一种有机固废与新能源多能互补的综合能源系统及方法

技术领域

本发明涉及固体废弃物利用及氢储能与应用技术领域，更具体的说是涉及一种有机固废与新能源多能互补的综合能源系统及方法。

背景技术

目前适合构建大规模的储能和能量转换装置，以提高风电的综合使用效率。

而有机固废富氧焚烧发电技术固废减容效果好、烟气量小、二氧化碳浓度高，降低了碳捕集成本，采用富氧焚烧发电技术可最大限度减轻有机固废对环境的不利影响，有利保障电力系统稳定运行。

另外，国内甲醇的合成原料主要为煤、焦炭等化石能源，在煤制甲醇(CTM)工艺中，需要通过水煤气变换(WGS)来调节氢碳比(H/C)，这一过程将大量的碳元素转化为二氧化碳排放至空气，使得甲醇合成过程存在能源利用效率低，二氧化碳排放量高，显然传统甲醇合成方式不利于实现“双碳”的远景目标；而且，现阶段氢能运输、储蓄高成本高。

因此，如何提供一种综合能源系统，实现风、光弃电的有效消纳，有机固废利用，甲醇合成过程的能源利用处理，以及解决氢能运输、储蓄高成本高问题，是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种有机固废与新能源多能互补的综合能源系统及方法以解决背景技术中提到的部分技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种有机固废与新能源多能互补的综合能源系统，外接电网，包括有机固废处理子系统、风力发电子系统、分布式光伏发电子系统、电解水制氢子系统和甲醇处理子系统；

风力发电子系统和分布式光伏发电子系统均分别与电网和电解水制氢子系统连接；

电解水制氢子系统分别与有机固废处理子系统和甲醇处理子系统连接；

有机固废处理子系统分别与甲醇处理子系统和电网；

甲醇处理子系统与电网连接。

优选的，甲醇处理子系统包括二氧化碳加氢制甲醇模块、储甲醇模块和甲醇重整制氢燃料电池储能模块；

有机固废处理子系统分别与甲醇重整制氢燃料电池储能模块、电网和二氧化碳加氢制甲醇模块连接；

电解水制氢子系统、二氧化碳加氢制甲醇模块、储甲醇模块、甲醇重整制氢燃料电池储能模块和电网依次连接；

甲醇重整制氢燃料电池储能模块和二氧化碳加氢制甲醇模块均与有机固废处理子系统连接。

优选的，有机固废处理子系统包括有机固废收集分类模块和有机固废富氧焚烧发电模块；

有机固废富氧焚烧发电模块分别与电解水制氢子系统、有机固废收集分类模块、甲醇重整制氢燃料电池储能模块、电网和二氧化碳加氢制甲醇模块连接。

优选的，所述的一种有机固废与新能源多能互补的综合能源系统，还包括生活热水子系统；

生活热水子系统分别与甲醇重整制氢燃料电池储能模块和有机固废富氧焚烧发电模块连接。

优选的，有机固废富氧焚烧发电模块包括焚烧炉、余热锅炉、余热发电单元、烟气净化装置、二氧化碳捕集装置、尾气净化装置、烟气再循环单元和储二氧化碳单元；

有机固废收集分类模块、焚烧炉、余热锅炉、烟气净化装置、二氧化碳捕集装置、储二氧化碳单元和二氧化碳加氢制甲醇模块依次连接；

尾气净化装置与二氧化碳捕集装置连接；

烟气再循环单元分别与电解水制氢子系统、烟气净化装置和焚烧炉连接；

余热锅炉分别与甲醇重整制氢燃料电池储能模块、生活热水子系统和余热发电单元连接；

余热发电单元与电网连接。

优选的，电解水制氢子系统包括电解液储罐、碱性电解槽、第一纯化干燥模块、第二纯化干燥模块、储氢模块和储氧模块；

电解液储罐与碱性电解槽连接；

碱性电解槽分别与风力发电子系统和分布式光伏发电子系统连接；

第一纯化干燥模块、第二纯化干燥模块分别与碱性电解槽的阳极室、碱性电解槽的阴极室连接；

第一纯化干燥模块、储氧模块和烟气再循环单元依次连接；

第二纯化干燥模块、储氢模块和二氧化碳加氢制甲醇模块依次连接。

优选的，有机固废收集分类模块对居民生活生产产生的有机固废以及农、林废弃物进行收集和分类，将可回收固废定期集中回收，不可回收固废和农、林废弃物通入焚烧炉协同焚烧。

一种有机固废与新能源多能互补的综合能源系统的运行方法，利用所述的一种有机固废与新能源多能互补的综合能源系统，包括以下步骤：

风力发电子系统和分布式光伏发电子系统所产生的绿电为电网供电，风光弃电输送至电解水制氢子系统用于电解水制氢；

电解水制氢子系统所产生的副产物氧气输送至有机固废处理子系统，电解水制氢子系统所产生的氢气输送至甲醇处理子系统；

有机固废处理子系统利用氧气以及有机固废进行富氧焚烧，有机固废处理子系统所生产的热能为甲醇处理子系统提供所需的热量，并利用余热发电输送电力至电网，有机固废处理子系统所产生的二氧化碳输送至甲醇处理子系统，提供原料二氧化碳；

甲醇处理子系统利用电解水制氢子系统所产生的氢气和有机固废处理子系的二氧化碳制取甲醇并就地储蓄，储蓄的甲醇用于重整反应转化为电能为电网供电，并将富余甲醇直接售卖。

优选的，有机固废处理子系统的运行方法具体为：

不可回收固废和农、林废弃物进入焚烧炉后经过富氧焚烧，产生大量高温烟气，烟气进入余热锅炉与饱和水换热产生过热蒸汽，为甲醇处理子系统的重整反应和生活用热水提供所需的热量，并利用余热发电输送电力至电网；

经余热锅炉后的烟气经净化后在二氧化碳捕集装置中完成二氧化碳的捕集，尾气在尾气净化装置完成净化后将符合污染物排放标准的尾气排放至大气，被捕集的二氧化碳由储二氧化碳模块进行储存，为甲醇处理子系统制取甲醇提供原料二氧化碳。

优选的，甲醇处理子系统的运行方法具体为：

电解水制氢系统所产生的氢气与储二氧化碳模块储存的二氧化碳用于二氧化碳加氢制甲醇模块制取甲醇并就地储蓄；

当风、光资源贫瘠时，储蓄的甲醇供给甲醇重整制氢燃料电池储能模块，甲醇重整制氢燃料电池储能模块利用甲醇重整反应制取高浓度氢气，并将纯化后的氢气与空气中的氧气反应所释放的化学能转化为电能，为电网供电，同时将余热回收供给生活用热水，将富余甲醇直接售卖。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种有机固废与新能源多能互补的综合能源系统及方法，通过将有机固废富氧焚烧发电与电解水制氢耦合，将电解水制氢产生的氧气与经过烟气净化装置的烟气混合，为垃圾富氧焚烧提供富氧环境，提高了焚烧效率以及排放烟气中的二氧化碳浓度，以便于二氧化碳捕集，烟气再循环降低了烟气中的NOx以及二噁英等有害气体含量；

有机固废富氧焚烧发电系统的余热锅炉向甲醇重整制氢反应和生活热水系统提供过热蒸汽，有机固废焚烧发电厂采用热电联供的形式，实现了余热的多级回收利用，提高了能量的利用效率；特别的，若燃料电池采用固体氧化物电解池SOEC，将余热锅炉的过热蒸汽通入SOEC电解还可进一步提高能量利用效率；

利用甲醇易于储蓄、较为安全以及储蓄成本远低于氢气的特点，将甲醇这种“液态阳光”作为氢能的载体，提供了一种解决氢能运输、储蓄高成本高能耗的方案。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的一种有机固废与新能源多能互补的综合能源系统结示意图；

图2附图为本发明提供的有机固废收集分类示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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。

本发明实施例公开了一种有机固废与新能源多能互补的综合能源系统，外接电网，如图1，包括有机固废处理子系统、风力发电子系统、分布式光伏发电子系统、电解水制氢子系统和甲醇处理子系统；

风力发电子系统和分布式光伏发电子系统均分别与电网和电解水制氢子系统连接；

电解水制氢子系统分别与有机固废处理子系统和甲醇处理子系统连接；

有机固废处理子系统分别与甲醇处理子系统和电网；

甲醇处理子系统与电网连接。

在实际应用中，分布式光伏发电子系统依靠分散布置的光伏发电装置运行。

为了进一步实施上述技术方案，甲醇处理子系统包括二氧化碳加氢制甲醇模块、储甲醇模块和甲醇重整制氢燃料电池储能模块；

有机固废处理子系统分别与甲醇重整制氢燃料电池储能模块、电网和二氧化碳加氢制甲醇模块连接；

电解水制氢子系统、二氧化碳加氢制甲醇模块、储甲醇模块、甲醇重整制氢燃料电池储能模块和电网依次连接；

甲醇重整制氢燃料电池储能模块和二氧化碳加氢制甲醇模块均与有机固废处理子系统连接。

为了进一步实施上述技术方案，有机固废处理子系统包括有机固废收集分类模块和有机固废富氧焚烧发电模块；

有机固废富氧焚烧发电模块分别与电解水制氢子系统、有机固废收集分类模块、甲醇重整制氢燃料电池储能模块、电网和二氧化碳加氢制甲醇模块连接。

为了进一步实施上述技术方案，一种有机固废与新能源多能互补的综合能源系统，还包括生活热水子系统；

生活热水子系统分别与甲醇重整制氢燃料电池储能模块和有机固废富氧焚烧发电模块连接。

为了进一步实施上述技术方案，有机固废富氧焚烧发电模块包括焚烧炉、余热锅炉、余热发电单元、烟气净化装置、二氧化碳捕集装置、尾气净化装置、烟气再循环单元和储二氧化碳单元；

有机固废收集分类模块为有机固废富氧焚烧发电模块提供有机固废，焚烧炉、余热锅炉、烟气净化装置、二氧化碳捕集装置、储二氧化碳单元和二氧化碳加氢制甲醇模块通过管路依次连接；

尾气净化装置与二氧化碳捕集装置通过管路连接；

烟气再循环单元分别与电解水制氢子系统、烟气净化装置和焚烧炉通过管路连接，以实现固废的富氧焚烧；

垃圾进入焚烧炉后经过干燥、燃烧、燃尽三个阶段，产生大量高温烟气，烟气进入余热锅炉与饱和水换热产生过热蒸汽；

余热锅炉分别与甲醇重整制氢燃料电池储能模块、生活热水子系统和余热发电单元通过管路连接；

为甲醇重整制氢反应提供所需的热量，并利用余热发电输送电力至电网；

余热发电单元与电网连接；

净化后的烟气在二氧化碳捕集装置中完成二氧化碳的捕集，尾气在尾气净化装置完成脱硫、脱酸和NOx捕集，完成净化后符合污染物排放标准的尾气排放至大气，被捕集的二氧化碳由储二氧化碳系统进行储存，为二氧化碳加氢制甲醇提供原料二氧化碳；有机固废焚烧发电厂采用热电联供的形式，实现了余热的多级回收利用，提高了能量的利用效率。

为了进一步实施上述技术方案，电解水制氢子系统包括电解液储罐、碱性电解槽、第一纯化干燥模块、第二纯化干燥模块、储氢模块和储氧模块；

电解液储罐与碱性电解槽通过管路连接；

碱性电解槽分别与风力发电子系统和分布式光伏发电子系统通过电缆连接，为电解水制氢所提供的电力在经逆变器转换为直流电后通入碱性电解槽；

第一纯化干燥模块、第二纯化干燥模块分别与碱性电解槽的阳极室、碱性电解槽的阴极室通过管路连接；

第一纯化干燥模块、储氧模块和烟气再循环单元依次通过管路连接；

第二纯化干燥模块、储氢模块和二氧化碳加氢制甲醇模块依次通过管路连接。

在实际应用中，电解水制氢子系统采用碱性电解水制氢技术。

为了进一步实施上述技术方案，如图2，有机固废收集分类模块对居民生活生产产生的有机固废以及农、林废弃物进行收集和分类，将可回收固废定期集中回收，不可回收固废和农、林废弃物通入焚烧炉协同焚烧。

一种有机固废与新能源多能互补的综合能源系统的运行方法，利用一种有机固废与新能源多能互补的综合能源系统，包括以下步骤：

风力发电子系统和分布式光伏发电子系统所产生的绿电为电网供电，风光弃电输送至电解水制氢子系统用于电解水制氢；

电解水制氢子系统所产生的副产物氧气输送至有机固废处理子系统，电解水制氢子系统所产生的氢气输送至甲醇处理子系统；

有机固废处理子系统利用氧气以及有机固废进行富氧焚烧，有机固废处理子系统所生产的热能为甲醇处理子系统提供所需的热量，并利用余热发电输送电力至电网，有机固废处理子系统所产生的二氧化碳输送至甲醇处理子系统，提供原料二氧化碳；

甲醇处理子系统利用电解水制氢子系统所产生的氢气和有机固废处理子系的二氧化碳制取甲醇并就地储蓄，储蓄的甲醇用于重整反应转化为电能为电网供电，并将富余甲醇直接售卖。

在实际应用中，当风、光资源丰富时，风、光弃电用于电解水制氢子系统，副产物氧气通入有机固废富氧焚烧发电子系统实现垃圾的富氧焚烧，富余氧气直接售卖或者代替空气通入氢燃料电池阴极提高氧气浓度以提高燃料电池发电效率。

为了进一步实施上述技术方案，有机固废处理子系统的运行方法具体为：

不可回收固废和农、林废弃物进入焚烧炉后经过富氧焚烧，产生大量高温烟气，烟气进入余热锅炉与饱和水换热产生过热蒸汽，为甲醇处理子系统的重整反应和生活用热水提供所需的热量，并利用余热发电输送电力至电网；

经余热锅炉后的烟气经净化后在二氧化碳捕集装置中完成二氧化碳的捕集，尾气在尾气净化装置完成净化后将符合污染物排放标准的尾气排放至大气，被捕集的二氧化碳由储二氧化碳模块进行储存，为甲醇处理子系统制取甲醇提供原料二氧化碳。

为了进一步实施上述技术方案，甲醇处理子系统的运行方法具体为：

电解水制氢系统所产生的氢气与储二氧化碳模块储存的二氧化碳用于二氧化碳加氢制甲醇模块制取甲醇并就地储蓄；

当风、光资源贫瘠时，储蓄的甲醇供给甲醇重整制氢燃料电池储能模块，甲醇重整制氢燃料电池储能模块利用甲醇重整反应制取高浓度氢气，并将纯化后的氢气与空气中的氧气反应所释放的化学能转化为电能，为电网供电，同时将余热回收供给生活用热水，将富余甲醇直接售卖。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。