CN114592971B - 生物质微型燃机与超临界二氧化碳耦合发电系统及方法 - Google Patents

生物质微型燃机与超临界二氧化碳耦合发电系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种生物质微型燃机与超临界二氧化碳耦合发电系统及方法，包括：生物质气化炉模块、微型燃气轮机发电系统模块及双级回热超临界二氧化碳循环发电模块；生物质气化炉模块与微型燃气轮机发电系统模块连接提供生物质气；微型燃气轮机发电系统模块包括第一回热器；生物质气和压缩空气进入第一回热器，第一回热器分别连接第一燃烧室和第二燃烧室，第一燃烧室和第二燃烧室分别连接第一燃气透平、第二燃气透平；第一燃气透平、第二燃气透平同轴驱动发电机发电；第一回热器的烟气出口与双级回热超临界二氧化碳循环发电模块连接提供热源。本发明的热力发电系统在结构上形式多样，充分发挥分布式能源在经济和环境效益上优势。

Description

生物质微型燃机与超临界二氧化碳耦合发电系统及方法
技术领域
本发明属于分布式能源发电技术领域，特别涉及一种生物质微型燃机与超临界二氧化碳耦合发电系统及方法。
背景技术
生物质气化主要应用于气化发电、区域供热、热电联产、合成甲醇或二甲醚、合成氨，设计生物质以林业废物为主。主要运用在冷热电联产系统，目前运行成熟的生物质燃气内燃机单机最大功率为500kW。目前，在生物质气化与燃气轮机联合循环发电方面主要以大型电厂的热电联合为研究对象。
分布式供能系统可同时为用户提供冷、热、电负荷，在能源、经济和环境效益上相比传统供能方式均存在较大优势。一方面，对于农村而言，存在丰富的太阳能和生物质资源，构建多能互补的分布式供能系统，为用户提供供暖、生活热水和电负荷，可减少散煤燃烧、优化能源结构。另一方面，微型化是分布式能源的发展方向。
超临界二氧化碳布雷顿循环作为极具有发展潜能的能量转化系统之一，近年来受到广泛关注，其潜在应用领域包含核能，化石燃料、废热和可再生热源等。与蒸汽/水蒸气循环相比，sCO2布雷顿循环具有布局简单，设备紧凑，可持续性和优越的经济性等优点。目前对SCO2动力循环回收废热的研究主要以改进sCO2循环布局以及参数对循环效率的影响为主，缺乏不同sCO2动力循环之间性能对比的研究。Aspen Plus作为一款大型通用流程模拟系统，具有完备准确的物性系统，计算结果准确可靠。
发明内容
本发明的目的在于提供一种生物质微型燃机与超临界二氧化碳耦合发电系统及方法，本发明的系统主要由三个部分组成，分别是微型燃气轮机发电系统模块、对生物质气化炉模块、双级回热超临界二氧化碳发电系统模块等，充分发挥分布式能源在经济和环境效益上优势。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种生物质微型燃机与超临界二氧化碳耦合发电系统，包括生物质气化炉模块、微型燃气轮机发电系统模块及双级回热超临界二氧化碳循环发电模块；
所述生物质气化炉模块与微型燃气轮机发电系统模块连接提供生物质气；
所述微型燃气轮机发电系统模块包括第一回热器、第一燃烧室、第一燃气透平、第二燃烧室、第二燃气透平及发电机；生物质气和压缩空气进入第一回热器，第一回热器分别连接第一燃烧室和第二燃烧室，第一燃烧室和第二燃烧室分别连接第一燃气透平、第二燃气透平；第一燃气透平、第二燃气透平同轴驱动发电机发电；第一回热器的烟气出口与双级回热超临界二氧化碳循环发电模块连接给超临界二氧化碳工质提供热源。
作为本发明的进一步改进，所述发电机、第一压缩机和第二压缩机同轴设置。
作为本发明的进一步改进，所述微型燃气轮机发电系统模块还包括第一压缩机、空气冷却器和第二压缩机；第一压缩机和第二压缩机同轴设置提供压缩空气，空气冷却器设置在第一压缩机和第二压缩机之间，第二压缩机的出口与第一回热器空气入口连接。
作为本发明的进一步改进，所述第一回热器和第二燃烧室之间的两个管路上分别设置有第一控制阀、第二控制阀。
作为本发明的进一步改进，所述生物质气化炉模块包括：裂解器、气化器、气固分离器、组分分离器及储气罐；生物质输入裂解器，裂解器的气体与气化剂空气输入气化器；裂解器、气化器、气固分离器、组分分离器及储气罐依次连接，储气罐与第一回热器连接提供生物质气。
作为本发明的进一步改进，所述双级回热超临界二氧化碳循环发电模块包括：第二回热器、第一sCO2透平、第三回热器及第二sCO2透平；
所述第一回热器的烟气出口分别与第二回热器、第三回热器连接进行换热；第二回热器、第三回热器分别驱动第一sCO2透平、第二sCO2透平发电。
作为本发明的进一步改进，所述第一回热器的烟气出口与第二回热器、第三回热器连接管路上分别设置有第三控制阀和第四控制阀。
作为本发明的进一步改进，所述双级回热超临界二氧化碳循环发电模块还包括：第四回热器、冷凝器、第三压缩机及第五回热器；第三压缩机提供超临界二氧化碳工质，第三压缩机的出口分别连接第四回热器的第一入口及第五回热器的第一入口，第四回热器的第一出口及第五回热器的第一出口分别连接第二回热器的第一入口、第三回热器的第一入口；
第二回热器的第一出口与第一sCO2透平的入口连接，第三回热器的第一出口与第二sCO2透平的入口连接，
第一sCO2透平的出口与第五回热器的第二入口连接，第二sCO2透平的出口与第四回热器的第二入口连接，第五回热器的第二出口与第四回热器的第二出口混合后与冷凝器的入口连接，冷凝器的出口连接第三压缩机的入口。
作为本发明的进一步改进，所述冷凝器采用冷却水换热。
一种生物质微型燃机与超临界二氧化碳耦合发电系统的控制方法，包括以下步骤：
生物质气化炉模块将生物质进行提炼提供生物质气；
空气和生物质气经过第一回热器加热，再通过第一燃烧室和第二燃烧室产生的高温高压烟气在第一燃气透平和第二燃气透平分别实现膨胀驱动发电机发电；
燃烧后的烟气进入双级回热超临界二氧化碳循环发电模块，吸热后的超临界二氧化碳工质进入透平中膨胀做功发电。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明相较于现有的燃气-蒸汽联合循环，采用超临界二氧化碳循环作为底循环替换了蒸汽朗肯循环，由于机组的能量密度高，使得机组的占地面积大大减小，且效率高。将生物质转化为干生物质气，替代了原有的天然气燃料，解决了对化石能源的依赖。本发明的热力发电系统在结构上形式多样，充分发挥分布式能源在经济和环境效益上优势。特别是通过生物质气化模块产生的干生物质气，为微型燃气轮机发电系统模块提供燃料，替代了天然气作为燃气轮机的燃料。本发明相较于传统的燃气-蒸汽联合循环，采用超临界二氧化碳循环作为底循环替换了蒸汽朗肯循环，由于机组的能量密度高，使得机组的占地面积大大减小，且效率高。将生物质转化为干生物质气，替代了原有的天然气燃料，解决了对化石能源的依赖。本发明的热力发电系统在结构上形式多样，充分发挥分布式能源在经济和环境效益上优势。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的一种生物质微型燃机与超临界二氧化碳耦合发电系统及方法的示意图；
图中，100、生物质气化炉模块；200、微型燃气轮机发电系统模块；200、双级回热超临界二氧化碳循环发电模块；
1、裂解器；2、气化器；3、气固分离器；4、组分分离器；5、储气罐；
6、第一回热器；7、第一燃烧室；8、第一燃气透平；9、第一控制阀；10、第二控制阀；11、第二燃烧室；12、第二燃气透平；13、发电机；14、第一压缩机；15、空气冷却器；16、第二压缩机；
17、第三控制阀；18、第二回热器；19、第一sCO2透平；20、第四控制阀；21、第三回热器；22、第一sCO2透平；23、第四回热器；24、第一混合阀；25、冷凝器；26、第三压缩机；27、第二混合阀；28、第五回热器。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
请参阅图1，本发明实施例的一种生物质微型燃机与超临界二氧化碳耦合发电系统，包括：生物质气化炉模块100、微型燃气轮机发电系统模块200、双级回热超临界二氧化碳循环发电模块300等三个部分。
所述生物质气化炉模块100与微型燃气轮机发电系统模块200连接提供生物质气；
生物质气化炉模块100包括：裂解器1、气化器2、气固分离器3、组分分离器4及储气罐5；生物质输入裂解器1，裂解器1的气体与气化剂空气输入气化器2；裂解器1、气化器2、气固分离器3、组分分离器4及储气罐5依次连接，储气罐5与第一回热器6连接提供生物质气。
各部分的作用如下：
所述的裂解器1用于将生物质再缺氧或低氧的情况下，进行热裂解，生物质被分解成灰分和单分子组分，得到中间产物(包含碳、氢、氧、氮、硫、水、灰分等物质)，并于气化剂空气一同送入气化器中；
所述的气化器，用于将中间产物与气化剂空气进行气化反应生成由合成气和灰分等组成的反应产物粗生物质气；
所述的气固分离器3，用于分离出灰分和湿生物质气，将灰分排除，避免影响生物质气的利用；
所述的组分分离器4，用于将湿生物质气的水分去除，提高生物质气的热值，得到干生物质气；
所述的储气罐5，用于存储干生物质气，便于微型燃气轮机燃料的实时供应。
本发明实施例中，进一步提出了生物质气化炉模块，利用Gibbs自由能最小化原理搭建气化反应平，在裂解器，生物质被分解成灰分和单分子组分，得到中间产物(包含碳、氢、氧、氮、硫、水、灰分等物质)，随后进入气化器，与气化剂空气进行气化反应生成由合成气和灰分等组成的反应产物粗生物质气。空气通过压气机进行增压升温，其后高温高压的压缩空气和分离掉灰分、水分的干燥生物质气共同进入燃烧室进行燃烧，燃烧反应产生的高温烟气进入透平膨胀做功，然后常压排放乏气。本发明选择生物质燃料种类为木屑、秸秆与食物垃圾。
生物质气化炉模块用于将生物质进行气化反应，产生清洁的干生物质气，用于微型燃气轮机燃烧，减少了对化石能源的消耗。
本发明实施例中，进一步提出了微型燃气轮机发电系统模块，微型燃气轮机一般采用离心式压气机。所述微型燃气轮机发电系统模块200包括第一回热器6、第一燃烧室7、第一燃气透平8、第二燃烧室11、第二燃气透平12及发电机13；生物质气和压缩空气进入第一回热器6，第一回热器6分别连接第一燃烧室7和第二燃烧室11，第一燃烧室7和第二燃烧室11分别连接第一燃气透平8、第二燃气透平12；第一燃气透平8、第二燃气透平12同轴驱动发电机13发电；第一回热器6的烟气出口与双级回热超临界二氧化碳循环发电模块300连接给超临界二氧化碳工质提供热源。
所述微型燃气轮机发电系统模块200还包括第一压缩机14、空气冷却器15和第二压缩机16；第一压缩机14和第二压缩机16同轴设置提供压缩空气，空气冷却器15设置在第一压缩机14和第二压缩机16之间，第二压缩机16的出口与第一回热器6空气入口连接。所述第一回热器6和第二燃烧室11之间的两个管路上分别设置有第一控制阀9、第二控制阀10。
所述的第一回热器6用于加热干生物质气和二次压缩的空气，用于燃烧室7的燃烧，加热后的生物质气与压缩空气共同被送入第一燃烧室7和第二燃烧室11；
所述的第一燃气透平8和第二燃气透平11用于利用燃烧室的高温烟气，通过发电机13进行发电，将机械能转化为电能；
在微型燃气轮机发电系统模块提供了二次压缩，并增加了间冷器15，一方面减少了压缩耗功，另一方面提高了燃气轮机的进气压力，增大了透平的膨胀做功；
作为优选实施例，提供了两个燃烧室和两个燃气透平，减少了燃烧室内部的热应力，并增加两个燃气透平，提高了燃气轮机发电模块的做功能力；
采用燃气轮机的排气用于干生物质气和第二压缩机6出口的压缩空气进行加热，减少了燃料及空气在燃烧室中的热损失。
在理想状态下，压气机与燃气透平都是等熵过程，干生物质气存储在储气罐5中，干生物质气进入第一回热器6，与第二压缩机5出口的压缩空气一同被第二燃气透平12排气加热，减少了进入第一燃烧室7和第二燃烧室11中热损失，通过第一控制阀9、第二控制阀10控制进入第二燃烧室11中干生物质气和空气比例，以实现对第二燃气透平12的功率控制，第二燃气透平的排气被送入第一回热器放热后，仍具有较高的温度，燃气轮机的排气的余热被送入超临界二氧化碳循环发电系统。
本发明实施例中，进一步提出了双级回热超临界二氧化碳循环发电模块，双级回热循环作为一种废热回收的新型布局形式，其结构特点类似于两个简单回热循环并联。
所述双级回热超临界二氧化碳循环发电模块300包括：第二回热器18、第一sCO2透平19、第三回热器21及第二sCO2透平22；所述第一回热器6的烟气出口分别与第二回热器18、第三回热器21连接进行换热；第二回热器18、第三回热器21分别驱动第一sCO2透平19、第二sCO2透平22发电。
还包括：第四回热器23、冷凝器25、第三压缩机26及第五回热器28；第三压缩机26提供超临界二氧化碳工质，第三压缩机26的出口分别连接第四回热器23的第一入口及第五回热器28的第一入口，第四回热器23的第一出口及第五回热器28的第一出口分别连接第二回热器18的第一入口、第三回热器21的第一入口；
第二回热器18的第一出口与第一sCO2透平19的入口连接，第三回热器21的第一出口与第二sCO2透平22的入口连接，
第一sCO2透平19的出口与第五回热器28的第二入口连接，第二sCO2透平22的出口与第四回热器23的第二入口连接，第五回热器28的第二出口与第四回热器23的第二出口混合后与冷凝器25的入口连接，冷凝器25的出口连接第三压缩机26的入口。
所述第一回热器6的烟气出口与第二回热器18、第三回热器21连接管路上分别设置有第三控制阀17和第四控制阀20。冷凝器25采用冷却水换热。
各部分的作用如下：
所述的第一sCO2透平19和第二sCO2透平22用于将超临界的二氧化碳在透平中实现膨胀做功；
所述的第四回热器23和第五回热器28用于将温度较高的二氧化碳热量释放给温度较低的工质，减少热力系统的热损失；
所述的第三压缩机26用于压缩二氧化碳工质，使其压力升高，便于在透平中实现膨胀做功；
本发明采用sCO2作为底循环，回收微型燃气轮机的余热，相较于传统的蒸汽朗肯循环，由于单位质量工质的能量高，减小了机组的占地面积；本发明采用了双级回热器，用于加热低温的CO2工质，减小了系统的换热温差，进一步减小了热损失；
作为优选实施例，通过第三控制阀17和第四控制阀20对微型燃气轮机烟气流量的控制，益于调节第一sCO2透平19和第二sCO2透平22的输出功率。
燃气轮机的排气通过第三控制阀17和第四控制阀20控制流量，以达到调节加热超临界二氧化碳的目的，在第二回热器18中，超临界二氧化碳被加热，温度升高，进入第一sCO2透平19进行膨胀做功，其排气仍然具有潜在的余热，在第五回热器28中，释放剩余的热量给温度较低的二氧化碳工质，被加热的超临界二氧化碳进入第三回热器21中，被高温的烟气加热，使其具备较高的内能，在第二sCO2透平22中膨胀做功，产生的乏汽在第四回热器23释放热量后，两股超临界二氧化碳在第一混合阀24中进行等压混合，之后，进入凝汽器中，被冷却水降温，其目的是为了便于再次压缩，使其压力升高，在透平中膨胀做功。
本发明还提供一种生物质微型燃机与超临界二氧化碳耦合发电系统的控制方法，包括以下步骤：
生物质气化炉模块100将生物质进行提炼提供生物质气；
空气和生物质气经过第一回热器6加热，再通过第一燃烧室7和第二燃烧室11产生的高温高压烟气在第一燃气透平8和第二燃气透平11分别实现膨胀驱动发电机13发电；
燃烧后的烟气进入双级回热超临界二氧化碳循环发电模块，吸热后的超临界二氧化碳工质进入透平中膨胀做功发电。
综上所述，本发明的一种生物质微型燃机与超临界二氧化碳耦合发电系统具有如下优点：
1).建立一种生物质气化炉模块，将生物质进行提炼，产生热值较高、清洁、益于燃烧的干生物质气，为微型燃机提供燃料，解决了对化石能源的依赖；
2).空气被送入第一压缩机14和第二压缩机16中，进行空气的二次压缩，并增加了间冷器15，减少了压缩耗功；
3).对于产生干生物质气，在第一回热器6加热干生物质气和二次压缩的空气，用于第一燃烧室7和第二燃烧室11，产生的高温高压烟气在第一燃气透平8和第二燃气透平11分别实现膨胀做功；
4.燃气透平的排气进入双级回热超临界二氧化碳循环发电模块，吸热后的超临界二氧化碳工质进入透平中膨胀做功，采用双级回热器的方式，减少了系统中的热损失。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种生物质微型燃机与超临界二氧化碳耦合发电系统，其特征在于，包括生物质气化炉模块（100）、微型燃气轮机发电系统模块（200）及双级回热超临界二氧化碳循环发电模块（300）；
所述生物质气化炉模块（100）与微型燃气轮机发电系统模块（200）连接提供生物质气；
所述微型燃气轮机发电系统模块（200）包括第一回热器（6）、第一燃烧室（7）、第一燃气透平（8）、第二燃烧室（11）、第二燃气透平（12）及发电机（13）；生物质气和压缩空气进入第一回热器（6），第一回热器（6）分别连接第一燃烧室（7）和第二燃烧室（11），第一燃烧室（7）和第二燃烧室（11）分别连接第一燃气透平（8）、第二燃气透平（12）；第一燃气透平（8）、第二燃气透平（12）同轴驱动发电机（13）发电；第一回热器（6）的烟气出口与双级回热超临界二氧化碳循环发电模块（300）连接给超临界二氧化碳工质提供热源；
所述双级回热超临界二氧化碳循环发电模块（300）包括：第二回热器（18）、第一sCO2透平（19）、第三回热器（21）及第二sCO2透平（22）；
所述第一回热器（6）的烟气出口分别与第二回热器（18）、第三回热器（21）连接进行换热；第二回热器（18）、第三回热器（21）分别驱动第一sCO2透平（19）、第二sCO2透平（22）发电；
所述第一回热器（6）的烟气出口与第二回热器（18）、第三回热器（21）连接管路上分别设置有第三控制阀（17）和第四控制阀（20）；
所述双级回热超临界二氧化碳循环发电模块（300）还包括：第四回热器（23）、冷凝器（25）、第三压缩机（26）及第五回热器（28）；第三压缩机（26）提供超临界二氧化碳工质，第三压缩机（26）的出口分别连接第四回热器（23）的第一入口及第五回热器（28）的第一入口，第四回热器（23）的第一出口及第五回热器（28）的第一出口分别连接第二回热器（18）的第一入口、第三回热器（21）的第一入口；
第二回热器（18）的第一出口与第一sCO2透平（19）的入口连接，第三回热器（21）的第一出口与第二sCO2透平（22）的入口连接，
第一sCO2透平（19）的出口与第五回热器（28）的第二入口连接，第二sCO2透平（22）的出口与第四回热器（23）的第二入口连接，第五回热器（28）的第二出口与第四回热器（23）的第二出口混合后与冷凝器（25）的入口连接，冷凝器（25）的出口连接第三压缩机（26）的入口。
2.根据权利要求1所述的一种生物质微型燃机与超临界二氧化碳耦合发电系统，其特征在于，所述微型燃气轮机发电系统模块（200）还包括第一压缩机（14）、空气冷却器（15）和第二压缩机（16）；第一压缩机（14）和第二压缩机（16）提供压缩空气，空气冷却器（15）设置在第一压缩机（14）和第二压缩机（16）之间，第二压缩机（16）的出口与第一回热器（6）空气入口连接。
3.根据权利要求2所述的一种生物质微型燃机与超临界二氧化碳耦合发电系统，其特征在于，所述发电机（13）、第一压缩机（14）和第二压缩机（16）同轴设置。
4.根据权利要1所述的一种生物质微型燃机与超临界二氧化碳耦合发电系统，其特征在于，所述第一回热器（6）和第二燃烧室（11）之间的两个管路上分别设置有第一控制阀（9）、第二控制阀（10）。
5.根据权利要求1所述的一种生物质微型燃机与超临界二氧化碳耦合发电系统，其特征在于，所述生物质气化炉模块（100）包括：裂解器（1）、气化器（2）、气固分离器（3）、组分分离器（4）及储气罐（5）；生物质输入裂解器（1），裂解器（1）的气体与气化剂空气输入气化器（2）；裂解器（1）、气化器（2）、气固分离器（3）、组分分离器（4）及储气罐（5）依次连接，储气罐（5）与第一回热器（6）连接提供生物质气。
6.根据权利要求1所述的一种生物质微型燃机与超临界二氧化碳耦合发电系统，其特征在于，所述冷凝器（25）采用冷却水换热。
7.如权利要求1至6任一项所述的一种生物质微型燃机与超临界二氧化碳耦合发电系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
生物质气化炉模块（100）将生物质进行提炼提供生物质气；
空气和生物质气经过第一回热器（6）加热，再通过第一燃烧室（7）和第二燃烧室（11）产生的高温高压烟气在第一燃气透平（8）和第二燃气透平（12）分别实现膨胀驱动发电机（13）发电；
燃烧后的烟气进入双级回热超临界二氧化碳循环发电模块，吸热后的超临界二氧化碳工质进入透平中膨胀做功发电。
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