CN106299421A - 一种生物质能和氢能联合发电装置 - Google Patents

一种生物质能和氢能联合发电装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种生物质能和氢能联合发电装置，包括生物质发酵制氢装置、废液处理装置、气体洗脱装置、气体干燥装置、有机储氢装置和燃料电池，利用生物质发酵制氢装置将各种农业秸秆通过微生物发酵制备出高能量密度的氢气，氢气经过气体洗脱装置和气体干燥装置进行除杂除水，然后进入有机储氢装置储存在有机储氢材料中，当需要供电时有机储氢装置将有机储氢材料中氢释放出来进入燃料电池，燃料电池将氢能转化为电能，将电能送入电网，充分利用了生物质能和氢能的优势，得到能量转化利用率高，发电量稳定，发电效率高的发电装置。

Description

一种生物质能和氢能联合发电装置
技术领域
本发明涉及电能领域，更具体的说是涉及一种生物质能和氢能联合发电装置。
背景技术
随着环境的恶化和化石燃料价格的不断上扬，世界各国都在大力鼓励发展新能源，电力能源结构的调整已经不可避免。以风力发电和太阳能为代表的新能源发展异常迅速，但是这些新能源一般都是以单一发电形式出现，带有一些较为明显的缺陷。未来的能源目标是开发一种绿色高效可持续的新型可再生能源，氢的能量密度高达120MJkg-1，氢的发热值甚至高于化石燃料，为142351kJ/kg，是汽油发热值的3倍。我们可以从可再生的原料如水、生物质或沼气中制得氢。氢既可以像汽油一样应用于内燃机通过直接燃烧产生热能为动力设备提供能量，又可以作为能源材料应用于燃料电池。目前，制氢技术主要有生物制氢以及电解水制氢等，其中生物质具有资源丰富，储量巨大并且可再生的特点，通过热解结合裂解方法将生物质转化为富氢燃气，可以将稻壳、玉米秸、稻杆或麦秆等多种农业废物，原料适应范围广，且原料利用率高，得到的富氢气相产物中氢含量高。
氢在常温常压下呈现气态、密度最小、且易燃、易爆、易扩散，很难在温和的条件下实现氢安全的储存和运输，所以氢的储存和运输一直是制约氢能源发展的瓶颈，现有的氢储存技术大都存在储氢效率很低或储氢成本很高的不足，还不能完全满足未来氢能经济的需求，有机储氢系统解决了以上问题，有机储氢系统使得生物质能和氢能联合后能很好地发挥各自的优势。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种生物质能和氢能联合发电装置，解决现有技术中生物质能利用率低，氢能利用设备不成熟的问题，充分利用生物质能和氢能的优势，得到能量转化利用率高，发电量稳定，发电效率高的发电装置。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种生物质能和氢能联合发电装置，包括生物质发酵制氢装置、废液处理装置、气体洗脱装置、气体干燥装置、有机储氢装置和燃料电池，所述生物质发酵制氢装置包括沼气制备子装置、甲醇制备子装置和氢气制备子装置，所述沼气制备子装置在隔绝空气的条件下，利用微生物使生物质原料发酵生成沼气，甲醇制备子装置与沼气制备子装置的沼气出口连接，甲醇制备子装置首先中从沼气中提取出甲烷，而后将甲烷氧化生成甲醇，氢气制备子装置与甲醇制备子装置的甲醇出口连接，在氢气制备子装置中通过对甲醇重整制得氢气；所述沼气制备子装置的出液口和废液处理装置的进液口相连，所述废液处理装置对反应后废液进行处理，所述氢气制备子装置的出气口和气体洗脱装置的进气口相连，从氢气制备子装置出来的富氢气体进入气体洗脱装置除去其中的含氮气体和含碳气体得到除杂后富氢气体，所述气体洗脱装置的出口和气体干燥装置的入口相连，从气体洗脱装置出来的除杂后富氢气体进入气体干燥装置进行除水，所述气体干燥装置的出口和有机储氢装置的入口相连，经过除杂除水后的富氢气体进入有机储氢装置后，氢气被储存在有机储氢材料中，所述有机储氢装置的出气口和燃料电池的进气口相连，氢气从有机储氢材料中被脱出用作燃料电池的燃料。
作为本发明的进一步改进，所述有机储氢装置包括加氢装置和脱氢装置，所述加氢装置和所述脱氢装置之间设置有两个热过滤装置，所述热过滤装置包括上侧入口、下侧出口、左侧入口和右侧出口，所述加氢装置的出液口和第一个热过滤装置的左侧入口相连，所述第一个热过滤装置的右侧出口和第二个热过滤装置的上侧入口相连，所述第二个热过滤装置的下侧出口和脱氢装置的进液口相连，所述脱氢装置的出液口和第二个热过滤装置的左侧入口相连，所述第二个热过滤装置的右侧出口第一热过滤装置的上侧入口相连，所述第一热过滤装置的下侧出口和加氢装置的进液口相连。
作为本发明的进一步改进，所述热过滤装置包括热过滤器、导热油夹层、超声发生器和超声振动棒，所述导热油夹层设置在热过滤器外，所述超声发生器设置在热过滤器顶上，所述超声振动棒和超声发生器相连，所述超声振动棒穿过热过滤器顶壁上安装孔插在热过滤器中，所述热过滤器中设置有第一分液板、第二分液板、阻隔板、底板、过滤芯和弹性橡胶垫，所述底板设置在热过滤器底壁上侧，所述第一分液板和第二分液板上设置有导流孔，所述第一分液板、第二分液板和阻隔板的一边互相连接，所述第一分液板设置在热过滤器顶壁下，所述第一分液板的其余边固定在热过滤器侧壁上，所述第二分液板设置在热过滤器侧壁里侧，所述第二分液板的其余边固定在热过滤器侧壁和底板上，所述第一分液板、第二分液板、阻隔板和底板将热过滤器分为第一分散空间、第二分散空间、过滤空间和排液空间，所述第一分散空间和上侧入口直接相通，所述第二分散空间和左侧入口直接相通，所述过滤空间和右侧出口直接相通，所述排液空间和下侧出口直接相通，所述热过滤器底壁呈喇叭状，所述弹性橡胶垫设置在底板上，所述热过滤器右侧壁和底壁相交处设置有缺口，所述缺口一侧边沿位于右侧壁上，相对另一侧边沿位于底壁上，所述缺口外设置有密封盖，所述密封盖的截面呈弧状，所述密封盖连接在热过滤器的器壁上，所述过滤芯包括若干条状过滤丝，所述过滤丝下端固定在弹性橡胶垫上，所述过滤丝上端和第一分液板相接触。
作为本发明的进一步改进，所述导热油夹层外设置有石棉保温层。
作为本发明的进一步改进，所述加氢装置和脱氢装置之间的输送管道外套设有导热油管道层。
作为本发明的进一步改进，所述导流孔直径为0.1-0.25mm。
作为本发明的进一步改进，所述过滤丝相对竖直方向倾斜5-20度，各过滤丝不规则地向不同方向倾斜。
作为本发明的进一步改进，所述过滤丝的直径为0.005-0.01mm。
本发明的生物质能和氢能联合发电装置，包括生物质发酵制氢装置、废液处理装置、气体洗脱装置、气体干燥装置、有机储氢装置和燃料电池，利用生物质发酵制氢装置将各种农业秸秆通过微生物发酵制备出高能量密度的氢气，氢气经过气体洗脱装置和气体干燥装置进行除杂除水，然后进入有机储氢装置储存在有机储氢材料中，当需要供电时有机储氢装置将有机储氢材料中氢释放出来进入燃料电池，燃料电池将氢能转化为电能，将电能送入电网，充分利用了生物质能和氢能的优势，得到能量转化利用率高，发电量稳定，发电效率高的发电装置。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明热过滤装置的结构示意图；
图3为本发明热过滤器的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图所给出的实施例对本发明做进一步的详述。
参照图1-3所示，本实施例的一种生物质能和氢能联合发电装置，包括生物质发酵制氢装置1、废液处理装置2、气体洗脱装置3、气体干燥装置4、有机储氢装置5和燃料电池6，生物质发酵制氢装置1包括沼气制备子装置11、甲醇制备子装置12和氢气制备子装置13，沼气制备子装置11在隔绝空气的条件下，利用微生物使生物质原料发酵生成沼气，甲醇制备子装置12与沼气制备子装置11的沼气出口连接，甲醇制备子装置12首先中从沼气中提取出甲烷，而后将甲烷氧化生成甲醇，氢气制备子装置13与甲醇制备子装置12的甲醇出口连接，在氢气制备子装置13中通过对甲醇重整制得氢气；沼气制备子装置11的出液口和废液处理装置2的进液口相连，废液处理装置2对反应后废液进行处理，氢气制备子装置13的出气口和气体洗脱装置3的进气口相连，从氢气制备子装置13出来的富氢气体进入气体洗脱装置3除去其中的含氮气体和含碳气体得到除杂后富氢气体，气体洗脱装置3的出口和气体干燥装置4的入口相连，从气体洗脱装置3出来的除杂后富氢气体进入气体干燥装置4进行除水，气体干燥装置4的出口和有机储氢装置5的入口相连，有机储氢装置5中还设置有氢气压缩机，从气体干燥装置4出来的氢气先经氢气压缩机压缩升压，升压后再和有机储氢装置混合进行加氢，经过除杂除水后的富氢气体进入有机储氢装置5后，氢气被储存在有机储氢材料中，有机储氢装置5的出气口和燃料电池6的进气口相连，氢气从有机储氢材料中被脱出用作燃料电池6的燃料。
作为改进的一种具体实施方式，有机储氢装置5包括加氢装置51和脱氢装置52，加氢装置51和脱氢装置52之间设置有两个热过滤装置7，热过滤装置7包括上侧入口、下侧出口、左侧入口和右侧出口，加氢装置51的出液口和第一个热过滤装置7的左侧入口相连，第一个热过滤装置7的右侧出口和第二个热过滤装置7的上侧入口相连，第二个热过滤装置7的下侧出口和脱氢装置52的进液口相连，脱氢装置52的出液口和第二个热过滤装置7的左侧入口相连，第二个热过滤装置7的右侧出口第一热过滤装置7的上侧入口相连，第一热过滤装置7的下侧出口和加氢装置51的进液口相连。
从加氢装置51中出来的氢化后有机储氢材料中会夹带着加氢催化剂，如不能及时滤掉，长此以往容易堵塞阀门，若随氢化后有机储氢材料进入脱氢装置52，会影响脱氢效果，从脱氢装置52中出来的有机储氢材料中会夹带着脱氢催化剂，如不能及时滤掉，长此以往容易堵塞阀门，若随有机储氢材料进入加氢装置51，会影响加氢效果，本改进使得有机储氢材料在加氢装置51中加氢后得到氢化后有机储氢材料，然后氢化后有机储氢材料从加氢装置51中出来后经由左侧入口进入第一个热过滤装置7，第一个热过滤装置7将其中的加氢催化剂滤掉；氢化后有机储氢材料在脱氢装置52中脱氢后得到有机储氢材料，然后有机储氢材料从脱氢装置52中出来后经由左侧入口进入第二个热过滤装置7，第二个热过滤装置7将其中的脱氢催化剂滤掉；第一个热过滤装置7的右侧出口和第二个热过滤装置7的上侧入口相连，第二个热过滤装置7的下侧出口和脱氢装置52的进液口相连，经过滤的氢化后有机储氢材料先流经第二个热过滤装置7，再进入脱氢装置52，可将第二个热过滤装置7中滤下的脱氢催化剂冲入脱氢装置52中；第二个热过滤装置7的右侧出口第一热过滤装置7的上侧入口相连，第一热过滤装置7的下侧出口和加氢装置51的进液口相连，经过滤的有机储氢材料先流经第一个热过滤装置7，再进入加氢装置51，可将第一个热过滤装置7中滤下的加氢催化剂冲入加氢装置51中。
作为改进的一种具体实施方式，热过滤装置7包括热过滤器8、导热油夹层9、超声发生器10和超声振动棒11，导热油夹层9设置在热过滤器8外，超声发生器10设置在热过滤器8顶上，超声振动棒11和超声发生器10相连，超声振动棒11穿过热过滤器8顶壁上安装孔插在热过滤器8中，热过滤器8中设置有第一分液板81、第二分液板82、阻隔板83、底板84、过滤芯85和弹性橡胶垫86，底板84设置在热过滤器8底壁上侧，第一分液板81和第二分液板82上设置有导流孔87，第一分液板81、第二分液板82和阻隔板83的一边互相连接，第一分液板81设置在热过滤器8顶壁下，第一分液板81的其余边固定在热过滤器8侧壁上，第二分液板82设置在热过滤器8侧壁里侧，第二分液板82的其余边固定在热过滤器8侧壁和底板84上，第一分液板81、第二分液板82、阻隔板83和底板84将热过滤器8分为第一分散空间12、第二分散空间13、过滤空间14和排液空间15，第一分散空间12和上侧入口直接相通，第二分散空间13和左侧入口直接相通，过滤空间14和右侧出口直接相通，排液空间15和下侧出口直接相通，热过滤器8底壁呈喇叭状，弹性橡胶垫86设置在底板84上，热过滤器8右侧壁和底壁相交处设置有缺口88，缺口88一侧边沿位于右侧壁上，相对另一侧边沿位于底壁上，缺口88外设置有密封盖89，密封盖89的截面呈弧状，密封盖89连接在热过滤器8的器壁上，过滤芯85包括若干条状过滤丝，过滤丝下端固定在弹性橡胶垫86上，过滤丝上端和第一分液板81相接触。
因为有机储氢材料大多比较粘稠，导热油夹层9的设置可以使流经热过滤装置7的待过滤液温度较高，流动性较好，便于提高过滤效率；在加氢装置51中氢化后有机储氢材料向脱氢装置52中转移过程中，加氢装置51中氢化后有机储氢材料通过气压压出，经由输送管道到达第一个热过滤装置7的左侧入口，然后进入第二分散空间13，经由第二分液板82上导流孔87进行分散，然后进入过滤空间14，在过滤芯85中进行过滤，此时第一个热过滤装置7中超声发生器10处于关闭状态，加氢催化剂被过滤芯85滤掉；氢化后有机储氢材料从第一个热过滤装置7右侧出口出来后进入第二个热过滤装置7的上侧入口，然后进入第一分散空间12，经由第一分液板81上导流孔87进行分散，然后进入过滤空间14，此时第二个热过滤装置7中的超声发生器10启动，带动超声振动棒11震动，因为过滤丝只有下端固定在弹性橡胶垫86上，超声振动棒11使过滤丝开始震动，氢化后有机储氢材料将过滤丝上脱氢催化剂带走，并从缺口88处一起流入脱氢装置52；当氢化后有机储氢材料在脱氢装置52中将储存的氢释放出来后，便被送返至加氢装置51，在脱氢装置52中有机储氢材料向加氢装置51中转移过程中，脱氢装置52中有机储氢材料通过气压压出，经由输送管道到达第二个热过滤装置7的左侧入口，然后进入第二分散空间13，经由第二分液板82上导流孔87进行分散，然后进入过滤空间14，在过滤芯85中进行过滤，此时第二个热过滤装置7中超声发生器10处于关闭状态，脱氢催化剂被过滤丝滤掉；有机储氢材料从第二个热过滤装置7右侧出口出来后进入第一个热过滤装置7的上侧入口，然后进入第一分散空间12，经由第一分液板81上导流孔87进行分散，然后进入过滤空间14，此时第一个热过滤装置7的超声发生器10启动，带动超声振动棒11震动，因为过滤丝只有下端固定在弹性橡胶垫86上，超声振动棒11使过滤丝开始震动，有机储氢材料将过滤丝上加氢催化剂带走，并一起经缺口88流入加氢装置51。
作为改进的一种具体实施方式，导热油夹层9外设置有石棉保温层。避免热量散失，节约能源。
作为改进的一种具体实施方式，加氢装置51和脱氢装置52之间的输送管道外套设有导热油管道层。这种结构设计使得输送管道53中液体能和外层的导热油管道54中导热油充分进行热量交换，避免液体在输送过程中变粘稠。
作为改进的一种具体实施方式，导流孔87直径为0.1-0.25mm。直径太大不能使液体起到很好的分散效果，直径太小，有可能被固体颗粒堵塞。
作为改进的一种具体实施方式，过滤丝相对竖直方向倾斜5-20度，各过滤丝不规则地向不同方向倾斜。保证液体从过滤芯85的侧面进入时像经过层层过滤网，能更好地将固体颗粒滤掉，冲洗液从上方冲下依然可以很好地将卡在过滤丝上固体颗粒冲走。
作为改进的一种具体实施方式，过滤丝的直径为0.005-0.01mm。合适的过滤丝直径能够保证过滤丝有合适的弹性，有助于过滤丝之间的固体颗粒被冲刷下去。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种生物质能和氢能联合发电装置，其特征在于：包括生物质发酵制氢装置(1)、废液处理装置(2)、气体洗脱装置(3)、气体干燥装置(4)、有机储氢装置(5)和燃料电池(6)，所述生物质发酵制氢装置(1)包括沼气制备子装置(11)、甲醇制备子装置(12)和氢气制备子装置(13)，所述甲醇制备子装置(12)与沼气制备子装置(11)的沼气出口连接，所述氢气制备子装置(13)与甲醇制备子装置(12)的甲醇出口连接；所述沼气制备子装置(11)的出液口和废液处理装置(2)的进液口相连，所述废液处理装置(2)对反应后废液进行处理后排出，所述氢气制备子装置(13)的出气口和气体洗脱装置(3)的进气口相连，所述气体洗脱装置(3)的出口和气体干燥装置(4)的入口相连，所述气体干燥装置(4)的出口和有机储氢装置(5)的入口相连，所述有机储氢装置(5)的出气口和燃料电池(6)的进气口相连。
2.根据权利要求1所述的一种生物质能和氢能联合发电装置，其特征在于：所述有机储氢装置(5)包括加氢装置(51)和脱氢装置(52)，所述加氢装置(51)和所述脱氢装置(52)之间设置有两个热过滤装置(7)，所述热过滤装置(7)包括上侧入口、下侧出口、左侧入口和右侧出口，所述加氢装置(51)的出液口和第一个热过滤装置(7)的左侧入口相连，所述第一个热过滤装置(7)的右侧出口和第二个热过滤装置(7)的上侧入口相连，所述第二个热过滤装置(7)的下侧出口和脱氢装置(52)的进液口相连，所述脱氢装置(52)的出液口和第二个热过滤装置(7)的左侧入口相连，所述第二个热过滤装置(7)的右侧出口第一热过滤装置(7)的上侧入口相连，所述第一热过滤装置(7)的下侧出口和加氢装置(51)的进液口相连。
3.根据权利要求2所述的一种生物质能和氢能联合发电装置，其特征在于：所述热过滤装置(7)包括热过滤器(8)、导热油夹层(9)、超声发生器(10)和超声振动棒(11)，所述导热油夹层(9)设置在热过滤器(8)外，所述超声发生器(10)设置在热过滤器(8)顶上，所述超声振动棒(11)和超声发生器(10)相连，所述超声振动棒(11)穿过热过滤器(8)顶壁上安装孔插在热过滤器(8)中，所述热过滤器(8)中设置有第一分液板(81)、第二分液板(82)、阻隔板(83)、底板(84)、过滤芯(85)和弹性橡胶垫(86)，所述底板(84)设置在热过滤器(8)底壁上侧，所述第一分液板(81)和第二分液板(82)上设置有导流孔(87)，所述第一分液板(81)、第二分液板(82)和阻隔板(83)的一边互相连接，所述第一分液板(81)设置在热过滤器(8)顶壁下，所述第一分液板(81)的其余边固定在热过滤器(8)侧壁上，所述第二分液板(82)设置在热过滤器(8)侧壁里侧，所述第二分液板(82)的其余边固定在热过滤器(8)侧壁和底板(84)上，所述第一分液板(81)、第二分液板(82)、阻隔板(83)和底板(84)将热过滤器(8)分为第一分散空间(12)、第二分散空间(13)、过滤空间(14)和排液空间(15)，所述第一分散空间(12)和上侧入口直接相通，所述第二分散空间(13)和左侧入口直接相通，所述过滤空间(14)和右侧出口直接相通，所述排液空间(15)和下侧出口直接相通，所述热过滤器(8)底壁呈喇叭状，所述弹性橡胶垫(86)设置在底板(84)上，所述热过滤器(8)右侧壁和底壁相交处设置有缺口(88)，所述缺口(88)一侧边沿位于右侧壁上，相对另一侧边沿位于底壁上，所述缺口(88)外设置有密封盖(89)，所述密封盖(89)的截面呈弧状，所述密封盖(89)连接在热过滤器(8)的器壁上，所述过滤芯(85)包括若干条状过滤丝，所述过滤丝下端固定在弹性橡胶垫(86)上，所述过滤丝上端和第一分液板(81)相接触。
4.根据权利要求3所述的一种生物质能和氢能联合发电装置，其特征在于：所述导热油夹层(9)外设置有石棉保温层。
5.根据权利要求4所述的一种生物质能和氢能联合发电装置，其特征在于：所述加氢装置(51)和脱氢装置(52)之间的输送管道外套设有导热油管道层。
6.根据权利要求5所述的一种生物质能和氢能联合发电装置，其特征在于：所述导流孔(87)直径为0.1-0.25mm。
7.根据权利要求3-6任一项所述的一种生物质能和氢能联合发电装置，其特征在于：所述过滤丝相对竖直方向倾斜5-20度，各过滤丝不规则地向不同方向倾斜。
8.根据权利要求7所述的一种生物质能和氢能联合发电装置，其特征在于：所述过滤丝的直径为0.005-0.01mm。
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