CN106560502B - 一种以太阳能和生物质驱动的冷热电三联产系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种以太阳能和生物质驱动的冷热电三联产系统，该系统包括生物质预热器、生物质粉碎机、生物质气化炉、旋风分离除尘器、第一换热器、第二换热器、冷凝器、水泵、槽式太阳能集热器、塔式定日镜场、燃气轮机、烟气热水型吸收式机组和第三换热器。本发明耦合太阳能和生物质两种可再生能源，通过系统集成和能量梯级利用，实现了两种能源的优势互补。该总能系统效率高达47.5%，对集成可再生能源的能源系统结构优化，减排温室气体具有十分重要作用。

Description

一种以太阳能和生物质驱动的冷热电三联产系统
技术领域
本发明涉及能源技术领域，特别是一种以太阳能和生物质驱动的冷热电三联产系统。
背景技术
众所周知，随着煤炭、石油等化石能源的消耗，带来了一系列的环境问题。同时化石能源燃烧释放出的二氧化碳量已远远超出了绿色植物光合作用的吸收能力，使得人类面临的生态环境压力越来越大。开发资源储量大、清洁无污染的可再生能源对于可持续发展有着重要意义。其中太阳能和生物质因其独特的优势而被认为是化石燃料潜在的替代能源，其高效清洁利用技术受到广泛关注。
生物质作为唯一可再生的碳资源，可转化为固态、液态和气态燃料及化工原料或产品。在世界能源消耗中，生物质能占总能耗的14％，在发展中国家则可达40％。与其它能源相比，分布广泛、环境影响较小，可持续利用。然而也存在资源分布分散、能量密度低等缺点，直接燃烧生物质量利用效率低，释放烟气粉尘造成环境污染。生物质气化技术将低能量密度的生物质转化为使用方便的合成气，使得燃料的化学能转移到合成气中，提高燃气利用效率。
由于太阳能具有储量无限性、存在普遍性、利用清洁性等优势，使之成为解决能源短缺、环境污染的有效途径之一。太阳能光热转化技术利用太阳辐射能转换成热能，有着长期的经验积累和应用前景。以水作为直接传热工质，提供气化反应所需要的汽化潜热，转化为蒸汽内能，通过蒸汽内能的形式参与和生物质在较高温度下进行的气化反应，间接转化为合成气化学能，实现品位间接提升。
冷热电三联产系统是集发电、供暖、制冷于一体的分布式能源系统，通过燃料燃烧的高品位热能用于发电，低品位热能用来供热、制冷或除湿，实现冷热电联产和能源的梯级利用。以太阳能和生物质驱动的冷热电三联产系统考虑太阳能经济性集热温度与生物质气化反应温度的特点，以及功、冷、湿并供实现能源的综合梯级利用，提高系统的性能。分布式生物质气化供能系统就近收集固体生物燃料，避免低密度原料长距离输送的能源消耗和费用，发挥产品多样性的优点，满足终端用户对气、冷、热、电等多种能源的需求，同时利用中低温太阳能集热量提供气化反应所需要的气化潜热，间接转化为合成气化学能，实现能量的品位提升。
目前对现有设计理念和实施方案的生物质联产系统的研究存在的主要问题在：1)生物质联产系统以生物质作为主要的原料来源，输入端能源缺乏多样性。2)生物质联产系统输出产品缺乏多样性，主要以热电产品为主，无法满足终端用户能源需求的多样性。3)通过生物质气化发电实现了对燃料化学能品位的提升，而如何高效利用生物质合成气和发电过程中的余热资源，实现热能的综合梯级利用也是需要解决的关键问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了最大限度的提高联产系统总能效率，实现可再生能源综合互补利用，满足不同用户的产品需求，提高余热资源综合梯级利用，本发明提出了一种以太阳能和生物质驱动的冷热电三联产系统。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明提供了一种以太阳能和生物质驱动的冷热电三联产系统，该系统包括生物质预热器、生物质粉碎机、生物质气化炉、旋风分离除尘器、第一换热器、第二换热器、冷凝器、水泵、槽式太阳能集热器、塔式定日镜场、燃气轮机、烟气热水型吸收式机组和第三换热器。
其中：生物质预热器，利用经第一换热器加热后的空气干燥生物质原料，降低生物质的含水量；生物质粉碎机，用于将生物质预热器干燥后的生物质原料破碎成粉状物料；生物质气化炉，用于生物质粉碎机出口的生物质和槽式太阳能集热器出口的水蒸汽参与气化反应，生成合成气，满足燃气轮机燃料需求；旋风分离除尘器，用于对生物质气化炉出口的合成气进行除尘净化处理，除去合成气中的灰分及炭颗粒等杂质；第一换热器，利用旋风分离除尘器出口的合成气的高温热能预热空气，满足干燥生物质需求；第二换热器，进一步利用第一换热器出口合成气的热能产生90℃热水，满足烟气热水型吸收式机组的热水需求；冷凝器，用于冷凝并除去第一换热器出口的合成气中的水分；水泵，用于对0.1MPa、25℃水进行加压处理，通入到槽式太阳能集热器中；槽式太阳能集热器，以水泵加压送入的水作为吸热工质，利用太阳热能加热水，以生产水蒸气，满足生物质气化炉中气化反应的需求；塔式定日镜场，用于聚焦太阳能为生物质气化炉提供水蒸气气化所需高温热源；燃气轮机，利用冷凝器出口经过净化处理的合成气做功发电，满足用户和维持机组正常运行的电需求；烟气热水型吸收式机组，采用溴化锂溶液，用于利用燃气轮机的烟气和第二换热器产生热水为余热制取冷冻水，以满足用户制冷需求；第三换热器，用于利用溴化锂吸收式机组出口的余热，加热进口侧生活热水，满足用户生活热水需求。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的以太阳能和生物质驱动的冷热电三联产系统，通过整合太阳能和生物质能两种可再生能源，提高气化效率，使得联产系统总能效率达47.5％。
2、本发明提供的以太阳能和生物质驱动的冷热电三联产系统，生物质作为一种资源丰富、洁净的可再生能源，在其转化利用过程中一定程度上实现二氧化碳零排放，从而减少温室气体排放；
3、本发明提供的以太阳能和生物质驱动的冷热电三联产系统，太阳能作为一种洁净的可再生能源，通过槽式太阳能集热器，以水为导热介质生成中温水蒸气作为气化反应气化剂，同时通过塔式定日镜场聚焦太阳能转化为高温热能，为生物质气化反应器中生物质和水蒸气气化反应提供热源，将太阳能转化为合成气化学能；
4、本发明提供的以太阳能和生物质驱动的冷热电三联产系统，通过将低能量密度的生物质转换为高品质的电能，同时不同品位的余热资源用于产生生活热水、供热、制冷，实现了不同品位余热资源的综合梯级利用；
5、本发明提供的以太阳能和生物质驱动的冷热电三联产系统，充分利用气化过程中合成气的余热资源，将合成气的高温余热资源进行回收，同时出去合成气中的冷凝水，不仅进一步净化处理合成气，还使得生物质气化过程中的余热资源得到充分合理利用；
6、本发明提供的以太阳能和生物质驱动的冷热电三联产系统，直接面向用户，解决生物质分散、能量密度低的问题，为电网末端或偏远且生物质资源丰富的地区提供能量，降低输送过程中的能耗，提高系统的总效率。
附图说明
图1是本发明提供的以太阳能和生物质驱动的冷热电三联产系统的示意图。
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。
如图1所示，是本发明提供的以太阳能和生物质驱动的冷热电三联产系统的示意图，该系统包括生物质预热器、生物质粉碎机、生物质气化炉、旋风分离除尘器、第一换热器、第二换热器、冷凝器、水泵、槽式太阳能集热器、塔式定日镜场、燃气轮机、烟气热水型吸收式机组和第三换热器。
生物质原料1在生物质预热器中经200℃的空气10预热，除去生物质原料中的外在水分，使得生物质原料水分含量降至10％左右。经过干燥处理的生物质原料2进入生物质粉碎机进行研磨，使生物质原料粒径在1-2mm范围内。经过干燥处理的生物质原料3进入生物质气化炉，与350℃的水蒸气13混合发生气化反应(气化压力为0.1MPa，气化温度为950℃)，塔式定日镜场吸收太阳能27为生物质气化炉提供气化反应所需热能28。含有固体颗粒物的高温合成气4首先进入旋风分离除尘器除去其中的灰分等固体颗粒物，然后进入第一换热器进行热回收，预热空气9至200℃的空气10，再通入第二换热器生产90℃的热水18用于为烟气热水型吸收式机组提供余热，最终温度降至25℃的合成气7经冷凝器分离出冷凝水。在第一换热器中经过高温合成气预热至200℃的空气10进入生物质预热器，用于干燥生物质。在太阳能集热过程中，25℃、0.1MPa的水11经水泵加压，通入槽式太阳能集热器中吸收中低温太阳热能，产生350℃的水蒸气13作为生物质气化反应的气化剂。
经过净化处理的合成气8通入燃气轮机与空气14混合燃烧发电，产生500-600℃左右的烟气15首先进入烟气热水型吸收式制冷机组，产生7℃冷冻水20；然后进入第三换热器换热，产生80℃的生活热水22，最后120℃左右的烟气17排放至大气。
本发明所提供的以太阳能和生物质驱动的冷热电三联产系统装置在具体实施例中可采用主要参数如表1所示。选取稻壳作为研究对象，以1400kg/h稻壳输入量进行计算，水蒸气输入量为560kg/h。同时选取广东南部地区太阳能辐照指标作为参考，年辐照时数2200-3000小时左右，年辐射总量4200-5800MJ/㎡，1050-1400kWh/㎡，标准光照下年平均日照时间3.8-4.45小时。
表1
表2
本发明中太阳能集热量为5535kW，占系统总能量的输入比例为55.2％，系统总能源效率为47.5％。通过联产系统性能分析，本发明系统多能源输入，多能源输出，集成不同可再生能源，降低对化石燃料的依赖，实现了可再生能源的综合利用。

Claims (6)

1.一种以太阳能和生物质驱动的冷热电三联产系统，其特征在于，该系统包括生物质预热器、生物质粉碎机、生物质气化炉、旋风分离除尘器、第一换热器、第二换热器、冷凝器、水泵、槽式太阳能集热器、塔式定日镜场、燃气轮机、烟气热水型吸收式机组和第三换热器，其中：
生物质预热器，利用经第一换热器加热后的空气干燥生物质原料，降低生物质的含水量；
生物质粉碎机，用于将生物质预热器干燥后的生物质原料破碎成粉状物料；
生物质气化炉，用于生物质粉碎机出口的生物质和槽式太阳能集热器出口的水蒸汽参与气化反应，生成合成气，满足燃气轮机燃料需求；
旋风分离除尘器，用于对生物质气化炉出口的合成气进行除尘净化处理，除去合成气中的灰分及炭颗粒；
第一换热器，利用旋风分离除尘器出口的合成气的高温热能预热空气，满足干燥生物质需求；
第二换热器，进一步利用第一换热器出口合成气的热能产生90℃热水，满足烟气热水型吸收式机组的热水需求；
冷凝器，用于冷凝并除去第二换热器出口的合成气中的水分；
水泵，用于对0.1MPa、25℃水进行加压处理，通入到槽式太阳能集热器中；
槽式太阳能集热器，以水泵加压送入的水作为吸热工质，利用太阳热能加热水，以生产水蒸气，满足生物质气化炉中气化反应的需求；
塔式定日镜场，用于聚焦太阳能为生物质气化炉提供水蒸气气化所需高温热源；
燃气轮机，利用冷凝器出口经过净化处理的合成气做功发电，满足用户和维持机组正常运行的电需求；
烟气热水型吸收式机组，采用溴化锂溶液，用于利用燃气轮机的烟气和第二换热器产生热水为余热制取冷冻水，以满足用户制冷需求；
第三换热器，用于利用溴化锂吸收式机组出口的余热，加热进口侧生活热水，满足用户生活热水需求。
2.根据权利要求1所述的以太阳能和生物质驱动的冷热电三联产系统，其特征在于，该冷热电三联产系统采用生物质和太阳能的可再生能源，减少化石燃料消耗带来的环境危害。
3.根据权利要求1所述的以太阳能和生物质驱动的冷热电三联产系统，其特征在于，所述塔式定日镜场吸收太阳能提供生物质气化炉气化所需高温热源。
4.根据权利要求1所述的以太阳能和生物质驱动的冷热电三联产系统，其特征在于，所述生物质气化炉中干燥后的生物质原料与槽式太阳能集热器出口的水蒸气一起参与气化反应，生成合成气。
5.根据权利要求1所述的以太阳能和生物质驱动的冷热电三联产系统，其特征在于，所述第二换热器中高温合成气用于产90℃热水，用于提供烟气热水型吸收式机组余热热源。
6.根据权利要求1所述的以太阳能和生物质驱动的冷热电三联产系统，其特征在于，所述生物质预热器利用预热过空气，对生物质原料进行预热，降低生物质含水量，提高气化反应效率。
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CN101994569A (zh) * 2010-09-25 2011-03-30 河北理工大学 生物质能与太阳能分布式能源综合利用系统

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Application publication date: 20170412

Assignee: Guangxi Guigang Shengyu Technology Co.,Ltd.

Assignor: DONGGUAN University OF TECHNOLOGY

Contract record no.: X2023990000095

Denomination of invention: A cogeneration system driven by solar energy and biomass

Granted publication date: 20190201

License type: Common License

Record date: 20230112