[发明专利]中低温太阳热能品位提升与CO2一体化分离的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及能源技术领域，特别是一种中低温太阳热能品位提升与CO₂一体化分离的方法及装置。

背景技术

目前与本发明相关的技术主要包括中低温太阳能利用技术、膜反应器技术以及能源系统中CO₂的分离技术，其各自技术的发展状况及特征如下：

1.中低温太阳能利用技术

鉴于化石能源的有限性及其利用过程中产生污染的严重性，对新型洁净能源(如太阳能、风能、地热能等)的有效利用成为可持续发展的一个重要方面。近年来，太阳能以其独具的储量无限性、存在的普遍性、开发利用的清洁性以及逐步提升的经济性等优势获得广泛关注，成为解决能源短缺、环境污染和温室效应的有效途径之一。

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。但是一方面太阳能能量密度低、时空分布不连续，需配置庞大而昂贵的蓄能装置；另一方面太阳能集热效率随着集热温度增加而减小，而动力循环热转功效率的增长又需要以工质初温的提高为基础，这一矛盾使太阳能热发电效率难以提高(现仅10％左右)，也由此造成了较高的太阳能发电成本，严重制约了光热发电大规模发展和工程应用。目前太阳能热发电技术以及新兴的热化学能量转换技术(如天然气重整的热化学能量转化系统等)研究多集中在高温太阳热能的转化和利用，且多为高温集热和热化学转换等部件性能的提高和相关新材料的研发。1000℃以上的高温集热无不以设备复杂、投资成本高和光热转换效率低为代价。

相对而言，当前300℃以下的中低温太阳能热利用技术以其良好的集热性能和经济简单的集热装置获得大规模商业化。这个温度范围的集热器，聚光比低，集热性能良好，集热效率一般能达到60％以上，有效避免了高温太阳能能量转化系统的高成本代价。然而，工质的温度越低，实现热功转换越难，目前对中低温热能的直接利用尚缺乏行之有效的技术。而常规能源利用系统技术和工艺已日臻完善，如先进的联合循环工质初温已经达到1600℃。设想太阳能等可再生能源如果得以在常规能源系统中实现能量转换和释放，不但可以替代部分化石能源消耗，减少相应的污染物排放，更将极大地提高可再生能源能量释放品位和热转功效率，同时缓解其不稳定、不连续的供给难题。中低温太阳能和化石燃料的互补梯级利用有望为同时解决太阳能能量转化效率低和实现化石燃料的清洁利用提供一条全新的途径。

多能源互补系统中，中低温太阳能可以和热力系统中某些物理吸热过程相集成(热集成)，如蒸发过程、回热过程；也可以和某些吸热化学反应相集成(热化学集成)，如热解反应和重整反应等。前者如N.Lior和K.Koai提出的蒸汽朗肯循环互补系统，低温段工质水吸收约100℃太阳能热量蒸发，高温段化石燃料燃烧提供热量使蒸汽过热，形成不同热源在不同温度段的匹配利用，太阳能热输入份额高达80％，系统热效率可达18％。后者如H.Hong和H.Jin提出的一种中低温太阳能与化石燃料热化学互补的联合循环系统，利用甲醇燃料在中低温条件下的热解特性，以200～300℃的太阳能驱动甲醇热解吸热反应，生成以H₂和CO为主要成分的合成气，从而使低品位太阳能转化为高品位合成气化学能；合成气驱动燃气-蒸汽联合循环作功，实现了中低温太阳能品位的提升和其在动力系统中的高效转化。其案例分析中，太阳能热输入比例为18％，太阳能发电净效率和系统效率分别达到35％和60.7％，但该计算忽略了透平叶片冷却影响。又如N.Zhang提出的一种太阳能品位间接提升的系统，中低温太阳能首先通过热集成提供甲烷重整反应所需蒸汽的汽化潜热，所产生的蒸汽再与甲烷发生高温重整反应，在热化学反应中，低品位太阳能以蒸汽内能为载体，转化为高品位合成气化学能，实现了品位的间接提升，之后合成气驱动燃气循环作功，最终实现了太阳能的高效热功转换。与常规化学回热循环相比，化石能源节约率达20％～30％。

2.膜反应器技术