CN110482570A - 应用于污水处理厂的回收氨和燃料电池发电系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了应用于污水处理厂的回收氨与燃料电池发电系统和方法，属于环保节能设备领域，该系统由燃料电池系统和回收氨系统组成，包括沼气预热器，第一热交换器，汽提塔，吸收塔，第二热交换器，闪蒸塔，空气预热器，第三热交换器，高温燃料电池，燃烧炉，DC/AC转换单元，采用回收氨和燃料电池发电系统，回收氨系统总可以使氨气在高温下分解成氮气和氢气，为燃料电池提供燃料来源，可以实现污水处理厂的沼气和碳的低排放，减缓气候变化，为污水处理全流程设施提供充足的电力资源，实现了能源的综合利用，实现了环保和节能的双重效益。
Description
技术领域
本发明涉及熔融碳酸盐燃料电池的新能源应用领域，特别涉及应用于污水处理厂的回收氨和燃料电池发电系统和方法，属于环保节能设备领域。
背景技术
高温燃料电池(熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池)作为一种清洁高效的发电装置，具有燃料来源广，可与蒸汽轮机设备等组成循环发电系统，具有较好的应用前景。
另一方面，沼气发电技术是集环保和节能于一体的能源综合利用新技术，将污水处理厂污泥通过厌氧消化转化的沼气通过内燃机进行热电联产，但是产生的可再生电不能满足处理设施的全部需求，在污水处理站进行生化处理过程中，通常对NH4的处理方法是加碱性溶液(生石灰、氢氧化钠、氢氧化钾等)进行中和生成NH3，采用曝气等方式分离NH3，当NH4+含量过高时会引起水的富养化，不利于生化菌的处理，而且造成工业污水COD超标。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应用于污水处理厂的回收氨和燃料电池发电系统和方法，以解决沼气燃烧产生的可再生电不能满足处理设备的需求问题，进一步提高可再生电的资源和回收氨系统的整体性能。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
应用于污水处理厂的回收氨和燃料电池发电系统，包括：沼气预热器，第一热交换器，汽提塔，吸收塔，第二热交换器，闪蒸塔，空气预热器，第三热交换器，高温燃料电池和燃烧炉；
所述汽提塔的顶部气体出口与所述吸收塔相连接，所述吸收塔的底部出口与所述第二热交换器的第一换热通道入口相连接，所述第二热交换器第一换热通道出口与所述闪蒸塔相连接，所述闪蒸塔的出口与混合器的第一入口连接；
所述沼气预热器与混合器的第二入口连接；混合器的出口与所述第一热交换器的第一换热通道入口相连接，所述第一热交换器的第一换热通道出口与所述高温燃料电池阳极的气体入口连接，所述高温燃料电池阳极的气体出口与燃烧炉连接；
所述空气预热器与所述第三热交换器的第一换热通道入口连接，所述第三热交换器的第一换热通道出口与所述高温燃料电池阴极的气体入口连接，所述高温燃料电池阴极的气体出口与所述燃烧炉连接。
优选的，所述燃烧炉与所述第三热交换器的第二换热通道入口连接，所述第三热交换器的第二换热通道出口与所述第二热交换器的第二换热通道入口连接，所述第二热交换器的第二换热通道出口对空排出。
优选的，所述燃烧炉与所述第一热交换器的第二换热通道入口连接，所述第一热交换器的第二换热通道出口与所述汽提塔连接。
优选的，还包括DC/AC转换单元，所述高温燃料电池与所述DC/AC转换单元连接。
优选的，所述高温燃料电池采用固体氧化物燃料电池。
优选的，所述高温燃料电池采用熔融碳酸盐燃料电池。
应用于污水处理厂的回收氨和燃料电池发电方法，包括：
污水处理厂收集的沼气经过沼气预热器预热后进入混合器；沼液沼渣通过汽提塔的汽提、吸收塔的吸收和闪蒸塔的闪蒸工艺分离出回收氨也进入混合器与预热后的沼气混合；
沼气和回收氨混合后在第一换热器中加热到800-900℃进入燃料电池的阳极单元，阳极单元内先对沼气和氨进行重整；
反应后的气体进入燃料电池的阳极参与阳极反应；
空气进入空气预热器和第三换热器，加热到800-900℃，然后进入燃料电池的阴极单元，空气中的氧气在燃料电池的阴极参与燃料电池的阴极反应。
优选的，燃料电池阳极和阴极中未完全参与反应的残余气体经过燃烧炉燃烧，燃烧后的高温烟气一部分回到第一换热器加热沼气和氨混合的混合物，加热沼气和氨之后的低温烟气进入汽提塔底部作为沼液沼渣汽提的热源，在汽提塔底部与进入沼液沼渣进行热交换。
优选的，另一部分燃烧后的高温烟气回到第三换热器加热经空气预热器预热的空气，加热空气后的低温烟气进入第二换热器作为经过吸收塔吸收后的回收氨的热源，降温后直接排空。
优选的，重整反应方程式为：
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
采用应用于污水处理厂的回收氨和燃料电池发电系统，回收氨系统可以把污水处理厂的沼渣沼液通过汽提、吸收和闪蒸工艺分离出氨气，并把收集的沼气和沼渣沼液通过汽提、吸收和闪蒸工艺分离出的氨气在高温下分解成氮气和氢气，作为燃料电池的燃料来源，可以实现污水处理厂氨和碳的低排放，减缓气候变化，并能为污水处理全流程的处理设备提供充足的电力资源，具有降低环境污染和节省能源的双重效果。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书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。在附图中：
图1是本发明应用于污水处理厂的回收氨和燃料电池发电系统原理示意图；
图中，1是汽提塔，2是吸收塔，3是第二热交换器，4是闪蒸塔，5是第三热交换器，6是空气预热器，7是燃烧炉，8是DC/AC转换单元，9是高温燃料电池，10是第一热交换器，11是沼气预热器，12是混合器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如附图1所示，
本发明一种应用于污水处理厂的回收氨和燃料电池发电系统，包括汽提塔1，吸收塔2，第二热交换器3，闪蒸塔4，第三热交换器5，空气预热器6，燃烧炉7，DC/AC转换单元8，高温燃料电池9，第一热交换器10，沼气预热器11和混合器12；
汽提塔1的顶部气体出口与吸收塔2的入口连接，吸收塔2的底部出口与第二热交换器3的第一换热通道入口连接，第二热交换器3第一换热通道出口与闪蒸塔4入口连接，闪蒸塔4的出口与混合器12的第一入口连接；
沼气预热器11与混合器12的第二入口连接；混合器12的的出口连接第一热交换器10的第一换热通道入口连接，第一热交换器10的第一换热通道出口与高温燃料电池9阳极的气体入口连接，高温燃料电池9阳极气体出口与燃烧炉7连接；
空气预热器6与第三热交换器5的第一换热通道入口连接，第三热交换器5的第一换热通道出口与高温燃料电池9阴极的气体入口连接，高温燃料电池9阴极的气体出口与燃烧炉7连接；
燃烧炉7排烟分两路；
其中一路与第三热交换器5的第二换热通道入口连接，第三热交换器5的第二换热通道出口与第二热交换器3的第二换热通道入口连接，第二热交换器3的第二换热通道出口对空排出；
另一路与第一热交换器10的第二换热通道入口连接，第一热交换器10的第二换热通道出口与汽提塔1连接；
高温燃料电池9与DC/AC转换单元8连接。
本发明一种应用于污水处理厂的回收氨和燃料电池发电方法，包括：
污水处理厂收集的沼气(主要成分CH4)先后经过沼气预热器11和第一换热器10热交换后进入高温燃料电池9阳极，另一路沼液沼渣通过汽提塔1的汽提、吸收塔2的吸收和闪蒸塔4的闪蒸工艺分离出回收氨(成分NH3和H2O的混合物)进入第一换热器10，沼气和回收氨现在混合器12中混合后在第一换热器10中加热到800-900℃进入燃料电池的阳极单元，阳极单元内先对沼气和氨进行重整，反应方程式为：
反应后的气体进入燃料电池的阳极参与阳极反应。
空气中进入空气预热器和第三换热器，加热到800-900℃，然后进入燃料电池的阴极单元，空气中的氧气在燃料电池的阴极参与燃料电池的阴极反应。
燃料电池产生的电流通过直流转交流逆变器输送到污水处理设备中作为电源。
燃料电池阳极和阴极中未完全参与反应的残余气体经过燃烧炉7燃烧，燃烧后的高温烟气一部分回到第一换热器加热沼气和氨混合的混合物，加热沼气和氨之后的低温烟气进入汽提塔底部作为沼液沼渣汽提的热源，在汽提塔底部与进入沼液沼渣进行热交换；
另一部分燃烧后的高温烟气回到第三换热器加热经空气预热器预热的空气，加热空气后的低温烟气进入第二换热器作为经过吸收塔吸收后的回收氨的热源，降温后直接排空。
经汽提塔汽提后的气体产物进入吸收塔，在吸收塔底部冷却后，被逆流水吸收，形成含有水的氨的混合物，进入第二换热器加热后进入闪蒸塔，在闪蒸塔中按照设定的蒸发比例闪蒸，蒸发比例与沼气的比例相匹配，满足燃料电池阳极进气口的燃料比，使得气体在重整的过程中实现最佳的碳氢比。
高温燃料电池采用固体氧化物燃料电池或者熔融碳酸盐燃料电池均可。
本发明中，回收氨和燃料电池发电系统的结合，可以降低废水处理厂产生的沼气燃料中的碳排放，实现节能减排，燃料电池中的高温环境有助于氨的分解成氢气和氮气，可以实现燃料电池燃料来源为甲烷和氨气，为污水处理全流程提供充足的电力资源。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (10)
1.应用于污水处理厂的回收氨和燃料电池发电系统，其特征在于，包括：沼气预热器(11)，第一热交换器(10)，汽提塔(1)，吸收塔(2)，第二热交换器(3)，闪蒸塔(4)，空气预热器(6)，第三热交换器(5)，高温燃料电池(9)和燃烧炉(7)；
所述汽提塔(1)的顶部气体出口与所述吸收塔(2)相连接，所述吸收塔(2)的底部出口与所述第二热交换器(3)的第一换热通道入口相连接，所述第二热交换器第一换热通道出口与所述闪蒸塔相(4)连接，所述闪蒸塔(4)的出口与混合器的第一入口连接；
所述沼气预热器(11)与混合器的第二入口连接；混合器的出口与所述第一热交换器(10)的第一换热通道入口相连接，所述第一热交换器的第一换热通道出口与所述高温燃料电池(9)阳极的气体入口连接，所述高温燃料电池(9)阳极的气体出口与燃烧炉(7)连接；
所述空气预热器(6)与所述第三热交换器(5)的第一换热通道入口连接，所述第三热交换器(5)的第一换热通道出口与所述高温燃料电池(9)阴极的气体入口连接，所述高温燃料电池(9)阴极的气体出口与所述燃烧炉(7)连接。
2.根据权利要求1所述的应用于污水处理厂的回收氨和燃料电池发电系统，其特征在于，所述燃烧炉与所述第三热交换器(5)的第二换热通道入口连接，所述第三热交换器(5)的第二换热通道出口与所述第二热交换器(3)的第二换热通道入口连接，所述第二热交换器(3)的第二换热通道出口对空排出。
3.根据权利要求1所述的应用于污水处理厂的回收氨和燃料电池发电系统，其特征在于，所述燃烧炉与所述第一热交换器(10)的第二换热通道入口连接，所述第一热交换器(10)的第二换热通道出口与所述汽提塔(1)连接。
4.根据权利要求1所述的应用于污水处理厂的回收氨和燃料电池发电系统，其特征在于，还包括DC/AC转换单元，所述高温燃料电池与所述DC/AC转换单元连接。
5.根据权利要求1所述的应用于污水处理厂的回收氨和燃料电池发电系统，其特征在于，所述高温燃料电池采用固体氧化物燃料电池。
6.根据权利要求1所述的应用于污水处理厂的回收氨和燃料电池发电系统，其特征在于，所述高温燃料电池采用熔融碳酸盐燃料电池。
7.应用于污水处理厂的回收氨和燃料电池发电方法，其特征在于，基于权利要求1至6中任一项所述的应用于污水处理厂的回收氨和燃料电池发电系统，包括：
污水处理厂收集的沼气经过沼气预热器(11)预热后进入混合器(12)；沼液沼渣通过汽提塔(1)的汽提、吸收塔(2)的吸收和闪蒸塔(4)的闪蒸工艺分离出回收氨也进入混合器(12)与预热后的沼气混合；
沼气和回收氨混合后在第一换热器中加热到800-900℃进入燃料电池的阳极单元，阳极单元内先对沼气和氨进行重整；
反应后的气体进入燃料电池的阳极参与阳极反应；
空气进入空气预热器和第三换热器，加热到800-900℃，然后进入燃料电池的阴极单元，空气中的氧气在燃料电池的阴极参与燃料电池的阴极反应。
8.根据权利要求7所述的应用于污水处理厂的回收氨和燃料电池发电方法，其特征在于，燃料电池阳极和阴极中未完全参与反应的残余气体经过燃烧炉燃烧，燃烧后的高温烟气一部分回到第一换热器加热沼气和氨混合的混合物，加热沼气和氨之后的低温烟气进入汽提塔底部作为沼液沼渣汽提的热源，在汽提塔底部与进入沼液沼渣进行热交换。
9.根据权利要求8所述的应用于污水处理厂的回收氨和燃料电池发电方法，其特征在于，另一部分燃烧后的高温烟气回到第三换热器加热经空气预热器预热的空气，加热空气后的低温烟气进入第二换热器作为经过吸收塔吸收后的回收氨的热源，降温后直接排空。
10.根据权利要求7所述的应用于污水处理厂的回收氨和燃料电池发电方法，其特征在于，重整反应方程式为：
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