CN215048660U - 太阳能供热的化学链空分制氧系统及其综合能源利用系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型的太阳能供热的新型化学链空分制氧系统，包括吸氧反应器、释氧反应器、太阳能加热装置、蒸汽发生装置、第一换热器、发电装置，吸氧反应器和释氧反应器之间通过管道进行连接，太阳能加热装置用于向释氧反应器提供热量，吸氧反应器的出口、蒸汽发生装置、发电装置之间通过管道依次连接在一起，释氧反应器的出口和第一换热器之间连接在一起。本实用新型的太阳能供热的新型化学链空分制氧方法包括：吸氧反应器发生氧化反应；贫氧空气通入蒸汽发生装置，释氧反应器发生还原反应；蒸汽发生装置生成水蒸气通入发电装置；释氧反应器释放氧气通入第一换热器，氧气与惰性气体混合形成富氧气流。本实用新型还提供太阳能供热的新型化学链空分制氧系统的应用。

Description

太阳能供热的化学链空分制氧系统及其综合能源利用系统

技术领域

本实用新型属于制氧技术领域，具体涉及一种太阳能供热的新型化学链空分制氧系统及其综合能源利用系统。

背景技术

温室效应影响着全人类的生活，因此受到世界各国的广泛关注，其中碳捕集与封存是其主要解决手段。富氧燃烧是“燃烧中”捕集二氧化碳的重要技术手段，但是由于传统深冷空分制氧技术的成本高昂，阻碍了其进一步应用与发展，所以目前迫切需要研究一种低耗能的制氧技术。

化学链空分制氧技术是一种新型的制氧技术，该方法是基于氧载体在吸氧反应器和释氧反应器中分别发生氧化反应并吸氧和还原反应并释氧提出的。研究表明，化学链空分的制氧能耗相较于深冷空分系统大约降低了40％-70％。因此化学链空分制氧能较好地满足富氧燃烧电厂所需的低能耗制氧。

在自热条件下，即外部不供给能量，利用吸氧反应器释放的热量供给释氧反应器所需吸收的热量，化学链空分系统只能提供氧气浓度为12％-14％的富氧气流到富氧燃烧炉膛中。对于富氧燃烧锅炉，为了维持炉膛中火焰稳定及良好的煤粉燃烬率，合适的入流氧气浓度为30％或以上。因此，自热条件的化学链空分制氧系统无法满足富氧燃烧锅炉对于氧气浓度的要求。为了获得更高的氧浓度，可以提高吸氧反应器的运行温度并高于释氧反应器，以提高平衡氧分压，进而提高氧气浓度。而因为吸氧反应器的运行温度低于释氧反应器，所以不能再通过氧载体携带吸氧反应器中释放的热量来维持释氧反应器中反应的进行，而需要额外的能量提供给释氧反应器。

综上所述，现在亟需研发出一种释氧反应器温度高于吸氧反应器的化学链空分制氧系统，以增大释氧反应器中的平衡氧分压，并促进其释氧和提高产气中的氧气浓度的新型化学链空分制氧系统。

实用新型内容：

本实用新型目的是提供了一种太阳能供热的新型化学链空分制氧系统，能解决现有技术中所存在的化学链空分系统只能提供氧气浓度为12％-14％的富氧气流的技术问题，以实现释氧反应器温度高出吸氧反应器温度50-100℃，以增大释氧反应器中的平衡氧分压，进而促进其释氧以及提高产气中的氧气浓度。

为实现以上目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种太阳能供热的新型化学链空分制氧系统，包括吸氧反应器、释氧反应器、太阳能加热装置、蒸汽发生装置、第一换热器、发电装置，所述吸氧反应器和所述释氧反应器之间通过管道进行连接，所述太阳能加热装置用于向所述释氧反应器提供热量，所述吸氧反应器的出口、所述蒸汽发生装置、所述发电装置之间通过管道依次连接在一起，所述释氧反应器的出口和所述第一换热器之间通过管道连接在一起；所述蒸汽发生装置上还设置有给水入口和贫氧空气排出口，所述第一换热器上还设置有惰性气体入口和富氧气流出口。

在上述实施方式的基础上，在另一改进的实施方式中，所述太阳能加热装置为塔式太阳能加热装置。

在上述实施方式的基础上，在另一改进的实施方式中，所述蒸汽发生装置为第二换热器，所述发电装置包括汽轮机和发电机。

在上述实施方式的基础上，在另一改进的实施方式中，还包括空气引风机和惰性气体引风机，所述空气引风机用于向所述吸氧反应器的入口通入空气，所述惰性气体引风机用于向所述第一换热器通入惰性气体。

本实用新型还提供一种太阳能供热的新型化学链空分制氧系统的应用，包括如上所述的新型化学链空分制氧系统，还包括富氧燃烧系统和污泥/生物质干燥炭化单元，所述富氧燃烧系统包括通过管道依次连接的燃烧锅炉、烟气净化单元、尾气处理单元，所述污泥/生物质干燥炭化单元包括彼此连通的干燥单元和炭化单元；所述释氧反应器与所述燃烧锅炉之间通过管道连通，所述释氧反应器用于向所述燃烧锅炉提供富氧气体，所述太阳能加热装置用于向所述炭化单元提供高温热能。

在上述实施方式的基础上，在另一改进的实施方式中，所述烟气净化单元的出口通过管道同时与所述干燥单元、所述尾气处理单元和所述释氧反应器连通，所述炭化单元与所述燃烧锅炉之间通过管道连通，所述炭化单元中炭化后产生的可燃气体通入所述燃烧锅炉进行燃烧。

在上述实施方式的基础上，在另一改进的实施方式中，所述烟气净化单元包括通过管道依次连接的过热器、再热器、脱硝反应器、除尘器。

在上述实施方式的基础上，在另一改进的实施方式中，所述尾气处理单元为碳捕集装置。

本实用新型具有如下的有益效果：

1、在现有技术中，释氧反应器与吸氧反应器的反应温度为850℃-1050℃。在实际运行过程中，吸氧反应器中氧载体Me与空气中的氧发生氧化反应，放出热量；释氧反应器中氧载体MeO进行分解反应释放氧气，吸收热量。因此需要外界提供部分热量，以维持释氧反应器的温度进而维持氧化还原反应过程的进行。本实用新型提供的太阳能供热的新型化学链空分制氧系统，通过添加太阳能加热装置向释氧反应器提供热量，使得释氧反应器温度比吸氧反应器温度高 50℃-100℃。这主要是为了维持吸氧反应器中较低的氧分压以及释氧反应器中较高的氧分压，进而获得目标氧气浓度的富氧气流；而且，释氧反应器的平衡氧分压升高，需要的惰性气体的量将会减少；吸氧反应器的平衡氧分压降低，需要空气的量将会减少，这进一步降低了空气引风机和惰性气体引风机的功耗。同时利用吸氧反应器出口的贫氧空气对蒸汽发生装置中给水进行加热，产生水蒸气，将水蒸气通入汽轮机推动发电机产生电量，进而利用了吸氧反应器释放的能量。

2、本实用新型的太阳能供热的新型化学链空分制氧系统的应用，将化学链空分制氧系统与富氧燃烧系统和污泥/生物质干燥炭化单元结合在一起，不仅实现了为富氧燃烧系统供应氧气浓度较高的富氧气流，同时利用了太阳能加热装置生产的高温热能用于污泥/生物质的掺烧，充分利用了每个环节所产生的热能。

附图说明

图1为实施例1中太阳能供热的新型化学链空分制氧系统的主要结构示意图(箭头示意流向)；

图2为实施例2中太阳能供热的新型化学链空分制氧系统的应用的组成框图(箭头示意流向)。

附图标记：1-空气引风机、2-吸氧反应器、3-释氧反应器、4-太阳能加热装置、5-惰性气体引风机、6-第一换热器、7-第二换热器、8-汽轮机、9-发电机、 A-空气、B-惰性气体、C-富氧气流、D-贫氧空气、a-混合物流

具体实施方式

以下提供本实用新型的优选实施例，以助于进一步理解本实用新型。本领域技术人员应了解到，本实用新型实施例的说明仅是示例性的，并不是为了限制本实用新型的方案。

实施例1

参见附图1的示意，本实施例中的太阳能供热的新型化学链空分制氧系统，包括吸氧反应器2、释氧反应器3、太阳能加热装置4、蒸汽发生装置、第一换热器6、发电装置，吸氧反应器2和释氧反应器3之间通过管道进行连接，太阳能加热装置4用于向释氧反应器3提供热量，吸氧反应器2的出口、蒸汽发生装置、发电装置之间通过管道依次连接在一起，释氧反应器3的出口和第一换热器6之间通过管道连接在一起；蒸汽发生装置上还设置有给水入口和贫氧空气排出口，第一换热器6上还设置有惰性气体入口和富氧气流出口。

本实施例中的太阳能加热装置4为塔式太阳能加热装置，塔式太阳能加热装置包括接收器、高温储热装置、热交换装置、给水泵、冷凝器等主要部件，其中热交换装置紧贴于释氧反应器3的外壁，以便向释氧反应器3提供热量。由于塔式太阳能加热装置属于现有技术，属于可在市场采购到的成熟产品，在此对其具体结构及连接关系不进行赘述。在其它实施例中可以根据需要选择其他形式的太阳能加热装置。

参见附图1所示，本实施例中的蒸汽发生装置为第二换热器7，发电装置包括汽轮机8和发电机9。当第二换热器7中通入给水，贫氧空气进入到第二换热器7中，并与给水换热，换热后的贫氧空气再排放至大气中，而给水加热后生成的水蒸气接着进入到汽轮机8中，进而带动发电机9发电。这样充分利用了贫氧空气换热的热量，实现了节能减排的作用。

继续参见附图1所示，在上述实施例的基础上，在另一改进的实施例中，还包括空气引风机1和惰性气体引风机5，空气引风机1用于向吸氧反应器2的入口通入空气，与吸氧反应器2中的低势氧载体发生氧化反应；惰性气体引风机5用于向第一换热器6通入惰性气体，与释氧反应器3所释放的富氧气体进行混合以及换热。这样设置，可以保证在整个使用过程中，有充足的空气和惰性气体进入到该新型化学链空分制氧体系中，保证反应的顺利进行。

本实用新型提供的太阳能供热的新型化学链空分制氧系统，通过添加太阳能加热装置4向释氧反应器3提供热量，使得释氧反应器3温度比吸氧反应器2 温度高50℃-100℃。这主要是为了维持吸氧反应器2中较低的氧分压以及释氧反应器3中较高的氧分压，进而获得目标氧气浓度的富氧气流；而且，释氧反应器3的平衡氧分压升高，需要的惰性气体的量将会减少；吸氧反应器2的平衡氧分压降低，需要空气的量将会减少，这进一步降低了空气引风机1和惰性气体引风机5的功耗。同时利用吸氧反应器2出口的贫氧空气对蒸汽发生装置中给水进行加热，产生水蒸气，将水蒸气通入汽轮机8推动发电机9产生电量，进而利用了吸氧反应器2释放的能量。

参考附图1的示意，采用本实施例中的太阳能供热的新型化学链空分制氧系统，进行化学链空分制氧，具体包括如下步骤：

S1、空气进入吸氧反应器2，与吸氧反应器2中的低势氧载体发生氧化反应，氧载体吸收空气中的氧成为高势氧载体；

S2、将步骤S2中的高势氧载体与贫氧空气进行分离(可采用旋风分离器进行分离)，贫氧空气通入蒸汽发生装置(也即附图1中的第二换热器7)中进行换热，高势氧载体通入释氧反应器3中进行还原反应并释放氧气；

S3、将步骤S2中换热后的贫氧空气排放至大气，并将蒸汽发生装置中生成的水蒸气通入发电装置用于发电(也即水蒸气进入到汽轮机8中，进而带动发电机9发电)；

S4、惰性气体经过第一换热器6通入到释氧反应器3中作为流化气；释氧反应器3中的氧载体所释放的氧气与惰性气体混合成为富氧气流，富氧气流通过第一换热器6并对第一换热器6入口处的惰性气体进行加热，最后通入到需氧设备中。

本实施例中，步骤S1中释氧反应器3和/或步骤S2中吸氧反应器2的反应温度区间为900℃-1050℃。在本实施例的基础上，在另一改进的实施例中，释氧反应器3温度比吸氧反应器2的反应温度高50℃-100℃。这主要是为了维持吸氧反应器2中较低的氧分压以及释氧反应器3中较高的氧分压，进而获得目标氧气浓度的富氧气流。

本实施例中的步骤S1和步骤S2中的氧载体为铜基金属氧化物CuO/Cu₂O。在其他的实施例中，也可以选用锰基金属氧化物Mn₂O₃/Mn₃O₄或钴基金属氧化物Co₃O₄/CoO或铜基金属氧化物CuO/Cu₂O中的任意一种或者两种及以上的混合物。

在上述实施例的基础上，在另一改进的实施例中，氧载体还搭包括作为载体的惰性金属氧化物，惰性金属化合物为SiO₂、ZrO₂和TiO₂中的一种或两种及以上的混合物。这样能提高氧载体的抗烧结能力。

在本实施例中，步骤S4中的惰性气体为水蒸气，水蒸气经过第一换热器6 通入到释氧反应器3中作为流化气；释氧反应器3中的氧载体所释放的氧气与水蒸气混合成为富氧气流，富氧气流再经过冷凝即可获得纯氧。在另一实施例中，步骤S4中的惰性气体为CO₂，释氧反应器3所释放的氧气在惰性气体换热器中与CO₂混合形成混合后形成氧气浓度为30％左右的富氧气流。

本实用新型的太阳能供热的新型化学链空分制氧方法，通过太阳能加热装置4向释氧反应器3提供热量，通过利用吸氧反应器2出口的贫氧空气对蒸汽发生装置中给水进行加热，产生水蒸气并通入到发电装置进行发电，充分利用了每个环节的能源，提高了能源利用率，避免了能源浪费。

实施例2

本实施例提供一种太阳能供热的新型化学链空分制氧系统的应用，包括如实施例1中所述的新型化学链空分制氧系统，还包括富氧燃烧系统和污泥/生物质干燥炭化单元，富氧燃烧系统包括通过管道依次连接的燃烧锅炉、烟气净化单元、尾气处理单元，污泥/生物质干燥炭化单元包括彼此连通的干燥单元和炭化单元；释氧反应器3与燃烧锅炉之间通过管道连通，释氧反应器3用于向燃烧锅炉提供富氧气体，太阳能加热装置4用于向炭化单元提供高温热能。

在现有技术中，污泥干化耦合发电技术是先利用饱和蒸气对湿污泥进行间接干燥，然后采用全封闭的干化污泥仓来存储，最后通过封闭式的皮带磨煤机进行掺混燃烧。主要采用生物质气化技术来进行生物质的处理，关键是气化炉系统。污泥和生物质的处理技术，前者需要利用宝贵的蒸气资源，生物质气化炉则存在投资成本和运行成本过高，能量利用不充分的缺点。

本实施例中，将化学链空分制氧系统、污泥/生物质的干燥炭化与富氧燃烧系统结合在一起，将炭化后的污泥/生物质送入富氧燃烧锅炉中进行掺烧，燃烧效率高，降低了能耗，且充分有效的利用了太阳能加热装置4提供的高温热能。

参见附图1的示意，本实施例中对污泥/生物质转入富氧燃烧锅炉掺混燃烧之前，首先对其进行干燥和炭化处理。本实施例中利用塔式太阳能加热装置4 来对污泥/生物质进行高温炭化。同时抽取一部分富氧燃烧锅炉产生的烟气作为流化气体，烟气通入污泥/生物质的干燥单元进行初步的干燥；之后烟气和干燥后的污泥/生物质通入炭化单元中，烟气与干燥炭化装置产生的可燃气体/生物质炭形成混合物流，混合物流通入富氧燃烧锅炉中进行燃烧，炭化后的污泥及生物质炭经粉碎后即可送入富氧燃烧炉膛中。在本实施例中，充分利用了太阳能加热装置4提供的高温热能干燥炭化污泥/生物质，并且炭化过程产生的可燃气体以及污泥/生物质粉渣都可以在富氧燃烧锅炉中进行处理，不存在污染环境的废气垃圾，在节约能源的同时还符合环保的要求。

以下结合附图1和附图2的示意，简要介绍本实施例中新型化学链空分制氧系统，还包括富氧燃烧系统和污泥/生物质干燥炭化单元的大致工作流程及各工艺参数。在本实施例中，氧载体优选采用CuO/ZrO₂，释氧反应器3温度为 1050℃，吸氧反应器2温度为950℃。空气通入吸氧反应器2中，与吸氧反应器 2中的低势氧载体Me发生氧化反应，低势氧载体吸收空气中的氧成为高势氧载体MeO，之后高势氧载体与贫氧空分分离，其中贫氧空气通入蒸气发生装置与给水换热，换热后的贫氧空气排放至大气中，给水加热后生成水蒸气通入到发电装置，即通过汽轮机8和发电机9来发电。高势氧载体MeO则通入释氧反应器3中，同时向释氧反应器3中通入富氧燃烧锅炉的循环烟气作惰性气体，高势氧载体MeO在1050℃温度条件下进行分解反应，产生氧气浓度为30％的富氧气流，之后富氧气流与入口循环烟气进行换热通入富氧燃烧炉膛。在运行期间，由塔式太阳能热利用装置为释氧反应器3提供热量，维持反应温度；同时塔式太阳能热利用装置还对污泥/生物质干燥炭化装置提供热能，使污泥/生物质在高温条件下发生炭化。

在上述实施例的基础上，在另一改进的实施例中，烟气净化单元的出口通过管道同时与干燥单元、尾气处理单元和释氧反应器3连通，炭化单元与燃烧锅炉之间通过管道连通，炭化单元中炭化后产生的可燃气体通入燃烧锅炉进行燃烧。也即，富氧燃烧锅炉产生的烟气经过烟气净化单元处理后分为三股：一股作为循环烟气通入释氧反应器3中作惰性气体，第二股烟气作为流化气体通入污泥/生物质干燥炭化装置，对污泥/生物质进行初步干燥以及携带生成可燃气体一起形成混合物流，最后通入富氧燃烧炉膛中，第三股烟气通入尾气处理单元，因为其组要成分是CO₂和H₂O，因此通过压缩冷凝装置即可分离水以获得高纯度的CO₂，完成对二氧化碳的捕捉和封存，降低温室效应。

在上述实施例的基础上，在另一改进的实施例中，烟气净化单元包括通过管道依次连接的过热器、再热器、脱硝反应器、除尘器。这样，从富氧燃烧锅炉产生的烟气经过过热器、再热器、脱硝反应器、除尘器的处理后，可以将烟气中的酸性物质、细小微尘等污染物去除。

在上述实施例的基础上，在另一改进的实施例中，尾气处理单元为碳捕集装置，可完成对二氧化碳的捕捉和封存。

本实用新型的太阳能供热的新型化学链空分制氧系统的应用，将化学链空分制氧系统与富氧燃烧系统和污泥/生物质干燥炭化单元结合在一起，不仅实现了为富氧燃烧系统供应氧气浓度较高的富氧气流，同时利用了太阳能加热装置生产的高温热能用于污泥/生物质的掺烧，充分利用了每个环节所产生的热能。

最后应当说明的是，以上实施例仅用于说明本申请的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明，所述领域的普通技术人员应当理解：本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或等同替换，但以上变更、修改或等同替换，均在本申请的待授权或待批准之权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1.一种太阳能供热的化学链空分制氧系统，其特征在于，包括吸氧反应器、释氧反应器、太阳能加热装置、蒸汽发生装置、第一换热器、发电装置，所述吸氧反应器和所述释氧反应器之间通过管道进行连接，所述太阳能加热装置用于向所述释氧反应器提供热量，所述吸氧反应器的出口、所述蒸汽发生装置、所述发电装置之间通过管道依次连接在一起，所述释氧反应器的出口和所述第一换热器之间通过管道连接在一起；所述蒸汽发生装置上还设置有给水入口和贫氧空气排出口，所述第一换热器上还设置有惰性气体入口和富氧气流出口。

2.根据权利要求1所述的太阳能供热的化学链空分制氧系统，其特征在于，还包括空气引风机和惰性气体引风机，所述空气引风机用于向所述吸氧反应器的入口通入空气，所述惰性气体引风机用于向所述第一换热器通入惰性气体。

3.一种综合能源利用系统，其特征在于，包括如权利要求1或2所述的化学链空分制氧系统，还包括富氧燃烧系统和污泥/生物质干燥炭化单元，所述富氧燃烧系统包括通过管道依次连接的燃烧锅炉、烟气净化单元、尾气处理单元，所述污泥/生物质干燥炭化单元包括彼此连通的干燥单元和炭化单元；所述释氧反应器与所述燃烧锅炉之间通过管道连通，所述释氧反应器用于向所述燃烧锅炉提供富氧气体，所述太阳能加热装置用于向所述炭化单元提供高温热能。

4.根据如权利要求3所述的综合能源利用系统，其特征在于，所述烟气净化单元的出口通过管道同时与所述干燥单元、所述尾气处理单元和所述释氧反应器连通，所述炭化单元与所述燃烧锅炉之间通过管道连通，所述炭化单元中炭化后产生的可燃气体通入所述燃烧锅炉进行燃烧。

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