WO2023226334A1 - 一种耦合新能源发电的生物质梯级热解储能方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种耦合新能源发电的生物质梯级热解储能方法及装置，涉及新能源储能技术领域，解决了当前风、光等新能源发出的电能无法被电网及时消纳的技术问题。其技术方案要点是以廉价且清洁安全的生物质为储能介质，通过梯级热解储能系统将多余的不稳定电能转化为生物质热解产物中易于储存的液态和固态化学能；并根据使用需要，进一步转化为用于发电的清洁燃料，或对外输出的可再生化学品，以实现新能源发电系统的持续稳定输出。且该梯级热解储能系统根据"能级匹配"的原则，充分回收利用热解过程中产生的电能、高温热能和低温热能，实现系统能源利用效率的最大化。
Description
本申请涉及新能源储能技术领域，尤其涉及一种耦合新能源发电的生物质梯级热解储能方法及装置。
人类科技的迅猛发展伴随着与日俱增的化石能源需求，但化石能源的使用不仅潜在着能源枯竭的隐忧，其过度开发利用还导致了日益严重的环境污染。出于能源安全和可持续发展的需求，推动可再生能源发展、改善现有能源结构成为各国政府近年来不懈努力的目标。进入新世纪以来，我国可再生能源发电量稳步增长。至2021年，我国全年风力发电量高达6526亿千瓦时，约占当年全社会总用电量的7.9％；光伏发电量3259亿千瓦时，约占全社会总用电量的3.9％。但风能和太阳能的随机性和波动性导致新能源电力输出在功率和频率上不断波动。较低的电力品质对电网的灵活性和安全稳定运行提出了较高的要求。同时，电力的使用存在谷峰现象，很难与新能源发电时序上匹配。最终导致新能源发电往往因电力需求和电网运行安全的考虑，未能被及时消纳而白白浪费。
为应对新能源发电大规模接入可能对电网造成的冲击，一方面需要传统发电方式如火电和水电等发挥基石作用，参与联合调峰；更重要的是引入储能技术，增加电力供应端柔性。常见的储能方式，如专利CN 110492188 A所述电化学储能、专利CN 112523918 A所述抽水蓄能、专利CN 212671885 U所述压缩空气储能等。但对于较大规模的风电、光伏新能源基地，以上技术均存在一定的技术性困难。如，电化学储能成本较高、使用寿命较短、潜在火灾风险，抽水蓄能效率不高、受地理区位限制明显，压缩空气储能需配置散热系统，等。现有方案的不足对低廉、可靠、适应性强的新型储能方式提出了急迫需求。
值得注意的是，我国分布着资源量大、价格低廉的生物质资源。热解是一种常见的生物质利用方式，其在惰性气氛下利用热能切断生物质大分子化合物的化学键，进而将生物质资源转化为蕴含化学能的热解焦、生物油、热解气等产品。如何将生物质热解技术引入储能领域，利用新能源发电驱动生物质热解，将无法消纳的电能以稳定化学能的形式存储于热解产品中，进而根据需要向电网提供稳定可控的电能，以实现新能源发电的稳定可控持续输出，减小对电网的冲击，或转化为可再生化学品对外输出，为新能源的消纳提供一条更为可行的技术路线，是亟需解决的问题。
发明内容
本申请提供了一种耦合新能源发电的生物质梯级热解储能方法及装置，其技术目的是通过生物质热解技术实现对新能源发电产生的多余不稳定电能的存储和利用。
本申请的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种耦合新能源发电的生物质梯级热解储能装置，包括进料系统、梯级热解系统、 后处理系统和输出系统；
所述进料系统包括依次连接的生物质料仓、输料装置、第一锁气器和第二锁气器；
所述梯级解热系统包括低温热解装置和高温热解装置；所述低温热解装置连接有导热油储箱。
所述后处理系统主要包括冷凝系统、发电系统和尾气处理装置；
所述输出系统主要包括高温储仓、低温储仓，根据最终目的的不同，可增配多种设备。当以实现新能源发电电能的稳定输出为目的时配有混合装置，当以消纳多余新能源电能为目的时配有制氢装置等；
所述储能装置各系统运行所需的电能由新能源发电系统提供，具体包括各系统运行所需机械能、热能和电能；
所述进料系统的第二锁气器与所述低温热解装置的入口连接；所述低温热解装置的低温热解焦出口与所述高温热解装置的入口连接、低温热解气出口与所述冷凝系统的入口连接；
所述低温热解装置以导热油加热方式热解，高温热解装置以微波方式热解。低温热解装置外壳带夹套层、输料螺旋为中空结构，均用于通入循环导热油。高温热解装置外壳带保温层，由嵌入外壳的微波发生器对低温热解装置送来的预热解焦进行深度热解，高温热解装置出口连接输出系统的高温储仓，所述高温储仓的出口与所述低温储仓的入口连接。
所述冷凝系统包括第一气液换热器、第二气液换热器、喷淋塔换热器和储气罐；所述发电系统包括增压风机、内燃机和发电机；所述第一气液换热器的出口与所述喷淋塔换热器的入口连接；所述喷淋塔换热器的底部液体出口与输出系统连接、顶部气体出口与所述储气罐的入口连接；所述储气罐的出口与所述增压风机的入口连接；所述增压风机的出口与所述内燃机连接；所述内燃机与所述发电机连接；所述发电机供电给所述高温热解装置；
进一步地，所述低温热解装置的低温热解气出口与所述喷淋塔换热器或第二气液换热器的入口连接；
进一步地，所述高温热解装置的高温热解气出口与所述第一气液换热器的入口连接；
进一步地，所述内燃机尾气依次流经所述低温热解装置、所述生物质料仓，以回收尾气中的热能，最后经所述尾气处理装置后排出；
进一步地，所述高温储仓的高温热源回收用于低温热解装置所需，低温储仓的低温热源回收用于生物质料仓中生物质原料的干燥和预热；
进一步地，所述第一气液换热器回收的热能依次流经所述导热油储箱和所述生物质料仓；
进一步地，所述低温储仓和所述喷淋塔换热器回收的热能均流向所述生物质料仓；
进一步地，所述新能源发电系统包括风能发电系统和光伏发电系统。
当以实现新能源发电电能的稳定输出为目的时：冷凝系统补集的生物油，进一步输入混合装置与来自低温储仓的热解焦搅拌混合配置成浆液燃料，将不稳定的新能源电力 转化为火电机组发电可用清洁燃料中的稳定化学能。进一步根据需要转化为向电网稳定输出的可控电能，以实现新能源发电的稳定持续输出。低温热解气和高温热解气经冷凝和气体净化后，暂存入储气罐。根据系统运行所需，储气罐储存的热解气可通入内燃机发电系统，产生的电能用于高温热解装置中的微波供能，尾气中的热能合并冷凝系统吸收的高温热能用于补充低温热解装置中导热油储箱所需热能，换热后剩余的低温热源同样用于生物质料仓中生物质原料的干燥和预热。根据能级匹配的概念、依据能源品质的高低，将电能、高温热能和低温热能分别收回、合理利用，实现梯级热解系统中能量的梯级回收利用。
当以消纳多余新能源电能为目的时：高温热解气依次经过高温、中温、低温三级冷凝装置后暂存入储气罐，而低温热解气则从中温级冷凝装置接入系统。低温冷凝装置(即第一气液换热器)中的轻质生物油含氧量含水率较高，经过滤、精馏后可作为农作物用“木醋液”或进一步加氢制得含氧燃料；中温冷凝装置(即第二气液换热器)中的生物油含氧量和含水率较低，少量加氢后制备为芳烃燃料。所需氢气均来源于由新能源电力驱动的电解水装置。高温冷凝装置(即喷淋塔换热器)中的重质生物油流动性较差、但含碳率高、灰含量低，经活化碳重组后可制备成高品质电化学用碳。而低温储仓中的热解焦通常具有适中比表面积，可直接用作还田生物炭或进一步活化后作为吸附用多孔炭。
一种耦合新能源发电的生物质梯级热解储能装置的储能方法，包括：
(1)装置启动阶段，通过新能源发电系统提供的电能预热低温热解装置和高温热解装置，以电加热的方式将导热油储箱加热至250-500℃；
(2)生物质料仓中的生物质原料经过输料装置输送至低温热解装置中进行预热解，由导热油储箱的循环导热油提供预热解所需热源；
(3)低温热解装置中的预热解焦随后进入高温热解装置深度热解，深度热解温度约为500-700℃，高温热解装置所需电能由新能源发电系统提供；
(4)高温热解气和低温热解气经冷凝分离出生物油后存入储气罐；待储能装置稳定运行后，根据需要将储气罐通入燃烧器中燃烧，以补充低温热解装置和高温热解装置所需的热能和电能；同时从产物中回收热能，根据温度高低不同，分别补充低温热解装置和生物质料仓所需。
本申请的有益效果在于：
(1)本申请创造性地将生物质热解技术引入到新能源储能技术中，利用新能源发电驱动生物质热解，将无法消纳的多余电能转化为稳定的化学能，存储于热解产品中。
(2)本申请所用储能介质为生物质，相比于其他储能形式，具有价格低廉、清洁安全、使用方便等优势。
(3)本申请所述热解方式为低温和高温两段热解组成的梯级热解方式。低温热解装置采用热能加热、传热温差较大、所需换热面积小；高温热解装置采用微波加热、加热便捷迅速，相对于常规热解装置，其结构紧凑、启停方便。
(4)本申请所述低温热解装置采用导热油供热，控温准确；所述外壳带有夹套层、输料螺旋为中空结构，内外同时加热，提升低温加热速率；通过低温预热解作用，除去 不易成碳的高含氧组分，节省全过程加热能耗。高温热解装置采用微波供热，加热方式为自内向外，外壳仅需包裹保温层，无需设置外壳加热层，降低设备成本。
(5)本申请所述的梯级热解方式根据能级匹配的概念，依据能量品质的高低实现了热解系统中能量的阶梯状回收利用，提高了热解系统整体效率。热解气中的化学能转化为电力，补充高温热解装置微波供能所需；尾气及产物中的高温热能回收进入导热油储箱，补充低温热解装置所需；尾气及产物中的低温热能进入生物质料仓，用于生物质原料的干燥和预热。
(6)相比于传统储能方式单一化的用途，本申请用于储存化学能的生物质热解产品用途多样化，即可配制成清洁燃料供燃烧发电使用，又可进一步转化为可再生化学品。
图1为本申请实施例一的结构示意图；
图2为本申请实施例二的结构示意图；
图3为本申请实施例三的结构示意图；
图中：1-生物质料仓；2-输料装置；3-第一锁气器；4-第二锁气器；5-低温热解装置；6-导热油储箱；7-高温热解装置；8-高温储仓；9-低温储仓；10-第一气液换热器；11-喷淋塔换热器；12-储气罐；13-增压风机；14-内燃机；15-发电机；16-尾气处理装置；17-混合装置；18-电解水装置；19-第二气液换热器；20-夹套层；21-低温输料螺旋；22-保温层；23-高温输料螺旋；24-微波发生器。
下面将结合附图对本申请技术方案进行详细说明。
作为优选方案的实施例1，如图1所示，目标在于将不稳定的新能源发电转化为稳定的清洁燃料，进一步用作火力发电燃料，以实现新能源发电的稳定持续输出。
实施例1包括进料系统、梯级热解系统、后处理系统和输出系统三部分。进料系统包括生物质料仓1、输料装置2、第一锁气器3和第二锁气器4，生物质料仓1出口连接输料装置2入口，输料装置2出口连接第一锁气器3入口，第一锁气器3出口连接第二锁气器4入口，第二锁气器4出口连接低温热解装置5入口。
梯级热解系统包括低温热解装置5、导热油储箱6、高温热解装置7和热解焦储仓(8和9)。所述低温热解装置5的外壳带夹套层，沿中轴线设有的输料螺旋为中空结构。夹套层和输料螺旋均与导热油储箱6相连，通入循环导热油以提供低温热解所需热量。外壳与输料螺旋间筒状空间为物料层。低温热解装置5外壳进口端连接第二锁气器4，外壳出口端有上下两个出口，上方开口为低温热解气出口，下方开口连接高温热解装置7入口，用于排出低温预热解焦。高温热解装置7的外壳带保温层，外壁面嵌入微波发生器，沿中轴线设有输料螺旋，用于推动热解物料前进。高温热解装置7外壳出口端同样开有上下两个出口，上方出口为高温热解气出口与第一气液换热器10连接，下方出口连接热解焦储仓(高温储仓8)，用于排出热解焦。输出系统包括高温储仓8、低温储仓9和混 合装置17。高温储仓8用于存储高温热解装置送来的热解焦，使用内部通以循环氮气作为换热介质，将高温热解焦中的高温热能回收传递给导热油储箱6中的导热油。待热解焦降低至适宜温度，由高温储仓8排入低温储仓9。低温储仓9采用空气降温，使用后的空气输入生物质料仓1，用于生物质原料的干燥和预热。
导热油储箱的热源来自于新能源发电系统电能、发电系统尾气热能以及冷凝系统和高温储仓8回收的高温热能。
后处理系统包括冷凝系统和发电系统。如图1所示冷凝系统为两级冷凝装置，由第一气液换热器10、喷淋塔换热器11和储气罐12组成。第一气液换热器10液体侧连接导热油储箱6，气侧进口连接高温热解气，将高温热解气中的热量回收用于低温热解装置5热源；气侧出口与低温热解气一同进入喷淋塔换热器11左侧气体入口。喷淋塔换热器11底部设有液体出口，气体出口位于顶部，内部设有喷淋层，顶部设有气体过滤装置；气体流向与喷淋液相反，增强冷凝补集效果，冷凝后剩余的不可凝热解气经过滤净化后暂存入储气罐12。所述发电系统包括增压风机13、内燃机14和发电机15。储气罐12中的清洁热解气根据系统需要进入内燃机14燃烧发电，产生的电力用于补充高温热解装置7微波供能所需。发电机15排出的尾气先经过导热油箱6，将高温尾气中的热能回收传递给导热油储箱6中的导热油；换热后的烟气通入生物质料仓1，用于生物质原料的干燥和预热，最后经尾气处理装置16处理后排空。所述输出系统中的混合装置17用于接收低温储仓9的热解焦和喷淋塔换热器11冷却的生物油，将两者混合搅拌均匀后配置成浆液燃料，根据系统需要作为清洁燃料供火电机组使用，以实现新能源发电的持续稳定输出，减小对电网的冲击。
实施例1的具体工作流程如下：
装置启动阶段，在新能源发电系统电力的驱动下，输料装置2将生物质料仓1中的原料经由第一锁气器3和第二锁气器4送入低温热解装置5。通过低温预热解作用，除去不易成碳的高含氧组分，节省全过程加热能耗。低温热解过程采用导热油供热，控温准确，所需热能由新能源发电系统产生的电力加热导热油储箱6所得，导热油温度控制在250-500℃；低温预热解焦随后进入高温热解装置7，进行深度热解，所得热解焦经出料口进入高温储仓8。
高温热解气先经过第一气液换热器10回收高温热能用于低温热解装置5，随后与低温热解气混合进入喷淋塔换热器11，冷凝回收生物油。冷凝后剩余的不可凝热解气过滤后暂存入储气罐12，根据系统所需进入发电装置产生电能用于补充高温热解装置7所需。产生的尾气先将高温热能回收用于低温热解装置5，随后将低温热能用于生物质料仓1中生物质原料的干燥和预热。所述热解焦储仓采用同样原理回收热量，将高温储仓8中的高温热能回收用于低温热解装置5，低温储仓9中的低温热能回收用于生物质料仓1中生物质原料的干燥和预热。通过这种方式实现了热解系统中能量的梯级回收利用。根据能源品质的高低顺序，最高品质的电能用于补充高温微波热解供能，高温热能用于低温预热解，最低品质的低温热能用于原料的干燥，充分体现了能级匹配的原则，提高了能源回收利用效率。
降温后的热解焦和生物油输入混合装置17，混合搅拌均匀后配置成浆液燃料。最终，将新能源发电系统产生的不稳定电能转化为浆液燃料中稳定的化学能，进一步可供火电机组使用，以实现稳定连续可控电能的输出。
作为优选方案的实施例2，如图2所示，目的在于将无法消纳的不稳定的多余新能源发电转化为可再生化学品。
实施例2同样包括进料系统、梯级热解系统和后处理系统三部分。所述进料系统和梯级热解系统与实施例1相同，不同之处在于实施例2中后处理系统包含的冷凝系统采用三级冷凝装置(10、19和11)；输出系统不包含混合装置17，但增加电解水装置18。
如图2所示，冷凝系统由第一气液换热器10、第二气液换热器19、喷淋塔换热器11和储气罐12组成。高温热解装置7产生的高温热解气依次通过第一气液换热器10、第二气液换热器19和喷淋塔换热器11；低温热解装置5产生的低温热解气从第二气液换热器19接入冷凝系统，经过三级冷凝装置分别获得高温、中温和低温生物油。第一气液换热器10的换热量用于加热导热油供低温热解装置5使用，第二气液换热器19和喷淋塔换热器11的换热量则用于生物质料仓1中生物质原料的干燥和预热。冷凝后剩余的不可凝热解气同样经过滤净化后暂存入储气罐12，根据系统需要送入发电系统。电解水装置18产生氢气，供中温生物油加氢用，所需电能由新能源发电系统提供。
实施例2的具体工作流程如下：
进料系统、梯级热解系统的具体工作流程与实施例1完全相同。
后处理装置的具体工作流程为：高温热解气依次通过第一气液换热器10、第二气液换热器19和喷淋塔换热器11，低温热解气从第二气液换热器19接入冷凝系统，经过三级冷凝装置依次获得高温、中温和低温生物油。高温生物油流动较差、但含碳量较高杂质较少，可用于后续制备电化学用高品质活性炭；中温生物油以酚类化合物为主，含氧量较低、流动性较好，经过少量加氢后，可用于制备高能量密度芳烃燃料。所需氢气由电解水装置18制得；低温生物油以小分子含氧化物为主，可用作农用木醋液，起到生态农药、土壤调理剂和辅助叶面肥的作用。低温储仓9中的热解焦孔隙率较高、且保留了生物质中大部分的微量元素，可直接作为生物炭还田或用作吸附领域用多孔碳。
通过这种途径，最终将新能源发电系统产生的不稳定电能转化为对外输出的多种高价值化学品，实现了储存化学能的资源化利用。
作为优选方案的实施例3，如图3所示，目的同样在于将无法消纳的不稳定的多余新能源发电转化为可再生燃料和化学品。
实施例3同样包括进料系统、梯级热解系统和后处理系统三部分。所述进料系统和梯级热解系统与实施例1相同，不同之处在于实施例3中后处理系统中电解水装置18产生的氢气同时供给中温和低温生物油加氢。中温生物油以经过少量加氢后制得高能量密度芳烃燃料；低温生物油经加氢后制得小分子含氧燃料，可作为多种动力机械清洁燃料，有效降低燃烧过程碳烟排放。
以上方案通过梯级热解的方式将新能源发电系统产生的不稳定电能转化为生物质热解产物中储存的稳定化学能。并通过进一步的转化可实现存储化学能的资源化或能源化 利用。需要说明的是，上述实施例1、2和3仅为本发明的优选实施方式，应当指出：对于相关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下做出的若干改进，这些非创造性的改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
- 一种耦合新能源发电的生物质梯级热解储能装置，其特征在于，包括进料系统、梯级热解系统、后处理系统和输出系统；所述进料系统包括依次连接的生物质料仓、输料装置、第一锁气器和第二锁气器；所述梯级解热系统包括低温热解装置和高温热解装置；所述低温热解装置连接有导热油储箱；所述后处理系统包括冷凝系统、发电系统和尾气处理装置；所述输出系统包括但不限于高温储仓和低温储仓；所述储能装置各系统运行所需的电能由新能源发电系统提供，包括各系统运行所需机械能、热能和电能。
- 如权利要求1所述的储能装置，其特征在于，所述进料系统用于将生物质原料输送至所述低温热解装置，所述第二锁气器与所述低温热解装置的入口连接。
- 如权利要求1所述的储能装置，其特征在于，所述低温热解装置外壳带夹套层，其沿中轴线设有低温输料螺旋；所述外壳进口端连接所述第二锁气器，出口端开有上方出口和下方出口，上方出口为低温热解气出口并与所述冷凝系统的入口连接；下方出口为低温热解焦出口并连接高温热解装置的入口；所述低温输料螺旋和所述夹套层均为中空结构，所述低温输料螺旋和所述夹套层的两端分别与导热油储箱的出入口连接，用于通入循环导热油。
- 根据权利要求1所述的储能装置，其特征在于：所述导热油储箱的热源来自于新能源发电系统电能、后处理系统发电机尾气以及冷凝系统和高温储仓回收的高温热能。
- 如权利要求1所述的储能装置，其特征在于，所述高温热解装置的外壳带保温层，外壁面嵌入有微波发生器，其沿中轴线设有高温输料螺旋；所述微波发生器所需电能由后处理系统的发电机和所述新能源发电系统提供；所述外壳进口端连接所述低温热解装置下方的低温热解焦出口，出口端设上方出口和下方出口，上方出口为高温热解气出口，与所述冷凝系统的入口连接；下方出口为热解焦出口，连接所述高温储仓。
- 如权利要求1所述的储能装置，其特征在于，所述冷凝系统包括第一气液换热器、第二气液换热器、喷淋塔换热器和储气罐；所述发电系统包括增压风机、内燃机和发电机；所述低温热解装置的低温热解气出口与所述喷淋塔换热器或所述第二气液换热器的入口连接；所述高温热解装置的高温热解气出口与所述第一气液换热器的入口连接；所述气液换热器的出口与所述喷淋塔换热器的入口连接；所述喷淋塔换热器的底部液体出口用于输出冷凝后的生物油、顶部气体出口与所述储气罐连接；所述储气罐出口与所述增压风机入口连接；所述增压风机出口与所述内燃机连接；所述内燃机与所述发电机连接；所述发电机供电给所述高温热解装置；所述内燃机尾气依次流经所述低温热解装置和所述生物质料仓，以回收尾气中的热能，最后经所述尾气处理装置处理后排出；所述第一气液换热器回收的热能依次流经所述导热油储箱和所述生物质料仓。
- 如权利要求1所述的储能装置，其特征在于，所述高温储仓回收的高温热能流向所述导热油储箱和所述生物质料仓，所述高低温储仓回收的低温热能流向所述生物质料仓。
- 如权利要求1所述的储能装置，其特征在于，所述新能源发电系统包括但不仅限于风能发电系统和光伏发电系统。
- 一种通过权利要求1-8任一所述的耦合新能源发电的生物质梯级热解储能装置的储能方法，其特征在于，包括：(1)装置启动阶段，通过新能源发电系统提供的电能预热低温热解装置和高温热解装置，以电加热的方式将导热油储箱加热至250-500℃；(2)生物质料仓中的生物质原料经过输料装置输送至低温热解装置中进行预热解，由导热油储箱的循环导热油提供预热解所需热源；(3)低温热解装置中的预热解焦随后进入高温热解装置深度热解，深度热解温度约为500-700℃，高温热解装置所需电能由新能源发电系统提供；(4)高温热解气和低温热解气经冷凝分离出生物油后存入储气罐；待储能装置稳定运行后，根据需要将储气罐通入燃烧器中燃烧，以补充低温热解装置和高温热解装置所需的热能和电能；同时从产物中回收热能，根据温度高低不同，分别补充低温热解装置和生物质料仓所需。
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