CN110265995A - 一种多能互补的气电耦合供能系统 - Google Patents

一种多能互补的气电耦合供能系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种多能互补的气电耦合供能系统，沼气经过沼气净化装置净化之后，在沼气储气装置内贮存；再进入沼气提纯装置进行分离提纯，或者进入沼气发电装置发电；提纯后的甲烷并入天然气管网；经沼气发电装置产生的电力，与风力发电装置和光伏发电装置产生的电力合并，然后通入电解水装置进行电解水，获得的氢气送入甲烷合成装置，与从沼气提纯装置中分离出来的二氧化碳进行反应，生成的甲烷送入天然气管网；多余的电力并入总电网，或者通入电加热装置为储热水箱提供热源；而储热水箱获得热能后供给沼气源使用。本发明使电网和天然气网之间的能量实现了气电双向互补传输，改善了生态环境、促进了节能减排，增加了沼气附加值利用。

Description

一种多能互补的气电耦合供能系统
技术领域
本发明涉及一种光伏发电、风力发电、燃料能源与可再生能源的多能互补的气电耦合供能系统。
背景技术
近年来，国内外能源结构调整步伐加快，应对气候变化行动不断加速，能源结构低碳化、生产智能化、消费信息化、供需多极化特征较为明显。“互联网+”智慧能源，是以电力系统为枢纽，构建多类型能源互联网络，即利用互联网思维与技术改造传统能源行业，实现横向多能互补，纵向“源-网-荷-储”协调，能源与信息高度融合的新型能源体系。
目前，国家正大力推进多能互补示范项目，关于多能互补的专利文献也较多见于报道。如：中国专利文献CN108266341A公开了一种利用地热水预热冷凝水的多能互补发电系统。中国专利文献CN108726844A公开了一种新型朗肯循环多能互补淤泥干化系统，该系统能够利用余热进行发电，并对污泥物料干化，同时针对余热发电和余热淤泥干化两种余热技术手段，考虑两者之间存在的能量互补性，将独立运行的两者有机耦合，在原有节能基础上进一步提高能量利用率。中国专利文献CN108645053A提供了一种利用可再生能源的多能互补供能系统，充分利用太阳能、地热、生物质沼气等可再生能源，采用太阳能与地热对恒温沼气池进行供热，保证生物质沼气稳定产气发电。但是，上述技术往往只关注发电侧、负荷侧的多能互补，对于能源侧互补耦合的专利鲜见于报道。
我国《可再生能源中长期发展规划》将沼气作为重点发展领域，预计到2020年沼气利用量将达到440亿m3。在此过程中，沼气产业将逐步实现规模化、产业化、市场化、用途高值化。天然气标准规定甲烷含量在95％以上，目前的沼气提纯技术可以达到甲烷含量99％以上，完全能满足天然气的标准要求。本发明主要应用于风、光、沼气资源丰富的地区，充分利用风光、沼气资源，打造高效多能互补的供能系统，解决气电互补，协调运行的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种多能互补的气电耦合供能系统，着重考虑光伏发电、风力发电、燃料能源与可再生能源的互补特性，以解决现有技术中缺少能源侧互补的问题，可满足气电互补，协调运行的需求。
本发明的一种多能互补的气电耦合供能系统，其特征在于，主要包括：沼气反应池、沼气净化装置、沼气储气装置、沼气提纯装置、沼气发电装置、电解水装置、甲烷合成装置、风力发电装置、光伏发电装置、电加热装置、储热水箱；
来自沼气反应池的沼气经过沼气净化装置净化之后，在沼气储气装置内贮存；从沼气储气装置出口的沼气进入沼气提纯装置进行分离提纯，或者进入沼气发电装置发电；从沼气提纯装置提纯后的甲烷并入天然气管网；经沼气发电装置产生的电力，与风力发电装置和光伏发电装置产生的电力合并，然后通入电解水装置进行电解水，获得的氢气送入甲烷合成装置，与从沼气提纯装置中分离出来的二氧化碳在高温高压下进行反应，生成的甲烷送入天然气管网；多余的电力或者并入总电网，或者通入电加热装置为储热水箱提供热源；而储热水箱获得热能后供给沼气源使用。
所述的储热水箱优先由光热系统提供热能，当光热系统的热能不足时，才用电加热装置为储热水箱提供热源。
所述的沼气源来自工业污水或农业有机垃圾或生活垃圾。
本发明的技术利用储能水箱控制沼气反应池的温度，从而控制了反应池内沼气的生成反应速度；本发明可提供的电力能源包括：光伏发电、风力发电、沼气发电，白天与夜间光伏发电与风力发电形成互补，沼气发电与风、光发电形成燃料发电与可再生发电互补；本发明提供的能源包括电力与天然气，通过运行模式实现电网与气网的互补：当电网对电力负荷需求高时，利用风力发电、光伏发电、沼气发电优先满足电力负荷需求；当电网对电力负荷需求低时，减少沼气的产量和减少沼气发电，多余的电力供给电解水系统进行电解水，电解产生的H2与分离出来的CO2反应，获得甲烷输入天然气管网。
采用本发明的的气电耦合供能系统，可以缓解电网“弃风、弃光”现象，有利于新能源消纳；改变了传统电网与天然气网之间的耦合仅限于燃气轮机(即天然气向电能单向转换)这一现状，使电网和天然气网之间的能量实现双向传输成为可能，密切了电网与天然气网之间的联系；实现了气网和电网的双调峰，夏季电力负荷高，天然气需求低时，系统可以多发电少供气。冬季天然气负荷高，电力负荷低时，系统可以多供气少发电。本发明对改善生态环境、促进节能减排，增加沼气附加值利用，实现气电互补，协调运行有重要示范价值和重大社会经济意义。
附图说明
图1为本发明的多能互补的气电耦合供能系统示意图。
图2为本发明的第二种气电耦合供能系统示意图；
其中：1-沼气反应池、2-沼气净化装置、3-沼气储气装置、4-沼气提纯装置、5-沼气发电装置、6-电解水装置、7-甲烷合成装置、8-风力发电装置、9-光伏发电装置、10-电加热装置、11-储热水箱、12-天然气管网、13-总电网、14-光热系统、15-燃气轮机。
图3为实施例1的供能系统发电分配图。
图4为实施例2的供能系统发电分配图。
具体实施方式
本技术领域的一般技术人员应当认识到本实施例仅是用来说明本发明，而并非用作对本发明的限定，只要在本发明的实施范围内对实施例进行变换、变型都可落在本发明权利要求的范围内。
一种多能互补的气电耦合供能系统，其特征在于，主要包括：沼气反应池1、沼气净化装置2、沼气储气装置3、沼气提纯装置4、沼气发电装置5、电解水装置6、甲烷合成装置7、风力发电装置8、光伏发电装置9、电加热装置10、储热水箱11；
如图1所示，来自沼气反应池1的沼气经过沼气净化装置2净化之后，在沼气储气装置3内贮存；从沼气储气装置3出口的沼气进入沼气提纯装置4进行分离提纯，或者进入沼气发电装置5发电；从沼气提纯装置4提纯后的甲烷并入天然气管网12；经沼气发电装置5产生的电力，与风力发电装置8和光伏发电装置9产生的电力合并，然后通入电解水装置6进行电解水，获得的氢气送入甲烷合成装置7，与从沼气提纯装置4中分离出来的二氧化碳在高温高压下进行反应，生成的甲烷送入天然气管网12；多余的电力或者并入总电网13，或者通入电加热装置10为储热水箱11提供热源；而储热水箱11获得热能后供给沼气源1使用。
所述的储热水箱11优先由光热系统14提供热能，当光热系统14的热能不足时，才用电加热装置10为储热水箱11提供热源。
进一步地，如图2所示，本发明的一种多能互补的气电耦合供能系统，所述的沼气发电装置5由燃气轮机15代替，此时，燃气轮机15与天然气管网12相连；当电网负荷低时，利用风、光发电供给电解水装置合成CH4；当电网负荷高时，由天然气管网供给天然气燃气轮机15发电，增加系统的电力供应；由此可实现供电的“削峰填谷”。
进一步地，所述的沼气净化装置2由串联的脱硫设备、脱水设备和过滤设备组成，以除去沼气中的H2S和/或H2O以及夹带的固体杂质；
沼气进入所述的脱硫设备进行脱硫，采用干法氧化铁脱硫塔脱硫，脱硫反应式如下：
Fe2O3+3H2O+3H2S＝Fe2S3+6H2O (1)
Fe2O3+3H2O+3H2S＝2FeS+S+6H2O (2)
所述的脱水装置为铺设了干燥剂(例如：硅胶、氧化铝等)的吸附床，沼气通过吸附床时被干燥剂吸收了水分从而被干燥；脱水后的沼气通过所述的过滤装置过滤掉夹带的杂质。
进一步地，所述的沼气提纯装置4采用压力水洗法对沼气进行提纯；
压力水洗法是利用CO2、CH4在水中溶解度的巨大差异实现它们的分离，在水中，CO2在溶解度是CH4的30倍左右，加压水洗时，CO2水中溶解在水中，而CH4在水中几乎不溶解，CH4在水洗塔顶部富集后被收集，降压时，溶解在水中的CO2解吸出来，实现CH4、CO2的分离，完成沼气提纯。
进一步地，所述的沼气发电装置5中，空气和沼气的混合物在沼气发电机组的气缸内压缩，用火花塞使其燃烧，通过火花塞的往复运动得到动力，然后连接发电机进行发电。
进一步地，所述的电解水装置6采用碱液(例如：KOH和/或NaOH溶液)为电解质，电解过程中水被电解，产生氢气和氧气；
直流电作用在以碱液为电介质的溶液时，在阴极和阳极发生下列反应：
(1)阴极反应：
电解液中水电离后产生的H+受阴极的吸引而移向阴极，接受电子而析出氢气，其放电反应应为：
4e+4H2O＝2H2↑+4OH- (3)
(2)阳极反应：
电解液中的OH-受阳极的吸引而移向阳极，最后放出电子而成为水和氧气，其放电反应为：
4OH-＝2H2O＝O2↑+4e (4)。
进一步地，所述的甲烷合成装置7中，CO2和H2在催化剂加热条件下反应生成甲烷；主要化学反应公式如下：
4H2+CO2→2H2O+CH4 (5)
化学式(3)～(5)中：H2O、H2、O2、CO2、CH4分别代表水、氢气、氧气、二氧化碳、甲烷。
更进一步地，本发明的一种多能互补的气电耦合供能系统，还可以与空气源热泵装置、水源热泵装置等可再生能源相关联。
实施例1
如图3所示，当风、光发电量小于用电负荷时，沼气发电设备运行发电满足所缺的电量，测算表明，典型日光伏发电量3880kWh，风力发电量2906kWh，用电负荷8119kWh，沼气发电1333kWh。
实施例2
如图4所示，当风、光发电量大于用电负荷时，沼气发电装置停运，多发的电量用于电解水合成甲烷。经测算，多发电量7733kWh，电解水装置制得1m3氢气的实际电能消耗为5kWh左右，可制H2约1546.6m3，可合成甲烷386.65m3。

Claims (11)

1.一种多能互补的气电耦合供能系统，其特征在于，主要包括：沼气反应池（1）、沼气净化装置（2）、沼气储气装置（3）、沼气提纯装置（4）、沼气发电装置（5）、电解水装置（6）、甲烷合成装置（7）、风力发电装置（8）、光伏发电装置（9）、电加热装置（10）、储热水箱（11）；
来自沼气反应池（1）的沼气经过沼气净化装置（2）净化之后，在沼气储气装置（3）内贮存；从沼气储气装置（3）出口的沼气进入沼气提纯装置（4）进行分离提纯，或者进入沼气发电装置（5）发电；从沼气提纯装置（4）提纯后的甲烷并入天然气管网（12）；经沼气发电装置（5）产生的电力，与风力发电装置（8）和光伏发电装置（9）产生的电力合并，然后通入电解水装置6进行电解水，获得的氢气送入甲烷合成装置（7），与从沼气提纯装置（4）中分离出来的二氧化碳在高温高压下进行反应，生成的甲烷送入天然气管网（12）；多余的电力或者并入总电网（13），或者通入电加热装置（10）为储热水箱（11）提供热源；而储热水箱（11）获得热能后供给沼气源（1）使用。
2.根据权利要求1所述的一种多能互补的气电耦合供能系统，其特征在于，所述的储热水箱（11）优先由光热系统（14）提供热能，当光热系统（14）的热能不足时，才用电加热装置（10）为储热水箱（11）提供热源。
3.根据权利要求1所述的一种多能互补的气电耦合供能系统，其特征在于，所述的沼气发电装置（5）由燃气轮机（15）代替，此时，燃气轮机（15）与天然气管网（12）相连；当电网负荷低时，利用风、光发电供给电解水装置合成CH4；当电网负荷高时，由天然气管网供给天然气燃气轮机（15）发电，增加系统的电力供应。
4.根据权利要求1～3任一所述的一种多能互补的气电耦合供能系统，其特征在于，所述的沼气净化装置（2）由串联的脱硫设备、脱水设备和过滤设备组成；沼气进入所述的脱硫设备进行脱硫；所述的脱水装置为铺设了干燥剂的吸附床；脱水后的沼气通过所述的过滤装置过滤掉夹带的杂质。
5.根据权利要求4所述的一种多能互补的气电耦合供能系统，其特征在于，所述的脱硫设备为干法氧化铁脱硫塔；所述的干燥剂为硅胶和/或氧化铝干燥剂。
6.根据权利要求1～3任一所述的一种多能互补的气电耦合供能系统，其特征在于，所述的沼气提纯装置（4）采用压力水洗法对沼气进行提纯。
7.根据权利要求1～3任一所述的一种多能互补的气电耦合供能系统，其特征在于，所述的沼气发电装置（5）中，空气和沼气的混合物在沼气发电机组的气缸内压缩，用火花塞使其燃烧，通过火花塞的往复运动得到动力，然后连接发电机进行发电。
8.根据权利要求1～3任一所述的一种多能互补的气电耦合供能系统，其特征在于，所述的电解水装置（6）采用碱液为电解质，电解过程中水被电解，产生氢气和氧气。
9.根据权利要求8所述的一种多能互补的气电耦合供能系统，其特征在于，所述的碱液为KOH和/或NaOH溶液。
10.根据权利要求1～3任一所述的一种多能互补的气电耦合供能系统，其特征在于，所述的甲烷合成装置7中，CO2和H2在催化剂加热条件下反应生成甲烷。
11.根据权利要求1～3任一所述的一种多能互补的气电耦合供能系统，其特征在于，所述的气电耦合供能系统可以与空气源热泵装置、水源热泵装置等可再生能源相关联。
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