CN113638782B - 一种农村地区综合能源互补利用系统及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种农村地区综合能源互补利用系统及工作方法，该系统包括生物质机组部分、地热能利用部分和沼气利用部分，通过能量梯级利用实现生物质、地热与沼气的热电联产互补集成。有机生物质在生物质直燃锅炉中燃烧或在厌氧反应罐中发酵。从中浅层土壤中吸热升温的地热循环水分为两路，一路用来加热有机朗肯循环工质后用作内燃机的缸套冷却水；另一路用来加热生物质机组低压给水后用作厌氧反应罐的保温水。热网循环水在热网加热器中利用内燃机尾气升温后供给热用户。本发明通过将生物质、地热与沼气进行合理耦合，实现能量梯级利用和余热合理回收，促进农村地区可再生能源的就地取材与高效消纳，因地制宜满足居民的热电需求。

Description

一种农村地区综合能源互补利用系统及工作方法

技术领域

本发明涉及综合能源利用领域，特别涉及一种农村地区综合能源互补利用系统及工作方法，具体涉及农村地区生物质、地热与沼气耦合利用供给热电的能源系统。

背景技术

随着农村经济的不断发展，农业生产与手工业作坊逐渐规模化、产业化，用能负荷不断飙升，对电和热的需求快速增长，但农村地区能源利用系统有待进一步改善。

可再生能源多元化发展，在农村地区和交通运输不便的偏远山区，结合当地产业特色，因地制宜开发利用可再生能源，不仅可以改善高昂的化石能源价格和燃料运输成本造成的能源供应短缺问题，还可以减少碳排放、保护当地生态环境。

由于太阳能、风能的利用因天气变化存在间歇性与不稳定性，考虑到农村地区第一产业占比大，农作物秸秆资源十分丰富，且能量密度较大，另有稻草、稻壳、玉米壳、柴薪等有机可燃物，而当前很多地区依然将农林有机物露天焚烧，不仅造成资源浪费，还带来了环境污染。因此，推广生物质能源化利用技术是农村地区发展新型能源利用系统的有效途径。

根据国家能源局统计数据，2020年我国农林生物质发电机组累计装机容量达1330万千瓦，发电量为510亿千瓦时；沼气累计装机89万千瓦，发电量为37.8 亿千瓦时。因此，农村地区生物质和沼气的利用潜力仍十分巨大，农林废弃物无害化、减量化、资源化处置前景广阔。

此外，地热能具有清洁低廉、利用广泛的优点，加之农村地区可利用土地广阔，地热能的使用愈发受到青睐。地热资源的开发已有三十余年，主要用来供热和发电，在农业与健康产业中也多有应用，利用技术逐渐成熟。循环水在土壤中吸热后从生产井上到地面，经由传输分配系统分配利用后通过回灌井回灌到地下。《中国地热能发展报告2018》显示，截至2017年底，我国年利用浅层地热能折合1900万吨标准煤，实现供暖建筑面积超过5亿平方米。

本发明围绕多能互补，将沼气、生物质与地热能进行耦合互补综合利用，将农林生物质、人畜粪便、有机生活垃圾等废弃物资源化利用，提高发电和供热量，显著提高农村地区电气化水平，满足居民用能需求，同时促进农村地区节能减排的发展。

发明内容

本发明针对农村地区可再生能源多能互补耦合利用问题，提出了一种农村地区综合能源互补利用系统，该系统通过能量梯级利用实现生物质、地热与沼气的热电联产互补集成。有机生物质在生物质直燃锅炉中燃烧或在厌氧反应罐中发酵。从中浅层土壤中吸热升温的地热循环水分为两路，一路用来加热有机朗肯循环工质后用作内燃机的缸套冷却水；另一路用来加热生物质机组低压给水后用作厌氧反应罐的保温水。热网循环水在热网加热器中利用内燃机尾气升温后供给热用户。本发明通过将生物质、地热与沼气进行合理耦合，实现能量梯级利用，对中浅层地热能高效使用，对沼气发电的尾气余热合理回收，促进农村地区可燃废弃有机物的资源化处置和就地消纳，满足当地居民的热电需求，总体经济性大大提高。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种农村地区综合能源互补利用系统，该系统包括生物质机组部分、地热能利用部分和沼气利用部分；所述的生物质机组部分包括生物质直燃锅炉、汽轮机、 #1发电机、#1凝汽器、凝结水泵、#6回热器、#5回热器、#4回热器、除氧器、给水泵、#2回热器、#1回热器和给水换热器；所述的地热能利用部分包括生产井、回灌井、地热水泵、地热水换热器、有机朗肯循环汽轮机、#2发电机、#2 凝汽器和有机朗肯循环泵；所述的沼气利用部分包括原料预处理池、厌氧反应罐、脱硫罐、储气罐、沼气增压泵、内燃机、#3发电机和热网加热器。

所述的生物质机组部分中，生物质直燃锅炉与汽轮机、#1发电机依次连接，汽轮机的排汽在#1凝汽器中冷却成凝结水，凝结水依次经过凝结水泵、#6回热器、#5回热器、#4回热器、除氧器、给水泵、#2回热器和#1回热器，作为给水进入生物质直燃锅炉；汽轮机有六股抽汽，分别通往#1回热器、#2回热器、除氧器、#4回热器、#5回热器和#6回热器；#1回热器和#2回热器中的疏水逐级自流至除氧器；#4回热器、#5回热器、#6回热器中的疏水逐级自流至#1凝汽器；给水换热器与#5回热器和#6回热器并联；

所述的地热能利用部分中，地热循环水在中浅层土壤中吸热升温后依次经生产井、地热水泵前往地热水换热器和给水换热器；有机朗肯循环工质在地热水换热器中吸热后前往有机朗肯循环汽轮机中膨胀做功，通过#2发电机进行发电，做完功的有机朗肯循环工质在#2凝汽器中凝结，经有机朗肯循环泵增压后回到地热水换热器继续吸热；

所述的沼气利用部分中，有机生物质在原料预处理池中简单处理后到厌氧反应罐中发酵，产生的沼气经脱硫罐脱硫后储存在储气罐中，在沼气增压泵作用下进入内燃机；内燃机与#3发电机相接；内燃机尾气在热网加热器中放热，热网循环水升温后供给热用户。

经地热水泵升压的地热水分为两路，一路前往地热水换热器加热有机朗肯循环工质，降温后的地热水通往内燃机用作缸套冷却水；另一路去往给水换热器加热生物质机组的低压给水，降温后用作厌氧反应罐的保温热源；两路地热水汇合后经回灌井回到地下。

所述的给水换热器的进口热源为经地热水泵升压的地热水，出口地热水通向厌氧反应罐；进口冷源为经凝结水泵升压的一部分给水，吸热后的给水通向#4 回热器的给水进口。

所述的地热水换热器的进口热源为经地热水泵升压的地热水，出口地热水通向内燃机；进口冷源为经有机朗肯循环泵升压的有机朗肯循环工质，吸热后的有机朗肯循环工质通向有机朗肯循环汽轮机。

所述的热网加热器的进口热源为内燃机的尾气，出口尾气达标后排放；进口冷源为热网循环水，吸热后供给热用户使用。

所述的生物质直燃锅炉所需燃料为农林生物质，如秸秆、稻壳等；厌氧反应罐中的原料可包括农林生物质、人畜粪便、有机生活垃圾、生活生产污泥等。

本发明具有以下优点和效果：

1)通过对生物质、沼气、地热三种能量利用形式的合理耦合，增加了农村地区可再生能源的使用，符合当地资源禀赋与负荷需求，使农村地区能源利用就地取材、因地制宜、绿色高效，对环境改善起积极作用；

2)对农林生物质、人畜粪便等回收利用，带来发电与供热效益的同时促进了可再生能源的高效消纳和废弃物的资源化处置；

3)用地热能加热生物质机组的给水，节省了生物质机组的低压抽汽；热网循环水被内燃机尾气加热，代替了生物质采暖抽汽，使生物质机组发电量增加，且内燃机尾气余热得以回收利用；

4)沼液沼渣可用作肥料使用，节约了化肥和农药；

5)该系统可有效减少向农村地区及偏远山区聚居地远距离输电与供热的基础设施建设成本及能量损耗；

6)系统运行及配套设施相对简单，运行成本低，使用寿命长。

附图说明

图1为一种农村地区综合能源互补利用系统示意图。

图中：I-生物质机组部分；II-地热能利用部分；III-沼气利用部分；1-生物质直燃锅炉；2-汽轮机；3-#1发电机；4-#1凝汽器；5-凝结水泵；6-#6回热器；7-#5 回热器；8-#4回热器；9-除氧器；10-给水泵；11-#2回热器；12-#1回热器；13- 给水换热器；14-生产井；15-回灌井；16-地热水泵；17-地热水换热器；18-有机朗肯循环汽轮机；19-#2发电机；20-#2凝汽器；21-有机朗肯循环泵；22-原料预处理池；23-厌氧反应罐；24-脱硫罐；25-储气罐；26-沼气增压泵；27-内燃机； 28-#3发电机；29-热网加热器。

具体实施方式

本发明提出了一种农村地区综合能源互补利用系统，下面结合附图和实例给予说明。

如图1所示的一种农村地区综合能源互补利用系统，该系统包括生物质机组部分Ⅰ、地热能利用部分Ⅱ和沼气利用部分Ⅲ；所述的生物质机组部分Ⅰ包括生物质直燃锅炉1、汽轮机2、#1发电机3、#1凝汽器4、凝结水泵5、#6回热器6、 #5回热器7、#4回热器8、除氧器9、给水泵10、#2回热器11、#1回热器12 和给水换热器13；所述的地热能利用部分Ⅱ包括生产井14、回灌井15、地热水泵16、地热水换热器17、有机朗肯循环汽轮机18、#2发电机19、#2凝汽器20 和有机朗肯循环泵21；所述的沼气利用部分Ⅲ包括原料预处理池22、厌氧反应罐23、脱硫罐24、储气罐25、沼气增压泵26、内燃机27、#3发电机28和热网加热器29。

所述的生物质机组部分Ⅰ中，生物质直燃锅炉1与汽轮机2、#1发电机3依次连接，汽轮机2的排汽在#1凝汽器4中冷却成凝结水，凝结水依次经过凝结水泵5、#6回热器6、#5回热器7、#4回热器8、除氧器9、给水泵10、#2回热器 11和#1回热器12，作为给水进入生物质直燃锅炉1；汽轮机2有六股抽汽，分别通往#1回热器12、#2回热器11、除氧器9、#4回热器8、#5回热器7和#6 回热器6；#1回热器12和#2回热器11中的疏水逐级自流至除氧器9；#4回热器8、#5回热器7、#6回热器6中的疏水逐级自流至#1凝汽器4；给水换热器13 与#5回热器7和#6回热器6并联。

所述的地热能利用部分Ⅱ中，地热循环水在中浅层土壤中吸热升温后依次经生产井14、地热水泵16前往地热水换热器17和给水换热器13；有机朗肯循环工质在地热水换热器17中吸热后前往有机朗肯循环汽轮机18中膨胀做功，通过#2发电机19进行发电，做完功的有机朗肯循环工质在#2凝汽器20中凝结，经有机朗肯循环泵21增压后回到地热水换热器17继续吸热。

所述的沼气利用部分Ⅲ中，有机生物质在原料预处理池22中简单处理后到厌氧反应罐23中发酵，产生的沼气经脱硫罐24脱硫后储存在储气罐25中，在沼气增压泵26作用下进入内燃机27；内燃机27与#3发电机28相接；内燃机27 尾气在热网加热器29中放热，热网循环水升温后供给热用户。

经地热水泵16升压的地热水分为两路，一路前往地热水换热器17加热有机朗肯循环工质，降温后的地热水通往内燃机27用作缸套冷却水；另一路去往给水换热器13加热生物质机组的低压给水，降温后用作厌氧反应罐23的保温热源；两路地热水汇合后经回灌井15回到地下。

所述的给水换热器13的进口热源为经地热水泵16升压的地热水，出口地热水通向厌氧反应罐23；进口冷源为经凝结水泵5升压的一部分给水，吸热后的给水通向#4回热器8的给水进口。

所述的地热水换热器17的进口热源为经地热水泵16升压的地热水，出口地热水通向内燃机27；进口冷源为经有机朗肯循环泵21升压的有机朗肯循环工质，吸热后的有机朗肯循环工质通向有机朗肯循环汽轮机18。

所述的热网加热器29的进口热源为内燃机27的尾气，出口尾气达标后排放；进口冷源为热网循环水，吸热后供给热用户使用。

所述的生物质直燃锅炉1所需燃料为农林生物质，如秸秆、稻壳等；厌氧反应罐23中的原料可包括农林生物质、人畜粪便、有机生活垃圾、生活生产污泥等。

下面结合实施例对具体控制过程进行举例说明：

农作物秸秆等有机农林生物质在生物质直燃锅炉1中燃烧，高参数蒸汽在汽轮机2中膨胀做功，驱动#1发电机3发电，以满足当地居民的大部分电负荷。农林生物质、人畜粪便、有机生活垃圾、生活生产污泥等在原料预处理池22中处理后进入厌氧反应罐23进行发酵，厌氧反应罐23内的温度维持在40～45℃，产生的沼气在脱硫罐24中脱硫后储存于储气罐25内，经沼气增压泵26升压后进入内燃机27，在内燃机27中燃烧释放能量，一部分转化为机械能驱动#3发电机 28发电，其它能量以热的形式随尾气排出内燃机27，尾气进入热网加热器29加热热网循环水，用于给当地居民提供供热服务。

在地下吸收土壤热量而升温的地热循环水在地热水泵16的作用下通过生产井14上到地面，一路前往地热水换热器17加热有机朗肯循环工质，有机朗肯循环工质在有机朗肯循环汽轮机18中膨胀做功，驱动#2发电机19发电，经#2凝汽器20冷凝和有机朗肯循环泵21升压后回到地热水换热器17中继续吸热，完成有机朗肯循环；在地热水换热器17中放热的地热水温度降低至75～80℃，满足内燃机27缸套冷却水的温度需求，前往内燃机27为缸套进行降温。另一路地热水在给水换热器13中加热生物质机组的低压给水，节省了#5回热器7和#6回热器6的抽汽，降温后的地热水满足厌氧反应罐23的温度需求。两路地热水汇合后通过回灌井15回到地下完成循环。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括在本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种农村地区综合能源互补利用系统，该系统包括生物质机组部分(Ⅰ)、地热能利用部分(Ⅱ)和沼气利用部分(Ⅲ)；所述的生物质机组部分(Ⅰ)包括生物质直燃锅炉(1)、汽轮机(2)、#1发电机(3)、#1凝汽器(4)、凝结水泵(5)、#6回热器(6)、#5回热器(7)、#4回热器(8)、除氧器(9)、给水泵(10)、#2回热器(11)、#1回热器(12)和给水换热器(13)；所述的地热能利用部分(Ⅱ)包括生产井(14)、回灌井(15)、地热水泵(16)、地热水换热器(17)、有机朗肯循环汽轮机(18)、#2发电机(19)、#2凝汽器(20)和有机朗肯循环泵(21)；所述的沼气利用部分(Ⅲ)包括原料预处理池(22)、厌氧反应罐(23)、脱硫罐(24)、储气罐(25)、沼气增压泵(26)、内燃机(27)、#3发电机(28)和热网加热器(29)；

所述的生物质机组部分(Ⅰ)中，生物质直燃锅炉(1)与汽轮机(2)、#1发电机(3)依次连接，汽轮机(2)的排汽在#1凝汽器(4)中冷却成凝结水，凝结水依次经过凝结水泵(5)、#6回热器(6)、#5回热器(7)、#4回热器(8)、除氧器(9)、给水泵(10)、#2回热器(11)和#1回热器(12)，作为给水进入生物质直燃锅炉(1)；汽轮机(2)有六股抽汽，分别通往#1回热器(12)、#2回热器(11)、除氧器(9)、#4回热器(8)、#5回热器(7)和#6回热器(6)；#1回热器(12)和#2回热器(11)中的疏水逐级自流至除氧器(9)；#4回热器(8)、#5回热器(7)、#6回热器(6)中的疏水逐级自流至#1凝汽器(4)；给水换热器(13)与#5回热器(7)和#6回热器(6)并联；

所述的地热能利用部分(Ⅱ)中，地热循环水在中浅层土壤中吸热升温后依次经生产井(14)、地热水泵(16)前往地热水换热器(17)和给水换热器(13)；有机朗肯循环工质在地热水换热器(17)中吸热后前往有机朗肯循环汽轮机(18)中膨胀做功，通过#2发电机(19)进行发电，做完功的有机朗肯循环工质在#2凝汽器(20)中凝结，经有机朗肯循环泵(21)增压后回到地热水换热器(17)继续吸热；

所述的沼气利用部分(Ⅲ)中，有机生物质在原料预处理池(22)中处理后到厌氧反应罐(23)中发酵，产生的沼气经脱硫罐(24)脱硫后储存在储气罐(25)中，在沼气增压泵(26)作用下进入内燃机(27)；内燃机(27)与#3发电机(28)相接；内燃机(27)尾气在热网加热器(29)中放热，热网循环水升温后供给热用户。

2.根据权利要求1所述的一种农村地区综合能源互补利用系统，其特征在于，经地热水泵(16)升压的地热水分为两路，一路前往地热水换热器(17)加热有机朗肯循环工质，降温后的地热水通往内燃机(27)用作缸套冷却水；另一路去往给水换热器(13)加热生物质机组的低压给水，降温后用作厌氧反应罐(23)的保温热源；两路地热水汇合后经回灌井(15)回到地下。

3.根据权利要求1所述的一种农村地区综合能源互补利用系统，其特征在于，所述的给水换热器(13)的进口热源为经地热水泵(16)升压的地热水，出口地热水通向厌氧反应罐(23)；进口冷源为经凝结水泵(5)升压的一部分给水，吸热后的给水通向#4回热器(8)的给水进口。

4.根据权利要求1所述的一种农村地区综合能源互补利用系统，其特征在于，所述的地热水换热器(17)的进口热源为经地热水泵(16)升压的地热水，出口地热水通向内燃机(27)；进口冷源为经有机朗肯循环泵(21)升压的有机朗肯循环工质，吸热后的有机朗肯循环工质通向有机朗肯循环汽轮机(18)。

5.根据权利要求1所述的一种农村地区综合能源互补利用系统，其特征在于，所述的热网加热器(29)的进口热源为内燃机(27)的尾气，出口尾气达标后排放；进口冷源为热网循环水，吸热后供给热用户使用。

6.根据权利要求1所述的一种农村地区综合能源互补利用系统，其特征在于，所述的生物质直燃锅炉(1)所需燃料为农林生物质；厌氧反应罐(23)中的原料包括农林生物质、人畜粪便、有机生活垃圾。

7.根据权利要求6所述的一种农村地区综合能源互补利用系统，其特征在于，所述的农林生物质为秸秆和/或稻壳。

8.权利要求1至7任一项所述的一种农村地区综合能源互补利用系统的工作方法，其特征在于，农林生物质在生物质直燃锅炉(1)中燃烧，高参数蒸汽在汽轮机(2)中膨胀做功，驱动#1发电机(3)发电，以满足当地居民的大部分电负荷；农林生物质、人畜粪便、有机生活垃圾在原料预处理池(22)中处理后进入厌氧反应罐(23)进行发酵，厌氧反应罐(23)内的温度维持在40～45℃，产生的沼气在脱硫罐(24)中脱硫后储存于储气罐(25)内，经沼气增压泵(26)升压后进入内燃机(27)，在内燃机(27)中燃烧释放能量，一部分转化为机械能驱动#3发电机(28)发电，其它能量以热的形式随尾气排出内燃机(27)，尾气进入热网加热器(29)加热热网循环水，用于给当地居民提供供热服务；

在地下吸收土壤热量而升温的地热循环水在地热水泵(16)的作用下通过生产井(14)上到地面，一路前往地热水换热器(17)加热有机朗肯循环工质，有机朗肯循环工质在有机朗肯循环汽轮机(18)中膨胀做功，驱动#2发电机(19)发电，经#2凝汽器(20)冷凝和有机朗肯循环泵(21)升压后回到地热水换热器(17)中继续吸热，完成有机朗肯循环；在地热水换热器(17)中放热的地热水温度降低至75～80℃，满足内燃机(27)缸套冷却水的温度需求，前往内燃机(27)为缸套进行降温；另一路地热水在给水换热器(13)中加热生物质机组的低压给水，节省了#5回热器(7)和#6回热器(6)的抽汽，降温后的地热水满足厌氧反应罐(23)的温度需求；两路地热水汇合后通过回灌井(15)回到地下完成循环。

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