光伏光热耦合共电解结合垃圾发电的综合能源系统及其工艺方法

1.本发明涉及太阳能光伏光热和电解制氢领域，具体涉及一种的氨基化学热泵耦合共电解结合垃圾发电的综合能源系统及其工艺方法。


背景技术：

2.世界对化石燃料作为主要能源的依赖导致了气候变化和全球变暖。可再生能源被视为将全球变暖保持在1.5℃以下的关键解决方案。气候变化和全球变暖的不利影响，推动世界在过去十年中大规模部署可再生能源技术，包括风能，太阳能光伏，聚光太阳能等。然而，可再生能源的间歇性，确切地说是太阳辐射和风速，使得需要储能技术来满足太阳照射和风能低或没有时的能源需求。来自太阳能光伏或风能的多余能量可以在没有太阳辐射和风力的情况下储存并在以后使用。
3.使用化石燃料的主要缺点是产生的排放物导致许多环境问题和全球变暖，所以当今尤其需要大力发展新能源技术来代替传统化石能源，来减少当今日益增长的碳排放。固体氧化物电解池(soec)技术可以通过电解水制h2，共电解水和co2 制合成气，近年来引起了人们的广泛关注。soec高工作温度能够降低电解过程的电能需求，从而降低制氢和合成气成本，也提高了电极的动力学性能和降低了 soec电解质电阻，从而使电池性能损失更小。soec相比于低温电解池在制氢和合成气方面就会表现出更高的效率。热力学上，高温电解能够减少电解过程的电能消耗，可以利用电站或其他工业过程的废热；动力学上，高温电解能够降低电池的内阻，提高电流密度，从而提高电解效率。
4.针对soec运行所需要的热能品位(600-1200℃)以及我国太阳能资源分布的不均匀性，往往只有大规模的塔式、碟式集热器才能满足。因此，光伏光热耦合高温电解水往往受到地域、用地面积等因素的制约。在四种传统太阳能集热器中，线性菲涅尔太阳能聚光器因其结构紧凑，成本较小，土地覆盖率较大，使得分布式太阳能光热利用具有可行性。但是其具有聚光比、操作温度低(300-400℃) 的缺陷使得线性菲涅尔集热器无法直接为soec提供所需的高品位热能。化学热泵是将利用可逆热化学反应而化学热泵是通过可逆反应提高热能品位的装置，其中基于氨分解/合成反应的氨基热化学热泵具有反应无副产物、可逆性好以及反应原料丰富等优点，可以轻松实现了500℃到700℃的热能品位抬升。高温电解水制氢系统的不足之处在于其对于温度依赖较高，需要在 600-800℃时才能够有较为可观的电解效率越75％。而利用氨基化学热泵实现了线性菲涅尔集热器与soec的能量品位耦合。实现了使用太阳能光热对制氢的新路径，对高效利用、稳定储存太阳能，减少能量消耗、co2排放具有重要意义。
5.此外，在城市垃圾处理过程中，需要消耗大量的氧气作为助燃剂，燃烧过程中会有大量的二氧化碳产生，需要做碳减排处理后才能排出，需要增加昂贵的碳减排成本，因此开发一种城市垃圾处理与soec电解系统相结合的综合能源系统，具有重要意义。


技术实现要素：

6.本发明的发明目的是提供一种氨基化学热泵耦合共电解结合垃圾发电的综合能源系统及其工艺方法，本发明通过联合太阳能与传统化石能源，结合soec 电解技术，将太阳能和二氧化碳转化氨和甲醇等化工原料，由于氨常温下是液态，便于储运，还可将氨作为无碳燃料和氢气载体，将氨经过氨燃料电池(dafc) 进行发电。
7.为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
8.一种光伏光热耦合共电解结合垃圾发电的综合能源系统，包括氨基热化学热泵系统、线性菲涅尔集热系统、光伏发电系统、soec电解系统、垃圾发电模块、 psa制氮系统、氨合成模块、甲醇合成模块，所述soec电解系统包括第一soec 电解系统和第二soec电解系统；所述线性菲涅尔集热系统与氨基热化学热泵系统连接，提供氨分解热源；氨基热化学热泵系统和光伏发电系统均与soec电解系统相连，提供电解所需的热量和电量；第一soec电解系统设置有氧气流道和氢气流道，氧气流道与垃圾发电模块连接，氢气流道与psa制氮系统的氮气流道均与氨合成模块连接；垃圾发电模块的二氧化碳流道与第二soec电解系统连通，第二soec电解系统设置有氧气流道和混合气流道，氧气流道与垃圾发电模块连通，混合气流道与甲醇合成模块连通。
9.进一步的，所述垃圾发电模块还分别与第一soec电解系统和第二soec电解系统连通，提供垃圾发电处理产生的热量和电量，进一步为电解提供能量，同时垃圾发电模块还与psa制氮系统连通，提供psa制氮系统所需的电量。
10.进一步的，所述氨基热化学热泵系统包括氨分解反应器、透平压缩机、储气罐、氨合成反应器；储气罐用于存储氨分解反应器产生的混合气和氨合成反应器产生的液氨，并通过透平压缩机将液氨和混合气分别输送至氨分解反应器和和氨合成反应器进行氨分解和氨合成；氨合成反应器与第一soec电解系统相连，提供氨合成放热；线性菲涅尔集热系统与氨分解反应器连通，提供氨分解所需热能。
11.进一步的，所述第一soec电解系统和第二soec电解系统分别由阴极层、电解质层、阳极层、气体流道组成，所述阴极层材料为镍-氧化铈基金属陶瓷材料、镍-氧化锆金属陶瓷；阳极层材料为掺杂的钴酸镧、铁酸锶镧、钡钴铁铌氧化物、钡锶钴铁氧化物；电解质层为掺杂的镓酸镧、氧化钪稳定的氧化锆。
12.进一步的，所述第一soec电解系统发生单电解反应，总的电池反应式为： 2h2o
→
2h2 o2；所述第二soec电解系统发生双电解反应，总的电池反应式为： h2o co2→
h2 co o2。
13.进一步的，所述线性菲涅尔集热系统的反射镜，能够跟随太阳自动调整一定的角度，通过对太阳光的反射对氨基热化学热泵系统的氨分解反应器提供氨分解所需能量；所述透平压缩机由透平机和增压机构成，在增压机内依靠旋转叶轮与气流间的相互作用力提高气体压力，在透平机中，由于气体的降压流动带动透平机内的叶轮旋转，通过轴使透平机和增压机连接，将增压机的轴功提供给增压机，减少增压的能耗。
14.本发明还提出了如上所述的光伏光热耦合共电解结合垃圾发电的综合能源系统的工艺方法，包括如下工艺：
15.线性菲涅尔集热系统通过集热来促使氨基热化学热泵系统中氨分解，再通过氨合成来释放大量高品位热能供热给soec电解系统，光伏发电系统为soec电解系统提供电能，第一soec电解系统通过电解水产生氢气和氧气；氧气作为助燃剂供给垃圾发电模块，而氢
气通过与psa制氮系统产生的氮气混合来作为“原料气”供给氨合成系统；垃圾发电模块同时将燃烧产生的二氧化碳与水作为原料给第二soec电解系统进行共电解，共电解产生的co和h2，再通过甲醇合成模块将其合成为甲醇，共电解产生的氧气继续供给垃圾发电模块。
16.进一步的，氨基热化学热泵系统的氨分解反应器吸收大量太阳热能，再通过氨合成反应器来释放热能，将400℃的热能提升到700℃；氨分解反应产生的反应气以及氨合成反应生成的液氨预热后流入常温压力储气罐中自动进行气液分离并稳定储存，并通过透平压缩机将液氨和反应气分别输送至氨分解反应器和和氨合成反应器进行氨分解和氨合成，循序使用；吸热过程进行时，氨分解反应气体由常温压力储气罐经过氨分解反应器吸收太阳能进行氨分解反应；放热过程进行时，合成氨反应气体同样由常温压力储气罐流经换热器预热后进入进行合成氨反应释放能量给soec电解系统。
17.进一步的，氨合成模块用于将psa制氮系统产生的氮气以及第一soec电解系统产生的氢气合成液氨，合成氨放出的热量进一步为soec电解系统提供热量，生成的液氨经过运输输送至氨燃料电池发电，或作为动力燃料储存起来作为化工原料直接生产液氨。
18.进一步的，psa制氮系统和soec电解系统所需的部分电能由垃圾发电模块来提供；soec电解系统和甲醇合成模块所需的热能由垃圾发电模块和氨合成模块提供。而垃圾发电模块所需的助燃剂氧气则由第一soec电解系统和psa制氮系统提供，当氧气不足时可以使用环境中的空气为垃圾发电供氧。
19.与现有技术相比，本发明利用太阳能集热、垃圾发电，将传统能源与新能源相结合产生电力或者甲醇和氨。利用新能源与传统能源相结合的方式的一大优点就能能吸收垃圾发电所产生的二氧化碳，可以实现零碳排放。此外电解水后所产生的产物氧气可以为垃圾发电作为助燃剂所使用。垃圾发电后所产生的废热还能供给soec，两者互补互利。既使得由高碳工艺转化为低碳工艺，同时实现二氧化碳的高值化资源化利用，从而抵消了碳减排付出的高昂成本，有利于化石燃料发电系统进行低碳高效改革。
附图说明
20.图1为本发明的整体工艺流程结构示意图；
21.图2为单电解时氢电极和氧电极的电池反应图；
22.图3为双电解时氢电极和氧电极的电池反应图；
23.图中：1、线性菲涅尔集热系统；2、光伏发电系统；3、垃圾发电模块；4、 psa制氮系统；5、氨合成模块；6、甲醇合成模块；7、第一soec电解系统；8、第二soec电解系统；9、氨分解反应器；10、透平压缩机；11、储气罐；12、氨合成反应器；13、氨燃料电池。
具体实施方式
24.下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
25.如图1所示，本发明的一种光伏光热耦合共电解结合垃圾发电的综合能源系统，包括氨基热化学热泵系统、线性菲涅尔集热系统1、光伏发电系统2、soec 电解系统、psa制氮
系统4、垃圾发电模块3、氨合成模块5、甲醇合成模块6。所述soec电解系统包括第一soec电解系统7和第二soec电解系统8；所述线性菲涅尔集热系统1与氨基热化学热泵系统连接，提供氨分解热源；氨基热化学热泵系统和光伏发电系统2均与soec电解系统相连，提供电解所需的热量和电量；第一soec电解系统7设置有氧气流道和氢气流道，氧气流道与垃圾发电模块3连接，氢气流道与psa制氮系统4的氮气流道均与氨合成模块5连接；垃圾发电模块3的二氧化碳流道与第二soec电解系统8连通，第二soec电解系统8 设置有氧气流道和混合气流道，氧气流道与垃圾发电模块3连通，混合气流道与甲醇合成模块6连通。
26.本发明的垃圾发电模块3还分别与第一soec电解系统7和第二soec电解系统8连通，提供垃圾发电处理产生的热量和电量，进一步为电解提供能量，同时垃圾发电模块3还与psa制氮系统4连通，提供psa制氮系统所需的电量。
27.本发明的氨基热化学热泵系统包括氨分解反应器9、透平压缩机10、储气罐 11、氨合成反应器12；储气罐11用于存储氨分解反应器9产生的混合气和氨合成反应器12产生的液氨，并通过透平压缩机10将液氨和混合气分别输送至氨分解反应器9和和氨合成反应器12进行氨分解和氨合成；氨合成反应器12与第一soec电解系统7相连，提供氨合成放热；线性菲涅尔集热系统1与氨分解反应器9连通，提供氨分解所需热能。
28.具体工作时，线性菲涅尔集热系统1通过集热来促使氨基热化学热泵系统中氨分解，再通过氨合成来释放大量高品位热能供热给soec电解系统，第一soec 电解系统7通过电解水产生氢气和氧气。氧气作为助燃剂主要供给生活垃圾焚烧发电，而氢气通过与psa制氮系统4产生的氮气混合来作为“原料气”供给氨合成模块5。该系统还可以同时将垃圾发电模块3燃烧产生的二氧化碳与水作为原料给第二soec电解系统8进行共电解，共电解后的产物为co和h2，再通过甲醇合成模块6将其合成为甲醇。
29.所述垃圾发电模块3中的垃圾通过助燃气氧气的燃烧发电，其电力用来供给 soec电解系统单电解和双电解的正常运行，和psa制氮系统4的运行。其发电产生的大量废热约为360℃继续供热给soec电解系统，再通过氨基热化学热泵和氨合成模块5继续为soec提供高品位热能。
30.soec电解系统需要额外外接水源，“左边”的第一soec电解系统7为单电解，“右边”第二soec电解系统8为共电解，单电解的第一soec电解系统7 的氢气出口端连接氨合成模块5的氢气入口端，氧气出口端连接垃圾发电模块3 的氧气入口端。共电解的第二soec电解系统8的co2入口端连接垃圾发电co2出口端，氢气与一氧化碳出口端连接甲醇合成模块6的“原料气”入口端。
31.本发明的变压吸附空气分离装置，不局限于变压吸附psa制氮系统制氮，也可以使用深冷空气分离制氮，膜分离制氮等各种制氮方式。考虑到能耗与工艺成熟性等多方面的考虑，优先考虑psa变压吸附制氮的方式来制取氮气，
32.所述“下方”的氨合成模块5将输入的氮气与氢气合成氨，作为系统产物之一向外输出，也可以将液氨储存起来，待到需要时将氨通入氨燃料电池14(dafc) 进行发电。由于氨在常温下极易液化，可以将液氨经过管道、船舶运输到电力需要的地方发电。
33.所述垃圾发电模块3，其发电原料不仅限于城市生活垃圾，也可以是木材、化石原料等。垃圾经过处理后进行焚烧发电，将热能转化为电能。其发出的电能可以供给soec电解系统、psa制氮系统4等耗电设备。垃圾发电所需的氧气由soec电解系统后产生的氧气和psa
制氮模块4供给。此外其发电产生的废热 (360℃)可以提供给soec电解系统。
34.soec电解系统通过吸收氨合成放出的热能和光伏组件的电能来工作。soec 电解系统可以进行单电解将水电解产生氢气和氧气，也可以进行双电解，将二氧化碳和水电解为一氧化碳、氢气和氧气。soec电解系统的工作原理如下所示，双电解时可同时电解水蒸气和co2产生合成气(h2 co)。较高温度下 (600
‑‑
1000℃)，在第二soec电解系统两侧电极上施加一定的直流电压，h2o 和co2在氢电极发生还原反应产生o
2-，o
2-穿过致密的固体氧化物电解质层到达氧电极，在氧电极发生氧化发应得到纯o2。
35.单电解时氢电极和氧电极的电池反应如图2所示：
36.阴极和阳极的半电池反应为：
37.阴极：2h2o 4e
‑→
2h2 2o
2-38.阳极：2o
2-→
4e- o239.双电解时氢电极和氧电极的电池反应如图3所示：
40.氢电极反应：2co2 4e
→
2co 2o
2-ꢀꢀ
(1)
41.2h2o 4e
→
2h2 2o
2-ꢀꢀ
(2)
42.氧电极反应：4o
2-→
2o2 8e
ꢀꢀ
(3)
43.总的电池反应式：h2o co2→
h2 co o2ꢀꢀ
(4)
44.共电解时，可将温室气体co2转化成燃料气co，具有高效、洁净、环保的优点。
45.在高温固体氧化物电解池soec的材料选择方面，soec通常采用致密的氧离子导体氧化钇稳定氧化锆(ysz)作为电解质，以镍-氧化锆(ni-ysz)金属陶瓷作为氢电极，以钙钛矿结构的锰酸镧(lsm)复合ysz作为氧电极。近年来，也已发展了多种电解质材料和电极材料来替代传统材料，例如：电解质材料有掺杂的镓酸镧(lsgm)、氧化钪稳定的氧化锆(scsz)；氢电极材料有镍-氧化铈基金属陶瓷材料(ni-gdc)；氧电极材料有掺杂的钴酸镧(lscf)、铁酸锶镧(lsf)、钡钴铁铌氧化物(bcfn)、钡锶钴铁氧化物(bscf)等。
46.水电解是一个利用电能将水分子分成氢气和氧气的过程。简而言之，一个最基本的电解单元由阳极、阴极和电解质或膜组成，而一个电解池由多个电解单元组成。水电解是在电解池中发生的电化学反应，水被分成氢和氧分子。产生的氢气作为输出物被储存为压缩气体，用于在加油站、发电站等地运输。通常情况下，氧气被释放到大气中。电解所需的电力量取决于水温。提高低水温需要更多电力来生产氢气。相反，在高水温下需要的电力较少。低温电解可以用碱性电解池进行，电解是在液体电解质溶液或质子交换膜(pem)的存在下进行的。高温电解，也被称为蒸汽电解，采用在较高温度(600至1000℃)下运行的固体氧化物电解池(soecs)来分离水。低成本的蒸汽可以作为燃料使用，与直接电解相比，进一步减少了电力需求。
47.氨基热化学热泵系统由氨分解反应器9、透平压缩机10、储气罐11、氨合成反应器12组成。氨分解反应3h2 n2 δh＝2nh3(吸热)，氨合成反应 2nh3＝3h2 n2 δh(放热)。氨分解反应器9吸收大量太阳热能，再通过氨合成反应器12来释放热能，由此可将400℃的热能提升到700℃。吸热过程进行时，氨分解反应气体由常温压力储气罐11经过透平压缩机10降压后进入氨分解反应器 9吸收聚光太阳能进行氨分解反应；放热过程进行时，合成氨反应气体同样由常温压力储气罐11经过透平压缩机10加压后进入氨合成反应器12进行合成氨反应释放高品位热量；氨分解、合成反应生成气体再回流到储气罐自动进行气液分离并稳
定储存。
48.线性菲涅尔集热系统1采用紧凑型排列，能够通过跟踪太阳运动并调整条形反射镜将太阳辐射聚集到吸热管上，为氨分解提供热量。菲涅耳聚光集热器将收集到的太阳能转化为热能并产生高温。氨基热化学热泵通过氨分解吸收集热器的热量，并通过氨合成释放高品位热能(700摄氏度)。
49.进一步的，所述甲醇合成模块中的化学反应为：
50.综上所述，本实施例利用太阳能集热、垃圾发电，将传统能源与新能源相结合产生电力或者甲醇和氨。利用新能源与传统能源相结合的方式的一大优点就能能吸收垃圾发电所产生的二氧化碳，可以实现零碳排放。此外电解水后所产生的产物氧气可以为垃圾发电作为助燃剂所使用。垃圾发电后所产生的废热还能供给 soec电解系统，两者互补互利。既使得由高碳工艺转化为低碳工艺，同时实现二氧化碳的高值化资源化利用，从而抵消了碳减排付出的高昂成本，有利于化石燃料发电系统进行低碳高效改革。
51.本发明使用大型工艺流程模拟软件aspen plus对整体系统中各个分系统之间的能量品位耦合以及能量流动过程，验证系统在理论上的可行性。其产氨能耗为256mj/kg，虽相较于传统煤或者天然气制氨能耗有所提升，但其生产氨的过程中省去了很多氢气提纯的反应，并且产氨的过程中没有碳排放，提供了一种绿色的制氨方法。
52.实施例一：
53.线性菲涅尔集热器通过对太阳光的集热，将热量提供给氨分解反应器，储存罐中的氨经过透平压缩机降压流入到氨分解反应器内，氨将吸收热量分解为氢气和氮气，再回流到储存罐中。储存罐中的氢气和氮气经过透平压缩机增压进入到氨合成反应器合成氨，同时释放大量热量(700℃)，合成的氨再回流到储存罐中，依次循环。soec电解系统电解水需要热能和电能，光伏发电系统2为soec 电解系统提供电能，垃圾发电模块3为soec电解系统进一步提供电能和热能，氨合成为soec提供热能。在第一soec电解系统7反应器内水将电解为氢气和氧气，其中氢气作为“原料气”提供给氨合成模块，其中psa制氮系统4也为氨合成反应器提供氮气。在氨合成模块5内，氢气和氮气反应合成氨。这就是一个完整的制氨流程，由于氨还能作为燃料载体，运输到大城市通过氨燃料电池13进行发电。
54.实施例二：
55.在实施例一的基础上，将soec电解后的氧气提供给垃圾发电模块3。垃圾发电模块通过将城市垃圾处理后进行焚烧发电，发出的电力返回给soec电解和其他需要用电的设备，发电后的余热返回给soec电解系统,垃圾燃烧后的副产物二氧化碳将其作为“原料”，与水混合通往“右边”的第二soec电解系统8进行共电解，水和二氧化碳将被电解成氢气和一氧化碳。再将氢气和一氧化碳在甲醇合成模块6反应合成甲醇。