粒CaSO4/CaS作为载氧体在化学链还原反应器(5)和化学链氧化反应器(13)之间通过循环流化床交替往复使用，为“燃烧”提供氧；所述CaS为化学链还原反应器(5)生成物中的固体流，CaS固体流沿管路由化学链还原反应旋风分离器(6)出口至化学链氧化反应器(13)入口，在化学链氧化反应器(13)中发生化学链氧化反应；所述CaSO4为化学链氧化反应器(13)生成物中的高温固体流，CaSO4高温固体流沿管路由化学链氧化反应旋风分离器(14)出口至气固换热器(7)入口，在气固换热器(7)中释放显热给化学链还原反应器(5)生成的烟气气体流后，沿管路送至化学链还原反应器(5)入口，在化学链还原反应器(5)中发生还原反应。
4.一种如权利要求1-3任一项权利所述实现CO2零排放的系统，其特征在于，所述系统为分布式多功能联产系统，包括甲烷重整子系统、化学链燃烧子系统、动力子系统、余热利用子系统和CO2分离系统；
所述甲烷重整子系统包括重整化学反应器(1)、热管式气液换热器(2)和分流器(3)；所述重整化学反应器(1)由管路连通热管式气液换热器(2)和分流器(3)。
5.根据权利要求4所述的实现CO2零排放的系统，其特征在于，所述化学链燃烧子系统包括燃料侧压气机(4)、化学链还原反应器(5)、化学链还原反应旋风分离器(6)、空气侧压气机(12)、化学链氧化反应器(13)、化学链氧化反应旋风分离器(14)和气固换热器(7)；所述燃料侧压气机(4)通过管道连通化学链还原反应器(5)、化学链还原反应旋风分离器(6)、化学链氧化反应器(13)、化学链氧化反应旋风分离器(14)和气固换热器(7)；所述气固换热器(7)通过管道与化学链还原反应器(5)连通；所述化学链氧化反应旋风分离器(14)通过管道与气固换热器(7)连通；所述空气侧压气机(12)通过管道连通化学链氧化反应器(13)。
6.根据权利要求5所述的实现CO2零排放的系统，其特征在于，所述动力子系统包括燃料侧燃气透平(8)、空气侧燃气透平(15)；所述燃料侧燃气透平(8)通过管道与气固换热器(7)连通；所述空气侧燃气透平(15)通过管道与化学链氧化反应旋风分离器(14)连通。
7.根据权利要求6所述的实现CO2零排放的系统，其特征在于，所述余热利用子系统包括烟气吸收式制冷机组(9)和热水换热器(10)；所述烟气吸收式制冷机组(9)通过管道分别与燃料侧燃气透平(8)、空气侧燃气透平(15)、热水换热器(10)连通。
8.根据权利要求7所述的实现CO2零排放的系统，其特征在于，所述CO2分离系统包括CO2分离器(11)；所述CO2分离器(11)通过管道分别与热水换热器(10)、重整化学反应器(1)连通。
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