CN116418026A - 一种新能源驱动的醇-煤可再生燃烧循环系统 - Google Patents

一种新能源驱动的醇-煤可再生燃烧循环系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种新能源驱动的醇‑煤可再生燃烧循环系统，涉及能源循环利用技术领域。该系统包括至少包括燃煤汽轮机发电单元的碳基联合火力发电模块、新能源发电模块、电力传输模块、烟气处理模块、二氧化碳处理模块和液体燃料制备模块。本系统可有效循环利用煤炭能源和新能源；通过联合火电与新能源配比保证稳定电力，安全性高；利用新能源以及联合火电排放的二氧化碳为原料通过水电解进行醇类液体燃料制备，大大降低碳排放；由于可以通过碳基联合火力发电模块方便地燃烧掉液体燃料(如甲醇)生产的副产物用于发电，大大降低了对选择性的要求，从而大幅降低液体燃料的生产成本。

Description

一种新能源驱动的醇-煤可再生燃烧循环系统
技术领域
本发明涉及能源循环利用技术领域，特别是一种新能源驱动的醇-煤可再生燃烧循环系统。
背景技术
我国目前的主力能源是化石燃料，即煤炭和石油，其中煤炭重点解决了电力需求，而石油重点解决了交通能源需求。在碳中和背景下，我国面临主力能源转型，以满足安全、经济和环保的要求。
目前，以风力发电和光伏发电为主的新能源供应已经实现大规模化，新能源发电量已经与我国电力需求处于同一数量级。但是，新能源本身却无法作为主力能源来使用，主要由于以下两点：(1)新能源随气候变化的波动问题较大；(2)我国无论是化石能源还是风、光新能源，均在西、北地区丰富，而在东、南地区贫瘠，与经济活动分布方向正好相反，需要能源的远距离输送，但巨量的不稳定的新能源电力的远距离输送十分困难。
为此，目前已发展了针对新能源电力进行储能的方案，主要包括氢能储能和电池储能方案。然而，由于氢气易逃逸，容易与钢材发生反应，且爆炸范围宽，因而不具备主力能源要求的储运和使用安全性；同时，氢气需要加压液化储运，而由于氢气难以加压液化，此压缩过程需耗费巨大电能，使得综合能效低下，从而使得氢能储能方案在安全和经济两方面均存在缺陷。由于电池在扰动下易失稳且失稳后内生反应不可抑制导致消防控制难度极大，电池生产和再利用环节均涉及大量污染且回收利用困难，电池生产涉及储能材料的大量消耗从而导致成本越来越高等原因，电池储能方案在安全、环保和经济三方面均存在内生重大缺陷。
因此，亟需一种在碳中和背景下的新型主力能源方案。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的新能源驱动的醇-煤可再生燃烧循环系统。
本发明的一个目的在于提供一种可有效综合利用煤炭能源和新能源、安全性高、大大降低碳排放且大幅降低液体燃料生产成本的新能源驱动的醇-煤可再生燃烧循环系统。
本发明的一个进一步的目的在于降低碳捕集成本。
本发明的另一个进一步的目的在于进一步提高火电发电效率，同时节约碳捕集的投资和运行成本。
特别地，根据本发明实施例的一方面，提供了一种新能源驱动的醇-煤可再生燃烧循环系统，包括：
碳基联合火力发电模块，至少包括燃煤汽轮机发电单元；
新能源发电模块；
电力传输模块，分别与所述碳基联合火力发电模块和所述新能源发电模块连接，配置为接收所述碳基联合火力发电模块产生的全部电力作为第一电力和所述新能源发电模块产生的至少一部分电力作为第二电力，以将所述第一电力和所述第二电力按照预设比例合并后作为稳定电力传输向负载；
烟气处理模块，与所述碳基联合火力发电模块连接，配置为对所述碳基联合火力发电模块排出的含二氧化碳的烟气进行净化处理；
二氧化碳处理模块，其气体输入端与所述烟气处理模块的气体输出端连接，配置为净化后的烟气进行处理得到符合目标需求的二氧化碳，并将至少部分所述二氧化碳提供给液体燃料制备模块；以及
所述液体燃料制备模块，分别与所述新能源发电模块、所述二氧化碳处理模块和所述碳基联合火力发电模块连接，配置为接收所述新能源发电模块产生的剩余电力，在所述剩余电力的驱动下利用所供给的二氧化碳通过水电解制备醇类液体燃料，并将产生的液体燃料的至少一部分和可燃副产物作为燃料返回所述碳基联合火力发电模块中的可通过燃料燃烧产生发电工质的发电单元中的至少一者。
可选地，所述新能源发电模块包括风力发电单元和/或光伏发电单元。
可选地，所述碳基联合火力发电模块还包括燃气轮机发电单元；并且
所述液体燃料制备模块与所述碳基联合火力发电模块中的所述燃气轮机发电单元连接，以将产生的液体燃料的至少一部分和可燃副产物作为燃料返回所述燃气轮机发电单元。
可选地，所述二氧化碳处理模块包括碳捕集模块，所述碳捕集模块包括：
顺序连接的吸收塔和解吸塔，分别与所述烟气处理模块和所述液体燃料制备模块连接，且分别配置为通过吸收剂吸收所述净化后的烟气中的二氧化碳，以及在热能作用下进行解吸以释放所述吸收剂所吸收的二氧化碳。
可选地，所述碳捕集模块还包括：
压缩单元，分别与所述解吸塔和所述液体燃料制备模块连接；
其中，所述解吸塔还被配置为根据所述液体燃料制备模块的二氧化碳需求将所释放的二氧化碳分别输送至所述液体燃料制备模块和所述压缩单元；并且
所述压缩单元配置为对所输送至的二氧化碳进行气态压缩以用于进行二氧化碳存储，还配置为在所述解吸塔释放的二氧化碳不满足所述液体燃料制备模块的二氧化碳需求时向所述液体燃料制备模块输送所需的二氧化碳；
所述二氧化碳处理模块还包括：
二氧化碳存储装置，与所述压缩单元连接，配置为存储经压缩后的二氧化碳以实现压缩气体储能。
可选地，所述新能源驱动的醇-煤可再生燃烧循环系统还包括：
废热再用模块，分别与所述液体燃料制备模块和所述解吸塔连接，配置为收集并存储液体燃料制备过程中产生的废热，并将所述废热输送至所述解吸塔以提供用于二氧化碳解吸的热量。
可选地，所述二氧化碳处理模块还包括存储单元，配置为存储吸收有二氧化碳的所述吸收剂。
可选地，所述液体燃料为甲醇；
所述液体燃料制备模块包括：
电解制氢单元，与所述新能源发电模块连接，且配置为在所述剩余电力的驱动下进行水电解以制得氢气；以及
甲醇合成单元，分别与所述二氧化碳处理模块、所述电解制氢单元和所述碳基联合火力发电模块连接，且配置为利用所述电解制氢单元制得的氢气和所述二氧化碳处理模块提供的二氧化碳制备甲醇；
或者，
所述液体燃料制备模块包括：
电解合成单元，分别与新能源发电模块、所述二氧化碳处理模块和所述碳基联合火力发电模块连接，且配置为在所述剩余电力的驱动和二氧化碳的辅助下同时进行水电解和甲醇合成反应。
可选地，所述新能源驱动的醇-煤可再生燃烧循环系统还包括：
富氧燃烧供应管路，其连接所述碳基联合火力发电模块和所述电解制氢单元或所述电解合成单元，配置为将所述电解制氢单元或所述电解合成单元在水电解过程中产生的氧气输送至所述碳基联合火力发电模块中的可通过燃料燃烧产生发电工质的发电单元进行富氧燃烧。
可选地，所述可燃副产物包括液态和气态可燃副产物；
所述新能源驱动的醇-煤可再生燃烧循环系统还包括：
副产物存储和输送模块，分别连接所述碳基联合火力发电模块和所述液体燃料制备模块，配置为存储所述液体燃料制备中产生的可燃副产物，并将所述可燃副产物输送给所述碳基联合火力发电模块中的可通过燃料燃烧产生发电工质的发电单元中的至少一者；以及
热分解模块，连接在所述碳基联合火力发电模块和所述副产物存储和输送模块之间，配置为在将所述液体燃料的至少一部分和所述可燃副产物返回至所述碳基联合火力发电模块中的可通过燃料燃烧产生发电工质的发电单元中的至少一者之前对它们进行热分解。
本发明提供的新能源驱动的醇-煤可再生燃烧循环系统中，将至少包括燃煤汽轮机发电单元的碳基联合火力发电模块产生的电力与新能源电力按照一定比例配比后作为稳定电力输出，同时利用富余的新能源电力以及碳基联合火力发电模块发电过程中产生的二氧化碳进行水电解制备甲醇等醇类液体燃料，并将制得的液体燃料的至少一部分和可燃副产物返回碳基联合火力发电模块用于发电以稳定电网，从而实现醇-煤可再生燃烧循环。本系统可有效循环利用煤炭能源和新能源；通过联合火电与新能源配比保证稳定电力，安全性高；最大限度地利用了联合火电排放的二氧化碳为原料进行液体燃料制备，大大降低碳排放；由于可以通过碳基联合火力发电模块方便地燃烧掉液体燃料(如甲醇)生产的副产物用于发电，大大降低了对选择性的要求，从而大幅降低液体燃料的生产成本。
进一步地，本发明的新能源驱动的醇-煤可再生燃烧循环系统中，通过吸收/解吸环节对联合火电的碳排放进行碳捕集，并将液体燃料制备过程中的废热回收用于碳捕集的解吸环节，降低了碳捕集成本，从而提高整体能效。
进一步地，本发明的新能源驱动的醇-煤可再生燃烧循环系统中，通过将液体燃料制备产生的大量氧气供应给碳基联合火力发电模块用于富氧燃烧，可以进一步提高火电发电效率，同时得到富含二氧化碳的烟气，从而大大节约碳捕集的投资和运行成本。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1示出了根据本发明一实施例的新能源驱动的醇-煤可再生燃烧循环系统的结构示意图；
图2示出了根据本发明另一实施例的新能源驱动的醇-煤可再生燃烧循环系统的结构示意图；
图3示出了根据本发明又一实施例的新能源驱动的醇-煤可再生燃烧循环系统的结构示意图；
图4示出了根据本发明又一实施例的新能源驱动的醇-煤可再生燃烧循环系统的结构示意图；
图5示出了根据本发明又一实施例的新能源驱动的醇-煤可再生燃烧循环系统的结构示意图；
图6示出了根据本发明又一实施例的新能源驱动的醇-煤可再生燃烧循环系统的结构示意图；
图7示出了根据本发明又一实施例的新能源驱动的醇-煤可再生燃烧循环系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
为解决上述技术问题，本发明提出了一种新能源驱动的醇-煤可再生燃烧循环系统，下面结合附图进行详细描述。需要说明的是，附图中的实线箭头表示相应的电力、物质或热量流向。
图1示出了根据本发明一实施例的新能源驱动的醇-煤可再生燃烧循环系统100的结构示意图。参见图1所示，新能源驱动的醇-煤可再生燃烧循环系统100一般性地可以包括碳基联合火力发电模块110、新能源发电模块120、电力传输模块130、烟气处理模块190、二氧化碳处理模块140和液体燃料制备模块150。
碳基联合火力发电模块110可为联合火电厂的形式，其至少包括燃煤汽轮机发电单元112。燃煤汽轮机发电单元112以当前的主力能源之一的煤炭为燃料，通常可以包括以煤炭为燃料的锅炉、汽轮机和发电机，其运行原理应为本领域技术人员所熟知，不再具体介绍。煤炭为我国当前的主力能源，且燃煤汽轮机发电技术已非常成熟。
新能源发电模块120可指在新技术基础上利用可再生能源进行发电的模块，例如利用太阳能、风能、地热能、海洋能等。在一个具体的实施例中，新能源发电模块120可包括利用风能进行发电的风力发电单元和/或利用太阳能进行发电的光伏发电单元。
电力传输模块130分别与碳基联合火力发电模块110和新能源发电模块120连接。具体地，碳基联合火力发电模块110的总电力输出端均与电力传输模块130的电力输入端连接，使得电力传输模块130可接收碳基联合火力发电模块110产生的全部电力作为第一电力。同时，新能源发电模块120的一电力输出端也与电力传输模块130的电力输入端连接，使得电力传输模块130可接收新能源发电模块120产生的至少一部分电力作为第二电力。电力传输模块130将第一电力和第二电力按照预设比例合并后作为稳定电力传输向负载。预设比例可以根据实际应用需求进行设定，例如可以设定为1:2至2:1范围内的任意值，如1:2、2:3、1:1、3:2、2:1等。优选地，预设比例可以设定为1:1，在此比例下，可在利用新能源电力和保持配比后的电力的稳定性之间达到优化平衡。电力传输模块130可以包括“风光火捆”电力传输线路以及必要的电网设备，如并网装置、变压器、配电柜等，此应为本领域习知的技术，此处不做具体说明。
烟气处理模块190与碳基联合火力发电模块110连接。具体地，烟气处理模块190的气体输入端与碳基联合火力发电模块110的气体输出端连接。烟气处理模块190配置为对碳基联合火力发电模块110排出的含二氧化碳的烟气进行净化处理。此处的净化处理可包括对火电排放的烟气的必要处理，包括但不限于脱硫、脱硝、除尘等。
二氧化碳处理模块140与烟气处理模块190连接。具体地，烟气处理模块190的气体输出端与二氧化碳处理模块140的气体输入端连接。二氧化碳处理模块140对碳基联合火力发电模块110排出的经净化后的含二氧化碳的烟气进行处理得到符合目标需求的二氧化碳，并将至少部分二氧化碳提供给液体燃料制备模块150。根据碳基联合火力发电模块110的排气中二氧化碳的浓度高低，二氧化碳处理模块140可以采用碳捕集环节或其他环节，此将在后文进行介绍。
液体燃料制备模块150分别与新能源发电模块120、二氧化碳处理模块140和碳基联合火力发电模块110连接。具体地，液体燃料制备模块150的电力输入端与新能源发电模块120的另一电力输出端连接，气体输入端与二氧化碳处理模块140的气体输出端连接，产物输出端则与碳基联合火力发电模块110中的可通过燃料燃烧产生发电工质的发电单元中的至少一者的燃料输入端连接。液体燃料制备模块150接收新能源发电模块120产生的剩余电力，在剩余电力的驱动下利用所供给的二氧化碳通过水电解制备液体燃料，并将产生的液体燃料的至少一部分和可燃副产物作为燃料返回碳基联合火力发电模块110中的可通过燃料燃烧产生发电工质的发电单元中的至少一者。剩余的液体燃料则作为产品输出存储，或可通过管道输送至目标用户。
本文提及的发电工质指可推动涡轮将化学能转化为机械能从而驱动发电机进行发电的流体工质，如蒸气、高温高压气体(如二氧化碳)等。该可通过燃料燃烧产生发电工质的发电单元中所燃烧的燃料可以是当前的主力能源，如煤炭、石油、天然气，也可以是新型能源，如生物质等。例如，在一些具体的实施例中，燃煤汽轮机发电单元112即可以作为该可通过燃料燃烧产生发电工质的发电单元，这种情况下，液体燃料的至少一部分和可燃副产物作为燃料返回至燃煤汽轮机发电单元112。当然，在另一些实施例中，碳基联合火力发电模块110还可以包括其他可通过燃料燃烧产生发电工质的发电单元，如生物质燃烧锅炉-汽轮机发电单元、天然气锅炉-汽轮机发电单元、燃气轮机发电单元等。在这种情况下，液体燃料的至少一部分和可燃副产物可返回至燃煤汽轮机发电单元112和其他可通过燃料燃烧产生发电工质的发电单元中的至少一者，液体燃料和可燃副产物所返回至的发电单元的数量和在各发电单元间的分配比例都可以按照实际应用需求进行设置，本发明对此并不做具体限制。
液体燃料可以是醇类液体燃料，例如甲醇等。在一个具体的实施例中，制得的液体燃料可为甲醇，其可作为汽油、柴油的替代品。可燃副产物可包括可燃气态副产物和可燃液态副产物，如氢气、一氧化碳、甲烷、甲醛、甲酸等。在这种情况下，新能源驱动的醇-煤可再生燃烧循环系统可以简称为新能源驱动的MCRCC(Methanol-Coal Renewable CombustionCycle)系统。
本发明实施例提供的新能源驱动的醇-煤可再生燃烧循环系统中，将至少包括燃煤汽轮机发电单元112的碳基联合火力发电模块110产生的电力与新能源电力按照一定比例配比后作为稳定电力输出，同时利用富余的新能源电力以及碳基联合火力发电模块110发电过程中产生的二氧化碳进行水电解制备甲醇等醇类液体燃料，并将制得的液体燃料的至少一部分和可燃副产物返回碳基联合火力发电模块110用于发电以稳定电网，从而实现醇-煤可再生燃烧循环。本系统可有效循环利用煤炭能源和新能源；通过联合火电与新能源配比保证稳定电力，安全性高；最大限度地利用了联合火电排放的二氧化碳为原料进行液体燃料制备，大大降低碳排放。
另外，本领域技术人员应可认识到，通常醇类液体燃料(如甲醇)生产的成本随选择性要求的提高而大幅提高，而在本系统中，由于可以通过碳基联合火力发电模块110中的可通过燃料燃烧产生发电工质的发电单元方便地燃烧掉醇类液体燃料(如甲醇)生产的副产物用于发电，大大降低了对选择性的要求，即，不需要高选择性，从而大幅降低醇类液体燃料的生产成本，同时，系统的整体能量效率也大幅提高。换言之，采用本发明的新能源驱动的醇-煤可再生燃烧循环系统100，可以降低醇类液体燃料(如甲醇)合成的选择性要求，允许副产物的产生，允许低的二氧化碳转化率，甚至可以允许不做严格的气体分离，而是通过控制流速、控制容器大小、管道大小、导热率、添加阻燃器等方式使得液体燃料和可燃副产物可以安全返回碳基联合火力发电模块110进行直接燃烧。
图2示出了根据本发明另一实施例的新能源驱动的醇-煤可再生燃烧循环系统100的结构示意图。
参见图2所示，在一些实施例中，碳基联合火力发电模块110还可以包括燃气轮机发电单元111。液体燃料制备模块150与燃气轮机发电单元111连接，以将产生的液体燃料的至少一部分和可燃副产物作为燃料返回燃气轮机发电单元111，从而进一步提高整个系统的发电效率。
图3示出了根据本发明又一实施例的新能源驱动的醇-煤可再生燃烧循环系统100的结构示意图。
参见图3所示，在一些实施例中，为便于液体燃料制备的副产物的回收利用，新能源驱动的醇-煤可再生燃烧循环系统100还可以包括副产物存储和输送模块191。副产物存储和输送模块191分别连接碳基联合火力发电模块110(具体可为碳基联合火力发电模块110中的可通过燃料燃烧产生发电工质的发电单元中的至少一者，如燃气轮机发电单元111)和液体燃料制备模块150，配置为存储液体燃料制备中产生的液态和气态可燃副产物，并将液态和气态可燃副产物输送给碳基联合火力发电模块110中的可通过燃料燃烧产生发电工质的发电单元中的至少一者，以用于发电或辅助发电。
图4至图7分别示出了根据本发明又一实施例的新能源驱动的醇-煤可再生燃烧循环系统100的结构示意图。
参见图4至图7所示，在一些实施例中，二氧化碳处理模块140可以包括碳捕集模块141，通过碳捕集环节收集联合火电的排气中的二氧化碳。
具体地，碳捕集模块141可以包括顺序连接的吸收塔1411a和解吸塔1411b，它们分别与烟气处理模块190和液体燃料制备模块150连接，且分别配置为通过吸收剂吸收净化后的烟气中的二氧化碳，以及在热能作用下进行解吸以释放吸收剂所吸收的二氧化碳。所释放的二氧化碳将根据需要被输送至液体燃料制备模块150。吸收剂例如可以是醇胺、氢氧化钙、钠石灰、碳酸钠、碳酸钾等。在实际应用中，利用吸收剂的溶液与烟气接触以进行二氧化碳吸收。
进一步地，碳捕集模块141还可以包括压缩单元1412，其分别与解吸塔1411b和液体燃料制备模块150连接。解吸塔1411b还被配置为根据液体燃料制备模块150的二氧化碳需求将所释放的二氧化碳分别输送至液体燃料制备模块150和压缩单元1412。压缩单元1412配置为对所输送至的二氧化碳进行气态压缩以用于进行二氧化碳存储，还配置为在解吸塔1411b释放的二氧化碳不满足液体燃料制备模块150的二氧化碳需求时向液体燃料制备模块150输送所需的二氧化碳。
在一个进一步的实施例中，二氧化碳处理模块140还可以包括二氧化碳存储装置(图中未示出)。二氧化碳存储装置与压缩单元1412连接，配置为存储经压缩后的二氧化碳以实现压缩气体储能。也就是说，二氧化碳存储装置同时作为压缩气体储能装置，其所存储的被压缩的二氧化碳在解压缩释放后做的功可以回收用于进行发电。
在本实施例的方案中，由于无需将二氧化碳液化，且只需对二氧化碳进行气态压缩和存储，在实现以二氧化碳的方便储存替代部分能源(如电和氢)存储的同时，省略了二氧化碳液化所需的大量电力，从而降低了碳捕集的成本。二氧化碳压缩时所需的电力也可以来自于新能源发电模块120。
在一些实施例中，二氧化碳处理模块140还可以包括存储单元143。存储单元143可与吸收塔1411a连接，配置为存储吸收有二氧化碳的吸收剂，例如吸收剂与二氧化碳形成的盐，如钠盐、钙盐等。通过吸收剂存储的方式，同样能够以二氧化碳的方便储存替代部分能源的存储。
继续参见图4至图7，在一些优选的实施例中，新能源驱动的醇-煤可再生燃烧循环系统100还可以包括废热再用模块160，其分别与液体燃料制备模块150和解吸塔1411b连接(具体可为热连接)，配置为收集并存储液体燃料制备过程中产生的废热，并将该废热输送至解吸塔1411b以提供用于二氧化碳解吸的热量。废热再用模块160可采用现有的废热回收技术，如相变储热材料等。
本实施例通过吸收/解吸环节对联合火电的碳排放进行碳捕集，并将液体燃料制备过程中的废热回收用于碳捕集的解吸环节，解决了碳捕集所需的巨大能耗，使得火电出力不受影响，降低了碳捕集成本，从而提高整体能效。据试验，碳捕集成本可以降至50元/吨以下。
继续参见图4和图6，在一些实施例中，所制备的液体燃料为甲醇。液体燃料制备模块150可以包括电解制氢单元151和甲醇合成单元152。电解制氢单元151与新能源发电模块120连接，具体地，电解制氢单元151的电力输入端与新能源发电模块120的另一电力输出端连接，以接收新能源发电模块120输出的剩余电力。电解制氢单元151在该剩余电力的驱动下进行水电解以制得氢气，同时还会产生氧气。甲醇合成单元152分别与二氧化碳处理模块140、电解制氢单元151和碳基联合火力发电模块(具体可为碳基联合火力发电模块110中的可通过燃料燃烧产生发电工质的发电单元中的至少一者，如燃气轮机发电单元111)连接，具体地，甲醇合成单元152的气体输入端分别与二氧化碳处理模块140的气体输出端和电解制氢单元151的氢气输出端连接，产物输出端则与碳基联合火力发电模块110中的可通过燃料燃烧产生发电工质的发电单元的燃料输入端连接。优选地，甲醇合成单元152的产物输出端与碳基联合火力发电模块110中的燃气轮机发电单元111的燃气输入端连接。甲醇合成单元152配置为利用电解制氢单元151制得的氢气和二氧化碳处理模块140提供的二氧化碳制备甲醇。
在实际应用中，电解制氢单元151在水电解过程中将产生约100℃的废热，而甲醇合成单元152将在合成过程中产生约200-400℃的废热。前述的废热再用模块160可分别与电解制氢单元151和甲醇合成单元152热连接，从而收集并存储它们产生的废热，其回收用于碳捕集环节中的二氧化碳解吸。
在另一些实施例中，参见图5和图7所示，液体燃料制备模块150可以包括电解合成单元153，其将水电解和液体燃料(如甲醇)合成集成在一个整体的反应器中同时进行。在这种情况下，电解合成单元153的电力输入端与新能源发电模块120的另一电力输出端连接，以接收水电解所需的电力。二氧化碳处理模块140的气体输出端与电解合成单元153的气体输入端连接。二氧化碳作为工质和合成原料进入电解合成单元153，以辅助水电解反应的进行，同时与生成的氢反应合成液体燃料(如甲醇)。富余的二氧化碳还可以携带可燃气态副产物返回碳基联合火力发电模块110，这可以提高产物的携带能力，并提高电解能量效率。
继续参见图4至图7，在一些实施例中，新能源驱动的醇-煤可再生燃烧循环系统100还可以包括富氧燃烧供应管路170，在图中以灰色粗实线表示。富氧燃烧供应管路170连接碳基联合火力发电模块110和液体燃料制备模块150，配置为将液体燃料制备模块150在水电解过程中产生的氧气输送至碳基联合火力发电模块110进行富氧燃烧。在液体燃料制备模块150包括电解制氢单元151的情况下，富氧燃烧供应管路170的进气端与电解制氢单元151连接，在液体燃料制备模块150包括电解合成单元153的情况下，富氧燃烧供应管路170的进气端与电解合成单元153连接。并且，富氧燃烧供应管路170的的出气端可与碳基联合火力发电模块110中的所有可通过燃料燃烧产生发电工质的发电单元分别连接。例如，在碳基联合火力发电模块110包括燃煤汽轮机发电单元112和燃气轮机发电单元111的情况下，富氧燃烧供应管路170的出气端分别与燃气轮机发电单元111和燃煤汽轮机发电单元112连接，并根据它们各自的氧气需求向它们输送氧气。
本实施例中，通过将液体燃料制备产生的大量氧气供应给碳基联合火力发电模块110用于富氧燃烧，可以进一步提高火电发电效率，同时得到富含二氧化碳的烟气，提高了烟气中二氧化碳的浓度，从而大大节约碳捕集的投资和运行成本。
继续参见图4至图7，在一些实施例中，新能源驱动的醇-煤可再生燃烧循环系统100还可以包括热分解模块180，其连接在碳基联合火力发电模块110(具体可为碳基联合火力发电模块110中的可通过燃料燃烧产生发电工质的发电单元中的至少一者，如燃气轮机发电单元111)和液体燃料制备模块150之间。当新能源驱动的醇-煤可再生燃烧循环系统100中存在副产物存储和输送模块191的情况下，则热分解模块180连接在碳基联合火力发电模块110(具体可为碳基联合火力发电模块110中的可通过燃料燃烧产生发电工质的发电单元中的至少一者，如燃气轮机发电单元111)与副产物存储和输送模块191之间。热分解模块180配置为在将液体燃料(如甲醇)的至少一部分和可燃副产物返回至碳基联合火力发电模块110中的可通过燃料燃烧产生发电工质的发电单元中的至少一者之前对它们进行热分解，增加热值，从而提高发电单元的燃烧效率，进而提高其发电效率。以甲醇为例，将甲醇加热分解为合成气进入燃气轮机发电单元111进行燃烧发电，可以获得超过40％的发电效率。
进一步地，参见图6和图7所示，在一些实施例中，废热再用模块160的热输出端还可以与热分解模块180连接，从而也可以根据实际需要将所回收的废热输送至热分解模块180以用于返回的液体燃料和可燃副产物的热分解，从而提高整个系统的能量利用效率。
以上介绍了联合火电配合碳捕集和新能源驱动的液体燃料制备实现的醇-煤可再生燃烧循环方案，下面通过以煤炭和甲醇为燃料进行发电的醇-煤联合火电(即，由以甲醇为燃料的燃气轮机发电单元111和以煤炭为燃料的燃煤汽轮机发电单元112组成碳基联合火力发电模块110)为例，对本发明的新能源驱动的醇-煤可再生燃烧循环系统100的减排性能进行说明。为方便起见，不妨将由燃气轮机发电单元111和燃煤汽轮机发电单元112组成的碳基联合火力发电模块110称为醇-煤火电厂。
2019年我国消耗的燃煤火电量为约5万亿度，消耗汽油1.2亿吨，柴油1.8亿吨，由此产出的二氧化碳量分别为约40亿吨、3.5亿吨、5.2亿吨，总计约48.7亿吨二氧化碳。以前述2019年数据为参考，若采用本发明的新能源驱动的醇-煤可再生燃烧循环系统100来满足上述能源消耗，先保守设置碳捕集的效率为70％，则实现方式为：燃煤火电量降低至1.5万亿度，其生成约12亿吨二氧化碳。另有约6亿吨甲醇在醇-煤火电厂就地燃烧发电，保守设置燃气-汽轮联合循环发电效率为35％，则产生约1.1万亿度电。如此，醇-煤火电厂总共可以输出2.6万亿度电。通过例如1:1的比例配比新能源电，总共可以输出5.2万亿度电，从而满足5万亿度电需求。
为替代1.2亿吨汽油和1.8亿吨柴油消耗，则将燃煤火电生成的12亿吨二氧化碳中的8亿吨捕集下来，制成约6亿吨甲醇，该6亿吨甲醇的热值即可全面替代1.2亿吨汽油和1.8亿吨柴油消耗。
由此，本系统最终向大气的净碳排放，仅是燃煤火电产生的12亿吨(其中8亿吨制成甲醇作为汽油、柴油替代，燃烧后排放)，以及甲醇在火电燃烧后从碳捕集漏掉的约2.5亿吨二氧化碳，总共排放为14.5亿吨。与2019年我国的48.7亿吨碳排放比较，减排达到34.2亿吨，减排幅度高达70％。同时，生产以上用于发电及替代汽柴油的共计12亿吨甲醇，加上与醇-煤火电配比的2.5万亿度新能源电，所需要的新能源总量为约15万亿度，我国风力资源和/或太阳能资源的可开发储量可以完全满足。
根据上述任意一个可选实施例或多个可选实施例的组合，本发明实施例能够达到如下有益效果：
本发明提供的新能源驱动的醇-煤可再生燃烧循环系统中，将至少包括燃煤汽轮机发电单元的碳基联合火力发电模块产生的电力与新能源电力按照一定比例配比后作为稳定电力输出，同时利用富余的新能源电力以及碳基联合火力发电模块发电过程中产生的二氧化碳进行水电解制备甲醇等醇类液体燃料，并将制得的液体燃料的至少一部分和可燃副产物返回碳基联合火力发电模块用于发电以稳定电网，从而实现醇-煤可再生燃烧循环。本系统可有效循环利用煤炭能源和新能源；通过联合火电与新能源配比保证稳定电力，安全性高；最大限度地利用了联合火电排放的二氧化碳为原料进行液体燃料制备，大大降低碳排放；由于可以通过碳基联合火力发电模块方便地燃烧掉液体燃料(如甲醇)生产的副产物用于发电，大大降低了对选择性的要求，从而大幅降低液体燃料的生产成本。
进一步地，本发明的新能源驱动的醇-煤可再生燃烧循环系统中，通过吸收/解吸环节对联合火电的碳排放进行碳捕集，并将液体燃料制备过程中的废热回收用于碳捕集的解吸环节，降低了碳捕集成本，从而提高整体能效。
进一步地，本发明的新能源驱动的醇-煤可再生燃烧循环系统中，通过将液体燃料制备产生的大量氧气供应给碳基联合火力发电模块用于富氧燃烧，可以进一步提高火电发电效率，同时得到富含二氧化碳的烟气，从而大大节约碳捕集的投资和运行成本。
进一步地，本发明的新能源驱动的醇-煤可再生燃烧循环系统中，不需要对电和氢进行直接储存，而代之以二氧化碳、热量、甲醇的方便储存，由此实现将新能源存储于不同阶段，增强了稳定性和安全性。同时二氧化碳的压缩储存可以兼具储能功能。
进一步地，本发明的新能源驱动的醇-煤可再生燃烧循环系统中，无需氢气液化和二氧化碳液化，省略了它们所需的大量电力，降低了系统运行的成本。
进一步地，本发明的新能源驱动的醇-煤可再生燃烧循环系统的运行中不涉及复杂材料合成，不会引入大量污染，环保性能优良。
在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (10)

1.一种新能源驱动的醇-煤可再生燃烧循环系统，其特征在于，包括：
碳基联合火力发电模块，至少包括燃煤汽轮机发电单元；
新能源发电模块；
电力传输模块，分别与所述碳基联合火力发电模块和所述新能源发电模块连接，配置为接收所述碳基联合火力发电模块产生的全部电力作为第一电力和所述新能源发电模块产生的至少一部分电力作为第二电力，以将所述第一电力和所述第二电力按照预设比例合并后作为稳定电力传输向负载；
烟气处理模块，与所述碳基联合火力发电模块连接，配置为对所述碳基联合火力发电模块排出的含二氧化碳的烟气进行净化处理；
二氧化碳处理模块，其气体输入端与所述烟气处理模块的气体输出端连接，配置为净化后的烟气进行处理得到符合目标需求的二氧化碳，并将至少部分所述二氧化碳提供给液体燃料制备模块；以及
所述液体燃料制备模块，分别与所述新能源发电模块、所述二氧化碳处理模块和所述碳基联合火力发电模块连接，配置为接收所述新能源发电模块产生的剩余电力，在所述剩余电力的驱动下利用所供给的二氧化碳通过水电解制备醇类液体燃料，并将产生的液体燃料的至少一部分和可燃副产物作为燃料返回所述碳基联合火力发电模块中的可通过燃料燃烧产生发电工质的发电单元中的至少一者。
2.根据权利要求1所述的新能源驱动的醇-煤可再生燃烧循环系统，其特征在于，所述新能源发电模块包括风力发电单元和/或光伏发电单元。
3.根据权利要求1所述的新能源驱动的醇-煤可再生燃烧循环系统，其特征在于，所述碳基联合火力发电模块还包括燃气轮机发电单元；并且
所述液体燃料制备模块与所述碳基联合火力发电模块中的所述燃气轮机发电单元连接，以将产生的液体燃料的至少一部分和可燃副产物作为燃料返回所述燃气轮机发电单元。
4.根据权利要求1所述的新能源驱动的醇-煤可再生燃烧循环系统，其特征在于，所述二氧化碳处理模块包括碳捕集模块，所述碳捕集模块包括：
顺序连接的吸收塔和解吸塔，分别与所述烟气处理模块和所述液体燃料制备模块连接，且分别配置为通过吸收剂吸收所述净化后的烟气中的二氧化碳，以及在热能作用下进行解吸以释放所述吸收剂所吸收的二氧化碳。
5.根据权利要求4所述的新能源驱动的醇-煤可再生燃烧循环系统，其特征在于，所述碳捕集模块还包括：
压缩单元，分别与所述解吸塔和所述液体燃料制备模块连接；
其中，所述解吸塔还被配置为根据所述液体燃料制备模块的二氧化碳需求将所释放的二氧化碳分别输送至所述液体燃料制备模块和所述压缩单元；并且
所述压缩单元配置为对所输送至的二氧化碳进行气态压缩以用于进行二氧化碳存储，还配置为在所述解吸塔释放的二氧化碳不满足所述液体燃料制备模块的二氧化碳需求时向所述液体燃料制备模块输送所需的二氧化碳；
所述二氧化碳处理模块还包括：
二氧化碳存储装置，与所述压缩单元连接，配置为存储经压缩后的二氧化碳以实现压缩气体储能。
6.根据权利要求4或5所述的新能源驱动的醇-煤可再生燃烧循环系统，其特征在于，还包括：
废热再用模块，分别与所述液体燃料制备模块和所述解吸塔连接，配置为收集并存储液体燃料制备过程中产生的废热，并将所述废热输送至所述解吸塔以提供用于二氧化碳解吸的热量。
7.根据权利要求4或5所述的新能源驱动的醇-煤可再生燃烧循环系统，其特征在于，所述二氧化碳处理模块还包括存储单元，配置为存储吸收有二氧化碳的所述吸收剂。
8.根据权利要求1所述的新能源驱动的醇-煤可再生燃烧循环系统，其特征在于，所述液体燃料为甲醇；
所述液体燃料制备模块包括：
电解制氢单元，与所述新能源发电模块连接，且配置为在所述剩余电力的驱动下进行水电解以制得氢气；以及
甲醇合成单元，分别与所述二氧化碳处理模块、所述电解制氢单元和所述碳基联合火力发电模块连接，且配置为利用所述电解制氢单元制得的氢气和所述二氧化碳处理模块提供的二氧化碳制备甲醇；
或者，
所述液体燃料制备模块包括：
电解合成单元，分别与新能源发电模块、所述二氧化碳处理模块和所述碳基联合火力发电模块连接，且配置为在所述剩余电力的驱动和二氧化碳的辅助下同时进行水电解和甲醇合成反应。
9.根据权利要求8所述的新能源驱动的醇-煤可再生燃烧循环系统，其特征在于，还包括：
富氧燃烧供应管路，其连接所述碳基联合火力发电模块和所述电解制氢单元或所述电解合成单元，配置为将所述电解制氢单元或所述电解合成单元在水电解过程中产生的氧气输送至所述碳基联合火力发电模块中的可通过燃料燃烧产生发电工质的发电单元进行富氧燃烧。
10.根据权利要求1所述的新能源驱动的醇-煤可再生燃烧循环系统，其特征在于，所述可燃副产物包括液态和气态可燃副产物；
所述新能源驱动的醇-煤可再生燃烧循环系统还包括：
副产物存储和输送模块，分别连接所述碳基联合火力发电模块和所述液体燃料制备模块，配置为存储所述液体燃料制备中产生的可燃副产物，并将所述可燃副产物输送给所述碳基联合火力发电模块中的可通过燃料燃烧产生发电工质的发电单元中的至少一者；以及
热分解模块，连接在所述碳基联合火力发电模块和所述副产物存储和输送模块之间，配置为在将所述液体燃料的至少一部分和所述可燃副产物返回至所述碳基联合火力发电模块中的可通过燃料燃烧产生发电工质的发电单元中的至少一者之前对它们进行热分解。
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