CN107434241A

CN107434241A - 一种基于富氢燃料低nox排放的多能互补式装置及方法

Info

Publication number: CN107434241A
Application number: CN201710418947.8A
Authority: CN
Inventors: 俞铁铭; 阮炯明
Original assignee: Huadian Electric Power Research Institute Co Ltd
Current assignee: Huadian Electric Power Research Institute Co Ltd
Priority date: 2017-06-06
Filing date: 2017-06-06
Publication date: 2017-12-05

Abstract

本发明公开了一种基于富氢燃料低NOx排放的多能互补式装置及方法，装置包括太阳能热化学制氢系统、智能配比系统、燃气分布式能源系统、相变储热系统；方法利用中低温太阳能催化裂解甲醇等低碳燃料或无碳燃料产生H2，通过智能配比系统按给定比例与天然气混合，混氢天然气供应燃气分布式能源系统使用。本发明结合中低温太阳能利用技术，富氢燃料超稀薄燃烧技术，相变储热技术，有利于提高燃气分布式能源原动机热效率，解决燃气内燃机高NOx排放的问题。本发明提供一种多能互补的高效清洁分布式能源系统，在开辟能源利用新途径、节能减排等方面具有重要的经济价值和战略意义。

Description

一种基于富氢燃料低NOx排放的多能互补式装置及方法

技术领域

本发明属于燃气设备领域，特别是一种基于富氢燃料低NOx排放的多能互补式装置及方法。

背景技术

分布式能源是一种建在用户端的能源供应方式，可独立运行，也可并网运行，是以资源、环境效益最大化确定方式和容量的系统，将用户多种能源需求，以及资源配置状况进行系统整合优化，采用需求应对式设计和模块化配置的新型能源系统，是相对于集中供能的分散式供能方式。多能互补分布式能源系统是采用多种能源互相补充，以缓解能源供需矛盾。风能、太阳能等可再生能源具有分布广、无污染等优势，但存在能量密度低、不稳定等不足；而化石能源则具有能的品位高、可连续供应等优势，却存在分布不均匀、有污染等不足。因此，太阳能、风能等可再生能源与化石能源有很强的互补性。

天然气分布式能源是指利用天然气为燃料，通过冷热电三联供等方式实现能源的梯级利用，综合能源利用效率在70％以上，并在负荷中心就近实现能源供应的现代能源供应方式，是天然气高效利用的重要方式。基于燃气内燃机的小型天然气分布式能源系统由于其启动快、装机灵活、小型化等优点，在医院、校园、建筑等楼宇上广泛应用。但是燃烧后尾气排放含有高氮氧化物，导致环境污染。目前国内尚无内燃机的氮氧化物排放标准，仍参考德国“TA-Luft”内燃机排放标准，建议对采用内燃机组的分布式供能系统的最高排放浓度控制在 500mg/Nm3以内，而《火电厂大气污染物排放标准》GB13223要求氮氧化物排放浓度控制在50mg/Nm3以内，随着环保要求越来越严格，因此对燃气内燃机分布式能源系统的氮氧化物排放问题将越来越突出。

目前控制燃气内燃机NOx排放的方法主要分为两类，一类是在燃烧过程中控制NOx的生成，如混氢天然气；另一类是在NOx生成后进行尾部烟气脱硝，如选择性催化还原法(SCR)脱硝。选择性催化还原法脱硝是在一定的温度和催化剂作用下，利用氨或烃做还原剂可选择性地将NOx还原为氮气和水的方法。可使NOx的脱除率达90％以上。此法对大气环境质量的影响不大，是目前脱硝效率最为成熟，且应用最广的脱硝技术。但由于氨量的控制误差而造成的二次污染等原因使得通常仅能达到65％～80％的净化效果。天然气中掺入适量H2，可以拓宽混合气的可燃范围，实现超稀薄燃烧，从而降低了发动机内的燃烧温度，进而降低NOx的排放量。但目前氢气主要是规模化制备，而氢气储存和运输成本很高，导致使用氢气费用昂贵。

发明内容

本发明的目的是通过采用太阳能热化学制氢技术，通过中低温太阳能催化裂解甲醇等低碳燃料或无碳燃料产生H2和CO，通过智能配比系统按给定比与天然气混合，燃烧混氢天然气供应燃气分布式能源系统使用，解决燃气内燃机高 NOx排放的问题。

为了解决上述问题，本发明提出一种用于发电厂二氧化硫浓度现场检测的装置及方法。

本发明所采用的技术方案是：

一种基于富氢燃料低NOx排放的多能互补式装置，包括：太阳能制氢装置、智能混合装置、储热装置、燃气装置、燃料管道和天然气管道，所述太阳能制氢装置包括太阳能集热器和反应器，智能混合装置包括质量流量控制仪、稳压罐和质量流量计，太阳能集热器、储热装置和反应器三者并联连接，反应器进料口与燃料管道连接，反应器出料口与质量流量控制仪连接，质量流量控制仪与稳压罐进口连接，稳压罐另一进口与天然气管道连接，稳压罐出口与燃气装置连接,天然气管道设置有质量流量计。利用中低温太阳能催化裂解低碳燃料或无碳燃料产生氢气，高效、清洁；通过智能配比系统按给定比与天然气混合，混氢天然气供应燃气分布式能源系统使用，提高发动机热效率，烟气中氮氧化物的排放值降低至20ppm以下。

进一步的，还包括冷凝器、1号换热器、2号换热器和溴化锂机组，所述1 号换热器进口分别与反应器出料口和2号换热器出口连接，1号换热器出口分别与冷凝器和反应器进料口连接，冷凝器还与质量流量控制仪连接，2号换热器进口分别与燃料管道和溴化锂机组连接，2号换热器出口分别与1号换热器进口和外部大气连接，溴化锂机组还与燃气装置连接。混氢天然气供应燃气分布式能源系统使用，对周边供应电、冷、热、气等多种能源供给，同时利用尾气携带的热量实现循环利用，提高能源的利用率。

优选的，还包括储气罐，所述储气罐进口与冷凝器连接，储气罐出口与质量流量控制仪连接。储气罐用于储存多余的氢气，用于调节混氢天然气的掺氢比。

优选的，所述储热装置设置有电加热器。电加热器可以利用低谷电进行加热存储热量，在阴雨天气进行加热提供热能，保证太阳能热化学制氢系统稳定提供氢气。

一种基于富氢燃料低NOx排放的多能互补式方法，包括以下步骤：

步骤1：富氢燃料进入反应器，反应器与太阳能集热器进行热交换，反应器内的富氢燃料在加热和催化剂的作用下发生催化裂解反应，产生氢气；

步骤2：随后对产生的氢气进行降温，将降温后的氢气通入稳压罐，同时将天然气通入稳压罐，形成混氢天然气；

步骤3：混氢天然气在内燃机内燃烧进行发电，产生的高温烟气和水经溴化锂机组回收用于供冷和供热，之后的尾气排放至大气。

进一步的，所述步骤2中，通入的氢气与天然气的量成比例，通入混合后，混氢天然气的掺氢比为13％-17％。可以拓宽混合气的可燃范围，实现超稀薄燃烧，从而降低了发动机内的燃烧温度，进而降低NOx的排放量。

进一步的，所述步骤1中，太阳能集热器还与带电加热的储热罐进行热交换，储热罐收集多余的太阳能热能并且可通过电力加热提供热能，用于在太阳光光照不足时给反应器提供热能。

进一步的，所述步骤1中，富氢燃料选用甲醇，催化剂选用Cu-Zn，Cu-Cr 催化剂体系并且加入Ni、Mn元素，反应器催化裂解温度在220-300℃。反应器催化裂解温度在220-300℃，低温裂解催化剂采用Cu-Zn，Cu-Cr催化剂体系，在加入Ni、Mn等元素后使催化剂在温度区间有较好的稳定性和活性。

优选的，所述步骤3中，混氢天然气输入燃气内燃机进行稀薄燃烧，尾气先经过1号换热器加热甲醇后，再排放至大气。利用尾气携带的余热来预先加热甲醇使其气化，避免能量浪费，进一步提高能源的利用率。

优选的，所述步骤2中，产生的氢气在降温前，先通过2号换热器加热甲醇，然后通过冷凝器降温。高温氢气在降温前，先利用其携带的热量来预先加热甲醇使其气化，避免能量浪费，进一步提高能源的利用率。

本发明同现有技术相比具有以下优点及效果：

1、本发明通过采用太阳能热化学制氢技术，通过中低温太阳能催化裂解甲醇等低碳燃料或无碳燃料产生H₂和CO，通过智能配比系统按给定比与天然气混合，燃烧混氢天然气供应燃气分布式能源系统使用，对周边供应电、冷、热、气等多种能源供给，实现可再生能源与化石能源的互补供给，提高能源利用率。

2、本发明利用富氢燃料输入燃气内燃机进行超稀薄燃烧，提高发动机热效率，降低NOx的排放，降低环境污染，提高节能环保效益。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的流程示意图。

标号说明：

太阳能集热器1；储热罐2；反应器3；甲醇储罐4；

泵5； 1号换热器6； 2号换热器7；冷凝器8；

储气罐9；质量流量计10；智能配比系统11；质量流量控制仪12；

稳压罐13；燃气内燃机14；溴化锂机组15。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：如图1所示，一种基于富氢燃料低NOx排放的多能互补式装置，包括：太阳能集热器1、储热罐2、反应器3、甲醇储罐4、泵5、1号换热器6、 2号换热器7、冷凝器8、质量流量计10、智能配比系统11、质量流量控制仪 12、稳压罐13、燃气内燃机14、溴化锂机组15和天然气管道，太阳能集热器1、储热罐2和反应器3三者并联连接，三者通过水管连接，反应器3进料口与2 号换热器7出口6通过气管连接，反应器3出料口与2号换热器7进口通过气管连接，2号换热器7另一出口与冷凝器8通过气管连接，2号换热器7另一进口与1号换热器6出口通过气管连接，冷凝器8与质量流量控制仪12通过气管连接，质量流量控制仪12与稳压罐13进口通过气管连接，稳压罐13另一进口与天然气管道通过气管连接，稳压罐13出口与燃气内燃机14通过气管连接，天然气管道设置有质量流量计10，燃气内燃机14与溴化锂机组15连接，溴化锂机组15与1号换热器6进口通过气管连接，1号换热器6另一进口与泵5通过水管连接，1号换热器6另一出口用于排气，泵5与甲醇储罐4通过水管连接。

使用时，泵5将甲醇储罐4内的甲醇液体抽入1号换热器6内，经过热交换，甲醇液体气化成气体，随后甲醇气体进入2号换热器7进一步加热，然后甲醇气体进入反应器3，反应器3由太阳能集热器1提供热能，同时多余的热能储存在储热罐2内，储热罐2也可给反应器3提供热能，反应器3内，甲醇气体吸热分解生成氢气，化学式为：C H₃O H→2H₂+CO，随后氢气进入2号换热器7换热，然后进入冷凝器8降温，降温后的氢气由质量流量控制仪12通过流量阀控制进入稳压罐13的流量，氢气、一氧化碳和天然气在稳压罐13内混合，使稳压罐13内的氢气占比为13％-17％，然后混合气体(混氢天然气)进入燃气内燃机14进行超稀薄燃烧进而发电，高温烟气和缸套水进入烟气热水型溴化锂机组15进行供冷和供热，尾部烟气经过1号换热器6后排放。

实施例2：

本实施例与实施例1基本相同，区别点在于：实施例2中的储热罐2内设置有电加热器，可以利用低谷电进行加热存储热量，在阴雨天气进行加热提供热能。

实施例3：

本实施例与实施例2基本相同，区别点在于：实施例3还包括储气罐9，储气罐9进口与冷凝器8连接，储气罐9出口与质量流量控制仪12连接，降温后的氢气可以进入储气罐9进行缓冲，保证稳压罐13内的氢气占比为13％-17％。

实施例4：

如图1至2所示，一种基于富氢燃料低NOx排放的多能互补式方法，包括以下步骤：

步骤1：富氢燃料进入反应器3，反应器3与太阳能集热器1进行热交换，反应器3内的富氢燃料在加热和催化剂的作用下发生催化裂解反应，产生氢气；

步骤2：随后对产生的氢气进行降温，将降温后的氢气通入稳压罐13，同时将天然气通入稳压罐13，形成混氢天然气；

步骤3：混氢天然气在内燃机14内燃烧进行发电，产生的高温烟气和水经溴化锂机组15回收用于供冷和供热，之后的尾气排放至大气。

实施例5：

本实施例和实施例4基本相同，区别点在于：实施例5中的富氢燃料选用甲醇液体，甲醇液体在进入反应器3前先通过2号换热器7进行预热气化成甲醇气体，催化剂选用Cu-Zn，Cu-Cr催化剂体系并且加入Ni、Mn元素，反应器催化裂解温度在220-300℃，化学式为CH₃O H→2H₂+CO。

实施例6：

本实施例和实施例4基本相同，区别点在于：实施例6的太阳能集热器1 还与带电加热的储热罐2进行热交换，储热罐2收集多余的太阳能热能并且可通过电力加热储热罐2提供热能，用于在太阳光光照不足时给反应器3提供热能，反应器3内生成的氢气经过冷凝器8进行降温，之后对其进行定量的通入稳压罐13，通入的氢气与天然气的量成比例，混氢天然气的掺氢比为13％-17％，混氢天然气输入燃气内燃机14进行稀薄燃烧，尾气先经过1号换热器6加热甲醇后，再排放至大气。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于富氢燃料低NOx排放的多能互补式装置，其特征在于，包括：太阳能制氢装置、智能混合装置、储热装置、燃气装置、燃料管道和天然气管道，所述太阳能制氢装置包括太阳能集热器和反应器，智能混合装置包括质量流量控制仪、稳压罐和质量流量计，太阳能集热器、储热装置和反应器三者并联连接，反应器进料口与燃料管道连接，反应器出料口与质量流量控制仪连接，质量流量控制仪与稳压罐进口连接，稳压罐另一进口与天然气管道连接，稳压罐出口与燃气装置连接,天然气管道设置有质量流量计。

2.根据权利要求1所述的基于富氢燃料低NOx排放的多能互补式装置，其特征在于,还包括冷凝器、1号换热器、2号换热器和溴化锂机组，所述1号换热器进口分别与反应器出料口和2号换热器出口连接，1号换热器出口分别与冷凝器和反应器进料口连接，冷凝器还与质量流量控制仪连接，2号换热器进口分别与燃料管道和溴化锂机组连接，2号换热器出口分别与1号换热器进口和外部大气连接，溴化锂机组还与燃气装置连接。

3.根据权利要求2所述的基于富氢燃料低NOx排放的多能互补式装置，其特征在于，还包括储气罐，所述储气罐进口与冷凝器连接，储气罐出口与质量流量控制仪连接。

4.根据权利要求2所述的基于富氢燃料低NOx排放的多能互补式装置，其特征在于，所述储热装置设置有电加热器。

5.一种基于富氢燃料低NOx排放的多能互补式方法，其特征在于，包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的基于富氢燃料低NOx排放的多能互补式方法，其特征在于，所述步骤2中，通入的氢气与天然气的量成比例，通入混合后，混氢天然气的掺氢比为13％-17％。

7.根据权利要求6所述的基于富氢燃料低NOx排放的多能互补式方法，其特征在于，所述步骤1中，太阳能集热器还与带电加热的储热罐进行热交换，储热罐收集多余的太阳能热能并且可通过电力加热提供热能，用于在太阳光光照不足时给反应器提供热能。

8.根据权利要求6所述的基于富氢燃料低NOx排放的多能互补式方法，其特征在于，所述步骤1中，富氢燃料选用甲醇，催化剂选用Cu-Zn，Cu-Cr催化剂体系并且加入Ni、Mn元素，反应器催化裂解温度在220-300℃。

9.根据权利要求7或8所述的基于富氢燃料低NOx排放的多能互补式方法，其特征在于，所述步骤3中，混氢天然气输入燃气内燃机进行稀薄燃烧，尾气先经过1号换热器加热甲醇后，再排放至大气。

10.根据权利要求9所述的基于富氢燃料低NOx排放的多能互补式方法，其特征在于，所述步骤2中，产生的氢气在降温前，先通过2号换热器加热甲醇，然后通过冷凝器降温。