CN105219462A - 改性hcng燃料制备方法及制备系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种改性HCNG燃料制备方法及制备系统，制备方法包括：制造氢气；制造沼气，将沼气提纯，生产出纯净甲烷；将制出的氢气和提取出的纯净甲烷按比例混合，制备系统包括制氢装置、由作物秸秆制取沼气的沼气制造装置、由沼气提纯甲烷的沼气提纯装置及将制取的氢气和提取的甲烷制成改性HCNG燃料的燃料制取装置，所述制氢装置通过氢气排气管与燃料制取装置连通，所述沼气制造装置通过沼气排气管与沼气提纯装置连通，所述沼气提纯装置通过甲烷排气管与燃料制取装置连通。本发明改性HCNG燃料制备方法制备出的燃料混合气燃烧速率高，可提高发动机的燃烧和排放性能，有效降低了温室气体的排放，该制备系统结构简单，成本低。

Description

改性HCNG燃料制备方法及制备系统
技术领域
本发明涉及清洁燃料制备技术领域，具体涉及一种改性HCNG燃料制备方法及制备系统。
背景技术
现有技术中，将电力输送到偏远地区的成本是非常高昂的，且非常容易受到气侯的影响，我国是能源紧缺国，但是有广袤的农村，大约年产农作物秸秆7亿吨之多，加上工业伴生气、山地、湖泊绿色植物作物，年产植物秸秆大于10亿吨，但是在偏远地区的农作物秸秆大量地被用于烧火做饭或取暖，针对这种情况，现有的专利技术ZL201320540192.6将农作物秸秆加工处理生成沼气，再经过提纯，使沼气达到纯净甲烷的标准，由于甲烷在稀燃时其火焰传播速率慢，因此，使用该专利技术(制出甲烷)用于甲烷发动机存在低负荷时发动机热效率低和未燃碳氢排放高等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改性HCNG燃料制备方法及制备系统，该制备方法制备出的燃料混合气燃烧速率高，可提高发动机的燃烧和排放性能，有效降低了温室气体的排放，该制备系统结构简单，成本低。
为了达到上述目的，本发明的技术解决方案是：一种改性HCNG燃料制备方法，其中包括如下步骤：
(1)制造氢气；
(2)制造沼气，将沼气提纯，生产出纯净甲烷；
(3)将步骤(1)中的氢气和步骤(2)中的纯净甲烷按比例混合。
本发明改性HCNG燃料制备方法，其中所述步骤(1)通过对燃料电池通电，燃料电池分解水制造氢气，或通过沼气与水蒸气制备氢气或光触媒水解制氢气。
本发明改性HCNG燃料制备方法，其中所述燃料电池采用PEM、SOFC、DMFC燃料电池。
本发明改性HCNG燃料制备方法，其中所述沼气制氢是以沼气为原料，用水蒸气转化制取富氢混合气，经沼气脱硫和烃类的蒸汽转化，在镍催化剂的作用下发生化学反应，生成富氢的混合气体，通过变压吸附装置获得纯氢H2。
本发明改性HCNG燃料制备方法，其中所述光触媒水解制氢气是通过对光触媒元件阳光激发，光触媒电池分解水制造氢气。
本发明改性HCNG燃料制备方法，其中所述光触媒元件采用超薄铁氧化物薄膜或TiO2或CdS或WO3或ZnO或ZnS或Fe2O3或SnO2。
本发明改性HCNG燃料制备方法，其中所述步骤(2)通过作物秸秆在发酵罐制造沼气，通过去硫化氢的第一处理装置和去二氧化碳的第二处理装置对沼气中的甲烷提纯。
本发明改性HCNG燃料制备方法，其中所述步骤(3)中氢气和纯净甲烷的混合比例为1∶9或2∶8。
一种所述的改性HCNG燃料制备方法所用的改性HCNG燃料制备系统，其中包括制氢装置、由作物秸秆制取沼气的沼气制造装置、由沼气提纯甲烷的沼气提纯装置及将制取的氢气和提取的甲烷制成改性HCNG燃料的燃料制取装置，所述制氢装置通过氢气排气管与燃料制取装置连通，所述沼气制造装置通过沼气排气管与沼气提纯装置连通，所述沼气提纯装置通过甲烷排气管与燃料制取装置连通。
本发明改性HCNG燃料制备系统，其中所述制氢装置包括装有燃料电池和水的制氢器和用于给燃料电池通电的电源，所述燃料电池为PEM、SOFC、DMFC燃料电池，所述制氢器与氢气排气管连通。
本发明改性HCNG燃料制备系统，其中所述沼气制造装置包括发酵罐，所述发酵罐内设置有无电机挠动装置，所述发酵罐的上端连接有多个作物秸秆沼液混料输入管，多个所述作物秸秆沼液混料输入管从发酵罐上端穿入发酵罐内，所述发酵罐的下端连接沼液输出管，所述沼液输出管穿出发酵罐后与多个作物秸秆沼液混料输入管连通，所述沼液输出管上安装有开关阀和沼液指标检测调节装置，所述发酵罐的上端连接有所述沼气排气管。
本发明改性HCNG燃料制备系统，其中所述沼气提纯装置包括用于去除硫化氢的第一处理装置和用于去除二氧化碳的第二处理装置，所述第一处理装置包括两个串联的吸附床，两个所述吸附床上均设有活性炭，两个所述吸附床与所述沼气排气管连通，所述沼气排气管上安装有第一泵，两个所述吸附床连接有第一排气管，所述第一排气管与第二处理装置连通。
本发明改性HCNG燃料制备系统，其中所述第二处理装置包括化学剂吸收塔，所述第一处理装置的第一排气管与化学剂吸收塔的内腔底部连通，所述化学剂吸收塔的内腔底部通过第一管道与快速蒸发器连通，所述第一管道穿过快速蒸发器后与萃取塔内腔上部连通，所述第一管道上位于化学剂吸收塔与快速蒸发器之间的部位安装有第二泵，所述萃取塔的内腔底部通过第二管道与快速蒸发器连通，所述第二管道穿过快速蒸发器、冷却器后与化学剂吸收塔的内腔上部连通，所述第二管道上位于快速蒸发器与冷却器之间的部位安装有第三泵，所述化学剂吸收塔的上端及萃取塔的上端分别连接有甲烷排气管。
采用上述方案后，本发明改性HCNG燃料制备方法及制备系统具有以下有益效果：
1、本发明将提取的氢气与提纯的甲烷气混合制取改性HCNG燃料，其工艺简单，成本低，在甲烷气体中掺入氢气可以提高混合气的燃烧速率，点火可以更靠近发动机上止点，减少压缩负功，提高燃烧定容度，从而提高热效率；
2、本发明制取的燃料是在甲烷中加入氢气，提高了燃料的H/C比，燃料本身减少了CO、CO2和碳氢化合物的生成，有效降低了温室气体的排放；
3、本发明制取的燃料中氢气的点火能量低，无需高能点火系统；
4、本发明制取的燃料中氢气的可燃空燃比界限较宽，稀薄燃烧极限达0.068(相对燃空比)，淬熄距离只有甲烷气体的30％，当少量氢气掺入天然气中时，可以拓宽混合气的可燃混合比例，实现稀薄燃烧，使发动机负荷调节方式转化为质调节方式，使热效率大幅提高，降低NOx和HC的排放，此外，由于稀燃造成燃烧温度低，从而使发动机排温较低，有效地提高了发动机的可靠性；
5、本发明制取的燃料中氢气具有很低的体积能量密度，因此在甲烷中加入适当的氢气，比纯氢气具有更高的体积热量。
附图说明
图1为本发明改性HCNG燃料制备方法的流程示意图；
图2为本发明改性HCNG燃料制备系统的实施例结构示意图；
图3为本发明改性HCNG燃料制备系统的制氢装置结构示意图；
图4为本发明改性HCNG燃料制备系统的沼气制造装置结构示意图；
图5为本发明的沼气提纯装置的第一处理装置结构示意图；
图6为本发明的沼气提纯装置的第二处理装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。但这些实施例仅限于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明改性HCNG燃料制备方法，包括如下步骤：
S1、制造氢气，此步骤通过通电燃料电池用水制造氢气或通过沼气与水蒸气制备氢气，通电制造氢气就是通过对燃料电池通电，燃料电池为PEM、SOFC、DMFC燃料电池，经燃料电池裂解水制氢；
另外还可以通过沼气制氢，以沼气为原料，用水蒸气转化制取富氢混合气；是利用的是合成氨生产领域成熟的一段炉造气工艺，该工艺包含两个步骤：沼气脱硫和烃类的蒸汽转化，脱硫是在一定的压力和温度下将原料沼气通过氧化锰及氧化锌脱硫剂，将其中的有机硫和无机硫脱至转化催化剂所允许的0.2×10-6以下的水平，烃类的蒸汽转化是以水蒸气为氧化剂，在镍催化剂的作用下发生如下主要反应，生成富氢的混合气体：
以上反应温度在800℃以上，两个反应的总热效应为强吸热，热量通过燃烧沼气提供，降低压力有利于提高甲烷的转化率，但为了满足变压吸附提纯的需要和纯氢产品的压力要求，以及考虑设备的经济性，通常控制反应压力在1.5MPa以上。通过变压吸附装置可获得99.9％～99.999％的纯氢H2的收率可达70％以上；
应用光触媒技术制氢。光触媒(PHOTOCATALYSIS)是光(Photo＝Light])+触媒(催化剂)(catalyst)的合成词。光触媒是一种在光的照射下，自身不起变化，却可以促进化学反应的物质，光触媒是利用自然界存在的光能转换成为化学反应所需的能量，来产生催化作用，使周围之氧气及水分子激发成极具氧化力的OH-及O2-自由负离子。几乎可分解所有对人体和环境有害的有机物质及部分无机物质，不仅能加速反应，亦能运用自然界的定律，不造成资源浪费与附加污染形成。
S2、制造沼气，将沼气提纯，生产出纯净甲烷。沼气制造是通过发酵器制造出，该发酵器的发酵罐内加无电机挠动装置，利用发酵罐内沼液排出，加入新的作物秸秆原料与之混合后打入发酵罐顶部往下流入发酵罐中，产生全方位挠动，省去电机，其加料均匀，产气比1∶1.2；单体发酵罐可以1000m3、2000m3、3000m3、5000m3和6000m3；全天全年持续生产，根据地区不同加进太阳能加温，在高寒地区同样连续生产，沼气是一种混合气体，主要成分是甲烷(CH4)和二氧化碳(CO2)。甲烷占55％-70％，二氧化碳占30％-45％，还有少量氢、一氧化碳、硫化氢、氧和氮等气体，将上述制造出的沼气进行提纯，去除二氧化碳(CO2)和硫化氢；本发明采用双床硫化氢去除系统去除硫化氢，该双床硫化氢去除系统上设有活性炭，活性炭在常温下具有加速硫化氢氧化为硫的催化作用并使之被吸附。其化学反应：2H2S+O2＝2S+2H2O，吸附在活性炭上的硫可用质量分数为12％-14％的硫化铵溶液萃取活性炭的游离硫而得到回收。使用双床硫化氢去除系统不间断地吸附硫化氢，保证反应后的沼气中硫化氢的含量小于1ppm；去除二氧化碳采用化学剂吸附法，化学剂吸附法既可以除掉二氧化碳，又可以除掉硫化氢，经过去除硫化氢和二氧化碳处理后的沼气的主要成分是水饱和的甲烷，将提纯后的气体加压再进行干燥，即可得到所需的纯净甲烷。
S3、将氢气和纯净甲烷按比例混合，氢气和纯净甲烷的混合比例可以为1∶9或2∶8。
如图2所示，本发明改性HCNG燃料制备系统，包括制氢装置1、由秸秆制取沼气的沼气制造装置2、由沼气提纯甲烷的沼气提纯装置3及将制取的氢气和提取的甲烷制成改性HCNG燃料的燃料制取装置4，制氢装置1通过氢气排气管5与燃料制取装置4连通，沼气制造装置2通过沼气排气管6与沼气提纯装置3连通，沼气提纯装置3通过甲烷排气管7与燃料制取装置4连通。
如图3所示，制氢装置1包括装有燃料电池和水的制氢器8和用于给燃料电池通电的电源9，此处燃料电池可以为PEM、SOFC、DMFC等燃料电池，通过燃料电池的特殊化学功能裂解水制取氢气，制氢器8与氢气排气管5连通。
如图4所示，沼气制造装置2包括发酵罐10，发酵罐10内设置无电机挠动装置14，发酵罐10的上端连接有多个作物秸秆沼液混料输入管11，多个秸秆沼液混料输入管11从发酵罐10的上端穿入发酵罐10内，发酵罐10的下端连接沼液输出管12，沼液输出管12穿出发酵罐10后与多个作物秸秆沼液混料输入管11连通，沼液输出管12上安装有开关阀、沼液品质检测装置、沼液指标检测调节装置13，发酵罐10的上端连接有所述沼气排气管6。利用发酵罐10内沼液排出，加入新的秸秆原料打入发酵罐10顶部下流，加入无电机挠动装置14的挠动，省去了电机，而且加料均匀，产气比1∶1.2，单个发酵罐可以1000m3、2000m3、3000m3、5000m3和6000m3；全天全年持续生产，根据地区不同加进太阳能加温，在高寒地区同样连续生产，结构合理，安全可靠，适合我国广大农村建造。
沼气提纯装置3包括用于去除硫化氢的第一处理装置15和用于去除二氧化碳的第二处理装置16，如图5所示，第一处理装置15包括两个串联的吸附床17，两个吸附床17上均设有活性炭，两个吸附床17与沼气排气管6连通，沼气排气管6上安装有第一泵18，两个吸附床17连接有第一排气管19，第一排气管19与第二处理装置16连通，该第一处理装置15中采用两个吸附床17串联工作时，在第一个吸附床17吸附硫化氢时，另一个吸附床17并不起作用，当第一个吸附床17的硫化氢吸附饱和时，硫化氢会穿透进入第二个吸附床17被吸附，当第一个吸附床17产生出气体中的硫化氢含量等于进气中硫化氢含量时，更换第一个吸附床17的活性炭，更换后新的活性炭床作为第二个吸附床继续工作。这种工作方式能够最大限度地利用活性炭进行吸附，不间断地吸附硫化氢，保证处理后的沼气中硫化氢含量小于1ppm。
如图6所示，第二处理装置16包括化学剂吸收塔20，第一处理装置15的第一排气管19与化学剂吸收塔20的内腔底部连通，化学剂吸收塔20的内腔底部通过第一管道21与快速蒸发器22连通，第一管道21穿过快速蒸发器22后与萃取塔23内腔上部连通，第一管道21上位于化学剂吸收塔20与快速蒸发器22之间的部位安装有第二泵24，萃取塔23的内腔底部通过第二管道25与快速蒸发器22连通，第二管道25穿过快速蒸发器22、冷却器26后与化学剂吸收塔20的内腔上部连通，第二管道25上位于快速蒸发器22与冷却器26之间的部位安装有第三泵27，化学剂吸收塔20的上端及萃取塔23的上端分别连接有所述甲烷排气管7。
利用第二处理装置16即化学剂吸附法去除二氧化碳时，需首先对沼气进行加压，加压后的沼气进入化学剂吸收塔20的内腔下部，并向内腔上部与半浓化学剂和稀化学剂在吸收塔内的塔板上形成逆流，为有效去除二氧化碳，将化学剂吸收塔20分成2个区段：二氧化碳浓度高的气体在塔下部，与中等浓度的化学剂接触，能去除大量的二氧化碳；浓化学剂从化学剂吸收塔20底部送到快速蒸发器22内，在快速蒸发器22内由于减压，去除大量的二氧化碳，部分再生溶剂(半浓化学剂)从快速蒸发器22进入到化学剂吸收塔20的较上部位，进一步和含二氧化碳的气流接触。由此循环使气体二氧化碳降低到设计要求水平。得到纯净的二氧化碳，用于农作物肥料和工业原料。
通过本发明改性HCNG燃料制备方法及制备系统制备出的改性HCNG(可再生混氢天然气)燃料具有以下优点：
1、本发明将提取的氢气与提纯的甲烷气混合制取改性HCNG燃料，其工艺简单，成本低，在甲烷气体中掺入氢气可以提高混合气的燃烧速率，点火可以更靠近发动机上止点，减少压缩负功，提高燃烧定容度，从而提高热效率；
2、本发明制取的燃料是在甲烷中加入氢气，提高了燃料的H/C比，燃料本身减少了CO、CO2和碳氢化合物的生成，有效降低了温室气体的排放；
3、本发明制取的燃料中氢气的点火能量低，无需高能点火系统；
4、本发明制取的燃料中氢气的可燃空燃比界限较宽，稀薄燃烧极限达0.068(相对燃空比)，淬熄距离只有甲烷气体的30％，当少量氢气掺入天然气中时，可以拓宽混合气的可燃混合比例，实现稀薄燃烧，使发动机负荷调节方式转化为质调节方式，使热效率大幅提高，降低NOx和HC的排放，此外，由于稀燃造成燃烧温度低，从而使发动机排温较低，有效地提高了发动机的可靠性；
5、本发明制取的燃料中氢气具有很低的体积能量密度，因此在甲烷中加入适当的氢气，比纯氢气具有更高的体积热量。
以上所述实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (13)

1.一种改性HCNG燃料制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)制造氢气；
(2)制造沼气，将沼气提纯，生产出纯净甲烷；
(3)将步骤(1)中的氢气和步骤(2)中的纯净甲烷按比例混合。
2.如权利要求1所述的改性HCNG燃料制备方法，其特征在于，所述步骤(1)通过对燃料电池通电，燃料电池分解水制造氢气，或通过沼气与水蒸气制备氢气或光触媒水解制氢气。
3.如权利要求2所述的改性HCNG燃料制备方法，其特征在于，所述燃料电池采用PEM、SOFC、DMFC燃料电池。
4.如权利要求2所述的改性HCNG燃料制备方法，其特征在于，所述沼气制氢是以沼气为原料，用水蒸气转化制取富氢混合气，经沼气脱硫和烃类的蒸汽转化，在镍催化剂的作用下发生化学反应，生成富氢的混合气体，通过变压吸附装置获得纯氢H2。
5.如权利要求2所述的改性HCNG燃料制备方法，其特征在于，所述光触媒水解制氢气是通过对光触媒元件阳光激发，光触媒电池分解水制造氢气。
6.如权利要求5所述的改性HCNG燃料制备方法，其特征在于，所述光触媒元件采用超薄铁氧化物薄膜或TiO2或CdS或WO3或ZnO或ZnS或Fe2O3或SnO2。
7.如权利要求1所述的改性HCNG燃料制备方法，其特征在于，所述步骤(2)通过作物秸秆在发酵罐制造沼气，通过去硫化氢的第一处理装置和去二氧化碳的第二处理装置对沼气中的甲烷提纯。
8.如权利要求1所述的改性HCNG燃料制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中氢气和纯净甲烷的混合比例为1∶9或2∶8。
9.一种如权利要求1-8之一所述的改性HCNG燃料制备方法所用的改性HCNG燃料制备系统，其特征在于，包括制氢装置、由作物秸秆制取沼气的沼气制造装置、由沼气提纯甲烷的沼气提纯装置及将制取的氢气和提取的甲烷制成改性HCNG燃料的燃料制取装置，所述制氢装置通过氢气排气管与燃料制取装置连通，所述沼气制造装置通过沼气排气管与沼气提纯装置连通，所述沼气提纯装置通过甲烷排气管与燃料制取装置连通。
10.如权利要求9所述的改性HCNG燃料制备系统，其特征在于，所述制氢装置包括装有燃料电池和水的制氢器和用于给燃料电池通电的电源，所述燃料电池为PEM、SOFC、DMFC燃料电池，所述制氢器与氢气排气管连通。
11.如权利要求9所述的改性HCNG燃料制备系统，其特征在于，所述沼气制造装置包括发酵罐，所述发酵罐内设置有无电机挠动装置，所述发酵罐的上端连接有多个作物秸秆沼液混料输入管，多个所述作物秸秆沼液混料输入管从发酵罐上端穿入发酵罐内，所述发酵罐的下端连接沼液输出管，所述沼液输出管穿出发酵罐后与多个作物秸秆沼液混料输入管连通，所述沼液输出管上安装有开关阀和沼液指标检测调节装置，所述发酵罐的上端连接有所述沼气排气管。
12.如权利要求9所述的改性HCNG燃料制备系统，其特征在于，所述沼气提纯装置包括用于去除硫化氢的第一处理装置和用于去除二氧化碳的第二处理装置，所述第一处理装置包括两个串联的吸附床，两个所述吸附床上均设有活性炭，两个所述吸附床与所述沼气排气管连通，所述沼气排气管上安装有第一泵，两个所述吸附床连接有第一排气管，所述第一排气管与第二处理装置连通。
13.如权利要求9所述的改性HCNG燃料制备系统，其特征在于，所述第二处理装置包括化学剂吸收塔，所述第一处理装置的第一排气管与化学剂吸收塔的内腔底部连通，所述化学剂吸收塔的内腔底部通过第一管道与快速蒸发器连通，所述第一管道穿过快速蒸发器后与萃取塔内腔上部连通，所述第一管道上位于化学剂吸收塔与快速蒸发器之间的部位安装有第二泵，所述萃取塔的内腔底部通过第二管道与快速蒸发器连通，所述第二管道穿过快速蒸发器、冷却器后与化学剂吸收塔的内腔上部连通，所述第二管道上位于快速蒸发器与冷却器之间的部位安装有第三泵，所述化学剂吸收塔的上端及萃取塔的上端分别连接有甲烷排气管。
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