专利名称：太阳能与甲醇燃料互补的化学链燃烧发电系统及方法
技术领域：
本发明涉及太阳能热发电和能源技术领域，尤其涉及一种控制co2排放的太阳能 与甲醇燃料互补的化学链燃烧发电系统及方法。
背景技术：
0)2作为人类向大气中排放的主要温室气体，大部分来源于煤、石油、天然气等化 石燃料的燃烧，其中29%来自发电。目前，C02的减排可通过调整能源结构和提高能源转化 及利用效率实现。从调整能源结构的角度来看，可再生能源尤其是太阳能被寄予厚望。太阳能以其 储量“无限性”、存在的普遍性、开发利用的清洁性以及逐渐显露的经济性等优势，使许多发 达国家都把太阳能等可再生能源从原来的补充能源上升到战略替代能源的地位。随着我国 建设资源节约、环境友好型社会目标的提出，太阳能等可再生能源利用的步伐也明显加快。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太阳能光热转化，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。然而，由于 太阳能能量密度低、能量的时间不连续性及空间分布的不均性等造成了太阳能储能困难， 所以在相当长一段时间内，太阳能完全替代化石燃料仍无法实现。另外，太阳能的大规模开 发利用成本仍然很高，在经济上无法与常规的化石能源相匹敌。太阳能热化学是利用太阳热能驱动吸热化学反应，提供反应所需热量，将分散的 太阳能转化为能量密度高、可储存、可运输的合成气或H2等燃料形式加以利用。2003年， 德国提出太阳能重整天然气联合循环发电系统，该发电系统能够使太阳能净热转功效率达 到30%。瑞士国家能源研究中心研究了太阳能-天然气-氧化锌能源环境系统，其基本 思路是利用高温太阳热能作为热源，将天然气重整和氧化锌还原锌这两个化学过程有机集 成，同时实现天然气重整为合成气和燃料锌的制取。然而，当前太阳能热化学反应温度集中 在900 1200°C的高温太阳热能的转化和利用，需采用昂贵的太阳能聚光装置，聚集高于 900°C的高品位太阳能，以提供反应需要的热能，造成其成本过高，同时对材料的使用提出 了更高的要求，不利于大规模应用。另外，虽然太阳能热化学利用能减少化石燃料的使用， 降低C02的排放量，但合成气直接燃烧造成C02被N2稀释，增加了 C02的分离难度，考虑到 C02捕集，系统效率会大幅度降低。从提高能源转化和利用效率的角度来看，由于短期内人类以化石能源为主要能源 的形势不会改变，尤其是我国，煤炭从资源构成到能源消费构成都占绝对主导地位，如何使 能源系统在分离co2的同时还能保持能源系统利用效率不降低甚至提高，是控制co2排放的 能源系统研究的主要目的。化学链燃烧是一种不同于传统的燃料与空气直接接触燃烧的燃烧方式，它通过金 属氧化物作为传递氧的媒介，将传统燃烧反应分两步进行还原反应、氧化反应。燃料首先 在还原反应器中被金属氧化物氧化为水蒸气和C02，同时金属氧化物被还原为金属单质或 低价金属氧化物。被还原后的金属单质或低价金属氧化物进入氧化反应器，被氧化再生，放出大量的热，产生高温烟气。由于燃料与空气不直接接触燃烧，避免了队对0)2的稀释，还原 反应器尾气中CO2浓度高，在不增加专门的CO2分离设备情况下，能够实现低能耗分离C02， 同时由于燃料品位被降低到被还原后的金属氧化物的品位，使得燃烧畑损失降低，提高了 系统的效率。化学链燃烧因其能够在分离CO2的同时实现系统效率的提高引起许多国家的重 视。日本对化学链燃烧的早期研究做了大量贡献。1994年，日本学者Ishida教授和中国学 者金红光教授率先提出控制CO2排放的化学链燃烧的湿空气透平新系统，首次在国际上将 化学链燃烧与热力循环有机结合，该研究于1995年获得美国专利。随后，欧美等国开始重 视化学链燃烧技术在控制温室气体方面的作用，欧盟FP5框架、FP6框架将化学链燃烧作为 重要研究内容予以资助。瑞典查尔姆斯科技大学建立了国际首台IOkW的化学链燃烧循环 流化床实验台，韩国建立了 50kW化学链燃烧的示范电站，挪威研究委员会资助的欧洲最大 的BIGC02研究计划中拟要建立目前最具规模的天然气基IOOkW化学链燃烧发电示范装置， 美国能源部下属国家能源技术实验室也开展了多项关于化学链的研究。但化学链燃烧存在技术问题循环颗粒的性能对化学链燃烧过程至关重要，当前 化学链燃烧所用氧载体多为Fe203、NiO颗粒，为保证循环材料物理性能的稳定，其氧化反 应温度受到严格控制，一般控制在1200°C以下，而当前燃气透平入口初温已达到1400°C以 上，氧化反应温度无法与燃气透平入口初温匹配，限制了燃气透平入口初温的提高，从而使 得系统效率的提高受到限制，造成了化学链燃烧动力循环系统的瓶颈。
发明内容
(一)要解决的技术问题有鉴于此，本发明的目的在于提出一种控制CO2排放的太阳能与甲醇燃料互补的 化学链燃烧发电系统及方法，解决化学链燃烧动力系统因循环材料限制引起的燃气透平入 口初温低的问题，同时实现中低温太阳能的高效热发电利用，降低CO2的捕集能耗。(二)技术方案为了达到上述目的，本发明提供了一种控制CO2排放的太阳能与甲醇燃料互补的 化学链燃烧循环方法，该方法包括甲醇燃料在中低温太阳能的驱动下还原Fe2O3循环颗粒，将中低温太阳能转化为 化学能储存在还原产物FeO中，FeO继续被空气氧化再生，放出大量热产生高温烟气，同时 储存在FeO中的中低温太阳能以高温热能的形式释放出，实现中低温太阳能的品位提升； 所述中低温太阳能是指温度范围在150°C至300°C之间的太阳能；上述方案中，该方法进一步包括甲醇燃料在还原Fe2O3循环颗粒的同时，在中低 温太阳能驱动下被分解为包含H2和CO的合成气，将中低温太阳能转化为合成气的化学能， 合成气与循环颗粒再生过程产生的高温烟气发生燃烧反应，以进一步提高烟气温度驱动燃 气透平做功，同时储存在合成气中的中低温太阳能以高温热能的形式释放出，完成中低温 太阳能品位到高温热能品位的提升。为了达到上述目的，本发明提供了一种控制CO2排放的太阳能与甲醇燃料互补的 化学链燃烧发电系统，该系统由中低温太阳能驱动的化学链燃烧装置和中低温太阳能驱动 的补燃装置构成，其中
中低温太阳能驱动的化学链燃烧装置，包括太阳能集热_还原反应器2、氧化反应 器6、气固换热器3、5、12、13、分流器19、旋风分离器7、预热器1和泵9，其中太阳能集热_还原反应器2，利用太阳能集热器，以线性聚焦方式将低能流密度的 太阳能聚集成高能流密度的中低温热能，用以驱动接收自太阳能预热器1的甲醇与循环颗 粒Fe203的还原反应；氧化反应器6，用于预热后的压缩空气与预热后的循环颗粒FeO发生强放热的氧 化反应；气固换热器3、5、12、13，换热设备，用于实现冷、热物流间的热量交换；分流器19，分流装置，用于对甲醇进行质量分流；旋风分离器7，用于将气固混合物进行气固分离；中低温太阳能驱动的补燃装置，包括太阳能集热_分解反应器11、补燃燃烧室8、 燃气透平14、余热锅炉15、蒸汽透平16、冷凝器17、预热器10、泵18和压缩机4，其中太阳能集热-分解反应器11，利用太阳能集热器，以线性聚焦方式将低能流密度 的太阳能聚集成高能流密度的中低温热能，用以驱动接收自太阳能预热器10的甲醇分解 反应；补燃燃烧室8，用于甲醇分解后的合成气与接收自旋风分离器的烟气发生燃烧反 应，进一步提高烟气温度；燃气透平14，用于接收自补燃燃烧室的高温烟气膨胀做功；余热锅炉15，用于回收来自燃气透平的烟气余热，产生高压、低压蒸汽，然后进入 蒸汽透平16做功。上述方案中，中低温太阳能与甲醇燃料按照品位不同进行互补，综合梯级利用。上述方案中，所述甲醇燃料采用中低温太阳能驱动的化学链燃烧方式，预热后的 甲醇蒸汽进入太阳能集热-还原反应器，在中低温太阳能驱动下与循环颗粒Fe203发生还原 反应，产生固体颗粒FeO和气态产物水蒸气和C02，FeO经预热后在氧化反应器中被压缩空 气氧化再生，放出大量的热，生成高温Fe203和烟气，经气固分离后，高温烟气进入补燃燃烧 室，Fe203颗粒经换热器回收余热后进入还原反应器再循环。上述方案中，所述甲醇燃料部分预热后，进入太阳能集热-分解反应器，在中低温 太阳热能的驱动下，发生分解反应，产生合成气，合成气被预热后作为燃料进入补燃燃烧 室，与接收自旋风分离器的高温烟气，发生燃烧反应，放出大量的热，进一步提高燃气透平 入口初温，解决了因保证循环材料物理性能的稳定性，氧化反应温度受到限制，造成燃气透 平入口初温低的问题。上述方案中，所述太阳能集热器采用抛物槽式聚光结构，结构简单，以线性聚焦方 式将低能流密度的太阳能聚集成高能流密度的中低温热能，与高温太阳能集热器相比，其 聚光比低，制造和运行成本大大降低，有利于大规模的推广和应用。上述方案中，该系统合理利用中低温太阳能，用以驱动甲醇_Fe203还原反应和甲 醇分解反应，实现中低温太阳能向FeO和合成气的化学能转变，且以化学能形式储存在FeO 和合成气中的中低温太阳能，通过氧化反应和补燃，以高温热能的形式放出，完成中低温太 阳能的品位到高温热能品位的提升，且与直接燃烧相比反应放热量有所增加，增加部分即 为反应吸收太阳能的量。
上述方案中，该系统利用中低温太阳能，降低燃料的使用量，减少C02的排放，同时 由于采用化学链燃烧，燃料的燃烧被分为还原反应和氧化反应两步进行，反应产生的0)2未 被N2稀释，co2浓度高，经过简单冷凝可除去水蒸气，分离出co2，此过程不需要专门的co2分 离装置和额外能耗，实现co2的零能耗分离，具有很高的经济和环境效益。上述方案中，在无太阳能或太阳辐照强度较弱的情况下，该系统中的还原反应所 需热量由循环颗粒携带的显热提供，分解反应器及甲醇预热所需热量按照各过程所需能量 品味不同由烟气余热提供。上述方案中，在无太阳能或太阳辐照强度较弱的情况下，利用烟气余热提供甲醇 预热和分解反应所需反应热，利用高温Fe203的显热提供还原反应过程所需反应热，确保系 统在无太阳能或太阳辐照强度较弱的条件下的连续运行。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本发明的有益效果是1、注重中低温太阳能与甲醇燃料的互补，实现能量品位的梯级利用；2、系统通过采用补燃方式，克服了化学链燃烧动力系统因循环材料限制引起的燃 气透平入口初温低的问题，提高了燃气透平入口初温；3、太阳能集热器采用抛物槽式聚光结构，结构简单，向原料预热、还原反应和分解 反应提供150°C至300°C温度范围的热量，与高温太阳能集热器相比，制造和运行成本较 低，有利于大规模的推广和应用；另外，该太阳能集热器将太阳能转化为热能的温度与反应 所需要的温度匹配，实现了中低温太阳能的合理利用；4、在还原反应和分解反应过程中，燃料化学能转化FeO和合成气的化学能，中低 温太阳热能也转化为化学能储存在FeO和合成气中。从热力学第一定律出发，本系统增加 了反应产物的能量，增加的部分等于反应吸收的太阳热能；从热力学第二定律出发，通过还 原反应和分解反应，低品位的太阳热能提升为高品位的燃料化学能；5、由于本发明采用太阳能作为部分输入能源，减少了燃料的使用，降低了 C02的排 放量，同时还原反应产生水蒸气和co2，co2可以通过简单的物理冷凝方法分离出来，不需要 额外耗能，也不需要专门的co2分离装置，从产生co2的源头解决了 co2的控制问题，大大降 低了 co2的分离和捕集成本。
图1为本发明提供的控制C02排放的太阳能与甲醇燃料互补的化学链燃烧动力系 统的第一实施例；图2为本发明提供的在无太阳能或太阳辐照强度较弱情况下的控制C02排放的太 阳能与甲醇燃料互补的化学链燃烧动力系统的第二实施例。
具体实施例方式本发明提供了两种具体的实施例，实施例1的具体流程如图1所示，为本发明提供 的控制C02排放的太阳能与甲醇燃料互补的化学链燃烧动力系统；实施例2的具体流程如 图2所示，为本发明提供的在无太阳能或太阳辐照强度较弱情况下的控制C02排放的太阳 能与甲醇燃料互补的化学链燃烧动力系统。下面对这两种实施例进行详细说明。
实施例1 本实施例系统由预热器1、10，泵9、18，气固换热器3、5、12、13，分流器19，太阳能 集热_还原反应器2，太阳能集热-分解反应器11，氧化反应器6，压缩机4，旋风分离器7， 补燃燃烧室8，燃气透平14，余热锅炉15，蒸汽透平16，冷凝器17组成。其具体流程为甲醇S 1经分流器19分流为两股S2、S3进入系统，其中甲醇S2经预热器1预热 后进入太阳能集热_还原反应器2，预热热源为槽式太阳能集热器所聚集的200 300°C中 低温太阳热能。在还原反应器中，甲醇与Fe2O3循环颗粒S7发生还原反应。反应后，甲醇被 氧化为气态产物CO2和水蒸气S6，Fe2O3被还原为FeO固体颗粒S5，反应所需反应热由太阳 能集热器聚集中低温太阳能提供。被还原的金属氧化物S5在气固换热器12中被从燃气透 平14排出的部分烟气预热，然后进入氧化反应器6，冷却后的烟气S24进入底循环回收余 热。空气SlO经压缩机4压缩到一定压力后，在气固换热器5中回收循环颗粒余热，被预热 后的压缩空气S13进入氧化反应器6。经加压、预热后的空气S13在氧化反应器6中与预 热后FeO颗粒S14发生氧化反应，放出大量的热，循环颗粒被氧化再生，同时产生高温烟气。 高温气固混合物S15在旋风分离器7中进行气固分离，气体S16从旋风分离器7顶部排出 后进入补燃燃烧室8，固体颗粒S17由底部排出。高温固体颗粒S17经气固换热器13预热 合成气，气固换热器5预热空气，在气固换热器3中被冷却空气冷却到还原反应温度后回收 余热进入还原反应器2进行再循环。另外一股甲醇S3经泵9加压，在预热器10中被太阳能集热器聚集的中低温太阳 热能预热后，进入太阳能集热-分解反应器11。甲醇在分解反应器中发生部分分解，产生合 成气S21，分解反应所需热量由太阳能集热器提供的中低温太阳能提供。合成气S21经气 固换热器13预热后进入补燃燃烧室8，并在其中与高温烟气S16中未反应氧气发生燃烧反 应，放出大量反应热，进一步提高烟气温度。补燃后的高温烟气S18进入燃气轮机14膨胀 做功，经余热锅炉15回收余热，产生蒸汽做功后，排入环境中。实施例2 本实施例系统由预热器1、9，泵8、17，气固换热器4、11、12，分流器18，还原反应器 2，分解反应器10，氧化反应器5，压缩机3，旋风分离器6，补燃燃烧室7，燃气透平13，余热 锅炉14，蒸汽透平15，冷凝器16组成。其具体流程为甲醇Sl经分流器18分流为两股S2、S3进入系统，其中甲醇S2经预热器1预热后 进入还原反应器2，预热热源为烟气余热。在还原反应器中，甲醇与Fe2O3循环颗粒S7发生 还原反应。反应后，甲醇被氧化为气态产物CO2和水蒸气S6，Fe2O3被还原为FeO固体颗粒 S5，反应所需反应热由循环颗粒Fe2O3自身所携带的显热提供。被还原的金属氧化物S5在 气固换热器11中被从燃气轮机13排出的部分烟气预热，然后进入氧化反应器5。空气S8 经压缩机3压缩到一定压力后，在气固换热器4中回收循环颗粒余热，被预热后的压缩空气 SlO进入氧化反应器5。经加压、预热后的空气SlO在氧化反应器5中与预热后FeO颗粒 S12发生氧化反应，放出大量的热，循环颗粒被氧化再生，同时产生高温烟气。高温气固混合 物S13在旋风分离器6中进行气固分离，气体S14从旋风分离器6顶部排出后进入补燃燃 烧室7，固体颗粒S15由底部排出。高温固体颗粒S15经气固换热器12预热合成气，气固换 热器4预热空气，回收余热后进入还原反应器2进行再循环。另外一股甲醇S3经泵8加压，在预热器9中被烟气预热后，进入分解反应器10。
8甲醇在分解反应器中发生部分分解，产生合成气S19，分解反应所需热量由预热FeO固体颗 粒S5后的烟气提供。合成气S19经气固换热器12预热后进入补燃燃烧室7，并在其中与高 温烟气S14中未反应氧气发生燃烧反应，放出大量反应热，进一步提高烟气温度。补燃后的 高温烟气S16进入燃气透平13膨胀做功，经余热锅炉14回收余热，产生蒸汽做功后，排入 环境中。以上各实施例均采用ASPEN PLUS软件进行了模拟计算，基本参数及平衡工况状态 参数和热力性能参数见表1至表5，并在采用实施例的基本循环参数条件(见表1)下，分别 与通过聚集中高温太阳热能用以提供底循环蒸发段热量的ISCC系统和传统的联合循环系 统进行了热力性能方面的比较。对于实施例1的循环系统，当甲醇摩尔流量为l_mol/s，太阳能集热器聚集太阳 热能温度250°C，还原反应温度与分解反应温度均为200°C，氧化反应温度1000°C，燃气透 平进气参数1400°C /18bar时，循环的净输出功为447_kW。由于本循环系统输入能源为太 阳能和甲醇，为合理评价系统性能，采用畑效率、太阳能净发电效率对系统进行比较。模拟 条件下，实施例1的循环系统畑效率为57. 1%，太阳能净发电效率约为30%。在相同基本 循环参数条件下，ISCC系统太阳能集热器聚集的太阳热能温度450°C，燃气轮机进气参数 1400°C /18bar，畑效率为56. 5%，太阳能净发电效率为23. 8%，与之相比，实施例1中本发 明的系统畑效率高出0.6个百分点，太阳能净发电效率高出6. 2个百分点；传统的联合循 环系统燃气轮机进气参数1400°C /18bar，畑效率55.0%，与之相比，实施例1中本发明的 系统畑效率高出2. 1个百分点。另外，本发明在C02分离与捕集方面具有明显优势。由于系 统输入太阳能用来代替部分甲醇，在相同净输出功条件下，本系统可节约11. 8%燃料，C02 排放量由传统联合循环的0. 413_kg/kffh降低到0. 364_kg/kWh。采用化学吸收法从低压、 低温烟气中回收C02的能耗约为0. 34_kffh/kg C02,由于实施例1中本系统所产生的53. 2% 的C02来自还原反应，这部分C02可以通过简单的物理冷凝实现零能耗分离，因此采用本发 明可使C02的回收能耗显著下降，由0. 34kffh/kg C02下降到0. 14kffh/kg C02。对于实施例2的循环系统，当甲醇流量为l_mol/s，氧化反应温度1000°C，燃气透 平进气参数1400°C /18bar时，循环的净输出功为410_kW，系统的循环热效率为64.4%， 畑效率为57. 2%。在相同基本循环参数条件下，传统的联合循环系统燃气轮机进气参数 1400°C /18bar，循环热效率为61. 6%，畑效率为55. 0%，与之相比，实施例2中本发明的系 统热效率高出2. 8个百分点，畑效率高出2. 2个百分点。另外，本发明在C02分离与捕集方 面具有明显优势。相同净输出功条件下，本系统可节约3. 9%燃料，C02排放量由传统联合循 环的0. 413_kg/kffh降低到0. 397_kg/kWh。采用化学吸收法从低压、低温烟气中回收C02的 能耗约为0. 34_kffh/kg C02,由于实施例2中本系统所产生的55. 7%的C02来自还原反应， 这部分0)2可以通过简单的物理冷凝实现零能耗分离，因此采用本发明可使C02的回收能耗 显著下降，由 0. 34kffh/kg C02 下降到 0. 145kffh/kg C02。本发明系统效率、太阳能热发电效率提高和C02回收能耗降低的根本原因在于1.太阳能与替代燃料品位互补、梯级利用实施例1中采用太阳能集热器聚集中 低温太阳能，用以提供温度要求不高的原料预热、还原反应和分解反应所需的热量，实现了 中低温太阳能的合理、梯级利用；采用化学链燃烧，将传统燃料直接燃烧的方式转变为化学链燃烧方式，降低了燃料的品位，大大减小了燃烧畑损失；回收高温循环颗粒显热，用于预 热合成气、压缩空气，降低换热畑损失。2.燃气轮机入口初温的提高实施例1中采用补燃，克服了化学链燃烧动力系统 因循环材料限制引起的燃气透平入口初温低的问题，提高了燃气透平入口初温；3.中低温太阳能品位的提升实施例1中还原反应过程吸收的中低温太阳能以 化学能形式储存在FeO中，并在氧化反应器中通过氧化反应，以高温热能的形式放出，实现 了中低温太阳能的品位到高温热能品位的提升，且与直接燃烧相比氧化反应放热量有所增 加，增加部分即为还原反应吸收太阳能的量；实施例1中分解反应过程吸收的中低温太阳 能以化学能形式储存在合成气中，并通过补燃以高温热能的形式释放出，实现了中低温太 阳能的低品位到高温热能的高品位提升，且与直接燃烧甲醇相比其放热量有所增加，增加 部分即为分解反应吸收的太阳热能的量。4.太阳能利用和控制C02排放一体化实施例1中由于利用太阳热能提供原料预 热、还原反应和分解反应所需的热量，减少了燃料的使用量，从而降低了系统的co2排放量； 由于采用化学链燃烧的间接燃烧方式，还原反应器中co2浓度高且经过简单的物理冷凝可 除去水蒸气，分离出co2，不需要专门的0)2分离装置和额外能耗，实现了 co2的零能耗分离， 大大降低了 co2的分离和捕集能耗。表1系统基本循环参数(适用于实施例1、2) 表2实施例1循环平衡工况状态参数 表3实施1循环热力性能参数 表4实施例2循环平衡工况状态参数 表5实施2循环热力性能参数 注表3、表5中计算公式输入热量=甲醇低位热值X甲醇流率+输入太阳热能；
输入畑=甲醇化学畑X甲醇流率+输入中低温太阳能热畑；热效率=净输出功/输入热量；畑效率=净输出功/输入畑；
太阳能净发电效率=光学效率X反应器吸收效率X畑效率。环境状态取25 °C，l_bar。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。
权利要求
一种控制CO2排放的太阳能与甲醇燃料互补的化学链燃烧循环方法，其特征在于，该方法包括甲醇燃料在中低温太阳能的驱动下还原Fe2O3循环颗粒，将中低温太阳能转化为化学能储存在还原产物FeO中，FeO继续被空气氧化再生，放出大量热产生高温烟气，同时储存在FeO中的中低温太阳能以高温热能的形式释放出，实现中低温太阳能的品位提升；所述中低温太阳能是指温度范围在150℃至300℃之间的太阳能。
2.根据权利要求1所述的控制CO2排放的太阳能与甲醇燃料互补的化学链燃烧循环方 法，其特征在于，该方法进一步包括甲醇燃料在还原Fe2O3循环颗粒的同时，在中低温太阳能驱动下被分解为包含H2和CO 的合成气，将中低温太阳能转化为合成气的化学能，合成气与循环颗粒再生过程产生的高 温烟气发生燃烧反应，以进一步提高烟气温度驱动燃气透平做功，同时储存在合成气中的 中低温太阳能以高温热能的形式释放出，完成中低温太阳能品位到高温热能品位的提升。
3.一种用于实现权利要求1所述方法的控制CO2排放的太阳能与甲醇燃料互补的化学 链燃烧发电系统，其特征在于，该系统由中低温太阳能驱动的化学链燃烧装置和中低温太 阳能驱动的补燃装置构成，其中中低温太阳能驱动的化学链燃烧装置，包括太阳能集热_还原反应器(2)、氧化反应器 (6)、气固换热器(3、5、12、13)、分流器(19)、旋风分离器(7)、预热器(1)和泵(9)，其中太阳能集热-还原反应器(2)，利用太阳能集热器，以线性聚焦方式将低能流密度的太 阳能聚集成高能流密度的中低温热能，用以驱动接收自太阳能预热器(1)的甲醇与循环颗 粒Fe2O3的还原反应；氧化反应器(6)，用于预热后的压缩空气与预热后的循环颗粒FeO发生强放热的氧化 反应；气固换热器(3、5、12、13)，换热设备，用于实现冷、热物流间的热量交换；分流器(19)，分流装置，用于对甲醇进行质量分流；旋风分离器(7)，用于将气固混合物进行气固分离；中低温太阳能驱动的补燃装置，包括太阳能集热-分解反应器(11)、补燃燃烧室(8)、 燃气透平(14)、余热锅炉(15)、蒸汽透平(16)、冷凝器(17)、预热器(10)、泵(18)和压缩机 (4)，其中太阳能集热_分解反应器(11)，利用太阳能集热器，以线性聚焦方式将低能流密度的 太阳能聚集成高能流密度的中低温热能，用以驱动接收自太阳能预热器(10)的甲醇分解 反应；补燃燃烧室(8)，用于甲醇分解后的合成气与接收自旋风分离器的烟气发生燃烧反应， 进一步提高烟气温度；燃气透平(14)，用于接收自补燃燃烧室的高温烟气膨胀做功；余热锅炉(15)，用于回收来自燃气透平的烟气余热，产生高压、低压蒸汽，然后进入蒸 汽透平(16)做功。
4.根据权利要求3所述的控制CO2排放的太阳能与甲醇燃料互补的化学链燃烧发电系 统，其特征在于，中低温太阳能与甲醇燃料按照品位不同进行互补，综合梯级利用。
5.根据权利要求3所述的控制CO2排放的太阳能与甲醇燃料互补的化学链燃烧发电系统，其特征在于，所述甲醇燃料采用中低温太阳能驱动的化学链燃烧方式，预热后的甲醇蒸 汽进入太阳能集热-还原反应器，在中低温太阳能驱动下与循环颗粒Fe2O3发生还原反应， 产生固体颗粒FeO和气态产物水蒸气和C02，FeO经预热后在氧化反应器中被压缩空气氧 化再生，放出大量的热，生成高温Fe2O3和烟气，经气固分离后，高温烟气进入补燃燃烧室， Fe2O3颗粒经换热器回收余热后进入还原反应器再循环。
6.根据权利要求3所述的控制CO2排放的太阳能与甲醇燃料互补的化学链燃烧发电系 统，其特征在于，所述甲醇燃料部分预热后，进入太阳能集热_分解反应器，在中低温太阳 热能的驱动下，发生分解反应，产生合成气，合成气被预热后作为燃料进入补燃燃烧室，与 接收自旋风分离器的高温烟气，发生燃烧反应，放出大量的热，进一步提高燃气透平入口初 温，解决了因保证循环材料物理性能的稳定性，氧化反应温度受到限制，造成燃气透平入口 初温低的问题。
7.根据权利要求3所述的控制CO2排放的太阳能与甲醇燃料互补的化学链燃烧发电系 统，其特征在于，所述太阳能集热器采用抛物槽式聚光结构，结构简单，以线性聚焦方式将 低能流密度的太阳能聚集成高能流密度的中低温热能，与高温太阳能集热器相比，其聚光 比低，制造和运行成本大大降低，有利于大规模的推广和应用。
8.根据权利要求3所述的控制CO2排放的太阳能与甲醇燃料互补的化学链燃烧发电系 统，其特征在于，该系统合理利用中低温太阳能，用以驱动甲醇-Fe2O3还原反应和甲醇分解 反应，实现中低温太阳能向FeO和合成气的化学能转变，且以化学能形式储存在FeO和合成 气中的中低温太阳能，通过氧化反应和补燃，以高温热能的形式放出，完成中低温太阳能的 品位到高温热能品位的提升，且与直接燃烧相比反应放热量有所增加，增加部分即为反应 吸收太阳能的量。
9.根据权利要求3所述的控制CO2排放的太阳能与甲醇燃料互补的化学链燃烧发电系 统，其特征在于，该系统利用中低温太阳能，降低燃料的使用量，减少CO2的排放，同时由于 采用化学链燃烧，燃料的燃烧被分为还原反应和氧化反应两步进行，反应产生的CO2未被N2 稀释，CO2浓度高，经过简单冷凝可除去水蒸气，分离出CO2,此过程不需要专门的CO2分离装 置和额外能耗，实现CO2的零能耗分离，具有很高的经济和环境效益。
10.根据权利要求3所述的控制CO2排放的太阳能与甲醇燃料互补的化学链燃烧发电 系统，其特征在于，在无太阳能或太阳辐照强度较弱的情况下，该系统中的还原反应所需热 量由循环颗粒携带的显热提供，分解反应器及甲醇预热所需热量按照各过程所需能量品味 不同由烟气余热提供。
11.根据权利要求10所述的控制CO2排放的太阳能与甲醇燃料互补的化学链燃烧发电 系统，其特征在于，在无太阳能或太阳辐照强度较弱的情况下，利用烟气余热提供甲醇预热 和分解反应所需反应热，利用高温Fe2O3的显热提供还原反应过程所需反应热，确保系统在 无太阳能或太阳辐照强度较弱的条件下的连续运行。
全文摘要
本发明涉及太阳能热发电和能源技术领域，特别是一种控制CO2排放的太阳能与甲醇燃料互补的化学链燃烧发电系统及方法。该系统是中低温太阳能热化学过程与化学链燃烧动力循环的有机耦合，包括太阳能集热-还原反应器、太阳能集热-分解反应器、氧化反应器、补燃燃烧室、燃气透平、蒸汽透平、余热锅炉、热交换器等。利用本发明，实现不同品质能源互补的梯级利用，通过简单冷凝可实现CO2的零能耗分离，同时该燃烧方式将燃料品位降低到FeO的品位，从而降低了燃烧过程的损失，提高了系统的效率；通过太阳能热化学反应，实现了中低温太阳能品位的提升；通过补燃，解决了化学链燃烧动力系统因循环材料限制引起的燃气透平入口初温低的问题。
文档编号H02N6/00GK101888194SQ20091008403
公开日2010年11月17日 申请日期2009年5月13日 优先权日2009年5月13日
发明者刘启斌, 洪慧, 金红光, 隋军, 韩涛 申请人:中国科学院工程热物理研究所