一种基于生物质能和太阳热能的冷热电三联供系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于生物质能和太阳热能的冷热电三联供系统，该系统包括生物质预热器、生物质粉碎机、固定床气化炉、旋风分离除尘器、第一换热器、冷凝器、水泵、槽式太阳能集热器、塔式定日镜场、内燃机发电机组、烟气蒸汽型吸收式机组、第二换热器和固体吸收式除湿机组。本发明综合利用太阳能和生物质能，通过太阳热能和生物质能的深度耦合集成，实现了两种能源之间的优势互补。该总能系统效率达到了47.2％，对优化能源系统结构，可再生能源的系统集成具有重要作用。
【专利说明】
一种基于生物质能和太阳热能的冷热电三联供系统
技术领域
[0001] 本发明涉及能源技术领域，特别是一种基于生物质能和太阳热能的冷热电三联供 系统。
【背景技术】
[0002] 化石能源的不断消耗，一方面提供能量，另一方面释放大量污染物对对环境造成 严重破坏。同时，化石能源燃烧释放出的二氧化碳量已远远超出了绿色植物光合作用的吸 收能力。随之带来的一系列臭氧层破坏、气候反常等现象，使得人来面临的生态环境压力越 来越大。开发资源储量大、清洁无污染的可再生能源对于可持续发展有着重要意义。其中太 阳能和生物质因其独特的优势而被认为是化石燃料潜在的替代能源，其高效清洁利用技术 受到广泛关注。
[0003] 太阳能是世界上最丰富的能源，其具有的储量无限性、存在普遍性、无污染性等优 势，使之成为解决能源短缺、环境污染的有效途径之一。太阳能热利用较容易实现热能能级 的合理匹配，做到热尽其用。以水作为直接传热工质，提供气化反应所需要的汽化潜热，转 化为蒸汽内能，通过蒸汽内能的形式参与和生物质在较高温度下进行的气化反应，间接转 化为合成气化学能，实现品位间接提升。
[0004] 生物质作为唯一可再生的碳源，分布广泛、对环境影响较小。但是也存在资源分布 分散、能量密度低等缺点，直接燃烧生物质量利用效率低，释放烟气粉尘造成环境污染。生 物质气化技术将低能量密度的生物质转化为使用方便的合成气，使得燃料的化学能转移到 合成气中，提高燃气利用效率。
[0005]冷热电三联产系统是集发电、供暖、制冷于一体的分布式能源系统，通过燃料燃烧 的高品位热能用于发电，低品位热能用来供热、制冷或除湿，实现冷热电联产和能源的梯级 利用。基于生物质能和太阳热能的冷热电三联供系统考虑太阳能经济性集热温度与生物质 气化反应温度的特点，以及功、冷、湿并供实现能源的综合梯级利用，提高系统的性能。分布 式生物质气化供能系统就近收集固体生物燃料，避免低密度原料长距离输送的能源消耗和 费用，发挥产品多样性的优点，满足终端用户对气、冷、热、电、除湿等多种能源的需求，同时 利用中低温太阳能集热量提供气化反应所需要的气化潜热，间接转化为合成气化学能，实 现能量的品位提升。
[0006]目前对现有设计理念和实施方案的生物质联产系统的研究存在的主要问题在：1) 生物质联产系统以生物质作为主要的原料来源，可再生能源利用较为单一，并未实现多能 源互补及深度应用。2)生物质联产系统产品单一，主要以热电产品为主，冷热电、甚至除湿 应用较少，无法满足终端用户能源多元化需求。3)通过生物质气化发电实现了对燃料化学 能品位的提升，而如何高效利用生物质合成气和发电过程中的余热资源，实现热能的综合 梯级利用也是需要解决的关键问题。
【发明内容】
[0007] (一)要解决的技术问题
[0008] 为了最大限度的提高联产系统总能效率，真正意义实现可再生能源综合互补利 用，满足不同用户的产品需求，提高余热资源综合梯级利用，本发明提出了一种基于生物质 能和太阳热能的冷热电三联供系统。
[0009] (二)技术方案
[0010] 为了达到上述目的，本发明提供了一种基于生物质能和太阳热能的冷热电三联供 系统，该系统包括生物质预热器、生物质粉碎机、固定床气化炉、旋风分离除尘器、第一换热 器、第二换热器、冷凝器、水栗、槽式太阳能集热器、塔式定日镜场、内燃机发电机组、烟气蒸 汽型吸收式机组、第二换热器和固定吸收式除湿机组。
[0011] 其中：生物质预热器，用于干燥生物质，降低生物质的含水量;生物质粉碎机，用于 将生物质原料破碎成粉状物料;固定床气化炉，用于生物质和水蒸气参与气化反应，生成合 成气，满足内燃机发电机组燃料需求;旋风分离除尘器，用于对固定床气化炉出口的合成气 进行除尘净化处理，除去燃气中的灰分及炭颗粒等杂质;第一换热器，利用合成气的高温热 能预热空气，以生产热量，满足干燥生物质和气化反应需求，同时加热一部分进口侧生活热 水，满足用户生活热水需求；冷凝器，用于除去合成气中冷凝出来的水分；水栗，用于对 0.1MPa、25°C水进行加压处理，通入到槽式太阳能集热器中；槽式太阳能集热器，以水作为 吸热工质，利用太阳热能加热水，以生产水蒸气，满足固定床气化炉中气化反应和烟气蒸汽 型吸收式机组制冷的需求;塔式定日镜场，用于聚焦太阳能提供水蒸气气化所需高温热源； 内燃机发电机组，利用经过净化处理的合成气做功发电，满足用户和维持机组正常运行的 电需求;烟气蒸汽型吸收式机组，采用溴化锂溶液，用于利用内燃机发电机组的烟气和槽式 太阳能集热器产生水蒸气为余热制取冷冻水，以满足用户制冷需求;第二换热器，用于利用 溴化锂吸收式机组出口的余热，加热一部分进口侧生活热水，满足用户生活热水需求;固体 吸收式除湿机组，用于利用内燃机发电机组的缸套水余热，对需求建筑进行除湿，合理利用 低温余热。
[0012](三)有益效果
[0013] 从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
[0014] 1、本发明提供的基于生物质能和太阳热能的冷热电三联供系统，通过将太阳能和 生物质两种可再生能源技术的有效整合，实现不同可再生能源的对口合理利用，使得系统 总能源效率达47.2%。
[0015] 2、本发明提供的基于生物质能和太阳热能的冷热电三联供系统，生物质作为一种 资源丰富、洁净的可再生能源，其利用在一定程度上可实现二氧化碳零排放，从而减少温室 气体排放；
[0016] 3、本发明提供的基于生物质能和太阳热能的冷热电三联供系统，太阳能作为一种 洁净的可再生能源，通过槽式太阳能集热器，以水为导热介质生成中温水蒸气，太阳能光热 转换技术为气化反应提供一部分蒸汽的气化潜热，通过水蒸气参与生物质气化反应，将太 阳能中低温热能间接转化为合成气化学能，实现品位间接提升；
[0017] 4、本发明提供的基于生物质能和太阳热能的冷热电三联供系统，太阳能作为一种 洁净的可再生能源，通过塔式定日镜场聚焦太阳能转化为高温热能，为生物质气化反应器 中生物质和水蒸气气化反应提供热源，将太阳能以合成气化学能形式储存；
[0018] 5、本发明提供的基于生物质能和太阳热能的冷热电三联供系统，通过将低能量密 度的生物质转换为高品质的电能，同时不同品位的余热资源用于产生生活热水、供热、制 冷、除湿，实现了不同品位余热资源的综合梯级利用；
[0019] 6、本发明提供的基于生物质能和太阳热能的冷热电三联供系统，充分利用气化过 程中合成气的余热资源，将合成气的高温余热资源进行回收，同时出去合成气中的冷凝水， 不仅进一步净化处理合成气，还使得生物质气化过程中的余热资源得到充分合理利用；
[0020] 7、本发明提供的基于生物质能和太阳热能的冷热电三联供系统，直接面向用户， 解决生物质分散、能量密度低的问题，为电网末端或偏远且生物质资源丰富的地区提供能 量，降低输送过程中的能耗，提高系统的总效率。
【附图说明】
[0021] 图1是本发明提供的基于生物质能和太阳热能的冷热电三联供系统的示意图。
【具体实施方式】
[0022] 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。
[0023] 如图1所示，是本发明提供的基于生物质能和太阳热能的冷热电三联供系统的示 意图，该系统包括生物质预热器、生物质粉碎机、固定床气化炉、旋风分离除尘器、第一换热 器、冷凝器、水栗、槽式太阳能集热器、塔式定日镜场、内燃机发电机组、烟气蒸汽型吸收式 机组、第二换热器和固体吸收式除湿机组。
[0024]生物质原料（1)在生物质预热器中经200Γ的空气（9)预热，除去生物质原料中的 外在水分，使得生物质原料水分含量降至10%左右。经过干燥处理的生物质原料(2)进入生 物质粉碎机进行研磨，使生物质原料粒径在1 -2mm范围内。经过干燥处理的生物质原料(3) 进入固定床气化炉，与350°C的水蒸气（12)混合发生气化反应(气化压力为O.IMPa，气化温 度为890°C)，塔式定日镜场吸收太阳能（29)为固定床气化炉提供气化反应所需热能(30)。 含有固体颗粒物的高温合成气(4)首先进入旋风分离除尘器除去其中的灰分等固体颗粒物 (32)，然后进入第一换热器进行热回收，预热空气(8)至200°C(9)，同时提供80°C生活热水 (28)，温度降至25°C的合成气(6)经冷凝器分离出冷凝水(33)。在第一换热器中经过高温合 成气预热至200°C的空气（10)进入生物质预热器，用于干燥生物质。在太阳能集热过程中， 25°C、0.1MPa的水（11)经水栗加压，通入槽式太阳能集热器中吸收中低温太阳热能，产生 350°C的水蒸气（12)作为生物质气化反应的气化剂。同时槽式太阳能集热器为烟气蒸汽型 吸收式机组提供0.6MPa水蒸气余热用于制冷。
[0025]经过净化处理的合成气（7)通入内燃机发电机组与空气（13)混合燃烧发电，产生 400-500°C左右的烟气（14)首先进入烟气热水型吸收式制冷机组，产生7°C冷冻水(23);然 后进入第二换热器换热，产生80°C的生活热水（25)，最后120°C左右的烟气（16)排放至大 气。与此同时，内燃机发电机组产生的低温缸套水（19)用于为固体吸收式除湿机组提供低 温余热，产生符合除湿要求的空气(21)，为用户提供除湿负荷。
[0026]本发明所提供的基于生物质能和太阳热能的冷热电三联供系统装置在具体实施 例中可采用主要参数如表1所示。选取稻壳作为研究对象，以1400kg/h稻壳输入量进行计 算，水蒸气输入量为560kg/h。同时选取湖南地区太阳能辐照指标作为参考，年辐照时数 1400-2200小时左右，年辐射总量4190-5016MJ/m2，标准光照下年平均日照时间3.1-3.8小 时。
[0027] 表 1
[0028]
[0031]本发明中太阳能集热量为6735kW，占系统总能量的输入比例为57.0%，系统总能 源效率为47.2%。从设计分析中得知，本发明系统集成多种可再生能源，实现冷、热、电、除 湿的多联产。
【主权项】
1. 一种基于生物质能和太阳热能的冷热电三联供系统，其特征在于，该系统包括生物 质预热器、生物质粉碎机、固定床气化炉、旋风分离除尘器、第一换热器、冷凝器、水栗、槽式 太阳能集热器、塔式定日镜场、内燃机发电机组、烟气蒸汽型吸收式机组、第二换热器和固 体吸收式除湿机组，其中： 生物质预热器，用于干燥生物质，降低生物质的含水量； 生物质粉碎机，用于将生物质原料破碎成粉状物料； 固定床气化炉，用于生物质和水蒸气参与气化反应，生成合成气，满足内燃机发电机组 燃料需求； 旋风分离除尘器，用于对鼓泡流化床气化炉出口的合成气进行除尘净化处理，除去燃 气中的灰分及炭颗粒； 第一换热器，利用合成气的高温热能预热空气，以生产热量，满足干燥生物质和气化反 应需求，同时加热一部分进口侧生活热水，满足用户生活热水需求； 冷凝器，用于除去合成气中冷凝出来的水分； 水栗，用于对0.1MPa、25°C水进行加压处理，通入到槽式太阳能集热器中； 槽式太阳能集热器，以水作为吸热工质，利用太阳热能加热水，以生产水蒸气，满足鼓 泡流化床气化炉中气化反应和烟气蒸汽型吸收式机组制冷的需求； 塔式定日镜场，用于聚焦太阳能提供水蒸气气化所需高温热源； 内燃机发电机组，利用经过净化处理的合成气做功发电，满足用户和维持机组正常运 行的电需求； 烟气蒸汽型吸收式机组，采用溴化锂溶液，用于利用内燃机发电机组的烟气和槽式太 阳能集热器产生水蒸气为余热制取冷冻水，以满足用户制冷需求； 第二换热器，用于利用溴化锂吸收式机组出口的余热，加热一部分进口侧生活热水，满 足用户生活热水需求； 固体吸收式除湿机组，用于利用内燃机发电机组的缸套水余热，对需求建筑进行除湿， 合理利用低温余热。2. 根据权利要求1所述的基于生物质能和太阳热能的冷热电三联供系统，其特征在于， 该冷热电三联供系统输入原料为生物质和太阳能，属于可再生能源之间互补。3. 根据权利要求1所述的基于生物质能和太阳热能的冷热电三联供系统，其特征在于， 所述塔式定日镜场吸收太阳能提供固定床气化炉气化所需高温热源。4. 根据权利要求1所述的基于生物质能和太阳热能的冷热电三联供系统，其特征在于， 所述固定床气化炉中干燥后的生物质原料，与经第一换热器预热过的空气、槽式太阳能集 热器出口的水蒸气一起参与气化反应，生成合成气。5. 根据权利要求1所述的基于生物质能和太阳热能的冷热电三联供系统，其特征在于， 所述槽式太阳能集热器，一方面提供350Γ水蒸气参与鼓泡流化床气化炉的气化反应;另一 方面为烟气蒸汽型吸收式机组提供〇.6MPa水蒸气余热用于制冷。6. 根据权利要求1所述的基于生物质能和太阳热能的冷热电三联供系统，其特征在于， 所述生物质预热器利用预热过空气，对生物质原料进行预热，降低生物质含水量，提高气化 反应效率。
【文档编号】C10K1/02GK105888829SQ201610228119
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月13日
【发明人】李洪强, 张晓烽, 王飞, 曾蓉, 康书硕, 张国强
【申请人】湖南大学