CN115976539A - 基于无氮燃烧和二氧化碳循环的可再生能源利用系统 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种基于无氮燃烧和二氧化碳循环的可再生能源利用系统，可以应用于能源技术领域，该系统包括：电解单元、二氧化碳收集单元、甲醇合成单元、内燃机发电机组和甲醇重整反应单元。甲醇合成单元与电解单元和二氧化碳收集单元连接，电解单元利用可再生能源将水进行电解处理，得到氢气和氧气。二氧化碳收集单元收集可再生能源被利用过程中释放的二氧化碳气体。甲醇合成单元利用氢气和二氧化碳气体合成甲醇。内燃机发电机组与甲醇合成单元、电解单元和二氧化碳收集单元连接，用于将甲醇和氧气进行无氮燃烧，产生尾气和电能。甲醇重整反应单元与内燃机发电机组和甲醇合成单元连接，用于利用尾气余热催化甲醇发生重整反应，得到合成气，并将合成气输入内燃机发电机组，作为内燃机发电机组的燃料。

Description

基于无氮燃烧和二氧化碳循环的可再生能源利用系统

技术领域

本公开涉及可再生能源技术领域，具体涉及一种基于无氮燃烧和二氧化碳循环的可再生能源利用系统。

背景技术

近年来，以风电、光电为代表的可再生能源装机和发电得到了快速发展。但是，由于风电、光电具有一定的随机性、间歇性，缺少支撑电力系统安全稳定运行的控制性能，对电网安全冲击大，风光电大于20％时将会导致电网不安全。因此，风光电上网必须需要调节电源，接纳更多的可再生能源则需要更多的调峰电源，配套更多的调频电源。否则，将导致大面积的“弃风弃光”，造成经济损失和能源的浪费。所以如何将随机性、间歇性的风能和太阳能转化为稳定的能源供应是当前啄待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本公开提供了一种基于无氮燃烧和二氧化碳循环的可再生能源利用系统，包括：电解单元、二氧化碳收集单元、甲醇合成单元、内燃机发电机组和甲醇重整反应单元。

电解单元，用于利用可再生能源将水进行电解处理，得到氢气和氧气。

二氧化碳收集单元，用于收集可再生能源被利用过程中释放的二氧化碳气体。

甲醇合成单元，甲醇合成单元与电解单元和二氧化碳收集单元连接，用于利用氢气和二氧化碳气体合成甲醇。

内燃机发电机组，内燃机发电机组与甲醇合成单元、电解单元和二氧化碳收集单元连接，用于将甲醇和氧气进行燃烧，向第一负载端提供电能并排出尾气。

甲醇重整反应单元，甲醇重整反应单元与内燃机发电机组和甲醇合成单元连接，用于利用尾气余热催化甲醇发生重整反应，得到合成气，并将合成气输入内燃机发电机组，作为内燃机发电机组的燃料。

根据本公开的实施例，甲醇合成单元包括甲醇合成塔和甲醇分离器。

甲醇合成塔，用于利用氢气和二氧化碳气体进行反应得到甲醇混合气。

甲醇分离器，甲醇合成塔与甲醇分离器连接，用于分离甲醇混合气，得到甲醇。

根据本公开的实施例，电解单元包括电解装置、驱动装置、氢气分离器和氧气分离器。

电解装置，电解装置与供电系统连接，用于将水进行电解处理，得到氢气混合气和氧气混合气。

驱动装置，驱动装置与电解装置和水储罐连接，用于向电解装置中输送水。

氢气分离器，氢气分离器与电解装置连接，用于将氢气混合气进行除湿处理，得到氢气。

氧气分离器，氧气分离器与电解装置连接，用于将氧气混合气进行除湿处理，得到氧气。

根据本公开的实施例，电解装置包括质子交换膜。

根据本公开的实施例，内燃机发电机组包括：内燃机气缸、甲醇输送装置、进气管、出气管。

内燃机气缸，用于将甲醇和氧气进行燃烧。

甲醇输送装置，甲醇输送装置的第一端连接甲醇合成单元，甲醇输送装置的第二端连接内燃机气缸，用于向内燃机气缸输送甲醇。

进气管，进气管的第一端连接电解单元，进气管的第二端连接内燃机气缸，用于向内燃机气缸输送氧气；进气管的第三端连接甲醇重整单元，用于向内燃机气缸输送合成气。

出气管，出气管的第一端连接内燃机气缸，出气管的第二端连接甲醇重整单元，用于向甲醇重整单元输送尾气。

根据本公开的实施例，二氧化碳收集单元包括二氧化碳分离器、二氧化碳捕集器和二氧化碳储罐。

二氧化碳分离器，二氧化碳分离器的第一端与内燃机发电机组连接，用于分离尾气中的二氧化碳气体。

二氧化碳捕集器，二氧化碳捕集器与二氧化碳储罐连接，用于收集可再生能源被利用过程中释放在空气中的二氧化碳气体。

二氧化碳储罐，二氧化碳储罐分别与二氧化碳分离器和二氧化碳捕集器连接，用于存储尾气中的二氧化碳气体和空气中的二氧化碳气体。

根据本公开的实施例，二氧化碳储罐与二氧化碳分离器之间设置第一阀门。

根据本公开的实施例，上述系统还包括余热回收单元。余热回收单元与内燃机发电机组连接，用于回收尾气中的余热，以向第二负载端提供能量。

根据本公开的实施例，余热回收单元与二氧化碳收集单元连接，用于在尾气的余热被回收之后，收集尾气中的二氧化碳气体。余热回收单元与甲醇合成单元、电解单元连接，用于在余热不能满足负载端的能量需求的情况下，利用甲醇和氧气进行燃烧，以满足负载端的能量需求。

根据本公开的实施例，上述系统还包括水蒸气收集单元，水蒸汽收集单元与甲醇合成单元、二氧化碳收集单元、余热回收单元连接，用于收集可再生能源被利用过程中产生的水蒸气。

根据本公开的实施例，利用不稳定的可再生能源在电解单元中将水进行电解，得到氢气和氧气，并通过二氧化碳收集单元回收可再生能源利用系统中释放的二氧化碳气体，利用甲醇合成单元将氢气和二氧化碳气体转化为甲醇进行化学储能。实现了利用甲醇燃料实现能量跨季度存储，并可以输送至其他能源系统利用，实现柔性储能配置。利用内燃机发电机组燃烧甲醇，产生的尾气进入甲醇重整反应单元，实现了尾气的综合利用，燃烧产生的二氧化碳再通过二氧化碳收集单元收集起来，输入甲醇合成单元，实现了二氧化碳的循环利用，达到系统零碳排放、可再生能源高效利用的技术效果。

附图说明

图1示意性示出了根据本公开一些实施例的可再生能源循环利用系统的示例性架构图；

图2示意性示出了根据本公开另一些实施例的可再生能源循环利用的系统的示例性架构图；

图3示意性示出了根据本公开实施例的余热回收单元的示例性架构图。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开作进一步的详细说明。

风能和太阳能随气候和季节性变化大，储能技术被认为是未来大量利用风能和太阳能的关键技术，常用的储能技术包括蓄水储能、空气储能、电化学储能、氢及氢基燃料储能、储热等，但是，每种储能技术都有其固有的优缺点及应用场景，如蓄水储能能量密度较低，电化学储能只能满足短期的需求，氢则存在长时间不易存储及储存成本高等缺点。

有鉴于此，本公开实施例提供了一种可再生能源循环利用系统，主要构思如下：

将不稳定的风电和太阳能发电制氢，利用氢气和二氧化碳制甲醇实现甲醇燃料化学储能，内燃机发电机组通过燃烧甲醇提供电能。内燃机发电机组的尾气可以提供热能，内燃机的燃烧产物水和二氧化碳回收用于制取氢气和甲醇，实现二氧化碳和水的封闭循环。

内燃机发电机组内组织无氮燃烧，即将电解水制氢产生的氧气引入内燃机发电机组，以提高燃烧产物中二氧化碳浓度以降低碳回收能耗、以及消除燃烧中的氮氧化物。同时为了抑制纯氧燃烧产生过高的燃烧温度，进气中掺混部分二氧化碳，所以燃烧产物仅为水和二氧化碳，易于回收与再利用。

部分甲醇在进气过程利用内燃机发电机组的尾气余热分解成合成气，即内燃机发电机组内燃烧用的是甲醇燃料和甲醇重整的合成气。发动机废气余热将进一步通过余热补燃型冷热机组实现内燃机发电机组余热的梯级利用。

图1示意性示出了根据本公开一些实施例的可再生能源循环利用系统的示例性架构图。

如图1所示，基于无氮燃烧和二氧化碳循环的可再生能源利用系统100包括电解单元110、二氧化碳收集单元120、甲醇合成单元130、内燃机发电机组140、甲醇重整反应单元150。

根据本公开的实施例，甲醇合成单元130与电解单元110、二氧化碳收集单元120连接。内燃机发电机组140与甲醇合成单元130、电解单元110、二氧化碳收集单元120连接。甲醇重整反应单元150与内燃机发电机组140和甲醇合成单元130连接。

根据本公开的实施例，不稳定的可再生能源可以先电解单元110，将水进行电解处理，得到氢气和氧气。由于可再生能源被利用过程中会释放二氧化碳气体，可以利用二氧化碳收集单元120将被释放的二氧化碳收集起来。

根据本公开的实施例，利用甲醇合成单元130将电解单元110产生的氢气和二氧化碳收集单元120收集到的二氧化碳气体合成甲醇，作为化学储能。甲醇可以在内燃机发电机组140中进行燃烧，同时内燃机发电机组140中通入电解单元110产生的氧气，以实现甲醇在内燃机发电机组140中的无氮燃烧，产生的尾气中不含有氮氧化合物。

根据本公开的实施例，内燃机发电机组110中甲醇燃烧产生的尾气可以输入甲醇重整反应单元150。同时，甲醇重整反应单元150与甲醇合成单元130连接，利用尾气的余热催化甲醇发生重整反应，得到合成气。合成气可以包括一氧化碳和氢气。并将合成气输入内燃机发电机组110中，作为内燃机发电机组的燃料，与甲醇、氧气再进行无氮燃烧，产生电能，以供第一负载端使用。其中，第一负载端可以是第一负载端150端。

根据本公开的实施例，利用不稳定的可再生能源在电解单元中将水进行电解，得到氢气和氧气，并通过二氧化碳收集单元回收可再生能源利用系统中释放的二氧化碳气体，利用甲醇合成单元将氢气和二氧化碳气体转化为甲醇进行化学储能。实现了利用甲醇燃料实现能量跨季度存储，并可以输送至其他能源系统利用，实现柔性储能配置。利用内燃机发电机组燃烧甲醇，产生的尾气进入甲醇重整反应单元，实现了尾气的综合利用，燃烧产生的二氧化碳再通过二氧化碳收集单元收集起来，输入甲醇合成单元，实现了二氧化碳的循环利用，达到系统零碳排放、可再生能源高效利用的技术效果。

图2示意性示出了根据本公开另一些实施例的可再生能源循环利用的系统的示例性架构图。

如图2所示，电解单元110可以包括电解装置1101、驱动装置1102、氢气分离器1103、氧气分离器1104。电解单元110还可以包括水储罐1105、氢气储罐1106和氧气储罐1107。二氧化碳收集单元120可以包括二氧化碳捕集器1201、二氧化碳储罐1202和二氧化碳分离器1203。甲醇合成单元130可以包括甲醇合成塔1301、甲醇分离器1302。甲醇合成单元130还可以包括甲醇储罐1303。内燃机发电机组140可以包括甲醇输送装置1401、内燃机气缸1402、进气管1403和出气管1404。

根据本公开的实施例，上述系统还可以包括余热回收单元160和水蒸气回收单元180。

根据本公开的实施例，水储罐1105与驱动装置1102连接，驱动装置1102与电解装置1101连接。水储罐1105中可以存储用于电解的纯水。驱动装置1102可以是泵。电解装置1101可以采用质子交换膜电解槽。

根据本公开的实施例，电解装置1101分别与氢气分离器1103、氧气分离器1104连接。电解装置1101利用不稳定的可再生能源将水进行电解处理，阴极产生的氢气混合气输入氢气分离器1103中，阳极产生的氧气混合气输入氧气分离器1104中。

根据本公开的实施例，氢气混合气和氧气混合气中的杂质气体主要是水蒸气。氢气分离器1103将氢气混合气中的水蒸气分离并除湿后得到氢气和被分离出来的水蒸气。氢气输入氢气储罐1106，被分离出来的水蒸气输入水蒸气收集单元180，由水蒸气收集单元180将水蒸气处理之后输入水储罐1105，以便实现水循环。

根据本公开的实施例，氧气分离器1104将氧气混合气中的水蒸气分离并除湿后得到氧气和被分离处理的水蒸气。氧气输入氧气储罐1104，被分离出来的水蒸气输入水蒸气收集单元180，由水蒸气收集单元180将水蒸气处理之后输入水储罐1105，以便实现水循环。

根据本公开的实施例，氢气储罐1106、二氧化碳储罐1202分别与甲醇合成塔1301连接，向甲醇合成塔输送氢气和二氧化碳气体。甲醇合成塔1301利用氢气和二氧化碳气体合成甲醇混合气，甲醇混合气经过甲醇分离器1302分离得到甲醇，可以存储在甲醇储罐1303中。甲醇分离器1302分离得到甲醇还可以与甲醇输送装置1401连接，作为内燃机发电机组140的燃料。甲醇储罐1303还可以与甲醇重整反应单元150连接，进行甲醇的重整反应，以得到合成气。合成气可以包括氢气和一氧化碳。

根据本公开的实施例，在内燃机发电机组140中，甲醇输送装置1401将甲醇输送至内燃机气缸1402。利用进气管1403将氧气储罐1107中的氧气向内燃机气缸1402中输送，以实现甲醇在内燃机气缸1402中的无氮燃烧。燃烧得到的尾气中可以包括水蒸汽和二氧化碳气体。尾气中的水蒸汽和二氧化碳气体的混合气体可以经过二氧化碳分离器1203分离得到水蒸气和二氧化碳气体，二氧化碳气体储存在二氧化碳储罐1202中，水蒸气可以由水蒸气收集单元180回收。

根据本公开的实施例，二氧化碳储罐1202与二氧化碳分离器1203之间设置第一阀门，第一阀门可以是三相阀门。

根据本公开的实施例，尾气的余热可以用于催化甲醇重整反应单元150中的甲醇，得到合成气。并将合成气输入内燃机气缸1402中，与甲醇进行燃烧，得到水蒸气和二氧化碳气体。

根据本公开的实施例，内燃机发电机组140中甲醇以及合成气的无氮燃烧产生的电能，供第一负载端150使用。

根据本公开的实施例，尾气的余热被甲醇重整反应单元150利用完成之后，可以利用余热回收单元160进行回收，以供第二负载段170梯度使用。

需要说明的是，图2中的点划线箭头表示系统中的水循环过程，实线箭头表示系统中的碳循环过程。第一负载端150在使用电能的过程中，释放在空气中的二氧化碳气体也可以由二氧化碳捕集器1201回收利用，以实现整个系统中二氧化碳的零排放。

根据本公开的实施例，在该系统中，由于甲醇进行的是无氮燃烧，燃烧产物仅有水蒸气和二氧化碳。内燃机发电机组废气的余热对甲醇进行催化重整，尾气余热的利用结束以后，水蒸气和二氧化碳更容易分离，无需再增加新的能耗，且分离得到的二氧化碳和水蒸气均能够重新参数系统循环，从而实现了整个系统的二氧化碳零排放、氮氧化物零排放，以及能源的高效利用。

图3示意性示出了根据本公开实施例的余热回收单元的示例性架构图。

如图3所示，该实施例余热回收单元160可以是余热补燃型冷热机组。余热回收单元160可以包括高压发生器1601、换热器1602、低压发生器1603、冷凝器16041、冷却塔16042、蒸发器1605、高温溶液热交换器1606、低温溶液热交换器1607、冷剂泵16081、溶液泵16082、热水泵16083、吸收器1609。

根据本公开的实施例，余热回收单元160可以采用双效设计，首先高压发生器1601吸收尾气二氧化碳分离器1203剩余尾气中的高温余热，余热不足时由氧气储罐1107和甲醇储罐1303为高压发生器1601提供燃料进行补燃。

根据本公开的实施例，补燃过程采用无氮燃烧的方式进行，燃烧产物为水蒸汽和二氧化碳气体。碳循环过程由余热回收单元160经二氧化碳储罐1202至甲醇合成塔1301合成甲醇，甲醇再次参与余热回收单元160补燃过程，以实现零碳排放。

根据本公开的实施例，供热过程由高压发生器1601为换热器1602提供循环工质，热水泵16083为热水提供动能，热水换热器1602满足热负载1701负荷需求。

根据本公开的实施例，供冷过程工质从高压发生器1602吸收热量，溶液泵16082为溶液提供动能将溶液输送至低压发生器1603，在此过程的中间管道通过高温溶液热交换器1606为高压发生器1601入口溶液提供预热。低压发生器1603将溶液输送至吸收器1609，在此过程的中间管道通过低温溶液热交换器1607为高温溶液热交换器1606入口溶液提供预热，溶液进入吸收器1609由冷却塔16042提供冷却水进行冷却。高压发生器1601和低压发生器1603内蒸汽冷剂均进入冷凝器16041由冷却塔16042提供冷却水进行冷凝，冷剂由冷剂泵16081提供动能，在蒸发器1605内蒸发吸热为冷负载1702提供冷负荷，冷剂蒸发后被吸收器1609内低温浓溶液吸收，并输送至高压发生器1601再次进行制冷循环。

需要说明的是，图3中点划线箭头表示氧气输入；虚线箭头表示工质的循环；实线箭头表示碳循环。

下面结合图2和图3对本公开实施例提供的可再生能源循环利用系统的能源利用情况进行进一步说明。

根据本公开的实施例，可再生能源可以来源于风能和/或太阳能。风力发电机、太阳能电池板可以将风能、太阳能转化为电能，通过电网以供第一负载端150使用。本公开实施例中的可再生能源可以是在电网上的电能盈余的情况下，将剩余的可再生能源进行循环利用。也可以是不稳定的、不能满足电网需求的可再生能源的循环利用。

根据本公开的实施例，风力发电机输出的是交流电，太阳能电池板输出的是直流电，可以通过换流变电器后进行分流。可以稳定上网的电能向电网送电以满足第一负载端150。可以在该系统中增设电化学储能电池作为辅助的储能装置蓄电备用，不能上网电能由换流变电器为电解装置1101提供直流电，满足电解制氢、制氧负荷需求。同时，换流变电器可以为甲醇合成塔1301反应过程提供电、热负荷。其次，电化学储能电池作为系统调峰和电源备用，可以调节换流变电器电流、电压，维持电解装置1101和甲醇合成塔1301的功率稳定。

根据本公开的实施例，风力发电机和太阳能电池板可以为整个系统输入电能，是该能源系统一次能源的来源，电化学储能电池作为辅助的电化学蓄电备用，可以实现上网的电力通过电网输送至第一负载端150；剩余电力采用直流供电，由电解装置1101产生的氢气与二氧化碳储罐1202内的二氧化碳通过甲醇合成塔1301合成甲醇，甲醇存储在甲醇储罐1303；当系统需要调峰调频电源或风光电力不足时段，内燃机发电机组140耦合余热回收单元160满足第一负载端150、热负载1701、冷负载1702的需求。内燃机发电机组140可以多台机组并联，为系统对电能需求提供灵活的调整手段。内燃机发电机组140实现无氮燃烧，即将电解水产生的氧气和甲醇及甲醇重整产生的合成气引入到内燃机，并从二氧化碳储罐1202引入部分二氧化碳气体。综合能源系统有效提高了风电、光伏的消纳能力，并且实现了系统运行过程零碳、零氮氧化物排放，系统对外输出绿色电力和冷、热能，实现零碳排放。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于无氮燃烧和二氧化碳循环的可再生能源利用系统，包括：

电解单元，用于利用可再生能源将水进行电解处理，得到氢气和氧气；

二氧化碳收集单元，用于收集所述可再生能源被利用过程中释放的二氧化碳气体；

甲醇合成单元，所述甲醇合成单元与所述电解单元和所述二氧化碳收集单元连接，用于利用所述氢气和所述二氧化碳气体合成甲醇；

内燃机发电机组，所述内燃机发电机组与所述甲醇合成单元、所述电解单元和所述二氧化碳收集单元连接，用于将所述甲醇和所述氧气进行燃烧，向第一负载端提供电能并排出尾气；

甲醇重整反应单元，所述甲醇重整反应单元与所述内燃机发电机组和所述甲醇合成单元连接，用于利用所述尾气余热催化所述甲醇发生重整反应，得到合成气，并将所述合成气输入所述内燃机发电机组，作为所述内燃机发电机组的燃料。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述甲醇合成单元包括：

甲醇合成塔，用于利用所述氢气和所述二氧化碳气体进行反应得到甲醇混合气；

甲醇分离器，所述甲醇合成塔与所述甲醇分离器连接，用于分离所述甲醇混合气，得到所述甲醇。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电解单元包括：

电解装置，所述电解装置与所述供电系统连接，用于将所述水进行电解处理，得到氢气混合气和氧气混合气；

驱动装置，所述驱动装置与所述电解装置和水储罐连接，用于向所述电解装置中输送所述水；

氢气分离器，所述氢气分离器与所述电解装置连接，用于将所述氢气混合气进行除湿处理，得到所述氢气；

氧气分离器，所述氧气分离器与所述电解装置连接，用于将所述氧气混合气进行除湿处理，得到所述氧气。

4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述电解装置包括质子交换膜。

5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述内燃机发电机组包括：

内燃机气缸，用于将所述甲醇和所述氧气进行无氮燃烧；

甲醇输送装置，所述甲醇输送装置的第一端连接所述甲醇合成单元，所述甲醇输送装置的第二端连接所述内燃机气缸，用于向所述内燃机气缸输送所述甲醇；

进气管，所述进气管的第一端连接所述电解单元，所述进气管的第二端连接所述内燃机气缸，用于向所述内燃机气缸输送所述氧气；所述进气管的第三端连接所述甲醇重整单元，用于向所述内燃机气缸输送所述合成气；

出气管，所述出气管的第一端连接所述内燃机气缸，所述出气管的第二端连接所述甲醇重整单元，用于向所述甲醇重整单元输送所述尾气。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述二氧化碳收集单元包括：

二氧化碳分离器，所述二氧化碳分离器的第一端与所述内燃机发电机组连接，用于分离所述尾气中的二氧化碳气体；

二氧化碳捕集器，所述二氧化碳捕集器与所述二氧化碳储罐连接，用于收集所述可再生能源被利用过程中释放在空气中的二氧化碳气体；

二氧化碳储罐，所述二氧化碳储罐分别与所述二氧化碳分离器和所述二氧化碳捕集器连接，用于存储所述尾气中的二氧化碳气体和所述空气中的二氧化碳气体。

7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述二氧化碳储罐与所述二氧化碳分离器之间设置第一阀门。

8.根据权利要求1所述的系统，还包括：

余热回收单元，所述余热回收单元与所述内燃机发电机组连接，用于回收所述尾气中的余热，以向第二负载端提供能量。

9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述余热回收单元与所述二氧化碳收集单元连接，用于在所述尾气的余热被回收之后，收集所述尾气中的二氧化碳气体；

所述余热回收单元与所述甲醇合成单元、所述电解单元连接，用于在所述余热不能满足所述负载端的能量需求的情况下，利用所述甲醇和所述氧气进行无氮燃烧，以满足所述负载端的能量需求。

10.根据权利要求8所述的系统，还包括：

水蒸气收集单元，所述水蒸汽收集单元与所述甲醇合成单元、所述二氧化碳收集单元、所述余热回收单元连接，用于收集甲醇燃料被利用过程中产生的水蒸气。

Images