CN109882737B - 一种气电氢综合能源供应系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气电氢综合能源供应系统及方法，系统包括LNG储存及燃料供应系统、供储电系统、电化学反应系统、换热系统、LNG加注系统、CNG加注系统、氢气加注系统和尾气处理系统等。本发明采用了液化天然气做为SOFC启动燃料，可以提供稳定的电源、热源，并能与现场的风能、光能分布式发电设备构成耦合电力系统最终利用SOEC电解水制氢，本发明与传统单一能源电解氢技术相比，提出了依靠SOFC发电来补充风能、光能的发电时的自然电力波动、发电副产废热维持反应温度的技术路线，实现了综合能源高效利用，本装置能实现LNG、CNG、电、氢的汽车能源综合供应，是未来油气电氢综合动力站切实可行的建设模式之一。
Description
技术领域
本发明涉及新能源技术领域，尤其是涉及一种采用LNG、风、光等新能源来实现气电氢综合供给的系统及工艺方法。
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。
固态氧化物电池(SOFC)是以陶瓷材料为主构成的，电解质通常采用ZrO2(氧化锆)，它构成了O2-的导电体Y2O3(氧化钇)作为稳定化的YSZ(稳定化氧化锆)而采用。电极中燃料极采用Ni与YSZ复合多孔体构成金属陶瓷，空气极采用LaMnO3(氧化镧锰)。隔板采用LaCrO3(氧化镧铬)。SOFC的反应式如下：
燃料极：H2+O2-＝H2O+2e- (1)
空气极：1/2O2+2e-＝O2- (2)
全体：H2+1/2O2＝H2O (3)
燃料极，H2经电解质而移动，与O2-反应生成H2O和e-。空气极由O2和e-生成O2-。全体同其他燃料电池一样由H2和O2生成H2O。在SOFC中，因其属于高温工作型，因此，在无其他触媒作用的情况下即可直接在内部将天然气主成份CH4改质成H2加以利用，并且剩余的CO成分可以直接作为燃料利用。
固态氧化物电解池(SOEC)是反向运行的固体氧化物燃料电池，在电解模式下，由外加电压、高温，电解H2O，产生H2与O2，实现将电能和热能转化为化学能。SOEC的反应式如下：
阴极：H2O+2e-＝H2+O2- (4)
阳极：O2-＝2e-+1/2O2 (5)
全体：H2O+2e＝H2+1/2O2 (6)
本发明拟将传统液化天然气技术、燃料电池、燃料电解池技术等新能源技术跨领域结合，以解决未来世界车辆LNG、CNG、电能、氢能源综合供给问题。
发明内容
为了克服现有技术的缺点，本发明提供了一种采用LNG、风、光等新能源来实现气电氢综合供给的系统及工艺方法，旨在解决未来加油加气站的氢电供给问题，应用前景广阔。
本发明所采用的技术方案是：一种气电氢综合能源供应系统，包括LNG储存及燃料供应系统、供储电系统、电化学反应系统、换热系统、LNG加注系统、CNG加注系统、氢气加注系统和尾气处理系统，其中：
所述LNG储存及燃料供应系统包括LNG储罐、LNG加注泵、LNG柱塞泵、LNG增压泵、LNG高压气化器、LNG中压气化器和BOG压缩机，所述LNG储罐的液相出口分别与连接LNG加注泵、LNG柱塞泵和LNG增压泵，所述LNG加注泵与LNG加注系统连接，所述LNG柱塞泵与LNG高压气化器、CNG加注系统依次连接，所述LNG增压泵与LNG中压气化器连接，所述LNG储罐的气相出口与BOG压缩机连接，所述BOG压缩机的闪蒸气出口与LNG中压气化器的天然气出口合并后接入换热系统；
所述电化学反应系统包括固态氧化电池堆和固态氧化电解池堆；
所述换热系统分别与空气供给系统和纯净水供给系统连接，换热系统的天然气出口、氧气出口分别与固态氧化电池堆连接，固态氧化电池堆输出直流电至供储电系统，供储电系统提供直流电给固态氧化电解池堆，固态氧化电解池堆的含水氢气出口与氢气加注系统连接，固态氧化电解池堆的氧气出口与换热系统连接；换热系统的蒸汽出口与固态氧化电解池堆连接；换热系统的氧气出口与尾气处理系统连接，固态氧化电池堆的尾气出口依次与换热系统、尾气处理系统连接。
本发明还提供了一种气电氢综合能源供应方法，包括如下内容：
一、LNG储罐中0.1MPa的LNG通过LNG加注泵增压到中压，用于LNG燃料汽车的加注；
二、LNG储罐中0.1MPa的LNG通过LNG柱塞泵增压到高压，再通过高压气化器气化成CNG，用于CNG汽车的加气；
三、LNG储罐中0.1MPa的LNG通过LNG增压泵增压到中压，再通过中压LNG气化器转化为气态天然气，然后经换热系统加热至600-1000℃，并注入蒸汽加湿后再送至固态氧化物电池电堆与空气压缩机提供的空气和固态氧化物电解池产生的氧气产生电化学反应生成电能，与现场的风能发电、光能发电、电网供电构成耦合电力系统，由电源转换装置转换为充电电源进行电动车电池充电；
四、所述电源转换装置也能实现输出电流给固态氧化物电解池，用于将水蒸气分解成含水氢气和氧气，其中含水氢气经过脱水、增压后成为燃料氢气，用于氢燃料汽车的加注。
与现有技术相比，本发明的积极效果是：本发明采用液化天然气做为SOFC启动燃料，可以提供稳定的电源、热源，并能与现场的风能、光能分布式发电设备构成耦合电力系统最终利用SOEC电解水制氢，本发明与传统单一能源电解氢技术相比，提出了依靠SOFC发电来补充风能、光能的发电时的自然电力波动、发电副产废热维持反应温度的技术路线，实现了综合能源高效利用，本装置能实现LNG、CNG、电、氢的汽车能源综合供应，是未来油气电氢综合动力站切实可行的建设模式之一。本系统原理也可以用于大规模制氢、氢气液化工厂。
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是气电氢综合能源供应系统的示意图。
具体实施方式
一种气电氢综合能源供应系统，包括LNG储存及燃料供应系统、空气供给系统、纯净水供给系统、供储电系统、电化学反应系统、换热系统、LNG加注系统、CNG加注系统、氢气加注系统、尾气处理系统。如图1所示，主要设备包括：LNG卸载设备1、LNG储罐2、LNG加注泵3、LNG柱塞泵4、LNG增压泵5、LNG高压气化器6、LNG低压气化器7、CNG顺序控制盘8、CNG储气井9、CNG加气机10、LNG加注机11、BOG压缩机12、固态氧化物电池堆13、固态氧化物电解池堆14、电源转换装置15、电网供电接入装置16、分布式光能发电装置17、分布式风能发电装置18、充电桩19、换热装置20、尾气燃烧器21、放散管22、空气压缩机23、水净化处理装置24、氢气脱水装置25、氢气缓冲罐26、氢气压缩机27、高压氢气顺序控制盘28、高压氢气储气井29、高压氢气加气机30。
具体地，
1)由LNG卸载设备1、LNG储罐2、LNG加注泵3、LNG柱塞泵4、LNG增压泵5、LNG高压气化器6、LNG中压气化器7、BOG压缩机12共同组成了LNG储存及燃料供应系统。
LNG运输车通过LNG卸载设备1通过管道将LNG装载进LNG储罐2，以便储存燃料；LNG储罐2的液相出口由管道可以连接LNG加注泵3的入口，LNG加注泵3的出口通过管道与LNG加注机11相连，解决LNG加注问题。
LNG储罐2的液相出口由管道可以连接LNG柱塞泵4的入口，LNG柱塞泵4的出口通过管道与LNG高压气化器6相连将LNG气化为CNG，LNG高压气化器6出口管道与CNG加注系统相连，解决CNG加气问题。
LNG储罐2的液相出口由管道可以连接LNG增压泵5的入口，LNG增压泵5的出口通过管道与LNG中压气化器7相连将LNG气化为中压天然气。LNG储罐2的气相出口通过管道连接到BOG压缩机12，经过BOG压缩机12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中压气化器7出口的中压天然气混合后进入电化学反应系统。
其中：
LNG卸载设备1可以是卸车臂、专用软管等；LNG储罐2可以是真空粉末绝热罐、高真空缠绕绝热瓶、单容罐、全容罐等储存设备；LNG加注泵3可以是LNG潜液泵、LNG筒袋泵、LNG离心泵等；LNG增压泵5可以是LNG潜液泵、LNG筒袋泵、LNG离心泵等；LNG高压气化器6、LNG低压气化器7可以是空温气化器或介质换热器。
2)由空气压缩机23及其配件组成了空气供给系统，原料空气由空气压缩机压缩后通过换热装置加热到设定温度后送入电化学反应系统参加反应。
空气自大气中吸入空气压缩机23，增压后的空气分两股，第一股空气通过管道经换热系统加热后送至电化学反应系统的固态氧化物电池堆13的空气入口参加电化学反应。第二股空气送至尾气燃烧炉21和固态氧化物电池堆13产生的尾气一起燃烧，燃烧后的高温尾气为反应提供热量。
其中：
空气压缩机23可以是螺杆压缩机、往复压缩机等。
3)由水净化处理装置24及其配件组成了纯净水供给系统，普通自来水经由水净化处理装置处理后可得到到脱离子纯净水送入电化学反应系统参加反应；
自来水经水净化处理装置24深度杂质脱出后，通过管道经换热系统加热成蒸汽后送至电化学反应系统的蒸汽入口参加电化学反应。
其中：
水净化处理装置24可以是现场脱盐水装置；也可以是纯净水储存供给装置，由外部统一进行水处理后配送。
4)由电源转换装置15、电网供电接入装置16、分布式光能发电装置17、分布式风能发电装置18、充电桩19等组成了供储电系统，主要由固态氧化物电池、电网供电接入装置、分布式光能发电装置、分布式风能发电装置等提供电能，由电源转换装置转换为充电电源和固态氧化电解池反应电源。
由电网供电接入装置16、分布式光能发电装置17、分布式风能发电装置18等外部装置供给或生产的电力通过电源转换装置15转换成为适用于充电桩19充电和电化学反应系统电解水蒸气的电流。
其中：
充电桩19可以持续连接常规电池，进行电能储存，必要时进行电力反输。
5)由固态氧化物电池堆13、固态氧化物电解池堆14共同组成了电化学反应系统，固态氧化电池堆通过燃料气和空气的电化学反应产生直流电送至供储电系统，并接收供储电系统提供的反应直流电和纯净水供给系统提供的纯净水利用固态氧化电解池堆电解水产生氢气和氧气；氢气送至氢气加注系统，氧气送回固态氧化物电池参加电化学反应，多余的氧气送至尾气处理系统燃烧后排放。
由换热系统送来的高温天然气、高温空气\氧气、在固态氧化物电池堆13中产生电化学反应，生产出直流电通过电缆接入供储电系统，经过转换成适用于充电桩19充电和电化学反应系统电解水蒸气的电流。
由换热系统送来的高温蒸汽和供储电系统送来的电流、在固态氧化物电解池堆14中产生电化学反应，生成含水氢气和氧气。其中含水氢气送至氢气加注系统用以加注氢能源汽车，氧气则可返回参与固态氧化物电池堆13的发电反应或送至尾气处理系统烧掉或排放掉。
6)由换热装置20及其配件组成了换热系统，其主要作用是回收排放的尾气、外输氢气的热量，用于加热参与反应的燃料气、氧气、空气等，同时维持电化学反应系统的反应温度。
换热装置主要由多个换热器组成，实现了对参与反应的燃料气、空气、氧气、蒸汽的预热，同时回收了尾气燃烧的热量。
7)由LNG加注机11及其配件组成了LNG加注系统，其主要作用是LNG储存及燃料供应系统来的LNG并向LNG燃料动力汽车加注。
LNG运输车通过LNG卸载设备1通过管道将LNG装载进LNG储罐2，以便储存燃料；LNG储罐2的液相出口由管道可以连接LNG加注泵3的入口，LNG加注泵3的出口通过管道与LNG加注机11相连，解决LNG加注问题。
8)由CNG顺序控制盘8、CNG储气井9、CNG加气机10组成了CNG加注系统，其主要作用是LNG储存及燃料供应系统来的CNG通过顺序控制盘分压力级别注入CNG储气井，通过储气井向CNG燃料动力汽车实现加注。
LNG储罐2的液相出口由管道可以连接LNG柱塞泵4的入口，LNG柱塞泵4的出口通过管道与LNG高压气化器6相连将LNG气化为CNG，LNG高压气化器6出口管道与CNG顺序控制盘8相连，顺序控制盘8将高压的CNG根据不同的压力级别将CNG分配至CNG储气井9。最后CNG加气机10将储气井中储备的CNG加注至CNG燃料汽车。
9)由氢气脱水装置25、氢气缓冲罐26、氢气压缩机27、高压氢气顺序控制盘28、高压氢气储气井29、高压氢气加气机30组成了氢气加注系统，其主要作用是电化学反应系统来的氢气通过干燥塔脱去氢气中的水分，再经过氢气缓冲罐、氢气压缩机实现增压，并依靠顺序控制盘分压力级别注入氢气储气井，最终通过储氢井向氢气燃料动力汽车实现加注。
由电化学反应系统的固态氧化物电解池堆14生成的含水氢气送至氢气脱水装置25进行脱水后，用管道连接至氢气缓冲罐26，缓冲后的氢气通过管道连接至氢气压缩机27增压成高压氢气，氢气压缩机27出口管道与高压氢气顺序控制盘28相连，高压氢气顺序控制盘28将高压氢气根据不同的压力级别将高压氢气分配至高压氢气储气井29。最后高压氢气加气机30将储气井中储备的高压氢气加注至氢燃料汽车。
10)由尾气燃烧器21、放散管22共同组成了尾气处理系统(热回收系统)，固态氧化电池堆产生的燃料尾气和空/氧尾气在尾气燃烧炉中燃烧，产生的燃烧尾气通过换热系统进行热能回收后再对外排放。
电化学反应系统的固态氧化物电池堆13产生的高温燃料尾气和新鲜空气(或氧气)混合后通过管道联通到尾气燃烧器21。尾气燃烧器21燃烧后生成高温燃烧尾气，通过管道连接到换热系统回收完热量的燃烧尾气再经由放散管22排放至大气。
本发明还提供了一种采用LNG、风、光等新能源来实现气电氢综合供给的方法，包括如下内容：
一、将低温LNG经过气化后输送至固态氧化电池堆13和固态氧化电解池堆14产生电化学反应最终生产电力、氢气：
LNG储罐2中储存的0.1MPa左右的LNG通过LNG增压泵5增压到中压，再由气化器7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℃并注入蒸汽(所述换热装置20加热纯净水生成)加湿后送至固态氧化物电池堆13参加反应；空气压缩机23将空气过滤后压缩至中压、略高于燃料气端，然后经换热装置20将空气加热至反应温度600-1000℃后送至固态氧化物电池堆13参加反应生成电流和尾气；固态氧化物电池堆13产生的电流可经电源转换装置15转换后外输提供给充电桩或送至固态氧化物电解池堆14反应产生氧气和氢气；固态氧化物电池堆13反应生成的尾气进入尾气燃烧器21里混合进一步燃烧，燃烧后的燃烧尾气分别通过换热装置20进行逐级热能回收为电解水提供热能，并将最尾气终排放至放散管22。
二、解决风能发电、光能发电波动的方案：
外部风能发电、光能发电可利用固态氧化电解池堆14分解注入的蒸汽产生含水氢气和氧气，但是受环境影响，风能发电、光能发电的产生具有自然波动性可能导致固态氧化电解池堆运行不稳定，因此我们可以利用燃料电池发电和电网等来补电解决供电波动的问题。
三、固态氧化物电池堆、固态氧化电解池堆反应的精准控制：
通过监测固态氧化物电池堆、固态氧化电解池堆的内部温度和压力来控制入口燃料气、空气和蒸汽的温度压力实现反应的精准控制，同时通过尾气燃烧获取热量并重新进燃料电池电堆补热。
本发明的工作原理是：
运输送来的LNG的首先卸载到储罐中(0.1MPa左右压力储存)，储罐中的LNG可通过4种流程与电网、光能、风能等多种能源相结合解决车辆LNG、CNG、电能、氢能源综合供给问题.
流程1：通过LNG加注泵增压到中压(1MPa左右)然后加注进LNG燃料汽车；
流程2：通过LNG柱塞泵增压到高压(20MPa左右)然后通过高压气化器气化成CNG，再通过CNG加气系统为CNG汽车加气；
流程3：通过LNG增压泵增压到中压(0.3MPa左右)然后通过中压LNG气化器转化为气态天然气，然后经换热系统将常温天然气加热至反应温度(600-1000℃)并注入一定比例的蒸汽加湿后再送至固态氧化物电池电堆与空气压缩机提供的空气和固态氧化物电解池产生的氧气产生电化学反应，生成电能和高温尾气；
固态氧化物电池电堆13产生的电能可以与现场的风能供电、光能供电、电网供电构成耦合电力系统来进行电池充电。
固态氧化物电池电堆13产生的高温尾气对参与反应的燃料气、空气、氧气、蒸汽等预热，逐级的热能回收。
流程4：固态氧化物电池电堆产生的电能可以与现场的风能供电、光能供电、电网供电构成耦合电力系统，输出电流通过固态氧化物电解池来分解水蒸气形成含水氢气和氧气。其中含水氢气经过脱水、增压后可以成为性能优异的燃料氢气，用以加注氢燃料汽车。
Claims (7)
1.一种气电氢综合能源供应系统，其特征在于：包括LNG储存及燃料供应系统、供储电系统、电化学反应系统、换热系统、LNG加注系统、CNG加注系统、氢气加注系统和尾气处理系统，其中：
所述LNG储存及燃料供应系统包括LNG储罐、LNG加注泵、LNG柱塞泵、LNG增压泵、LNG高压气化器、LNG中压气化器和BOG压缩机，所述LNG储罐的液相出口分别与连接LNG加注泵、LNG柱塞泵和LNG增压泵，所述LNG加注泵与LNG加注系统连接，所述LNG柱塞泵与LNG高压气化器、CNG加注系统依次连接，所述LNG增压泵与LNG中压气化器连接，所述LNG储罐的气相出口与BOG压缩机连接，所述BOG压缩机的闪蒸气出口与LNG中压气化器的天然气出口合并后接入换热系统；
所述电化学反应系统包括固态氧化电池堆和固态氧化电解池堆；
所述供储电系统包括电源转换装置，以及分别与电源转换装置连接的电网供电接入装置、分布式光能发电装置、分布式风能发电装置和充电桩，主要由固态氧化物电池、电网供电接入装置、分布式光能发电装置、分布式风能发电装置提供电能，由电源转换装置转换为充电电源和固态氧化电解池反应电源；
所述CNG加注系统包括CNG顺序控制盘、CNG储气井和CNG加气机，所述顺序控制盘将高压的CNG根据不同的压力级别将CNG分配至CNG储气井；
所述换热系统分别与空气供给系统和纯净水供给系统连接，换热系统的天然气出口、氧气出口分别与固态氧化电池堆连接，固态氧化电池堆输出直流电至供储电系统，供储电系统提供直流电给固态氧化电解池堆，固态氧化电解池堆的含水氢气出口与氢气加注系统连接，固态氧化电解池堆的氧气出口与换热系统连接；换热系统的蒸汽出口与固态氧化电解池堆连接；换热系统的氧气出口与尾气处理系统连接，固态氧化电池堆的尾气出口依次与换热系统、尾气处理系统连接。
2.根据权利要求1所述的一种气电氢综合能源供应系统，其特征在于：所述LNG储罐为真空粉末绝热罐、高真空缠绕绝热瓶、单容罐或全容罐；所述LNG加注泵和LNG增压泵为LNG潜液泵、LNG筒袋泵或LNG离心泵；所述LNG高压气化器和LNG低压气化器为空温气化器或介质换热器。
3.根据权利要求1所述的一种气电氢综合能源供应系统，其特征在于：所述氢气加注系统包括依次连接的氢气脱水装置、氢气缓冲罐、氢气压缩机、高压氢气顺序控制盘、高压氢气储气井和高压氢气加气机。
4.根据权利要求1所述的一种气电氢综合能源供应系统，其特征在于：所述尾气处理系统包括尾气燃烧炉和放散管，所述尾气燃烧炉的燃烧尾气出口依次与换热系统和放散管连接。
5.一种基于权利要求1所述气电氢综合能源供应系统的能源供应方法，其特征在于：包括如下内容：
一、LNG储罐中0.1MPa的LNG通过LNG加注泵增压到中压，用于LNG燃料汽车的加注；
二、LNG储罐中0.1MPa的LNG通过LNG柱塞泵增压到高压，再通过高压气化器气化成CNG，用于CNG汽车的加气；
三、LNG储罐中0.1MPa的LNG通过LNG增压泵增压到中压，再通过中压LNG气化器转化为气态天然气，然后经换热系统加热至600-1000℃，并注入蒸汽加湿后再送至固态氧化物电池电堆与空气压缩机提供的空气和固态氧化物电解池产生的氧气产生电化学反应生成电能，与现场的风能供电、光能供电、电网供电构成耦合电力系统，由电源转换装置转换为充电电源进行电动车电池充电；
四、所述电源转换装置输出电流给固态氧化物电解池，用于将水蒸气分解成含水氢气和氧气，其中含水氢气经过脱水、增压后成为燃料氢气，用于氢燃料汽车的加注。
6.根据权利要求5所述的能源供应方法，其特征在于：所述固态氧化物电池电堆产生的高温尾气进入换热系统，对参与反应的燃料气、空气、氧气、蒸汽进行预热，进行逐级的热能回收。
7.根据权利要求6所述的能源供应方法，其特征在于：所述固态氧化物电池电堆产生的高温尾气出换热系统后进入尾气处理系统在尾气燃烧炉中燃烧，产生的燃烧尾气通过换热系统进行热能回收后再对外排放。
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