太阳能风能与燃气互补热发电副产化肥装置

太阳能风能与燃气互补热发电副产化肥装置

　　技术领域

　　本实用新型太阳能风能与燃气互补热发电副产化肥装置将槽式太阳能热发电技术有机嫁接在半闭式超临界二氧化碳纯氧燃气布雷顿热发电系统中，以实现互补储热循环发电，同时利用自身和风电光伏等可再生能源电力对纯氧燃气发电产生的水进行电解制氢制氧，利用空分装置制取氧气和氮气，氧气供纯氧燃烧发电，氮气与氢气混合进行氨制备，氨与二氧化碳作原料进行碳酸氢铵或尿素制备，或二氧化碳加氢进行碳烃及衍生芳烃产品制备。该实用新型属太阳能热发电和高温热化学跨学科技术领域。

　　背景技术

　　全球变暖已成为制约人类社会可持续发展的重要障碍，温室气体排放将导致全球平均气温上升，引发极端灾害性天气频发。在众多温室气体中二氧化碳是最主要的温室气体，因此国际社会针对二氧化碳减排尚在不懈努力。但是二氧化碳除了具有危害性一面，还是一种储量丰富的“碳源”，而碳是人类须臾不可离开的，包括各种含碳食品、含碳燃料、烃类化工产品等。因此将其“变废为宝”，不仅能缓解碳排放引发的温室效应，还可实现二氧化碳循环利用。但是如何将其变为资源呢？首先是如何获取，目前的二氧化碳捕集技术成本依然很高，不具有经济性，而能源领域早期出现的零碳排放纯氧燃气发电技术也即半闭式超临界二氧化碳布雷顿纯氧燃气热发电技术重新进入人们视野，这一技术的核心是利用氧气和甲烷混合燃烧，产出物为水和二氧化碳，经汽水分离后二氧化碳可全部回收并加以利用。客观说，我国在零碳排放半闭式超临界二氧化碳纯氧燃气布雷顿热发电技术的研究上尚未真正起步。

　　实现太阳能、风能与燃气互补循环热发电，同时制取氢气是目前能源领域的前沿课题，其目的是充分利用可再生能源辅之以较少的化石能源获得完全清洁的无碳排放电力，显然，一旦将回收的二氧化碳与可再生能源电解水制取的氢气混合制甲烷重复利用，即可实现“终极能源”这一百年梦想。再进一步，如果将空分设备制取的氮气与氢气混合制取氨，再与二氧化碳混合制备碳酸氢氨、尿素等化工产品，不仅可舍弃石脑油或煤炭制取碳氨类化肥的生产工艺，也有利降低制造成本，而无需排放危害人类的温室气体。

　　发明内容

　　本实用新型太阳能风能与燃气互补热发电副产化肥装置所要解决的技术问题是针对专利201310180460.2、201610856317.4、201810585123.4、20181043091.6、201911153233.4中提出的太阳能热发电与半闭式超临界二氧化碳纯氧燃气布雷顿热发电实现互补的技术进行改进，以实现在发电的同时利用电解水制取的氢气，空分设备制取的氮气和回收的二氧化碳副产碳氨或烃类石化产品。

　　本实用新型是通过以下技术方案实现的：

　　所述太阳能风能与燃气互补热发电副产化肥装置包括槽式太阳能热发电系统，主要由聚光阵列及其控制装置、储热罐、传热介质、蒸发器、压力泵组成；风电系统，光伏发电系统；半闭式超临界二氧化碳纯氧燃气布雷顿热发电系统，由主涡轮透平、副涡轮透平、燃烧室、回热器、换热器、主压气机、副压气机、冷凝器、汽水分离装置、二氧化碳气包、储水罐；发电机组；压力泵、三通阀、二氧化碳气体管道；燃气储气柜，天然气接口；控制系统组成；电解水制氢和甲烷制备装置，含氧气储罐、氢气储罐、换热器、冷凝器、空分机组、氮气储罐、氩气储罐；压力泵；蒸汽朗肯循环发电系统含蒸发器，涡轮透平、发电机组、冷凝器、压力泵、除氧装置；为交流电配置的电源整流器以连接电解水制氢装置；碳烃制备、氨制备及碳酸氢氨、尿素生产设备，其特征在于：槽式太阳能聚光阵列出口通过三通阀连接高温换热器的进口，同时连接储热罐进口，对应的高温换热器出口连接三通阀进口，三通阀两个出口分别连接储热罐进口和蒸发器进口，储热罐出口通过三通阀分别连接两个压力泵的进出口，其中蒸发器出口连接压力泵进口，压力泵出口与储热罐出口的三通阀一端连接，三通阀另一端出口连接压力泵进口，压力泵出口连接槽式太阳能聚光阵列进口，完成光热转换和互补储热循环；蒸发器蒸汽发生端出口连接换热器过热蒸汽进口端，其出口顺序连接蒸汽涡轮透平、冷凝器、压力泵以及补水三通阀和蒸发器，实现蒸汽朗肯循环发电；所述半闭式超临界二氧化碳燃气布雷顿热发电系统的燃烧室一端出口连接主、副涡轮透平进口，主涡轮透平同轴驱动发电机，主涡轮透平出口连接换热器一端进口，换热器出口连接回热器出口和冷凝器进口，冷凝出口连接汽水分离装置，汽水分离装置出口分别连接储水罐和二氧化碳汽包；二氧化碳汽包出口分别连接压气机进口和压力泵进口，压力泵出口分别连接碳烃制备、氨制备及碳酸氢氨、尿素生产设备进口；压气机出口连接回热器进口，回热器出口连接换热器进口，对应的出口连接燃烧室进口，以输送加压后的高温二氧化碳气；燃烧室另两个进口分别连接氧气罐出口和存储天然气的储气柜出口，副涡轮透平同轴带动发电机和压气机运转；汽水分离的水进入储水罐，储水罐一端连接压力泵，压力泵出口连接换热器进口，相对应的出口连接电解水制氢装置进行电解制氢制氧；制取的氧气和空分装置制备的氧气通过气体管道连接氧气储罐，氧气储罐出口连接至燃烧室与甲烷混合燃烧；制取的氢气通过氢气储罐和气体管道分别连接碳烃制备、氨制备及碳酸氢氨、尿素生产设备进口；储气柜另一进口连接天然气输送管道；储气柜出口连接燃烧室，输送天然气或与甲烷气两者的混合气体；燃烧室出口连接主、副涡轮透平进口，实现半闭式超临界二氧化碳燃气布雷顿互补热发电循环；电解水制氢装置连接电源整流器，电源整流器接收来自太阳能、风能或其他可再生能源电力，或电网超负载过剩电力；储水罐另一端或接入朗肯蒸汽热发电装置进行补水；空分装置出产的氮气存氮气储罐，氮气储罐和氢气储罐出口连接氨制备装置，氨制备的氨气或液态氨或作为商品原料直接输出，或分别连接碳酸氢铵和尿素生产设备生产碳氨类化肥或烃类化工产品；

　　本装置另一运行模式即在上述装置中不设置槽式太阳能热发电系统，但保留蒸汽透平发电装置，其特征在于：来自储水罐的水工质经压力泵连接蒸发器进口，经高温气化后成过热蒸汽直接驱动蒸汽透平做功发电，蒸汽透平出口排出的蒸汽与来自主压气机经回热器升温加压后的二氧化碳气混合，一同进入燃气室与来自氧气储罐的纯氧和天然气或甲烷气混合燃烧，产生的高温混合气体同时驱动超临界二氧化碳布雷顿热发电系统的主、副涡轮透平做功，来自主涡轮透平的高温混合气通过蒸发器换热以驱动蒸汽透平做功发电，蒸汽透平出口排出的高温蒸汽与来自回热器的二氧化碳气混合后进入燃烧室；蒸发器出口与副涡轮透平排出的高温气体一起经回热器进入冷凝器，冷凝产生的混合气进入汽水分离装置，分离出的水进入储水罐，分离出的二氧化碳气进入二氧化碳汽包，其中一部分作为动力工质进入主压气机，经主压气机提升压力后经回热器升温升压，并于来自蒸汽涡轮透平排出的蒸汽混合再次进入燃烧室；经副压气机加压后的二氧化碳分别进入加氢甲烷化制备装置、碳酸氢铵和尿素生产设备；储水罐一端连接压力泵，压力泵出口分别连接蒸发器一端进口和电解水制氢装置，电解水制取的氢气送氢气储罐，并分别送甲烷制备装置、氨制备装置、碳酸氢铵和尿素生产设备。

　　1)所述槽式太阳能热发电系统可用塔式、菲涅尔式、碟式太阳能热发电系统替代；

　　2)所述储热罐系填充式储热装置，填充物包括陶瓷、花岗岩、玄武岩、火成岩、石英岩或其混合物；或回收的具有较高导热系数的金属冶炼废渣，包括铁渣、钢渣、铝渣、铜渣，制作成型放置在储热罐中；或成型的耐高温水泥储热装置；或在陶瓷或金属容器中存放的熔盐；

　　3)所述传热介质为导热油、或高温硅油、或低结晶点熔盐；

　　4)所述电解水制氢装置为固体氧化物电解制氢装置(SOEC)；或聚合物(SPE)制氢设备；或高温电解水制氢装置；或碱性电解水制氢装置；

　　5)所述天然气可用沼气、煤层气、煤制气、生物质气、合成气、可燃冰气作替代；或烷烃类液态燃料包括甲醇、乙醇、二甲醚、液化天然气、液化石油气替代。

　　本装置最大技术特点是充分利用半闭式超临界二氧化碳燃气布雷顿热发电系统燃烧纯氧高效发电的优势，为槽式太阳能热发电系统提供互补热源，而系统产生的水则直接用于蒸汽发电补水和聚光镜清洗，同时借助纯氧燃烧回收的二氧化碳与可再生能源制备的氢气进行甲烷化制备，最终实现以可再生能源为主体的零碳排放循环热发电。该技术另一优势是利用空分装置副产的氮气与氢气混合进行氨制备，进而与二氧化碳混合制备碳酸氢铵、尿素等化肥，或副产烃类化工产品。由于该装置出产的氢气、氧气、二氧化碳均来自热化学或电化学直接反应，其纯度远高于石脑油或煤制气制取工艺，有利合成优质化肥，或衍生烃类化学品，最终实现人工二氧化碳自然循环。该技术还特别有利于降低太阳能热发电站的初始投资和单位发电成本，增强太阳能热发电参与电网调频调峰和作为电网基荷电源的能力。简化后的第二种运行模式虽然不设置太阳能热发电系统，但保留蒸汽透平发电，可进一步提高总体热循环效率，同时副产众多化工产品有益于提高该装置总体经济效益。

　　附图说明

　　图1是本实用新型太阳能风能与燃气互补热发电副产化肥装置运行模式一示意图

　　图2是本实用新型太阳能风能与燃气互补热发电副产化肥装置运行模式二示意图

　　其中：1槽式太阳能热发电聚光阵列、2蒸发器、3储热罐、4换热器、5三通阀、6二氧化碳气体传热管道、7风力发电或光伏发电系统、8电解水制氢装置、9二氧化碳加氢甲烷化制备装置、10氧气储罐、11燃烧室、12回热器、13储气柜、14储水罐、15二氧化碳气包、16主压气机、17主涡轮透平、18冷凝器、19汽水分离装置、20蒸汽朗肯循环涡轮透平、21压力泵、22副涡轮透平、23副压气机、24氢气储罐、25空分装置、26氮气储罐、27电源整流器、28氨制备、29碳酸氢铵制备、30尿素制备、31碳烃制备

　　具体实施方式

　　槽式太阳能聚光阵列1出口通过三通阀5连接高温换热器4的进口，同时连接储热罐3进口，对应的高温换热器4出口连接三通阀5进口，三通阀5两个出口分别连接储热罐3进口和蒸发器2进口，储热罐3出口通过三通阀5分别连接两个压力泵21的进出口，其中蒸发器2出口连接压力泵21进口，压力泵21出口与储热罐3出口的三通阀5一端连接，三通阀5另一端出口连接压力泵21进口，压力泵21出口连接槽式太阳能聚光阵列1进口，完成光热转换和互补储热循环；蒸发器2蒸汽发生端出口连接换热器4过热蒸汽进口端，其出口顺序连接蒸汽涡轮透平20、冷凝器18、压力泵21以及补水三通阀5和蒸发器2，实现蒸汽朗肯循环发电；所述半闭式超临界二氧化碳燃气布雷顿热发电系统的燃烧室11一端出口连接主、副涡轮透平17、22进口，主涡轮透平17同轴驱动发电机，主涡轮透平17出口连接换热器4一端进口，换热器4出口连接回热器12出口和冷凝器18进口，冷凝18出口连接汽水分离装置19，汽水分离装置19出口分别连接储水罐14和二氧化碳汽包15，二氧化碳汽包15出口分别连接主压气机16进口和压力泵21进口，压力泵21出口分别连接碳烃制备31、氨制备28及碳酸氢氨29、尿素生产设备30进口；主压气机16出口连接另一端回热器12进口，回热器12出口连接换热器4进口，对应的出口连接燃烧室11进口，以输送加压后的高温二氧化碳气，燃烧室11另两个进口连接氧气罐10出口和存储天然气的储气柜13出口，副涡轮透平22同轴带动压气机16运转，副涡轮透平22出口连接回热器12进口；汽水分离的水进入储水罐14，储水罐14一端连接压力泵21，压力泵21出口连接换热器4进口，相对应的出口连接电解水制氢装置8进行电解制氢制氧；制取的氧气和空分装置25制备的氧气通过气体管道连接氧气储罐10，氧气储罐10出口连接至燃烧室11与甲烷混合燃烧；制取的氢气通过氢气储罐24和气体管道分别连接碳烃制备31、氨制备28及碳酸氢氨29、尿素生产设备30进口；储气柜13另一进口连接天然气输送管道；储气柜13出口连接燃烧室11，输送天然气或与甲烷气两者的混合气体；燃烧室11出口连接主、副涡轮透平17、22进口，实现半闭式超临界二氧化碳燃气布雷顿互补热发电循环；电解水制氢装置8连接电源整流器27，电源整流器27接收来自太阳能、风能或其他可再生能源电力，或电网超负载过剩电力；储水罐14另一端或接入朗肯蒸汽热发电装置进行补水；空分装置25出产的氮气存氮气储罐26，氮气储罐26和氢气储罐24出口连接氨制备装置28，氨制备28的氨气或液态氨或作为商品原料直接输出，或分别连接碳酸氢铵29和尿素生产设备30生产碳氨类化肥或烃类化工产品。

　　本装置另一运行模式即在上述装置中不设置槽式太阳能热发电系统1，但保留蒸汽透平20发电装置，来自储水罐3的水工质经压力泵21连接蒸发器2进口，经高温气化后成过热蒸汽直接驱动蒸汽透平20做功发电，蒸汽透平20出口排出的蒸汽与来自主压气机16经回热器12升温加压后的二氧化碳气混合，一同进入燃烧室11与来自氧气储罐10的纯氧和天然气或甲烷气混合燃烧，产生的高温混合气体同时驱动超临界二氧化碳布雷顿热发电系统的主、副涡轮透平17、22做功，来自主涡轮透平17的高温混合气通过蒸发器2换热以驱动蒸汽透平20做功发电，蒸汽透平20出口排出的高温蒸汽与来自回热器12的二氧化碳气混合后进入燃烧室11；蒸发器2出口与副涡轮透平22排出的高温气体一起经回热器12进入冷凝器18，冷凝产生的混合气进入汽水分离装置19，分离出的水进入储水罐14，分离出的二氧化碳气进入二氧化碳汽包15，其中一部分作为动力工质进入主压气机16，经主压气机16提升压力后经回热器12升温升压，并于来自蒸汽涡轮透平17排出的蒸汽混合再次进入燃烧室11；经副压气机23加压后的二氧化碳分别进入加氢甲烷化制备装置9、碳酸氢铵29和尿素生产设备30；储水罐14一端连接压力泵21，压力泵21出口分别连接蒸发器2一端进口和电解水制氢装置8，电解水制取的氢气送氢气储罐24，并分别送甲烷制备装置9、氨制备装置28、碳酸氢铵29和尿素生产设备30。

　　本实用新型不限于上述例举范围，只要不背离本实用新型创意原则或等同变换应用范围，均在本实用新型保护范围之内。