CN110499516A - 一种太阳能应用到燃煤装置的清洁能源系统及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种太阳能应用到燃煤装置的清洁能源系统及其使用方法，通过太阳能电池板和蓄电池将太阳能转化成电能，将产生的电能通入电解水装置中使水电解产生O2和H2，O2与燃煤过程中煤不完全燃烧产生的CO在点燃情况下转化成CO2，对燃煤产生的气体进行分离，分离出来的CO2与H2在催化剂的作用下可转化成乙醇等燃料，这样就可以将造成温室效应的CO2转化成有用的燃料资源，同时，电解水需要消耗大量的电能，利用太阳能与电能的转化有效的解决了这一问题。太阳能和水能都属于清洁能源，整个系统在使用过程中也不会产生其他有害物质或有害气体。

Description

一种太阳能应用到燃煤装置的清洁能源系统及其使用方法
技术领域
本发明涉及清洁能源领域，尤其涉及一种太阳能应用到燃煤装置的清洁能源系统及其使用方法。
背景技术
造成我国日益严重的雾霾的主要原因是以煤炭为主的能源结构产生的污染物排放，因此，治理污染的一个重要手段就是扭转不合理的能源结构。根据国家能源发展规划，我国未来必须加大进行能源结构调整，大力支持清洁高效能源的发展，按照资源与经济可持续发展中“减量化、资源化、再利用”的原则，以低消耗、低排放、高效率为目标，积极推动清洁高效能源开发与使用。在大力发展经济的情况下，减排减排再减排是不务实的也是不可能的。排放二氧化碳、二氧化硫等工业有害气体时，可以不通过烟囱排放到大气之中，而通过密封管道排放到指定位置然后回收，制做各种燃料或者化学肥料。
水能、太阳能作为可再生能源，是最理想的能源，可以不受能源短缺的影响，同时，水能和太阳能也都是清洁能源，在能量转换的过程中不会产生其他有害的气体或者固体肥料，是一种环保、安全、污染的能源。在我们现有的能源体系中，一方面要积极推进低碳和新能源的替代，另一方面高效清洁利用煤炭也是能源转型的一部分，而不能立即将煤电去掉。如何将清洁能源应用到传统的煤炭行业，使煤炭燃烧产生的有害物质通过化学处理变成有益物质是我们需要不断研究的。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明旨在提供一种太阳能应用到燃煤装置的清洁能源系统及其使用方法，通过太阳能和水能有效的处理煤炭燃烧产生的CO2，降低CO2的直接排放，降温温室效应。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种太阳能应用到燃煤装置的清洁能源系统，其特征在于：包括太阳能装置、电解水装置、燃煤装置和废气处理装置；
所述太阳能装置包括底座、支架和太阳能板，所述支架内设有蓄电池，所述太阳能板与所述蓄电池之间电连接；所述太阳能板与所述蓄电池之间还设有一个二极管，所述支架上还固设有一个控制器；
所述电解水装置包括台面、电解槽和空气置换系统，所述电解槽位于所述台面上，所述电解槽内设有双极膜，所述电解槽上还设有一盖板，所述双极膜和盖板将电解槽分隔成两个独立的空间；所述电解槽内双极膜的一侧与蓄电池的正极电连接，形成阳极室，另一侧与蓄电池的负极电连接，形成阴极室；所述空气置换系统通过两根空气置换管分别与所述阳极室和阴极室连通；所述盖板上还设有两个气体排出口，位于阳极室顶部的气体排出口为氧气排出口，位于阴极室顶部的气体排出口为氢气排出口；所述氧气排出口上设有氧气收集管道，所述氢气排出口上设有氢气收集管道；
所述燃煤装置为燃煤锅炉，所述氧气收集管道与燃煤锅炉的炉膛连通；所述燃煤锅炉的顶部设有烟气排出管道；
所述废气处理装置包括除尘脱硫脱硝装置、脱氧装置和CO2处理装置，所述烟气排出管道内的烟气依次经过除尘脱硫脱硝装置和脱氧装置后进入CO2处理装置，所述氢气收集管道与所述CO2处理装置连通。
进一步的，所述双极膜由阳离子交换膜和阴离子交换膜复合而成，其中，所述阳离子交换膜朝向所述阴极室设置，所述阴离子交换膜朝向所述阳极室设置。
进一步的，所述阴极室内与蓄电池负极连接的电线端部设有箔片，所述阳极室内与蓄电池正极连接的电线端部设有钛镀钌的金属网。
进一步的，所述脱氧装置是由金属铜制成的中空结构，所述中空结构内竖直设有多个铜网。
进一步的，所述CO2处理装置将CO2和H2转化成甲醇燃料。
进一步的，一种太阳能应用到燃煤装置的清洁能源系统的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1太阳能转化成电能：在太阳光照条件下，太阳能板将太阳能转化成电能贮存在蓄电池中；
S2电解水：在电解槽中加入水，通过空气置换系统除去电解槽中的空气以及水中溶解的少量空气，启动控制器，蓄电池放电，电解槽中发生电解水的电化学反应，阴极室内产生氢气，阳极室内产生氧气；
S3：阳极室中的氧气通过氧气收集管道进入燃煤锅炉的炉膛，使煤炭能够燃烧更彻底；
S4：煤炭燃烧产生的气体通过烟气排出管道进入除尘脱硫脱硝装置，除去气体中的SO2和氮氧化合物；剩余气体继续通过烟气排出管道进入脱氧装置，对脱氧装置进行燃烧，除去剩余气体中残留的氧气和CO，最终只剩下CO2继续通过烟气排出管道进入CO2处理装置。
S5：S2中产生的氢气通过氢气收集管道直接进入CO2处理装置，与CO2发生电化学反应，将CO2转化成甲醇燃料和水。
S6：将S5中生成的水回收，继续放入电解槽中循环使用。
本发明的有益效果是：
1、将太阳能、水能和煤炭燃烧合理的结合在一起，利用太阳能转化成电能进行电解水，电解水产生的氢气和氧气分别与煤炭燃烧产生的CO2和CO进行化学反应，降低了有毒气体CO的排放，同时，将导致温室效应的CO2转化成了游泳的化学燃料，整个系统设计合理，各部分之间化学反应简单安全，经济环保；
2、电解水需要消耗大量的电能，利用太阳能蓄电池进行充放电可节省大量电能。
附图说明
图1为本发明太阳能应用到燃煤装置的清洁能源系统的结构示意图。
图2为本发明太阳能应用到燃煤装置的清洁能源系统的工艺流程示意图。
图3为本发明CO2处理装置将氢气和二氧化碳合成甲醇的工艺方法流程示意图。
图4为本发明电解水装置立体结构图。
图5为本发明脱氧装置侧视图。
其中：1-底座，2-支架，21-蓄电池，22-二极管，23-控制器，3-太阳能板，4-台面，5-电解槽，51-双极膜，52-盖板，53-阳极室，531-氧气排出口，532-氧气收集管道，54-阴极室，541-氢气排出口，542-氢气收集管道，6-空气置换系统，61-空气置换管，7-燃煤锅炉，71-烟气排出管道，8-除尘脱硫脱硝装置，9-脱氧装置，91-铜网，10-CO2处理装置，101-H2入口，102-CO2入口102，103-压缩机，104-第一反应器，105-第一换热器，106-第一冷凝器，107-第一气液分离器，108-第二反应器，109-第二换热器，1010-第二冷凝器，1011-第二气液分离器，1012-粗产品贮罐，1013-高温蒸汽。
具体实施方式
为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的描述。
参照附图1-5所示，一种太阳能应用到燃煤装置的清洁能源系统，包括太阳能装置、电解水装置、燃煤装置和废气处理装置；
所述太阳能装置包括底座1、支架2和太阳能板3，所述支架2内设有蓄电池21，所述太阳能板3与所述蓄电池21之间电连接；所述太阳能板3与所述蓄电池21之间还设有一个二极管22，所述支架2上还固设有一个控制器23；
具体的，所述底座1安装在地面上，所述底座1的中心垂直向上焊接有支架2，所述支架2为空心结构，所述支架2的顶部通过螺丝连接有太阳能板3，所述支架2内设有蓄电池21，所述太阳能板3与所述蓄电池21电连接，所述太阳能板3与所述蓄电池21之间还设有一个二极管22，所述二极管22的正极与太阳能板3输出的正极相连，所述二极管22的负极与蓄电池21的正极相连，这样就可以防止夜间或阴雨天太阳能板3工作电压低于其供电的直流母线电压时，蓄电池22反过来向太阳能板3倒送电，因而消耗能量和导致方阵发热。二极管22串联在太阳能电池板方阵的电路中，起单向导通的作用。所述支架2上还铰接有一个控制器23，所述控制器23与所述蓄电池21电连接，用来控制蓄电池21对负载进行放电。
进一步的，所述电解水装置包括台面4、电解槽5和空气置换系统6，所述电解槽4位于所述台面4上，所述电解槽5内设有双极膜51，所述电解槽5上还设有一盖板52，所述双极膜51和盖板52将电解槽5分隔成两个独立的空间；所述电解槽5内双极膜51的一侧与蓄电池21的正极电连接，形成阳极室53，另一侧与蓄电池22的负极电连接，形成阴极室54；所述空气置换系统6通过两根空气置换管61分别与所述阳极室53和阴极室54连通；所述盖板52上还设有两个气体排出口，位于阳极室53顶部的气体排出口为氧气排出口531，位于阴极室54顶部的气体排出口为氢气排出口541；所述氧气排出口531上设有氧气收集管道532，所述氢气排出口541上设有氢气收集管道542；
进一步的，所述双极膜51由阳离子交换膜和阴离子交换膜复合而成，其中，所述阳离子交换膜朝向所述阴极室54设置，所述阴离子交换膜朝向所述阳极室53设置；
进一步的，所述阴极室54内与蓄电池24负极连接的电线端部设有箔片，所述阳极室53内与蓄电池24正极连接的电线端部设有钛镀钌的金属网。
具体的，在电解槽5中加入水，阴极室54中加入HCl溶液作为电解质，阳极室53中加入NaOH溶液电解质，启动空气置换系统6，所述空气置换系统6通过伸入阳极室53和阴极室54的两根空气置换管61将电解槽中的空气和纯水中溶解的气体置换出来，启动支架2上的控制器23，蓄电池21开始放电，在直流电的作用下，双极膜51的阳离子交换膜可以使阳离子H+通过，OH-不能通过，而阴离子交换膜只允许阴离子OH-通过，不允许H+通过，因此，阴极室54中只含有H+，阳极室53中只剩下OH-；H+在阴极室54发生还原反应制得H2，同时，OH-在阳极室53发生氧化反应制得O2，上述电极反应的反应式为：2 H++2e-=H2↑；4OH-=O2↑+4e-+2H2O。O2通过氧气排出口531进入氧气收集管道532，H2通过氢气排出口541进入氢气收集管道542；
进一步的，H2还可以通过其他氢气收集装置直接收集起来密封保存。
进一步的，所述燃煤装置为燃煤锅炉7，所述氧气收集管道532与燃煤锅炉7的炉膛连通；煤炭在燃烧的时候会产生SO2、CO2、氮氧化合物和粉尘，不完全燃烧还会产生CO，通入O2后，CO可以与O2在炉膛中发生反应转化成CO2，所述燃煤锅炉7的顶部设有烟气排出管道71；SO2、CO2、氮氧化合物、粉尘以及未完全反应的CO和O2一起进入到所述烟气排出管道71中。其中，CO与O2在炉膛中点燃条件下发生的化学反应式为：2CO+O2=CO2。
进一步的，所述燃煤装置上设置有温度感应器和压力感应器，用来监测燃煤装置内的实时温度 和压力，保证系统的安全运行。
进一步的，所述废气处理装置包括除尘脱硫脱硝装置8、脱氧装置9和CO2处理装置10，所述烟气排出管道71内的烟气依次经过除尘脱硫脱硝装置8和脱氧装置9后进入CO2处理装置10，所述氢气收集管道542与所述CO2处理装置10连通。
优选的，所述脱氧装置9是由金属铜制成的中空结构，所述中空结构内竖直设有多个铜网91。
进一步的，所述脱氧装置9上设置有压力感应器，用来监测脱氧装置9内的实时压力，保证系统的安全运行。
具体的，SO2、CO2、氮氧化合物、粉尘以及未完全反应的CO和O2的混合物通过烟气排出管道71进入除尘脱硫脱硝装置8，除尘脱硫脱硝装置8可除去混合气中的SO2、氮氧化合物和粉尘，剩下CO2和、CO和O2的剩余气体，剩余气体继续通过烟气排出管道71进入脱氧装置9，对脱氧装置9进行加热，CO与O2可继续发生反应，同时，O2与铜也发生化学反应，生成CuO，CO与CuO也可以发生氧化还原反应，剩余CO2通过铜网91后进入与脱氧装置9另一侧连接的烟气排出管道71，最终进入到CO2处理装置10中；在加热条件下，脱氧装置9内发生的化学反应有：2Cu + O2 = 2CuO，2CO+O2=CO2，CuO+CO=Cu+CO2。
具体的，除尘脱硫脱硝装置8利用煤炭燃烧形成的粉煤灰对废气进行脱硫脱硝，从化学反应的原理考虑，这些金属氧化物与SO2和氮氧化合物发生化学反应生成硫酸盐和硝酸盐，从而起到脱硫脱硝的作用，除尘脱硫脱硝装置8的出口处设置有过滤网，只允许气体通过，固体粉末状的灰尘不同通过，从而达到除尘的作用。在反应前，除尘脱硫脱硝装置8中装有足够量的粉煤灰，以至于能够除去全部的有害物质粉尘和SO2以及氮氧化合物，不会造成SO2以及有毒物质粉尘的泄露，也就不会造成环境污染以及危害操作人员的身体健康。
进一步的，脱氧装置9中设置多层的铜网91，足量的铜能够使CO和O2完全反应掉，使最后剩余的气体中只有CO2一种气体。
进一步的，电解水产生的H2也进入到CO2处理装置10中，与CO2发生电化学反应，将CO2转化成甲醇燃料。
具体的，如附图3所示，所述CO2处理装置10依次包括H2入口101、CO2入口102，压缩机103、第一反应器104、第一换热器105、第一冷凝器106、第一气液分离器107、第二反应器108、第二换热器109、第二冷凝器1010、第二气液分离器1011，粗产品贮罐1012；
具体的，第一步为催化反应：H2和CO2在压缩机103的作用下分别通过H2入口101、CO2入口102通入第一反应器104中，第一反应器104中加有Cu:Zn:Al摩尔比为70:18:12的铜基加氢催化剂，设置第一反应器中的温度为280°C，压力为8.0Mpa， H2和CO2在第一反应器104中进行第一步催化加氢反应，得到甲醇、水、一氧化碳；
具体反应为：加氢催化剂作用下，温度为280°C，压力为8.0Mpa时，
CO2+3H2 ＝ CH3OH+H2O
CO2+H2 ＝ CO+H2O
第二步为气液分离：将第一步反应后的甲醇、水、一氧化碳和未反应的氢气和二氧化碳通过换热器105和第一冷凝器106进行降温冷凝，然后进入第一气液分离器107进行气液分离，液体状态的甲醇和水作为产品溶液被分离出，直接进入到粗产品贮罐1012中，气体状态的一氧化碳、氢气和二氧化碳进入第二反应器108，进行下一步反应；
第三步为合成反应：经过气液分离后，氢气和一氧化碳、二氧化碳进入第二反应器108中，第二反应器108中装有Cu:Zn:Al摩尔比为62:25:13的合成甲醇催化剂，设置第二反应器108的温度为280°C，压力为6.0Mpa，在4000h-1的空速下进行合成反应，得到粗产品甲醇和水。
具体反应为：合成甲醇催化剂作用下，温度为280°C，压力为6.0Mpa时，
CO2+3H2 ＝ CH3OH+H2O
CO2+H2 ＝ CO+H2O
CO+H2 ＝ CH3OH
第四步为气液分离：将第三步反应后的甲醇、水、一氧化碳和未反应的氢气和二氧化碳通过第二换热器109和第二冷凝器1010进行降温冷凝，然后进入第二气液分离器1011进行气液分离，液体状态的甲醇和水作为产品溶液被分离出，也直接进入到粗产品贮罐1012中，气体状态的一氧化碳、氢气和二氧化碳再次进入第二反应器108，进行循环反应，以保证CO2和H2能够最大程度的发生反应进行转化；反应结束后剩余的气体中包括一氧化碳、氢气和二氧化碳，由于其含量较低，可直接作为高温蒸汽1013进行高空排放；经过处理后排放的气体比煤炭燃烧后直接排放的气体一氧化碳、氢气和二氧化碳含量低很多，有效的降低了环境污染，且将CO2转化成了有用的甲醇燃料，变废为宝，更加环保节能。
一种太阳能应用到燃煤装置的清洁能源系统的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1太阳能转化成电能：在太阳光照条件下，太阳能板将太阳能转化成电能贮存在蓄电池中；
S2电解水：在电解槽中加入水，通过空气置换系统除去电解槽中的空气以及水中溶解的少量空气，启动控制器，蓄电池放电，电解槽中发生电解水的电化学反应，阴极室内产生氢气，阳极室内产生氧气；
S3：阳极室中的氧气通过氧气收集管道进入燃煤锅炉的炉膛，使煤炭能够燃烧更彻底；
S4：煤炭燃烧产生的气体通过烟气排出管道进入除尘脱硫脱硝装置，除去气体中的SO2和氮氧化合物；剩余气体继续通过烟气排出管道进入脱氧装置，对脱氧装置进行燃烧，除去剩余气体中残留的氧气和CO，最终只剩下CO2继续通过烟气排出管道进入CO2处理装置。
S5：S2中产生的氢气通过氢气收集管道直接进入CO2处理装置，与CO2发生电化学反应，将CO2转化成甲醇燃料和水。
S6：将S5中生成的水回收，继续放入电解槽中循环使用。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种太阳能应用到燃煤装置的清洁能源系统，其特征在于：包括太阳能装置、电解水装置、燃煤装置和废气处理装置；
所述太阳能装置包括底座(1)、支架(2)和太阳能板(3)，所述支架(2)内设有蓄电池(21)，所述太阳能板(3)与所述蓄电池(21)之间电连接；所述太阳能板(3)与所述蓄电池(21)之间还设有一个二极管(22)，所述支架(2)上还固设有一个控制器(23)；
所述电解水装置包括台面(4)、电解槽(5)和空气置换系统(6)，所述电解槽(4)位于所述台面(4)上，所述电解槽(5)内设有双极膜(51)，所述电解槽(5)上还设有一盖板(52)，所述双极膜(51)和盖板(52)将电解槽(5)分隔成两个独立的空间；所述电解槽(5)内双极膜(51)的一侧与蓄电池(21)的正极电连接，形成阳极室(53)，另一侧与蓄电池(22)的负极电连接，形成阴极室(54)；所述空气置换系统(6)通过两根空气置换管(61)分别与所述阳极室(53)和阴极室(54)连通；所述盖板(52)上还设有两个气体排出口，位于阳极室(53)顶部的气体排出口为氧气排出口(531)，位于阴极室(54)顶部的气体排出口为氢气排出口(541)；所述氧气排出口(531)上设有氧气收集管道(532)，所述氢气排出口(541)上设有氢气收集管道(542)；
所述燃煤装置为燃煤锅炉(7)，所述氧气收集管道(532)与燃煤锅炉(7)的炉膛连通；所述燃煤锅炉(7)的顶部设有烟气排出管道(71)；
所述废气处理装置包括除尘脱硫脱硝装置(8)、脱氧装置(9)和CO2处理装置(10)，所述烟气排出管道(71)内的烟气依次经过除尘脱硫脱硝装置(8)和脱氧装置(9)后进入CO2处理装置(10)，所述氢气收集管道(542)与所述CO2处理装置(10)连通。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能应用到燃煤装置的清洁能源系统，其特征在于：所述双极膜(51)由阳离子交换膜和阴离子交换膜复合而成，其中，所述阳离子交换膜朝向所述阴极室(54)设置，所述阴离子交换膜朝向所述阳极室(53)设置。
3.根据权利要求1所述的一种太阳能应用到燃煤装置的清洁能源系统，其特征在于，所述阴极室(54)内与蓄电池(24)负极连接的电线端部设有箔片，所述阳极室(53)内与蓄电池(24)正极连接的电线端部设有钛镀钌的金属网。
4.根据权利要求1所述的一种太阳能应用到燃煤装置的清洁能源系统，其特征在于，所述脱氧装置(9)是由金属铜制成的中空结构，所述中空结构内竖直设有多个铜网(91)。
5.根据权利要求1所述的一种太阳能应用到燃煤装置的清洁能源系统，其特征在于，所述CO2处理装置(10)将CO2和H2转化成甲醇燃料。
6.如权利要求1-5任一项所述的一种太阳能应用到燃煤装置的清洁能源系统的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1太阳能转化成电能：在太阳光照条件下，太阳能板将太阳能转化成电能贮存在蓄电池中；
S2电解水：在电解槽中加入水，通过空气置换系统除去电解槽中的空气以及水中溶解的少量空气，启动控制器，蓄电池放电，电解槽中发生电解水的电化学反应，阴极室内产生氢气，阳极室内产生氧气；
S3：阳极室中的氧气通过氧气收集管道进入燃煤锅炉的炉膛，使煤炭能够燃烧更彻底；
S4：煤炭燃烧产生的气体通过烟气排出管道进入除尘脱硫脱硝装置，除去气体中的SO2和氮氧化合物；剩余气体继续通过烟气排出管道进入脱氧装置，对脱氧装置进行燃烧，除去剩余气体中残留的氧气和CO，最终只剩下CO2继续通过烟气排出管道进入CO2处理装置。
S5：S2中产生的氢气通过氢气收集管道直接进入CO2处理装置，与CO2发生电化学反应，将CO2转化成甲醇燃料和水。
S6：将S5中生成的水回收，继续放入电解槽中循环使用。
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