一种太阳能驱动生物质气化的联合发电系统的制作方法

本实用新型涉及发电领域，具体是一种太阳能驱动生物质气化的联合发电系统。

背景技术：

人类面临的能源环境问题日益严峻,迫切需要一种清洁能源逐步替代现有大规模利用的化石能源。太阳能因其总量巨大,分布广泛的特点而引起了人们的广泛关注和研宄。人类所赖以生存的地球的能量的很大一部分来自于太阳能。研究表明，太阳能在本世纪将进入一个快速发展阶段，预计在2050年左右达到30％的比例，仅次于核能居于第二位，本世纪末将取代核能位居第一位。目前，太阳能技术包括光伏系统发电、太阳能聚光系统发电以及各种各样的太阳能储热装置。太阳能具有很多的优点，是一种值得研究与开发的新型清洁能源。太阳能的储量是很丰富的，相对于人类生存的年限来说，太阳能可以说是取之不尽用之不竭。每年，太阳能源源不断地从太阳传输到地球上。在地球上不同地区之间会有太阳能分布的差异，但相对于其他可再生能源来说，太阳能在全球的分布还是比较均衡的。太阳能跟其他清洁能源一样是环境友好型能源，对环境不产生任何污染。

但太阳能利用技术经过多年的发展,仍面临效率低、成本高、储能困难与供能不稳定等问题,导致其发展受到严重制约。

生物质是指通过光合作用而形成的各种有机体，生物质能的载体为有机物，由碳氢元素组成的化合物。与太阳能或风能等其他种类可再生能源相比，生物质是一种可存储运输的可再生能源，也是唯一可再生的碳源，生物质的利用过程将维持生态圈的碳平衡。我国的生物质资源比较丰富，能源利用潜力巨大,在林业剩余物方面，全国现有林地面积3.04亿公顷，其中薪柴林、林业"三剩物"、木材加工剩余物等可供能源化利用的资源量约为3.5亿吨/年。养殖禽畜粪便资源量为8亿吨/年，生物天然气生产潜力达200亿立方米。城市垃圾随着城镇化进程逐年増长，当前可收集垃圾量接近3亿吨，可利用量约50％，且以每年10％的増长率迅猛増长,其中70％以上可作为焚烧发电燃料，另外厨余垃圾可作为生物天然气或生物柴油原料，每年可获得量达400万吨。从品种上,位居前三位稻杆资源为玉米稻(2.65亿吨)、稻草(2.05亿吨)和麦稻(1.50亿吨)；另外油料作物稻巧(主要为油菜和花生)和棉杆的资源量也分别达到3737万吨和2584万吨。生物质作为一种可再生的物质能源，可通过多种技术手段加以利用，主要包括生物质直接燃烧、热化学和生物化学等方式。相对而言生物质燃烧仅能提供高温热能，难满足当代多元化的能源需求，因此生物质可通过生物化学和热化学等方式将其转换为生物乙醇、生物柴油、沼气、合成气和焦油等各类高品质气体燃料或液体燃料，用以替代化石能源应用于电力、交通运输、城市煤气等领域。

氢作为一种清洁燃料克服了化石燃料在使用过程中排放污染物造成环境污染的问题。同时，氢能也被认为是另一种能量载体来推动飞机、汽车及任何固定的使用燃料电池的能量系统。因此氢能是一种较理想的能量载体来储存能量以供各个领域的应用。但单体氢在地球上几乎不存在，作为一种二次能源，必须通过消耗其它能源来制取。目前制取氢气的方式多种多样，如分解化石燃料、水汽重整化石燃料、煤气化制氢、水电解制氢以及太阳能热化学制氢。近年来随着聚光技术以及制造工艺水平的大幅提高，太阳能热化学气化生物质制氢法逐渐进入了人们的视野，并且受到了大量的研究。太阳能热化学制氢是将聚集后的太阳能作为热源来驱动化学反应对太阳能进行高密度储存的储能方式，实现太阳能向化学能的转换。利用高位的太阳能将生物质和水直接分解生成h2和co，并以此为原料合成其他便于存储的能源形势，或者利用该气体做燃电和热机的能源。

sofc(固体氧化物燃料电池)的燃料适用性广、运行温度高、发电效率高、清洁无污染，可以利用各种合成气为燃料进行高效发电，电堆的燃料适应范围广、运行温度高、和太阳能化学生制氢的工艺过程中的各种显热结合利用具备很大的潜力，人们也在进行相关方面的研究。

技术实现要素：

本实用新型实施例的目的在于提供一种太阳能驱动生物质气化的联合发电系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型实施例提供如下技术方案：

一种太阳能驱动生物质气化的联合发电系统，包括气化反应器、净化器、sofc燃料电池和太阳能聚光吸热器，所述气化反应器与废热锅炉相连，废热锅炉还与净化器相连，sofc燃料电池分别与太阳能聚光吸热器和合成气压缩机相连，合成气压缩机还与净化器相连，太阳能聚光吸热器、合成气压缩机和sofc燃料电池均与燃气轮机相连，太阳能聚光吸热器还与燃气涡轮的尾端及余热锅炉的前端相连，预热锅炉的汽水气体与蒸汽透平和给水泵相连，sofc燃料电池在750-1000℃具有较高的发电效率(45-60％)，本产品中sofc燃料电池采用氧化钇稳定氧化锆作为电解质，阳极钙钛矿陶瓷，阴极为钙钛矿材料，co可参与电化学反应，无需co净化处理。

作为本实用新型实施例进一步的方案：太阳能聚光吸热器与涡轮的前端和余热锅炉的前端相连，可以将多余的热量输送给余热锅炉，余热锅炉与废热锅炉的汽水加热管路相连，sofc燃料电池处于保护或预热状态时，合成气通入燃烧室燃烧为整个系统循环提供能量，sofc燃料电池工作时，合成气无需直接燃烧；可以更好的利用多余的热量。

作为本实用新型实施例进一步的方案：余热锅炉的汽水系统分别与蒸汽透平和给水泵相连，蒸汽透平和给水泵均与凝汽器相连，可以将余热锅炉的能量转换为机械能，能量最大化的利用。

作为本实用新型实施例进一步的方案：燃气轮机包括空气压缩机、涡轮和燃烧室，涡轮和空气压缩机共轴，涡轮产生功部分消耗于空气的压缩，燃气轮机的烟气出来被太阳能聚光吸热器加热后进入余热锅炉，可以为sofc燃料电池和余热锅炉提供能量，提高能量利用率。

作为本实用新型实施例进一步的方案：气化反应器采用槽式太阳能气化反应器，可以接受生物质、太阳能和水蒸气作为能量来源，适用范围广，其中太阳能光热转换后部分用于气化反应热，另一部分为合成气显热形式存在，废热锅炉采用气化废热锅炉，可以利用气化反应器产生的合成气作为能量来源，达到循环利用能量的效果，太阳能聚光吸热器采用槽式太阳能聚光吸热器，吸热器主要为下游系统补热提高品级，与槽式太阳能气化反应器配合使用，太阳能辐射为热能，均有二次辐射反应，一部分用于还原反应，另一部分为工质显热，效果更佳。

与现有技术相比，本实用新型实施例的有益效果是：

本产品耦合了太阳能光热系统、生物质气化重整系统、sofc燃料电池及叶轮机械发电终端等，利用两种可再生能源，结合太阳能光热系统、燃料电池系统和尾气动力系统各自的优势，既满足了气化反应的高温要求，同时对各阶段工质补温提升其品质，各品段能量均得到合理梯度利用，最大程度减少损失；“燃烧前热化学反应”和“燃烧后热力循环”相结合实现各温度段的能量的高效转化；使太阳光热能、sofc发电、燃气轮机、蒸汽轮机驱动多渠道发电保持总能利用效率最为合理，弥补了传统光伏和光热发电效率低的缺陷；

本产品利用太阳能提供的汽化热源，气化温度的增大提高了生物质的有效利用率，同时降低了合成气中ch4和co2含量，提高了合成气热值，存在较大的显热供后端利用；

本产品中sofc燃料电池对非氢气体适应性强，因此无需变换反应调整碳氢比例，相对传统的生物质气合成甲醇，非调整的碳氢比例可降低系统热消耗，电堆阴极气加热是吸收太阳能聚光热，sofc燃料电池中未完全反应的气体利用涡轮二次燃烧产生电能对外输出；

本产品可以最大限度的利用太阳能，在任何需要提高工质循环温度的节点均通过太阳能聚光吸热器加热，简化了sofc燃料电池的预热流程，同时涡轮进口温度也得到提高，燃气轮机效率随温度的提高而提升，涡轮排汽的品质通过太阳能聚光吸热器提高后可最大限度的增加蒸汽轮机的进口温度，较大的过热度减小了湿蒸汽损失，系统热平衡效率达到了31.77％；

本产品通过互补耦合的发电系统，两种可再生资源交互利用，最大程度的提高输入能中的太阳能比例，在稳态工况下太阳能占比达到47.5％，高效的将生物质气化成co和h2，使用效果好。

附图说明

图1为太阳能驱动生物质气化的联合发电系统的结构示意图。

图2为太阳能驱动生物质气化的联合发电系统中各气化反应温度下的主要气体组分图。

其中：1-气化反应器，2-废热锅炉，3-净化器，4-合成气压缩机，5-sofc燃料电池，6-太阳能聚光吸热器，7-空气压缩机，8-余热锅炉，9-燃烧室，10-涡轮，11-蒸汽透平，12-凝汽器，13-给水泵。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。

实施例1

一种太阳能驱动生物质气化的联合发电系统，包括气化反应器1、净化器3、sofc燃料电池5和太阳能聚光吸热器6，所述气化反应器1与废热锅炉2相连，废热锅炉2还与净化器3相连，sofc燃料电池5分别与太阳能聚光吸热器6和合成气压缩机4相连，合成气压缩机4还与净化器3相连，太阳能聚光吸热器6与空气压缩机7相连，废热锅炉2和sofc燃料电池5均与燃烧室9相连，能量来源在气化反应器1中发生气化反应，反应生成高温合成气，高温显热借助废热锅炉2等余热回收装置利用；产生合成气作为sofc燃料电池5的阳极燃料，尾气作为联合循环动力系统的能量来源，燃烧后热能的高温段被燃气轮机利用，低温段被蒸汽轮机做功发电利用，利用效果好。

为了可以更好的利用多余的热量，太阳能聚光吸热器6和余热锅炉8相连，可以将多余的热量输送给余热锅炉8，余热锅炉8与废热锅炉2相连，实现循环利用。

进一步的，余热锅炉8分别与蒸汽透平11和给水泵13相连，蒸汽透平11和给水泵13均与凝汽器12相连，可以将余热锅炉8的能量转换为机械能，能量最大化的利用。

实施例2

一种太阳能驱动生物质气化的联合发电系统，包括气化反应器1、净化器3、sofc燃料电池5和太阳能聚光吸热器6，所述气化反应器1与废热锅炉2相连，废热锅炉2还与净化器3相连，sofc燃料电池5分别与太阳能聚光吸热器6和合成气压缩机4相连，合成气压缩机4还与净化器3相连，太阳能聚光吸热器6与空气压缩机7相连，废热锅炉2和sofc燃料电池5均与燃烧室9相连，能量来源在气化反应器1中发生气化反应，反应生成高温合成气，高温显热借助废热锅炉2等余热回收装置利用；产生合成气作为sofc燃料电池5的阳极燃料，尾气作为联合循环动力系统的能量来源，燃烧后热能的高温段被燃气轮机利用，低温段被蒸汽轮机做功发电利用，利用效果好。

为了提高能量利用率，太阳能聚光吸热器6通过涡轮10与燃烧室9相连，可以将燃烧室9的能量再利用，为sofc燃料电池5和余热锅炉8提供能量。

进一步的，气化反应器1采用槽式太阳能气化反应器，可以接受生物质、太阳能和水蒸气作为能量来源，适用范围广，废热锅炉2采用气化废热锅炉，可以利用气化反应器1产生的合成气作为能量来源，达到循环利用能量的效果，太阳能聚光吸热器6采用槽式太阳能聚光吸热器，与槽式太阳能气化反应器配合使用，效果更佳。

本实用新型实施例的工作原理是：气化反应器1中的气化反应是强吸热型的还原反应，反应所需要的热量来自于太阳能聚光集热器，同时需要向反应器通入水蒸气作为气化介质，气化反应过程为：

c+h2o→co+h2△rh＝131.29kj/mol

c+co2→2co△rh＝131.29kj/mol

c+2h2→ch4△rh＝131.29kj/mol

ch4+h2o→co+3h2△rh＝131.29kj/mol

co+h2o→co2+h2△rh＝131.29kj/mol。

在气化反应器1的升温过程中，反应低温段(＜412℃)主要进行的是生物质挥发分析出的热解反应；主要分成四个阶段，a)温度＜240℃时，生物质发生解聚、重组的过程；b)温度在240-412℃区间发生分解反应，伴随大量挥发气体析出；c)温度在412-600℃区间生物质碳化，同时伴随灰分的产生；前三个阶段被称为低温段热解反应；d)温度在600-850℃区间生物质半焦与水蒸气发生的气化反应，该区间称为高温气化反应；因此太阳能聚光吸热器6需要聚焦产生1000-1300℃的高温热源投射至气化反应器1上；气化反应器1中的气化剂来自于合成气显热所蒸发的水蒸气。合成气中co和h2比例通过水蒸汽的供给量调节。

合成气以850℃高温进入废热锅炉2进行热交换之后，并除掉灰分过滤掉有害气体后增压，将含co/h2浓度较高的气体通入sofc燃料电池5的阳极，sofc燃料电池5对h2以外的气体燃料适应性较高，燃料在阳极被电离，与穿过电解质的氧离子反应生成水；在外部形成电流通路输出电能，另一路空气来自于涡轮10驱动空气压缩机7，压缩气体被太阳能加热后进入sofc燃料电池5的阴极，阴极的空气预热是太阳能聚光耦合的一部分，主要利用太阳能的高温段热量，此时进入sofc燃料电池5的阴阳极气体均为700～800℃；在此温度下电堆燃料转化效率可达80％以上；

阳极侧反应方程为：

o^2-+co＝co2+2e^-

o^2-+h2＝h2o+2e^-

4o^2-+ch4＝co2+2h2o+8e^-

未完全反应气体中含有部分可燃气体，在高温下直接通入燃烧室9，高温燃烧后燃气温度可达1400k，目前化石燃料效率最高的是燃气蒸汽联合循环，本系统高温尾气热力循环与蒸燃联合循环一样，利用高温段显热(800～1400k)，由余热锅炉8和蒸汽透平11组成的蒸汽系统利用了烟气中低温段显热(400～800k)；

太阳能对各阶段的用能品质加以提高；为保持sofc燃料电池5的阴阳极温度平衡，阴极侧进气与阳极进气温度相当，而阴极侧供气温度的提升是太阳能聚光吸热器6加热的；联合循环燃气轮机的排汽经太阳能聚光吸热器6加热进一步提高至800-1000k，可提高换热设备的热效率及蒸汽过热度，减少蒸汽透平11的湿汽损失；太阳能、sofc燃料电池5及尾气联合循环的耦合，实现生物质燃料的高效利用，及过程原料的节约同增加输出功率；

生物质气化合成气净化后含硫量小于1ppm；

生物质气化过程中，随气化温度的提高，合成气中co2和ch4的含量逐渐降低，待气化温度达到1000k以上时，h2的含量有所下降，co浓度有所提高，但均趋于稳定，同时对整个系统，随着气化反应温度的提高，反应物的显热和反应焓增加，使得系统能量供给中太阳能的份额增加，因此气化温度需要至少在1000k以上，本文系统的汽化温度为1200k；

输入能源为生物质和太阳能均为可再生能源，系统对外排放了co2，单位排放量为0.57kg(co2)/kw*h，远低于常规燃煤机组的co2排放，本文以净输出电力为20mw的系统为例，详述系统热效率，系统的热损失主要发生在太阳能聚光吸热器6、蒸汽的冷凝过程、合成气的显热损失及烟气的排烟热损失中；蒸汽燃气联合循环系统能量转换主要包括燃烧、空气压缩、烟气膨胀、太阳能补热、余热锅炉8的热交换、蒸汽膨胀做功，燃烧室9燃烧高温尾气释放热量用于加热工质，但在燃烧室9中也会产生不可逆损失，蒸汽透平11作为能量转换成驱动能的设备，空气压缩机7接收部分驱动能为系统提供压缩空气，压缩后气体通过太阳能聚光吸热器6的补热经过电堆，涡轮10的烟气利用太阳能聚光吸热器6补热后进入余热锅炉8，此过程太阳能为为系统输入能量；这两部分的补热均由太阳能聚光吸热器6完成，具体热平衡如表1所示。

表1热平衡分析

从表1中可以看出，本产品的使用效果好。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。