一种基于生物质化学链气化和燃烧的发电系统及方法

本发明属于生物质发电，尤其涉及一种基于生物质化学链气化和燃烧的发电系统及方法。

背景技术：

1、二氧化碳等温室气体的大量排放导致的气候变暖等环境问题一直是全球关注的焦点。化石燃料是迄今造成全球变暖的主要原因，化石燃料燃烧产生的温室气体占全球温室气体排放的75％以上，占所有co2排放的近90％。为了缓解气候变化，降低碳排放，需要逐步减少对化石燃料的依赖，增加对可再生能源的利用率。

2、在各种可再生能源中，生物质储量丰富、分布广泛，有巨大的利用空间。通过气化等方式，生物质可以高效地转化为以co、h2为主的合成气，为电厂提供气体燃料。发展生物质发电对推进能源稳定供给和减少能源碳足迹具有十分重要的战略意义。

3、除了利用可再生能源发电，碳捕集及封存(carbon capture and storage，ccs)技术是降低电厂碳排放最可靠的选择之一。由于生物质具有碳中性的优点，将ccs技术应用于生物质电厂中有实现co2负排放的潜力。ccs技术主要包括燃烧前捕获技术、富氧燃烧技术、燃烧后捕获技术和化学链燃烧技术。其中，化学链技术通过对燃烧过程的控制达到富集co2的效果，使co2的分离更简单，且不会产生制取高纯度氧气的能耗，在提高发电系统效率上有一定潜力。化学链技术利用载氧体将燃烧所需的氧以晶格氧的形式传递，直接避免了燃料与空气的接触以实现co2内分离，co2捕集率将近100％。因此化学链技术是极具前景的碳捕获方式。化学链技术不仅适用于燃烧，在生物质气化方面的应用也广受关注。

4、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

5、(1)生物质等可再生能源储量丰富，但其转化效率和利用率尚未达到最优化。将生物质高效转化为能源，如合成气等，需要更先进的技术和更高的投资。

6、(2)当前的ccs技术存在成本高、能耗大等问题。虽然化学链技术在提高发电系统效率方面显示出潜力，但该技术在大规模应用和成本效益方面仍面临挑战。

7、(3)化学链技术作为一种新兴的碳捕获方法，其研究和应用还处于早期阶段。技术的成熟度、可靠性以及与现有系统的兼容性都需要进一步提高。

技术实现思路

1、为了实现高效的生物质能源发电，降低电力系统碳排放，本发明提供了一种基于生物质化学链气化和燃烧的发电系统，构建了化学链气化和化学链燃烧的生物质发电系统。基于生物质化学链气化和燃烧的发电系统可避免高纯度氧气使用，无需额外制氧功耗，同时可以实现近100％的碳捕获率，为促进可再生能源高效利用、缓解温室效应作出贡献。

2、本发明提供了一种基于生物质化学链气化和燃烧的发电系统，其独特之处在于集成了化学链气化系统、化学链燃烧系统和先进的发电系统。这一系统通过优化的化学链反应过程高效转换生物质能源，同时利用先进的气体处理和能量回收技术，有效提升了能源转换效率，降低了环境影响。特别是，该系统通过化学链气化和燃烧过程中的热力学优化，实现了更高的能源利用效率和更低的排放。

3、本发明是这样实现的，一种基于生物质化学链气化和燃烧的发电系统，包括：化学链气化系统、化学链燃烧系统和发电系统。

4、化学链气化系统具体包括分解器、第一燃料反应器、第一分离器、第一空气反应器、第二分离器、n2换热器；第一燃料反应器入口与分解器出口，第二分离器以及n2换热器的冷流股出口相连，第一燃料反应器出口与第一分离器入口相连；第一分离器的固体出口与第一空气反应器入口相连；第二分离器的入口与第一空气反应器出口相连，气体出口与n2换热器热流股入口相连，固体出口第一燃料反应器入口相连。

5、化学链燃烧系统包括第二燃料反应器、第三分离器、第四分离器、第二空气反应器；第三分离器入口与第二燃料反应器出口相连，固体出口与第二空气反应器入口相连；第四分离器入口与第二空气反应器出口相连，固体出口与第二燃料反应器入口相连。

6、发电系统包括化学链气化系统、化学链燃烧系统、换热器、第一冷却器、第一压缩机、第二压缩机、空气透平、烟气透平、余热锅炉、蒸汽透平、第二冷却器、h2o分离器、第三压缩机、co2冷凝器、co2分离器、第一分流器、第二分流器和合流器；换热器热流股入口与化学链气化系统中第一分离器的气体出口相连，冷流股入口与合流器出口相连，热流股出口与第一冷却器入口相连，冷流股出口与化学链气化系统中n2换热器的冷流股入口相连；第一压缩机入口与第一冷却器出口相连，出口与化学链燃烧系统中第二燃料反应器的入口相连；第二压缩机出口与化学链燃烧系统中第二空气反应器的入口相连；空气透平入口与化学链燃烧系统中第四分离器的气体出口相连，出口与余热锅炉入口相连；烟气透平入口与化学链燃烧系统中第三分离器的气体出口相连，出口与余热锅炉入口相连；余热锅炉出口的烟气进入第二冷却器，空气直接排出系统；余热锅炉设置三级蒸汽透平，利用烟气中的余热产生高温高压水蒸气，进一步膨胀做功；h2o分离器入口与第二冷却器出口相连，液体出口与第一分流器入口相连，气体出口与第三压缩机入口相连；co2冷凝器入口与第三压缩机出口相连，出口与co2分离器相连；co2分离器的液体出口与第二分流器入口相连，气体出口的流股排出系统；合流器入口与第一分流器和第二分流器的出口，出口与换热器冷流股入口相连。

7、进一步，载氧体可包括铁基、镍基、铜基、锰基和钴基等单金属载氧体以及它们组成的复合载氧体等。

8、进一步，余热锅炉汽水循环可采用单压、双压以及三压的形式。

9、进一步，生物质气化合成气可以与天然气或其他气体燃料混燃。

10、进一步，化学链燃烧系统中可以采取补燃措施，提高透平进气温度。

11、进一步，生物质化学链气化系统中的气化剂可以采用烟气中分离出的h2o、co2或h2o与co2的混合。

12、本发明的另一目的在于提供一种基于生物质化学链气化和燃烧的发电方法，包括:

13、步骤一：在化学链气化系统中，将生物质在分解器中进行初步处理，然后在第一燃料反应器中与气化剂和载氧体反应生成合成气，该过程涉及第一分离器、第一空气反应器、第二分离器、n2换热器的协同工作；

14、步骤二：在化学链燃烧系统中，使用第二燃料反应器进一步燃烧步骤一中生成的合成气，产生高温烟气，该过程涉及第三分离器、第四分离器和第二空气反应器的协同工作；

15、步骤三：在发电系统中，利用步骤二产生的高温烟气驱动透平发电，并通过余热锅炉、蒸汽透平等多级能量转换设备，最大化能量利用率；

16、步骤四：在化学链气化系统和化学链燃烧系统中，通过优化载氧体的循环和反应条件，有效提高生物质转化为合成气的效率和纯度；

17、步骤五：在发电过程中，通过先进的控制系统优化空气和燃料的供给，确保燃烧过程的稳定性和发电效率；

18、步骤六：实施co2捕集和封存技术，通过h2o分离器和co2冷凝器从烟气中分离并捕集co2，从而减少碳排放，实现环境友好的发电过程。

19、结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

20、第一，针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：

21、针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于生物质化学链气化和燃烧的发电系统，该系统气化和燃烧过程均通过载氧体承担释氧功能，无需使用高纯度氧气。化学链气化和燃烧技术的应用进一步降低了制氧功耗以及成本，同时达到近100％碳捕获。该系统有望为有效提升生物质发电系统效率、实现电厂负排放提供支持。发明的具体优点如下：

22、1.本发明利用生物质作为能量来源，有效降低发电系统的co2排放，增加了可再生能源利用率，对推动能源结构改革有重要意义。

23、2.本发明采用了生物质化学链气化技术，能够解决常规生物质气化中氧化过程的技术难题，即，氧化剂使用空气时，n2含量较高不利于气化合成气的热值提升，使用氧气时则需要额外的制氧功耗和成本。而化学链气化技术利用载氧体承担释氧功能，无需制备氧气，且不会降低气化合成气的热值。

24、3.本发明采用的化学链燃烧技术利用载氧体将燃烧所需的氧以晶格氧的形式传递，直接避免了燃料与空气的接触，以实现co2内分离，属于碳捕获率很高的ccs技术，且生物质具有碳中性的特质，因此化学链燃烧技术与生物质发电相集成有望实现电厂的负排放。

25、第二，本发明所提出的方案能够实现将近100％的co2捕获，相较于其他结合ccs技术的生物质发电系统，本发明具有发电效率高、成本较低的优点，有实现电厂高效负排放的潜力。

26、本发明将化学链技术与气化和燃烧过程相结合，避免了燃料与空气直接接触，且利用载氧体承担释氧功能，无需制取高纯度氧气，相较于传统富氧燃烧系统大大降低了功耗和成本，有助于提升生物质发电系统的效率。

27、本发明为传统生物质电厂的进一步节能降碳改造提供思路，有望提升生物质发电系统的经济收益和环境效益，更好地促进生物质发电产业发展。

28、第三，本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白：化学链气化和化学链燃烧是极具潜力的ccs技术，为优化生物质能源发电、降低大气co2浓度起到了有力的推动作用，然而目前相关的研究非常有限。因此本发明的技术方案填补了与生物质化学链气化和化学链燃烧的发电系统相关的技术空白，能够为基于化学链技术的电厂设计提供参考，对实现高效、经济的低碳发电有重要意义。

29、本发明的技术方案解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：本发明的技术方案解决了常规ccs技术的应用带来的电厂能耗和成本增加的难题。为了降低电厂碳排放，顺应节能减排的相关政策和发展规划，ccs技术的应用十分有必要。ccs技术主要包括燃烧前捕获技术、富氧燃烧技术、燃烧后捕获技术和化学链燃烧技术，其中富氧燃烧技术和化学链技术均通过对燃烧过程的控制达到富集co2的效果，使co2的分离更简单。而富氧燃烧技术的应用需要制备氧气，会产生额外的功耗和成本，不利于发电系统效率提升。相比之下，化学链技术则无需制氧，同时可以实现了很高的碳捕获，对实现节能减排、解决生物质发电系统效率低下等问题有重要意义。

30、本发明的技术方案克服了技术偏见：生物质发电与化学链技术相结合有望实现高效co2负排放，对电厂降碳有重要意义。目前生物质化学链气化的相关研究多集中于气化过程，缺乏对于发电领域的应用，生物质化学链燃烧发电系统的相关技术方案缺少与化学链气化技术相集成的研究。此外，为了进一步提升生物质发电效率，助力能源结构平稳过渡，可以将生物质与天然气进行耦合发电，同时应用ccs技术。现有的技术方案中，应用化学链技术的生物质与天然气耦合发电系统的相关说明还存在空白。本发明在提出应用化学链气化和化学链燃烧技术的生物质发电系统之外，还提供了基于化学链技术的生物质气化与天然气耦合发电的实施方案。因此本发明的技术方案克服了技术偏见，具有创造性。

31、第四，本发明基于生物质化学链气化和燃烧的发电系统带来的显著技术进步包括：

32、1)提高能源利用效率：

33、与传统的气化技术相比，化学链气化更够将生物质原料更高效地转化为气化合成气，且具有更小的能量损失，有效提高了能源利用效率。

34、2)减少环境污染：

35、系统采用生物质作为原料，相比化石燃料燃烧系统更为环境友好。此外，化学链气化和化学链燃烧技术的应用进一步控制了co2的排放，有利于缓解温室效应。

36、3)优化废物处理：

37、该系统能够有效地利用生物质废物作为能源，转换为有用的电力，从而减少了废物的填埋和不适当的处理。

38、4)增强系统稳定性和可靠性：

39、化学链技术的引入使得系统在操作过程中更加稳定，降低了运行过程中的故障率和维护成本。

40、5)技术创新和前瞻性：

41、该系统的设计和实施代表了在生物质能源转换和发电领域的重要技术创新，为未来可持续能源技术发展提供了新的方向。

42、6)增加经济效益：

43、提高能源转换效率和减少环境污染有助于降低长期运营成本，同时提供经济上更可行的能源解决方案。

44、本发明基于生物质化学链气化和燃烧的发电系统在提高能源利用效率、减少环境影响和提升系统稳定性方面展现出显著的技术进步，对推动可持续能源技术的发展具有重要意义。