[发明专利]太阳能风能与燃气互补联合制氢制甲烷循环热发电装置

说明书

本发明太阳能风能与燃气互补联合制氢制甲烷循环热发电装置充分利用太阳能风能等可再生能源与半闭式超临界二氧化碳燃气布雷顿热发电系统实现互补循环发电；主要利用太阳能风能产生的电力对系统发电产生的水进行电解制氢制氧，对排出物二氧化碳进行加氢甲烷制备，而氧气用于半闭式超临界二氧化碳燃气布雷顿热发电系统对天然气或自产甲烷气进行助燃，充分混合的高温燃气和超临界二氧化碳动力工质共同驱动涡轮透平做工发电；系统冷凝和甲烷化制备排出的水经收集不仅用于电解制氢，多余的水用于清洗太阳能镜场或光伏板。该装置依靠可再生能源实现循环热发电，为替代化石能源发电奠定技术基础。该发明属太阳能热发电和高温热化学跨学科技术领域。

技术领域

本发明太阳能风能与燃气互补联合制氢制甲烷循环热发电装置充分利用太阳能风能等可再生能源发电并与半闭式超临界二氧化碳燃气布雷顿热发电系统实现互补；特别是利用太阳能风能产生的电力对系统发电产生的水进行电解制氢制氧，对排出物二氧化碳进行加氢甲烷制备，而氧气用于半闭式超临界二氧化碳燃气布雷顿热发电系统对天然气或自产甲烷气进行助燃，充分混合的高温燃气和超临界二氧化碳动力工质共同驱动涡轮透平做工发电；系统冷凝和甲烷化制备排出的水经收集不仅用于电解制氢，多余的水用于清洗太阳能镜场或光伏板。该装置依靠可再生能源实现循环热发电，为替代化石能源发电奠定技术基础。该发明属太阳能热发电和高温热化学跨学科技术领域。

背景技术

超临界二氧化碳布雷顿热发电是当代能源领域待突破的前沿技术，该技术一旦大规模应用将改变人类对能源的利用方式，特别是半闭式超临界二氧化碳布雷顿燃气热发电技术可以全部回收排出物二氧化碳，并将其作为资源充分利用，进而实现法国科学家PaulSabatier在1902年提出的一个设想，这个设想就是在一定温度和压力下按比例混合二氧化碳和氢气催化反应生成水和甲烷，然后将甲烷加氧混合燃烧再生成二氧化碳和水，同时借助太阳能电解水制氢，再利用二氧化碳加氢制甲烷实现循环利用。百年来人们为实现这一梦想不懈努力，特别是进入20世纪60年代以来二氧化碳加氢制甲烷以及制甲醇等技术逐步实现工业化。基于此“全球二氧化碳循环策略系统”对Paul Sabatier设想进行了完善，其技术路线包括三步，第一步用太阳能或风能发电然后电解水产生氢气和氧气；第二步二氧化碳加氢反应生成甲烷；第三步，生成的甲烷与氧气混合作为动力燃料消耗再生成二氧化碳和水如此循环往复，其核心就是利用太阳能发电制氢和二氧化碳催化加氢甲烷化反应，当然更重要的还有二氧化碳的获取，虽然目前的碳捕获技术可以从化石能源燃烧或提炼后的产物中获取二氧化碳，但成本依然很高，因此寻找可再生的碳源和低成本碳捕获就成了很现实的问题。类似的二氧化碳加氢制甲烷以及制甲醇等技术如US5128003、CN102549121、CN104025356等专利文献有很多，这些专利技术虽然在二氧化碳加氢甲烷化和利用可再生能源电力制氢上有独到见解，在“整体加氢甲烷化联合循环”(IHCC)上有创新，但选择碳源很传统，而且多选择传统锅炉燃烧化石能源或使用开式燃气发电技术回收二氧化碳，这些技术显然无法回避排放和回收二氧化碳的成本问题。又如公开专利201710515869.3也是如此，二氧化碳的获取仍来自电厂使用化石燃料的燃气回收。但是随着半闭式超临界二氧化碳布雷顿热发电技术的出现和实验成功，客观上为实现上述策略带来曙光，因为半闭式超临界二氧化碳燃气布雷顿热发电在使用烷烃类气体如天然气、甲醇气、沼气、合成气混合纯氧燃烧过程中可对排出物水和二氧化碳进行全部回收再利用，因此作者曾试图在专利201310180460.2和201610856317.4中将该技术与太阳能热发电实现互补，以弥补太阳能热发电不稳定不连续的缺陷，同时克服燃气发电存在的污染物排放问题。美国专利US3736745较早揭示了半闭式超临界二氧化碳燃气布雷顿热发电的技术原理，该专利文献曾主张采用氧气与天然气混合以降低燃烧温度，而将排出物二氧化碳作为动力介质用于再循环，美国专利US5724805和US6622470则分别主张在半封闭超临界二氧化碳燃气布雷顿循环中采用纯氧或空气助燃，采用空气的优点是降低发电成本，缺点是排出物含氮氧化物。目前正在积极推进该技术产业化的是2016年在美国德克萨斯拉博德市建立的25兆瓦以天然气为燃料的半闭式超临界二氧化碳燃气布雷顿热发电站，其试验目标是实现化石能源无碳排放发电，采用空分设备获取氧气，研究的方向显然与上述“全球二氧化碳循环策略系统”背道而驰。目前检索到该项目在我国的授权专利如201180016993.6以及其后申请的若干专利还在不断改进中。2018年初美国麻省理工学院将该技术列为年度十大发明之一，认为该技术有可能改变世界能源格局。半闭式超临界二氧化碳燃气布雷顿热发电相比开式燃气发电的优势是排出物为水和二氧化碳且完全回收再利用。在我国最早采用半闭式超临界二氧化碳燃气布雷顿热发电技术的专利CN02107780.0是由中科院工程热物理研究所提出的，其目标主要针对我国日益增长的进口液化天然气，主张采用空气助燃，同时利用液化天然气的冷能进一步提高燃气发电效率。