CN116576592A - 一种太阳能和甲烷互补驱动的零排放多联产系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳能和甲烷互补驱动的零排放多联产系统，聚光分光器的输出端同时与集热器和光伏电池连接，集热器与燃料侧反应器连通，光伏电池与电解电池电性连接，且燃料侧反应器的二氧化碳出口和电解电池的氢气出口均穿过换热器并与甲醇合成器的输入端连接，压气机、空气侧反应器、加热器、透平和发电机依次连接，电解电池的氧气出口穿过换热器并与压气机的输入端连接，空气侧反应器与燃料侧反应器之间循环连接，透平的气体出口贯穿余热锅炉，且热机、吸收式制冷机和供热器均与余热锅炉的输出端连接。本发明中，通过设置甲醇合成单元，能够将反应产生的二氧化碳作为原材料合成甲醇，有助于降低二氧化碳封存成本，并实现二氧化碳的零排放。
Description
技术领域
本发明涉及能源利用技术领域，更具体的，涉及一种太阳能和甲烷互补驱动的零排放多联产系统。
背景技术
传统甲烷驱动的多联产系统，具有灵活启动、能源利用率高等优点，在国家能源结构中扮演着重要角色，但燃烧碳氢燃料会排放大量温室气体二氧化碳。基于此，将传统的甲烷直燃过程改为两步法反应过程的新思路被提出，具体包括：利用金属氧化物与甲烷发生还原反应，甲烷变为二氧化碳，金属氧化物被还原为金属；进一步，被还原的金属与空气发生氧化反应，释放热量，实现甲烷化学能到热能的转换。由于上述两个过程是彼此分离的气固反应，二氧化碳和未反应的空气不混合，进而实现无能耗捕集二氧化碳，但是由于气体二氧化碳封存成本较高，新思路距离实际应用尚存距离。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于现有的甲烷驱动的多联产系统二氧化碳封存成本高。为了克服现有技术的缺陷，本发明提出了一种太阳能和甲烷互补驱动的零排放多联产系统，通过设置甲醇合成单元，能够将反应产生的二氧化碳作为原材料合成甲醇，有助于降低二氧化碳封存成本，并实现二氧化碳的零排放，且加工成本较低，具有较高的市场应用前景。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供了一种太阳能和甲烷互补驱动的零排放多联产系统，包括甲醇合成单元、发电单元和余热利用单元，
甲醇合成单元包括聚光分光器、集热器、光伏电池、燃料侧反应器、电解电池、换热器和甲醇合成器，聚光分光器的输出端同时与集热器和光伏电池连接，集热器与燃料侧反应器连通，光伏电池与电解电池电性连接，且燃料侧反应器的二氧化碳出口和电解电池的氢气出口均穿过换热器并与甲醇合成器的输入端连接，
发电单元包括依次连接的压气机、空气侧反应器、加热器、透平和发电机，透平与发电机共轴设置，电解电池的氧气出口穿过换热器并与压气机的输入端连接，空气侧反应器与燃料侧反应器之间循环连接，
余热利用单元包括余热锅炉、热机、吸收式制冷机和供热器，透平的气体出口贯穿余热锅炉，且热机、吸收式制冷机和供热器均与余热锅炉的输出端连接，供热器输入端还连接有换热器。
在本发明较佳的技术方案中，所述透平的旋转轴还与所述甲醇合成器驱动连接，且甲醇合成器与所述供热器之间热性连通。
在本发明较佳的技术方案中，所述燃料侧反应器一侧还设置有甲烷进气口。
在本发明较佳的技术方案中，所述电解电池和所述压气机之间还设置有冷凝器，且电解电池的氧气出口与冷凝器连接。
在本发明较佳的技术方案中，所述余热锅炉上还设置有进水口，且余热锅炉的出水口与所述电解电池连通。
在本发明较佳的技术方案中，所述电解电池一侧还设置有空气入口，且空气入口与电解电池内的阳极腔连通。
在本发明较佳的技术方案中，所述电解电池两端还连接有外部电网。
在本发明较佳的技术方案中，所述加热器与所述电解电池热性连通。
本发明的有益效果为：
1、本发明提出的一种太阳能和甲烷互补驱动的零排放多联产系统，通过设置甲醇合成单元，能够将反应产生的二氧化碳作为原材料合成甲醇，有助于降低二氧化碳封存成本，并实现二氧化碳的零排放，且加工成本较低，具有较高的市场应用前景。
2、通过设置聚光分光器，能够将太阳能中的高质量短波波段直接产电，而低质量的长波波段直接产热，有助于减少了太阳能利用的不可逆损失，实现了太阳能全光谱的梯级利用。
3、通过设置聚光分光器，可将被弃掉的绿电用于制氢和固碳，为间歇性、低质量的可再生绿电提供应用场合。
附图说明
图1是本发明具体实施方式提供的一种太阳能和甲烷互补驱动的零排放多联产系统的工艺流程图。
图中：
1、甲醇合成单元；11、聚光分光器；12、集热器；13、光伏电池；14、燃料侧反应器；15、电解电池；16、换热器；17、甲醇合成器；18、冷凝器；2、发电单元；21、压气机；22、空气侧反应器；23、加热器；24、透平；25、发电机；3、余热利用单元；31、余热锅炉；32、热机；33、吸收式制冷机；34、供热器。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
如图1所示，实施例中提供了一种太阳能和甲烷互补驱动的零排放多联产系统，包括甲醇合成单元1、发电单元2和余热利用单元3，
甲醇合成单元1包括聚光分光器11、集热器12、光伏电池13、燃料侧反应器14、电解电池15、换热器16和甲醇合成器17，聚光分光器11的输出端同时与集热器12和光伏电池13连接，集热器12与燃料侧反应器14连通，光伏电池13与电解电池15电性连接，且燃料侧反应器14的二氧化碳出口和电解电池15的氢气出口均穿过换热器16并与甲醇合成器17的输入端连接，
发电单元2包括依次连接的压气机21、空气侧反应器22、加热器23、透平24和发电机25，透平24与发电机25共轴设置，电解电池15的氧气出口穿过换热器16并与压气机21的输入端连接，空气侧反应器22与燃料侧反应器14之间循环连接，
余热利用单元3包括余热锅炉31、热机32、吸收式制冷机33和供热器34，透平24的气体出口贯穿余热锅炉31，且热机32、吸收式制冷机33和供热器34均与余热锅炉31的输出端连接，供热器34输入端还连接有换热器16。
本实施例中，入射太阳光通过聚光分光器11进行聚光，用于提升能量密度，并能够将长波波段分配至集热器12处，集热器12能够将长波太阳能转化成热能，并输入至燃料侧反应器14内，进而使得燃料侧反应器14内升温，用以驱动甲烷与金属氧化物MOx的还原反应，同时将短波波段分配至光伏电池13处，光伏电池13能够将短波太阳能转化成电能，并输送至电解电池15，用以为电解水制氢提供电能，从而减少太阳能利用的不可逆损失，实现对太阳能全光谱的梯级利用，其中，甲烷与金属氧化物MOx的反应能够产生CO2，电解电池15电解水能够产生H2，甲醇合成器17能够以CO2和H2作为原材料合成甲醇，从而对CO2进行固定，实现了CO2的零排放，且甲醇的储存成本低。换热器16能够吸收CO2和H2放出的热量，并将热量输送至供热器34内，从而实现对余热的充分利用。压气机21的进气口设置有两个，分别用于供外界空气和电解水产生的氧气通过，且压气机21能够将空气压缩，使得空气侧反应器22内处于高压状态，有助于加快氧化反应的速度。燃料侧反应器14与空气侧反应器22连接，在燃料侧反应器14内的MOx被还原后会被输送至空气侧反应器22内，并在空气侧反应器22内被氧化，以实现对氧化剂MOx的重复利用。压缩空气流经透平24时会进行膨胀出功，使得气体的内能转化成机械能，而由于透平24与发电机25共轴设置，进而能够带动发电机25的输入轴旋转发电。热机32用于对外输出机械功，吸收式制冷机33用于对外输出冷能，供热器34用于对外输出热能，余热锅炉31用于吸收透平24输出端排出的废气余热，且余热锅炉31能够够根据自身温度的不同，分别驱动热机32、吸收式制冷机33和供热器34工作。
具体的，透平24的旋转轴还与甲醇合成器17驱动连接，且甲醇合成器17与供热器34之间热性连通。
本实施例中，透平24输出的机械功能够压缩甲醇合成器17内的CO2和H2，进而使得甲醇合成器17内的气体密度提高，以提高反应效率。
具体的，燃料侧反应器14一侧还设置有甲烷进气口。
本实施例中，通过设置甲烷进气口，方便向燃料侧反应器14内添加甲烷，使得氧化反应能够持续进行。
具体的，电解电池15和压气机21之间还设置有冷凝器，且电解电池15的氧气出口与冷凝器18连接。
本实施例中，冷凝管18套设于电解电池15的氧气输出端，通过设置冷凝器18，能够对由电解电池15排出的富氧空气充分冷却，降低压气机21进口气体温度，进而减小压气机21的压缩耗能。
具体的，余热锅炉31上还设置有进水口，且余热锅炉31的出水口与电解电池15连通。
本实施例中，余热锅炉31能够对电解制氢过程的反应水进行预热，且反应水被加热至水蒸气状态后会被排入至电解电池15内，以补充电解反应消耗的反应水。
具体的，电解电池15一侧还设置有空气入口，且空气入口与电解电池15内的阳极腔连通。
本实施例中，空气作为吹扫气体，能够将电解电池15阳极腔内产生的氧气及时排出。
具体的，电解电池15两端还连接有外部电网。
本实施例中，针对弃风和弃光政策下的部分低品质可再生绿电，可通过外部电网接入到电解电池15的两端，有效拓宽低品质绿电的应用场景。
具体的，加热器23与电解电池15热性连通。
本实施例中，加热器23能够收集空气侧反应器22内氧化反应释放的热量，并将热量输送至电解电池15内，用以驱动电解制氢反应进行。
工作原理：太阳光照射在聚光分光器11上后，由聚光分光器11将太阳辐射分为长波辐射和短波辐射，其中，长波辐射被分配至集热器12上，集热器12在吸收辐射能量后会对燃料侧反应器14内部进行加热，进而驱动甲烷与金属氧化物MOx发生反应并产生CO2，而短波辐射被分配至光伏电池13进行发电，进而驱动电解电池15工作，将水电解为H2和O2，然后H2和CO2在经过换热器16换热后被输送至甲醇合成器17内，并在甲醇合成器17内合成甲醇，从而将CO2固定，以避免温室气体排放，同时向电解电池15一侧的空气入口吹气，使得阳极腔内的富氧空气依次经过换热器16和冷凝器18的冷却后进入到压气机21内，压气机21将富氧空气和外界空气混合压缩后输送至空气侧反应器22内，此时被还原的氧载体MOx-y在空气侧反应器22内被氧化，并重新形成金属氧化物MOx，从而实现对氧化物的循环利用，随后压缩空气流经加热器23，加热器23会吸收压缩空气中的部分高温热量，并将热量传导至电解电池15内用于驱动电解制氢反应的进行，然后压缩空气流经透平24内进行膨胀出功，进而驱动发电机25工作发电，以及对甲醇合成器17内部的H2和CO2进行压缩，以提高反应效率，膨胀后的空气则穿过余热锅炉31并对余热锅炉31内的反应水加热至水蒸气状态，剩余的热量则根据自身温度的不同，分别驱动热机32、吸收式制冷机33和供热器34，依次对外输出机械功、冷能和热冷，达到对余热的充分利用；
当遇到弃风和弃光现象时，被舍弃的可再生绿电将通过外部电网接入到电解电池15的两端，实现间歇性、低品质绿电的有效利用。
本发明是通过优选实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，其他落入本申请的权利要求内的实施例都属于本发明保护的范围。
Claims (8)
1.一种太阳能和甲烷互补驱动的零排放多联产系统，包括甲醇合成单元(1)、发电单元(2)和余热利用单元(3)，其特征在于：
甲醇合成单元(1)包括聚光分光器(11)、集热器(12)、光伏电池(13)、燃料侧反应器(14)、电解电池(15)、换热器(16)和甲醇合成器(17)，聚光分光器(11)的输出端同时与集热器(12)和光伏电池(13)连接，集热器(12)与燃料侧反应器(14)连通，光伏电池(13)与电解电池(15)电性连接，且燃料侧反应器(14)的二氧化碳出口和电解电池(15)的氢气出口均穿过换热器(16)并与甲醇合成器(17)的输入端连接，
发电单元(2)包括依次连接的压气机(21)、空气侧反应器(22)、加热器(23)、透平(24)和发电机(25)，透平(24)与发电机(25)共轴设置，电解电池(15)的氧气出口穿过换热器(16)并与压气机(21)的输入端连接，空气侧反应器(22)与燃料侧反应器(14)之间循环连接，
余热利用单元(3)包括余热锅炉(31)、热机(32)、吸收式制冷机(33)和供热器(34)，透平(24)的气体出口贯穿余热锅炉(31)，且热机(32)、吸收式制冷机(33)和供热器(34)均与余热锅炉(31)的输出端连接，供热器(34)输入端还连接有换热器(16)。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能和甲烷互补驱动的零排放多联产系统，其特征在于：所述透平(24)的旋转轴还与所述甲醇合成器(17)驱动连接，且甲醇合成器(17)与所述供热器(34)之间热性连通。
3.根据权利要求1所述的一种太阳能和甲烷互补驱动的零排放多联产系统，其特征在于：所述燃料侧反应器(14)一侧还设置有甲烷进气口。
4.根据权利要求1所述的一种太阳能和甲烷互补驱动的零排放多联产系统，其特征在于：所述电解电池(15)和所述压气机(21)之间还设置有冷凝器(18)，且电解电池(15)的氧气出口与冷凝器(18)连接。
5.根据权利要求1所述的一种太阳能和甲烷互补驱动的零排放多联产系统，其特征在于：所述余热锅炉(31)上还设置有进水口，且余热锅炉(31)的出水口与所述电解电池(15)连通。
6.根据权利要求1所述的一种太阳能和甲烷互补驱动的零排放多联产系统，其特征在于：所述电解电池(15)一侧还设置有空气入口，且空气入口与电解电池(15)内的阳极腔连通。
7.根据权利要求1所述的一种太阳能和甲烷互补驱动的零排放多联产系统，其特征在于：所述电解电池(15)两端还连接有外部电网。
8.根据权利要求1所述的一种太阳能和甲烷互补驱动的零排放多联产系统，其特征在于：所述加热器(23)与所述电解电池(15)热性连通。
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