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CN115433603B - 一种光热水合生物质清洁利用系统 - Google Patents

一种光热水合生物质清洁利用系统 Download PDF

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CN115433603B CN202210817488.1A CN202210817488A CN115433603B CN 115433603 B CN115433603 B CN 115433603B CN 202210817488 A CN202210817488 A CN 202210817488A CN 115433603 B CN115433603 B CN 115433603B
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Abstract

本发明涉及一种光热水合生物质清洁利用系统,该系统包括:生物原油制取循环回路,用于提取生物质废料中的生物原油;料渣中转循环回路,用于分离生物质废料中的固体废料;热量补偿循环回路,用于对料渣中转循环回路提供热量;所述的生物原油制取循环回路与料渣中转循环回路交叠于换热器(2)、加压循环泵(4)和反应器(5);所述的料渣中转循环回路与热量补偿循环回路交叠于料渣干燥箱(8)和反应器(5);所述的生物原油制取循环回路与热量补偿循环回路交叠于反应器(5)。与现有技术相比,本发明具有采用热解生物质制油,对于光热相比于其他制热更环保清洁,大气污染低,可以将自然资源充分利用等优点。

Description

一种光热水合生物质清洁利用系统
技术领域
本发明涉及生物质清洁综合利用技术领域,具体涉及一种光热水合生物质清洁利用系统。
背景技术
太阳能光热发电即聚光太阳能热发电(Concentrating Solar Power),也称 CSP,是太阳能发电中不同于光伏发电的另一种技术。光热发电技术是利用光聚焦原理,把太阳光线的分散能量进行高度聚集,通过吸热器中工质吸收阳光热能,直接或间接地加热水,产生一定参数的蒸汽,然后送往汽轮发电机组进行发电。实际应用的主要技术种类有槽式、塔式、碟式和线性菲涅尔式。本项目主要运用槽式太阳能集热器。槽式光热发电技术,分别采用槽式聚光镜和吸热管来聚焦和吸收太阳光热能,进而转化成电能。槽式聚光镜是一种高精密度的太阳反射镜,按主要制造材料可分为两种:玻璃反射镜和铝板反射镜,反射镜的横截面采用槽式抛物面。吸热管一般由碳钢或合金钢材料制作,具体根据设计运行温度而定。吸热管安装在抛物镜的焦线上,与聚光镜一起构成槽式聚光器。
槽式聚光器的聚光比比较低,一般不超过100。槽式光热发电技术在欧美具有二十多年的商业化运行经验,技术比较成熟,产生的水蒸气已经达到 371℃的商业化电站运行温度,电站年均光热电转换效率已达16%,理论峰值光热电转换效率最高可达21%。
目前带储热系统的槽式光热电站,发电功率所需土地约20m2/kW(露天布置聚光镜场),10MW的槽式光热电站占地300亩,50MW槽式光热电站占地1500亩。如若采用玻璃房内布置聚光镜,则占地面积可减半。目前国外带储热系统的槽式光热电站功率造价折合人民币2.5万元/kW左右,不带储热系统的槽式光热电站功率造价人民币2.2万元/kW左右。槽式光热电站目前可设计建设的单机发电规模以不超过50MW为宜,适合建设集中式光热电站,规模越大单位功率造价越低。
槽式光热发电应用的典型案例有:20世纪80-90年代美国加州建造的由 9座电站组成的354MW的SEGS系列电站;西班牙Andasol1-2(100MW);希腊的克里达电站(50MW)。目前国内已经建成试运行的典型槽式光热发电示范项目有:国电青松吐鲁番新能源180kW槽式光热发电示范项目;兰州大成能源在甘肃兰州建设的200kW槽式菲涅尔电站;华能集团在海南三亚南山电厂1.5MW线性菲涅尔光热发电项目。
生物质废料是指在整个农业生产过程中被丢弃的有机类物质,主要包括:农林生产过程中产生的残余类废弃物、牧渔业生产过程中产生的动物残余废弃物、农业加工过程中产生的加工类残余废弃物和农村垃圾等。具体的可以概括为以下几方面:(1)农作物稻秆资源。稻秆是纤维组分含量很高的农作物残留物,主要包括玉米、水稻、小麦、棉花、马铃薯等的稻秆。我国每年大量剩余稻秆被遗弃,甚至直接焚烧,既浪费资源,又污染环境。(2)畜禽资源。根据计算,目前我国禽畜粪便资源总量约8.5亿吨,折合7840多万吨标煤。(3)林业废弃物。林业废弃物主要包括林业“三剩物”(采伐剩余物、造材加工剩余物)和废旧木质材料。林业“三剩物”釆伐剩余物主要包括枝丫、树梢、树皮、树叶等,由于不同地区森林类型不同、树种不同、木材的利用方式不同,采伐剩余物的比例有很大的差别。(4)农产品加工废弃物。中国农副产品及食品加工业可产生大量有机废弃物,如粮食、食品、制糖、造纸、酿酒、淀粉等在生产中都会产生大量的有机废渣和废水。据估计,中国农产品加工产生的有机废弃物可生产500亿立方米沼气,相当于3500万吨标煤的能量。(5)能源植物。能源植物种类较多,比如:制糖作物、水生植物、油料植物等。我国生物质资源丰富,理论年产量为50亿吨左右。
发明专利CN103849410A公开了一种生物质热解制油的方法,该方法利用流化床热解生物质原料,实现了无废渣,废水,废气的排放,同时,生物油生产效率高,但所需装置更多,过程更为繁琐。发明专利CN106010618A公开了一种漩涡烧灼式生物质热解制油,该系统有效解决生物质热解油系统存在效率低油品热值低,运行不稳定等技术难题,但长期运营的费用更高。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种采用热解生物质制油,对于光热相比于其他制热更环保清洁,大气污染低,可以将自然资源充分利用的光热水合生物质清洁利用系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
本发明针对现有技术存在的问题,结合实际情况,为寻求合理、高效、绿色的资源化利用手段,合理利用生物质废料,节约能源,改善生物质能的利用现状,研究者们利用太阳能光热发电进行设计创新,具体方案如下:
一种光热水合生物质清洁利用系统,该系统包括:
生物原油制取循环回路,用于提取生物质废料中的生物原油;
料渣中转循环回路,用于分离生物质废料中的固体废料;
热量补偿循环回路,用于对料渣中转循环回路提供热量;
所述的生物原油制取循环回路与料渣中转循环回路交叠于换热器、加压循环泵和反应器;所述的料渣中转循环回路与热量补偿循环回路交叠于料渣干燥箱和反应器;所述的生物原油制取循环回路与热量补偿循环回路交叠于反应器。
进一步地,所述的生物原油制取循环回路包括依次循环连接的换热器、加压循环泵、反应器和油水分离器。
进一步地,所述的生物原油制取循环回路还包括净水器和用于存储水的水箱;所述的油水分离器、净水器和水箱依次连接。
进一步地,所述的换热器与太阳能集热器相连。
进一步地,所述的料渣中转循环回路包括依次循环连接的换热器、加压循环泵、反应器和料渣干燥箱。
进一步地,所述的料渣中转循环回路还包括净水器和用于存储水的水箱;所述的料渣干燥箱、净水器和水箱依次连接。
进一步地,所述的热量补偿循环回路包括反应器、料渣干燥箱和用于燃烧料渣干燥箱中的料渣,并向料渣干燥箱和反应器提供热量的循环流化锅炉。
进一步地,所述的热量补偿循环回路中,料渣干燥箱和循环流化锅炉循环连接。
进一步地,所述的热量补偿循环回路中,反应器、料渣干燥箱和循环流化锅炉依次循环连接。
进一步地,所述的太阳能集热器为槽式太阳能集热器。
该系统拟从废弃的生物质中提取出生物原油,建立光热水合生物质清洁利用系统及模型,并对其运行能效及经济效益进行初步分析。随着生产发展,能源需求量以惊人的速度增长,我国生物质年产量为50亿t,且利用率不足10%,因而开发潜力巨大。利用超临界水氧化技术,将槽式太阳能集热器与循环流化锅炉以及计量泵等其他必要部分合理结合,以提高生物质的利用率。同时构建一种光热水合生物质清洁利用系统模型。
该系统充分利用太阳能,实现制取超临界水的制取并且利用超临界水进行对生物质的处理,在获得生物原油的同时,系统所产生的水、高温烟气及二氧化碳都能在系统中循环使用。在保证其无害化、资源化利用的同时,兼顾经济效益。
与现有技术相比,本发明具有以下优点:
(1)本发明综合利用太阳能,在提升热处理设备自动化的同时,还可以做到零污染物排放,同时降低土地使用率,不需要冷却塔,也不需要堆放燃料废物的场地,环保效益显著;
(2)本发明结合热效率与效率的特点,综合地对该系统进行能量和经济效益分析,在保证其无害化、资源化利用的同时,兼顾经济效益;
(3)本发明从能源利用的角度来看,该系统太阳能利用效率可达45%以上,远高于普通光伏发电最高20%的效率,同时还利用了系统自身产生的CO2作为整个系统的保护气,节约了能源。相较于传统的制冷制热系统所要消耗大量不可再生能源,并且会对环境造成严重污染,该系统能够充分利用太阳能,且对环境几乎没有污染;
(4)本发明从运行费用的角度来看,整套系统仅需项目初期的设备费用,后期运行过程中基本上为零投入。
附图说明
图1为实施例中生物质清洁利用系统的示意图;
图中标号所示:太阳能集热器1、换热器2、水箱3、加压循环泵4、反应器5、油水分离器6、净水器7、料渣干燥箱8、循环流化锅炉9。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
一种光热水合生物质清洁利用系统,如图1,该系统包括:生物原油制取循环回路,用于提取生物质废料中的生物原油;料渣中转循环回路,用于分离生物质废料中的固体废料;热量补偿循环回路,用于对料渣中转循环回路提供热量;生物原油制取循环回路与料渣中转循环回路交叠于换热器2、加压循环泵4和反应器5;料渣中转循环回路与热量补偿循环回路交叠于料渣干燥箱8 和反应器5;生物原油制取循环回路与热量补偿循环回路交叠于反应器5。换热器2与太阳能集热器1相连。太阳能集热器1为槽式太阳能集热器。
生物原油制取循环回路包括依次循环连接的换热器2、加压循环泵4、反应器5和油水分离器6。生物原油制取循环回路还包括净水器7和用于存储水的水箱3;油水分离器6、净水器7和水箱3依次连接。
料渣中转循环回路包括依次循环连接的换热器2、加压循环泵4、反应器 5和料渣干燥箱8。料渣中转循环回路还包括净水器7和用于存储水的水箱3;料渣干燥箱8、净水器7和水箱3依次连接。
热量补偿循环回路包括反应器5、料渣干燥箱8和用于燃烧料渣干燥箱8 中的料渣,并向料渣干燥箱8和反应器5提供热量的循环流化锅炉9。热量补偿循环回路中,料渣干燥箱8和循环流化锅炉9循环连接。热量补偿循环回路中,反应器5、料渣干燥箱8和循环流化锅炉9依次循环连接。
光热水合生物质清洁利用系统的工作原理,包括如下步骤:
1、使用太阳能集热器1,将光能转化为热能,加热水,使水达到超临界水的温度。利用光热的原理,通过聚焦、反射和吸收等过程将光能转化为热能,与光伏技术相比,充分利用了光能资源,并且提高了光能的利用效率,减少损失。
2、使用加压循环泵4,将装置中的压力增加至超临界水的压力值,至此超临界水制取完成,将使用其与生物质废料进行反应。使用加压循环泵4对装置进行增压,通过观察加压循环泵4的读数,使其达到超临界水的所需压力。
3、在反应器5中,超临界水进入反应器,将生物质液化,是其产生料渣和油水混合物。由于超临界水的特殊溶解性能,生物质废料能够迅速溶解于水相中,转化为可燃气体、液相油、固体炭。热解气体多作为能源使用,能量回收后返回给装置供热或为其它工厂供能;液体经过油水分离,可作为燃料,也可作为催化裂解原料,生产高质量汽油;热解炭则可代替炭黑使用,或经适当处理后成特种吸附剂。由于超临界水热解生物质废料技术的温度在400-550℃范围内,因此达不到SO2、NOx等有毒有害气体的生成温度,不会造成环境污染。反应在水相中进行,不会引起常规裂解中的结焦现象。通过加入反应器,使生物质废料在反应器5中提取生物原油,从而避免集热器管道发生结垢从而降低工作效率,保证集热器的良好运转。
4、油水混合物经过油水分离器6,获得生物原油和水,其中生物原油为产品,水经过净水器7的处理,回到水箱3中,循环利用。油水分离器6根据水和燃油的密度差,利用重力沉降原理去除杂质和水分,获得有用的生物原油,而其中的杂质和水分,进入净水系统,最终回到水箱进行循环利用,提高整个装置的经济性。
5、料渣部分进入料渣干燥箱8中,干燥出的水分进入净水系统中处理并最终回到水箱3,进行循环利用;同时干燥的料渣的固体部分形成半焦进入循环流化锅炉9中,该过程中产生的CO2气体通往整个系统,成为对整个系统的保护气。料渣干燥箱8对料渣进行干燥处理,干燥出来的水分同样进入净水系统最终回到水箱3进行循环利用,提高了整个装置的经济性;而同时干燥的料渣的固体部分形成了半焦,进入了9-锅炉中处理,而其中产生的CO2气体则充当整个系统的保护气,减少了装置的成本。形成循环,自给自足,不利用额外的能量资源,不产生污染气体,真正实现碳的“零排放”。
6、半焦在循环流化锅炉9中加热产生的高温烟气分别进入料渣干燥箱8 和反应器5中,对两个装置进行热量补偿。循环流化锅炉9将半焦的化学能转化为热能,形成高温烟气,进入料渣干燥箱8和反应器5中,对其进行热量补偿,提高了装置的能量利用率。
综上所述,该产品运用热耦合效应,并通过超临界水氧化技术作为出发点,结合生物质能大量浪费的实际情况,让生物质能和太阳能得到了很好的利用, 同时我国生物质年产量为50亿t,且利用率不足10%,因而开发潜力巨大。通过这个系统,可以提高生物质的利用率,缓解能源压力,有很好的经济和绿色可发展效益,推广前景广阔。
以上所述,仅是本发明的较佳实施例而已,并非是对本发明作其它形式的限制,任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型,仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (3)

1.一种光热水合生物质清洁利用系统,其特征在于,该系统包括:
生物原油制取循环回路,用于提取生物质废料中的生物原油;
料渣中转循环回路,用于分离生物质废料中的固体废料;
热量补偿循环回路,用于对料渣中转循环回路提供热量;
所述的生物原油制取循环回路与料渣中转循环回路交叠于换热器(2)、加压循环泵(4)和反应器(5);所述的料渣中转循环回路与热量补偿循环回路交叠于料渣干燥箱(8)和反应器(5);所述的生物原油制取循环回路与热量补偿循环回路交叠于反应器(5);
所述的生物原油制取循环回路包括依次循环连接的换热器(2)、加压循环泵(4)、反应器(5)和油水分离器(6);
所述的生物原油制取循环回路还包括净水器(7)和用于存储水的水箱(3);所述的油水分离器(6)、净水器(7)和水箱(3)依次连接;
所述的换热器(2)与太阳能集热器(1)相连;
所述的料渣中转循环回路包括依次循环连接的换热器(2)、加压循环泵(4)、反应器(5)和料渣干燥箱(8);
所述的料渣中转循环回路还包括净水器(7)和用于存储水的水箱(3);所述的料渣干燥箱(8)、净水器(7)和水箱(3)依次连接;
所述的热量补偿循环回路包括反应器(5)、料渣干燥箱(8)和用于燃烧料渣干燥箱(8)中的料渣,并向料渣干燥箱(8)和反应器(5)提供热量的循环流化锅炉(9);
所述的热量补偿循环回路中,料渣干燥箱(8)和循环流化锅炉(9)循环连接。
2.根据权利要求1所述的一种光热水合生物质清洁利用系统,其特征在于,所述的热量补偿循环回路中,反应器(5)、料渣干燥箱(8)和循环流化锅炉(9)依次循环连接。
3.根据权利要求1所述的一种光热水合生物质清洁利用系统,其特征在于,所述的太阳能集热器(1)为槽式太阳能集热器。
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