CN106560664B - 一种基于生物质气化和太阳能热利用的冷热电联产系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于生物质气化和太阳能热利用的冷热电联产系统，该系统包括生物质带式干燥机、生物质粉碎机、固定床气化炉、电除尘器、第一换热器、冷凝器、空气分流器、水泵、槽式太阳能集热器、燃气轮机、蒸汽型吸收式机组和第二换热器。本发明综合利用了生物质和太阳能两种可再生能源，实现了两种能源的优势互补，同时对联产系统余热资源梯级利用，实现能量的合理利用与分配。该系统总能效率高达65.9%，对优化能源结构，保护环境，降低污染物排放，实现能源可持续发展具有十分重要作用。
Description
技术领域
本发明涉及能源技术领域，特别是一种基于生物质气化和太阳能热利用的冷热电联产系统。
背景技术
能源作为人类活动的物质基础，一直受到广泛关注。从某种意义上来说，人类社会发展离不开能源。随着能源消费需求不断增加，资源约束加剧，可持续发展面临挑战。随着煤炭、石油等化石能源的消耗，化石能源在燃烧释放能量的同时，所产生的环境影响日益受到关注，对大气层的污染及全球环境的影响成为各国关注的对象。因此，开发可再生能源对于应对化石能源的污染问题具有重要意义。而其中主要有太阳能和生物质能，由于其储量丰富，清洁无污染而受到广泛关注。
据文献资料记载，地球大气层接收到的太阳辐射功率约为1.73×1017kW,其中23％的太阳辐射能达到地球表面。其具有的储量巨大、存在普遍性、无污染性等优势，使之成为解决能源和环境问题的有效措施之一。其中，通过太阳能热利用转化实现能量的梯级利用，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，通过合成气储存太阳能，实现能量品位的间接提升。
生物质与其它能源相比，分布广泛、低硫燃料，价格便宜，是仅次于煤炭，石油和天然气的重要能源。作为人类一直赖以生存的重要能源，直接燃烧是至今都被普遍使用的方法，获得光合作用储存在生物质内的能量。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便于运输，实用方便的合成气，使得生物质的化学能转移到合成气中，从而提高燃气利用效率。
作为集发电、供暖、制冷于一体的冷热电联产系统，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。耦合太阳能和生物质的冷热电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、生活热水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，可再生能源利用单一，没有真正意义实现多能源综合互补及深度应用。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，冷热电应用较少，能源产品输出单一。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，本发明提出了一种基于生物质气化和太阳能热利用的冷热电联产系统。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明提供了一种基于生物质气化和太阳能热利用的冷热电联产系统，，该系统包括生物质带式干燥机、生物质粉碎机、固定床气化炉、电除尘器、第一换热器、冷凝器、空气分流器、水泵、槽式太阳能集热器、燃气轮机、蒸汽型吸收式机组和第二换热器。
其中：生物质带式干燥机，用于干燥生物质，降低生物质的含水量；生物质粉碎机，用于将生物质带式干燥机出口的生物质原料破碎成粉状物料；固定床气化炉，用于生物质粉碎机出口的生物质和空气分流器分流的一部分空气、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，满足燃气轮机发电机组燃料需求；电除尘器，用于对固定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，利用电除尘器出口的合成气的高温热能预热空气，满足干燥生物质和气化反应需求，同时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，用于除去第一换热器出口的合成气中冷凝出来的水分；空气分流器，用于利用预热的空气，一方面通入生物质带式干燥机干燥生物质，一方面通入固定床气化炉满足气化反应的需求；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，以水泵出口的水作为吸热工质，利用太阳热能加热水，以生产水蒸汽，满足固定床气化炉中气化反应的需求；燃气轮机，利用泠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；第二换热器，用于利用燃气轮机出口烟气的余热，产生饱和蒸汽；蒸汽型吸收式机组，利用第二换热器产生的饱和蒸汽制取冷冻水，以满足用户制冷需求。
(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、本发明提供的基于生物质气化和太阳能热利用的冷热电联产系统，通过将太阳能和生物质两种可再生能源技术的综合利用，充分利用中低温太阳能热能，提高生物质气化过程效率，使得冷燃气效率达61.3％，同时实现了不同品位余热资源的综合梯级利用，使得系统总能源效率达65.9％。
2、本发明提供的基于生物质气化和太阳能热利用的冷热电联产系统，生物质作为一种资源丰富、洁净的可再生能源，在进一步转化利用过程中将生长过程中吸收的二氧化碳重新释放到大气中，其利用在一定程度上可实现二氧化碳零排放，从而减少温室气体排放，降低了对气候的影响；
3、本发明提供的基于生物质气化和太阳能热利用的冷热电联产系统，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，以水为热储存介质，吸收太阳能生成中温水蒸气，太阳能光热转换技术为气化反应提供一部分蒸汽的气化潜热，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，实现品位间接提升；
4、本发明提供的基于生物质气化和太阳能热利用的冷热电联产系统，充分利用气化过程中合成气的余热资源，不仅进一步净化处理合成气，还将合成气的高温余热资源进行回收；
5、本发明提供的基于生物质气化和太阳能热利用的冷热电联产系统，系统产品输出多样性：生活热水、供热、制冷，满足不同功能用户对多种能源的需求；
6、本发明提供的基于生物质气化和太阳能热利用的冷热电联产系统，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是本发明提供的基于生物质气化和太阳能热利用的冷热电联产系统的示意图。
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，是本发明提供的基于生物质气化和太阳能热利用的冷热电联产系统的示意图，该系统包括生物质带式干燥机、生物质粉碎机、固定床气化炉、电除尘器、第一换热器、冷凝器、空气分流器、水泵、槽式太阳能集热器、燃气轮机、蒸汽型吸收式机组和第二换热器。
生物质原料(1)在生物质干燥机中经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)进入生物质固定床气化炉，与200℃的空气(10)和400℃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900℃)，含有固体颗粒物的高温合成气(4)首先进入电除尘器除去其中的灰分等固体颗粒物(30)，再进入第一换热器进行热回收，预热空气(7)至200℃并生产80℃的生活热水(23)，最终温度降至25℃的合成气(6)经冷凝器分离出冷凝水(26)。在第一换热器中经过高温合成气预热至200℃的空气(8)经过空气分流器分流，分别用于干燥生物质并参与气化反应作为气化剂。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400℃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(14)通入燃气轮机与空气(15)混合燃烧发电，产生500-600℃左右的烟气(16)进入第二换热器，产生0.8MPa的饱和蒸汽(18)；然后烟气排入大气中；第二换热器产生的饱和蒸汽进入蒸汽型吸收式机组，产生7℃冷冻水(20)，为用户提供冷量。
本发明所提供的基于生物质气化和太阳能热利用的冷热电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1000kg/h稻壳输入量进行计算，气化空气量为1819kg/h，水蒸气输入量为400kg/h。同时选取湖南地区太阳能辐照指标作为参考，年辐照时数1400-2200小时左右，年辐射总量4190-5016MJ/㎡，标准光照下年平均日照时间3.1-3.8小时。
表1
表2
本发明中太阳能集热量为452kW，占系统总能量的输入比例为11.08％，生物质气化过程中冷燃气效率达61.3％，系统总能源效率为65.9％。从设计分析中得知，本发明系统实现冷、热、电、除湿的多联产，满足不同功能用户的需求，同时集成多种可再生能源，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)
1.一种基于生物质气化和太阳能热利用的冷热电联产系统，其特征在于，该系统包括生物质带式干燥机、生物质粉碎机、固定床气化炉、电除尘器、第一换热器、冷凝器、空气分流器、水泵、槽式太阳能集热器、燃气轮机、蒸汽型吸收式机组和第二换热器，其中：
生物质带式干燥机，用于干燥生物质，降低生物质的含水量；
生物质粉碎机，用于将生物质带式干燥机出口的生物质原料破碎成粉状物料；
固定床气化炉，用于生物质粉碎机出口的生物质和空气分流器分流的一部分空气、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，满足燃气轮机发电机组燃料需求；
电除尘器，用于对固定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；
第一换热器，利用电除尘器出口的合成气的高温热能预热空气，满足干燥生物质和气化反应需求，同时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，用于除去第一换热器出口的合成气中冷凝出来的水分；
空气分流器，用于利用预热的空气，一方面通入生物质带式干燥机干燥生物质，一方面通入固定床气化炉满足气化反应的需求；
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，以水泵出口的水作为吸热工质，利用太阳热能加热水，以生产水蒸汽，满足固定床气化炉中气化反应的需求；
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；
第二换热器，用于利用燃气轮机出口烟气的余热，产生饱和蒸汽；
蒸汽型吸收式机组，利用第二换热器产生的饱和蒸汽制取冷冻水，以满足用户制冷需求。
2.根据权利要求1所述的基于生物质气化和太阳能热利用的冷热电联产系统，其特征在于，该冷热电三联产系统采用生物质和太阳能互补的可在再生能源，降低对化石燃料的依赖。
3.根据权利要求1所述的基于生物质气化和太阳能热利用的冷热电联产系统，其特征在于，所述第一换热器为用户提供生活热水，满足用户生活热水需求。
4.根据权利要求1所述的基于生物质气化和太阳能热利用的冷热电联产系统，其特征在于，所述空气分流器分成两股不同流量的预热空气，分别用于干燥生物质和参与气化反应。
5.根据权利要求4所述的基于生物质气化和太阳能热利用的冷热电联产系统，其特征在于，所述生物质预热器利用空气分流器分流的一部分空气，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4所述的基于生物质气化和太阳能热利用的冷热电联产系统，其特征在于，所述固定床气化炉中生物质粉碎机出口的的生物质原料与空气分流器分流的一部分空气、槽式太阳能集热器出口的水蒸汽一起参与气化反应，生成合成气。
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