技术领域
[0001] 本
发明涉及
能源技术领域，特别是一种低CO2排放的太阳能与甲醇互补的
热力循环系统及方法。
背景技术
[0002] 目前与本发明相关的技术主要包括中低温太阳能利用技术以及能源系统中CO2的分离技术，其各自技术的发展状况及特征如下：
[0003] 1.中低温太阳能利用技术
[0004] 鉴于化石能源的有限性及其利用过程中产生污染的严重性，对新型洁净能源(如太阳能、
风能、
地热能等)的有效利用成为可持续发展的一个重要方面。近年来，太阳能以其独具的储量无限性、存在的普遍性、开发利用的清洁性以及逐步提升的经济性等优势获得广泛关注，成为解决能源短缺、环境污染和
温室效应的有效途径之一。
[0005] 当前，太阳能利用技术的主要发展方向是太阳能光电转化和光热转化，其中光热转化的太阳能热动力发电又是未来二三十年最具吸引力的
太阳能技术。但是一方面太阳能
能量密度低、
时空分布不连续，需配置庞大而昂贵的蓄能装置；另一方面太阳能集热效率随着集热
温度增加而减小，而动力循环热转功效率的增长又需要以工质初温的提高为
基础，这一矛盾使太阳能热发电效率难以提高(现仅10％左右)，也由此造成了较高的太阳能发电成本，严重制约了光热发电大规模发展和工程应用。目前太阳能热发电技术以及新兴的热
化学能量转换技术(如
天然气重整的热化学能量转化系统等)研究多集中在高温太阳热能的转化和利用，且多为高温集热和热化学转换等部件性能的提高和相关新材料的研发。1000℃以上的高温集热无不以设备复杂、投资成本高和光热转换效率低为代价。相对而言，当前150～350℃的中低温太阳能热利用技术以其良好的集热性能和经济简单的集热装置获得大规模商业化。这个温度范围的集热器，聚光比低，集热性能良好，集热效率一般能达到60％以上，有效避免了高温太阳能能量转化系统的高成本代价。然而，工质的温度越低，实现热功转换越难，目前对中低温热能的直接利用尚缺乏行之有效的技术。而常规能源利用系统技术和工艺已日臻完善，如先进的联合循环工质初温已达1600℃。设想太阳能等
可再生能源如果得以在常规能源系统中实现能量转换和释放，不但可以替代部分化石能源消耗，减少相应的污染物排放，更将极大地提高可再生能源能量释放品位和热转功效率，同时缓解其不稳定、不连续的供给难题。中低温太阳能和化石
燃料的互补
梯级利用有望为同时解决太阳能能量转化效率低和实现
化石燃料的清洁利用提供一条全新的途径。
[0006] 多能源互补系统中，中低温太阳能可以和热力系统中某些物理吸热过程相集成(热集成)，如
蒸发过程、回热过程；也可以和某些吸热化学反应相集成(热化学集成)，如
热解反应和重整反应等。前者如N.Lior和K.Koai提出的
蒸汽朗肯循环互补系统，低温段工质
水吸收约100℃太阳能热量蒸发，高温段化石燃料燃烧提供热量使蒸汽
过热，形成不同热源在不同温度段的匹配利用，太阳能热输入份额高达80％，系统热效率可达18％。后者如H.Hong和H.Jin提出的一种中低温太阳能与化石燃料热化学互补的联合循环系统，利用甲醇燃料在中低温条件下的热解特性，以200～300℃的太阳能驱动甲醇热
解吸热反应，生成以H2和CO为主要成分的
合成气，从而使低品位太阳能转化为高品位合成
气化学能；合成气驱动燃气/蒸汽联合循环做功，实现了中低温太阳能品位的提升和其在动力系统中的高效转化。其案例分析中，太阳能热输入比例为18％，太阳能发电净效率和系统 效率分别达到35％和60.7％，但该计算忽略了透平
叶片冷却影响。又如N.Zhang提出的一种太阳能品位间接提升的系统，中低温太阳能首先通过热集成提供甲烷重整反应所需蒸汽的气化
潜热，所产生的蒸汽再与甲烷发生高温重整反应，在热化学反应中，低品位太阳能以蒸汽内能为载体，转化为高品位合成气化学能，实现了品位的间接提升，之后合成气驱动燃气循环做功，最终实现了太阳能的高效热功转换。与常规化学回热循环相比，化石能源节约率达20％～30％。
[0007] 2.能源系统中CO2的分离技术
[0008] 能源系统集成CO2分离过程的主要方式可以根据CO2分离过程在系统中的
位置(或者说分离点)的不同分为“燃烧前分离”、“燃烧中分离”、“燃烧后分离”以及“
化学链燃烧”等四类。
[0009] 1)燃烧前分离
[0010] 该技术是利用合适的
碳转化方法将碳基燃料转化为合成气(主要成分为CO和H2)，进一步通过变换反应将合成气中的CO转化为CO2和H2，再通过分离工艺将CO2分离出来，可得到较洁净的富氢燃料气。由于CO2分离是在燃烧过程前进行的，待分离合成气中的CO2浓度较高，分离能耗相对燃烧后有所降低。但燃料化学能降低，通常燃烧前分离的动力发电系统热转功效率下降7～10个百分点。
[0011] 2)燃烧中分离
[0012] 该技术是利用空分系统制取富
氧或纯氧气体，然后将燃料与氧气一同输送到专
门的纯氧燃烧炉进行燃烧，生成烟气的主要成分是CO2和水蒸气。燃烧后的部分烟气重新回注燃烧炉，一方面降低燃烧温度；另一方面进一步提高尾气中CO2
质量浓度，一般可达95％以上，由于烟气的主要成分是CO2和H2O，可不必分离而直接加压
液化回收处理。但是分离O2时需要耗费巨量的电功，空分单元的耗功，使系统出功减少0.22～0.25kWh/kg O2左右。
[0013] 3)燃烧后分离
[0014] 燃烧后分离CO2是最常见也是最容易想到的分离措施，因为燃烧后的烟气的CO2浓度一般都较低，一般采用化学吸收法进行分离，由于尾气中除了CO2
酸性气体外还有氮和硫的氧化物以及金属污染物，给后面的吸收带来了很大麻烦。且分离CO2浓度低，处理尾气量大，分离CO2能耗对系统性能的影响非常大，一般使系统效率下降10～15％；
[0015] 4)化学链燃烧
[0016] 该技术包括两个连续的
氧化还原反应，在还原反应过程中，燃料和金属氧化物发生反应，生成金属的同时燃料被氧化为CO2和H2O；在氧化反应中金属与空气反应重新生成金属氧化物，其过程具有天然分离二氧化碳的优势，也就是燃烧产物只需要简单的冷却混合物中的水就可以分离二氧化碳，不需要额外的分离能耗。在燃烧过程中也体现了比一般燃烧过程燃烧不可逆损失小的特点。
发明内容
[0017] (一)要解决的技术问题
[0018] 本发明的主要目的是提供一种低CO2排放的太阳能与甲醇互补的热力循环系统及方法，以实现中低温太阳热能高效转换以及和化石燃料互补的综合梯级利用，并以低能耗代价实现CO2的分离。
[0019] (二)技术方案
[0020] 为实现上述目的，本发明提供了一种低CO2排放的太阳能与甲醇互补的热力循环系统，该系统包括：
[0021]
压气机1，用于将空气S1升压至Brayton循环的最高压力，形成压缩空气S2输出给
燃烧室2；
[0022] 燃烧室2，用于合成气S9和压缩空气S2发生燃烧反应，得到高温燃气S14，输出给燃气透平3；
[0023] 燃气透平3，用于高温燃气S14进行膨胀做功，输出给三压再热
锅炉10；
[0024]
太阳能集热器4，用于聚集所需的中低温太阳能，并输出给太阳能接收反应器5；
[0025] 太阳能接收反应器5，用于利用太阳能集热器4聚集的太阳热能，使甲醇燃料S3与饱和水S13在一定的压力下进行化学重整反应；
[0026] 换热器6，用于利用重整反应得到的合成气S4对水S12及脱除CO2的清洁燃料气S8进行预热，将富含CO2的合成气S5输出给
冷凝器7；
[0027] 冷凝器7，用于将富含CO2的合成气S5冷却至要求温度，输出给脱水单元8；
[0028] 脱水单元8，用于将合成气S6中的冷凝水脱除，输出给CO2物理吸收单元9；
[0029] CO2物理吸收单元9，用于将合成燃料气S7中的CO2分离，输出给换热器6，换热器6将合成气S9输出给燃烧室2；
[0030] 三压再热锅炉10，用于由烟气S15供热，完成不同压力给水的预热、蒸发、过热过程；
[0031] 蒸汽透平11，用于
余热锅炉产生的
过热蒸汽S19膨胀做功；
[0032] 冷凝器12，用于将蒸汽透平排汽S20冷凝至饱和水S17状态，以便循环利用；
[0033]
泵13，用于将水S17升压至所需压力；
[0034] 发
电机(14、15)，用于分别与燃气及蒸汽透平连接，将透平产生机械功转化为
电能输出。
[0035] 上述方案中，所述重整反应器5所需热量由太阳能集热器4提供，进口与余热锅炉10相连接，出口连接换热器6。
[0036] 上述方案中，所述换热器6热侧进口与重整反应器5连接，热侧出口连接冷凝器7，冷侧进口分别与脱水单元8、CO2吸收单元9连接，冷侧出口分别连接余热锅炉10、燃烧室2。
[0037] 为实现上述目的，本发明还提供了一种低CO2排放的太阳能与甲醇互补的热力循环系统的方法，包括：
[0038] 饱和水S13与甲醇燃料S3混合进入太阳能接收反应器，以中低温太阳能为热源，加热至反应床温度，过热的气态混合物继续吸收太阳热能，催化重整为富含CO2和H2的合成气，经过换热器6及冷凝脱水后的合成燃料气S7进入CO2吸收单元9，95％的CO2在物理吸收单元中被分离，所捕集的CO2气体经三级间
冷压缩后，冷凝至液态S21被运输、
封存；脱除CO2的清洁燃料气S8预热后与压缩空气S2在燃烧室燃烧生成高温燃气S14，在
燃气轮机中膨胀做功，燃气轮机排烟S15与三压再热蒸汽底循环组成余热锅炉联合循环，实现热功转换；余热锅炉排烟以100℃排入环境。
[0039] 上述方案中，重整反应的水S12一部分来自于合成气S4的冷凝水S10，剩余部分由补水补充S11，先在换热器6中由合成气S4加热至饱和水态，后进入重整反应器5，由太阳能集热器4供热，与甲醇燃料S3发生重整反应。
[0040] 上述方案中，换热器6的冷侧布置了
脱碳后的
燃料气体S8与重整反应用水S12两股物流。
[0041] 上述方案中，蒸汽透平11中高压缸出口气体部分用于燃气透平3冷却，部分在余热锅炉10中再热，被加热的冷却用蒸汽与再热蒸汽混合，进入中压缸继续膨胀做功。
[0042] (三)有益效果
[0043] 从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
[0044] 本发明提供的这种低CO2排放的太阳能与甲醇互补的热力循环系统及方法，利用中低温太阳能提供甲醇/水蒸气重整的反应热，将燃料转化为以H2和CO2为主要成分的合成气，从而使低品位太阳能转化为合成气化学能；由于合成气自身的组成特点，适合先将其进行CO2分离，后作为动力单元的燃料，以达到环保的目的；太阳能的引入，降低了燃烧损失，不但节约了化石能源，而且以低能耗代价实现CO2的减排，并实现了中低温太阳能高效热功转换和与化石燃料的互补利用，具有很好的应用前景。
[0045] 另外，太阳能的引入与CO2分离的结合，减少了化石能源消耗，实现了燃料的清洁利用。与常规联合循环相比，本发明中太阳能净转功效率为16.8％，系统当量 效率为55.1％，比常规联合循环高1个百分点，化石燃料节约率达到11.8％，以低能耗代价实现CO2的减排，节约了化石燃料并实现了中低温太阳能的高效热功转换和与化石燃料的互补利用。
附图说明
[0046] 图1是本发明提供的低CO2排放的太阳能与甲醇互补的热力循环系统的示意图。
具体实施方式
[0047] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体
实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
[0048] 本发明提供了一种低CO2排放的太阳能与甲醇互补的热力循环系统及方法，将太阳能品位提升与高效联合循环系统相结合，中低温太阳能首先提供甲醇/水蒸气重整的反应热，将燃料转化为以H2和CO2(H2与CO2摩尔比接近3∶1)为主要成分的合成气，从而使低品位太阳能转化为合成气化学能；再通过吸收单元实现CO2的分离；经过脱碳的清洁燃料最终在高效联合循环中实现热功转换。
[0049] 如图1所示，本发明提供了一种低CO2排放的太阳能与甲醇互补的热力循环系统，包括：压气机1，用于将空气S1升压至Brayton循环的最高压力，形成压缩空气S2输出给燃烧室2；燃烧室2，用于合成气S9和压缩空气S2发生燃烧反应，得到高温燃气S14，输出给燃气透平3；燃气透平3，用于高温燃气S14进行膨胀做功，输出给三压再热锅炉10；太阳能集热器4，用于聚集所需的中低温太阳能，并输出给太阳能接收反应器5；太阳能接收反应器5，用于利用太阳能集热器4聚集的太阳热能，使甲醇燃料S3与饱和水S13在一定的压力下进行化学重整反应；换热器6，用于利用重整反应得到的合成气S4对水S12及脱除CO2的清洁燃料气S8进行预热，将富含CO2的合成气S5输出给冷凝器7；冷凝器7，用于将富含CO2的合成气S5冷却至要求温度，输出给脱水单元8；脱水单元8，用于将合成气S6中的冷凝水脱除，输出给CO2物理吸收单元9；CO2物理吸收单元9，用于将合成燃料气S7中的CO2分离，输出给换热器6，换热器6将合成气S9输出给燃烧室2；三压再热锅炉10，用于由烟气S15供热，完成不同压力给水的预热、蒸发、过热过程；蒸汽透平11，用于余热锅炉产生的过热蒸汽S19膨胀做功；冷凝器12，用于将蒸汽透平排汽S20冷凝至饱和水S17状态，以便循环利用；泵13，用于将水S17升压至所需压力；发电机(14、15)，用于分别与燃气及蒸汽透平连接，将透平产生机械功转化为电能输出。
[0050] 上述各组成部分之间的连接均为通常采用的管道连接。
[0051] 其中，所述重整反应器5所需热量由太阳能集热器4提供，进口与余热锅炉10相连，出口连接换热器6；换热器6热侧进口与重整反应器5连接，出口连接冷凝器7，冷侧进口分别与脱水单元8、CO2吸收单元9连接，出口分别连接余热锅炉10、燃烧室2。
[0052] 本发明提供的低CO2排放的太阳能与甲醇互补的热力循环方法为：饱和水S13与甲醇燃料S3混合进入太阳能接收反应器，以中低温太阳能为热源，加热至反应床温度，过热的气态混合物继续吸收太阳热能，催化重整为富含CO2和H2的合成气，经过换热器6及冷凝脱水后的合成燃料气S7进入CO2吸收单元9，大部分的CO2(约95％)在物理吸收单元中被分离，所捕集的CO2气体经三级间冷压缩后，冷凝至液态S21被运输、封存。脱除CO2的清洁燃料气S8预热后与压缩空气S2在燃烧室燃烧生成高温燃气S14，在燃气轮机中膨胀做功，燃气轮机排烟S15与三压再热蒸汽底循环组成余热锅炉联合循环，实现热功转换。余热锅炉排烟以100℃排入环境。
[0053] 在本发明提供的低CO2排放的太阳能与甲醇互补的热力循环方法中，重整反应的水S12一部分来自于合成气S4的冷凝水S10，剩余部分由补水补充S11，先在换热器6中由合成气S4加热至饱和水态，后进入重整反应器5，由太阳能集热器4供热，与甲醇燃料S3发生重整反应；换热器6的冷侧布置了脱碳后的燃料气体S8与重整反应用水S12两股物流；蒸汽透平11中高压缸出口气体部分用于燃气透平3冷却，部分在余热锅炉10中再热，被加热的冷却用蒸汽与再热蒸汽混合，进入中压缸继续膨胀做功。
[0054] 请再次参照图1，本发明的主要部分为低CO2排放的太阳能与甲醇综合互补的燃气/蒸汽联合循环系统。其中：1-压气机；2-燃烧室；3-燃气透平；4-太阳能集热器；5-重整反应器；6-换热器；7-冷凝器；8-除水单元；9-CO2吸收单元；10-三压再热余热锅炉；11-蒸汽透平；12-冷凝器；13-泵；14、15-发电机。上述系统中的连接为公知技术，本发明在此不作具体描述。
[0055] 系统流程描述：
[0056] 该系统主要包括低CO2排放的太阳能与甲醇综合互补的燃气/蒸汽联合循环系统。饱和水S13与甲醇燃料S3混合进入太阳能接收反应器，以中低温太阳能为热源，加热至反应床温度，过热的气态混合物继续吸收太阳热能，催化重整为富含CO2和H2的合成气，经过换热器6及冷凝脱水后的合成燃料气S7进入CO2吸收单元9，大部分的CO2(95％)在物理吸收单元中被分离，所捕集的CO2气体经三级间冷压缩后，冷凝至液态S21被运输、封存。脱除CO2的清洁燃料气S8预热后与压缩空气S2在燃烧室燃烧生成高温燃气S14，在燃气轮机中膨胀做功，燃气轮机排烟S15与三压再热蒸汽底循环组成余热锅炉联合循环，实现热功转换。余热锅炉排烟以100℃排入环境。
[0057] 以ASPEN PLUS
软件对系统进行模拟，气体及水的物性分别采用RK-SOAVE、STEAM-TA方程，CO2物理吸收剂选用SELEXOL(聚乙二醇二甲基乙醚)，CO2化学吸收剂选用MEA，太阳能模
块按照现今商业应用最为成熟广泛的抛物槽式太阳能热发电的吸热子系统设计，并采用蒸汽冷却模式，具体实施例在平衡工况性能参数见表1。主要有关条件为：系统稳态运行状况下，压气机效率89％；燃烧室燃烧效率100％，压损为3％；燃气透平等熵效率88％；换热器最小温差15℃，压损1％；蒸汽初温600℃，再热温度560℃，余热锅炉
节点温差15℃，最低排烟温度100℃。
[0058] 具体实施例循环平衡工况热力性能参数及 平衡分别参看表2、表3，表2、表3同时在相同的假设条件下(包括透平初温1308℃、节点温差及部件性能等)，对常规三压再热联合循环、尾气捕集CO2(化学吸收法)的三压再热联合循环和本系统进行模拟。可见，本发明系统中，CO2的分离必然要付出能耗代价，使系统性能恶化， 效率降低。而太阳能的引入，使系统性能又得以改善，燃烧 损失降低，且在燃料燃烧前完成CO2的捕集，其分离损失较尾气分离CO2时有很大的改善，其 效率比常规联合循环高1个百分点，当太阳能热输入份额为21.7％时，本系统中太阳能净转功效率达到16.8％，化石燃料节约率可达11.8％，节约了化石燃料，实现了太阳能品位的提升及其高效热功转化。而对于燃烧后化学吸收CO2的系统，除了分离和压缩能耗外，需从蒸汽透平抽气以提供再沸热，使系统性能严重恶化，不可逆损失增加，透平出功明显减少，与本系统相比， 效率低10.7个百分点。且本系统中CO2在燃烧前实现分离，待分离气体流量小(相比烟气捕集)，减小了设备尺寸，也降低了投资成本。
[0059] 与参比系统相比，本系统需要增设中低温太阳能集热设备，可以采用技术相对成熟、造价较低的
槽式集热器。槽式集热器在中低温应用场合具有优良的集热性能，即使在100W/m2的太阳辐照强度下也可达到50％以上的集热效率。应该指出的是，系统效率和太阳能热转功效率的提升与系统经济性改善直接相关。
[0060] 本发明作为一种低CO2排放的太阳能与甲醇综合互补的燃气/蒸汽联合循环系统，不但实现了中低温太阳热能高效转换以及和化石燃料互补的综合梯级利用，而且以低能耗代价实现了CO2减排，热力性、环保性俱佳，具有广阔的工程应用前景。
[0061] 表1系统主要性能参数
[0062]
[0063] 表2系统热力性能数据
[0064]
[0065] 表3系统 平衡表
[0066]
[0067] 表2中，由于系统有太阳能和化石能源两种不同输入，因此 效率是较为合适的评价准则。近似认为燃料 约等于其1.05倍的低位发热量，定义系统当量 效率如下：
[0068]
[0069] 其中T0为
环境温度。当太阳能热输入份额为零时，上述当量 效率则等于系统效率。
[0070] 太阳能热输入份额和其净热转功效率(后者考虑了集热器损失)定义为：
[0071]
[0072]
[0073] 其中，Wref为相同化石燃料输入下参比系统发电量，Wref＝Ef·ηe，ref选取的两个参比系统分别为常规三压再热联合循环及尾气捕集CO2(化学吸收法)的三压再热联合循环。Qrad为考虑集热器损失时的太阳能总投射量，Qrad＝Qsol/ηcol，ηcol为集热器效率。
[0074] 化石能源节约率为同输出下参比系统相比，本系统中化石能源相对减少量：
[0075]
[0076] 符号表
[0077]
[0078] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
