CN106560504A - 一种太阳能和生物质互补集成的冷热电三联产系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能和生物质互补集成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、鼓泡流化床气化炉、旋风分离除尘器、第一换热器、第二换热器、冷凝器、空分装置、水泵、槽式太阳能集热器、内燃机发电机组、单效热水型吸收式机组、第三换热器和溶液吸收式除湿机组。本发明集成生物质和太阳能两者可再生能源，通过不同能源的互补集成，该系统总能系统效率高达70.1%，对优化输入端能源机构，环境可持续发展具有重要意义。

Description

一种太阳能和生物质互补集成的冷热电三联产系统

技术领域

本发明涉及能源技术领域，特别是一种太阳能和生物质互补集成的冷热电三联产系统。

背景技术

能源问题是全世界乃至全人类共同关注的问题，不仅指向能源本身，而是和气候变化、环境保护联系在一起，关系着民生大计、经济发展和国家安全。随着煤炭、石油等化石能源的消耗，原本趋于平衡的能量循环被破坏，化石能源在燃烧释放能量的同时，大量的碳素释放，打破了生态平衡。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。随之带来的一系列臭氧层破坏、气候反常等现象，使得人来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。

太阳能具有储量无限性、存在普遍性、利用清洁性以及逐步提升的开发经济性等优势，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。

生物质资源十分丰富，种类繁多，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。可以通过生物化学或热化学的方式对生物质进行处理，其中，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。

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。太阳能和生物质互补集成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、除湿等多种能源的需求，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，能源输入缺乏多样化，没有真正意义实现多能源互补及适度、深度应用。2）生物质联产系统输出产品单一，主要以热电产品为主，冷热电、甚至除湿应用较少，无法同时满足终端用户多元化的能源需求。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，真正意义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，本发明提出了一种太阳能和生物质互补集成的冷热电三联产系统。

（二）技术方案。

为了达到上述目的，本发明提供了一种太阳能和生物质互补集成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、鼓泡流化床气化炉、旋风分离除尘器、第一换热器、第二换热器、冷凝器、空气分流器、空分装置、水泵、槽式太阳能集热器、内燃机发电机组、单效热水型吸收式机组、第三换热器和溶液吸收式除湿机组。其中：生物质预热器，用于干燥生物质，降低生物质的含水量；生物质粉碎机，用于将生物质原料（农林废弃物）破碎成粉状物料；鼓泡流化床气化炉，用于生物质和空气、水蒸气参与气化反应，生成合成气，满足内燃机发电机组燃料需求；旋风分离除尘器，用于对鼓泡流化床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，利用合成气的高温热能预热空气和氧气，以生产热量，空气用于满足干燥生物质需求，氧气用于参与气化反应；第二换热器，利用合成气的高温热能加热一部分进口侧生活热水，满足用户生活热水需求；冷凝器，用于除去合成气中冷凝出来的水分；空分装置，通过将空气中氮气与氧气分离，作为生物质气化的氧化剂；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，以水作为吸热工质，利用太阳热能加热水，以生产水蒸气，满足鼓泡流化床气化炉中气化反应的需求；内燃机发电机组，利用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；第三换热器，用于利用内燃机发电机组的烟气余热制取98℃的热水，为单效热水型吸收式机组提供余热；单效热水型吸收式机组，采用溴化锂溶液，用于利用第三换热器的热水制取冷冻水，以满足用户制冷需求；溶液吸收式除湿机组，用于利用内燃机发电机组的缸套水余热，对需求建筑进行除湿，使得热能合理利用。

（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、本发明提供的太阳能和生物质互补集成的冷热电三联产系统，通过将太阳能和生物质两种可再生能源利用技术结合，发挥各自的优势，同时实现不同品位热能的对口合理利用，使得系统总能源效率达79.5%。

2、本发明提供的太阳能和生物质互补集成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，其利用在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、本发明提供的太阳能和生物质互补集成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，通过水蒸气参与生物质气化反应，将太阳能中低温热能间接转化为合成气化学能。

4、本发明提供的太阳能和生物质互补集成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，进一步净化处理合成气。

5、本发明提供的太阳能和生物质互补集成的冷热电三联产系统，系统产品输出多样性：生活热水、供热、制冷、除湿，满足不同功能用户对多种能源的需求。

6、本发明提供的太阳能和生物质互补集成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是本发明提供的太阳能和生物质互补集成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，是本发明提供的太阳能和生物质互补集成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、鼓泡流化床气化炉、旋风分离除尘器、第一换热器、第二换热器、冷凝器、空分装置、水泵、槽式太阳能集热器、内燃机发电机组、单效热水型吸收式机组、第三换热器和溶液吸收式除湿机组。

生物质原料（1）在生物质预热器中经200℃的空气（9）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）进入流化床气化炉，与200℃的氧气（10）和350℃的水蒸气（15）混合发生气化反应（气化压力为0.1MPa，气化温度为890℃），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（31），然后进入第一换热器进行热回收，预热经过空分装置分离出的氧气（9）和空气（11）至200℃，再通过第二换热器换热产生80℃的生活热水（29），最终温度降至25℃的合成气（8）经冷凝器分离出冷凝水（32）。在第一换热器中经过高温合成气预热至200℃的氧气（10）通入鼓泡流化床气化炉作为气化剂参与气化反应；200℃的空气（12）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（13）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（15）作为生物质气化反应的气化剂。

经过净化处理的合成气（8）通入内燃机发电机组与空气（16）混合燃烧发电，产生400-500℃左右的烟气（17）进入第三换热器产生98℃左右的热水（18），用于为单效热水型吸收式机组提供余热，产生7℃冷冻水（24）；然后120℃左右的烟气（33）排放至大气。与此同时，内燃机发电机组产生的低温缸套水（20）用于为溶液吸收式除湿机组提供低温余热，产生符合除湿要求的空气（22），为用户提供除湿负荷。

本发明所提供的太阳能和生物质互补集成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1350kg/h稻壳输入量进行计算，气化氧气量为560kg/h，水蒸气输入量为556kg/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4200-5800 MJ/㎡，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475kW，占系统总能量的输入比例为8.95%，系统总能源效率为70.1%。从系统性能分析中可知，本发明系统实现多输入多输出，通过不同可再生能源互补集成，降低了化石燃料排放的污染物，实现了可再生能源的综合利用。

Claims (6)

1.一种太阳能和生物质互补集成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、鼓泡流化床气化炉、旋风分离除尘器、第一换热器、第二换热器、冷凝器、空气分流器、空分装置、水泵、槽式太阳能集热器、内燃机发电机组、单效热水型吸收式机组、第三换热器和溶液吸收式除湿机组，其中：

生物质预热器，用于干燥生物质，降低生物质的含水量；

生物质粉碎机，用于将生物质原料（农林废弃物）破碎成粉状物料；

鼓泡流化床气化炉，用于生物质和空气、水蒸气参与气化反应，生成合成气，满足内燃机发电机组燃料需求；

旋风分离除尘器，用于对鼓泡流化床气化炉出口的合成气进行除尘净化处理，除去燃气中的灰分及炭颗粒；

第一换热器，利用合成气的高温热能预热空气和氧气，以生产热量，空气用于满足干燥生物质需求，氧气用于参与气化反应；

第二换热器，利用合成气的高温热能加热一部分进口侧生活热水，满足用户生活热水需求；

冷凝器，用于除去合成气中冷凝出来的水分；

空分装置，通过将空气中氮气与氧气分离，作为生物质气化的氧化剂；

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，以水作为吸热工质，利用太阳热能加热水，以生产水蒸气，满足鼓泡流化床气化炉中气化反应的需求；

内燃机发电机组，利用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；

第三换热器，用于利用内燃机发电机组的烟气余热制取98℃的热水，为单效热水型吸收式机组提供余热；

单效热水型吸收式机组，采用溴化锂溶液，用于利用第三换热器的热水制取冷冻水，以满足用户制冷需求；

溶液吸收式除湿机组，用于利用内燃机发电机组的缸套水余热，对需求建筑进行除湿，合理利用低温余热。

2.根据权利要求1所述的太阳能和生物质互补集成的冷热电三联产系统，其特征在于，该冷热电三联产系统输入原料为生物质和太阳能，属于可再生能源互补。

3.根据权利要求1所述的太阳能和生物质互补集成的冷热电三联产系统，其特征在于，所述第一换热器用于加热氧气，满足鼓泡流化床气化炉反应所需气化剂需求，同时用于加热空气，在生物质预热器中预热生物质。

4.根据权利要求1所述的太阳能和生物质互补集成的冷热电三联产系统，其特征在于，所述第二换热器提供生活热水，满足用户生活热水需求。

5.根据权利要求3所述的太阳能和生物质互补集成的冷热电三联产系统，其特征在于，所述生物质预热器利用加热后的空气，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。

6.根据权利要求3所述的太阳能和生物质互补集成的冷热电三联产系统，其特征在于，所述鼓泡流化床气化炉中干燥后的生物质原料与加热后的氧气、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。