CN113187571A - 一种生物质纯氧燃烧发电系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种生物质纯氧燃烧发电系统及方法,水电解得到氢气和氧气,氧气至纯氧燃烧锅炉;氧气和燃料在纯氧燃烧锅炉内燃烧,产生的原烟气排至烟气净化系统,生物质燃料燃烧产生的热量经蒸汽管道的蒸汽接入汽轮机做功,带动电厂的发电机发电,同时为电解水制氢系统供电,实现燃烧生物质燃料的热能转换;烟气净化系统将原烟气进行处理得到固废和净烟气,净烟气排至二氧化碳捕集系统中,对净烟气处理得到纯净二氧化碳,进行收集存储和利用,本发明对弃风、弃光、弃水等能源生产中的余电转换,转换为氧气和氢能,采用氧气进行助燃生物质燃料,将产生的热量、废料和废气进行存储,实现能量转换的同时,能够降低二氧化碳的排放量,实现碳的负排放。
Description
技术领域
本发明涉及节能减排领域,具体涉及一种生物质纯氧燃烧发电系统及方法。
背景技术
电厂每年弃风、弃光、弃水现象较为严峻,需要发展规模化的储能系统,以满足电网对绿色能源的消纳。氢能具有能量密度高,清洁高效的特点,被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源。
当前全球氢气消费量超过99%是通过化石燃料制取的。化石燃料直接制氢会造成大量的碳排放,与我们的碳中和目标背道而驰。电解水制氢的高昂成本主要源于电费,成本是化石燃料的2倍多。燃煤电厂是二氧化碳排放大户。现役燃煤发电机组,由于设计阶段没有考虑二氧化碳捕捉的问题,若通过改造的方式实现碳捕集,工艺改动大,投入的费用高。
生物质能碳捕集与封存技术是一项非常具有前景的新型负排放技术。由于生物质中的碳来自大气环境,经光合作用被固定下来,而其在燃烧过程中,会产生大量的二氧化碳,因此对生物质能的利用结合碳捕集与封存技术,不仅可以降低能源使用过程中的碳排放,还会使空气中二氧化碳浓度下降,该过程可以抵消常规能源生产中的碳排放,达到碳中和的目的;同时,在空气中的燃烧,使得生物质的利用率较低。
发明内容
针对现有技术中存在生物质燃烧的碳排放以及燃烧成本较高的问题,本发明提供一种生物质纯氧燃烧发电系统及方法。
本发明是通过以下技术方案来实现:
一种生物质纯氧燃烧发电系统,包括电解水制氢系统、纯氧燃烧锅炉、烟气净化系统、二氧化碳捕集系统和电厂;所述电解水制氢系统的氧气出口连接纯氧燃烧锅炉的进气口,且由电厂供电;所述纯氧燃烧锅炉的进料口连接生物质燃料存储系统的出料口,排烟口连接烟气净化系统的原烟气入口,蒸汽管道接入汽轮机;汽轮机的动力输出端连接电厂的发电机发电;所述烟气净化系统的排气口连接二氧化碳捕集系统的进气口;所述二氧化碳捕集系统的二氧化碳出气口连接二氧化碳存储及外供系统的进气口。
进一步,电解水制氢系统的氢气出口分别连接氢能存储系统和氢能外供系统。
进一步,纯氧燃烧锅炉的蒸汽管道还接入换热站。
进一步,烟气净化系统设置有净烟气循环排气口,净烟气循环排气口连接纯氧燃烧锅炉的进气口。
进一步,烟气净化系统的固废出口连接草木灰存储及外供系统的固废入口。
进一步,纯氧燃烧锅炉的进气口和电解水制氢系统的氧气出口之间设置有气体混合装置。
进一步,气体混合装置的输入端还设置有空气入口。
进一步,电厂还包括太阳能发电、水能发电或风能发电。
一种生物质纯氧燃烧发电方法,包括以下步骤:
将水输入至电解水制氢系统中,进行电解得到氢气和氧气,氧气输出至纯氧燃烧锅炉;在纯氧燃烧锅炉内,氧气作为助燃物,生物质燃料燃烧,产生原烟气排至烟气净化系统;生物质燃料燃烧产生的热量经蒸汽管道的蒸汽接入汽轮机做功,带动电厂的发电机发电,同时为电解水制氢系统供电;烟气净化系统将原烟气进行处理得到净烟气,并排至二氧化碳捕集系统中;二氧化碳捕集系统捕集净烟气中的二氧化碳得到纯净二氧化碳,输出至二氧化碳存储及外供系统进行存储。
进一步,部分净烟气排至纯氧燃烧锅炉的气体混合装置中与氧气混合后用以调节纯氧燃烧锅炉的燃烧氧量和燃烧温度。
与现有技术相比,本发明具有以下有益的技术效果:
本发明一种生物质纯氧燃烧发电系统,依次连接电解水制氢氧系统、纯氧燃烧锅炉、烟气净化系统和二氧化碳捕集系统,电解水制氢系统利用电厂的余电,对水进行电解形成氧气和氢气,解决余电的浪费,同将氧气排至纯氧燃烧锅炉内,辅助纯氧燃烧锅炉内部生物质燃料的燃烧,使得燃料燃烧更加理想化,节约生物质燃料,减少烟气的排放,同时能够结合余电的利用,减少直接空分的成本;纯氧燃烧锅炉产生的热能从蒸汽管道传至汽轮机做功,进而带动电厂的发电机发电,可实现生物质能向电能的转换;纯氧燃烧锅炉产生的烟气依次传至烟气净化系统和二氧化碳捕集系统,可实现对烟气的净化和捕集存储和利用。本系统可以达到负二氧化碳排放的目的,消除弃风、弃光、弃水等能源生产中的浪费,降低氢能生产过程中的碳排放,利用电解水制氢过程的副产物纯氧,作为生物质纯氧燃烧的助燃剂,降低纯氧燃烧的成本,同时在生物质能燃烧过程中热能通过汽轮机做功于电厂的发电机发电,而其燃烧产生的二氧化碳通过与氧气混合调节燃烧温度,生物质能碳捕集与封存技术除了可以实现生物质能的利用,还可以实现碳的负排放。
进一步,本系统设置氢能存储系统和氢能及外供系统,可实现对氢气的存储利用,节约能源,提高能源的利用率。
进一步,烟气净化系统的固废出口连接草木灰存储及外供系统的固废入口,生物质纯氧燃烧产生的固体废物为草木灰,无其它掺杂,可肥田利用。
进一步,纯氧燃烧锅炉的进气口和电解水制氢系统的氧气出口之间设置有气体混合装置,气体混合装置的输入端还设置有空气入口,气体混合装置对进入纯氧燃烧锅炉的氧气、净烟气和空气的比例进行调整,可实现对纯氧燃烧锅炉内部燃烧氧量和燃烧温度的调控,进而提高生物质燃料的利用率。
一种生物质纯氧燃烧发电方法,本方法通过水进行电解得到氢气和氧气,氧气至纯氧燃烧锅炉;氧气和燃料在纯氧燃烧锅炉内燃烧,产生的原烟气排至烟气净化系统,生物质燃料燃烧产生的热量经蒸汽管道的蒸汽接入汽轮机做功,带动电厂的发电机发电,同时为电解水制氢系统供电,实现燃烧生物质燃料的热能转换;烟气净化系统将原烟气进行处理得到固废和净烟气,净烟气排至二氧化碳捕集系统中,二氧化碳捕集系统对净烟气处理得到纯净二氧化碳,并排至二氧化碳存储及外供系统,进行收集存储和利用,本方法能够实现对弃风、弃光、弃水等能源生产中的余电转换,转换为氧气和氢能,采用氧气进行助燃生物质燃料,将产生的热量、废料和废气进行存储,实现能量转换的同时,能够降低二氧化碳的排放量,实现碳的负排放。
进一步,净烟气一部分排至纯氧燃烧锅炉中用以调节燃烧氧量和燃烧温度,实现内部系统的自我调节,实用性强。
附图说明
图1为本发明实施例中一种生物质纯氧燃烧发电系统示意图;
图2为本发明实施例中一种生物质纯氧燃烧发电系统流程图。
图中:电解水制氢系统1、纯氧燃烧锅炉2、烟气净化系统3、二氧化碳捕集系统4、氢能存储系统11、氢能外供系统12、电厂13、生物质燃料存储系统21、汽轮机22、换热站23、草木灰存储及外供系统31、二氧化碳存储及外供系统41。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明,所述是对本发明的解释而不是限定。
本专利针对当前行业需求,提出的一种生物质纯氧燃烧发电系统及方法,利用谷电制氢,消除了弃风、弃光、弃水等能源生产中的浪费,降低了氢能生产过程中的碳排放,降低了纯氧燃烧的成本,实了现生物质能的利用和碳的负排放,固废草木灰还可肥田利用,一举数得,技术路线合理,且工程实施不存在难以克服的技术难点,大规模实施后可产生良好的经济效益和社会效益。
一种生物质纯氧燃烧发电系统,如图2所示,包括依次连接的电解水制氢系统1、纯氧燃烧锅炉2、烟气净化系统3和二氧化碳捕集系统4;电解水制氢系统1的出气口连接纯氧燃烧锅炉2的进气口,由电厂13提供电源;进一步的,氢气出口连接氢能存储系统11和氢能外供系统12,对电解产生的氢气进行收集存储和利用;其中,电厂13还包括采用太阳能、水能或风能等,当电厂产生余电时,通入本系统的电解水制氢系统1,与水发生电解反应,产生氧气和氢气,实现对余电的利用,节约能源。
纯氧燃烧锅炉2采用多氧燃烧器,在燃烧时,生物质燃料进入炉窑后,首先一次根部氧与部分生物质燃料掺混,燃烧时形成根部火焰,未燃烧的生物质燃料进入炉膛中,当二次氧进入炉膛与未燃烧的生物质燃料充分接触后,形成无焰火焰,发生剧烈反应并完全燃烧。
纯氧燃烧锅炉2的进料口连接生物质燃料存储系统21的出料口,可以实现为纯氧燃烧锅炉2持续供应生物质燃料用于燃烧,排烟口连接烟气净化系统3的原烟气入口,蒸汽管道接入汽轮机22,可实现纯氧燃烧锅炉2产生的热能从蒸汽管道传至汽轮机22做功,带动汽轮机22转动,汽轮机22的动力输出端连接电厂13的发电机发电,即将生物质能依次转换为热能、动能和电能的过程。
烟气净化系统3的排气口与二氧化碳捕集系统4的进气口连接,具体的,生物质纯氧燃烧产生的固体废物为草木灰,无其它掺杂,可肥田利用,固废排出口连接草木灰存储及外供系统31,对固废进行收集和存储,便于后期的利用,进一步提高本系统的利用率,其中,可以采用旋风除尘器将原烟气旋转运动,从而使灰尘在离心力的作用下分离出来,得到固废和净烟气。
进一步的,烟气净化系统3还设置有净烟气循环排气口,净烟气循环排气口连接纯氧燃烧锅炉2的进气口,用以调节燃烧温度,实现内部系统的自我调节。
二氧化碳捕集器4的二氧化碳出气口连接二氧化碳存储及外供系统41的进气口,二氧化碳捕集器4捕集净烟气中二氧化碳,输出至二氧化碳存储及外供系统41进行存储,便于后期的利用,同时实现整个过程的负碳排放。
具体的,根据生产的需要,纯氧燃烧锅炉2可通过空气入口引入部分空气,实现富氧燃烧;同时,纯氧燃烧锅炉2的进气口和电解水制氢系统1的氧气出口之间设置有气体混合装置,将电解得到的氧气、烟气净化系统3排出的部分净烟气和空气按照一定比例混合得到混合气体,混合气体通入纯氧燃烧锅炉2内,用以在燃烧过程中调节燃烧氧量和燃烧温度,进而提高了生物质燃料的利用率。
一种生物质纯氧燃烧发电方法,如图1所示,将水输入至电解水制氢系统1中,进行电解得到氢气和氧气,其中产生的氢气分别排至氢能存储系统11和氢能外供系统12进行存储和利用,氧气至纯氧燃烧锅炉2,助燃物氧气辅助生物质燃料进行燃烧,产生原烟气排至烟气净化系统3,其中,产生的热量经蒸汽管道的蒸汽接入汽轮机22做功,带动电厂13的发电机发电,此过程实现了从生物质能转换为热能、动能和电能的过程,具体的,纯氧燃烧锅炉2的蒸汽管道还可接入换热站23,用于加热换热站23;
烟气净化系统3将原烟气进行处理得到固废和净烟气,固废排至草木灰存储及外供系统31,实现对固废的收集,固废中含有大量的草木灰,而草木灰可用于肥田,提高了生物质燃料的整体利用率。
净烟气排至二氧化碳捕集系统4中,根据生产的需要,二氧化碳捕集系统4可采用吸收法、吸附法、膜分离法或相组合的方法,对二氧化碳进行捕集,二氧化碳捕集系统4捕集净烟气中的二氧化碳,输出至二氧化碳存储及外供系统41,对二氧化碳进行收集和利用,实现了负碳排放。
进一步的,烟气净化系统3对原烟气净化后的一部分净烟气经烟气循环管路输送到纯氧燃烧锅炉2的气体混合装置内部,与纯氧和空气混合后送入锅炉,以调节纯氧燃烧锅炉2的燃烧氧量和燃烧温度,提高生物质燃料的利用率。
Claims (10)
1.一种生物质纯氧燃烧发电系统,其特征在于,包括电解水制氢系统(1)、纯氧燃烧锅炉(2)、烟气净化系统(3)、二氧化碳捕集系统(4)和电厂(13);
所述电解水制氢系统(1)的氧气出口连接纯氧燃烧锅炉(2)的进气口,且由电厂(13)供电;
所述纯氧燃烧锅炉(2)的进料口连接生物质燃料存储系统(21)的出料口,排烟口连接烟气净化系统(3)的原烟气入口,蒸汽管道接入汽轮机(22);汽轮机(22)的动力输出端连接电厂(13)的发电机发电;
所述烟气净化系统(3)的排气口连接二氧化碳捕集系统(4)的进气口;
所述二氧化碳捕集系统(4)的二氧化碳出气口连接二氧化碳存储及外供系统(41)的进气口。
2.根据权利要求1所述一种生物质纯氧燃烧发电系统,其特征在于,所述电解水制氢系统(1)的氢气出口分别连接氢能存储系统(11)和氢能外供系统(12)。
3.根据权利要求1所述一种生物质纯氧燃烧发电系统,其特征在于,所述纯氧燃烧锅炉(2)的蒸汽管道还接入换热站(23)。
4.根据权利要求1所述一种生物质纯氧燃烧发电系统,其特征在于,所述烟气净化系统(3)设置有净烟气循环排气口,净烟气循环排气口连接纯氧燃烧锅炉(2)的进气口。
5.根据权利要求1所述一种生物质纯氧燃烧发电系统,其特征在于,所述烟气净化系统(3)的固废出口连接草木灰存储及外供系统(31)的固废入口。
6.根据权利要求1所述一种生物质纯氧燃烧发电系统,其特征在于,所述纯氧燃烧锅炉(2)的进气口和电解水制氢系统(1)的氧气出口之间设置有气体混合装置。
7.根据权利要求6所述一种生物质纯氧燃烧发电系统,其特征在于,所述气体混合装置的输入端还设置有空气入口。
8.根据权利要求1所述一种生物质纯氧燃烧发电系统,其特征在于,所述电厂(13)还包括太阳能发电、水能发电或风能发电。
9.一种生物质纯氧燃烧发电方法,根据权利要求1-8所述任意一种生物质纯氧燃烧发电系统,其特征在于,包括以下步骤:
将水输入至电解水制氢系统(1)中,进行电解得到氢气和氧气,氧气输出至纯氧燃烧锅炉(2);
在纯氧燃烧锅炉(2)内,氧气作为助燃物,生物质燃料燃烧,产生原烟气排至烟气净化系统(3);生物质燃料燃烧产生的热量经蒸汽管道的蒸汽接入汽轮机(22)做功,带动电厂(13)的发电机发电,同时为电解水制氢系统供电;
烟气净化系统(3)将原烟气进行处理得到净烟气,并排至二氧化碳捕集系统(4)中;
二氧化碳捕集系统(4)捕集净烟气中的二氧化碳得到纯净二氧化碳,输出至二氧化碳存储及外供系统(41)进行存储。
10.根据权利要求9所述一种生物质纯氧燃烧发电方法,其特征在于,所述部分净烟气排至纯氧燃烧锅炉(2)的气体混合装置中与氧气混合后用以调节纯氧燃烧锅炉(2)的燃烧氧量和燃烧温度。
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