一种基于太阳能辅助生物质气化的冷热电氨联产系统

本发明涉及可再生能源利用，尤其涉及一种基于太阳能辅助生物质气化的冷热电氨联产系统。

背景技术：

1、氨是一种应用于化工与现代农业中的重要原料。由于氨具有高能量密度、在液态时便于储存和运输、无碳排放和含氢量高等优点，被考虑作为一种可持续的未来能源载体。目前全球约90％的氨是通过哈伯-博世制氨工艺合成的，其中氢气在高温(400-450℃)和高压(15-25mpa)下与氮气发生催化反应。其次，生产氨的反应原料中96％的氢气由化石燃料产生，因此每生产一吨氨会产生约2.86吨二氧化碳。再者，哈伯-博世工艺所需的高压压缩占总投资成本的50％。此外，每吨氨产生1.9吨至16.7吨的二氧化碳。因此，开发低能耗、低二氧化碳排放和高效率的氨合成工艺是实现氨能源利用的基础。为了有效降低氨合成过程的能源消耗和二氧化碳排放，研究者们在开发新型制氨方法方面已经进行了大量研究。如有机金属催化、光催化、电化学方法、风耦合催化和化学链制氨工艺。通过采用电制氨工艺实现超过74％的最高系统效率，远高于生物质制氨(44％)和甲烷制氨(61％)，然而受限于电堆成本和电价，电转氨工艺目前经济性不高。然而，氢气的生产仍然是合成氨的一大挑战，反应热力学和动力学之间的矛盾仍然存在。针对现有的技术问题，如何提出一种基于生物能的化学链制氨与冷热电联产系统耦合的多联产系统是该技术领域亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本发明提供一种基于太阳能辅助生物质气化的冷热电氨联产系统，解决的技术问题在于：如何提供一种经济性较高的冷热电氨多联产系统。

2、为解决以上技术问题，本发明提供一种基于太阳能辅助生物质气化的冷热电氨联产系统，包括太阳能辅助生物质气化子系统、氨合成子系统、余热回收子系统和发电子系统；

3、所述太阳能辅助生物质气化子系统包括顺序连接的太阳能集热器、生物质气化器、气化产品分离器和固体氧化物燃料电池；所述太阳能集热器将太阳能转化成热能作用于所述生物质气化器；所述生物质气化器用于在热能作用下对输入的蒸汽、空气和生物质进行气化反应，得到气化产物输入所述气化产品分离器；所述气化产品分离器将输入的气化产物进行气固分离，并将得到的小部分气体产物输入所述固体氧化物燃料电池，得到的大部气化产物和固体产物分输入所述氨合成子系统；所述固体氧化物燃料电池接收小部分气体产物以产生直流电、氮气和第一烟气分别输入所述发电子系统、所述氨合成子系统和所述余热回收子系统；

4、所述氨合成子系统接收大部气化产物、固体产物、氮气，并加入三氧化二铝作为催化剂，加入水和空气，先进行吸氮反应，再进行释氮反应，得到氨气，得到包括氮气和一氧化碳的第一混合气体及热水输入所述发电子系统，得到以二氧化碳为主的第二混合气体输入所述余热回收子系统；

5、所述发电子系统利用输入的第一混合气体及热水进行发电，产生交流电，产生第二烟气输入所述余热回收子系统；

6、所述余热回收子系统接收所述发电子系统发电过程中产生的第二烟气、所述第一烟气和所述第一混合气体，并利用有机朗肯循环系统产生交流电输入所述发电子系统，以及产生第三烟气用于制冷制热。

7、具体的，所述余热回收子系统包括有机朗肯循环系统、双效吸收式制冷/制热机组和生活热装置，所述第二烟气、所述第一烟气和所述第一混合气体输入所述有机朗肯循环系统得到交流电和第三烟气分别输入所述发电子系统和所述双效吸收式制冷/制热机组，所述双效吸收式制冷/制热机组利用所述第三烟气进行制冷或制热，并得到第四烟气输入所述生活热装置；所述生活热装置利用所述第四烟气对常温水进行加热。

8、具体的，所述氨合成子系统包括吸氮反应模块、除碳模块和释氮反应模块；所述吸氮反应模块包括合成气燃烧反应器、空气压缩机、第一换热器、吸氮反应器、第一气固分离器；所述空气压缩机将空气压缩进所述合成气燃烧反应器，所述合成气燃烧反应器将所述大部气化产物在空气中进行燃烧产生热能作用于所述第一换热器，所述第一换热器在所述合成气燃烧反应器产生的热能作用下将所述气化产品分离器产生的固体产物和所述固体氧化物燃料电池产生的氮气和三氧化二铝进行加热后输入所述吸氮反应器仅将剩余热能输入所述释氮反应模块；吸氮反应器进行吸氮反应，后将气固混合产物输入所述第一气固分离器中进行气固分离，得到包括氮气和一氧化碳的第一混合气体和包括碳、氮化铝和三氧化二铝的第一混合固体分别输入所述发电子系统和所述除碳模块；

9、所述除碳模块用于除去所述第一混合固体中的碳得到包括碳和氮化铝的第二混合固体输入所述释氮反应模块；

10、所述释氮反应模块用于释放所述第二混合固体中氮化铝中的氮生成氨气。

11、具体的，所述除碳模块包括第二换热器、除碳反应器、第二气固分离器，所述第二换热器的第一输入端接收所述第一气固分离器得到的第一混合固体和空气，所述第二换热器的第二输入端接收常温水，所述第二换热器的第一输出端输出第一混合固体和空气至所述除碳反应器，所述第二换热器的第二输出端输出热水至所述释氮反应模块；所述除碳反应器用于在空气下燃烧所述第一混合固体，并将所得输入所述第二气固分离器；所述第二气固分离器将包括二氧化碳和剩余空气成分的第二混合气体输入所述有机朗肯循环系统，将包括氮化铝和三氧化二铝的除碳固体输入所述释氮反应模块。

12、具体的，所述释氮反应模块包括第三换热器、释氮反应器和蒸馏塔，所述第三换热器的第一输入端接收所述除碳固体和所述第二换热器输出的热水，所述第三换热器的第二输入端接收所述第一换热器输出的热能，所述第三换热器的第一输出端输出水蒸汽和所述除碳固体至所述释氮反应器，所述第三换热器的第二输出端输出第五烟气至所述发电子系统；水蒸汽和所述除碳固体在所述释氮反应器中进行反应，得到液相产物输入所述蒸馏塔，同时得到固相产物三氧化二铝；所述蒸馏塔对所述液相产物进行蒸馏，得到氨气。

13、具体的，所述吸氮反应器中的吸氮反应用化学反应式表示为：

14、al2o3+3c+n2→2aln+3co

15、其中，al2o3为三氧化二铝的化学式，c为碳的化学式，n2为氮气的化学式，aln为氮化铝的化学式，co为一氧化碳的化学式；

16、所述释氮反应器的释氮反应用化学反应式表示为：

17、2aln+3h2o→al2o3+2nh3

18、其中，h2o为水的化学式，nh3为氨气的化学式。

19、具体的，所述发电子系统包括发电机和公共电网，所述发电机接收所述第三换热器输出的热水和所述第一混合气体用于发出交流电输入所述公共电网，并将发电中产生的烟气输入所述有机朗肯循环系统。

20、具体的，所述有机朗肯循环系统包括蒸发器、微型燃气轮机、冷凝器和有机工质泵，所述有机朗肯循环系统中的有机工质为f245fa、异戊烷、异己烷、甲苯、环己烷中的至少一种。

21、具体的，所述太阳能集热器为所述生物质气化器提供200℃的温度；所述第一换热器为所述吸氮反应器提供1500℃～1800℃的温度；所述第二换热器为所述除碳反应器提供950℃的温度；所述第三换热器为所述释氮反应器提供800℃～1000℃的温度。

22、具体的，所述气化产品分离器分离得到的气体产物80％输入所述合成气燃烧反应器，20％输入所述固体氧化物燃料电池。

23、本发明提供的一种基于太阳能辅助生物质气化的冷热电氨联产系统，包括太阳能辅助生物质气化子系统、氨合成子系统、余热回收子系统和发电子系统，太阳能辅助生物质气化子系统主要用于产生热能和氮气供给氨合成子系统，氨合成子系统用于根据氮气和水生成氨气，发电子系统用于将太阳能辅助生物质气化子系统产生的直流电转化成交流电以及根据氨合成子系统输出的烟气和第一混合气体进行发电，余热回收子系统主要用于将其他三个系统产生的余热进行回收，用于制冷、制热、发电。本发明将氨合成子系统、太阳能辅助生物质气化子系统、余热回收子系统和发电子系统结合在一起，配置合理，能够充分发挥冷热电氨联产系统中各个子系统的特点，实现了生物能的梯级利用，提高了生物能的利用率，形成了输出有电、热、冷和氨的联产系统，提高了太阳能驱动生物质气化实现冷热电氨联产系统的效率和稳定性，提高了系统的灵活性，降低了氨合成的碳排放，适用于小型工业、商业及民用场景。