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太阳能光热发电并生产液态阳光一种方法

导读: 本文介绍的光液,即醇类燃料(液态阳光)可以让人类完全摆脱化石能源的依赖。

太阳能光热发电并生产液态阳光一种方法

摘要:(1)人类主要使用化石能源,如石油,煤炭和天然气。化石能源有枯竭的一天。人类迫切需要一种替代能源。本文介绍的光液,即醇类燃料(液态阳光)可以让人类完全摆脱化石能源的依赖。

(2)光液作为能源替代方案、是以秸秆等生物质为原料,太阳能聚光热能为能源来源,通过秸秆厌氧发酵产沼气,沼渣碳化产碳源。得到碳氢氧复合物为传热工质、碳源、沼气和水通过化学反应得到甲醇、二甲醚等醇类燃料。此类液态、气态燃料称为光液。光液作为lightyear结构汽车的燃料。这个方法得到燃料的同时,利用甲醇、水为工质的汽轮机吸收传热工质的热量发电。

(3)本文定性地描述了光液工艺的原理及生产过程。介绍光液的应用场景。

关键词:光热;沼气;梁氏光液;发电;厌氧发酵;碳化。

中图分类号:TK6 生物能及其利用。

引言

当前,太阳能是公认的可持续、绿色环保的能源替代来源。太阳能利用的形式主要有光伏、光热、绿色植物等形式。这三种形式的太阳能利用效率为,绿色植物:光转存储化学能0%~3%。光热:光转热0%~80%、光转电0%~17%。光伏:光转电0%~45%。这些转换效率是实际工程技术能达到的数值。人类要想经济地使用太阳能作为能源,必需从提高面积单位能源密度、质量单位能源密度和转换效率这三个方面入手。本文介绍的以秸秆和阳光为原料,太阳能热效应为能源。利用秸秆厌氧发酵,沼渣碳化得到沼气、碳【2】。沼气,碳和水在高温下通过一连串的化学反应,最终得到甲醇等醇类燃料。并利用炭/氢/氧三种元素组成的复合气体作为传热介绍工质,将太阳能热能传递到水蒸气/甲醇锅炉,产生水蒸汽,甲醇蒸汽,推动汽轮机发电。并利用蒸汽余热,干化沼渣。从沼渣干化设备出来的甲醇蒸汽在厌氧罐外冷却,并加热厌氧罐,维持高温厌氧所需温度。这种方法称为梁氏光液方案,英文名称:LLL,liang light liquids proposal。

 “LLL”方案利用了秸秆/生物质聚集,提高了单面面积的能量密度。厌氧产沼气提高了单位质量的能量密度。吸热化学反应提高了光热转化为化学能、电能的效率。这是一个利用秸秆和阳光产生电力、光液和肥料的方法。遵循了自然界碳循环的规律。

 “LLL”方案原理及工艺

1.1 “LLL”方案的化学反应计算

1.1.1 反应过程

该化学反应过程是由一系列的吸热和放热化学组成。主要反应如下。【1】反应温度和催化条件在此不展开讨论,组成这些反应的气态物质称为复合气体。复合气体也是光热发电的工作介质。为了方便计算,反应热取常温时的数值,也即是初始原料和最终产物的值。

C+H2O(g)=CO(g)+H2(g) △H=+131.390KJ/mol

CO(g)+H2O(g)=CO2(g)+H2(g) △H=-41.194KJ/mol

C(g)+2H2(g)=CH4(g) △H=-74.898KJ/mol

CH4(g)+H2O(g) = CO(g)+3H2(g) ΔH=+206.1kJ/mol

C+CO2(g)=2CO(g) △H=+131.390KJ/mol

上面的化学反应可以归纳为:

C+H2O(g)+ CH4(g)+ CO2(g) = 3CO(g)+6H2(g) △H=+337.490KJ/mol (公式一)

太阳能光热发电并生产液态阳光一种方法

 图一、0.1MPa下碳-蒸汽反应的平衡组成

太阳能光热发电并生产液态阳光一种方法

图二、2.0MPa下碳-蒸汽反应的平衡组成

图一,图二是该连串化学反应的平衡图。【1】

T>900℃,含有等量的H2和CO,其它组分含量接近于零。T↓,H2O、CO2、CH4含量逐渐增加。高温,H2和CO含量高。相同T,P↑,H2O、CO2、CH4含量增加,H2和CO含量减小。低压、高温有利于反应的进行。

这是一个化学储存太阳能的反应。此总反应主要在光热/高温条件下进行。以下是放热反应。主要在水蒸汽锅炉内胆发生。高压、低温有利于反应的进行。

CO(g)+H2O(g)=CO2(g)+H2(g) △H=-41.194KJ/mol

C(g)+2H2(g)=CH4(g) △H=-74.898KJ/mol

这两个反应不需要催化剂。

而合成甲醇、二甲醚的过程需要催化,也是在主要在水蒸气锅炉内胆发生。

CO(g)+2H2(g)=CH3OH(g) △H=-100.46kJ/mol

2CH3OH(g)=CH3OCH3(g)+H2O(g) △H=-20.59kJ/mol

锅炉内胆分层,入口温度500℃,最高温度700℃,出口温度420℃。

甲醇及复合气体从锅炉内胆出来,进入沼渣碳化室,将沼渣碳化。甲醇及复合气体温度降为400℃。在沼渣碳化室内,甲醇及有害杂质被分离,400℃甲醇蒸汽进入甲醇锅炉和沼渣干化炉,降温到200℃,经加压泵加压60bar,200℃的液态甲醇通过高压泵打入甲醇锅炉。甲醇锅炉带动汽轮机发电。

当混合气体内的碳元素过量,将复合气体加热到1000℃,炭单质会析出。得到1000℃的木炭作为固态储热介质。也可以直接加热木炭,作为储能。过热的木炭在没有太阳光的时候,与水蒸气、二氧化碳生成CO(g)、2H2(g)。此种热存储的效率非常高,无腐蚀。

太阳能光热发电并生产液态阳光一种方法

图三、 LLL光液生产流程示意图

1.1.2 原理讨论

秸秆含碳量在38±5%之间【3】。1吨干秸秆含碳0.33 ~0.41吨.假定整个化学反应过程碳元素没有丢失。1mol的碳得到1mol甲醇,则有1吨干秸秆产1吨甲醇。

发电量该如何计算呢?

假设热源无限大,最高温度达到1000℃。使得化学反应充分。(实际最高温度680℃,该系统反应即可进行)。

由1.1.1的化学反应过程得知,当热源温度一定时。整个化学反应达到平衡。经过汽轮机之后CO和H2的比例减少。公式一左边向右边偏移,吸热反应进行。太阳光热能通过化学能和复合气体的热能传递到锅炉内胆。理论上,发电量跟聚光面积有关、传热工质温度有关。假定进入水蒸气锅炉内胆的复合气体温度为500℃,则有水蒸气最高温度为420℃。水蒸汽汽轮机入口温度400℃,压力不确定,出口温度180℃。180℃水蒸气利用64℃甲醇冷却,利用朗肯循环发电。

由此可知,整个系统的光热转光电效率实际能达到的值由水汽轮机和甲醇汽轮机的效率这两个部分组成。由于热能得到阶梯利用,400℃度碳化沼渣,200~400℃干燥沼渣和甲醇汽轮机发电机。64~120℃用来给高温沼气厌氧罐加热。

这个系统最大的能源价值在于,甲醇等醇类燃料。这些燃料的能量来自太阳能和甲烷。

  “LLL”光液的优劣势

2.1 “LLL”光液与光伏对比

光伏发电的优势是运维的成本低廉。“LLL”光液的建造、运维的成本未知,但优势已经很明显了。那就是能量的可存储性和能源利用率高。随着光液产业成熟,成本不断降低。

2.2  “LLL”光液的应用场景

“LLL”光液可以利用在任何有阳光、有植物的地方。所有的植物,如秸秆,竹子,树木都可以粉碎后发酵产沼气,沼渣碳化和阳光一起产生光液。

2.3  “LLL”光液能量存储性能"LLL"

“LLL”光液的生产过程是能量的存储和释放过程。那么这个系统储存多少能量,释放了多少能量呢?

2.3.1 化学储能

以秸秆为例说明,秸秆碳含量38±5%之间,高位热值15~17MJ/KG[4]。按每吨秸秆含炭元素38%,并完全利用得到约1吨甲醇。查化工手册知甲醇高位热值22.7MJ/KG,低位热值19.9MJ/KG。秸秆热值取最大值17MJ/KG,借助里太阳能光热,秸秆的能量等价地完全转化到甲醇。并吸收太阳能增加了33.5%转化到甲醇。

太阳能的光热储存是以化学能,热能存储的。由1.1.1的公式一,复合气体中CO、H2的化学储能为3.52MJ/KG。这还不是“LLL”光液系统的储能的最高值,该系统的的储能最高值在:

CH4(g)=C(g)+2H2(g) △H=+74.898KJ/mol

C+CO2(g)=2CO(g) △H=+131.390KJ/mol

C+H2O(g)=CO(g)+H2(g) △H=+131.390KJ/mol

总反应方程式为:

CH4(g)+CO2(g)+H2O(g)=3CO(g)+6H2(g) △H=+206.288KJ/mol

这个三个公式得知,在化学反应充分、流化床有效分离CO,H2情况下。以CH4(g)、CO2(g)、H2O(g)和炭为原料,化学储能甲烷为12.9MJ/KG,碳为10.95MJ/KG。

2.3.2 高温储能

这个系统有一个固态碳高温储能,1000℃的单质碳储存能力跟碳热比容、碳质量有关。

复合气体的内能也是储能的一部分。

2.3.3  “LLL”光液系统储能能力

由此,总储能=高温碳单质储能+复合气体内能+已转化甲烷存储化学能+已转化碳化学能。

2.4  “LLL”光液系统光热及光电转换效率

根据目前太阳能光热利用效率[5]。太阳能发电利用[6] 。槽式聚光最高温度390℃,最高效率20%,年平均效率11~16%。碟式聚光最高温度750℃,最高效率29.4%,年平均效率12~25% 。

“LLL”光液系统采用蝶式+槽式聚光,两轴定日追踪。太阳能转化学能的可以单独考虑,这个系统的太阳能转电能转化率,年平均最低也会达到11%。另外的89%为未吸收、或者被沼渣干化、碳化、高温厌氧利用。

因蝶式+槽式聚光结构简单。这样的系统建造和运维成本也会比目前塔式光热电站低。

 “LLL”光液发展展望

3.1 “LLL”光液的潜力

在不考虑经济因素的情况下“LLL”可以为人类提供所有能源。而中国,只需要将8亿吨秸秆利用起来就能满足全国lightyear结构混动车的燃料需求。而全国生物质总量生产潜力可达650亿吨/年[7],折合33亿吨标准煤,相当于每年化石资源消耗总量的3倍以上。所有生物质,如树木,农作物废弃物,粪便,厨余垃圾都可以进“LLL”光液系统。如果“LLL”光液系统的太阳能转化学能为8%、太阳能转电能为11%。在光照条件如佛山市、聚光面积跟海南岛面积和2%生物质总量的条件下,就能获得至少13亿吨甲醇(植物含碳量387~506 g/kg)[8]。同时还有大量的电能。这些燃料和电能足够全国能源需求。

结论

“LLL”光液方案是一种太阳能利用效率高,应用场景广的太阳能、生物质应用方案。

参考文献

[1] 宋维瑞等主编. 《甲醇工学》[M].第19~33页,化学工业出版社 1991.

[2] 邓良伟等. 《沼气工程》[M]. 科学出版社.2015.

[3]  成功.运用“碳足迹”的方法评估小麦秸秆及其生物质炭添加对农田生态系统净碳汇的影响[J].农业环境科学学报,2016,35(3):604-612.doi:10.11654/jaes.2016.03.026.

[4] 岳建芝.玉米秸秆主要成分及热值的测定与分析[J].河南农业科学,2006,0(9):30-32. doi:10.3969/j.issn.1004-3268.2006.09.009.

[5]  陈静.太阳能热发电系统的研究现状综述[J].热力发电,2012,41(4):17-22. doi:10.3969/j.issn.1002-3364.2012.04.017.

[6]王建华.太阳能应用研究进展[J].水电能源科学, 2007,25(4):155-158. doi:10.3969/j.issn.1000-7709.2007.04.040.

[7]杨邦杰, 生物质能产业乘风破浪会有[J].人民日报,致公党中央在全国政协十届四次会议.

[8]张红爱.广东省林下植物碳含量和热值特征分析[J].林业与环境科学, 2017,33(2):42-47. doi:10.3969/j.issn.1006-4427.2017.02.007.

作者梁云目前从事生物质利用、餐厨垃圾处理、沼气发电整厂电气设计。

Abstract(1) Humans mainly use fossil energy, such as oil, coal and natural gas. Fossil energy will run out one day. Humans is in urgent need of an alternative energy. The light liquids described in this paper, known as alcohol fuels (liquid sunlight), Humans can completely wean from fossil energy dependence by the light liquids.

(2)As an alternative energy solution, the light solution takes straw/biomass as the raw material and solar thermal effect as the energy source. Biogas can be produced through the straw anaerobic fermentation and biogas residue carbonization. The gas that include H/C/O is obtained as heat transfer medium.Takes carbon source from biogas residue carbonization, biogas and water as the raw material. The methanol, dimethyl and other alcohol fuels are obtained through chemical reaction. Such liquid and gaseous fuels are called light liquids. Light liquid is used as fuel for lightyear structural cars.This method can be used to obtain the fuel, and meanwhile, the steam turbine with methanol/water as working medium can absorb the heat of solar thermal to generate electricity.

(3) This paper describes the principle and production process of LLL qualitatively.The application of LLL is introduced.

Key words: solar thermal effect; Biogas; LLL:Liang light liquids; Power generation; Anaerobic fermentation; Carbide.

作者:梁云

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