一種太陽能化學回熱燃氣輪機系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種太陽能化學回熱燃氣輪機系統。空氣壓縮后進入太陽能空氣集熱器加熱，再進入燃燒室；余熱蒸汽發生器將給水加熱蒸發，并與燃料混合進入尾氣重整器，尾氣重整器利用尾氣熱量將一部分燃料和水蒸氣重整為合成氣混合物，合成氣混合物再進入太陽能重整器進一步重整，合成氣進入燃燒室與加熱后的壓縮空氣混合燃燒，生成的高溫燃氣進入燃氣透平做功；燃氣透平排出的尾氣進入重整器為重整反應提供熱量，再進入余熱蒸汽發生器為給水蒸發提供必要的熱量，該太陽能化學回熱燃氣輪機充分利用尾氣余熱提高了系統效率，又利用太陽能空氣集熱器和太陽能重整器將太陽能引入系統中，大幅減小了燃料消耗量，提高系統的環境效益和經濟效益。
【專利說明】
一種太陽能化學回熱燃氣輪機系統
技術領域
[0001] 本實用新型涉及太陽能燃氣輪機系統，尤其涉及一種太陽能化學回熱燃氣輪機系 統。
【背景技術】
[0002] 全球太陽能輻射總量約1.7X101TW，其中我國約占1%(1.8X10 15W，相當于1.9萬 億噸標煤/年），是我國目前年能耗總量的680倍。電力是世界上消耗量最大的二次能源，太 陽能發電技術是緩解當前能源危機的有效手段，應用前景極廣。
[0003] 太陽能發電技術主要分為光伏發電和光熱發電兩大類。光伏發電主要是利用光伏 電池板的光電效應進行發電。該技術目前主要存在三大缺點：（1)發電功率隨太陽光強度變 化而變化，在晚上和陰雨天完全不能發電，對電網沖擊大；（2)太陽光流密度低，單位發電容 量所需的光伏電池板面積大，而光伏電池板制造過程污染嚴重、成本很高；（3)光伏電池板 對太陽能光譜的響應波段主要集中在高頻短波區域(40〇a〈ll〇〇 nm)，低頻長波區域的能量 則大部分轉化為熱量，致使光伏電池板溫度升高、光電轉換效率降低、使用壽命縮短。采用 聚光光伏發電方法可以成倍減少光伏電池板的使用面積、采用薄膜分頻方法將太陽光中的 低頻長波分離后再照射光伏電池板，是目前光伏發電技術的兩個重要方向；對于晝夜不連 續的問題，光伏發電技術本身難以克服，主要依靠蓄電池或蓄能發電系統（如蓄能水電站 等)配套補充，成本很高。
[0004] 太陽能熱發電主要有槽式熱發電、線性菲涅爾熱發電、塔式熱發電和碟式熱發電 技術。基本原理主要是利用聚光拋物面反射鏡(槽式鏡、線性菲涅爾鏡、塔式定日鏡以及碟 式鏡)將太陽光聚集起來，通過光熱轉換及換熱裝置產生蒸汽或加熱流體驅動熱機進行發 電；其優點在于該技術可吸收全波段的太陽光、可通過蓄熱以及燃料補充實現晝夜連續發 電。常見的太陽能熱發電系統中的熱機采用的是蒸汽輪機，系統復雜，效率不高。燃氣輪機 也是一種熱機，簡單燃氣輪機系統由壓縮機、燃燒室和燃氣透平組成。一般太陽能燃氣輪機 系統是在簡單燃氣輪機系統中增加太陽能空氣集熱器，即從壓縮機出來的空氣經過太陽能 空氣集熱器預熱，再進入燃燒室燃燒生成高溫燃氣，最后進入燃氣透平對外做功。燃氣輪 機系統比功率大，振動噪聲小，壽命長，易于維護等應用越來越廣，但是簡單燃氣輪機循環 其效率較低，尾氣排放熱損失大，一般與水蒸氣朗肯循環聯合使用，提高系統整體效率。簡 單太陽能燃氣輪機系統效率低，而燃氣-蒸汽聯合循環系統復雜，由于太陽能熱發電站相比 傳統化石燃料電站規模相對較小，整體效率比大型機組要低，投資大，風險高。

【發明內容】

[0005] 本實用新型針對現有的太陽能燃氣輪系統所存在的問題，提出了一種太陽能化學 回熱燃氣輪機系統，提高了系統整體效率，避免了聯合循環系統的復雜性，而且增加了太陽 能所占比例，提高了系統的環境效益和經濟效益。
[0006] 本實用新型的具體方案如下：
[0007] -種太陽能化學回熱燃氣輪機系統包括壓縮機、太陽能空氣集熱器、燃燒室、燃氣 透平、尾氣重整器、余熱蒸汽發生器、太陽能重整器，空氣進入壓縮機，經過壓縮后壓縮空氣 進入太陽能空氣集熱器，空氣被聚焦太陽光加熱后進入燃燒室，產生的高溫燃氣進入燃氣 透平對外做功，燃氣透平尾氣依次通過尾氣重整器和余熱蒸汽發生器;給水在余熱蒸汽發 生器中被尾氣加熱蒸發成水蒸氣，并與燃料混合進入尾氣重整器，尾氣加熱燃料和水蒸氣， 使其發生重整反應，重整反應產生的合成氣混合物進入太陽能重整器，吸收聚焦太陽能，進 一步發生重整反應，重整反應產生的合成氣進入燃燒室與空氣進行反應，生產高溫燃氣。
[0008] 所述太陽能空氣集熱器利用聚焦的太陽光加熱集熱器內流過的空氣。常見的結構 形式有管式集熱器和容積式集熱器。管式集熱器中空氣在管內流動，管外壁接受聚焦太陽 光照射而被加熱;容積式集熱器利用石英玻璃窗將空氣密封在集熱器腔中，聚焦太陽光被 容積式集熱器中布置的多孔介質吸收，利用多孔介質再加熱空氣。空氣集熱器能夠將空氣 加熱到800°C以上，所述的太陽能空氣集熱器為管式集熱器或容積式集熱器的一種或兩者 的組合。
[0009] 所述尾氣重整器利用尾氣熱量加熱水蒸氣和燃料混合物，分為煙氣側和反應側， 煙氣側流過尾氣，提供反應所需熱量，反應側發生重整反應生產合成氣，以甲烷和水蒸氣為 例，重整反應化學方程式為，
[0010] CH4+H20 = C0+3H2；AH|98/< = 206.23kJ/mol (1)
[0011] CO+E2〇 = C〇2+E2；AH!j9SK = -41.03kj/mol (2)
[0012] 重整后，合成氣為甲烷、水蒸氣、一氧化碳、二氧化碳和氫氣的混合物。該總反應為 吸熱反應，回收尾氣的余熱，減小排放，提高系統效率。
[0013] 所述太陽能重整器利用聚焦太陽光進一步加熱在反應側中從尾氣重整器出來的 合成氣混合物，促進甲烷和水蒸氣的進一步的重整反應，其反應機理同所述的尾氣重整器， 吸收太陽能進入動力循環。
[0014] 所述余熱蒸汽發生器，分為水側和煙氣側，煙氣側流過從所述尾氣重整器排氣的 尾氣，加熱水側中的給水并蒸發。余熱蒸汽發生器進一步回收了尾氣的熱量，減少排放熱損 失，提尚系統效率。
[0015] 所述的燃料為氣體、液體或固體燃料中的一種或多種，氣體燃料包括天然氣、頁巖 氣，液體燃料包括柴油、生物質油，固體燃料包括煤炭、生物質炭。所述的燃料和所述的水蒸 氣通過混合器混合再進入尾氣重整器反應側。
[0016] 所述的余熱蒸汽發生器煙氣側排出的尾氣再進入尾氣冷凝器，用于凝結尾氣中所 含有的水蒸氣，回收冷凝水，減少水消耗量。
[0017] 所述太陽能空氣集熱器和太陽能重整器的聚焦太陽能由塔式聚光系統、碟式聚光 系統、槽式聚光系統或者線性菲涅爾式聚光系統中的一種或者多種提供。
[0018] 所述的尾氣重整器和太陽能重整器的反應側填有鎳基催化劑，加快重整反應速 率。
[0019] 所述壓縮機分成低壓壓縮機和高壓壓縮機，并且在低壓壓縮機和高壓壓縮機之間 設置中間冷卻器，用于冷卻從低壓壓縮機出來的空氣，因而進入高壓縮機的空氣溫度大幅 降低，減小了高壓壓縮機的耗功，提高系統效率。
[0020] 與現有技術相比，本實用新型具有以下優點：
[0021] 1、采用尾氣重整器和余熱蒸汽發生器減少了尾氣排放損失，提高了系統效率，避 免了復雜的朗肯循環的使用，簡化了系統，提高系統的緊湊型，方便系統的安裝和維護。
[0022] 2、太陽能重整器的采用大幅提高了太陽能在系統中所占比例，減小了燃料的使用 量，提高環境效益和經濟效益。
[0023] 3、由于合成氣含有大量的氫氣和水蒸氣，降低了燃燒室中的火焰溫度，因此氮氧 化物排放大幅減小。
【附圖說明】
[0024] 圖1是太陽能化學回熱燃氣輪機系統示意圖；
[0025] 圖中：壓縮機1，太陽能空氣集熱器2，燃燒室3，燃氣透平4，發電機5，燃料壓縮機6， 尾氣重整器7，混合器8，余熱蒸汽發生器9，給水栗10，太陽能重整器11。
【具體實施方式】
[0026] 如圖1所示，一種太陽能化學回熱燃氣輪機系統，包括壓縮機1、太陽能空氣集熱器 2、燃燒室3、燃氣透平4、尾氣重整器7、余熱蒸汽發生器9、太陽能重整器11，空氣進入壓縮 機1，經過壓縮后進入太陽能空氣集熱器2,空氣被聚焦太陽光加熱到1000°C，后進入燃燒室 3，燃燒后產生的高溫燃氣，溫度達到1200°C，進入燃氣透平4，燃氣透平4通過轉軸與壓縮機 1相連，為壓縮機提供壓縮時所需的動力，燃氣透平4通過轉軸與發電機5相連，帶動發電機5 發電，對外輸出電功。燃氣透平尾氣依次通過尾氣重整器7和余熱蒸汽發生器9;給水通過給 水栗10提高壓力后進入余熱蒸汽發生器9中，被尾氣加熱蒸發成水蒸氣。燃料通過燃料壓縮 機6壓縮后，在混合器8中與余熱蒸汽發生器9中產生的水蒸氣混合，進入尾氣重整器7，尾氣 加熱燃料和水蒸氣發生重整反應，出口溫度達到500°C，產生的重整反應混合物進入太陽能 重整器11，吸收聚焦太陽能，進一步發生重整反應，重整反應混合物出口溫度800°C，再進入 燃燒室3與空氣進行反應，生產高溫燃氣。從余熱蒸汽發生器排走的尾氣溫度為130Γ，系統 整體效率為47%，比燃氣輪機簡單循環提高11個百分點，太陽能輸入與燃料熱量輸入之比 達到4:1。太陽能空氣集熱器和太陽能重整器所需的太陽能輸入由塔式聚光系統或者碟式 聚光系統提供。
【主權項】
1. 一種太陽能化學回熱燃氣輪機系統，其特征在于:包括壓縮機（I)、太陽能空氣集熱 器(2)、燃燒室(3)、燃氣透平(4)、尾氣重整器(7)、余熱蒸汽發生器(9)、太陽能重整器（11)， 壓縮機（1)、太陽能空氣集熱器(2)、燃燒室（3)、燃氣透平(4)通過管道順次相連，燃氣透平 (4)、尾氣重整器(7)反應側、余熱蒸汽發生器(9)水側通過管道順次相連，尾氣重整器(7)的 合成氣混合物出口、太陽能重整器（11)反應側、燃燒室（3)通過管道順次相連，余熱蒸汽發 生器(9)水側的水蒸氣出口通過混合器(8)與尾氣重整器(7)反應側相連。2. 根據權利要求1所述的一種太陽能化學回熱燃氣輪機系統，其特征在于所述的混合 器(8)的一個入口與余熱蒸汽發生器(9)水側的水蒸氣出口相連，另一入口與燃料壓縮機 (6)出口相連，燃料和水蒸氣通過混合器(8)混合并進入尾氣重整器(7)反應側。3. 根據權利要求1所述的一種太陽能化學回熱燃氣輪機系統，其特征在于所述的太陽 能空氣集熱器為管式集熱器或容積式集熱器中的一種或兩者的組合。4. 根據權利要求1所述的一種太陽能化學回熱燃氣輪機系統，其特征在于所述的余熱 蒸汽發生器(9)煙氣側的尾氣出口與尾氣冷凝器相連，從余熱蒸汽發生器(9)煙氣側的尾氣 出口排出的尾氣進入尾氣冷凝器，回收冷凝水。5. 根據權利要求1所述的一種太陽能化學回熱燃氣輪機系統，其特征在于所述的太陽 能空氣集熱器和太陽能重整器的聚焦太陽光由塔式聚光系統、碟式聚光系統、槽式聚光系 統或者線性菲涅爾式聚光系統中的一種或者多種提供。6. 根據權利要求1所述的一種太陽能化學回熱燃氣輪機系統，其特征在于所述壓縮機 (1)分成低壓壓縮機和高壓壓縮機，并且在低壓壓縮機和高壓壓縮機之間設置中間冷卻器， 用于冷卻從低壓壓縮機出來的壓縮空氣。7. 根據權利要求1所述的一種太陽能化學回熱燃氣輪機系統，其特征在于所述的尾氣 重整器(7)和太陽能重整器(11)的反應側填有鎳基催化劑。
【文檔編號】F22B1/18GK205503281SQ201620319760
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月15日
【發明人】肖剛, 楊天鋒, 倪明江, 駱仲泱, 高翔, 岑可法, 方夢祥, 周勁松, 施正倫, 程樂鳴, 王勤輝, 王樹榮, 余春江, 王濤, 鄭成航
【申請人】浙江大學