CN107201251B - 一种基于煤气化的太阳能储能和利用系统及方法 - Google Patents

一种基于煤气化的太阳能储能和利用系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于煤气化的太阳能储能和利用系统及方法，包括集热器、气化炉、二氧化碳分离系统、燃气轮机发电系统及压缩机；集热器的出口与气化炉的二氧化碳入口相连通，气化炉上设有氧气入口、蒸汽入口、煤入口及灰渣出口，气化炉的出口与二氧化碳分离系统的入口相连通，二氧化碳分离系统的煤气出口与燃气轮机发电系统的入口相连通，二氧化碳分离系统的二氧化碳出口与压缩机的入口相连通，压缩机的出口与集热器的入口相连通，该系统及方法能够实现煤气化和太阳能化学储能进行有机的结合。

Description

一种基于煤气化的太阳能储能和利用系统及方法
技术领域
本发明属于太阳能利用领域，涉及一种基于煤气化的太阳能储能和利用系统及方法。
背景技术
煤炭气化是以煤为原料，以氧气、空气、水蒸气等做气化介质，在高温条件下，通过化学反应将煤中的可燃部分转化为气体燃料的过程。煤气化工艺是煤化工、IGCC、煤炭间接液化等的基础，气化工艺在很大程度上影响煤化工产品的成本和效率。现有的气化工艺大多为自热式气化，即气化过程中没有外界供热，煤与水蒸气进行吸热反应所消耗的热量，是由煤与氧进行的放热反应所提供的，因此在煤气中有相当量的二氧化碳存在。在后续的煤气净化过程中，二氧化碳被洗涤分离出来，目前这些二氧化碳在化肥企业可以部分得到利用，其它企业大多作为废气直接排放，不但增加了碳排放，而且还浪费了碳资源。二氧化碳可以作为气化剂用于煤气化，代替部分氧气和水蒸气，既实现了二氧化碳的利用，又能够减少氧气和水的用量，同时实现节能和节水，减少气化废水处理量。
太阳能具有清洁、取之不尽用之不竭等特点，但是存在时间分布不均问题，太阳能用于发电时一般都需要使用储能等技术，目前储能的方式主要有显热储能、潜热储能和化学反应储能三种。化学反应储能是利用化学反应热实现储能，热能在吸热的化学反应过程中转化为化学能，在放热的化学反应过程中将化学能转化为热能。化学储能储热密度大、易于长期储存。二氧化碳煤气化是吸热反应，通过该反应将太阳能以煤气的化学能形式储存起来，便于后续利用。
在我国西北地区，太阳能资源丰富，煤炭资源丰富，但是水资源短缺，因此，如果能够开发出一种新的系统，该系统可以将二氧化碳煤气化和太阳能化学储能进行有机的结合，则会对传统的煤气化和太阳能储能和利用带来巨大变化。但是，目前已公开的报道中，二氧化碳煤气化和太阳能储能大多单独出现，如中国专利CN 102899090A介绍了一种二氧化碳作为固定层气化炉气化剂的方法，中国专利CN 103468320A介绍了一种二氧化碳煤浆的制备与气化系统，中国专利CN 103245087A介绍了一种基于化学链燃烧的间接式中温太阳能热化学储能装置，中国专利CN 102721312A介绍了一种太阳能热化学混合储能装置及方法，还未曾有将煤气化和太阳能化学储能相结合的报道。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于煤气化的太阳能储能和利用系统及方法，该系统及方法能够实现煤气化和太阳能化学储能进行有机的结合。
为达到上述目的，本发明所述的基于煤气化的太阳能储能和利用系统包括集热器、气化炉、二氧化碳分离系统、燃气轮机发电系统及压缩机；
集热器的出口与气化炉的二氧化碳入口相连通，气化炉上设有氧气入口、蒸汽入口、煤入口及灰渣出口，气化炉的出口与二氧化碳分离系统的入口相连通，二氧化碳分离系统的煤气出口与燃气轮机发电系统的入口相连通，二氧化碳分离系统的二氧化碳出口与压缩机的入口相连通，压缩机的出口与集热器的入口相连通。
二氧化碳分离系统的煤气出口与燃气轮机发电系统的入口之间设有气柜。
集热器的出口经冷却洗涤系统与二氧化碳分离系统的入口相连通。
还包括分流装置及二氧化碳封存或利用系统，二氧化碳分离系统的二氧化碳出口经分流装置分为两路，其中，一路与二氧化碳封存或利用系统相连通，另一路与压缩机的入口相连通。
还包括用于将太阳光聚焦于集热器上的镜场。
气化炉上的灰渣出口、氧气入口、蒸汽入口及二氧化碳入口均设于气化炉的底部，气化炉的煤入口设于气化炉的顶部。
气化炉为鲁奇加压气化炉。
本发明所述的基于煤气化的太阳能储能和利用方法包括以下步骤：煤从气化炉顶部的煤入口进入到气化炉中，高温高压二氧化碳、氧气及蒸汽从气化炉的底部进入到气化炉中，煤在高温高压二氧化碳、氧气及蒸汽的作用下发生气化反应，生成的灰渣从气化炉的底部排出，生成的煤气从气化炉的上部排出进入到冷却洗涤系统中，通过冷却洗涤系统对气化炉输出的煤气进行降温，并去除其中参杂的灰尘，然后再进入二氧化碳分离系统中，二氧化碳分离系统分离出来的煤气进入到燃气轮机发电系统中，多余的煤气进入气柜；二氧化碳分离系统分离出来的二氧化碳经分流装置分为两部分，其中，一部分进入二氧化碳封存或利用系统中，另一部分经压缩机加压后进入集热器中，镜场将太阳光聚焦到集热器上，高压二氧化碳经过集热器加热形成高温高压二氧化碳，然后再进入到气化炉中进行气化反应。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的基于煤气化的太阳能储能和利用系统及方法在具体工作时，通过集热器利用太阳能对二氧化碳进行加热，并将加热后的二氧化碳作为气化介质输入到气化炉中参与煤气化反应，煤气化反应的产物经二氧化碳分离系统分离，分离出来的煤气直接进入到燃气轮机发电系统中发电，分离出来的二氧化碳经升压后再次进入到集热器中，从而实现煤气化和太阳能化学储能的有机结合。另外，需要说明的是，本发明将二氧化碳作为气化剂可以实现二氧化碳的合理利用，节省煤气化过程中蒸汽和氧的消耗，实现节水及节能，减少气化废水处理量。
进一步，二氧化碳分离系统与燃气轮机发电系统之间设有气柜，当太阳辐射充足时，则将热能以煤气的化学能形式存储到气柜中，当没有太阳能或太阳辐射不足时，气柜中的煤气可以进入到燃气轮机发电系统中将化学能以热量的形式释放出来，有效地解决太阳能间歇性带来的电力输出波动问题，使太阳能光热发电提供的电力具有可调度、可调节、可持续平稳输出。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
其中，1为镜场、2为集热器、3为煤入口、4为气化炉、5为二氧化碳入口、6为灰渣出口、7为氧气入口、8为蒸汽入口、9为冷却洗涤系统、10为二氧化碳分离系统、11为气柜、12为燃气轮机发电系统、13为压缩机、14为分流装置、15为二氧化碳封存或利用系统。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1，本发明所述的基于煤气化的太阳能储能和利用系统包括集热器2、气化炉4、二氧化碳分离系统10、燃气轮机发电系统12及压缩机13；集热器2的出口与气化炉4的二氧化碳入口5相连通，气化炉4上设有氧气入口7、蒸汽入口8、煤入口3及灰渣出口6，气化炉4的出口与二氧化碳分离系统10的入口相连通，二氧化碳分离系统10的煤气出口与燃气轮机发电系统12的入口相连通，二氧化碳分离系统10的二氧化碳出口与压缩机13的入口相连通，压缩机13的出口与集热器2的入口相连通。
二氧化碳分离系统10的煤气出口与燃气轮机发电系统12的入口之间设有气柜11；集热器2的出口经冷却洗涤系统9与二氧化碳分离系统10的入口相连通。
本发明还包括分流装置14、二氧化碳封存或利用系统15以及用于将太阳光聚焦于集热器2上的镜场1，二氧化碳分离系统10的二氧化碳出口经分流装置14分为两路，其中，一路与二氧化碳封存或利用系统15相连通，另一路与压缩机13的入口相连通。
气化炉4上的灰渣出口6、氧气入口7、蒸汽入口8及二氧化碳入口5均设于气化炉4的底部，气化炉4的煤入口3设于气化炉4的顶部；气化炉4为鲁奇加压气化炉。
本发明所述的基于煤气化的太阳能储能和利用方法包括以下步骤：
煤从气化炉4顶部的煤入口3进入到气化炉4中，高温高压二氧化碳、氧气及蒸汽从气化炉4的底部进入到气化炉4中，煤在高温高压二氧化碳、氧气及蒸汽的作用下发生气化反应，生成的灰渣从气化炉4的底部排出，生成的煤气从气化炉4的上部排出进入到冷却洗涤系统9，通过冷却洗涤系统9对气化炉4输出的煤气进行降温，并去除其中参杂的灰尘，然后再进入二氧化碳分离系统10中，二氧化碳分离系统10分离出来的煤气进入到燃气轮机发电系统12中，多余的煤气进入气柜11；二氧化碳分离系统10分离出来的二氧化碳经过分流装置14分为两部分，其中，一部分进入二氧化碳封存或利用系统15中，另一部分经压缩机13加压后进入集热器2，镜场1将太阳光聚焦到集热器2上，高压二氧化碳经过集热器2加热形成高温高压二氧化碳，然后再进入到气化炉4中进行气化反应。
当太阳能辐照充足时，高温高压二氧化碳进入气化炉4作为气化剂参与煤气化反应，产生大量的煤气分为两部分，其中一部分进入到燃气轮机发电系统12中满足燃气轮机发电系统12的需求，另一部分煤气送入气柜11中存储。
当无太阳能或太阳能辐照强度不足时，高压二氧化碳无法得到加热，为维持气化炉4的正常运转，通过调整分流装置14减少进入到气化炉4中的二氧化碳的量，增加氧气及蒸汽的量或保持两者不变，气化炉4内气化强度减弱，煤气产量降低，不能满足燃气轮机发电系统12的需要，此时将气柜11中存储的煤气送入燃气轮机发电系统12中弥补煤气的不足，使燃气轮机发电系统12正常工作。
需要指出的是，上述实施例只为说明本发明的技术构思和特点，具体的实施方法，如气化炉4类型、冷却洗涤系统9的流程、二氧化碳分离系统10中二氧化碳脱除方法等等仍可进行修改和改进，但都不会由此而背离权利要求书中所规定的本发明的范围和基本精神。

Claims (6)

1.一种基于煤气化的太阳能储能和利用系统，其特征在于，包括集热器(2)、气化炉(4)、二氧化碳分离系统(10)、燃气轮机发电系统(12)及压缩机(13)；
集热器(2)的出口与气化炉(4)的二氧化碳入口(5)相连通，气化炉(4)上设有氧气入口(7)、蒸汽入口(8)、煤入口(3)及灰渣出口(6)，气化炉(4)的出口与二氧化碳分离系统(10)的入口相连通，二氧化碳分离系统(10)的煤气出口与燃气轮机发电系统(12)的入口相连通，二氧化碳分离系统(10)的二氧化碳出口与压缩机(13)的入口相连通，压缩机(13)的出口与集热器(2)的入口相连通；
还包括分流装置(14)及二氧化碳封存或利用系统(15)，二氧化碳分离系统(10)的二氧化碳出口经分流装置(14)分为两路，其中，一路与二氧化碳封存或利用系统(15)相连通，另一路与压缩机(13)的入口相连通；
气化炉(4)上的灰渣出口(6)、氧气入口(7)、蒸汽入口(8)及二氧化碳入口(5)均设于气化炉(4)的底部，气化炉(4)的煤入口(3)设于气化炉(4)的顶部。
2.根据权利要求1所述的基于煤气化的太阳能储能和利用系统，其特征在于，二氧化碳分离系统(10)的煤气出口与燃气轮机发电系统(12)的入口之间设有气柜(11)。
3.根据权利要求1所述的基于煤气化的太阳能储能和利用系统，其特征在于，集热器(2)的出口经冷却洗涤系统(9)与二氧化碳分离系统(10)的入口相连通。
4.根据权利要求1所述的基于煤气化的太阳能储能和利用系统，其特征在于，还包括用于将太阳光聚焦于集热器(2)上的镜场(1)。
5.根据权利要求1所述的基于煤气化的太阳能储能和利用系统，其特征在于，气化炉(4)为鲁奇加压气化炉。
6.一种基于煤气化的太阳能储能和利用方法，其特征在于，包括以下步骤：煤从气化炉(4)顶部的煤入口(3)进入到气化炉(4)中，高温高压二氧化碳、氧气及蒸汽从气化炉(4)的底部进入到气化炉(4)中，煤在高温高压二氧化碳、氧气及蒸汽的作用下发生气化反应，生成的灰渣从气化炉(4)的底部排出，生成的煤气从气化炉(4)的上部排出进入到冷却洗涤系统(9)中，通过冷却洗涤系统(9)对气化炉(4)输出的煤气进行降温，并去除其中参杂的灰尘，然后再进入二氧化碳分离系统(10)中，二氧化碳分离系统(10)分离出来的煤气进入到燃气轮机发电系统(12)中，多余的煤气进入气柜(11)；二氧化碳分离系统(10)分离出来的二氧化碳经分流装置(14)分为两部分，其中，一部分进入二氧化碳封存或利用系统(15)中，另一部分经压缩机(13)加压后进入集热器(2)中，镜场(1)将太阳光聚焦到集热器(2)上，高压二氧化碳经过集热器(2)加热形成高温高压二氧化碳，然后再进入到气化炉(4)中进行气化反应。
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