[发明专利]集成太阳能甲烷干式重整的富氧燃烧二氧化碳发电系统

说明书

本发明公开了属于太阳能辅助火力发电领域的一种集成太阳能甲烷干式重整的富氧燃烧二氧化碳发电系统。该系统主要由太阳能重整反应器、多流换热器、压缩机、燃烧室、透平、回热器、空气分离装置等部分组成。在该系统中，聚集的高温太阳能为甲烷二氧化碳催化重整反应提供热量，产生的合成气富氧燃烧直接加热驱动超临界二氧化碳发电，燃烧产物可从尾气中分离；火力发电产生的二氧化碳可用于燃料合成，进行资源化利用；系统通过增设多流换热器、低压透平，实现热量和压力的高效回收。该系统通过燃料侧集成太阳能，可减少太阳能波动对动力循环的影响；同时通过富氧燃烧直接加热的超临界二氧化碳动力循环，实现碳基燃料发电零排放。

技术领域

本发明属于太阳能辅助火力发电领域，特别涉及一种集成太阳能甲烷干式重整的富氧燃烧二氧化碳发电系统，具体说是一种太阳能驱动的甲烷与二氧化碳催化重整反应集成于富氧燃烧直接加热的超临界二氧化碳发电系统。

背景技术

太阳能具有分布广泛、储量丰富、清洁可再生等优良特性，被视为最有前景的绿色能源之一；同时，太阳能的波动性、间歇性制约着太阳能的发展。将太阳能集成到火力发电被认为是近中期一种高效利用太阳能热的有效途径。通常，太阳能通过加热循环工质(如给水、蒸汽、空气等)的方式辅助火力发电，不仅可以达到较高的热电转化效率，而且能有效减小太阳能间歇性对电力输出的影响；然而，太阳能的输入份额受系统参数的制约，为提高太阳能输入份额，往往需要复杂的系统调节措施或高效的储能手段。从燃料侧集成太阳能有望进一步增加太阳能的输入份额，并且通过燃料对太阳能进行稳定的化学储能，减少太阳能波动性对动力循环热力性能的影响。

甲烷二氧化碳重整反应，又称为甲烷干式重整，是一个高强度吸热的过程，为太阳能燃料侧集成提供了条件。甲烷干式重整是在高温催化条件下，天然气的主要成分甲烷与二氧化碳发生重整反应，生成高热值合成气；太阳能驱动重整反应可有效转化成合成气中稳定的化学能，并可通过高参数的动力循环进行高效利用。将甲烷二氧化碳重整产生的合成气用于传统的燃气轮机发电，虽然可以达到较高的能量利用效率，并且由于太阳能的输入可有效降低碳排放；但是仍然无法避免二氧化碳及其他污染物的排放，而且甲烷干式重整反应需要二氧化碳作为反应物，往往需要增加额外的捕碳设备。

富氧燃烧直接加热驱动的超临界二氧化碳动力循环可从排气中直接分离获取二氧化碳，实现碳基燃料零排放发电。在该动力循环中，含碳燃料与氧气燃烧，直接加热超临界二氧化碳，产生的高温高压烟气进入透平做功发电，透平排气通过回热器、冷却器等降温冷却，分离出燃烧产生的水分及酸性气体；脱水后的高浓度二氧化碳通过压缩机加压后可方便的分离出燃烧产生的二氧化碳。该动力循环无需复杂的捕碳设备，采用富氧燃烧方式实现碳基燃料发电零排放；并且利用超临界二氧化碳在临界点附近压缩耗功小以及采用回热手段，提高发电效率。若直接加热的超临界二氧化碳动力循环与太阳能驱动的甲烷干式重整集成，不仅可在保证高效发电的前提下实现零排放，而且动力循环产生的二氧化碳可以作为甲烷重整燃料合成的原料，实现二氧化碳的资源化利用；由此提高可再生能源的发电比例，降低化石能源消耗，实现碳基燃料发电零排放。

发明内容

本发明的目的是提出一种集成太阳能甲烷干式重整的富氧燃烧二氧化碳发电系统，其特征在于，混合器通过多流换热器左侧换热管与太阳能重整反应器连接，太阳能重整反应器又通过多流换热器中间换热管与合成气冷却器连接；合成气冷却器连接储气室与合成气压缩机；储气室通过合成气压缩机与燃烧室连接；空气分离器通过氧气压缩机也与燃烧室连接；燃烧室与高压透平、1号回热器右侧回热管、2号回热器右侧回热管、烟气冷却器、高压酸液分离器、二氧化碳压缩机、2号回热器左侧回热管、1号回热器左侧回热管串联形成回路；二氧化碳压缩机又连接二氧化碳储存室，并通过多流换热器右侧换热管连接于1号回热器左侧回热管与2号回热器左侧回热管的连接节点；1号回热器右侧回热管与2号回热器右侧回热管的连接节点与低压透平、低压酸液分离器、混合器依次连接；高压透平与低压透平、发电机串联；太阳能通过定日镜投射到反射器上，然后聚集到太阳能重整反应器。