CN109837553B - 一种船舶柴油机耦合固体氧化物电解池的发电与制氢一体化装置 - Google Patents
一种船舶柴油机耦合固体氧化物电解池的发电与制氢一体化装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种船舶柴油机耦合固体氧化物电解池的发电与制氢一体化装置,包括船舶柴油发电机、废气换热器、工质泵、相变储能罐、经济器、蒸发器、过热器、水箱、固体氧化物电解池、热交换器、氧气储罐、氢气储罐、阀门等。利用相变材料将船舶柴油发电机产生的废热进行存储或者加热水产生蒸汽,固体氧化物电解池利用柴油发电机的产生的电与废热电解制氢气,在柴油机停止工作时可以利用相变储能满足电解过程所需的热能,以实现不同条件下的运行选择。本发明的一种船舶柴油机耦合固体氧化物电解池的发电与制氢一体化装置,可以实现船舶运行工况的调节,保证船舶柴油发电机组在不同的工况下均运行在较高的效率区,同时生产氢气的目的。
Description
技术领域
本发明涉及船舶节能减排与电解制氢领域,具体涉及一种船舶柴油机耦合固体氧化物电解池的发电与制氢一体化装置。
背景技术
近年来,随着化石能源日益匮乏和排放法规日益严格,船舶作为国际贸易的重要运输工具,其节能减排技术备受关注。
目前,提高船舶能效的措施主要集中在系统设备的优化配置、提高设备的运行效率及能源的利用效率等方面。其中,系统设备的优化配置对船舶实际的营运能效影响较大,特别是在变工况下,如何合理配置系统设备,使得船舶在不同工况下都能维持较高的运行效率显得尤为重要。目前,大多数船舶上配置3台同容量的柴油发电机组,在正常航行状态及停泊状态等低电力负荷需求下,采用一台发电机为全船供电,另两台作为备用机组;在靠离码头及机动航行状态等高电力负荷需求下,采用两台发电机为全船供电,另一台作为备用机组。此种发电机的选型原则,使得柴油发电机在低电力负荷需求的情况下存在“马力过剩、效率低”的现象,使得柴油发电机组无法工作在较高效率区,从而造成浪费。
船舶柴油发电机是船舶在海上航行过程中的主要电力来源,它排放的废气余热将近占总热能的40%。其排放的废气余热温度在350-410℃之间,如果直接排放到大气中,会大量浪费没有经过利用的热能。
为了实现船舶柴油发电机废气余热的利用,近年也发展了各种各样的技术进行余热回收,包括利用余热加热、制冷、发电等等,但其主要是针对废气余热的回收,解决不了柴油发电机在船舶过程中工况的变化导致其效率低的问题,同时,余热回收往往需要额外增加大量的设备,造成系统的复杂程度加大,难以实现较经济地利用余热。
固体氧化物电解池是一种高效、低污染的能量转化装置,可以将电能和热能转化为化学能。利用固体氧化物电解池技术高温电解水蒸气制氢不仅具有更高的能量转化效率,可以减少电解过程中所需要的电能,超到降低制氢成本的作用,还能降低电解池的极化电阻及极化过电位,加快电极反应速率,从而提高电解效率。因此,通过高温电解水蒸气制氢因其可靠、环保、低成本、制氢效率高等诸多优点而成为一种适应未来大规模生产氢气的有效方法。
固体氧化物电解池在电解水制氢过程中所需的能量来源由两部分构成,即电能和高温热能,随着固体氧化物电解池工作温度的升高,所需的电能降低,而热能升高。目前固体氧化物电解池的运行一方面需要提供电能,另一方面需要专门的热能来源,包括利用太阳能集热或燃料燃烧等方面来满足热量的需求,但会涉及较多的部件,使系统较为复杂。而船舶柴油发电机既能发电,同时排放的废气是高温热源,可以实现与固体氧化物电解池的结合。因此,为了提高船舶柴油发电机的能源利用效率与稳定性,探索废气余热利用的新模式,提出了船舶柴油发电机耦合固体氧化物电解池余热利用并制氢的方案,将船舶柴油发电机中废气产生的余热作为固体氧化物燃料电解池的热量来源,或者利用相变储能的方式将废气余热储存起来,在热量不足时提供给固体氧化物电解池,而固体氧化物电解池所需的电力可以来源于船舶柴油发电机多余的电量,在调节船舶的电力负荷需求的同时生产氢气,实现了船舶柴油发电机与固体氧化物电解池在能量利用上的互补以及装置结构上的高度耦合,简化了工艺,降低了建造成本。
发明内容
针对目前船舶航行工况频繁波动导致柴油发电机效率低下、柴油发电机废气余热利用困难等问题,本发明提出一种船舶柴油机耦合固体氧化物电解池的发电与制氢一体化装置,将船舶柴油发电机与固体氧化物电解池进行一体化集成,实现船舶柴油发电机与固体氧化物电解池热与电的耦合,同时,利用相变储能装置将船舶柴油发电机产生的废气余热储存起来,解决了两者间断运行造成的能量损失。该一体化装置简化了捕集工艺,降低系统建设的投资成本,同时实现了清洁燃料的生成。
该船舶柴油机耦合固体氧化物电解池的发电与制氢一体化装置主要由船舶柴油发电机、废气换热器、工质泵、相变储能罐、经济器、蒸发器、过热器、水箱、固体氧化物电解池、热交换器、氧气储罐、氢气储罐、阀门等组成。
本发明采用如下的技术方案:所述船舶柴油发电机排气通过废气换热器换热后排入大气或者通至其它废气处理装置;所述废气换热器冷端入口经阀分别与所述相变储能罐出口、所述经济器热端出口相连,冷端出口连接至工质泵入口;所述工质泵出口分别经阀连接至所述相变储能罐入口和出口;所述相变储能罐出口分别经阀与所述过热器热端入口、所述废气换热器冷端入口相连;所述蒸发器热端入口连接至所述过热器热端出口,出口与所述经济器热端入口相连;所述水箱出口经阀后依次与所述经济器、所述蒸发器、所述过热器、所述热交换器的冷端串联;所述固体氧化物电解池阴极入口与所述热交换器端出口相连,阴极出口连接至热交换器氢气入口,阳极出口连接至所述热交换器氧气入口;所述热交换器氢气出口经阀门通入所述氢气储罐中,氧气出口经阀门通入所述氧气储罐中。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
(1)将柴油发电机与固体氧化物电解池一体化集成,可以简化柴油发电机的余热利用与固体氧化物电解池独立系统的设备,实现了系统电与热的匹配与利用。
(2)此装置可以保证船舶柴油机运行功率的稳定性,克服了传统柴油发电机随船舶工况变化而导致的效率低下问题。
(3)本发明既可利用柴油发电机产生的电和热,又可以利用存储的电和热,具体运行模式可变的特点,可以适应于船舶在航行以及靠港等情况。
附图说明
图1为本发明一种船舶柴油机耦合固体氧化物电解池的发电与制氢一体化装置的结构示意图。
图中,1船舶柴油发电机,2废气换热器,3工质泵,4相变储能罐,5经济器,6蒸发器,7过热器,8水箱,9固体氧化物电解池,10热交换器,11氧气储罐,12氢气储罐,V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7控制阀。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。
如图1所示,本发明一种船舶柴油机耦合固体氧化物电解池的发电与制氢一体化装置,包括:船舶柴油发电机、废气换热器、工质泵、相变储能罐、经济器、蒸发器、过热器、水箱、固体氧化物电解池、热交换器、氧气储罐、氢气储罐、阀门等部件。
船舶柴油发电机1排气出口与废气换热器2热端入口相连;废气换热器2热端出口与大气连通或通入其它废气处理装置,冷端入口分别与阀V3、V4相连,冷端出口连接至工质泵3入口;工质泵3出口分别经阀V1、V2连接至相变储能罐4入口和出口;相变储能罐4出口分别与阀V3、过热器7热端入口相连;蒸发器6热端入口连接至过热器7热端出口,出口与经济器5热端入口相连;经济器5热端出口连接至阀V4,冷端入口经阀V5与水箱8出口相连,冷端出口连接至蒸发器6冷端入口;过热器7冷端入口与蒸发器6冷端出口相连,冷端出口与热交换器10冷端入口相连;固体氧化物电解池9阴极入口与热交换器10冷端出口相连,阴极出口连接至热交换器10氢气入口,阳极出口连接至热交换器10氧气入口;热交换器10氢气出口经阀V6通入氢气储罐12中,氧气出口经阀V7通入氧气储罐11中。
所述热交换器10需采用三股流板式换热器或套管式换热器,板式换热器热端流体与冷端流体逆流布置,套管式换热器冷端流体套管外流动,热端流体套管内流动,两股热端流体管道在套管内均匀布置。
所述相变储能罐4箱体内布置换热管,管外空腔填充相变材料,管内为工质,工质与相变材料进行间接换热。相变储能罐的相变材料为熔融盐、金属、金属合金材料、无机盐高温复合相变材料,其相变温度在300~400℃之间,而换热工质为高温导热油。
该发明可以根据船舶运行过程中负荷的变化连续或间断性地开启或关闭柴油发电机和固体氧化物电解池,实现不同的运行调节,具体地,本发明所述一种船舶柴油机耦合固体氧化物电解池的发电与制氢一体化装置,包括以下运行模式:
模式一:发电模式,船舶柴油发电机开启,固体氧化物电解池关闭。此时阀V1、V3开启,阀V2、V4、V5、V6、V7关闭,船舶柴油发电机发电满足船舶负荷需求,同时船舶柴油发电机发电过程中排放的废气余热储存在相变储能罐中。
模式二:制氢模式,船舶柴油发电机关闭,固体氧化物电解池开启。此时阀V1、V4、V5、V6、V7开启,阀V2、V3关闭,此运行模式下,固体氧化物电解池所需的水蒸气由水箱中的水经相变储能罐加热产生,电解用电来源于船舶储电。此模式主要应用于船舶靠岸或柴油发电机无负荷需求时,可以将储存的余热进行利用。
模式三:发电制氢模式,船舶柴油发电机开启,固体氧化物电解池开启。此时阀V2、V4、V5、V6、V7开启,阀V1、V3关闭,船舶柴油机发电一部分满足船舶负荷需求,多余的部分供固体氧化物电解池用电来源,同时固体氧化物电解池直接利用船舶柴油发电机中废气的余热。
综上,本发明装置综合考虑了船舶柴油发电机功率输出与废热余热利用问题,巧妙地将电解制氢与余热利用、储存结合起来,实现了在保证船舶柴油发电机额定运行高效率的同时,将所产生的余热及时存储和利用并生成清洁燃料。本一体化装置实现发电与制氢中电与热的匹配,具有结构简单、效率高的特点。
尽管上面结合图对本发明进行了描述,但是本发明并不局限于上述的具体实施方式,上述的具体实施方式仅仅是示意性的,而不是限制性的,本领域的普通技术人员在本发明的启示下,在不脱离本发明宗旨的情况下,还可以做出很多变形,这些均属于本发明的保护之内。
Claims (5)
1.一种船舶柴油机耦合固体氧化物电解池的发电与制氢一体化装置,包括:船舶柴油发电机、废气换热器、工质泵、相变储能罐、经济器、蒸发器、过热器、水箱、固体氧化物电解池、热交换器、氧气储罐、氢气储罐、阀门等部件,其特征在于,
船舶柴油发电机(1)废气出口连接到废气换热器(2)的热端入口,柴油机废气经废气换热器(2)的热端出口排入大气或者进入废气处理装置;废气换热器(2)的冷端入口经阀V4与经济器(5)的热端出口相连,出口连至工质泵(3)的入口;工质泵(3)出口则分别经阀V1与V2连接至相变储能罐(4)入口及相变储能罐(4)的出口管路,相变储能罐(4)出口连接至过热器(7)的热端入口与经阀V3连接至阀V4的出口管路;蒸发器(6)的热端入口连接至过热器(7)的热端出口,热端出口则与经济器(5)的热端入口相连;水箱(8)出口经阀V5依次与经济器(5)、蒸发器(6)、过热器(7)的冷端串联;热交换器(10)的冷端入口与过热器(7)的冷端出口相连;固体氧化物电解池(9)的阴极入口与热交换器(10)的冷端出口相连,阴极出口与热交换器(10)的氢气入口端相连,阳极出口与热交换器(10)的氧气入口端连接;热交换器(10)的氢气出口端与氧气出口端分别经阀V6、V7与氢气储罐(12)、氧气储罐(11)连接。
2.根据权利要求1所述的一种船舶柴油机耦合固体氧化物电解池的发电与制氢一体化装置,其特征在于,所述热交换器为三股流板式换热器或套管式换热器,板式换热器热端流体与冷端流体逆流布置,套管式换热器冷端流体套管外流动,热端流体套管内流动,两股热端流体管道均匀布置在套管内。
3.根据权利要求1所述的一种船舶柴油机耦合固体氧化物电解池的发电与制氢一体化装置,其特征在于,所述相变储能器箱体内布置换热管,管外空腔填充相变材料,管内为工质,工质与相变材料进行间接换热。
4.根据权利要求3所述的一种船舶柴油机耦合固体氧化物电解池的发电与制氢一体化装置,其特征在于,所述相变储能罐的相变材料为熔融盐、金属、金属合金材料、无机盐高温复合相变材料,其相变温度在300~400℃之间。
5.根据权利要求3所述的一种船舶柴油机耦合固体氧化物电解池的发电与制氢一体化装置,其特征在于,所述工质为导热油。
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GR01 | Patent grant | ||
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