CN107011944A - 一种生物质气化发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种生物质气化发电系统。本发明包括气化反应器、合成气净化器、化学链反应器、水蒸汽发电系统、CO2回收系统以及余热发电系统；所述的气化反应器通过合成气净化器连接化学链反应器，所述的化学链反应器连接水蒸汽发电系统、CO2回收系统以及余热发电系统；本发明将生物质气化合成气送入化学链反应器中进行燃烧，有利于焦油转化的同时可实现CO2和空气的分离，而且利用燃烧反应器出口烟气作为气化剂，并为气化过程提供热量；而燃烧反应器出口烟气和空气反应器出口的欠氧空气可联合烟气、水蒸汽以及有机工质进行分级发电从而提高系统效率。

Description

一种生物质气化发电系统
技术领域：
本发明涉及一种生物质气化发电且实现CO2零排放的可再生能源发电系统，属于生物质资源利用技术领域。
背景技术：
利用可再生的生物质资源发电是生物质热化学转化利用的重要途径之一，用其部分替代化石燃料不仅可缓解化石燃料的紧缺，而且可减少温室气体排放，具有显著的资源效益和环境效益。
目前生物质气化发电面临的主要问题是能源转化效率低，气化合成气中含有焦油容易导致管路堵塞，影响燃气轮机的正常运行。
为了提高生物质气化发电系统效率，解决合成气中焦油带来的影响，从而提高系统运行的稳定性，本发明提出了一种新的生物质气化发电的工艺系统，不仅有利于提高系统效率，有效去除焦油，而且可实现CO2的捕集。
发明内容
本发明的目的是针对现有生物质发电技术中系统效率低，气化合成气中焦油的存在影响下游设备运行，提出一种生物质气化发电系统，将生物质气化合成气送入化学链反应器中进行燃烧，有利于焦油转化的同时可实现CO2和空气的分离，而且利用燃烧反应器出口烟气作为气化剂，并为气化过程提供热量；燃烧反应器出口烟气和空气反应器出口的欠氧空气可联合烟气、水蒸汽以及有机工质进行分级发电从而提高系统效率。
上述的目的通过以下技术方案实现：
一种生物质气化发电系统，包括气化反应器、合成气净化器、化学链反应器、水蒸汽发电系统、CO2回收系统以及余热发电系统；所述的气化反应器通过合成气净化器连接化学链反应器，所述的化学链反应器连接水蒸汽发电系统、CO2回收系统以及余热发电系统；
所述的化学链反应器包括燃烧反应器，空气反应器和回转叶片，燃烧反应器和空气反应器之间由固体壁面隔开；所述的燃烧反应器有一个与所述合成气净化器连接的合成气进口和一个烟气出口；所述的烟气出口通过管路和高温循环风机连接气化反应器，所述的空气反应器有一个空气进口和一个欠氧空气出口；所述的回转叶片在化学链反应器中做连续旋转使得其周期性回转通过燃烧反应器和空气反应器；所述的回转叶片上装填有载氧体和惰性载体；
所述的水蒸汽发电系统包括与所述的燃烧反应器的烟气出口连接的第一换热器和与所述的空气反应器的欠氧空气出口连接的第二换热器，所述的第一换热器和第二换热器的冷侧由管路连接,第一换热器的冷侧介质出口连接第二换热器冷侧介质入口,第二换热器冷侧介质出口连接水蒸汽透平发电机进口，水蒸汽透平发电机出口连接第一冷凝器的进口，冷侧介质在第一冷凝器冷凝后，由水泵送入第一换热器的冷侧介质入口，冷侧介质水在系统内循环进行加热，膨胀做功，再冷凝的过程。
所述的生物质气化发电系统，所述的系统还包括与所述的空气反应器连接的空气压缩机和设置在所述的化学链反应器和所述的水蒸气发电系统之间的烟气发电系统，所述的烟气发电系统包括设置在所述的燃烧反应器的烟气出口和第一换热器之间的第一烟气透平发电机以及设置在所述的空气反应器的欠氧空气出口和第二换热器之间的第二烟气透平发电机。
所述的生物质气化发电系统，所述的回转叶片由均匀分隔的呈10～30度的扇形叶片组成，各扇形叶片之间有密封封条，所述回转叶片上的载氧体为金属氧化物，包括Ni、Fe、Co、Cu的一种或者几种混合氧化物，惰性载体为Al2O3和/或SiO2。
所述的生物质气化发电系统，所述的CO2回收系统包括与所述的第一换热器的热侧介质出口连接的冷凝分离器，所述的冷凝分离器的气相出口连接CO2压缩机，所述的CO2压缩机连接CO2储罐。
所述的生物质气化发电系统，所述的余热发电系统包括与所述第二换热器的热侧介质出口连接的余热锅炉，所述的余热锅炉的冷侧介质为有机工质；所述的余热锅炉的有机工质出口连接有机工质透平发电机的进口，有机工质透平发电机出口连接第二冷凝器的进口，有机工质经第二冷凝器冷凝后，由工质泵送入所述的余热锅炉，有机工质在系统内循环进行加热，膨胀做功，再冷凝的过程。
所述的生物质气化发电系统，所述的燃烧反应器的烟气出口与第一换热器的烟气进口的连接管路装有第一调节阀门，所述的燃烧反应器的烟气出口与气化反应器的气化介质进口的连接管路装有第二调节阀门。
有益效果：
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明将生物质气化过程和合成气的化学链燃烧过程分开，有利于提高生物质的转化效率，提高大分子焦油去除转化；而且合成气进入化学链反应器之前进行净化处理，可减少粉尘以及硫化物，氮化物对载氧体的影响。
化学链反应器的燃烧反应器出口烟气和空气反应器出口的欠氧空气可联合烟气、水蒸汽以及有机工质进行分级发电，可提高系统的发电效率。
本发明利用化学链燃烧方式进行生物质合成气的燃烧，可实现CO2和空气的分离，从而进行CO2的捕集。
附图说明
图1为本发明生物质气化发电系统示意图；
图2是本发明另一种实施方式的系统示意图。
附图中标号为：1.气化反应器，2.合成气净化器，3.化学链反应器，3-1.燃烧反应器，3-2.空气反应器，3-3.回转叶片，4.鼓风机或空气压缩机，5.第一换热器，6.第二换热器，7.第一调节阀门，8.第二调节阀门，9.高温循环风机，10.余热锅炉，11.水蒸汽透平发电机，12.第一冷凝器，13.水泵，14.冷凝分离器，15.CO2压缩机，16.CO2储罐，17.有机工质透平发电机，18.第二冷凝器，19.工质泵，20.第一烟气透平发电机，21.第二烟气透平发电机。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例1：
本实施例中所述的生物质气化发电系统，包括气化反应器1，合成气净化器2，化学链反应器3，鼓风机4，第一换热器5和第二换热器6，高温循环风机9，第一调节阀门7、第二调节阀门8，余热锅炉10，水蒸汽发电机11、有机工质透平发电机17，第一冷凝器12、第二冷凝器18，水泵13，冷凝分离器14，CO2压缩机15，CO2储罐16，工质泵19；
所述的气化反应器1具有生物质进口，气化介质进口，粗合成气出口和固体灰渣出口；合成气净化器2具有粗合成气进口，净合成气出口和废弃物出口；
所述的化学链反应器3包括燃烧反应器3-1，空气反应器3-2和回转叶片3-3，燃烧反应器3-1和空气反应器3-2之间由固体壁面隔开；所述的燃烧反应器3-1有一个合成气进口和一个烟气出口；所述的空气反应器3-2有一个空气进口和一个欠氧空气出口；所述的回转叶片3-3由均匀分隔的呈10～30度的扇形叶片组成，且回转叶片3-3在所述的化学链反应器3中做连续旋转；所述的扇形叶片上装填有载氧体和惰性载体，且扇形叶片周期性回转通过燃烧反应器3-1和空气反应器3-2；
所述的气化反应器1的合成气出口通过管路与所述的合成气净化器2进口连接，合成气净化器2的净合成气出口与化学链反应器3的燃烧反应器3-1进口连接，燃烧反应器3-1的烟气出口与第一换热器5烟气进口、气化反应器1的气化介质进口有连接管路；所述的燃烧反应器3-1的烟气出口与第一换热器5烟气进口的连接管路装有第一调节阀门7，所述的燃烧反应器3-1的烟气出口与气化反应器1的气化介质进口的连接管路装有第二调节阀门8和高温循环风机9；高温烟气通过第一调节阀门7和第二调节阀门8控制烟气进入气化反应器1与第一换热器5的流量分配；
粗合成气经合成气净化器2成为净合成气，主要成分为CO、CO2、CH4、H2等，经连接管路进入化学链反应器的燃烧反应器3-1，进入燃烧反应器3-1的净合成气与回转叶片3-3上的载氧体发生反应，转化为CO2和H2O；载氧体为金属氧化物，包括Ni、Fe、Co、Cu的一种或者几种混合氧化物，惰性载体为Al2O3、SiO2。载氧体在燃烧反应器中被还原，转变为低价金属氧化物或金属单质；
所述的空气反应器3-2的空气进口连接所述的鼓风机4，空气反应器3-2的欠氧空气出口连接所述的第二换热器6的热侧介质进口；在空气反应器3-2中，低价金属氧化物或金属单质被氧化为高价氧化物；反应释放能量，并被惰性载体和载氧体所携带，随着回转叶片旋转进入燃烧反应器释放出热量为还原反应提供反应热。第二换热器6的热侧介质出口连接余热锅炉10的进口，欠氧空气经余热锅炉10换热，从余热锅炉10的热侧介质出口排出系统；
所述的第一换热器5的热侧介质出口连接冷凝分离器14，烟气在冷凝分离器14中将水蒸汽冷凝成液相，并从气相CO2中分离；液相水从冷凝分离器14的冷凝水出口排出系统，气相CO2从气体出口进入CO2压缩机，CO2压缩后送入储罐16；
所述的第一换热器5的冷侧介质为水，所述的第一换热器5的水管路连接第一换热器5和第二换热器6,第一换热器5的冷侧介质出口连接第二换热器6冷侧介质入口,第二换热器冷侧介质出口连接水蒸汽透平发电机11进口，进口水蒸汽为过热蒸汽，水蒸汽透平发电机11出口连接第一冷凝器12的进口，冷侧介质在第一冷凝器12冷凝后，由水泵13送入第一换热器5的冷侧介质入口，冷侧介质水在系统内循环进行加热，膨胀做功，再冷凝的过程；
所述的余热锅炉10的冷侧介质为有机工质；所述的余热锅炉10的有机工质出口连接有机工质透平发电机17的进口，进口有机工质为过热蒸汽，有机工质透平发电机17出口连接第二冷凝器18的进口，有机工质经第二冷凝器18冷凝后，由工质泵19送入余热锅炉10，有机工质在系统内循环进行加热，膨胀做功，再冷凝的过程。
本实施例中化学链反应器3中装载的金属氧化物为Ni、Fe、Co、Cu的一种或者几种混合氧化物，惰性载体为Al2O3、SiO2；
本实施例中回转叶片3-3及其上的各扇形叶片之间有密封封条，防止回转叶片3-3旋转过程燃烧反应器3-1和空气反应器3-2之间的气体窜混；
本实施例中化学链反应器3在常压下运行，在空气反应器3-1的空气入口处设置鼓风机即可，燃烧反应器3-1温度在800-1000℃，空气反应器3-2温度在900-1100℃；
本实施例中的有机工质为五氟丙烷R245fa，或甲苯，或正戊烷。
实施例2：
本实施例与实施例1的不同之处在于：本实施例中所述的系统还包括与所述的空气反应器连接的空气压缩机和设置在所述的化学链反应器和所述的水蒸气发电系统之间的烟气发电系统，所述的烟气发电系统包括设置在所述的燃烧反应器的烟气出口和第一换热器之间的第一烟气透平发电机以及设置在所述的空气反应器的欠氧空气出口和第二换热器之间的第二烟气透平发电机。
本实施例中所述的生物质气化发电系统如图2所示，包括气化反应器1，合成气净化器2，化学链反应器3，空气压缩机4，第一换热器5和第二换热器6，高温循环风机9，第一调节阀门7、第二调节阀门8，余热锅炉10，水蒸汽透平发电机11、有机工质透平发电机17，第一冷凝器12，第二冷凝器18，水泵13，冷凝分离器14，CO2压缩机15，CO2储罐16，工质泵19，第一烟气透平发电机20，第二烟气透平发电机21。
所述的气化反应器1具有生物质进口，气化介质进口，粗合成气出口和固体灰渣出口；合成气净化器2具有粗合成气进口，净合成气出口和废弃物出口；
所述的化学链反应器3包括燃烧反应器3-1，空气反应器3-2和回转叶片3-3，燃烧反应器3-1和空气反应器3-2之间由固体壁面隔开；所述的燃烧反应器3-1有一个合成气进口和一个烟气出口；所述的空气反应器3-2有一个空气进口和一个欠氧空气出口；所述的回转叶片3-3由均匀分隔的呈10～30度的扇形叶片组成，且回转叶片3-3在所述的化学链反应器3中做连续旋转；所述的扇形叶片上装填有载氧体和惰性载体，且扇形叶片周期性回转通过燃烧反应器3-1和空气反应器3-2；
所述的气化反应器1的合成气出口通过管路与所述的合成气净化器2进口连接，合成气净化器2的净合成气出口与化学链反应器3的燃烧反应器3-1进口连接，燃烧反应器3-1的烟气出口与所述的烟气发电系统的第一烟气透平发电机20进口、所述气化反应器1的气化介质进口连接；所述的燃烧反应器3-1的烟气出口与第一烟气透平发电机20进口的连接管路装有第一调节阀门7，所述的燃烧反应器3-1的烟气出口与气化反应器1的气化介质进口的连接管路装有第二调节阀门8和高温循环风机9；高温烟气通过第一调节阀门7和第二调节阀门8控制烟气进入气化反应器1和第一烟气透平发电机的流量分配；
粗合成气经合成气净化器2成为净合成气，主要成分为CO、CO2、CH4、H2等，经连接管路进入化学链反应器的燃烧反应器3-1，进入燃烧反应器3-1的净合成气与回转叶片3-3上的载氧体发生反应，转化为CO2和H2O；载氧体为金属氧化物，包括Ni、Fe、Co、Cu的一种或者几种混合氧化物，惰性载体为Al2O3、SiO2。载氧体在燃烧反应器中被还原，转变为低价金属氧化物或金属单质。
所述的空气反应器3-2的空气进口连接所述的空气压缩机4，空气反应器3-2的欠氧空气出口连接所述的第二烟气透平发电机21的进口；在空气反应器3-2中，低价金属氧化物或金属单质被氧化为高价氧化物；反应释放能量，并被惰性载体和载氧体所携带，随着回转叶片旋转进入燃烧反应器释放出热量为还原反应提供反应热。
所述的第二烟气透平发电机21的出口连接第二换热器6的热侧介质进口；第二换热器6的热侧介质出口连接余热锅炉10的进口，欠氧空气经余热锅炉10换热，从余热锅炉10的热侧介质出口排出系统；
所述的第一烟气透平发电机20出口连接第一换热器5烟气进口；所述的第一换热器5的热侧介质出口连接冷凝分离器14，烟气在冷凝分离器14中将水蒸汽冷凝成液相，并从气相CO2中分离；液相水从冷凝分离器14的冷凝水出口排出系统，气相CO2从气体出口进入CO2压缩机，CO2压缩后送入储罐16；
所述的第一换热器5的冷侧介质为水，所述的第一换热器5的水管路连接第一换热器5和第二换热器6,第一换热器5的冷侧介质出口连接第二换热器6冷侧介质入口,第二换热器冷侧介质出口连接水蒸汽透平发电机11进口，进口水蒸汽为过热蒸汽，水蒸汽透平发电机11出口连接第一冷凝器12的进口，冷侧介质在第一冷凝器12冷凝后，由水泵13送入第一换热器5的冷侧介质入口，冷侧介质水在系统内循环进行加热，膨胀做功，再冷凝的过程；
所述的余热锅炉10的冷侧介质为有机工质；所述的余热锅炉10的有机工质出口连接有机工质透平发电机17的进口，进口有机工质为过热蒸汽，有机工质透平发电机17出口连接第二冷凝器18的进口，有机工质经第二冷凝器18冷凝后，由工质泵19送入余热锅炉10，有机工质在系统内循环进行加热，膨胀做功，再冷凝的过程。
本实施例中化学链反应器3中装载的金属氧化物为Ni、Fe、Co、Cu的一种或者几种混合氧化物，惰性载体为Al2O3、SiO2；
本实施例中回转叶片3-3及其上的各扇形叶片之间有密封封条，防止回转叶片3-3旋转过程燃烧反应器3-1和空气反应器3-2之间的气体窜混；
本实施例中气化反应器1、化学链反应器3在加压下运行，压力在0.6MPa-2MPa；在空气反应器的空气入口处设置空气压缩机4，燃烧反应器3-1温度在800-1000℃，空气反应器3-2温度在900-1100℃；
本实施例中的有机工质为五氟丙烷R245fa，或甲苯，或正戊烷。

Claims (6)

1.一种生物质气化发电系统，包括气化反应器、合成气净化器、化学链反应器、水蒸汽发电系统、CO2回收系统以及余热发电系统；所述的气化反应器通过合成气净化器连接化学链反应器，所述的化学链反应器连接水蒸汽发电系统、CO2回收系统以及余热发电系统；其特征在于：
所述的化学链反应器包括燃烧反应器，空气反应器和回转叶片，燃烧反应器和空气反应器之间由固体壁面隔开；所述的燃烧反应器有一个与所述合成气净化器连接的合成气进口和一个烟气出口；所述的烟气出口通过管路和高温循环风机连接气化反应器，所述的空气反应器有一个空气进口和一个欠氧空气出口；所述的回转叶片在化学链反应器中做连续旋转使得其周期性回转通过燃烧反应器和空气反应器；所述的回转叶片上装填有载氧体和惰性载体；
所述的水蒸汽发电系统包括与所述的燃烧反应器的烟气出口连接的第一换热器和与所述的空气反应器的欠氧空气出口连接的第二换热器，所述的第一换热器和第二换热器的冷侧由管路连接,第一换热器的冷侧介质出口连接第二换热器冷侧介质入口,第二换热器冷侧介质出口连接水蒸汽透平发电机进口，水蒸汽透平发电机出口连接第一冷凝器的进口，冷侧介质在第一冷凝器冷凝后，由水泵送入第一换热器的冷侧介质入口，冷侧介质水在系统内循环进行加热，膨胀做功，再冷凝的过程。
2.根据权利要求1所述的生物质气化发电系统，其特征在于：所述的系统还包括与所述的空气反应器连接的空气压缩机和设置在所述的化学链反应器和所述的水蒸气发电系统之间的烟气发电系统，所述的烟气发电系统包括设置在所述的燃烧反应器的烟气出口和第一换热器之间的第一烟气透平发电机以及设置在所述的空气反应器的欠氧空气出口和第二换热器之间的第二烟气透平发电机。
3.根据权利要求1所述的生物质气化发电系统，其特征在于：所述的回转叶片由均匀分隔的呈10～30度的扇形叶片组成，各扇形叶片之间有密封封条，所述回转叶片上的载氧体为金属氧化物，包括Ni、Fe、Co、Cu的一种或者几种混合氧化物，惰性载体为Al2O3和/或SiO2。
4.根据权利要求1所述的生物质气化发电系统，其特征在于：所述的CO2回收系统包括与所述的第一换热器的热侧介质出口连接的冷凝分离器，所述的冷凝分离器的气相出口连接CO2压缩机，所述的CO2压缩机连接CO2储罐。
5.根据权利要求1所述的生物质气化发电系统，其特征在于：所述的余热发电系统包括与所述第二换热器的热侧介质出口连接的余热锅炉，所述的余热锅炉的冷侧介质为有机工质；所述的余热锅炉的有机工质出口连接有机工质透平发电机的进口，有机工质透平发电机出口连接第二冷凝器的进口，有机工质经第二冷凝器冷凝后，由工质泵送入所述的余热锅炉，有机工质在系统内循环进行加热，膨胀做功，再冷凝的过程。
6.根据权利要求1所述的生物质气化发电系统，其特征在于：所述的燃烧反应器的烟气出口与第一换热器的烟气进口的连接管路装有第一调节阀门，所述的燃烧反应器的烟气出口与气化反应器的气化介质进口的连接管路装有第二调节阀门。
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