一种化学热泵式燃料转化与燃气热泵结合的总能系统

摘要

本发明涉及一种化学热泵式燃料转化与燃气热泵结合的总能系统。包括燃料转化器、燃气净化器、燃气发动机、化学工质升压升温器、化学工质捕集器、物理工质压缩机、物理工质冷凝器、节流阀、物理工质蒸发器；本发明将效率较高的化学热泵与热效率较高热泵结合，并且回收利用烟气余热，可以提高总能系统的能源利用效率；采用化学热泵式燃料转化可在中等温度下将化石能源(煤炭或天然气)转化为二次清洁能源；将烟气中的二氧化碳作为传热循环工质和化学反应工质利用，降低了二氧化碳的排放，同时降低了二氧化碳捕集的难度和成本。

说明书

技术领域：

本发明涉及能源转换利用的技术，特别涉及一种利用化学工质进行气化-燃 烧反应循环的化学热泵与利用物理工质进行蒸发-冷凝循环的热泵相结合的总能 系统。

背景技术：

天然气、石油和煤炭等化石能源的燃烧应用过程为人类提供了能源，也造成 许多污染，同时消耗了许多不可再生能源，导致化石能源的储采比仅数十年，不 久的未来将会出现化石能源枯竭的问题，并且大量一次能源的直接燃烧严重污染 了环境，为此，很多专家提出并进行了一次能源燃料转化为二次能源的研究，其 中一部分已应用于工业生产。

但是，传统的燃料转化过程由于燃烧和热能传递的过程均为熵增加的过程， 对于效率的提高是有限的，而利用化学热泵式燃料转化可提高效率。热泵的 热效率很高但效率较低，为了进一步提高效率和热效率，本发明提出利用化 学工质(二氧化碳或水蒸汽)与一次能源(煤炭或天然气)进行转化-燃烧循环 的化学热泵与利用物理工质进行逆卡诺凝循环的热泵相结合的总能系统。

发明内容：

本发明的目的是针对目前能源转化过程总能利用较低的问题，而提出的一种 化学热泵式燃料转化与燃气热泵结合的总能系统。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种化学热泵式燃料转化与燃气热泵结合的总能系统，包括燃料转化器、燃 气净化器、燃气发动机、化学工质升压升温器、化学工质捕集器、物理工质压缩 机、物理工质冷凝器、节流阀、物理工质蒸发器；所述燃料转化器包括反应段、 热管吸热段和热管，所述反应段与热管吸热段由中间的隔板组为一体，隔板上嵌 套多根热管；所述反应段上部设有粗燃气出口管，与燃气净化器进口连接；所述 燃气净化器的燃气出口管与燃气发动机的进气口管连接；所述燃气发动机依靠背 轮或皮带与物理工质压缩机连接；所述燃气发动机的烟气排出管与燃料转化器热 管吸热段的烟气进口管连接；所述热管吸热段下部设有热源介质进口管，热管吸 热段的烟气排出管与化学工质升压升温器的烟气进口管连接；所述化学工质升压 升温器热源介质与烟气的出口管与化学工质捕集器烟气进口管连接；所述化学工 质捕集器回收的液态工质出口管与化学工质升压升温器的工质侧进口管连接，气 态低温热源介质与烟气排空；化学工质升压升温器的工质侧出口管与燃料转化器 反应段的气态工质进口管连接；所述物理工质蒸发器工质侧出口管与物理工质压 缩机进口管连接；所述物理工质压缩机出口管与物理工质冷凝器工质侧进口管连 接；所述物理工质冷凝器工质侧出口管通过节流阀与物理工质蒸发器工质侧进口 管连接；所述物理工质冷凝器的非工质侧与热媒或热汇介质连接；所述物理工质 蒸发器的非工质侧与冷媒或热源介质连接。

一种由上述化学热泵式燃料转化与燃气热泵结合的总能系统实现的工艺方 法：

进入燃料转化器反应段的一次能源与进入反应段的化学工质进行转化反应， 反应所需热量由热管传送到反应段，热管的热量由热管吸热段吸收热源介质和来 自燃气发动机的高温烟气的热量提供，反应段中一次能源转化生成的粗燃气进入 燃气净化器净化后，用作燃气发动机的燃料；燃气发动机驱动物理工质压缩机， 将物理工质蒸发器来的低压气态物理工质加压后送到物理工质冷凝器中冷凝为 液态工质，工质冷凝放出的热量传给热媒或热汇介质，升温后的热媒冬季用作采 暖热源，液态工质经节流阀减压后进入物理工质蒸发器中，物理工质蒸发器出口 的低温气态工质又进入物理工质压缩机，物理工质循环进行；燃气发动机出口的 烟气进入热管吸热段中，跟热源介质一起将热量传给热管并降温，降温后的烟气 和热源介质被化学工质升压升温器加压后进入化学工质捕集器，捕集后的液态化 学工质在化学工质升压升温器中经加热气化后进入反应段中进行反应，化学工质 循环利用。

本发明与现有技术相比：

1、利用化学热泵将化学工质(二氧化碳、水蒸汽)与化石能源(煤炭或天 然气)在中等温度下进行吸热转化反应，得到比化石能源值高的二次清洁能源， 二次清洁能源用作燃气热泵的能源，可以制热、制冷和制备生活热水，剩余的二 次能源和工质可以作它用；

2、化学热泵的效率高，热泵的热效率高，结合后能提高总能系统的能源 利用效率；

3、化学工质循环利用，循环烟气中二氧化碳浓度高，降低了二氧化碳的捕 集难度和成本。

4、利用高温热能以及燃气发动机的烟气热能作为化学热泵的热源作为一次 能源与化学工质的反应热，提高能源利用率。

下面结合附图和实施例对本发明作一详细描述：

附图说明

图1为本发明一种化学热泵式燃料转化与燃气热泵结合的总能系统示意图；

具体实施方式：

实施例，

一种化学热泵式燃料转化与燃气热泵结合的总能系统，参见图1，所述系统 包括燃料转化器1、燃气净化器2、燃气发动机3、化学工质升温升压器4、化学 工质捕集器5、物理工质压缩机6、物理工质冷凝器7、节流阀8、物理工质蒸发 器9；所述燃料转化器包括反应段1-1、热管吸热段1-2和热管1-3，所述反应段 1-1与热管吸热段1-2由中间的隔板组为一体，隔板上嵌套多根热管1-3；所述反 应段1-1上部设有粗燃气出口管，与燃气净化器2进口连接；所述燃气净化器2 的燃气出口管与燃气发动机3的进气口管连接；所述燃气发动机3依靠背轮或皮 带与物理工质压缩机6连接；所述燃气发动机3的烟气排出管与燃料转化器热管 吸热段1-2的烟气进口管连接；所述热管吸热段1-2下部设有热源介质进口管， 热管吸热段1_2的烟气排出管与化学工质升压升温器4的烟气进口管连接；所述 化学工质升压升温器4热源介质与烟气的出口管与化学工质捕集器5烟气进口管 连接；所述化学工质捕集器5回收的液态工质出口管与化学工质升压升温器4 的工质侧进口管连接，气态低温热源介质与烟气排空；化学工质升压升温器4 的工质侧出口管与燃料转化器反应段1_1的气态工质进口管连接；所述物理工质 蒸发器工质9侧出口管与物理工质压缩机6进口管连接；所述物理工质压缩机6 出口管与物理工质冷凝器7工质侧进口管连接；所述物理工质冷凝器7工质侧出 口管通过节流阀8与物理工质蒸发器9工质侧进口管连接；所述物理工质冷凝器 7的非工质侧与热媒或热汇介质连接；所述物理工质蒸发器9的非工质侧与冷媒 或热源介质连接。

本实施例中，所述化学工质为二氧化碳或水蒸汽，所述一次能源为煤炭或天 然气。

本实施例中，所述化学工质和一次能源在进行在低于燃烧过程的温度下进行 吸热转化反应，反应过程加入气化催化剂或改质催化剂。

本实施例中，所述热管1-3的温度维持在900-1100℃，所述反应段1_1的温 度维持在800-1000℃。

根据上述化学热泵式燃料转化与燃气热泵结合的总能系统结构，化学热泵式 燃料转化与燃气热泵结合的总能系统工艺方法如下：进入燃料转化器反应段1-1 的一次能源与进入反应段1-1的化学工质进行转化反应，反应所需热量由热管1-3 传送到反应段1-1，热管的热量由热管吸热段1-2吸收热源介质和来自燃气发动 机3的高温烟气的热量提供，反应段1-2中一次能源转化生成的粗燃气进入燃气 净化器2净化后，用作燃气发动机3的燃料；燃气发动机3驱动物理工质压缩机 6，将物理工质蒸发器9来的低压气态物理工质加压后送到物理工质冷凝器7中 冷凝为液态工质，工质冷凝放出的热量传给热媒或热汇介质，升温后的热媒冬季 用作采暖热源，液态工质经节流阀8减压后进入物理工质蒸发器9中，物理工质 蒸发器9出口的低温气态工质又进入物理工质压缩机6，物理工质循环进行；燃 气发动机出口的烟气进入热管吸热段1-2中，跟热源介质一起将热量传给热管1-3 并降温，降温后的烟气和热源介质被化学工质升压升温器4加压后进入化学工质 捕集器5，捕集后的液态化学工质在化学工质升压升温器4中经加热气化后进入 反应段1-1中进行反应，化学工质循环利用。