CN108507188B - 一种基于太阳能集成富氧燃烧与化学链燃烧的热电联产系统及其工作方法 - Google Patents

一种基于太阳能集成富氧燃烧与化学链燃烧的热电联产系统及其工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于太阳能集成富氧燃烧与化学链燃烧的热电联产系统及其工作方法，该系统是将太阳能热化学过程和燃料动力循环的有机耦合，实现太阳能的阶梯利用，一方面还原后的载氧体将太阳能转化为化学能储存在载氧体蓄热器中，为化学链燃烧提供必要的热能，一方面利用光照下微藻光合作用吸收CO2释放O2的特点，为富氧燃烧提供纯净的O2，为空气反应器提供二次风。此外，通过将富氧燃烧系统与化学链燃烧系统进行互补整合，实现了燃料的合理高效利用，同时利用富氧燃烧与化学链燃烧产生的纯净的CO2推动透平来发电供热，既解决了因捕集分离CO2而造成的高能耗高成本问题，又能有效利用CO2烟气余热。

Description

一种基于太阳能集成富氧燃烧与化学链燃烧的热电联产系统 及其工作方法
技术领域
本发明涉及一种控制CO2排放的基于太阳能且集成富氧燃烧与化学链燃烧的热电联产系统及其工作方法，属于太阳能热发电和能源技术领域。
背景技术
自从工业文明以来，地球大气中的CO2浓度由于人类的生产活动而急剧上升。CO2作为一种典型的温室气体，直接导致温室效应。目前，CO2的减排可通过调整能源结构和提高能源转化及利用效率实现。
从调整能源结构的角度来看，可再生能源尤其是太阳能是当前人们尤其关注的。当前，太阳能利用技术的主要方向是太阳能光电转化与光热转化。然而，由于太阳能储能困难，所以在相当长一段时间内，太阳能完全替代化石燃料仍无法实现。此外，人类对太阳能利用的发展方向还有植物(比如微藻)的光合作用，植物光合作用可以大量地吸收二氧化碳，然后释放出新鲜氧气，这个过程可以固定大量二氧化碳，对于二氧化碳减排这一全球性问题的解决具有重要的潜在意义，并且诸如小球藻之类的微藻，除了改善生态环境外，也可以用于处理工业废水和城市污水。
从能源结构角度来看，由于短期内人类以化石能源为主要能源的形势不会改变，尤其是我国，煤炭从储量构成到能源消费体系都占绝对主导地位，如何使能源系统环境友好且在分离CO2的同时提高系统利用效率，是控制CO2排放的能源系统研究的主要目的。
富氧燃烧技术是采用高浓度氧气(95％及以上)代替空气与燃料进行燃烧，同时将大部分烟气(约70％)循环来调节炉膛内绝热火焰温度的一种高效清洁技术。富氧燃烧技术将传统电厂与空气分离单元和烟气处理单元相结合，是生产高纯度二氧化碳并最终控制二氧化碳排放的有效方法。在富氧燃烧技术中，由于燃料在一个低N2高二氧化碳和水的气氛中燃烧，所以生成烟气主要由二氧化碳和水蒸气组成，经过较为简单的后处理即可得到高纯度的二氧化碳产品。
化学链燃烧是一种新型燃烧技术，燃料不直接与空气接触燃烧，而是通过载氧体在空气反应器和燃料反应器之间的交替氧化-还原反应，实现氧的转移，完成燃料化学能的转化过程。由于燃料反应器中，燃料与固体氧载体颗粒反应，从燃料反应器中出来的H2O和CO2没有被N2稀释，CO2浓度较高，不需要专门的CO2分离设备，经过简单的冷凝除去其中的水蒸气即可得到几乎纯净的CO2，实现了零能耗分离CO2，同时由于燃料品位降低到被还原后的金属单质(或低价金属氧化物)的品位，使得燃烧损失降低，提高了燃料燃烧的效率。
由于富氧燃烧和化学链燃烧具有较好的CO2减排效果及较高的燃烧效率，因此基于太阳能将富氧燃烧、化学链燃烧与热力循环耦合的燃烧动力系统突破了能源系统控制CO2分离的技术难题，提高了太阳能和化学能的转化利用，降低了CO2分离的投资和能耗。
发明内容
本发明的目的之一是为了解决上述的传统富氧燃烧需要大规模空分制氧，投资大、能耗高，使得富氧燃烧系统经济性和能源利用效率下降等技术问题而提供一种基于太阳能集成富氧燃烧和化学链燃烧的热电联产系统，该热电联产系统，不仅可以使富氧燃烧系统经济性和能源利用效率提高，同时能够缓解化学链燃烧中载氧体颗粒易烧结等技术问题，并且能够以低成本、低能耗捕集CO2，加以循环利用。此外，提高太阳能和化学能的转化利用，降低了CO2分离的投资和能耗。
本发明的目的之二在于提供上述的一种基于太阳能集成富氧燃烧和化学链燃烧的热电联产系统的工作方法。
本发明的技术方案之一
一种基于太阳能集成富氧燃烧和化学链燃烧的热电联产系统包括太阳能利用系统、富氧燃烧系统、化学链燃烧系统、热电发生系统、隔墙和CO2储存装置；所述的CO2储存装置包括两个输入口和一个输出口；
所述太阳能利用系统由太阳能集热装置与微藻培养装置组成，其中所述太阳能集热装置由低聚光比的抛物槽式集热器与载氧体蓄热器组成；
所述的微藻培养装置是对微藻，如绿藻、蓝藻等进行大规模培养的装置，即所述微藻培养装置是利用藻类光合作用，进而产生O2的培养池，微藻是一种光利用度极高的植物，所述微藻培养装置能替代成本高昂的空分装置，为下面的富氧燃烧提供纯净的O2；同时也可以作为二次风通入空气反应器，减少载氧体蓄热器中金属载氧体的烧结；
进一步的，微藻光合作用发生在叶绿体上，反应方程式如下，(CH2O)表示糖类，
Figure BDA0001595418070000031
所述微藻培养装置有3个接口，分别是培养液输入口、O2输出口、CO2输入口；
本发明的实施例中所述微藻培养装置中所用的微藻培养液是利用城市污水或工业废水进行配制所得的微藻培养液(城市污水可取自上海白龙港污水处理厂，工业废水可取自工业园区污水处理厂)，最终所得的微藻培养液，按每升计算，含有NaHCO3(4.5g)、MgSO4(0.2g)、NaNO3(1.5g)、CaCl2(0.04g)、FeSO4(0.01g)、K2SO4(1.0g)，余量为城市污水或工业废水；
本发明的实施例中所述微藻培养装置中所用的微藻为能在工业浓盐水中生长的盐水藻或能在城市污水中生长的淡水藻如小球藻等，盐水藻可以取自中西部高原荒漠的大小盐湖中，小球藻取自泉州小球藻生产基地；
所述的低聚光比的抛物槽式集热器在太阳能充足的情况下，聚集中温太阳热能作为热源，将太阳能转变为还原态金属载氧体MxOz的化学能储存到载氧体蓄热器中，通过载氧体蓄热器为空气反应器提供所需的还原态金属载氧体MxOz(注：MxOy为氧化态的金属载氧体；MxOz为还原态的金属氧化物载氧体)；
所述的低聚光比的抛物槽式集热器包括导热油出口和导热油回流口；
所述的载氧体蓄热器包括2个侧面入口、1个底部出口和1个侧面出口；
所述低聚光比的抛物槽式集热器的导热油出口通过管道S171与载氧体蓄热器10的1个侧面入口相连，载氧体蓄热器的1个侧面出口通过管道S172与低聚光比的抛物槽式集热器的导热油回流口相连；
所述富氧燃烧系统由预热器、锅炉、烟气净化冷凝器组成，所述预热器3包括两个入口、两个出口；
所述的烟气净化冷凝器包括一个入口、一个出口和一个底部排放口，该底部排放口连接管道S7；
所述化学链燃烧系统包括空气反应器、燃料反应器及旋风分离器，所述的空气反应器包括4个接口，分别为底部一次风入口、底部侧面的二次风入口、底部侧面的载氧体入口和顶部侧面出口，该底部一次风入口连接有管道S16；
所述的燃料反应器包括5个接口，分别为底部燃料进口、底部侧面的固体废渣出口、底部侧面的载氧体出口、顶部气体输出口、顶部的载氧体入口；
所述的旋风分离器包括3个接口，分别为侧面切线入口、顶部气体出口和底部料腿；
所述富氧燃烧系统的预热器与化学链燃烧系统的空气反应器通过隔墙周边密封连接，所述的隔墙由铝硅耐热球铁RQTAl5SI5制成，厚度3mm，四周用高温耐火砖密封，以保证在设备运行过程中，将空气反应器中产生的热量以热传导方式传递给预热器；
所述的微藻培养装置的O2输出口经阀门与管道S1的一端相连，管道S1的另一端分为两路，一路通过管道S1.1与所述预热器的一个入口相连，另一路通过管道S1.2与空气反应器的底部侧面的二次风入口连接；
所述的空气反应器的底部侧面的载氧体入口通过管道S15与载氧体蓄热器的底部出口相连，空气反应器的顶部侧面出口与旋风分离器的侧面切线入口通过管道连接；
所述的旋风分离器的顶部气体出口通过管道S18与预热器的另一个入口进行连接，旋风分离器的底部料腿与燃料反应器的顶部的载氧体入口相连；
所述的燃料反应器的底部侧面的载氧体出口与上述载氧体蓄热器的另一个侧面入口连接；
所述的燃料反应器的底部燃料进口连接管道S14，通过管道S14向燃料反应器中添加燃料；
所述的热电发生系统由低温预热器、高温预热器、CO2压缩机、一级透平机、二级透平机、余热锅炉和发电机组成；
所述的预热器的一个出口通过管道S2与锅炉的入口相连，预热器的另一个出口连接管道S19；
所述的锅炉的出口通过管道S3与烟气净化冷凝器的入口相连，管道S3上设有一支路管道S3.1与管道S1.1合并一同进入到预热器3中；
所述的烟气净化冷凝器的出口与管道S4的一端相连，管道S4的另一端分为两路，一路通过管道S4.1与CO2储存装置的一个入口相连，另一路通过管道S4.2与微藻培养装置的培养液输入口相连；
所述的CO2储存装置的另一个入口通过管道S12与余热锅炉的出口端相连，CO2储存装置的出口端与微藻培养装置的CO2输入口通过管道S5连接；
所述的燃料反应器底部侧面的固体废渣出口连接的管道S13与来自烟气净化冷凝器输出灰硫成分的管道S4.2汇合后与微藻培养装置的培养液输入口连接；
所述的燃料反应器的顶部气体输出口通过管道S6与低温预热器的入口相连、低温预热器的出口通过管道S8与高温预热器的入口相连，高温预热器的出口通过管道S9与CO2压缩机的输入端连通；
所述的CO2压缩机的输出端通过管道S10与一级透平机的输入端连接，所述一级透平机的输出端分成两路，一路通过管道S10.1与高温预热器的输入端相连、一路通过管道S11与二级透平机的输入端连接；
此外，所述一级透平机与发电机连接，带动发电机给用户供电，所述二级透平机的输出端分成两路，一路通过管道S11.2与余热锅炉的输入端连通，一路通过管道S11.1与烟气净化冷凝器的底部排放口连接的管道S7、燃料反应器的顶部气体输出口连接的管道S6、二级透平机的输出端管道S11.1交叉汇合后共同与低温预热器的入口相连。
进一步，所述的热电发生系统还可以是由低温预热器、高温预热器、CO2压缩机、一级透平机、二级透平机、蒸发器、压缩机、冷凝器、节流阀组成，其机理只是为用户提供制冷。
本发明的技术方案之二
上述的一种基于太阳能集成富氧燃烧和化学链燃烧的热电联产系统充分利用太阳能，将富氧燃烧系统与化学链燃烧系统进行互补整合，实现了燃料的合理高效利用，同时利用富氧燃烧与化学链燃烧产生的纯净的CO2推动透平发电及供热，其工作方法按气体流动划分为4个过程，具体如下：
1、太阳能利用过程
来自烟气净化冷凝器的通过管道S4输出的CO2与余热锅炉通过管道S12输出的CO2进入CO2储存装置，CO2储存装置中的CO2通过输出管道S5将CO2输出到微藻培养装置的CO2输入通道进入微藻培养装置的底部，微藻培养装置中的微藻在有H2O、CO2和光照的情况下进行光合作用，释放出O2，微藻培养装置输出的O2通过O2输出管道S1.1、S1.2分别进入富氧燃烧系统中的预热器及化学链燃烧系统中的空气反应器中；
此外，在太阳能充足的情况下，低聚光比的抛物槽式集热器集热，导热油吸收中温太阳能的热量达到400℃，进入载氧体蓄热器与金属载氧体MxOz换热，吸热后200℃-300℃的MxOz将太阳能转变为它的化学能储存到载氧体蓄热器中，同时冷却后150℃的导热油回到集热器中；
2、富氧燃烧过程
微藻培养装置输出的O2包含两部分，其中一部分通过管道S1.2作为二次风进入空气反应器，一部分通过管道S1.1与锅炉尾部通过管道S3.1输出的循环烟气进行混合进入预热器进行预热，预热器的热源来自空气反应器透过隔墙传递的热量与旋风分离器分离并经管道S18输入的高温烟气(主要包含N2、O2等)热量的总和；
预热后450℃的O2(包括少量CO2)通过管道S2进入锅炉，与燃料进行燃烧反应，锅炉的尾部产生的150℃烟气(主要包含CO2)一部分通过管道S3.1循环进入预热器，一部分进入烟气净化冷凝装置进行净化，净化后烟气中的灰、硫成分通过管道S4.2进入微藻培养装置中充当藻类培养的营养成分；净化后所得的纯净CO2包含两部分，一部分通过管道S4.1进入CO2储存装置，便于藻类光合作用，另一部分通过管道S7、管道S8进入低温预热器、高温预热器进行预热，再通过管道S9进入CO2压缩机进行高压压缩；
3、化学链燃烧过程
还原态金属载氧体MxOz与导热油进行换热后，将太阳能转化为化学能储存起来，从载氧体蓄热器通过管道S15进入空气反应器中，分别与来自管道S16的一次风和通过管道S1.2输入的二次风发生氧化反应，氧化后的金属载氧体MxOy温度达到900℃，在烟气的携带下进入旋风分离器中；
旋风分离器中实现气固分离后得到550℃的烟气(主要包含N2及少量O2)通过管道S18进入预热器与通过管道S1.1与S3.1进入预热器的O2进行换热，冷却后的烟气通过管道S19排入大气中；旋风分离器中旋风分离得到的固体颗粒通过底部料腿进入燃料反应器发生还原反应，得到的还原态金属载氧体MxOz通过燃料反应器底部侧面的载氧体输出口进入载氧体蓄热器，从而完成还原态金属载氧体MxOz的一次循环；
燃料反应器顶部输出端650℃烟气(CO2/H2O)通过管道S6、S8、S9依次通过低、高温预热器的预热及CO2压缩机的高压压缩，进入一级透平机；此外，燃料反应器底部的固体废渣通过S13定期收集，作为微藻培养的营养成分使用；
所述空气反应器的温度为850℃-1050℃，所述燃料反应器的温度为750℃-850℃；
4、热电发生过程
来自烟气净化冷凝器、燃料反应器的CO2气体(包括少量H2O，注：热电联产系统中的CO2气体均包含少量H2O)分别通过管道S7、S6，与来自二级透平的通过管道S11.1输送来的CO2混合后进入低温预热器进行低温预热后生成700℃的烟气(包含CO2、H2O)，再通过管道S8进入高温预热器进行高温预热生成750℃的烟气，然后再通过管道S9进入CO2压缩机进行高压压缩，得到的压力20MPa、温度850℃的烟气再进入一级透平机做功，从一级透平机抽出的部分烟气通过管道S10.1与低温预热器输出管道S8中的CO2进行混合后一起进入高温预热器中，一级透平机抽出的剩余部分的CO2气体进入二级透平机，同时所述一级透平机带动发电机发电，供用户使用；
从二级透平机抽出的CO2气体分为两部分，一部分通过管道S11.1与通过管道S6、S7输送出的CO2气体汇合，一同进入低温预热器，另外一部分CO2气体通过S11.2进入余热锅炉给用户供热，余热锅炉输出端的CO2气体通过管道S12进入CO2储存装置进行储存，以供太阳能利用系统的微藻培养装置中微藻光合作用使用。
本发明的有益技术效果
本发明的一种基于太阳能集成富氧燃烧和化学链燃烧的热电联产系统，相对于传统的富氧燃烧系统来讲，传统的富氧燃烧系统需要大规模空分制氧，投资大、能耗高，使得富氧燃烧系统经济性和能源利用效率下降，而本发明的基于太阳能集成富氧燃烧和化学链燃烧的热电联产系统采用微藻培养装置产生O2，无需设置空分单元，从而减少了设备投资，降低了系统能耗；并且微藻光合作用所制O2可以作为二次风通入空气反应器，减少金属载氧体的烧结。
进一步，本发明的一种基于太阳能集成富氧燃烧和化学链燃烧的热电联产系统，除了利用微藻光合作用外，还利用太阳能集热器吸收太阳能转化为金属载氧体的化学能储存起来，为空气反应器内的反应提供必要的热量，实现了太阳能的阶梯利用。并且，所采用的太阳能集热器采用抛物槽式聚光结构，结构简单，制造和运行成本较低，有利于大规模的推广和应用。
进一步，本发明的一种基于太阳能集成富氧燃烧和化学链燃烧的热电联产系统，通过将富氧燃烧系统与化学链燃烧系统进行互补整合，实现了燃料的合理高效利用，同时利用富氧燃烧与化学链燃烧产生的纯净的CO2推动透平来发电供热，既解决了因捕集分离CO2而造成的高能耗高成本问题，又能有效利用CO2烟气余热。
综上所述，本发明中，在太阳光照的情况下，载氧体将太阳能转化为化学能储存在载氧体蓄热器中，为化学链燃烧提供热量；此外，微藻的光合作用会吸收大量的CO2释放出大量的O2，一方面为富氧燃烧提供纯净的O2，一方面为空气反应器提供二次风。本发明将富氧燃烧系统与化学链燃烧系统有机耦合，利用两系统产生的较为纯净的CO2推动透平发电供热，既解决了因捕集分离CO2而造成的高能耗问题，又能有效利用CO2余热。即本发明的一种基于太阳能集成富氧燃烧和化学链燃烧的热电联产系统，基于太阳能利用将富氧燃烧系统与化学链燃烧系统进行了整合集成，实现了物料的循环利用，富氧燃烧系统及化学链燃烧系统所产生的固体废渣包含微藻培养所必须的营养成分，可作循环利用；同时富氧燃烧系统和热电发生系统所产生的CO2也可作为微藻光合作用的反应物。
附图说明
图1、实施例1中的基于太阳能集成富氧燃烧与化学链燃烧的热电联产系统的结构示意图，其中1为微藻培养装置、2为旋风分离器、3为预热器、4为隔墙、5为空气反应器、6为锅炉、7为烟气净化冷凝器、8为CO2储存装置、9为燃料反应器、10为载氧体蓄热器、11为低温预热器、12为高温预热器、13为CO2压缩机、14为一级透平机、15为发电机、16为二级透平机、17为余热锅炉、18为抛物槽式集热器；
图2、对照实施例1的太阳能耦合富氧燃烧的热电联产系统的结构示意图，其中1为微藻培养装置、3为预热器、6为锅炉、7为烟气净化冷凝器、8为CO2储存装置、11为低温预热器、12为高温预热器、13为CO2压缩机、14为一级透平机、15为发电机、16为二级透平机、17为余热锅炉。
具体实施方式
下面通过具体的实施例并结合附图对本发明进行详细的说明，但不限制本发明。
实施例1
一种基于太阳能集成富氧燃烧和化学链燃烧的热电联产系统，其结构示意图如图2所示，该系统包括太阳能利用系统、富氧燃烧系统、化学链燃烧系统、热电发生系统、隔墙4和CO2储存装置8，所述的CO2储存装置8包括两个输入口和一个输出口；
所述太阳能利用系统由太阳能集热装置与微藻培养装置组成，其中所述太阳能集热装置由低聚光比的抛物槽式集热器与载氧体蓄热器组成；
所述的低聚光比的抛物槽式集热器18包括导热油出口和导热油回流口；
所述微藻培养装置有3个接口，分别是培养液输入口、O2输出口、CO2输入口；
所述的载氧体蓄热器包括2个侧面入口、1个底部出口和1个侧面出口；
所述微藻培养装置中所用的微藻培养液是利用城市污水(城市污水取自上海白龙港污水处理厂，工业废水可取自工业园区污水处理厂)进行配制所得的微藻培养液，最终所得的微藻培养液，按每升计算，含有NaHCO3(4.5g)、MgSO4(0.2g)、NaNO3(1.5g)、CaCl2(0.04g)、FeSO4(0.01g)、K2SO4(1.0g)，余量为城市污水；
所述微藻培养装置培养的微藻为能在城市污水中生长的淡水藻，所述的淡水藻为小球藻，取自泉州小球藻生产基地；
所述低聚光比的抛物槽式集热器18的导热油出口通过管道S171与载氧体蓄热器10的1个侧面入口相连，载氧体蓄热器10的1个侧面出口通过管道S172与低聚光比的抛物槽式集热器18的导热油回流口相连；
所述富氧燃烧系统由预热器3、锅炉6、烟气净化冷凝器7组成，所述预热器3包括两个入口、两个出口，所述的烟气净化冷凝器7包括一个入口、一个出口和一个底部排放口，烟气净化冷凝器7的底部排放口连接管道S7；
所述化学链燃烧系统包括空气反应器5、燃料反应器9及旋风分离器2，所述的空气反应器5包括4个接口，分别为底部一次风入口、底部侧面的二次风入口、底部侧面的载氧体入口和顶部侧面出口，该底部一次风入口连接有管道S16；
所述的燃料反应器9包括5个接口，分别为底部燃料进口、底部侧面的固体废渣出口、底部侧面的载氧体出口、顶部气体输出口、顶部的载氧体入口；
所述的旋风分离器2包括3个接口，分别为侧面切线入口、顶部气体出口和底部料腿；
所述富氧燃烧系统的预热器3与化学链燃烧系统的空气反应器5通过隔墙4周边密封连接，所述的隔墙由铝硅耐热球铁RQTAl5SI5制成，厚度3mm，四周用高温耐火砖密封，以保证在设备运行过程中，将空气反应器5中产生的热量以热传导方式传递给预热器3；
所述微藻培养装置的O2输出口经阀门与管道S1的一端相连，管道S1的另一端分为两路，一路通过管道S1.1与所述预热器5的一个入口相连，另一路通过管道S1.2与空气反应器5的底部侧面的二次风入口连接；
所述空气反应器5的底部侧面的载氧体入口通过管道S15与载氧体蓄热器10的底部出口相连，空气反应器5的顶部侧面出口与旋风分离器2的侧面切线入口通过管道连接；
所述旋风分离器2的顶部气体出口通过管道S18与预热器3的另一个入口进行连接，旋风分离器2的底部料腿与燃料反应器9的顶部的载氧体入口相连；
所述的燃料反应器9的底部侧面的载氧体出口与上述载氧体蓄热器10的另一个侧面入口连接；
所述燃料反应器9的底部燃料进口连接管道S14，通过管道S14向燃料反应器9中添加燃料；
所述热电发生系统由低温预热器11、高温预热器12、CO2压缩机13、一级透平机14、二级透平机16、余热锅炉17和发电机15组成；
所述预热器3的一个出口通过管道S2与锅炉6的入口相连，预热器3的另一个出口连接管道S19；
所述锅炉6的出口通过管道S3与烟气净化冷凝器7的入口相连，管道S3上设有一支路管道S3.1与管道S1.1合并一同进入到预热器3中；
所述烟气净化冷凝器7的出口与管道S4的一端相连，管道S4的另一端分为两路，一路通过管道S4.1与CO2储存装置8的一个入口相连，另一路通过管道S4.2与微藻培养装置1的培养液输入口相连；
所述CO2储存装置8的另一个入口通过管道S12与余热锅炉17的出口端相连，CO2储存装置8的出口端与微藻培养装置1的CO2输入口通过管道S5连接；
所述燃料反应器9底部侧面的固体废渣出口连接的管道S13与上述管道S4.2汇合后与微藻培养装置1的培养液输入口连接；
所述燃料反应器9的顶部气体输出口通过管道S6与低温预热器11的入口相连、低温预热器11的出口通过管道S8与高温预热器12的入口相连，高温预热器12的出口通过管道S9与CO2压缩机13的输入端连通；
所述CO2压缩机13的输出端通过管道S10与一级透平机14的输入端连接，所述一级透平机14的输出端分成两路，一路通过管道S10.1与高温预热器12的输入端相连、一路通过管道S11与二级透平机16的输入端连接；
此外，所述一级透平机14与发电机15连接，带动发电机15给用户供电；
所述二级透平机16的输出端分成两路，一路通过管道S11.2与余热锅炉17的输入端连通；一路通过管道S11.1与烟气净化冷凝器7的底部排放口连接的管道S7、燃料反应器9的顶部气体输出口连接的管道S6交叉汇合后共同与低温预热器11的入口相连。
上述的一种基于太阳能集成富氧燃烧和化学链燃烧的热电联产系统充分利用太阳能，将富氧燃烧系统与化学链燃烧系统进行互补整合，实现了燃料的合理高效利用，同时利用富氧燃烧与化学链燃烧产生的纯净的CO2推动透平发电供热，其工作原理按照结构及气体流动划分为4个部分，具体如下：
1、太阳能利用过程
来自烟气净化冷凝器7的通过管道S4输出的CO2与余热锅炉17通过管道S12输出的CO2进入CO2储存装置8，CO2储存装置8中的CO2通过输出管道S5将CO2输出到微藻培养装置1的CO2输入通道进入微藻培养装置1的底部，微藻培养装置1中的微藻在有H2O、CO2和光照的情况下进行光合作用，释放出O2，微藻培养装置1输出的O2通过O2输出管道S1.1、S1.2分别进入富氧燃烧系统中的预热器3及化学链燃烧系统中的空气反应器5中；
此外，在太阳能充足的情况下，低聚光比的抛物槽式集热器18集热，导热油吸收中温太阳能的热量达到400℃，进入载氧体蓄热器10与金属载氧体MxOz换热，吸热后200℃-300℃的MxOz将太阳能转变为它的化学能储存到载氧体蓄热器10中，同时冷却后150℃的导热油回到集热器18中；
2、富氧燃烧过程
微藻培养装置1输出的O2包含两部分，其中一部分通过管道S1.2作为二次风进入空气反应器5，一部分通过管道S1.1与锅炉6尾部通过管道S3.1输出的循环烟气进行混合进入预热器3进行预热，预热器3的热源来自空气反应器5透过隔墙4传递的热量与旋风分离器2分离并经管道S18输入的高温烟气(主要包含N2、O2等)热量的总和；
预热后450℃的O2(包括少量CO2)通过管道S2进入锅炉6，与燃料进行燃烧反应，锅炉6的尾部产生的150℃烟气(主要包含CO2)一部分通过管道S3.1循环进入预热器3，一部分进入烟气净化冷凝装置7进行净化，净化后烟气中的灰、硫成分通过管道S4.2进入微藻培养装置1中充当藻类培养的营养成分；净化后所得的纯净CO2包含两部分，一部分通过管道S4.1进入CO2储存装置8，便于藻类光合作用，另一部分通过管道S7、管道S8进入低温预热器11、高温预热器12进行预热，再通过管道S9进入CO2压缩机13进行高压压缩；
3、化学链燃烧过程
还原态金属载氧体MxOz与导热油进行换热后，将太阳能转化为化学能储存起来，从载氧体蓄热器10通过管道S15进入空气反应器5中，分别与来自管道S16的一次风和通过管道S1.2输入的二次风发生氧化反应，氧化后的金属载氧体MxOy温度达到900℃，在烟气的携带下进入旋风分离器2中；
旋风分离器2中实现气固分离后得到550℃的烟气(主要包含N2及少量O2)通过管道S18进入预热器3与通过管道S1.1与S3.1进入预热器3的O2进行换热，冷却后的烟气通过管道S19排入大气中；旋风分离器2中旋风分离得到的固体颗粒通过底部料腿进入燃料反应器9发生还原反应，得到的还原态金属载氧体MxOz通过燃料反应器9底部侧面的载氧体输出口进入载氧体蓄热器10，从而完成还原态金属载氧体MxOz的一次循环；
燃料反应器9顶部输出端650℃烟气(CO2/H2O)通过管道S6、S8、S9依次通过低、高温预热器11、12的预热及CO2压缩机13的高压压缩，进入一级透平机14；此外，燃料反应器9底部的固体废渣通过S13定期收集，作为微藻培养的营养成分使用；
所述空气反应器5的温度为950℃，所述燃料反应器9的温度为800℃；
4、热电发生过程
来自烟气净化冷凝器7、燃料反应器9的CO2气体(包括少量H2O，注：热电联产系统中的CO2气体均包含少量H2O)分别通过管道S7、S6，与来自二级透平16的通过管道S11.1输送来的CO2混合后进入低温预热器11进行低温预热后生成700℃的烟气(包含CO2、H2O)，再通过管道S8进入高温预热器12进行高温预热生成750℃的烟气，然后再通过管道S9进入CO2压缩机13进行高压压缩，得到的压力20MPa、温度850℃的烟气再进入一级透平机14做功，从一级透平机14抽出的部分烟气通过管道S10.1与低温预热器11输出管道S8中的CO2进行混合后一起进入高温预热器12中，一级透平机14抽出的剩余部分的CO2气体进入二级透平机16，同时所述一级透平机16带动发电机15发电，供用户使用；
从二级透平机16抽出的CO2气体分为两部分，一部分通过管道S11.1与通过管道S6、S7输送出的CO2气体汇合，一同进入低温预热器11，另外一部分CO2气体通过S11.2进入余热锅炉17给用户供热，余热锅炉17输出端的CO2气体通过管道S12进入CO2储存装置8进行储存，以供太阳能利用系统的微藻培养装置1中微藻光合作用使用。
对照实施例1
一种太阳能耦合富氧燃烧系统的热电联产系统，其结构示意图如图2所示，该系统包括太阳能利用系统、富氧燃烧系统、热电发生系统和CO2储存装置8，所述的CO2储存装置8包括两个输入口和一个输出口；
所述的太阳能利用系统为微藻培养装置1组成；所述微藻培养装置1有3个接口，分别是培养液输入口、O2输出口、CO2输入口；
所述微藻培养装置1中所用的微藻培养液是利用城市污水(城市污水取自上海白龙港污水处理厂，工业废水可取自工业园区污水处理厂)进行配制所得的微藻培养液，最终所得的微藻培养液，按每升计算，含有NaHCO3(4.5g)、MgSO4(0.2g)、NaNO3(1.5g)、CaCl2(0.04g)、FeSO4(0.01g)、K2SO4(1.0g)，余量为城市污水；
所述微藻培养装置1培养时所用的微藻为能在城市污水中生长的淡水藻，所述的淡水藻为小球藻，取自泉州小球藻生产基地；
所述的富氧燃烧系统由预热器3、锅炉6、烟气净化冷凝器7组成；
所述热电发生系统由低温预热器11、高温预热器12、CO2压缩机13、一级透平机14、二级透平机16、余热锅炉17和发电机15组成；
所述富氧燃烧系统由预热器3、锅炉6、烟气净化冷凝器7组成，所述预热器3包括1个入口、1个出口，所述的烟气净化冷凝器7包括一个入口、一个出口和一个底部排放口；
所述微藻培养装置1的O2输出口通过装有阀门的管道S1与预热器3的入口相连，所述预热器3的出口通过管道S2与锅炉6的入口相连；
所述锅炉6的出口通过管道S3与烟气净化冷凝器7的入口相连，管道S3上设有一支路管道S3.1与管道S1合并一同进入到预热器3中；
所述热电发生系统由低温预热器11、高温预热器12、CO2压缩机13、一级透平机14、二级透平机16、余热锅炉17和发电机15组成；
所述烟气净化冷凝器7的出口与管道S4的一端相连，管道S4的另一端分为两路，一路通过管道S4.1与CO2储存装置8的一个入口相连，另一路通过管道S4.2与微藻培养装置1的培养液输入口相连；
所述CO2储存装置8的另一个入口通过管道S12与余热锅炉17的出口端相连，CO2储存装置8的出口端与微藻培养装置1的CO2输入口通过管道S5连接；
所述烟气净化冷凝器7的底部排放口连接管道S7；
低温预热器11的出口依次通过管道S8、管道S9与高温预热器12、CO2压缩机13相连；所述CO2压缩机13的输出端通过管道S10与一级透平机14的输入端连接，所述一级透平机14的输出端分成两路，一路通过管道S10.1与高温预热器12的输入端相连、一路通过管道S11与二级透平机16的输入端连接；此外，所述一级透平机14与发电机15连接，带动发电机15给用户供电，所述二级透平机16的输出端分成两路，一路通过管道S11.2与余热锅炉17的输入端连通，另一路通过管道S11.1与烟气净化冷凝器7的底部排放口连接管道S7交叉汇合共同与低温预热器11的入口相连。
上述的一种太阳能耦合富氧燃烧的热电联产系统充分利用太阳能，将富氧燃烧系统与热电联产系统进行互补整合，实现了燃料的合理高效利用，同时利用富氧燃烧产生的纯净的CO2推动透平发电供热，其工作原理按照结构及气体流动划分为3个部分，具体如下：
1、太阳能利用过程
来自烟气净化冷凝器4的通过通道S4.1输出的CO2与余热锅炉17通过通道S11输出的CO2进入CO2储存装置8，CO2储存装置8中的CO2通过输出通道S5将CO2输出到微藻培养装置1中的CO2输入口进入微藻培养装置1的底部，微藻培养装置1中的微藻在有H2O、CO2和光照的情况下进行光合作用，释放出O2，微藻培养装置1输出的O2通过O2输出口进入富氧燃烧系统中的预热器3；
2、富氧燃烧过程
微藻培养装置1输出的O2通过管道S1与锅炉6尾部通过管道S3.1输出的循环烟气进行混合进入预热器3进行预热；预热后250℃的O2(包括少量CO2)通过管道S2进入锅炉6，与燃料进行燃烧反应，锅炉6尾部产生的130℃烟气(主要包含CO2)一部分通过管道S3.1循环进入预热器3，一部分进入烟气净化冷凝装置7进行净化，净化后烟气中的灰、硫成分通过管道S4.2进入微藻培养装置1充当藻类培养的营养成分；净化后所得的纯净CO2包含两部分，一部分通过管道S4.1进入CO2储存装置8，便于藻类光合作用，另一部分通过管道S7汇合来自管道S11.1的CO2依次通过管道S8、S9进入低温预热器11、高温预热器12进行预热，再通过管道S9进入CO2压缩机13进行高压压缩；
3、热电发生过程
来自烟气净化冷凝器7的CO2气体(包括少量H2O，注：热电联产系统中的CO2气体均包含少量H2O)通过管道S7，与来自二级透平16的通过管道S11.1输送来的CO2混合后进入低温预热器11进行低温预热后生成600℃的烟气，再通过S8进入高温预热器12进行高温预热，然后通过S9进入CO2压缩机13进行高压压缩，成为压力15MPa、温度750℃的CO2气体，再进入一级透平机14做功，从一级透平机14抽出的部分CO2气体通过管道S10.1与低温预热器11输出管道S8中的CO2进行混合后一起进入高温预热器12中，一级透平机14抽出的剩余的CO2气体进入二级透平机16，同时所述一级透平机14带动发电机15发电；
从二级透平机16抽出的CO2气体分为两部分，一部分通过管道S11.1与通过管道S7输送出的CO2气体汇合，一同进入低温预热器11，另外一部分CO2气体通过S11.2进入余热锅炉17给用户供热，余热锅炉17输出端的CO2气体通过管道S12进入CO2储存装置8进行储存，以供太阳能利用系统的微藻培养单元1中微藻光合作用使用。
对上述的实施例1和对照实施例1进行了模拟计算，环境压力和温度分别取22℃和0.10MPa。模拟计算时，微藻培养装置输出O2流量取25kg/s，热电联产系统中CO2烟气中CO2与H2O比例均取8:1；低聚光比的抛物槽式集热器参考华电-中科太阳能试验基地所用的抛物槽式太阳能集热器，几何聚光比为91，导热油选用DOWTHERMA为传热介质；所用燃料参考大同燃煤，其收到基成分和热值如表1所示，给煤速度为0.45kg/s。空气反应器的反应温度为950℃，燃料反应器的反应温度为800℃；模拟参数设定如表2所示。
表1燃煤成分(质量比，％)及热值
C H O N S 灰分 水 低位热值
收到基 69.15 3.03 7.74 0.77 1.15 10.77 7.39 25950kJ/kg
表2系统基本循环参数
循环参数 对照实施例1 实施例1
集热器聚光比 -- 91
导热油型号 -- DOWTHERMA
载氧体蓄热器效率(％) -- 85
空气反应器反应温度(℃) -- 950
燃料反应器反应温度(℃) -- 800
压缩机压比 18.5 18.5
压缩机等熵效率(％) 0.88 0.88
一、二级透平等熵效率(％) 0.91 0.91
装置1输出O<sub>2</sub>与二次风比 1：0 8:1
余热锅炉节点温差 10 10
为全面合理评价系统性能，采用基于热力学第一定律的热效率对系统性能进行分析，最终所得的系统热力学性能如下表3：
表3热力性能比较
对照实施例1 实施例1
燃煤热值(KW) 161 267
太阳能输入热值(KW) 135 312
输出功(KW) 74 197
系统热效率(％) 25 34
注：表3计算公式：系统热效率＝系统输出功/(燃煤热值+太阳能输入热值)
从上表3可以看出，模拟条件下，基于太阳能集成富氧燃烧和化学链燃烧的热电联产系统消耗燃煤267kw，太阳能输入热值312kw，输出功为197kw，实施例1的热效率为34％，而对比实施例1的热效率为25％。
分析上述热效率明显提高的根本原因在于：首先是太阳能的梯级利用，本发明中采用抛物槽式集热器收集中高温太阳能，使还原态载氧体达到一定温度；采用化学链燃烧，把传统的燃料直接燃烧的方式转化为化学链燃烧方式，降低燃料品味，减小了燃烧火用损失；回收高温烟气用于预热O2或余热锅炉回收热量供热，降低热损。
其次是，本发明中采用微藻培养装置产生O2，无需设置空分单元，从而减少了设备投资，降低了系统能耗；并且微藻光合作用所制O2可以作为二次风通入空气反应器，减少金属载氧体的烧结。此外，微藻光合作用所需的CO2均来自富氧燃烧系统和热电联产系统，实现了CO2的循环利用。
综上所述，本发明的一种基于太阳能集成富氧燃烧和化学链燃烧的热电联产系统具有很好的系统热力性能与经济效益，节能效果明显。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于太阳能集成富氧燃烧和化学链燃烧的热电联产系统，包括富氧燃烧系统和热电发生系统，其特征在于还包括太阳能利用系统和化学链燃烧系统、隔墙和CO2储存装置；
所述的CO2储存装置包括两个输入口和一个输出口；
所述太阳能利用系统由太阳能集热装置与微藻培养装置组成，其中所述太阳能集热装置由低聚光比的抛物槽式集热器与载氧体蓄热器组成；
所述的微藻培养装置是对微藻进行大规模培养的装置，所述微藻培养装置有3个接口，分别是培养液输入口、O2输出口、CO2输入口；
所述的载氧体蓄热器包括2个侧面入口、1个底部出口和1个侧面出口；
所述的低聚光比的抛物槽式集热器包括导热油出口和导热油回流口；
所述低聚光比的抛物槽式集热器的导热油出口通过管道一(S171)与载氧体蓄热器的1个侧面入口相连，载氧体蓄热器的1个侧面出口通过管道二(S172)与低聚光比的抛物槽式集热器的导热油回流口相连；
所述富氧燃烧系统由预热器、锅炉、烟气净化冷凝器组成，所述预热器包括两个入口、两个出口；
所述的烟气净化冷凝器包括一个入口、一个出口和一个底部排放口，该底部排放口连接管道三(S7)；
所述化学链燃烧系统包括空气反应器、燃料反应器及旋风分离器，所述的空气反应器包括4个接口，分别为底部一次风入口、底部侧面的二次风入口、底部侧面的载氧体入口和顶部侧面出口，该底部一次风入口连接有管道四(S16)；
所述的燃料反应器包括5个接口，分别为底部燃料进口、底部侧面的固体废渣出口、底部侧面的载氧体出口、顶部气体输出口、顶部的载氧体入口；
所述的旋风分离器包括3个接口，分别为侧面切线入口、顶部气体出口和底部料腿；
所述富氧燃烧系统的预热器与化学链燃烧系统的空气反应器通过隔墙周边密封连接，所述的隔墙由铝硅耐热球铁RQTAl5SI5制成，厚度3mm，四周用高温耐火砖密封；
所述微藻培养装置的O2输出口经阀门与管道五(S1)的一端相连，管道五(S1)的另一端分为两路，一路通过管道六(S1.1)与所述预热器的一个入口相连，另一路通过管道七(S1.2)与空气反应器的底部侧面的二次风入口连接；
所述的空气反应器的底部侧面的载氧体入口通过管道八(S15)与载氧体蓄热器的底部出口相连，空气反应器的顶部侧面出口与旋风分离器的侧面切线入口通过管道连接；
所述的旋风分离器的顶部气体出口通过管道九(S18)与预热器的另一个入口进行连接，旋风分离器的底部料腿与燃料反应器的顶部的载氧体入口相连；
所述的燃料反应器的底部侧面的载氧体出口与上述载氧体蓄热器的另一个侧面入口连接；
所述的燃料反应器的底部燃料进口连接管道十(S14)，通过管道十(S14)向燃料反应器中添加燃料；
所述的热电发生系统由低温预热器、高温预热器、CO2压缩机、一级透平机、二级透平机、余热锅炉和发电机组成；
所述的预热器的一个出口通过管道十一(S2)与锅炉的入口相连，预热器的另一个出口连接管道十二(S19)；
所述的锅炉的出口通过管道十三(S3)与烟气净化冷凝器的入口相连，管道十三(S3)上设有一支路管道十四(S3.1)与管道六(S1.1)合并一同进入到预热器中；
所述的烟气净化冷凝器的出口与管道十五(S4)的一端相连，管道十五(S4)的另一端分为两路，一路通过管道十六(S4.1)与CO2储存装置的一个入口相连，另一路通过管道十七(S4.2)与微藻培养装置的培养液输入口相连；
所述的燃料反应器的底部侧面的固体废渣出口连接的管道十八(S13)与来自烟气净化冷凝器输出灰硫成分的管道十七(S4.2)汇合；
所述的CO2储存装置的另一个入口通过管道十九(S12)与余热锅炉的出口端相连，CO2储存装置的出口端与微藻培养装置的CO2输入口通过管道二十(S5)连接；
所述的燃料反应器的顶部气体输出口通过管道二十一(S6)与低温预热器的入口相连、低温预热器的出口通过管道二十二(S8)与高温预热器的入口相连，高温预热器的出口通过管道二十三(S9)与CO2压缩机的输入端连通；
所述的CO2压缩机的输出端通过管道二十四(S10)与一级透平机的输入端连接，所述的一级透平机的输出端分成两路，一路通过管道二十五(S10.1)与高温预热器的输入端相连、一路通过管道二十六(S11)与二级透平机的输入端连接；
所述的一级透平机与发电机连接，带动发电机给用户供电；
所述的二级透平机的输出端分成两路，一路通过管道二十七(S11.2)与余热锅炉的输入端连通，一路通过管道二十八(S11.1)与烟气净化冷凝器的底部排放口连接的管道三(S7)，燃料反应器的顶部气体输出口连接的管道二十一(S6)交叉汇合后共同与低温预热器的入口相连。
2.如权利要求1所述的一种基于太阳能集成富氧燃烧和化学链燃烧的热电联产系统的工作方法，其特征在于按气体流动划分为4个过程，具体如下：
(1)、太阳能利用过程
来自烟气净化冷凝器的通过管道十五(S4)输出的CO2与余热锅炉通过管道十九(S12)输出的CO2进入CO2储存装置，CO2储存装置中的CO2通过管道二十(S5)将CO2输出到微藻培养装置的CO2输入通道进入微藻培养装置的底部，微藻培养装置中的微藻在有H2O、CO2和光照的情况下进行光合作用，释放出O2，微藻培养装置输出的O2通过管道六(S1.1)、管道七(S1.2)分别进入富氧燃烧系统中的预热器及化学链燃烧系统中的空气反应器中；
低聚光比的抛物槽式集热器中的导热油吸收中温太阳能的热量达到400℃，进入载氧体蓄热器与金属载氧体MxOz换热，吸热后200℃-300℃的MxOz将太阳能转变为它的化学能储存到载氧体蓄热器中，同时冷却后150℃的导热油回到集热器中；
(2)、富氧燃烧过程
微藻培养装置输出的O2包含两部分，其中一部分通过管道七(S1.2)作为二次风进入空气反应器，一部分通过管道六(S1.1)与锅炉尾部通过管道十四(S3.1)输出的循环烟气进行混合进入预热器进行预热，预热器的热源来自空气反应器透过隔墙传递的热量与旋风分离器分离并经管道九(S18)输入的高温烟气热量的总和；
预热后450℃的O2通过管道十一(S2)进入锅炉，与燃料进行燃烧反应，锅炉的尾部产生的150℃的烟气，一部分通过管道十四(S3.1)循环进入预热器，一部分进入烟气净化冷凝装置进行净化，净化后烟气中的灰、硫成分通过管道十七(S4.2)进入微藻培养装置中充当藻类培养的营养成分；净化后所得的纯净CO2包含两部分，一部分通过管道十六(S4.1)进入CO2储存装置，便于藻类光合作用，另一部分通过管道三(S7)、管道二十二(S8)进入低温预热器、高温预热器进行预热，再通过管道二十三(S9)进入CO2压缩机进行高压压缩；
(3)、化学链燃烧过程
还原态金属载氧体MxOz与导热油进行换热后，将太阳能转化为化学能储存起来，从载氧体蓄热器通过管道八(S15)进入空气反应器中，分别与来自管道四(S16)的一次风和通过管道七(S1.2)输入的二次风发生氧化反应，氧化后的金属载氧体MxOy温度达到900℃，在烟气的携带下进入旋风分离器中；
旋风分离器中实现气固分离后得到550℃的烟气，烟气通过管道九(S18)进入预热器，与通过管道六(S1.1)、管道十四(S3.1)进入预热器的O2进行换热，冷却后的烟气通过管道十二(S19)排入大气中；旋风分离器中旋风分离得到的固体颗粒通过底部料腿进入燃料反应器发生还原反应，得到的还原态金属载氧体MxOz通过燃料反应器底部侧面的载氧体输出口进入载氧体蓄热器，从而完成还原态金属载氧体MxOz的一次循环；
燃料反应器顶部输出端650℃烟气通过管道二十一(S6)进入低温预热器进行一次预热，然后通过管道二十二(S8)进入高温预热器进行第二次预热，然后再通过管道二十三(S9)进入CO2压缩机进行高压压缩后通过管道二十四(S10)进入一级透平机；
此外，燃料反应器底部的固体废渣通过管道十八(S13)定期收集，作为微藻培养的营养成分使用；
所述空气反应器的温度为850℃-1050℃，所述燃料反应器的温度为750℃-850℃；
(4)、热电发生过程
来自烟气净化冷凝器、燃料反应器的CO2气体分别通过管道三(S7)、管道二十一(S6)，与来自二级透平的通过管道二十八(S11.1)输送来的CO2混合后进入低温预热器进行低温预热后生成700℃的烟气，再通过管道二十二(S8)进入高温预热器进行高温预热生成750℃的烟气，然后再通过管道二十三(S9)进入CO2压缩机进行高压压缩，得到的压力20MPa、温度850℃的烟气再进入一级透平机做功，从一级透平机抽出的部分烟气通过管道二十五(S10.1)与低温预热器输出管道二十二(S8)中的CO2进行混合后一起进入高温预热器中，一级透平机抽出的剩余部分的CO2气体进入二级透平机，同时所述一级透平机带动发电机发电，供用户使用；
从二级透平机抽出的CO2气体分为两部分，一部分通过管道二十八(S11.1)，与通过管道二十一(S6)、管道三(S7)输送出的CO2气体汇合，混合后的气体进入低温预热器，另外一部分CO2气体通过管道二十七(S11.2)进入余热锅炉给用户供热，余热锅炉输出端的CO2气体通过管道十九(S12)进入CO2储存装置进行储存，以供太阳能利用系统的微藻培养装置中微藻光合作用使用。
3.如权利要求2所述的一种基于太阳能集成富氧燃烧和化学链燃烧的热电联产系统的工作方法，其特征在于化学链燃烧过程中的空气反应器的温度为950℃，所述燃料反应器的温度为800℃。
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