[發明專利]太陽能與甲醇燃料互補的化學鏈燃燒發電系統及方法

有效

• 申請號: 200910084034.2
• 申請日: 2009-05-13
• 公開（公告）號: CN101888194A
• 公開（公告）日: 2010-11-17
• 發明（設計）人: 金紅光;洪慧;隋軍;劉啟斌;韓濤
• 申請（專利權）人: 中國科學院工程熱物理研究所
• 主分類號: H02N6/00
• 分類號: H02N6/00;F01K11/02;F01K27/02
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 周國城

技術領域

本發明涉及太陽能熱發電和能源技術領域，尤其涉及一種控制CO₂排放的太陽能與甲醇燃料互補的化學鏈燃燒發電系統及方法。

背景技術

CO₂作為人類向大氣中排放的主要溫室氣體，大部分來源于煤、石油、天然氣等化石燃料的燃燒，其中29％來自發電。目前，CO₂的減排可通過調整能源結構和提高能源轉化及利用效率實現。

從調整能源結構的角度來看，可再生能源尤其是太陽能被寄予厚望。太陽能以其儲量“無限性”、存在的普遍性、開發利用的清潔性以及逐漸顯露的經濟性等優勢，使許多發達國家都把太陽能等可再生能源從原來的補充能源上升到戰略替代能源的地位。隨著我國建設資源節約、環境友好型社會目標的提出，太陽能等可再生能源利用的步伐也明顯加快。

當前，太陽能利用技術的主要發展方向是太陽能光電轉化和太陽能光熱轉化，其中光熱轉化的太陽能熱動力發電又是未來二三十年最具吸引力的太陽能技術。然而，由于太陽能能量密度低、能量的時間不連續性及空間分布的不均性等造成了太陽能儲能困難，所以在相當長一段時間內，太陽能完全替代化石燃料仍無法實現。另外，太陽能的大規模開發利用成本仍然很高，在經濟上無法與常規的化石能源相匹敵。

太陽能熱化學是利用太陽熱能驅動吸熱化學反應，提供反應所需熱量，將分散的太陽能轉化為能量密度高、可儲存、可運輸的合成氣或H2等燃料形式加以利用。2003年，德國提出太陽能重整天然氣聯合循環發電系統，該發電系統能夠使太陽能凈熱轉功效率達到30％。瑞士國家能源研究中心研究了太陽能-天然氣-氧化鋅能源環境系統，其基本思路是利用高溫太陽熱能作為熱源，將天然氣重整和氧化鋅還原鋅這兩個化學過程有機集成，同時實現天然氣重整為合成氣和燃料鋅的制取。然而，當前太陽能熱化學反應溫度集中在900～1200℃的高溫太陽熱能的轉化和利用，需采用昂貴的太陽能聚光裝置，聚集高于900℃的高品位太陽能，以提供反應需要的熱能，造成其成本過高，同時對材料的使用提出了更高的要求，不利于大規模應用。另外，雖然太陽能熱化學利用能減少化石燃料的使用，降低CO₂的排放量，但合成氣直接燃燒造成CO₂被N₂稀釋，增加了CO₂的分離難度，考慮到CO₂捕集，系統效率會大幅度降低。

從提高能源轉化和利用效率的角度來看，由于短期內人類以化石能源為主要能源的形勢不會改變，尤其是我國，煤炭從資源構成到能源消費構成都占絕對主導地位，如何使能源系統在分離CO₂的同時還能保持能源系統利用效率不降低甚至提高，是控制CO₂排放的能源系統研究的主要目的。

化學鏈燃燒是一種不同于傳統的燃料與空氣直接接觸燃燒的燃燒方式，它通過金屬氧化物作為傳遞氧的媒介，將傳統燃燒反應分兩步進行：還原反應、氧化反應。燃料首先在還原反應器中被金屬氧化物氧化為水蒸氣和CO₂，同時金屬氧化物被還原為金屬單質或低價金屬氧化物。被還原后的金屬單質或低價金屬氧化物進入氧化反應器，被氧化再生，放出大量的熱，產生高溫煙氣。由于燃料與空氣不直接接觸燃燒，避免了N₂對CO₂的稀釋，還原反應器尾氣中CO₂濃度高，在不增加專門的CO₂分離設備情況下，能夠實現低能耗分離CO₂，同時由于燃料品位被降低到被還原后的金屬氧化物的品位，使得燃燒損失降低，提高了系統的效率。

化學鏈燃燒因其能夠在分離CO₂的同時實現系統效率的提高引起許多國家的重視。日本對化學鏈燃燒的早期研究做了大量貢獻。1994年，日本學者Ishida教授和中國學者金紅光教授率先提出控制CO₂排放的化學鏈燃燒的濕空氣透平新系統，首次在國際上將化學鏈燃燒與熱力循環有機結合，該研究于1995年獲得美國專利。隨后，歐美等國開始重視化學鏈燃燒技術在控制溫室氣體方面的作用，歐盟FP5框架、FP6框架將化學鏈燃燒作為重要研究內容予以資助。瑞典查爾姆斯科技大學建立了國際首臺10kW的化學鏈燃燒循環流化床實驗臺，韓國建立了50kW化學鏈燃燒的示范電站，挪威研究委員會資助的歐洲最大的BIGCO2研究計劃中擬要建立目前最具規模的天然氣基100kW化學鏈燃燒發電示范裝置，美國能源部下屬國家能源技術實驗室也開展了多項關于化學鏈的研究。