一种压缩空气储能耦合生物质能和内燃机的系统及运行方法

一种压缩空气储能耦合生物质能和内燃机的系统及运行方法


背景技术：

1.生物质能具有可再生性、清洁、低碳、原料丰富以及可替代化石燃料直接燃烧等优势。生物质能的利用主要有直接燃烧、热化学转换和生物化学转换等3种途径。生物质能的沼气转换沼气转化是指有机物质在厌氧环境中，通过微生物发酵产生一种以甲烷为主要成分的可燃性混合气体即沼气。在冬季，沼气池的保温需要额外使用沼气罐或保温材料，且沼气池的搅拌将会增加额外的功耗。内燃机发电时排气温度一般400-600℃，这部分气体排向大气将造成能源的大量浪费。压缩空气储能系统排气一般温度都略高于环境温度、且会具有一定的速度，这部分气体直接排向大气也将造成大量的能源浪费以及增加二氧化碳排放量；在压缩空气储能释能段入口采用引射器降压可以增加膨胀机入口流量、有利于提高系统效率；传统压缩空气储能再热器存在传热温差且存在压力损失，这影响膨胀机输出功率及系统效率，且在系统压缩段压缩热的利用程度不高。


技术实现要素：

2.为了解决现有压缩空气储能系统中膨胀机排气损失与再热器传热及压降损失的问题、内燃机高温排气未被利用的问题以及沼气池的不经济性问题，本发明结合压缩空气储能、引射器、内燃机以及沼气池内生物质的特点，提供了一种压缩空气储能耦合生物质能和内燃机的系统及运行方法。将压缩热在蓄热容器中储存、空气进入蓄热容器吸收热量后进入内燃机为甲烷燃烧提供氧气，实现了低品位热源的利用。
3.本发明通过以下技术方案来实现：一种压缩空气储能耦合生物质能和内燃机的系统，包括压缩空气储能单元、内燃机发电单元和沼气发生单元；压缩空气储能单元包括依次连接的电动机、绝热压缩机、蓄热容器、储气罐、引射器、绝热膨胀机及第一发电机，被引射气体入口经升压泵与内燃机发电单元的排气口相连；沼气发生单元包括依次连接的沼气池、二氧化碳吸收装置和除湿装置，沼气池与绝热膨胀机出口相连；蓄热容器的冷侧出口和除湿装置的出口还连接内燃机发电单元的工质入口。
4.绝热压缩机与储气罐之间设置蓄热容器与第一节流阀，储气室出口经第二节流阀与引射器高压气体入口相连。
5.内燃机发电单元包括内燃机和第二发电机，内燃机连接发电机，内燃机的工质入口和排气口分别作为内燃机发电单元的工质入口和内燃机发电单元的排气口。
6.沼气池包括气体缓冲室、沼气发生室和热交换室，沼气发生室设置在气体缓冲室的下方，热交换室设置在沼气发生室的侧面，沼气发生室连通气体缓冲室，气体缓冲室与绝热膨胀机排气口连通，沼气发生室连接二氧化碳吸收装置；气体缓冲室通过第三节流阀与热交换室相连，热交换室经第四节流阀连接大气。
7.沼气池热交换室与沼气发生室接触壁两面分布有换热肋片，且换热肋片与生物质的直接接触的面上有防腐蚀涂层。
8.沼气发生室中设置有气液换热搅拌器和搅拌叶轮，气体缓冲室内设置动力叶轮；气液换热搅拌器上设置有气液换热搅拌器入口管，并通过气液换热搅拌器入口管连通气体
缓冲室，气液换热搅拌器上开设气液换热搅拌器出气孔，并通过气液换热搅拌器出气孔与沼气发生室；动力叶轮与搅拌叶轮通过叶轮转轴连接。
9.气液换热搅拌器出气孔均匀开设在气液换热搅拌器与沼气发生室的接触面上，气液换热搅拌器入口管分布在沼气池四周。
10.二氧化碳吸收装置内盛装二氧化碳吸收剂，除水装置内装有干燥剂。
11.本发明所述系统的运行方法，储能时，空气经绝热压缩机压缩后进入蓄热容器，高压空气在蓄热容器中放热后进入储气罐；释能时储气罐内高压气体进入引射器主工作气体入口，内燃机高温排气经升压泵提升至设定压力后进入引射器被引射器气体入口，储气罐内高压气体与高温排气在引射器内充分混合后，维持绝热膨胀机前所需温度和压力进入绝热膨胀机做功，绝热膨胀机带动第一发电机发电；
12.在用电高峰、压缩空气储能系统需要释能的同时，空气经蓄热容器加热后进入内燃机发电单元，沼气发生室内甲烷气体经二氧化碳吸收装置除二氧化碳及除湿装置除水后进入内燃机发电单元，在内燃机发电单元空气与甲烷气体混合燃烧后进行能量转换发电；带有余速、温度和压力的绝热膨胀机排气进入沼气池，辅助沼气池运转。
13.带有余速、温度和压力的绝热膨胀机排气进入气体缓冲室，使动力叶轮受力旋转的同时带动搅拌叶轮旋转；气体缓冲室内一部分气体在压差的作用下进入热交换室，并与沼气发生室内生物质充分换热后经第四节流阀排向大气，气体缓冲室内另一部分气体经气液换热搅拌器入口管进入气液换热搅拌器，进一步通过气液换热搅拌器出气孔进入沼气发生室，随后与产生的甲烷气体一起进入二氧化碳吸收装置。
14.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
15.本发明将压缩空气储能、内燃机发电及生物质能的产生相互耦合，内燃机发电单元高温排气进入引射器、充分利用了内燃机高温排气所具有的能量，且增加了进入绝热膨胀机的流量，空气先进入蓄热容器吸热再进入内燃机，引射器引射内燃机排气、实现压力调节的同时提高了膨胀机前的温度，避免了使用再热器而造成的压力损失与传热损失，充分利用低品位压缩热的同时提高了内燃机发电的经济性；将绝热膨胀机排气通入沼气池利用，实现对绝热膨胀机排气利用的同时增加了沼气池的扰动与热量的补给、提高了沼气池的经济性；使用二氧化碳吸收装置吸收甲烷气体中夹带的二氧化碳，因此本系统还具有“低碳排放”的特点。
16.进一步的，本发明以绝热膨胀机排气作为沼气池动力叶轮的动力气源、动力叶轮带动搅拌叶轮旋转，在压差与节流阀的作用下、一部分气体进入沼气池热交换室、将热量传递给沼气发生室内生物质后排向大气，另一部分气体则进入沼气池换热管道、为沼气池提供热量的同时增加了沼气池的扰动；具有一定余速的膨胀机排气为动力叶轮提供动力、带动搅拌叶轮旋转，实现膨胀机排气余速利用的同时提高了沼气池内生物质的混合度、提高产甲烷率。
17.进一步地，除进入气液换热搅拌器的气体外，另一部分气体经节流阀进入热交换室，实现了膨胀机排气热的利用的同时提高了生物质温度、进一步提高了产甲烷率及系统效率。
附图说明
18.图1为本发明一种压缩空气储能耦合生物质能和内燃机的运行系统。
19.图2为本发明中气液换热搅拌器立体图。
20.图3为本发明中气液换热搅拌器俯视图。
21.图4为本发明中沼气池热交换室俯视图。
22.图5为本发明中沼气池热交换室内外肋片示意图。
23.图中：1、电动机；2、绝热压缩机；3、蓄热容器；4、第一节流阀；5、储气罐；6、第二节流阀；7、引射器；8、绝热膨胀机；9、第一发电机；10、升压泵；11、第三节流阀；12、内燃机；13、除湿装置；14、二氧化碳吸收装置；15、第二发电机；16、沼气池；17、动力叶片；18、叶轮转轴；19、气液换热搅拌器；20、搅拌叶轮；21、气液换热搅拌器入口管；22、气体缓冲室；23、沼气发生室；24、气液换热搅拌器出气孔；25、热交换室；26、第四节流阀；27、换热肋片。
具体实施方式
24.下面结合具体实施方式和附图对发明进行详细阐述。
25.本发明将压缩空气储能系统、内燃机发电系统及生物质能发生系统进行相互耦合。将压缩热在蓄热容器中储存、空气进入蓄热容器吸收热量后进入内燃机为甲烷燃烧提供氧气，实现了低品位热源的利用。以内燃机高温排气作为被引射气体、在引射器内与低温高压气体混合后变为温度较高的中压气体进入透平机做功，避免了再热器的传热损失与压降损失；以膨胀机排气作为沼气池动力叶轮的动力气源，在压差与节流阀的作用下、一部分气体进入沼气池气体换热室、将热量传递给沼气发生室内生物质后排向大气，另一部分气体进入沼气池换热管道、为沼气池提供热量的同时增加了沼气池的扰动，实现对膨胀机排气利用的同时增加了沼气池的扰动与热量的补给、提高了沼气池的经济性。
26.如图1所示，一种压缩空气储能耦合生物质能和内燃机的运行系统包括压缩空气储能单元、内燃机发电单元和沼气发生单元；
27.具体包括电动机1、绝热压缩机2、蓄热容器3、第一节流阀4、储气罐5、第二节流阀6、引射器7、绝热膨胀机8、第一发电机9、升压泵10、第三节流阀11、内燃机12、除湿装置13、二氧化碳吸收装置14、第二发电机15、沼气池16、动力叶片17、叶轮转轴18、气液换热搅拌器19、搅拌叶轮20、气液换热搅拌器入口管21、气体缓冲室22、沼气发生室23、气液换热搅拌器出气孔24、热交换室25、第四节流阀26、肋片27；
28.压缩空气储能单元包括依次连接的电动机1、绝热压缩机2、蓄热容器3、储气罐5、引射器7、绝热膨胀机8及第一发电机9，绝热压缩机2与储气罐5之间设置蓄热容器3与第一节流阀4，储气室5出口经第二节流阀6与引射器7高压气体入口相连，被引射气体入口经升压泵10与内燃机排气口相连；内燃机发电单元包括内燃机12和第二发电机15，内燃机12的工质入口连接蓄热容器3，内燃机12连接第二发电机15；沼气发生单元包括依次连接的沼气池16、二氧化碳吸收装置14、除湿装置13，沼气池16与绝热膨胀机8出口相连，除湿装置13与内燃机入口相连。
29.沼气池16包括气体缓冲室22、沼气发生室23、热交换室25、气液换热搅拌器19、动力叶轮17、搅拌叶轮20，气体缓冲室22与绝热膨胀机8排气口相连，气液换热搅拌器入口管21与气体缓冲室22相连通，气液换热搅拌器出气孔24与沼气发生室23相通，气体缓冲室22
内的动力叶轮17与沼气发生室内的搅拌叶轮20通过叶轮转轴18连接，沼气发生室23连接二氧化碳吸收装置14；气体缓冲室22通过第三节流阀11与热交换室25相连，热交换室25经第四节流阀26连接大气。
30.压气机组电动机1电能来自于用电低谷时过剩电量，绝热压缩机2采用双螺杆压缩机、绝热膨胀机8采用双螺杆膨胀机。
31.动力叶轮17、搅拌叶轮20及叶轮转轴18均采用导热性能较好地金属构成，且外表均有防锈涂层，在具有一定速度膨胀机排气冲击到动力叶轮上使其旋转进一步带动搅拌叶轮22旋转。
32.气液换热搅拌器19、气液换热搅拌器入口管21内外均有防锈涂层且导热性能较好，气液换热搅拌器出气孔24均匀分布在气液换热搅拌器19与沼气发生室23的接触面上；四根气液换热搅拌器入口21管分布在沼气池16四角。
33.沼气池热交换室25与沼气发生室23接触壁两面分布有换热肋片27，且换热肋片27与生物质的直接接触的面上有防腐蚀涂层。
34.各种管道、转轴等与沼气池16接触部位密封性良好。
35.二氧化碳吸收装置14内装二氧化碳吸收剂，二氧化碳吸收剂采用碱性溶液，除水装置13内装有干燥剂，碱性溶液为氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液或氢氧化钙溶液，干燥剂为硫酸钙、氧化钙、硅胶或活性氧化铝。
36.本发明所述一种压缩空气储能耦合生物质能和内燃机的系统及运行方法，具体如下：
37.储能时空气经压气机组的绝热压缩机2压缩后进入蓄热容器3，高压空气在蓄热容器3中放热后经第一节流阀4进入储气罐5；释能时储气罐5内高压气体经第二节流阀6进入引射器7主工作气体入口，内燃机高温排气经升压泵10升压至设定压力进入引射器7被引射器气体入口，储气罐高压气体与高温排气在引射器7内充分混合后、维持绝热膨胀机8前所需温度和压力进入绝热膨胀机8做功、膨胀机带动第一发电机9发电。
38.在用电高峰、压缩空气储能系统需要释能的同时、空气经蓄热容器3加热后进入内燃机12，沼气发生室23内甲烷气体经二氧化碳吸收装置14除二氧化碳及除湿装置13除水后进入内燃机12，在内燃机12内空气与甲烷气体混合后燃烧带动第二发电机15发电；带有一定余速、温度和压力的绝热膨胀机8排气经进入沼气池16的气体缓冲室22，使动力叶轮17受力旋转的同时带动搅拌叶轮20旋转、增加沼气池16内生物质的混合度；气体缓冲室22内一部分气体在压差的作用下进入热交换室25、与沼气发生室23内生物质充分换热后经第四节流阀26排向大气，另一部分气体经气液换热搅拌器入口管21进入气液换热搅拌器19、进一步通过气液换热搅拌器出气孔24进入沼气发生室23、气泡上浮的过程中与沼气发生室23内生物质进行换热且增加了生物质的扰动程度、随后与产生的甲烷气体一起进入二氧化碳吸收装置14。
39.沼气池16内发酵温度保持45—60℃、沼气池16内原料主要为禽畜粪便、废弃秸秆等。进入热交换室25与气液换热搅拌器19的气体量根据生物质的搅拌程度而定、搅拌程度较低时、进入气液换热搅拌器19的气体量增多，反之、气体量减少。
40.如图2所示，为本发明中气液换热搅拌器立体图，由四根气液换热搅拌器入口管21及若干气液换热搅拌器出气孔24组成，气液换热搅拌器入口管21为导热性能良好、表面有
防锈涂层的金属材料。
41.如图3所示，为本发明中气液换热搅拌器俯视图，四根气液换热搅拌器入口管21分布在沼气池16四角、若干气液换热搅拌器出气孔24均匀分布在气液换热搅拌器19与沼气发生室23的接触面、气体从气液换热搅拌器出气孔24通过后，从沼气发生室23底部自由向上浮动、为沼气池16内生物质保温的同时增加了生物质扰动程度。
42.图4为本发明中沼气池热交换室25俯视图、热交换室25分布在沼气发生室23四周、通过肋片27将热量传递给生物质。
43.图5为本发明中沼气池热交换室内外肋片示意图、内外肋片27有较好的导热性能、与生物质接触的肋片有防锈涂层。

技术特征：
1.一种压缩空气储能耦合生物质能和内燃机的系统，其特征在于，包括空气储能单元、内燃机发电单元和沼气发生单元；压缩空气储能单元包括依次连接的电动机(1)、绝热压缩机(2)、蓄热容器(3)、储气罐(5)、引射器(7)、绝热膨胀机(8)及第一发电机(9)，被引射气体入口经升压泵(10)与内燃机发电单元的排气口相连；沼气发生单元包括依次连接的沼气池(16)、二氧化碳吸收装置(14)和除湿装置(13)，沼气池(16)与绝热膨胀机(8)出口相连；蓄热容器(3)的冷侧出口和除湿装置(13)的出口还连接内燃机发电单元的工质入口。2.根据权利要求1所述的压缩空气储能耦合生物质能和内燃机的系统，其特征在于，绝热压缩机(2)与储气罐(5)之间设置蓄热容器(3)与第一节流阀(4)，储气室(5)出口经第二节流阀(6)与引射器(7)高压气体入口相连。3.根据权利要求1所述的压缩空气储能耦合生物质能和内燃机的系统，其特征在于，内燃机发电单元包括内燃机(12)和第二发电机(15)，内燃机(12)连接发电机(15)，内燃机(12)的工质入口和排气口分别作为内燃机发电单元的工质入口和内燃机发电单元的排气口。4.根据权利要求1所述的压缩空气储能耦合生物质能和内燃机的系统，其特征在于，沼气池(16)包括气体缓冲室(22)、沼气发生室(23)和热交换室(25)，沼气发生室(23)设置在气体缓冲室(22)的下方，热交换室(25)设置在沼气发生室(23)的侧面，沼气发生室(23)连通气体缓冲室(22)，气体缓冲室(22)与绝热膨胀机(8)排气口连通，沼气发生室(23)连接二氧化碳吸收装置(14)；气体缓冲室(22)通过第三节流阀(11)与热交换室(25)相连，热交换室(25)经第四节流阀(26)连接大气。5.根据权利要求4所述的压缩空气储能耦合生物质能和内燃机的系统，其特征在于，沼气池热交换室(25)与沼气发生室(23)接触壁两面分布有换热肋片(27)，且换热肋片(27)与生物质的直接接触的面上有防腐蚀涂层。6.根据权利要求4所述的压缩空气储能耦合生物质能和内燃机的系统，其特征在于，沼气发生室(23)中设置有气液换热搅拌器(19)和搅拌叶轮(20)，气体缓冲室(22)内设置动力叶轮(17)；气液换热搅拌器(19)上设置有气液换热搅拌器入口管(21)，并通过气液换热搅拌器入口管(21)连通气体缓冲室(22)，气液换热搅拌器(19)上开设气液换热搅拌器出气孔(24)，并通过气液换热搅拌器出气孔(24)与沼气发生室(23)；动力叶轮(17)与搅拌叶轮(20)通过叶轮转轴(18)连接。7.根据权利要求6所述的压缩空气储能耦合生物质能和内燃机的系统，其特征在于，气液换热搅拌器出气孔(24)均匀开设在气液换热搅拌器(19)与沼气发生室(23)的接触面上，气液换热搅拌器入口(21)管分布在沼气池(16)四周。8.根据权利要求1所述的压缩空气储能耦合生物质能和内燃机的系统，其特征在于，二氧化碳吸收装置(14)内盛装二氧化碳吸收剂，除水装置(13)内装有干燥剂。9.权利要求1-8任一项所述系统的运行方法，其特征在于，储能时，空气经绝热压缩机(2)压缩后进入蓄热容器(3)，高压空气在蓄热容器(3)中放热后进入储气罐(5)；释能时储气罐(5)内高压气体进入引射器(7)主工作气体入口，内燃机高温排气经升压泵(10)升至设定压力后进入引射器(7)被引射器气体入口，高压气体与高温排气在引射器(7)内充分混合后，维持绝热膨胀机(8)前所需温度和压力进入绝热膨胀机(8)做功，绝热膨胀机(8)带动第一发电机(9)发电；
在用电高峰、压缩空气储能系统需要释能的同时，空气经蓄热容器(3)加热后进入内燃机发电单元，沼气发生室(23)内甲烷气体经二氧化碳吸收装置(14)除二氧化碳及除湿装置(13)除水后进入内燃机发电单元，在内燃机发电单元空气与甲烷气体混合后燃烧后进行能量转换发电；带有余速、温度和压力的绝热膨胀机(8)排气进入沼气池(16)，辅助沼气池(16)运转。10.根据权利要求9所述的运行方法，其特征在于，带有余速、温度和压力的绝热膨胀机(8)排气进入气体缓冲室(22)，使动力叶轮(17)受力旋转的同时带动搅拌叶轮(20)旋转；气体缓冲室(22)内一部分气体在压差的作用下进入热交换室(25)，并与沼气发生室(23)内生物质充分换热后经第四节流阀(26)排向大气，气体缓冲室(22)内另一部分气体经气液换热搅拌器入口管(21)进入气液换热搅拌器(19)，进一步通过气液换热搅拌器出气孔(24)进入沼气发生室(23)，随后与产生的甲烷气体一起进入二氧化碳吸收装置(14)。

技术总结
本发明公开了一种压缩空气储能耦合生物质能和内燃机的系统及运行方法，包括空气储能单元、内燃机发电单元和沼气发生单元；压缩空气储能单元包括依次连接的电动机、绝热压缩机、蓄热容器、储气罐、引射器、绝热膨胀机及第一发电机，被引射气体入口经升压泵与内燃机发电单元的排气口相连；沼气发生单元包括依次连接的沼气池、二氧化碳吸收装置和除湿装置，沼气池与绝热膨胀机出口相连；蓄热容器和除湿装置的出口还连接内燃机发电单元的工质入口；压缩热在蓄热容器中储存，空气进入蓄热容器吸收热量后进入内燃机发电单元，实现了低品位热源的利用，内燃机发电单元高温排气在引射器内混合后进入绝热膨胀机做功，避免再热器的传热损失与压降损失。失与压降损失。失与压降损失。


技术研发人员：王焕然 张宇飞 贺新 李丞宸 葛刚强 王壮杰 令兰宁
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2021.12.02
技术公布日：2022/3/8