CN110846058B - 基于燃料电池余热的生物质炭化装置及工作方法 - Google Patents

基于燃料电池余热的生物质炭化装置及工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于燃料电池余热的生物质炭化装置及工作方法。所述生物质炭化装置包括以下结构：炭化炉、与炭化炉连接的蒸发器、与所述蒸发器连接的换热器以及与所述换热器连接的水箱；所述炭化炉内部设置有用于生物质碳化的螺旋炭化室；所述螺旋炭化室中间设置有中空的中心轴，所述中心轴的外壁之间设置有水蒸气通气孔；所述炭化炉四周分别布置若干燃料电池组，所述燃料电池组由若干层单电池组成，每层单电池之前设置有连接体，所述连接体内设置有水蒸气通道，所述水蒸汽通道与所述中心轴下方连通。本发明对SOFC的余热进行多级利用，通过SOFC与生物质炭化设备的巧妙设计，从而提高了整个系统的能量利用率。

Description

基于燃料电池余热的生物质炭化装置及工作方法
技术领域
本发明涉及燃料电池余热利用领域，具体涉及一种基于燃料电池余热的生物质炭化装置及工作方法。
背景技术
燃料电池是一种能直接将燃料的化学能转化为电能的能量转化装置，具有效率高、污染小、无噪音、安全可靠等优点，被广泛认可为最具前景的下一代能源技术之一。其中，固体氧化物燃料电池(SOFC)因其能量转化效率高、燃料选择灵活、固态电解质稳定和功率密度相对较高等优点而备受青睐。
SOFC的发电效率一般在43％-55％之间，其余能量均以热量的形式散发。且SOFC由于工作温度高(600℃-1000℃)，所以其产生的废热具有很高的利用价值，可以将其充分利用起来，从而进一步提高能源的利用率，减少排放。
生物质能是世界第四大能源，仅次于煤炭、石油和天然气。且是可再生资源，随着化石燃料的逐渐枯竭和日益严峻的环境问题，开发利用可再生的生物质资源是解决环境问题和实现可持续发展的重要途经之一。其中利用生物质能的最重要的方式之一就是生物质炭化，即在无氧或者缺氧条件下，温度低于700℃时，热解得到炭质材料和少量的生物油以及不可冷凝的燃气。
生物质炭化所需温度与SOFC的工作温度比较符合，因此，可以利用SOFC产生的废热为生物质炭化提供热量。以最大程度的提高能量利用率。现在也有很多对SOFC余热进行利用的方法，如公开号为CN102324538A的中国专利中，公开的一种基于固体氧化物燃料电池余热回收利用的有机朗肯循环发电系统。先将SOFC的高温废气，预热燃料电池的燃料气体、空气和供水；之后的中温废气进入有机朗肯循环系统，由有机制冷剂吸收沸腾，进入膨胀剂做功从而驱动发动机产生电能。公开号为CN108005742A的中国专利中，公开的可部分回收利用的固体氧化物燃料电池驱动冷热电联供系统。将SOFC发电后排烟先经余热锅炉释放热量驱动有机朗肯动力循环发电和供热，再驱动氨吸收式制冷子循环系统及逆行制冷，以实现对燃料的充分高效利用。公开号为CN108599350A的中国专利中，公开的一种固体氧化物燃料电池汽车能量回收系统。运用半导体温差发电原理，将原本SOFC产生的废气经过燃烧室充分燃烧后为温差发电模块提供热源，冷却装置为温差发电模块提供冷源。产生的电能用来为蓄电池充电，提高燃料电池汽车的续航里程。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种SOFC的余热进行生物质炭化的装置，使SOFC产生的高品质热能得以利用，从而提高系统的能源利用率。
技术方案：本发明所述的一种基于燃料电池余热的生物质炭化装置，包括以下结构：炭化炉、与炭化炉连接的蒸发器、与所述蒸发器连接的换热器以及与所述换热器连接的水箱；
所述炭化炉内部设置有用于生物质碳化的螺旋炭化室；所述螺旋炭化室中间设置有中空的中心轴，所述中心轴的外壁设置有水蒸气通气孔；
所述炭化炉四周分别布置若干燃料电池组，所述燃料电池组由若干层单电池组成，每层单电池之间设置有连接体，所述连接体内设置有水蒸气通道，所述水蒸汽通道与所述中心轴下方连通。
所述水箱通过水泵将冷却水压入换热器内，再进入蒸发器蒸发成低温水蒸气，然后通入燃料电池组连接体中设置的水蒸气通道，生成高温水蒸气后从下方通入炭化炉的中心轴中。
所述水箱分别连接有用于向燃料电池组送入氢气的第一送气系统以及向燃料电池组送入空气的第二送气系统。
所述第一送气系统包含有第一储存罐、第二储存罐、氢气进气管路以及氢气排气管路；所述氢气从第一储存罐送出进入氢气进气管路，在氢气进气管路中的氢气分别经过换热器以及蒸发器换热后，将氢气送入燃料电池组，反应后的氢气通过氢气排气管路依次送入蒸发器、换热器以及水箱后，进入第二储存罐。
所述第二送气系统包括：鼓风机、空气进气管路以及空气排气管路；所述鼓风机将空气送入空气进气管路，在空气进气管路中的空气分别经过换热器以及蒸发器换热后，将空气送入燃料电池组，反应后的空气通过空气排气管路依次送入蒸发器以及换热器和水箱中换热后排出。
所述燃料电池组的外侧与炭化炉的外炉壁之间设有保温层。
所述炭化炉设置有用于产品气排出的第一排气管路，所述第一排气管路将产品气送入除尘净化器，从除尘净化器送出的产品气依次进入蒸发器以及换热器。
所述换热器下方设置有油水分离器。
所述油水分离器分别与焦油罐以及水箱连接。
本发明所述的一种基于燃料电池余热利用的生物质炭化装置的工作方法，包括以下步骤：
(a)第一回路：水箱里的冷却水送入换热器，再进入蒸发器蒸发成高温水蒸气，然后通入燃料电池组连接体中的水蒸气通道，进一步生成高温水蒸气后通入炭化炉1的中心轴中，随后排出进入螺旋炭化室，再从螺旋炭化室上方的进料口排出，进入除尘净化器除去其中的灰分，随后依次通过蒸发器以及换热器，冷凝水和焦油向下流入油水分离器，通过油水分离器将焦油储存在焦油罐内，分离的水回流至水箱；
(b)第二回路：氢气经过换热器预热，然后再进入燃料电池组参加反应产生电能，然后残余的氢气依次通过蒸发器、换热器、水箱，残余氢气通入第二储存罐进行回收；
(c)第三回路：氧气先通过换热器预热，然后进入燃料电池组参加反应产生电能，残余空气依次进入蒸发器、换热器以及水箱，随后通过设置于水箱的第二排气管路排出。
有益效果：(1)本发明对SOFC的余热进行多级利用，将SOFC和生物质炭化相结合，有效地利用了SOFC排气的废热，从而提高了整个系统的能量利用率；(2)本发明利用SOFC自身的温度为炭化炉起到保温和加热的作用，再利用换热器和蒸发器多级利用燃料电池和炭化炉排气的废热制取蒸汽，并利用燃料电池连接体中的水蒸气通道进一步加热水蒸气得到高温水蒸气送入炭化炉中，充分将SOFC的废热利用到生物质炭化中去，从而提高整个系统的能量利用率。
附图说明
图1为本发明的装置整体结构示意图；
图2为本发明的炭化炉结构示意图；
图3为本发明的螺旋炭化室结构示意图；
图4为本发明的固体氧化物燃料电池单元结构示意图；
图5为本发明的蒸发器结构示意图；
图6为本发明的换热器结构示意图。
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，下面结合附图对本发明的一种基于燃料电池余热的生物质炭化装置进行进一步的详细说明。
如图1所示，本发明提供了基于燃料电池余热的生物质炭化装置，包括以下结构：炭化炉1，与炭化炉1连接的蒸发器2、与蒸发器2连接的换热器3。
如图2所示，炭化炉1设置有生物质进料口101、与生物质进料口101连通的螺旋炭化室102、生物质出料口103，设置于生物质进料口101的第一阀门104，设置于生物质出料口103的第二阀门105。
如图3所示，螺旋炭化室102内部设置的用于通入高温蒸汽的中心轴106，设置于中心轴106外壁的水蒸气通气孔107，中心轴106为中空设计，并且在与螺旋炭化室102接触处设有水蒸气通气孔107。高温蒸汽从中心轴进气口108进入中心轴106内部通道，再从中心轴106的水蒸气通气孔107通入螺旋炭化室102内为生物质炭化提供热量，本发明中的高温蒸汽运动方向由下而上，与生物质原料运动方向相反，提高炭化速率，随后水蒸汽从水蒸汽环路112中进入第一排气管路109中排入除尘净化器110。
螺旋炭化室102与电机111相连，电机109可带动螺旋炭化室102转动来搅拌原料和清理内部残余原料，加快生物质下料的速度。生物质原料从生物质进料口101加入到螺旋炭化室102中，在炭化室完成炭化后从下方生物质出料口103收集炭化产物。
如图4所示，在炭化炉1的四周分别布置四组燃料电池组4(SOFC)，燃料电池组4内侧紧贴炭化炉1的内炉壁，燃料电池组4的外侧与炭化炉1外炉壁之间设有保温层401，可同时起到为炭化炉1加热和保温的作用。高温蒸汽通过水蒸气通气孔107进入炭化炉1为生物质炭化提供热量，再从螺旋炭化室102上方的进料处排出，进入炭化炉内和炭化炉1外的保温层401，再由第一排气管路109排出。产品气先进入除尘净化器110除去其中的灰分，然后通过第一排气管路109进入蒸发器2，再通入换热器3冷却，其中冷凝出的水和焦油向下流入设置于换热器下方的油水分离器5，通过油水分离器5将焦油储存在焦油罐内501，将水通过水泵601回流至水箱6，其中不可冷凝气体通过水箱进一步冷却后收集到产品气收集罐9中。
燃料电池组4的每层单电池之间的设置有连接体402，连接体402中间设有水蒸气通道403，通过水蒸气通道403的水蒸气进一步被加热后，送入中心轴进气口108。
燃料电池组4具体结构为：燃料电池组4包括若干层SOFC单电池，其中每两层SOFC单电池之间的连接体中设有一层水蒸气通道403，且水蒸气通道403与空气通道407呈90°布置。具体结构包括连接体402，阳极404、阴极405、设置于阳极404以及阴极405之间的电解质层406、阳极404设置有用于空气通入的空气通道407、阴极405设置有用于氢气通入的氢气通道408。
如图5所示，蒸发器2内由第一隔板201分为三层，依次为残余空气层202(在燃料电池组中参与反应的残余空气)、生物质炭化产品气层203(从炭化炉中排出的产品气)和残余氢气层204(在燃料电池组中参与反应的残余氢气)，每层通入相应的高温废气。蒸发器2内分布的蒸发管205在蒸发器内以多层连续的几字形方式排列，增加了蒸发器的有效换热面积。
如图6所示，在换热器3内交错设置进气管与排气管，其中进气管包括：空气进气管路301、氢气进气管路302，其中排气管包括：空气排气管路303、氢气排气管路304和产品气排气管路305，换热器3设置有与气体换热的冷却水管306，通过吸收排气管中的高温气体废热，对进气管中的冷流体进行预热，并实现排气管中残余氢气中的水和氢气，生物质炭化产品气中的不可凝气体和焦油分离回收；同时，换热器3中设置有若干块第二隔板307将换热器的空间分成若干层。冷却水管306与冷却水收集管路308连通，产品气排气管路305的进气口与第一排气管路109的出气口连通，产品气排气管路305的出气口与产品气可凝物冷却管路309连通，产品气可凝物冷却管路309冷凝出的水和焦油进入油水分离器5分离。
换热器3连接有水箱6，水箱6的水通过水泵601压入换热器3内起冷却作用的同时进行预热，再进入蒸发器2蒸发成低温水蒸气，然后通入SOFC中单层燃料电池之间连接体中的水蒸气通道403，进一步生成高温蒸汽后从下放通入炭化炉1的中心轴106中。同时水箱6上还设置有第二排气管路602用于气体排出。
本发明设置有用于向燃料电池组4送入氢气的第一送气系统7，包括第一储存罐701，氢气从第一储存罐701出来，氢气从第一储存罐701中出来，通过氢气进气管路302先进入换热器3预热，然后再进入SOFC参加反应产生电能，然后残余的氢气通过氢气排气管路304先通过蒸发器2加热水蒸气，再通入换热器3进行冷却，其中的冷凝水冷凝进入下方的油水分离器5，氢气继续由氢气排气管路304通过水箱进一步冷凝，最后通入残余氢气第二储存罐702进行回收。
本发明设置有用于向燃料电池组4送入空气的第二送气系统8，通过鼓风机801将空气鼓入空气进气管路301，先通过换热器3进行预热，然后进入SOFC参加反应产生电能，残余空气通过空气排气管路303先进入蒸发器2蒸发水，然后进入换热器3进行冷却，最后通入水箱进一步冷却后排出。
本发明的工作方法为：
第一回路：水箱6里的水通过水泵601压入换热器3内起冷却作用的同时进行预热，再进入蒸发器2蒸发成高温水蒸气，然后通入各组SOFC中单元燃料电池连接体中的水蒸气通道403，进一步生成高温水蒸气后从下方通入炭化炉1的中心轴106中，高温水蒸气通过中心轴106外壁设置的水蒸气通气孔107排出进入炭化室33为生物质炭化提供热量，再从螺旋炭化室102上方的进料口排出，产品气先进入除尘净化器110除去其中的灰分，然后通过第一排气管路109，随后进入蒸发器2，再通入换热器3冷却，其中冷凝出的冷凝水和焦油向下流入油水分离器5，通过油水分离器5将焦油储存在焦油罐501内，将水通过水泵回流至水箱6，其中不可冷凝气体通过水箱6进一步冷却后收集到产品气收集罐9中。
第二回路：氢气从第一储存罐701出来，氢气从第一储存罐701中出来，通过氢气进气管路302先进入换热器3预热，然后再进入SOFC参加反应产生电能，然后残余的氢气先通过蒸发器2加热水蒸气，再通入换热器3进行冷却，冷凝水进入下方的油水分离器5，氢气继续由氢气排气管路304通过水箱进一步冷凝，最后通入残余氢气第二储存罐702进行回收。
第三回路：通过鼓风机801将空气鼓入空气进气管路301，先通过换热器3进行预热，然后进入SOFC参加反应产生电能，残余空气通过空气排气管路303先进入蒸发器2蒸发水，然后进入换热器3进行冷却，最后通入水箱进一步冷却后排出。
本发明利用SOFC高温的特点，将SOFC布置在炭化炉1的周围，起到加热和保温的作用。同时利用蒸发器吸收SOFC和炭化炉1中的高温废气余热产生低温水蒸气，并预热SOFC进气，低温水蒸气再通过SOFC内部进行加热，从而产生高温水蒸气并通入炭化炉1内，为生物质炭化提供所需热量。装置还设计了燃料回收设备对残余氢气和生物质炭化产品气进行回收。本发明对SOFC的余热进行多级利用，通过SOFC与生物质炭化设备的巧妙设计，从而提高了整个系统的能量利用率。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求范围内。

Claims (8)

1.一种基于燃料电池余热的生物质炭化装置， 其特征在于，包括以下结构：炭化炉（1）、与所述炭化炉（1）连接的蒸发器（2）、与所述蒸发器（2）连接的换热器（3）以及与所述换热器（3）连接的水箱（6）；
所述炭化炉（1）内部设置有用于生物质碳化的螺旋炭化室（102）；所述螺旋炭化室（102）中间设置有中空的中心轴（106），所述中心轴（106）的外壁设置有水蒸气通气孔（107）；
所述炭化炉（1）四周分别布置若干燃料电池组（4），所述燃料电池组（4）内侧紧贴炭化炉（1）的内炉壁，所述燃料电池组（4）由若干层单电池组成，每层单电池之间设置有连接体（402），所述连接体（402）内设置有水蒸气通道（403），所述水蒸汽通道（403）与所述中心轴（106）下方连通；
所述水箱（6）通过水泵（601）将冷却水压入换热器（3）内，再进入蒸发器（2）蒸发成低温水蒸气，然后通入燃料电池组（4）连接体（402）中设置的水蒸气通道（403），生成高温水蒸气后从下方通入炭化炉（1）的中心轴（106）中，高温蒸汽从中心轴进气口（108）进入中心轴（106）内部通道，再从中心轴（106）的水蒸气通气孔（107）通入螺旋炭化室（102）内，水蒸汽从水蒸汽环路（112）中进入第一排气管路（109）中排入除尘净化器（110）；
所述炭化炉（1）设置有用于产品气排出的第一排气管路（109），所述第一排气管路（109）将产品气送入除尘净化器（110），从除尘净化器（110）送出的产品气依次进入蒸发器（2）以及换热器（3）。
2.根据权利要求1所述的基于燃料电池余热的生物质炭化装置，其特征在于，所述水箱（6）分别连接有用于向燃料电池组（4）送入氢气的第一送气系统（7）以及向燃料电池组送入空气的第二送气系统（8）。
3.根据权利要求2所述的基于燃料电池余热的生物质炭化装置，其特征在于，所述第一送气系统（7）包含有第一储存罐（701）、第二储存罐（702）、氢气进气管路（302）以及氢气排气管路（304）；氢气从第一储存罐（701）送出进入氢气进气管路（302），在氢气进气管路（302）中的氢气分别经过换热器（3）以及蒸发器（2）换热后，将氢气送入燃料电池组（4），反应后的氢气通过氢气排气管（304）路依次送入蒸发器（2）、换热器（3）以及水箱（6）后，进入第二储存罐（702）。
4.根据权利要求3所述的基于燃料电池余热的生物质炭化装置，其特征在于，所述第二送气系统（8）包括鼓风机（801）、空气进气管路（301）以及空气排气管路（303）；所述鼓风机（801）将空气送入空气进气管路（301），在空气进气管路（301）中的空气分别经过换热器（3）以及蒸发器（2）换热后，将空气送入燃料电池组（4），反应后的空气通过空气排气管路（303）依次送入蒸发器（2）以及换热器（3）和水箱（6）中换热后排出。
5.根据权利要求1所述的基于燃料电池余热的生物质炭化装置，其特征在于，所述燃料电池组（4）的外侧与炭化炉（1）的外炉壁之间设有保温层。
6.根据权利要求1所述的基于燃料电池余热的生物质炭化装置，其特征在于，所述换热器（3）下方设置有油水分离器（5）。
7.根据权利要求6所述的基于燃料电池余热的生物质炭化装置，其特征在于，所述油水分离器（5）分别与焦油罐（501）以及水箱（6）连接。
8.一种如权利要求1所述的基于燃料电池余热的生物质炭化装置的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
（a）第一回路：水箱里的冷却水送入换热器，再进入蒸发器蒸发成高温水蒸气，然后通入燃料电池组连接体中的水蒸气通道，进一步生成高温水蒸气后通入炭化炉的中心轴中，随后排出进入螺旋炭化室，再从螺旋炭化室上方的进料口排出，进入除尘净化器，随后依次通过蒸发器以及换热器，冷凝水和焦油向下流入油水分离器，通过油水分离器将焦油储存在焦油罐内，分离的水回流至水箱；
（b）第二回路：氢气经过换热器预热，然后再进入燃料电池组参加反应产生电能，然后残余的氢气依次通过蒸发器、换热器、水箱，残余氢气通入第二储存罐进行回收；
（c）第三回路：氧气先通过换热器预热，然后进入燃料电池组参加反应产生电能，残余空气依次进入蒸发器、换热器以及水箱，随后通过设置于水箱的第二排气管路排出。
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