CN108293656A - 组合式发电厂以及增强农场 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种组合式发电厂以及增强农场。所述组合式发电厂以及增强农场包括发电厂、废气净化设施和增强农场。所述发电厂发电和生成废气流。废气净化设施从所述废气流俘获CO2。所述增强农场从所述废气净化设施接收至少一部分CO2以辅助种植至少一种作物。在必要时，所述增强农场从所述发电厂接收至少一部分电。在另一实施例中，所述废气净化设施还将H2O提供到所述增强农场。在另一实施例中，NOx到肥料转化设施将来自所述废气净化设施的NOx转化为肥料，并将所述肥料提供到所述增强农场。在另一实施例中，气化器或消化器从所述增强农场接收不可食生物质，并将所述不可食生物质转化为供应给所述发电厂的燃料。

Description

组合式发电厂以及增强农场
技术领域
本发明大体涉及发电厂(power plants)，更确切地说，涉及组合式发电厂(例如化石燃料发电厂等等)以及增强农场(例如垂直农场等等)，所述增强农场理想情况下消耗由所述发电厂产生的100％的CO2。
背景技术
世界上每晚有8亿7000万人饿着肚子睡觉(联合国，2012年)，有14亿人超重(世界卫生组织，2008年)，耕地、淡水和肥料都是资源密集型的，显然需要创新的解决方案。1
我们需要解决的四个全球性挑战：
1)肥料使用导致：农田径流(agricultural runoff)和海洋富营养化(eutrophication)；
2)淡水使用：80％的所有淡水用于农业；
3)食品运输导致：大量食品废弃物(food waste)；温室气体排放；以及
4)快速城市化：预期到2050年全球将有100亿人；到2050年，80％为城市人口；从而增大城市中的食品需求。
到2050年，据估计，人口将另外增加30亿人。我们当前的农业占用面积(footprint)为南美洲的大小。要养活将要到来的30亿人，我们将还需要巴西大小的另外的地块。
近年来，世界各地在市场上已出现各种形式的增强农场或垂直农场。这些新的耕种技术将水、日光、空气和土壤等免费资源用于人为创造的室内环境。实例范围从常见的温室到“垂直城市农场”。在后者中，作物(crops)被带入建筑物中，其中人为地(artificially)供应水、养分和照明。垂直耕种存在10个优势：
1)受限的农业径流；
2)一年到头的作物生产；
3)耐(Resilient)气候改变；
4)与开放田地农业相比，使用的水少至达98％；
5)由于在本地生产，较少的食品运输里程；
6)创造新的绿色工作；
7)促进受损生态系统的恢复；
8)对于空闲城市空间是理想的；
9)较高产率和更快的生长速率；以及
10)产生一贯(consistent)、新鲜且在本地的产品。
虽然这些技术以快速速率增长，但其贡献的食品量对于世界人口来说仍然微不足道。个体设备(individual installations)当前相对较小也是事实。
因此，需要一种高级的增强耕种技术，其将提供大量食品给世界人口。
发明内容
提供将提供大量食品给世界人口的高级增强耕种技术的问题通过组合化石燃料发电厂以及增强农场来加以解决，所述增强农场消耗由所述发电厂产生的100％的CO2，使用所述化石燃料发电厂的一部分电且潜在地从所述化石燃料发电厂的废气流俘获水和氮。
根据一个实施例，一种组合式发电厂以及增强农场包括：发电厂，用于发电和生成废气流；废气净化设施(exhaust cleanup facility)，用于从所述废气流俘获CO2；以及增强农场(intensified farm)，其操作性地(operatively)连接到所述发电厂和所述废气净化设施，其中来自所述废气净化设施的至少一部分CO2被提供到所述增强农场以辅助种植至少一种作物。
其中，来自所述发电厂的至少一部分电被提供到所述增强农场以辅助种植所述至少一种作物。
其中，所述废气净化设施进一步将H2O提供到所述增强农场以辅助种植所述至少一种作物。
所述的组合式发电厂以及增强农场进一步包括NOx到肥料转化设施，所述NOx到肥料转化设施操作性地连接到所述废气净化设施和所述增强农场，用于将来自所述废气净化设施的NOx转化为肥料并将所述肥料提供到所述增强农场以辅助种植所述至少一种作物。
所述的组合式发电厂以及增强农场进一步包括从所述增强农场接收不可食生物质(inedible biomass)的气化器(gasifier)或消化器(digester)，且其中所述气化器或消化器将所述不可食生物质转化为燃料并将所述燃料提供到所述发电厂。
其中，所述发电厂包括化石燃料发电厂。
其中，所述发电厂包括燃气涡轮机。
根据一个实施例，一种组合式发电厂以及增强农场包括：发电厂，用于发电和生成废气流；废气净化设施，用于从所述废气流俘获CO2；以及增强农场，其操作性地连接到所述化石燃料发电厂和所述废气净化设施，其中来自所述发电厂的至少一部分电和来自所述废气净化设施的至少一部分CO2提供到所述增强农场以辅助种植至少一种作物。
根据一个实施例，一种组合式发电厂以及增强农场包括发电厂、废气净化设施以及增强农场。发电厂用于发电和生成废气流，废气净化设施用于从所述废气流俘获CO2和H2O；增强农场操作性地连接到所述发电厂和所述废气净化设施；其中来自所述发电厂的至少一部分电和来自所述废气净化设施的至少一部分CO2提供到所述增强农场以辅助种植至少一种作物。
其中，所述废气净化设施进一步将H2O提供到所述增强农场以辅助种植所述至少一种作物。
其中，进一步包括NOx到肥料转化设施，所述NOx到肥料转化设施操作性地连接到所述废气净化设施和所述增强农场，用于将来自所述废气净化设施的NOx转化为肥料并将所述肥料提供到所述增强农场以辅助种植所述至少一种作物。
其中，进一步包括从所述增强农场接收不可食生物质的气化器或消化器，且其中所述气化器或消化器将所述不可食生物质转化为燃料并将所述燃料提供到所述发电厂。
其中，所述发电厂包括化石燃料发电厂。
其中，所述发电厂包括燃气涡轮机。
根据本发明技术的又一实施例，一种组合式发电厂以及增强农场包括：发电厂，用于发电和生成废气流；废气净化设施，用于从所述废气流俘获CO2和H2O；NOx到肥料转化设施，其操作性地连接到所述废气净化设施和所述增强农场，用于将来自所述废气净化设施的NOx转化为肥料；以及增强农场，其操作性地连接到所述发电厂和所述废气净化设施，其中来自所述发电厂的至少一部分电和来自所述废气净化设施的至少一部分CO2和H2O被提供到所述增强农场以辅助种植至少一种作物，以及其中来自所述NOx到肥料转化设施的所述肥料的至少一部分被提供到所述增强农场。
所述的组合式发电厂以及增强农场进一步包括从所述增强农场接收不可食生物质的气化器或消化器，且其中所述气化器或消化器将所述不可食生物质转化为燃料并将所述燃料提供到所述发电厂。
其中，所述发电厂包括化石燃料发电厂。
其中，所述发电厂包括燃气涡轮机。
附图说明
当参考附图阅读下面的具体实施方式时，本发明的实施例的这些和其它特征和方面将变得更好理解，在所有图中类似的标记表示类似的部件，在附图中：
图1是根据本发明的实施例的组合式发电厂(例如化石燃料发电厂)以及增强农场的示例性表示，其中由发电厂生成的一部分CO2被提供到增强农场；
图2是根据本发明的实施例的组合式发电厂(例如化石燃料发电厂)以及增强农场的示例性表示，其中由发电厂生成的一部分CO2和电被提供到增强农场；
图3是根据本发明的实施例的组合式发电厂(例如化石燃料发电厂)以及增强农场的示例性表示，其中由发电厂生成的一部分CO2、H2O和电被提供到增强农场；
图4是根据本发明的实施例的组合式发电厂(例如化石燃料发电厂)以及增强农场的示例性表示，其中由发电厂生成的一部分CO2、H2O、NOx和电被提供到增强农场；以及
图5是根据本发明的实施例的组合式发电厂(例如化石燃料发电厂)以及增强农场的示例性表示，其中由发电厂生成的一部分CO2、H2O、NOx和电被提供到增强农场，且来自增强农场的不可食生物质被提供到气化器或消化器且转化为用于发电厂的燃料。
具体实施方式
除非另有定义，否则本发明所使用的技术和科学术语具有与本发明所属领域的技术人员通常所理解相同的含义。术语“一(a、an)”并不表示对量的限制，而实际上表示存在所提及项目中的至少一个。术语“或”意欲为包括性的，且意指所列项目中的一个、一些或全部。本发明中使用“包括(including、comprising)”或“具有”及其变体意欲涵盖其后列出的项目及其等效物以及额外项目。
现参考图1，其为根据本发明的实施例的大体在10处示出的组合式发电厂以及增强农场的基本示例性表示，其中由发电厂生成的一部分CO2被提供到增强农场。组合式发电厂以及增强农场10包括发电厂12和增强农场14。发电厂12可以包括废热发电(acogeneration)发电厂、煤发电厂、天然气发电厂，等等。在一个实施例中，发电厂12包括使用提供于线(line)15中的化石燃料生成CO2和电的燃气涡轮机、往复式发动机等等。化石燃料15可以包括煤、天然气，等等。在图示的实施例中，增强农场14包括垂直农场，等等。
垂直耕种(Vertical farming)为在垂直堆叠的层、垂直倾斜表面和/或集成在其它结构中而生产食品的做法。垂直耕种的现代构思使用受控环境农业(CEA)技术，其中可以控制所有环境因素。这些设施利用对光、环境控制(湿度、温度、气体...)和滴灌施肥(fertigation)的人工控制。一些垂直农场使用类似于温室的技术，其中可以利用人工照明系统和金属反光镜扩增天然日光。(参见，例如，https://en.wikipedia.org/wiki/ Vertical_farming)。
如图1中所示，增强农场14在线16中从电网(未示出)接收电以提供基本电力到增强农场14，且接收日光17以辅助至少一种作物26的生长。在此实施例中，线16中提供到增强农场14的电不用于作物26生长，而用于提供基本电力到增强农场14。作物26生长所需的能量由日光17提供。因此，由发电厂12生成的所有电在线18中提供到电网(未示出)。在其中发电厂12使用化石燃料15的所图示实施例中，发电厂12还生成废气流20，所述废气流包括CO2和其它气体。废气流20发送到此项技术中熟知类型的废气净化设施22，所述废气净化设施22从废气流20俘获CO2和其它气体。废气净化设施22又在线24中将CO2和其它气体提供到增强农场14以辅助至少一种作物26的生长。结果，在线18中提供到电网的电不具有CO2排放(footprint)。
如上文在组合式发电厂以及增强农场10的基本设计中所描述，由发电厂12生成的至少一部分CO2供应到农场14以辅助一种或多种作物26的生长。在此设计中，农场14消耗由发电厂12产生的至少50％的CO2，且在理想情况下，消耗100％的CO2。作为输出，本发明的组合式发电厂以及增强农场10将电18递送到电网(未示出)而具有零碳排放，且产生大量作物26用于本地消耗。
现参考图2，示出根据本发明的替代实施例的组合式发电厂以及增强农场10。在此实施例中，组合式发电厂以及增强农场10与图1中所示的设计相同，只是添加了以下情况：来自发电厂12的一部分电在线16中提供到增强农场14。线16中的所述部分电可以用来提供人造光(例如发光二极管(LED)等等)以辅助作物26的生长。结果，增强农场14需要较少量的日光17来辅助一种或多种作物26的生长。
现参考图3，示出根据本发明的替代实施例的组合式发电厂以及增强农场10。在此实施例中，组合式发电厂以及增强农场10与图2中所示的设计相同，只是添加了以下情况：来自废气净化设施22的H2O也在线28中提供到增强农场14。结果，增强农场14在线30中需要较少量的水或不需要水来辅助作物26的生长。
现参考图4，示出根据本发明的另一替代实施例的组合式发电厂以及增强农场10。在此实施例中，组合式发电厂以及增强农场10与图3中所示的设计相同，只是添加了以下情况：来自废气净化设施22的硝酸在线32中提供到此项技术中熟知类型的NOx到肥料转化设施34，所述NOx到肥料转化设施将NOx转化为肥料。由设施34生成的肥料在线36中提供到增强农场14。结果，增强农场14在线38中需要较少量的肥料或不需要肥料来辅助作物26的生长。
现参考图5，示出根据本发明的另一替代实施例的组合式发电厂以及增强农场10。在此实施例中，组合式发电厂以及增强农场10与图4中所示的设计相同，只是添加了以下情况：来自农场14的不可食生物质在线40中提供到气化器或消化器42，所述气化器或消化器将不可食生物质转化为燃料。由气化器或消化器42生成的燃料在线44中提供到发电厂12。结果，发电厂12在线15中需要较少量的化石燃料。
对于所有上述实施例，组合式发电厂以及增强农场10的基本概念如下：
●将增强农场14放在陆地成本昂贵的城市中也无关紧要。运输成本相对较低，因此增强农场14可以接近于人口中心，但外部城市限定陆地成本较低廉之处，类似于许多发电厂的厂址。
●室内耕种技术将降低耗水量大于90％，这使得在世界各处皆可生长食品，甚至在最干旱的沙漠中也是如此。
●本发明的实施例中使用化石燃料发电厂(即，天然气或其它化石燃料发电厂)。
●先前研究已显示，增强农场的最主要成本是运行人工照明系统的电，其现在常常由发光二极管(LED)供应。本发明的组合式发电厂以及增强农场10使得由增强农场14生产的作物26的价值能够大于使作物26生长的电16的成本。
●仅生长莴苣或蕃茄不能养活全世界。本发明的组合式发电厂以及增强农场10允许较宽范围的作物存活(viability)。
●通用电气(GE)颜巴赫发动机(Jenbacher engine)靠化石燃料运行，例如天然气、填埋气体、污水气体、生物气、矿场气体(mine gas)、煤气和合成气。存在的现有设备能够净化其废气以提供CO2到番茄温室。可认为GE 9HA燃气涡轮机或煤发电厂的废气的清洁类似地可行。
●大多数现有室内或垂直农场购买其电，因此其支付零售价格。且在组合式热与功率(CHP)应用的GE颜巴赫废热发电的情况下，电成本适中。使增强或垂直农场与GE 9HA燃气涡轮机(尤其在随时可用低廉天然气的国家)配对在较低廉的真实电成本方面提供巨大经济优势。
●在本发明的组合式发电厂以及增强农场10中，可设想“农民”是工业运营者，类似于发电厂运营者或工厂运营者。这是重要的，因为在使用农场帮助平衡负载方面存在待解锁的附加值，因为农场植物可以耐受灯暂时关掉以满足电网需求的周期。
●存在潜在的其它协同作用(synergies)。如下文所描述，确定将来自发电厂12的电和CO2关联到增强农场14的价值。然而，存在两个其它潜在有价值的联系。在线32中由发电厂12产生的NOx可以可行地替换肥料所需的固定氮。如果为此情况，那么燃气涡轮机可以用来有意地最多化NOx，而非最少化NOx。此外，从废气流20俘获NOx意味着可以在线28中冷凝且提供H2O，进而进一步抵消(offsetting)增强农场14的最小耗水量。
在本发明的组合式发电厂以及增强农场10的一个实例中，发电厂12包括GE 9HA燃气涡轮机。在此实例中：
●80英亩室内农场14位置非常接近于9HA发电厂12。
●位于人口中心的100英里内。
●农场14消耗100％的CO2，但仅使用约55％到60％的电。
●其余的电作为无碳电销售到电网，且允许工厂运营者享受提供给其它无碳电源的任何财务激励措施。
●农场14生产广泛范围的作物26，且在一年的每一天都能收获这些作物中的每一个。
●农场14使用的水比传统耕种少90％。
●农场14不使用农药，且使用少得多的肥料。
●农场14使用来自LED的100％人工照明。
在发电厂以及农场极为接近地联系时，存在可以提供的若干混杂作用。此处考虑的将降低作物的碳排放的两个概念为将NOx转化为肥料，以及将生物质废弃物转化为甲烷(methane)。
本发明的一个方面是发电厂12产生用于农场14的所有固氮肥料，如图3中所示。燃气涡轮机产生NOx，其为固定形式的氮。然而，NOx可以利用水从废气流冷凝出来，从而形成硝酸，所述硝酸接着可以馈送到用于处理成肥料的单元中。这将是在本地生产的无碳源(carbon-free source)肥料，从而显著降低食品的碳排放，尤其相对于常规耕种而言。
组合式发电厂以及增强农场10的关键特征是大大地减小与食品生产相关联的温室气体(GHG)排放。为了维持低GHG轮廓(profile)，需要最小化外部材料(例如生长所需的肥料)的量。作为燃烧过程的部分而产生的NOx基本上执行第一步骤以将大气N2固定成可用于作物生长的形式。其余步骤涵盖电解(electrolytic)技术。
在一个实施例中，所述技术将由以下步骤组成：1)从烟道气洗去(scrubbing)NOx以形成包括NO/N2化合物的水溶液；2)NOx氧化将经由从电化学电池(electrochemicalcell)中的阳极的直接或间接电子转移而发生。洗涤流体中的NOx将被引导穿过电池；3)使用电解氧化完成NOx到氮的转化，其中电化学电池的操作功率由来自发电厂12的不用于农场操作的过剩功率来提供；4)由NOx物质的电解氧化形成的NO3可以作为盐(例如，Ca(NO2)2)沉淀，或经由隔膜处理(membrane process)而浓集且直接馈送到作物生产操作中。假定此处理可以有效地执行，那么农场14的整个氮要求可以由发电厂12中产生的NOx满足且通过过剩能量操作。
将了解，本发明不受用来将NOx转化为肥料的技术限制，且本发明可以与任何合乎需要的工艺一起使用以将来自发电厂12的NOx转化为肥料供农场14使用。
农场操作的此特征将大大降低食品产品的GHG排放，并且消除可能由于略有不同的技术而需要减量的空气污染物。与本发明相比，空气质量控制系统对于整个系统将为寄生的(parasitic)(即，需要能量，而不产生对于农场操作有价值的产品)。
存在额外的可能碳益处。垂直农场将取决于生长的作物而产生一定量的生物质。此生物质可以经由消化器处理，且转化成可以在燃气涡轮机中燃烧的甲烷。生物质能量转化很好了解，但较不经济。生物质的不良经济性的一个促成因素是以下事实：生物质在常规农场中扩散(spread)在非常大量的陆地上，且需要收集并运输到消化器。此外，因为大多数作物是季节性的，因此不存在稳定的生物质原料流，且由此消化器燃料需要提供给发电厂。
然而，图4中所示的组合式发电厂以及增强农场10改变了这一切。生物质在紧凑度大于100倍的陆地占用面积上产生，从而几乎消除了在长距离上运输生物质的需要。此外，因为不存在季节性，因此可以管理作物以较连续地产生生物质原料。最后，消化器可以就位于发电厂处。基本上，这允许工厂回收生物质中的一些变为燃料。团队尚未计算可能的生物质到甲烷转化量，也没有计算这样做的经济性。然而，如果生物质不断变得价格实惠，这很可能是最为价格实惠的方法。
本发明的组合式发电厂以及增强农场10存在其它次要益处。一些益处包括：
●食品安全性。坦诚地说，国际贸易非常高效，并将作物运往世界各地的成本实际上相当低，且我们知道，所有国家都珍视某种程度的食品安全性。国家愿意花费多大成本来增大其食品安全性尚不明朗。
●从收获到餐桌的短循环。基本上，这种形式的耕种允许更多人在一年的每一天享用完全新鲜的产品。不存在长期储存或长运送时间的需要。每个人每天都可以吃到当日采摘的蔬菜或水果。可能在市场上由于此类新鲜度而存在价格附加值，对于像蕃茄、玉米和一些水果一样的作物尤其如此，其中通常为了获得耐久性而牺牲了质量。此循环的持续时间取决于围绕农场形成的分配网络。
●无碳电的价格。因为组合式GE 9HA燃气涡轮机以及增强农场10确实生产净电而不具有碳排放，因此有可能在未来进行立法以给予此电优于碳排放形式的电的价格优势。
●现有补贴对粮食作物的影响。玉米是尤其切题的实例。如果作物的价格全部是基于真实成本，那么更多作物可能比此处显示的更为经济。相反，我们可以在分析中应用对每一种作物的现有补贴来更准确地反映作物的净成本。
虽然本发明中仅说明及描述本发明的某些特征，但所属领域的技术人员将想到许多修改和改变。因此，应了解，所附权利要求书希望涵盖如属于本发明的真实精神内的所有此类修改和改变。

Claims (10)

1.一种组合式发电厂以及增强农场，包括：
发电厂，用于发电和生成废气流；
废气净化设施，用于从所述废气流俘获CO2；以及
增强农场，其操作性地连接到所述发电厂和所述废气净化设施；
其中来自所述废气净化设施的至少一部分CO2被提供到所述增强农场以辅助种植至少一种作物。
2.根据权利要求1所述的组合式发电厂以及增强农场，其特征在于：来自所述发电厂的至少一部分电被提供到所述增强农场以辅助种植所述至少一种作物。
3.根据权利要求1所述的组合式发电厂以及增强农场，其特征在于：所述废气净化设施进一步将H2O提供到所述增强农场以辅助种植所述至少一种作物。
4.一种组合式发电厂以及增强农场，包括：
发电厂，用于发电和生成废气流；
废气净化设施，用于从所述废气流俘获CO2和H2O；以及
增强农场，其操作性地连接到所述发电厂和所述废气净化设施；
其中来自所述发电厂的至少一部分电和来自所述废气净化设施的至少一部分CO2被提供到所述增强农场以辅助种植至少一种作物。
5.根据权利要求4所述的组合式发电厂以及增强农场，其特征在于：所述废气净化设施进一步将H2O提供到所述增强农场以辅助种植所述至少一种作物。
6.根据权利要求1或4所述的组合式发电厂以及增强农场，其特征在于：进一步包括NOx到肥料转化设施，所述NOx到肥料转化设施操作性地连接到所述废气净化设施和所述增强农场，用于将来自所述废气净化设施的NOx转化为肥料并将所述肥料提供到所述增强农场以辅助种植所述至少一种作物。
7.一种组合式发电厂以及增强农场，包括：
发电厂，用于发电和生成废气流；
废气净化设施，用于从所述废气流俘获CO2和H2O；以及
NOx到肥料转化设施，其操作性地连接到所述废气净化设施和所述增强农场，用于将来自所述废气净化设施的NOx转化为肥料；以及
增强农场，其操作性地连接到所述发电厂和所述废气净化设施；
其中来自所述发电厂的至少一部分电和来自所述废气净化设施的至少一部分CO2和H2O被提供到所述增强农场以辅助种植至少一种作物，以及
其中来自所述NOx到肥料转化设施的所述肥料的至少一部分被提供到所述增强农场。
8.根据权利要求1或4或7所述的组合式发电厂以及增强农场，其特征在于：进一步包括从所述增强农场接收不可食生物质的气化器或消化器，且其中所述气化器或消化器将所述不可食生物质转化为燃料并将所述燃料提供到所述发电厂。
9.根据权利要求1或4或7所述的组合式发电厂以及增强农场，其特征在于：所述发电厂包括化石燃料发电厂。
10.根据权利要求1或4或7所述的组合式发电厂以及增强农场，其特征在于：所述发电厂包括燃气涡轮机。
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