[发明专利]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

说明书

本发明提供了一种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，该系统包括氨基热化学热泵系统、线性菲涅尔集热系统，SOEC电解系统、PSA制氮系统、氨合成模块、甲醇合成模块、垃圾发电模块。本发明利用太阳能光伏及光热并结合氨基热化学热泵系统为SOEC电解系统提供电和热，利用太阳能发电驱动空气分离为氮气与氧气、驱动水电解为氢气和氧气，氧气作为垃圾焚烧发电的助燃剂，垃圾焚烧发电输出电能，其产生的高温CO₂可直接与水蒸气混合通入SOEC电解池进行共电解生成H₂和CO，再通过催化剂将氢气与一氧化碳催化为甲醇。氨常温下是液态，便于储运，不仅是重要的化工原料还可以作为无碳燃料和氢气载体。本发明实现电与甲醇、氨等联产，CO₂高值化资源化利用，从而抵消碳减排成本，有利于化石燃料发电系统进行低碳高效改革。

技术领域

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

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。

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。

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。

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。

发明内容

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。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：