CN107027554A - 一种基于植物工厂的火电厂能源和二氧化碳利用方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于植物工厂的火电厂能源和排出烟气中二氧化碳利用方法及系统。该方法就是将植物工厂建设在火电厂附近，采用火电厂的低品质热量，如热水或蒸汽向植物工厂供暖，或通过蒸汽驱动制冷机产生冷媒水对植物工厂降温；并将火电厂烟气中的二氧化碳作为气肥通入植物工厂吸收利用；火电厂也可对植物工厂补光系统直接供电。本发明将火电厂热力系统和植物工厂空调系统集成优化，为火电厂节能减排提供一种全新方案。

Description

一种基于植物工厂的火电厂能源和二氧化碳利用方法及系统

技术领域

本发明涉及火电厂的能源及排放烟气中二氧化碳利用，具体涉及火电厂低品质热量及排出烟气中二氧化碳的有效利用的方法及系统。

背景技术

植物工厂是通过设施内高精度环境控制实现农作物周年连续生产的高效农业系统，是利用计算机对植物生育的温度、湿度、光照、CO₂浓度以及营养液等环境条件进行自动控制，使设施内植物生育不受或很少受自然条件制约的省力型生产。植物工厂是解决未来粮食问题的技术方法，受到世界瞩目，发达国家已应用于生产实践。近年来我国植物工厂发展迅速，植物工厂的一些关键技术均取得了重大突破。中国农业科学院在植物工厂领域各项关键技术方面获得的具有我国自主知识产权的研究成果为核心，在工艺与系统构成、环境控制系统、LED人工光源系统、营养液栽培与控制系统、蔬菜品质调控等方面取得了一系列创新性研究成果。植物工厂可充分发挥作物的增产潜力，增加产量，由于有保护设施，防止了许多病虫害的侵袭，在生产过程中不需要使用农药或很少使用农药，从而改善商品品质，并能使作物反季节生长，在有限的空间中生产出高品质的作物。因此，植物工厂也成为中国农业环境与可持续发展的一项重要举措。

自2009年以来，我们经过实地调研发现，在吉林双辽、天津东北郊、山东聊城、山东石横、山东费县、贵州安顺、海南乐东等电厂周围均大规模建设温室大棚。然而，这些温室大棚普遍采用燃煤或天然气锅炉、地源热泵等方式供暖，与利用大型火电厂供热相比较，其整体能耗明显偏高，供热成本非常高，存在热源容量小、供热不稳定，在一定程度上制约植物生长；而且小型燃煤或燃气锅炉在污染物方面不满足环保要求。而大型火电厂由于环保因素，距离城市一般数十公里，而且周围很少有居民采暖或工业热用户。两个行业形成鲜明的对比：一方面是电厂有大量低品位余热供不出去，一方面植物工厂仍需要消耗大量燃料或电力获得热量；一方面是火电厂排放的烟气中大量的CO₂作为污染物亟待处理，一方面植物工厂则需要燃烧重油或灌装 CO₂气瓶等作为其必需肥料。因为蔬菜温室覆盖严密，特别是到严冬，温室内的二氧化碳浓度仅为100ppm，而作物生长所需的浓度为800~2000 ppm，作物经常处于“饥饿”状态，不能满足正常生长发育的需要;CO2供给成为制约设施栽培作物产量和质量的关键因素。

近年来碳捕集技术（CCS）得到了广泛关注和迅猛发展，尤其是在电力行业中的应用。目前我国已建设了 3套示范性碳捕集系统，其年捕集能力也分别从 3 千吨、1 万吨到10 万吨，碳捕集电厂发展受到国家地大力支持，未来具有很好的发展前景，但如何将捕集的二氧化碳合理利用已成为一个重要课题。具体见下表：

国内碳捕集利用示范项目

发明内容

本发明的目的是为了解决现有火电厂发电技术中存在的缺陷。一方面提供一种能有效捕集火电厂烟气中二氧化碳的方法。该发明能将燃煤、燃气、燃油，以煤矸石、生物质、油页岩、石油焦等燃烧过程中产生二氧化碳温室气体吸收利用；另一方面可解决火电厂能源利用率偏低问题。无论是锅炉-汽轮机系统还是燃气轮机系统，根据热力学第二定律，燃料燃烧产生的热量只有约40～60%转换为电能，约40～60%热能均不可避免地散失到周围环境。

为了达到上述目的，本发明提供了一种基于植物工厂的火电厂能源及排放烟气中二氧化碳利用方法，本发明方法通过将植物工厂建设在火电厂周边，利用火电厂的直供热水或蒸汽作为热源向植物工厂供暖，或通过蒸汽驱动制冷机产生冷媒水对植物工厂降温；并将火电厂排放的烟气经提纯产生二氧化碳气肥通入植物工厂；同时火电厂对植物工厂补光系统直接供电。

具体方法包括：

（1）对植物工厂进行温度调控：当植物工厂内温度低于预设温度时，采用火电厂的直供热水通入植物工厂的空调系统，或将火电厂蒸汽通过换热站产生热水后通入植物工厂的空调系统；当植物工厂内温度高于预设温度时，通过火电厂提供的蒸汽驱动制冷机产生冷媒水，通入植物工厂的空调系统；

（2）火电厂向植物工厂提供气肥：对植物工厂内二氧化碳浓度进行检测，当二氧化碳浓度低于800ppm时，将火电厂排放的烟气经净化提纯产生的二氧化碳作为气肥通入植物工厂内；当二氧化碳浓度高于2000ppm时，停止二氧化碳气肥供应；

（3）利用电厂电能驱动补光系统：在植物生长过程中，当出现阴雨或雾霾天气光照不足，或植物工厂直接建在山洞内光照不足时，由火电厂对植物工厂的补光系统直接供电。

本发明还提供了一种采用上述方法的火电厂能源及二氧化碳利用系统，包括火电厂、植物工厂、吸收式制冷机、换热站、烟气净化提纯系统；吸收式制冷机采用火电厂蒸汽为热源进行驱动，产生的冷媒水通入植物工厂的空调系统；火电厂蒸汽通过换热站产生的热水或火电厂的直供热水供给植物工厂的空调系统；火电厂的排出烟气通过烟气净化提纯系统产生二氧化碳气肥通入植物工厂内；火电厂向植物工厂的补光系统供电。

其中，植物工厂的空调系统包括温度控制器和多个温度传感器、若干均匀分布在植物工厂内相互连通的空调系统管道和各空调系统管道上的电控阀门；植物工厂内设有多个均匀分布的温控测点，各温控测点处分别设有温度传感器，各温控测点的温度传感器与温度控制器相连接；冷媒水通过冷媒水管道连通空调系统管道；换热站采用蒸汽换热器，火电厂蒸汽通过蒸汽管道进入换热站，产生的热水通过热水管道连通空调系统管道；火电厂直供热水通过热水管道连通空调系统管道；冷媒水管道、热水管道、蒸汽管道上均设有电控阀门及温度检测装置；冷媒水管道、热水管道、蒸汽管道、空调系统管道上的电控阀门及温度压力检测装置分别与植物工厂的温度控制器相连。

烟气净化提纯系统内设有碳捕集系统；火电厂的排出烟气依次经冷却装置、高压风机送入烟气净化提纯系统中，通过碳捕集系统产生二氧化碳气肥。

上述植物工厂内均匀分布有若干二氧化碳传感器；植物工厂内、每个二氧化碳传感器设置的对应位置处设置一个气肥输送支管；烟气净化提纯系统通过气体输送管道分别与各气肥输送支管相连通；各气肥输送支管上设有电控阀门；植物工厂还设有气肥控制器，气肥控制器分别与各二氧化碳传感器以及各气肥输送支管上的电控阀门相连。

烟气净化提纯系统经缓冲罐后与气体输送管道相连。

补光系统采用LED点阵；植物工厂中均布若干光照强度检测装置；植物工厂设有光照控制器；补光系统、各光照强度检测装置分别连接光照控制器。。

本发明相比现有技术具有以下优点：利用电厂直供热水或蒸汽对植物工厂进行供暖或利用电厂蒸汽驱动制冷机对植物工厂进行降温，均能有效利用电厂低品位余热，可大幅度降低电厂发电煤耗，同时也能很好地控制植物工厂内温度。同时，利用火电厂处理过的净烟气生产CO₂补肥，通过植物进行高效光合作用，从而改善植物生长条件，增加农产品产量和提高农作物品质。同时，将植物工厂直接建于电厂周围，电厂就近对植物工厂补光系统直接供电，减少了电力输送损耗。

附图说明

图1为本发明中火电厂与植物工厂的物质与能量交互作用系统图；

图2为本发明中火电厂排出烟气中二氧化碳作为植物工厂气肥的系统图。

图2中，1-冷却装置，2-高压风机，3-烟气净化提纯系统，4-缓冲罐，5-气体输送管道，6-气肥输送支管，7-电控阀门。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明基于植物工厂的火电厂能源及排放烟气中二氧化碳利用系统包括植物工厂、火电厂、吸收式制冷机、换热站、烟气净化提纯系统。植物工厂内设有空调系统、通风系统、补光系统、浇灌及营养液供给系统。吸收式制冷机采用溴化锂吸收式制冷机，利用火电厂提供的蒸汽作为热源，产生的冷媒水通过冷媒水管道通入植物工厂的空调系统。补光系统采用LED灯点阵补光系统。需要升温时利用蒸汽-水换热站换热，火电厂蒸汽通过蒸汽管道进入换热站，输出热水通过热水管道向植物工厂的空调系统供热，或通过直供热水通过热水管道向植物工厂的空调系统供热；需要降温时，则利用制冷机提供冷媒水供冷。火电厂排出的净烟气，即经除尘、脱硫脱硝后的烟气，再经烟气净化提纯系统通入植物工厂内；火电厂向植物工厂的补光系统直接供电。

植物工厂的空调系统，包括温度控制器、若干温度传感器、若干均匀分布在植物工厂内相互连通的空调系统管道和各空调系统管道上的电控阀门。各温度传感器分布设于在植物工厂内，实现对植物工厂内各区域温度检测。冷媒水管道、热水管道、蒸汽管道上均设有电控阀门。各电控阀门、温度传感器均与温度控制器相连。冬季，当温度传感器检测内部温度偏低，如低于18℃时，温度控制器将控制开大通向空调系统管道的热水管道或蒸汽管道上电控阀门的开度。该温度可根据具体种植植物的最佳生长条件进行调控（并可通过对各空调系统管道上的电控阀门的单独控制，对各区域的温度进行调控）。夏季，当温度传感器检测内部温度高，如大于26℃时，综合温室内二氧化碳浓度或通风因素，将冷媒水管道的电控阀门由温度控制器打开。

结合图2所示，植物工厂内均匀分布气肥输送支管6和排放口，并在植物工厂内各气肥输送支管的排放口位置附近各布置一个二氧化碳传感器。火电厂排出的净烟气经冷却装置1（即烟气冷却器）冷却后，通过高压风机2输送至烟气净化提纯系统3，在烟气净化提纯系统内通过碳捕集系统，产生高纯度的CO_2；如燃煤电厂烟气中的汞等重金属超标，则应利用吸附装置进行深度净化；净化后的烟气作为气肥通过缓冲罐4后，送入气体输送管道5，然后通过气体输送管道分别与各气肥输送支管6相连通；各气肥输送支管6上均设有电控阀门7；植物工厂还设有气肥控制器，气肥控制器分别与各二氧化碳传感器以及各气肥输送支管上的电控阀门7相连。由二氧化碳传感器检测对应区域内的二氧化碳浓度，如低于800ppm时，气肥控制器控制对应区域内气肥输送支管6上的电控阀门7打开，气肥通入该区域，直至该二氧化碳传感器检测到二氧化碳浓度高于2000ppm时，气肥控制器控制电控阀门关闭，停止气肥通入。

众所周知，供热改造是国家“十三五”节能规划的一项重要内容，也是降低火电厂能耗的一项重要技术措施等。例如一台超超临界1000MW凝汽机组，其发电煤耗也只有285g/kWh；而一台亚临界300MW供热机组，其发电煤耗仅为260 g/kWh，同样发一亿度电，后者就节约2500吨标煤。为了进一步提高对火电厂的能源利用率，完全可利用本发明的技术结合利用现有技术对火电厂进行供热改造。

例如，针对燃煤电厂的空冷机组低位能供热系统改造：该技术依据北方地区多为空冷供热机组，利用空冷机组可以高背压运行的特点，增加低温热源回收加热器用来吸收低压缸排汽，设置一个加热器旁路系统、用来实现供热初末和严寒期供热参数控制和系统切换，改造供热系统，实现热能分级，冬季运行背压控制在30kPa，达到低压缸乏汽热量全部回收。在相同的主蒸汽量的条件下、一般多发电功率7%以上、增加供热量30%以上、冬季发电煤耗下降到140g/kWh以下。

或采用针对燃煤电厂的湿冷机组低位能供热系统改造：根据湿冷供热机组，本项供热系统节能技术、根据有用能损失最小原则，改造低压转子使供热参数显著降低并达到低位能回收的要求，设置一个加热器旁路系统、用来实现供热初末和严寒期供热参数控制和系统切换，改造供热系统实现供热系统能量分级；冬季运行背压控制在35kPa以上，达到低压缸乏汽热量全部回收，在相同的主蒸汽量的条件下、一般多发电功率4%以上、增加供热量40%以上、冬季发电煤耗下降到140g/kWh以下。

或结合采用机组低压转子改造后高背压供热方式：该技术其核心设备改造设备是低压转子，一般有两种方案：即单转子方案和双转子方案，凝汽器也进行部分改造，满足机组在背压4.9kPa和低真空35kPa下正常运行。机组背压供热改造后，机组的低压排汽全部用于加热热网循环水，保证了冷源损失为零。在冬季采暖期间，机组高背压运行，将凝汽器改为供热系统的热网基本加热器，而冷却水直接用作热网循环水，充分利用凝汽式机组排汽的汽化潜热加热热网循环水至65℃左右，将冷源损失降低为零，提高机组循环热效率；同时本机或临机热网加热器作为尖峰加热器对热网循环水进行二次加热，将热网循环水温度提高到90℃左右，以保证热网供水温度满足供热需求。

或结合采用溴化锂吸收式制冷机制冷技术：采用水为制冷剂，蒸发温度在0℃以上,可用于空气调节设备和制备生产过程用的冷媒水。这种制冷机可用低压水蒸汽或75℃以上的热水作为热源，如可利用锅炉烟气余热和低压蒸汽等低位热能驱动溴化锂制冷机组，实现火电厂大规模供冷，也相当于扩大其供热能力。电厂的循环水系统存在大量的低温热能，利用热泵技术将低温热能提升为高温热能，对电厂周边地区进行冬季供暖、夏季制冷等。

以上针对火电厂侧的现有供热技术改造，仅用于结合本发明技术的使用举例，但不局限于使用上述技术。

Claims (8)

1.一种基于植物工厂的火电厂能源及二氧化碳利用方法，其特征在于：所述方法通过将植物工厂建设在火电厂周边，利用火电厂的直供热水或蒸汽作为热源向植物工厂供暖，或通过蒸汽驱动制冷机产生冷媒水对植物工厂降温；并将火电厂排放的烟气经提纯产生二氧化碳气肥通入植物工厂；火电厂对植物工厂补光系统直接供电。

2.根据权利要求1所述的火电厂能源及二氧化碳利用方法，其特征在于：所述方法包括：

（1）对植物工厂进行温度调控：当植物工厂内温度低于预设温度时，采用火电厂的直供热水通入所述植物工厂的空调系统，或将火电厂蒸汽经过换热站产生热水后通入所述植物工厂的空调系统；当植物工厂内温度高于预设温度时，火电厂提供的蒸汽驱动制冷机产生冷媒水，通入所述植物工厂的空调系统；

（2）火电厂向植物工厂提供气肥：对植物工厂内二氧化碳浓度进行检测，当二氧化碳浓度低于800pp时，将火电厂排放的烟气经净化提纯产生二氧化碳气肥通入植物工厂；当二氧化碳浓度高于2000ppm时，停止二氧化碳气肥供应；

（3）利用电厂的电能驱动补光系统：在植物生长过程中，当出现阴雨或雾霾天气光照不足，或植物工厂直接建在山洞内光照不足时，由火电厂对所述植物工厂的补光系统直接供电。

3.一种采用权利要求1或2所述方法的火电厂能源及二氧化碳利用系统，其特征在于：所述系统包括火电厂、植物工厂、吸收式制冷机、换热站、烟气净化提纯系统；所述吸收式制冷机采用火电厂蒸汽为热源进行驱动，产生的冷媒水通入所述植物工厂的空调系统；火电厂蒸汽通过换热站产生的热水或火电厂的直供热水供给所述植物工厂的空调系统；所述火电厂的排出烟气通过所述烟气净化提纯系统产生二氧化碳气肥通入所述植物工厂内；所述火电厂向所述植物工厂的补光系统直接供电。

4.根据权利要求3所述的利用系统，其特征在于：所述植物工厂的空调系统包括温度控制器、多个温度传感器、若干均匀分布在植物工厂内相互连通的空调系统管道和各空调系统管道上的电控阀门；所述植物工厂内设有多个均匀分布的温控测点，各温控测点处分别设有所述温度传感器，各温控测点的温度传感器与温度控制器相连接；所述冷媒水通过冷媒水管道连通空调系统管道；所述换热站采用蒸汽换热器，火电厂蒸汽通过蒸汽管道进入换热站，产生的热水通过热水管道连通空调系统管道；所述火电厂直供热水通过热水管道连通空调系统管道；所述冷媒水管道、热水管道、蒸汽管道上均设有电控阀门及温度检测装置；所述冷媒水管道、热水管道、蒸汽管道、空调系统管道上的电控阀门及温度压力检测装置分别与植物工厂的温度控制器相连。

5.根据权利要求3所述的利用系统，其特征在于：所述烟气净化提纯系统内设有碳捕集系统；所述火电厂的排出烟气依次经冷却装置、高压风机送入所述烟气净化提纯系统中，通过碳捕集系统产生二氧化碳气肥。

6.根据权利要求3所述的利用系统，其特征在于：所述植物工厂内均匀分布有若干二氧化碳传感器；植物工厂内、每个二氧化碳传感器设置的对应位置处设置一个气肥输送支管；所述烟气净化提纯系统通过气体输送管道分别与各气肥输送支管相连通；各气肥输送支管上设有电控阀门；所述植物工厂还设有气肥控制器，所述气肥控制器分别与各二氧化碳传感器以及各气肥输送支管上的电控阀门相连。

7.根据权利要求6所述的利用系统，其特征在于：所述烟气净化提纯系统经缓冲罐后与气体输送管道相连。

8.根据权利要求3所述的利用系统，其特征在于：所述补光系统采用LED点阵；所述植物工厂中均布若干光照强度检测装置；所述植物工厂设有光照控制器；所述补光系统、各光照强度检测装置分别连接光照控制器。