CN109140227A - 一种小型lng分布式能源系统及工艺方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种小型LNG分布式能源系统及工艺方法，系统包括本装置设置有LNG储存及燃料供应系统、空气供给系统、燃料电池电堆、热回收系统。本发明将液化天然气技术和燃料电池技术跨领域结合，解决了孤岛的能源储备问题、天然气、电力、热水、蒸汽外输供应问题，应用前景广阔。与传统分布式能源工艺技术相比，本发明小型化、设备简单、能效高、清洁环保、安全可靠、削峰填谷和经济效益好，需求发生变化时本发明设备可方便迁移至其他地区继续服务。

Description

一种小型LNG分布式能源系统及工艺方法
技术领域
本发明涉及分布式能源技术领域，尤其是涉及一种采用LNG作为能源、天然气燃料电池作为核心的小型分布式能源系统及工艺方法。
背景技术
液化天然气(Liquefied Natural Gas，简称LNG)，主要成分是甲烷，被公认是地球上最干净的化石能源。无色、无味、无毒且无腐蚀性，其体积约为同量气态天然气体积的1/625，液化天然气的质量仅为同体积水的45％左右。
液化天然气的主要成分是甲烷，甲烷的常压沸点是-161℃。其制造过程是先将气田生产的天然气经过净化(脱水、脱烃、脱酸性气体)后，采用节流、膨胀和外加冷源制冷的工艺使甲烷变成液体，在使用时需要外部加热重新气化。液化天然气具有不含杂质、成份纯净的优势，是一种理想的燃料电池燃料来源。
燃料电池主要利用天然气、一氧化碳、氢气等和氧进行化学反应来产生电力，被公认为继火力发电、水力发电和核能发电技术之后的第四代化学能发电技术，应用范围涵盖分布式发电系统、UPS、运输工具、机器人、工具机械、可携式电子等。但普通的管道天然气由于具有成分复杂、或含有硫、高碳组分、加臭剂等杂质造成天然气燃料电池堆不能稳定工作，而且能通管道天然气的地方一般有稳定的电网可供使用，但更多的分布式能源需求是在城市突发应急用电、边远的油气矿场、隐蔽的军事基地，往往是管道天然气和电网都无法到达的地方，因此研发基于LNG的燃料电池型的分布式能源系统是推进天然气燃料电池应用的良好路径。
本发明将液化天然气技术和燃料电池技术跨领域结合，解决了孤岛的天然气、电力、热水、蒸汽供应问题，应用前景广阔。与传统分布式能源工艺技术相比，本发明小型化、设备简单、能效高、清洁环保、安全可靠、削峰填谷和经济效益好，需求发生变化时本发明设备可方便迁移至其他地区继续服务。
发明内容
为了克服现有技术的缺点，本发明提供了一种小型LNG分布式能源系统及工艺方法。
本发明所采用的技术方案是：一种小型LNG分布式能源系统，包括LNG储存及燃料供应系统、空气供给系统、燃料电池电堆和热回收系统，其中：
所述LNG储存及燃料供应系统包括LNG储罐、LNG增压泵、LNG气化器、BOG压缩机和天然气加热器，所述LNG储罐的液相出口依次与LNG增压泵、LNG气化器、天然气加热器、燃料电池电堆相连接，LNG储罐的气相经BOG压缩机增压后并在天然气加热器前汇入燃料气管道；
所述空气供给系统包括空气压缩机和空气预热器，原料空气由空气压缩机压缩后通过空气加热器加热到设定温度后送入燃料电池电堆参加反应；
所述燃料电池电堆包括燃料电池电堆和AC/DC转换器，燃料电池电堆通过燃料气和空气的电化学反应产生直流电，并通过AC/DC转换器转换成交流用电后对外送出；
所述热回收系统包括尾气燃烧炉、蒸汽发生器和热水换热器，燃料电池电堆产生的燃料尾气和空气尾气在尾气燃烧炉中燃烧，产生的燃烧尾气分别通过蒸汽发生器、空气预热器和热水换热器进行逐级热能回收。
本发明还提供了一种小型LNG分布式能源系统工艺方法，包括如下内容：
一、将低温LNG经过气化后输送燃料电池电堆与压缩空气产生化学反应最终生产电力、蒸汽和热水：
LNG储罐中储存的0.1MPa的LNG通过LNG增压泵增压到中压，再由气化器转化为气态天然气，然后经天然气加热器将常温天然气加热至600-1000℃后送至燃料电池电堆参加反应；空气压缩机将空气过滤后压缩至中压、略高于燃料气端，并注入蒸汽加湿，然后经空气预热器将湿空气加热至反应温度600-1000℃后送至燃料电池电堆参加反应；燃料电池电堆产生的电流经AC/DC转换器转换后外输，反应产生的燃料尾气和空气尾气进入尾气燃烧炉里混合新鲜空气进一步燃烧，燃烧后的燃烧尾气分别通过蒸汽发生器、空气预热器和热水换热器进行逐级热能回收，产生蒸汽和热水外输；
二、燃料电池电堆的压力和温度控制：
通过监测燃料电池电堆的温度和压力控制入口燃料气和空气的温度压力实现压力和温度的控制，同时通过尾气燃烧获取热量并重新进燃料电池电堆补热。
与现有技术相比，本发明的积极效果是：
本发明将液化天然气技术和燃料电池技术跨领域结合，解决了孤岛的能源储备问题、天然气、电力、热水、蒸汽外输供应问题，应用前景广阔。与传统分布式能源工艺技术相比，本发明小型化、设备简单、能效高、清洁环保、安全可靠、削峰填谷和经济效益好，需求发生变化时本发明设备可方便迁移至其他地区继续服务。对城市突发应急用电、边远的油气矿场、隐蔽的军事基地等管道天然气和电网都无法顺利到达的地方本发明提出了一种较好的解决方案。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是本小型LNG分布式能源系统的示意图。
具体实施方式
一种小型LNG分布式能源系统，如图1所示，包括：LNG装载设施1、LNG储罐2、LNG增压泵3、LNG气化器4、BOG压缩机5、天然气加热器6、燃料电池电堆7、AC/DC转换器8、尾气燃烧炉9、空气压缩机10、空气预热器11、蒸汽发生器12、热水换热器13、控制阀14-21(包括FV阀14、21TV阀15、16、17、18、19、20)，FV阀指流量联锁控制阀、TV阀指温度联锁控制阀。
具体地，
1)由LNG装载设施1、LNG储罐2、LNG增压泵3、LNG气化器4、BOG压缩机5、天然气加热器6共同组成了LNG储存及燃料供应系统。
低温运输车通过LNG装载设施1通过管道将LNG装载进LNG储罐2，以便储存燃料。LNG储罐2的液相出口由管道连接增压泵3的入口，增压泵3的出口通过管道与LNG气化器4入口相连。LNG储罐2的气相出口通过管道连接到BOG压缩机5，经过BOG压缩机5增压的BOG(Boil Off Gas闪蒸气，LNG在静态储存时产生的静态蒸发)通过管道和LNG气化器4出口的天然气联通混合后进入加热器6，天然气加热器6的出口通过管道与燃料电池电堆7的燃料入口相连。
增压泵3的出口分一支线通过FV阀14及管道，连接回LNG储罐2液相回液口，主要通过回流调节解决反应燃料流量调节问题。
其中：
LNG装载设施1可以是卸车臂、专用接头等；LNG储罐2可以是真空粉末绝热罐、高真空缠绕绝热瓶；LNG增压泵3可以是潜液泵、离心泵等。
2)由空气压缩机10、空气预热器11共同组成了空气供给系统。
空气自大气中吸入空气压缩机10，增压后的空气分三股，第一股空气经过TV阀17调节流量后通过管道送至空气预热器11，第二股空气经TV阀18与空气预热器11出口的热空气混合后通过管道一起送至燃料电池电堆7的空气入口。第三股空气经过FV阀21的流量控制后通过管道送至尾气燃烧炉9和燃料电池电堆7产生的尾气一起燃烧。
其中：
空气压缩机10可以是螺杆压缩机、往复压缩机等。
3)由燃料电池、AC/DC转换器8等共同组成了燃料电池电堆。
由天然气加热器6送至来的高温天然气和空气预热器11送来的高温空气在燃料电池电堆7中产生电化学反应，生产出直流电通过电缆接入AC/DC转换器8，经过转换成常用的交流电通过电缆外输。
其中：
燃料电池电堆7可以是熔融碳酸盐燃料电池堆，固体氧化物燃料电池堆。
4)由尾气燃烧炉9、蒸汽发生器12、热水换热器13共同组成了热回收系统。
燃料电池电堆7会产生高温燃料尾气一部分通过TV阀15并用管道联接到天然气加热器6用以加热燃料气生成低温燃料尾气，另一部分高温燃料尾气通过TV阀16后和低温燃料尾气混合后通过管道联通到尾气燃烧炉9。燃料电池电堆7会产生高温空气尾气和新鲜空气混合后通过管道联通到尾气燃烧炉9。尾气燃烧炉燃烧后生成高温燃烧尾气，通过管道连接到蒸汽发生器12与热水产生蒸汽，降温后的中温燃烧尾气通过管道连接燃料电池电堆7进行补热保温后排除中温燃烧尾气，燃料电池电堆7排除出中温燃烧尾气通过管道连接到空气预热器11进一步换热后生成低温燃烧尾气，空气预热器11换热之后生成低温燃烧尾气通过管道接入热水换热器13进一步生产热水回收热量，回收完热量的燃烧尾气再排放至大气。
本发明还提供了一种小型LNG分布式能源系统工艺方法，包括如下内容：
一、将低温LNG经过气化后输送燃料电池电堆7与压缩空气产生化学反应最终生产电力、蒸汽和热水：
LNG运输槽车1运送来的的LNG首先卸载到储罐2中(0.1MPa左右储存)，储罐中的LNG通过LNG增压泵3增压到中压(0.3MPa左右)，中压LNG由气化器4转化为气态天然气，然后经天然气加热器6将常温天然气加热至反应温度(600-1000℃)再送至燃料电池电堆7参加反应；本系统的空气压缩机10将大气中的空气过滤后压缩至中压(0.3MPa左右，但需要比燃料气端略高，以保证氧离子的运动)并注入蒸汽(所述蒸汽来自蒸汽发生器12)加湿，然后经空气预热器11将湿空气加热至反应温度(600-1000℃)再送至燃料电池电堆7参加反应。最终产生电流经AC/DC转换器8转换后外输。反应产生的燃料尾气和空气尾气将在尾气燃烧炉9里混合新鲜空气进一步燃烧，燃烧后的燃烧尾气分别通过蒸汽发生器12、空气预热器11和热水换热器13进行逐级热能回收。
二、燃料电池电堆的压力和温度控制：
燃料电池电堆电池的性能随工作温度和压力升高而提升，原因是提高电池温度能增强催化剂的催化活性，强化反应物在电池内部的传递，提高质子的传导率，但到达一定值以后，催化剂基本饱和，此时阳极的传质极化限制了电池性能的提高，同时高温下的积碳可能毒化催化剂，降低催化剂的活性产生反效应。因此本专利通过监测燃料电池电堆的温度和压力控制入口燃料气和空气的温度压力实现压力和温度的控制，同时通过尾气燃烧获取热量并重新进燃料电池电堆补热。
三、尾气热量的分级回收：
燃料电池电堆产生燃料尾气和空气尾气将在尾气燃烧炉中进一步燃烧、燃烧后的燃烧尾气分别通过蒸汽发生器回收高温尾气热量、空气预热器回收中温尾气热量、热水换热器回收低温尾气热量。本系统运行时可外接溴化锂制冷机组实现冷热电三联供。
本发明的工作原理是：
LNG运输槽车运送来的的LNG首先卸载到储罐中(0.1MPa左右储存)，储罐中的LNG通过LNG增压泵增压到中压(0.3MPa左右)，中压LNG由气化器转化为气态天然气，然后经天然气加热器将常温天然气加热至反应温度(600-1000℃)再送至燃料电池电堆参加反应；本系统的空气压缩机将大气中的空气过滤后压缩至中压(0.3MPa左右，但需要比燃料气端略高，以保证氧离子的运动)并注入蒸汽加湿，然后经空气预热器将湿空气加热至反应温度(600-1000℃)再送至燃料电池电堆参加反应，燃料电池电堆电池的性能随工作温度和压力升高而提升，原因是提高电池温度能增强催化剂的催化活性，强化反应物在电池内部的传递，提高质子的传导率，但到达一定值以后，催化剂基本饱和，此时阳极的传质极化限制了电池性能的提高，同时高温下的积碳可能毒化催化剂，降低催化剂的活性产生反效应。产生电流经AC/DC转换器转换后外输。反应产生的燃料尾气和空气尾气将在尾气燃烧炉里混合新鲜空气进一步燃烧，燃烧后的燃烧尾气分别通过蒸汽发生器、空气预热器和热水换热器进行逐级热能回收。本系统运行时可外接溴化锂制冷机组实现冷热电三联供。

Claims (10)

1.一种小型LNG分布式能源系统，其特征在于：包括LNG储存及燃料供应系统、空气供给系统、燃料电池电堆和热回收系统，其中：
所述LNG储存及燃料供应系统包括LNG储罐、LNG增压泵、LNG气化器、BOG压缩机和天然气加热器，所述LNG储罐的液相出口依次与LNG增压泵、LNG气化器、天然气加热器、燃料电池电堆相连接，LNG储罐的气相经BOG压缩机增压后并在天然气加热器前汇入燃料气管道；
所述空气供给系统包括空气压缩机和空气预热器，原料空气由空气压缩机压缩后通过空气加热器加热到设定温度后送入燃料电池电堆参加反应；
所述燃料电池电堆包括燃料电池和AC/DC转换器，燃料电池电堆通过燃料气和空气的电化学反应产生直流电，并通过AC/DC转换器转换成交流用电后对外送出；
所述热回收系统包括尾气燃烧炉、蒸汽发生器和热水换热器，燃料电池电堆产生的燃料尾气和空气尾气在尾气燃烧炉中燃烧，产生的燃烧尾气分别通过蒸汽发生器、空气预热器和热水换热器进行逐级热能回收。
2.根据权利要求1所述的一种小型LNG分布式能源系统，其特征在于：经过空气压缩机后的空气分为三股：第一股空气经过第一TV阀(17)调节流量后通过管道送至空气预热器，第二股空气经第二TV阀(18)与空气预热器出口的热空气混合后通过管道一起送至燃料电池电堆7的空气入口；第三股空气经过FV阀(21)的流量控制后通过管道送至尾气燃烧炉和燃料电池电堆产生的尾气一起燃烧。
3.根据权利要求2所述的一种小型LNG分布式能源系统，其特征在于：燃料电池电堆产生的高温燃料尾气一部分通过第三TV阀(15)并用管道联接到天然气加热器，另一部分高温燃料尾气通过第四TV阀(16)后和天然气加热器产生的低温燃料尾气混合后通过管道联通到尾气燃烧炉；燃料电池电堆产生的高温空气尾气和来自空气经过FV阀(21)的新鲜空气混合后通过管道联通到尾气燃烧炉。
4.根据权利要求3所述的一种小型LNG分布式能源系统，其特征在于：尾气燃烧炉产生的高温燃烧尾气通过管道连接到蒸汽发生器，换热降温后变成中温燃烧尾气通过管道连接至燃料电池电堆进行补热保温后排出成为中温燃烧尾气，然后通过管道连接到空气预热器进一步换热后成为低温燃烧尾气，再通过管道接入热水换热器，回收完热量后的燃烧尾气排放至大气。
5.根据权利要求1所述的一种小型LNG分布式能源系统，其特征在于：所述增压泵的出口分一支线通过FV阀及管道连接回LNG储罐的液相回液口。
6.根据权利要求1所述的一种小型LNG分布式能源系统，其特征在于：所述LNG储罐为真空粉末绝热罐或高真空缠绕绝热瓶；所述LNG增压泵为潜液泵或离心泵。
7.根据权利要求1所述的一种小型LNG分布式能源系统，其特征在于：所述空气压缩机为螺杆压缩机或往复压缩机。
8.根据权利要求1所述的一种小型LNG分布式能源系统，其特征在于：所述燃料电池电堆为熔融碳酸盐燃料电池堆或固体氧化物燃料电池堆。
9.一种小型LNG分布式能源系统工艺方法，其特征在于：包括如下内容：
一、将低温LNG经过气化后输送燃料电池电堆与压缩空气产生化学反应最终生产电力、蒸汽和热水：
LNG储罐中储存的0.1MPa的LNG通过LNG增压泵增压到中压，再由气化器转化为气态天然气，然后经天然气加热器将常温天然气加热至600-1000℃后送至燃料电池电堆参加反应；空气压缩机将空气过滤后压缩至中压、略高于燃料气端，并注入蒸汽加湿，然后经空气预热器将湿空气加热至反应温度600-1000℃后送至燃料电池电堆参加反应；燃料电池电堆产生的电流经AC/DC转换器转换后外输，反应产生的燃料尾气和空气尾气进入尾气燃烧炉里混合新鲜空气进一步燃烧，燃烧后的燃烧尾气分别通过蒸汽发生器、空气预热器和热水换热器进行逐级热能回收，产生蒸汽和热水外输；
二、燃料电池电堆的压力和温度控制：
通过监测燃料电池电堆的温度和压力控制入口燃料气和空气的温度压力实现压力和温度的控制，同时通过尾气燃烧获取热量并重新进燃料电池电堆补热。
10.根据权利要求9所述的一种小型LNG分布式能源系统工艺方法，其特征在于：在LNG增压泵出口设置有流量联锁控制阀来实现参与反应燃料气流量的控制；在燃料电池电堆燃料气入口处设置有入口燃料气和出口燃料尾气的换热，并根据入口燃料气的温度进行连锁控制；燃料电池电堆排放出燃料尾气和空气尾气在尾气燃烧炉中燃烧产生燃烧尾气，根据燃烧的状态进行补给空气的流量连锁控制；在燃料电池电堆空气入口处设置有进口空气和燃烧尾气的换热，并根据入口空气的温度进行连锁控制；在蒸汽发生器的燃烧尾气出口设置有温度监测，根据换热后的燃烧尾气温度控制蒸汽的生产流量；在热水换热器的燃烧尾气出口设置有温度监测，根据换热后的燃烧尾气温度控制热水的生产流量。
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