CN116418027A - 一种新能源驱动的富碳可再生燃烧循环系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种新能源驱动的富碳可再生燃烧循环系统，涉及能源循环利用技术领域。该系统包括碳基联合火力发电模块、新能源发电模块、电力传输模块、二氧化碳处理模块、液体燃料制备模块、副产物存储和输送模块和富氧燃烧供应管路。本系统可有效循环利用碳基能源和新能源；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；降低了对液体燃料合成选择性的要求，从而大幅降低液体燃料的生产成本；通过采用富氧燃烧避免空气的大量掺混，提高火电排气中二氧化碳浓度，降低甚至消除了对碳捕集的要求，可显著节约碳捕集的投资和运行成本。

Description

一种新能源驱动的富碳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富碳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)新能源与天气、气候强关联，使其随气候变化的波动问题较大；(2)我国的能源资源地理分布不均，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，因此能源的远距离输送至关重要，而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，无论是氢能储能还是电池储能方案，均在安全和经济两方面存在重大缺陷。另外由于电池生产和再利用环节均涉及大量污染且回收利用困难，电池储能方案在环保方面也无法满足要求。
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富碳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化石能源和新能源、安全性高、大大降低碳排放、大幅降低液体燃料生产成本且节约碳捕集的投资和运行成本的新能源驱动的富碳可再生燃烧循环系统。
本发明的一个进一步的目的在于省略投资巨大的碳捕集环节。
本发明的另一个进一步的目的在于提高整个系统的能量利用效率。
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富碳可再生燃烧循环系统，包括：
碳基联合火力发电模块，至少包括基于燃料燃烧产生发电工质的发电单元；
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；
二氧化碳处理模块，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气体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；
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基于燃料燃烧产生发电工质的发电单元；
副产物存储和输送模块，连接在所述基于燃料燃烧产生发电工质的发电单元和所述液体燃料制备模块之间，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的所述基于燃料燃烧产生发电工质的发电单元；以及
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液体燃料制备模块，配置为将所述液体燃料制备模块在液体燃料制备过程中产生的氧气输送至所述碳基联合火力发电模块进行富氧燃烧。
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包括燃气轮机发电单元和基于碳基材料的发电单元；并且
所述液体燃料制备模块与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，所述基于碳基材料的发电单元为下列任一：
燃煤汽轮机发电单元；
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；
以二氧化碳为循环工质的发电单元，所述以二氧化碳为循环工质的发电单元的气体输入端与所述燃气轮机发电单元的气体输出端连接。
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；并且
所述富氧燃烧供应管路连接在所述电解制氢单元和所述碳基联合火力发电模块之间；
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；并且
所述富氧燃烧供应管路连接在所述电解合成单元和所述碳基联合火力发电模块之间。
可选地，所述二氧化碳处理模块包括压缩模块，配置为根据所述液体燃料制备模块的二氧化碳需求将将所述碳基联合火力发电模块排出的气体的至少一部分提供给所述液体燃料制备模块，并对剩余的气体进行气态压缩以用于二氧化碳压缩储能；并且
所述二氧化碳处理模块还包括二氧化碳存储装置，与所述压缩模块连接，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，所述新能源驱动的富碳可再生燃烧循环系统还包括：
热分解模块，连接在所述碳基联合火力发电模块的基于燃料燃烧产生发电工质的发电单元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基于燃料燃烧产生发电工质的发电单元之前对它们进行热分解。
可选地，所述新能源驱动的富碳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热分解模块连接，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热分解模块。
可选地，所述新能源驱动的富碳可再生燃烧循环系统还包括：
燃气补充模块，与所述燃气轮机发电单元连接，配置为向所述燃气轮机发电单元补充气体燃料，其中，所述气体燃料包括天然气或生物质气化气。
可选地，所述可燃副产物包括可燃液态副产物和可燃气态副产物；并且
所述液体燃料的返回比例被控制为使得所述碳基联合火力发电模块所需的氧化剂全部由所述富氧燃烧供应管路输送的氧气提供。
本发明提供的新能源驱动的富碳可再生燃烧循环系统中，将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通过水电解制备甲醇等液体燃料，同时将液体燃料制备过程中产生的氧气输送至碳基联合火力发电模块进行富氧燃烧以提高排气中二氧化碳浓度，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，从而实现富碳可再生燃烧循环。本系统可有效循环利用碳基能源和新能源；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；由于碳基联合火力发电模块的富氧燃烧没有空气的大量掺混，其排放的气体(烟气)中二氧化碳的浓度大大提高，同时排气中的氮氧化物减少，可以得到富含二氧化碳的烟气，这降低甚至消除了对碳捕集的要求，可显著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富碳可再生燃烧循环系统中，通过控制液体燃料的返回比例，可以使得碳基联合火力发电模块所需的氧化剂全部由富氧燃烧供应管路输送的氧气提供而不需要添加空气，此时，不需要添加空气，碳基联合火力发电模块排出的气体为几乎纯净的二氧化碳，可省略投资巨大的碳捕集环节，同时保证整个系统的高制备效率和能效。
进一步地，本发明的新能源驱动的富碳可再生燃烧循环系统中，通过废热再用模块回收利用液体燃料制备过程中产生的废热，用于为返回的液体燃料和可燃副产物提供热分解所需热量，可提高整个系统的能量利用效率。
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富碳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富碳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富碳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富碳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富碳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富碳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富碳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富碳可再生燃烧循环(Carbon-Riched Renewable Combustion Cycle，简称为CR2CC)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富碳可再生燃烧循环系统100的结构示意图。参见图1所示，新能源驱动的富碳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、二氧化碳处理模块140、液体燃料制备模块150、副产物存储和输送模块191和富氧燃烧供应管路170。
碳基联合火力发电模块110可为联合火电厂的形式，其至少包括基于燃料燃烧产生发电工质的发电单元。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，该基于燃料燃烧产生发电工质的发电单元可以是燃煤汽轮机发电单元、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中的至少之一。
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。
二氧化碳处理模块140与碳基联合火力发电模块110连接。。具体地，碳基联合火力发电模块110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排出的含二氧化碳的气体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可以仅采用简易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中的基于燃料燃烧产生发电工质的发电单元的燃料输入端连接。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中的基于燃料燃烧产生发电工质的发电单元。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。
例如，在一些具体的实施例中，当碳基联合火力发电模块110包括燃煤汽轮机发电单元、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中的至少之一作为基于燃料燃烧产生发电工质的发电单元时，液体燃料制备模块150产生的液体燃料的至少一部分和可燃副产物可作为燃料返回上述发电单元。当然，在碳基联合火力发电模块110包括两个或两个以上的基于燃料燃烧产生发电工质的发电单元时，液体燃料的至少一部分和可燃副产物可以返回至该两个或两个以上的发电单元中的各个发电单元，也可以只返回至该两个或两个以上的发电单元中的任一个发电单元或指定的一个发电单元，这些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。
液体燃料可以是甲醇或其他基于碳、氢和氧的液体燃料。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。
副产物存储和输送模块191连接在碳基联合火力发电模块110中的基于燃料燃烧产生发电工质的发电单元和液体燃料制备模块150之间，配置为存储液体燃料制备中产生的可燃副产物，并将可燃副产物输送给碳基联合火力发电模块110的基于燃料燃烧产生发电工质的发电单元，以用于发电或辅助发电。
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在液体燃料制备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。
本发明实施例提供的新能源驱动的富碳可再生燃烧循环系统100中，将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通过水电解制备甲醇等液体燃料，同时将液体燃料制备过程中产生的氧气输送至碳基联合火力发电模块110进行富氧燃烧以提高排气中二氧化碳浓度，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，从而实现富碳可再生燃烧循环。本系统可有效循环利用碳基能源和新能源；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中的基于燃料燃烧产生发电工质的发电单元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，即，不需要高选择性，从而大幅降低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富碳可再生燃烧循环系统100，可以降低液体燃料(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。
并且，通过富氧燃烧供应管路170可以将液体燃料制备过程中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，此时由于没有空气(主要是氮气)的大量掺混，碳基联合火力发电模块110排放的气体(烟气)中二氧化碳的浓度大大提高，同时排气中的氮氧化物减少，可以得到富含二氧化碳的烟气，这降低了对碳捕集的要求，可以在不明显降低液体燃料制备效率的前提下减少碳捕集环节的投入，仅进行简易碳捕集，甚至省略碳捕集环节，这可以显著节约碳捕集的投资和运行成本。
图2示出了根据本发明另一实施例的新能源驱动的富碳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具体可以包括燃气轮机发电单元111和基于碳基材料的发电单元112。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。基于碳基材料的发电单元112所采用的碳基材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，还可以是二氧化碳等工质，此将在后文进行介绍。
图3示出了根据本发明又一实施例的新能源驱动的富碳可再生燃烧循环系统100的结构示意图。
参见图3所示，新能源驱动的富碳可再生燃烧循环系统100还可以包括气体处理模块190。气体处理模块190连接在碳基联合火力发电模块110与二氧化碳处理模块140之间。具体地，气体处理模块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，气体处理模块190的气体输出端则与二氧化碳处理模块140的气体输入端连接。气体处理模块190配置为对碳基联合火力发电模块110排出的气体进行净化处理。此处的净化处理可根据碳基联合火力发电模块110的排气的成分不同采取不同的净化处理，例如，对于火电排放的烟气，可进行包括但不限于脱硫、脱硝、除尘等处理；对于以二氧化碳(如超临界二氧化碳)为工质进行发电排出的气体，可进行包括但不限于除杂、除湿等处理。
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富碳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，基于碳基材料的发电单元112可以是燃煤汽轮机发电单元1121、生物质燃烧锅炉-汽轮机发电单元1122、以二氧化碳为循环工质的发电单元1123、或天然气锅炉-汽轮机发电单元1124等。
燃煤汽轮机发电单元1121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。
生物质燃烧锅炉-汽轮机发电单元1122的构造与燃煤汽轮机发电单元1121大体相同或相近。由于生物质来源于生物体吸收的二氧化碳，其固有存在碳中和特性，因此用生物质燃料可以进一步降低碳排放。并且，生物质发电本身分为直接燃烧发电和气化后发电两种类型，其中气化后发电的类型就配置有燃气轮机设备，因此，生物质燃烧锅炉-汽轮机发电单元1122可以采用现有的生物质发电设备实现，同时还可以利用现有的生物质发电设备本身带有的燃气轮机设备进行液体燃料(如甲醇)及其副产物的气化燃烧，而无需另外单配燃气轮机，减少了系统的建设成本。
天然气锅炉-汽轮机发电单元1124的构造与燃煤汽轮机发电单元1121大体相同或相近，其利用天然气为燃料，燃烧效率高。
以二氧化碳为循环工质的发电单元1123的气体输入端与燃气轮机发电单元111的气体输出端连接，从而以二氧化碳为循环工质的发电单元1123可以利用燃气轮机发电单元111燃烧后的高温的二氧化碳气体为发电工质，具体地通过将该二氧化碳气体加压为超临界二氧化碳后驱动涡轮机来发电。以二氧化碳为循环工质的发电单元1123是以二氧化碳而不是传统的锅炉产生水蒸气作为发电循环工质，可以提高发电效率，减小水耗，同时降低系统的复杂程度。
对于不同的基于碳基材料的发电单元112，根据基于碳基材料的发电单元112是否需要燃烧燃料，富氧燃烧供应管路170的连接方式也会有所不同。一般来说，富氧燃烧供应管路170将液体燃料制备模块150与碳基联合火力发电模块110中需进行燃料燃烧的发电单元连接。具体地，在基于碳基材料的发电单元112为燃煤汽轮机发电单元1121、生物质燃烧锅炉-汽轮机发电单元1122或天然气锅炉-汽轮机发电单元1124时，富氧燃烧供应管路170将碳基联合火力发电模块110中的两个发电单元分别与液体燃料制备模块150连接，并根据它们各自的氧气需求向它们输送氧气，如图4和图6所示；在基于碳基材料的发电单元112为以二氧化碳为循环工质的发电单元1123时，富氧燃烧供应管路170仅连接液体燃料制备模块150与燃气轮机发电单元111，如图5和图7所示。
由于碳基联合火力发电模块110的排气中二氧化碳的浓度大大提高，碳捕集环节可以大为简化甚至省略。在一些实施例中，参见图4至图7所示，二氧化碳处理模块140可以包括压缩模块142，配置为根据液体燃料制备模块150的二氧化碳需求将碳基联合火力发电模块110排出的气体(极大部分为二氧化碳)，优选净化后的气体，的至少一部分提供给液体燃料制备模块150，并对剩余气体进行气态压缩以用于二氧化碳压缩储能。本实施例中仅对二氧化碳进行压缩而无需进行碳捕集，既节省了碳捕集的费用，又可以将二氧化碳存储与压缩储能合二为一。
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模块142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。
在一个优选的实施例中，返回碳基联合火力发电模块110(具体为碳基联合火力发电模块110中的基于燃料燃烧产生发电工质的发电单元，如燃气轮机发电单元111)的液体燃料的返回比例可以被控制为使得碳基联合火力发电模块110所需的氧化剂全部由富氧燃烧供应管路170输送的氧气提供。此时，不需要添加空气，碳基联合火力发电模块110排出的气体为几乎纯净的二氧化碳，可完全省略投资巨大的碳捕集环节，同时保证整个系统的高制备效率和能效。
下面以包括燃煤汽轮机发电单元1121和燃气轮机发电单元111构成的碳基联合火力发电模块110(不妨称为联合火电厂)配合甲醇制备的系统为例说明本发明的新能源驱动的富碳可再生燃烧循环系统100的减排性能和液体燃料的较优返回比例。
对于减排性能，以2019年我国的碳排放数据为参考。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富碳可再生燃烧循环系统100来满足上述能源消耗，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，由于火电烟气中二氧化碳浓度很高，仅需简易或无需碳捕集，几乎没有碳捕集损失，因此将燃煤火电生成的12亿吨二氧化碳制成约8亿吨甲醇，该8亿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12亿吨以及少量的其他环节漏掉的二氧化碳。与2019年我国的48.7亿吨碳排放比较，减排幅度可达到70％以上。同时，生产以上用于发电及替代汽柴油的甲醇所需要的新能源可由我国风力资源和/或太阳能资源的可开发储量完全满足。
对于液体燃料的较优返回比例，示例性计算过程如下。
煤炭燃烧的反应方程式为C+O2＝CO2，若要生产生1.5万亿度煤火电，产生12亿吨二氧化碳，则需要的氧气为36/48×12＝9亿吨。甲醇燃烧的反应方程式为2CH3OH+3O2＝2CO2+4H2O，假设6亿吨甲醇燃烧，则需要的氧气为3×32/(2×32)×6＝9亿吨。因此，联合火电厂共需要的氧气量为18亿吨。
甲醇制备过程涉及的水电解反应式为2H2O＝2H2+O2，氢至甲醇反应式3H2+CO2＝CH3OH+H2O，总反应式为4H2O+2CO2＝2CH3OH+3O2。由此，产出6+6共计12亿吨的甲醇过程中，通过电解产生的氧气量计算为3×32/(2×32)×12＝18亿吨。该产生的氧气量正好等于联合火电厂燃烧所需要的氧气量。
因此，如果保持一半的甲醇(或其相当热值的副产物)用于联合火电厂燃烧，而一半甲醇作为液体燃料向外供应，则在联合火电厂可以实现完全的氧气燃烧，而不用空气。
更进一步地，假如不向外输送甲醇，则二氧化碳将一直在系统内部循环，电解出来的氧气也正好足够完全的富氧燃烧。这种情况下，只需要不时补充二氧化碳的少量损耗即可。
在一些实施例中，所制备的液体燃料为甲醇。参见图4和图5，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(具体可为压缩模块142)、电解制氢单元151和碳基联合火力发电模块110中的基于燃料燃烧产生发电工质的发电单元(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中的基于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。富氧燃烧供应管路170连接在电解制氢单元151和碳基联合火力发电模块110之间，以用于将电解制氢单元151产生的氧气输送给碳基联合火力发电模块110。
在另一些实施例中，参见图6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。
富氧燃烧供应管路170连接在电解合成单元153和碳基联合火力发电模块110之间，以将液体燃料制备过程中产生的由二氧化碳携带的氧气输送至碳基联合火力发电模块110。另外，过量的二氧化碳还可以作为工质携带可燃气态副产物返回燃气轮机发电单元111。这样，可以方便地通过控制气体的流速来调节联合火电厂的燃烧效果，还可以进一步提高碳基联合火力发电模块110的排气中的二氧化碳浓度。
继续参见图4至图7，在一些实施例中，新能源驱动的富碳可再生燃烧循环系统100还可以包括热分解模块181，其连接在碳基联合火力发电模块110的基于燃料燃烧产生发电工质的发电单元(如燃气轮机发电单元111)和副产物存储和输送模块191之间，配置为在将液体燃料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的基于燃料燃烧产生发电工质的发电单元(如燃气轮机发电单元111)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，新能源驱动的富碳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和热分解模块181连接，配置为收集并存储液体燃料制备过程中产生的废热，并将废热输送至热分解模块181。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。
在实际应用中，在液体燃料制备模块150包括电解制氢单元151和甲醇合成单元152的情况下，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。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，将其回收用于返回的燃料和可燃副产物的热分解。在液体燃料制备模块150包括电解合成单元153的情况下，废热再用模块160与电解合成单元153热连接，从而收集并存储电解合成单元153直接电解合成产生的废热。
通过回收利用液体燃料制备过程中产生的废热，用于为返回的液体燃料和可燃副产物提供热分解所需热量，可提高整个系统的能量利用效率。
在一些实施例中，新能源驱动的富碳可再生燃烧循环系统100还可以包括燃气补充模块182，其与燃气轮机发电单元111连接，配置为向燃气轮机发电单元111补充气体燃料。气体燃料可以包括天然气或生物质气化气等。
在一些实施例中，在基于碳基材料的发电单元112为以二氧化碳为循环工质的发电单元1123，且液体燃料制备模块150包括电解合成单元153的情况下，新能源驱动的富碳可再生燃烧循环系统100是以二氧化碳为工质，将整个大循环贯穿。此时，二氧化碳不只是燃烧产物，同时也是发电工质和电解工质，而且还是储能工质(包括气态压缩存储和压缩储能)。由于以二氧化碳为统一的工质，此类新能源驱动的富碳可再生燃烧循环系统100还可以称为“以二氧化碳为统一工质的发电、再生、与储能系统”。
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富碳可再生燃烧循环系统中，将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通过水电解制备甲醇等液体燃料，同时将液体燃料制备过程中产生的氧气输送至碳基联合火力发电模块进行富氧燃烧以提高排气中二氧化碳浓度，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，从而实现富碳可再生燃烧循环。本系统可有效循环利用碳基能源和新能源；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；由于碳基联合火力发电模块的富氧燃烧没有空气的大量掺混，其排放的气体(烟气)中二氧化碳的浓度大大提高，同时排气中的氮氧化物减少，可以得到富含二氧化碳的烟气，这降低甚至消除了对碳捕集的要求，可显著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富碳可再生燃烧循环系统中，通过控制液体燃料的返回比例，可以使得碳基联合火力发电模块所需的氧化剂全部由富氧燃烧供应管路输送的氧气提供而不需要添加空气，此时，不需要添加空气，碳基联合火力发电模块排出的气体为几乎纯净的二氧化碳，可省略投资巨大的碳捕集环节，同时保证整个系统的高制备效率和能效。
进一步地，本发明的新能源驱动的富碳可再生燃烧循环系统中，通过废热再用模块回收利用液体燃料制备过程中产生的废热，用于为返回的液体燃料和可燃副产物提供热分解所需热量，可提高整个系统的能量利用效率。
进一步地，本发明的新能源驱动的富碳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富碳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富碳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富碳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，至少包括基于燃料燃烧产生发电工质的发电单元；
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；
二氧化碳处理模块，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气体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；
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基于燃料燃烧产生发电工质的发电单元；
副产物存储和输送模块，连接在所述基于燃料燃烧产生发电工质的发电单元和所述液体燃料制备模块之间，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的所述基于燃料燃烧产生发电工质的发电单元；以及
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液体燃料制备模块，配置为将所述液体燃料制备模块在液体燃料制备过程中产生的氧气输送至所述碳基联合火力发电模块进行富氧燃烧。
2.根据权利要求1所述的新能源驱动的富碳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富碳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包括燃气轮机发电单元和基于碳基材料的发电单元；并且
所述液体燃料制备模块与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3所述的新能源驱动的富碳可再生燃烧循环系统，其特征在于，所述基于碳基材料的发电单元为下列任一：
燃煤汽轮机发电单元；
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；
以二氧化碳为循环工质的发电单元，所述以二氧化碳为循环工质的发电单元的气体输入端与所述燃气轮机发电单元的气体输出端连接。
5.根据权利要求1所述的新能源驱动的富碳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；并且
所述富氧燃烧供应管路连接在所述电解制氢单元和所述碳基联合火力发电模块之间；
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；并且
所述富氧燃烧供应管路连接在所述电解合成单元和所述碳基联合火力发电模块之间。
6.根据权利要求1所述的新能源驱动的富碳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压缩模块，配置为根据所述液体燃料制备模块的二氧化碳需求将将所述碳基联合火力发电模块排出的气体的至少一部分提供给所述液体燃料制备模块，并对剩余的气体进行气态压缩以用于二氧化碳压缩储能；并且
所述二氧化碳处理模块还包括二氧化碳存储装置，与所述压缩模块连接，配置为存储经压缩后的二氧化碳以实现压缩气体储能。
7.根据权利要求1所述的新能源驱动的富碳可再生燃烧循环系统，其特征在于，还包括：
热分解模块，连接在所述碳基联合火力发电模块的基于燃料燃烧产生发电工质的发电单元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基于燃料燃烧产生发电工质的发电单元之前对它们进行热分解。
8.根据权利要求7所述的新能源驱动的富碳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热分解模块连接，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热分解模块。
9.根据权利要求3所述的新能源驱动的富碳可再生燃烧循环系统，其特征在于，还包括：
燃气补充模块，与所述燃气轮机发电单元连接，配置为向所述燃气轮机发电单元补充气体燃料，其中，所述气体燃料包括天然气或生物质气化气。
10.根据权利要求1所述的新能源驱动的富碳可再生燃烧循环系统，其特征在于，所述可燃副产物包括可燃液态副产物和可燃气态副产物；并且
所述液体燃料的返回比例被控制为使得所述碳基联合火力发电模块所需的氧化剂全部由所述富氧燃烧供应管路输送的氧气提供。
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