CN110283623A - 一种新型生物质-太阳能分布式多联产系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型生物质‑太阳能分布式多联产系统，包括预处理设备、热管式气化反应器、太阳能集热装置、净化提纯设备、冷热电三联供装置，生物质炭深加工系统和生物质提取液深加工系统，预处理设备预处理后的生物质颗粒被输送到热管式气化反应器进行热化学反应，得到的生物质炭进入到生物质炭深加工系统，得到的气态产物被送入净化提纯设备进行净化提纯操作，净化过程得到的生物质提取液被输送到生物质提取液深加工系统，净化后的生物质气被输送到冷热电三联供装置。本发明提供的一种新型生物质‑太阳能分布式多联产系统，能够通过生物质能与太阳能的互补自适应，实现生物质向多样化高值产品的转变，有效解决传统生物质联供系统输入端能源单一问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型生物质-太阳能分布式多联产系统，属于生物质转化技术领域。
背景技术
当前社会向着可持续发展方向前进，能源作为社会发展的重要基础，传统的化石能源使用面临着资源和环境的双重压力。开发资源储量大、清洁无污染的可再生能源对于社会可持续发展具有重要意义，而太阳能、生物质能被认为是化石燃料的替代能源，受到越来越多的关注。同时随着能源系统的技术进步，分布式能源系统由于其独特的优势也受到广泛关注，有利于未来的智慧化能源系统以及能源互联互通的发展。
太阳能储量无限、利用清洁，且开发经济性逐步提升，尤其是太阳能光热转换利用技术有着长期的经验积累和应用前景。将太阳能通过不同形式的转化，可以获取不同温度的太阳能，可以用于是生物质气化反应器的加热，也可以产生较高温度的水蒸气作为气化反应所需的气化剂用于制取合成气，从而实现太阳能向燃料化学能的转化，并提高能量的品味，并实现太阳能的稳定储存和便捷输运。
同时生物质分布广泛，可持续利用，是唯一可再生的碳源。但其也存在资源分布分散、能流密度低等缺点，当前生物质利用以直燃为主，利用效率低，释放烟气粉尘对环境造成污染，引起社会问题，如农作物秸秆焚烧等问题。生物质气化技术将低能量密度的生物质原料转化为使用方便的高品质的生物质炭、生物质燃气等产物，实现了生物质能的能量密度提升和便捷输运，大大提升利用效率。
冷热电三联供系统是集发电、供热、制冷于一体的分布式能源系统，基于能量梯级利用，通过燃料燃烧的高品位热能进行发电，较低品位热能用于供热、采暖、制冷或除湿，实现冷热电等多种形式的能量联产。
当前的生物质联产系统主要以生物质直燃或气化等形式，输入能源单一，在多能源互补以及能量品位的适度、深度利用方面较为欠缺；同时其输出产品形式单调，对用户侧的多样性需求响应较差；此外系统中的余热资源等能量的综合梯级利用也需要重点关注。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的缺陷，提供一种能够通过生物质能与太阳能的互补自适应，实现生物质向多样化高值产品的转变，有效解决传统生物质联供系统输入端能源单一、产品形式单调、经济效益不佳等问题的新型生物质-太阳能分布式多联产系统。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种新型生物质-太阳能分布式多联产系统，包括预处理设备、热管式气化反应器、太阳能集热装置、净化提纯设备、冷热电三联供装置，生物质炭深加工系统和生物质提取液深加工系统，所述预处理设备用于将生物质进行干燥和粉碎处理，所述预处理设备预处理后的生物质颗粒被输送到所述热管式气化反应器进行热化学反应，得到的生物质炭进入到所述生物质炭深加工系统，得到的气态产物被送入所述净化提纯设备进行净化提纯操作，所述净化提纯设备净化后的生物质提取液被输送到所述生物质提取液深加工系统，净化后的生物质气被输送到所述冷热电三联供装置。
包括余热回收装置，所述余热回收装置将所述太阳能集热装置的太阳能输送给所述预处理设备和热管式气化反应器，所述余热回收装置将所述冷热电三联供装置的中低温余热输送给所述预处理设备，所述余热回收装置将所述热管式气化反应器的高温余热输送给所述预处理设备和冷热电三联供装置。
所述冷热电三联供装置的驱动方式包括内燃机、燃气轮机或者外燃机。
所述冷热电三联供装置包括内燃机发电机组、烟气热水型吸收式机组、第一换热器和第二换热器，所述内燃机发电机组用于燃烧生物质燃气，然后输出电力，所述内燃机发电机组燃机发电机组中的高温缸套水进入所述第二换热器用于预热太阳能集热装置的进水，所述内燃机发电机组产生的烟气进入到所述烟气热水型吸收式机组利用烟气作为驱动能源产生冷冻水，同时利用吸收式机组的冷却放热产生热水用于生活热水或者采暖。
所述烟气热水型吸收式机组的进口热水由所述热管式气化反应器的余热来制取。
所述热管式生物质气化反应器为外热式气化炉，由生物质和太阳能共同提供能量。
所述聚光式太阳能集热系统包括塔式系统、槽式系统或者低倍聚光太阳能集热系统。
所述烟气热水型吸收式机组包括溴化锂吸收式机组或者氨水吸收式机组。
本发明的有益效果：
1、本发明提供的一种新型生物质-太阳能分布式多联产系统，通过将生物质能和太阳能这两种可再生能源机型有机整合，采取控制实现高效互补自适应，优先使用太阳能，太阳能不足时利用生物质进行补充，提高生物质气化效率，实现不同可再生能源的对口梯级利用，系统总能利用效率高。
2、本发明提供的一种新型生物质-太阳能分布式多联产系统，作为唯一可再生的碳源且是资源丰富、清洁的可再生能源，生物质在进一步转化利用中大部分碳以生物质炭形式固定下来，部分碳经过利用后以二氧化碳的形式重新释放到大气之中，一定程度上可以实现二氧化碳的零排放或者负排放，有效减少温室气体排放。
3、本发明提供的一种新型生物质-太阳能分布式多联产系统，太阳能通过太阳能集热装置，根据温度对口原则分别用于生物质原料余热干燥、生物质气化反应器的加热、水蒸气气化剂的制取、多联供系统的热源等加以直接或间接利用，一定程度上将太阳能中低温热能转化为燃气化学能，实现了能量品位的提升和太阳能的高效稳定储存。
4、本发明提供的一种新型生物质-太阳能分布式多联产系统，采用热管式生物质气化反应器，充分发挥其优良的传热传质以及均温特性，改善生物质传热特性差、气化效率低等问题，对气化炉内温度控制更加精细，同时可结合水蒸气气化等有效提高生物质燃气的品质。
5、本发明提供的一种新型生物质-太阳能分布式多联产系统，充分利用气化炉以及燃气发电系统中的余热资源，用于溴化锂吸收式机组驱动热源，实现冷热电的联合供应，提高余热资源的利用效率。
6、本发明提供的一种新型生物质-太阳能分布式多联产系统，系统产品除了传统的冷热电以及燃气之外，还产出系列高附加值的生物质炭、生物质提取液产品，能够满足用户侧的多种需求，具有较高的经济效益。
7、本发明提供的一种新型生物质-太阳能分布式多联产系统，就近处理生物质原料，解决生物质分布分散、能量密度度、输运难度大等问题，可为电网末端、偏远且生物质资源丰富的地区提供能量或者可用于区域能源系统(或能源岛)等，提高系统的总效率。
附图说明
图1为本发明一种新型生物质-太阳能分布式多联产系统的模块连接示意图；
图2为本发明提供的一种新型生物质-太阳能分布式多联产系统的工作原理图；
图3为本发明中采用内燃机发电机组的冷热电三联供系统的示意图。
图中附图标记如下：1-生物质预处理器；2-热管式气化反应器；3-聚光型太阳能集热系统；4-净化纯化设备；5-冷热电三联供系统；6-生物质炭深加工系统；7-生物质提取液深加工系统。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1和图2所示，本发明提供一种新型生物质-太阳能分布式多联产系统，包括生物质预处理器1、热管式气化反应器2、净化纯化设备4、聚光型太阳能集热系统3、冷热电三联供系统5、生物质炭深加工系统6和生物质提取液深加工系统7。该分布式多联产系统采用生物质和太阳能等可再生能源作为输入能量，太阳能可用于生物质干燥、气化以及冷热电的供应等，二者通过控制实现高效自适应互补运行。
生物质预处理器1用于生物质的干燥、粉碎等，干燥的热量来源于聚光型太阳能集热系统3的太阳能或者热管式气化反应器2的热量，降低生物质原料含水率，并采用粉碎机对生物质破碎。生物质预处理器1中生物质原料的干燥采用太阳能作为热源，也可以采用内燃机或燃气轮机的烟气余热作为热源。生物质预处理器1的出口的生物质颗粒与聚光式太阳能集热系统3产生的水蒸气在热管式气化反应器2中共同参与气化反应。
热管式生物质气化反应器2为外热式气化炉，由生物质和太阳能共同提供能量，通过控制优先使用太阳能加热，太阳能不足时采用生物质燃烧进行补充，热管式气化反应器2结合热管优良的均温以及传热传质热性，用于生物质预处理器出口的生物质和聚光型太阳能集热系统3产生的水蒸气发生气化反应，反应所需的能量由生物质和聚光型太阳能集热系统3的太阳能共同提供，实现生物质向炭、气、液的转化，并在热管式气化反应器2实现固相和气相产物的初步分离。
聚光型太阳能集热系统3利用聚光式集热器收集太阳能获取高温水蒸气或者导热油，实现对热管式气化反应器2的辅助加热，同时水蒸气还可用于气化反应器中的气化剂。聚光式太阳能集热系统3可以采用多种型式，采用塔式系统或槽式系统时既能够为热管式气化反应器2内的气化过程提供高温热源，也能够为气化反应器提供水蒸气气化剂。当采用CPC等低倍聚光太阳能集热系统时，主要用于生物质的干燥预处理以及产生中低温的水蒸气。聚光式太阳能集热系统3中的介质水，利用内燃机缸套水或内燃机/燃气轮机烟气进行预热。
净化纯化设备4用于热管式气化反应器2出口气体的分离、净化以及提纯等，进一步的实现气态产物中的生物质炭、可凝性气体(生物质提取液)以及不可凝气体的分离，再对不可凝气体进行可燃成分和不可燃成分的分离，最终实现气相产物的净化与纯化，获得生物质提取液、高品质生物质燃气以及少量的生物质炭等产物。
冷热电三联供系统5以生物质燃气为燃料结合内燃机或者燃气轮机进行发电，并采用溴化锂吸收式机组，以燃气余热以及气化反应器余热为驱动热能制取冷冻水、采暖热水以及生活热水，实现冷、热、电等的联合供应。
冷热电三联供系统5主要由生物质燃气为燃料驱动，可选用内燃机或者燃气轮机或者外燃机等驱动，其系统采用内燃发电机组时示意图如图3所示。经过处理得到的生物质燃气进入燃气式发电机组与空气混合燃烧进行发电输出电力，产生的烟气首先进入烟气热水型吸收式制冷机组，产生7℃的冷冻水，然后进入第一换热器换热产生55℃的热水，最后经过换热温度较低的烟气排放至大气。内燃机发电机组中的高温缸套水进入第二换热器用于预热制备较高温度的太阳能集热装置的进水，而烟气热水型溴化锂吸收式机组的进口热水则可由热管式气化反应器的余热来制取。冷热电三联供系统5可以采用多种型式，可用生物质燃气为燃料驱动内燃机或燃气轮机发电，同时结合溴化锂吸收式机组制取冷冻水、采暖热水以及生活热水等，也可以用气化反应器余热驱动有机朗肯循环进行发电、供热，并结合溴化锂吸收式机组制取冷、热水，或者以太阳能进行发电，再结合电驱动制冷热泵系统与空气能、地热能、海洋能等可再生能源联合实现冷热电的供应。
生物质炭深加工系统6用于对系统产生的生物质炭进行高值化产品开发与生产，根据生物质原料以及生物质炭特性，分别加工成活性炭、机制炭、炭基肥、土壤改良剂、功能碳材料等高质产品。
生物提取液深加工系统7用于对系统中分离得到的生物质提取液进行深入开发，经过分离提取等工序，开发制备高附加值的功能碳材料、化学品、生物农药、生物质液体肥等新型高质产品。
本发明的工作过程为：生物质原料在生物质预处理设备1中被聚光型太阳能集热系统3中太阳能或者冷热电三联供系统5中燃气发电系统余热或者热管式气化反应器余热加热干燥使原料含水量降至15％左右，在经过生物质预处理设备1破碎。经过预处理的生物质颗粒进入热管式气化反应器在太阳能集热装置3提供的热量的作用下进行热化学反应，当采用水蒸气气化时还与从太阳能集热装置3产生的高温水蒸气共同发生气化反应。在热管式气化反应器2之后，经过分离得到的固体产物为生物质炭，经过生物质炭深加工系统6进行进一步的加工处理，用于制备活性炭、机制炭、炭基肥、改良剂或功能碳材料等高附加值产品；而气态产物经过净化提纯设备4的进一步处理之后获得液态产物即生物质提取液和生物质气，生物质提取液经过提取液深加工系统7进一步制备成化学品、生物农药、液体肥或功能碳材料等，而生物质气则可进一步处理成合成气、富氢燃气或生物燃气等生物质燃气。经过处理得到的生物质燃气可与经过太阳能集热装置3得到的太阳能或者热管式气化反应器2的余热等用于联合驱动冷热电三联供系统，从而产生冷、热和电等，满足用户侧的电力、制冷、采暖、生活热水等需求。冷热电三联供系统中的烟气、缸套水等余热资源可用于生物质预处理设备的能源供应，并可用于太阳能集热装置中工作介质的预热实现梯级利用。
本发明提供的一种新型生物质-太阳能分布式多联产系统，该新型分布式多联产系统综合考虑太阳能经济性集热技术与生物质气化技术的特点，结合热管高效的传热传质以及优良的均温特性，综合考虑技术、经济、环境等多方面的效益，实现物质流和能量流的综合梯级联合利用，最大限度的利用生物质以及太阳能，并将太阳能转化为化学能实现品位提升，稳定并有效地储存于生物质基产品中。同时分布式多联产系统秉持就近收集生物质原料的原则，避免低密度原理的长距离输运所带来的能源消耗和成本，结合原料特性分析充分发挥产品多样性优点，满足用户侧对冷、热、电、气、除湿等多种能源需求以及对生物质炭、生物质提取液、生物质燃气等产品的高值化需求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种新型生物质-太阳能分布式多联产系统，其特征在于：包括预处理设备(1)、热管式气化反应器(2)、太阳能集热装置(3)、净化提纯设备(4)、冷热电三联供装置(5)，生物质炭深加工系统(6)和生物质提取液深加工系统(7)，所述预处理设备(1)用于将生物质进行干燥和粉碎处理，所述预处理设备(1)预处理后的生物质颗粒被输送到所述热管式气化反应器(2)进行热化学反应，得到的生物质炭进入到所述生物质炭深加工系统(6)，得到的气态产物被送入所述净化提纯设备(4)进行净化提纯操作，所述净化提纯设备(4)净化后的生物质提取液被输送到所述生物质提取液深加工系统(7)，净化后的生物质气被输送到所述冷热电三联供装置(5)。
2.根据权利要求1所述的一种新型生物质-太阳能分布式多联产系统，其特征在于：包括余热回收装置，所述余热回收装置将所述太阳能集热装置(3)的太阳能输送给所述预处理设备(1)和热管式气化反应器(2)，所述余热回收装置将所述冷热电三联供装置(5)的中低温余热输送给所述预处理设备(1)，所述余热回收装置将所述热管式气化反应器(2)的高温余热输送给所述预处理设备(1)和冷热电三联供装置(5)。
3.根据权利要求1所述的一种新型生物质-太阳能分布式多联产系统，其特征在于：所述冷热电三联供装置(5)的驱动方式包括内燃机、燃气轮机或者外燃机。
4.根据权利要求2所述的一种新型生物质-太阳能分布式多联产系统，其特征在于：所述冷热电三联供装置(5)包括内燃机发电机组、烟气热水型吸收式机组、第一换热器和第二换热器，所述内燃机发电机组用于燃烧生物质燃气，然后输出电力，所述内燃机发电机组燃机发电机组中的高温缸套水进入所述第二换热器用于预热太阳能集热装置的进水，所述内燃机发电机组产生的烟气进入到所述烟气热水型吸收式机组利用烟气作为驱动能源产生冷冻水，同时利用吸收式机组的冷却放热产生热水用于生活热水或者采暖。
5.根据权利要求4所述的一种新型生物质-太阳能分布式多联产系统，其特征在于：所述烟气热水型吸收式机组的进口热水由所述热管式气化反应器的余热来制取。
6.根据权利要求1所述的一种新型生物质-太阳能分布式多联产系统，其特征在于：所述热管式生物质气化反应器(2)为外热式气化炉，由生物质和太阳能共同提供能量。
7.根据权利要求1所述的一种新型生物质-太阳能分布式多联产系统，其特征在于：所述聚光式太阳能集热系统(3)包括塔式系统、槽式系统或者低倍聚光太阳能集热系统。
8.根据权利要求4所述的一种新型生物质-太阳能分布式多联产系统，其特征在于：所述烟气热水型吸收式机组包括溴化锂吸收式机组或者氨水吸收式机组。
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