CN111029628B - 基于可逆燃料电池的沼气重整发电及净化提纯系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于可逆燃料电池的沼气重整发电及净化提纯系统，包括沼气源、与沼气源连接的沼气单元、与沼气单元连接的重整单元以及燃料电池单元；沼气单元至少包括沼气净化组件、用于将沼气加氢进行甲烷化的甲烷化组件和甲烷存储装置，沼气净化组件的进气端连接沼气源，甲烷化组件连接沼气净化组件，甲烷化组件连接甲烷存储装置；重整单元包括用于将甲烷和水蒸气重整制氢的重整反应器，该重整反应器的重整气入口端连接甲烷存储装置；燃料电池单元包括具有SOEC模式和SOFC模式的可逆燃料电池。将发电/电解储能集成于同一套硬件设备下，可以实现发电‑电解模式之间的相互转换。

Description

基于可逆燃料电池的沼气重整发电及净化提纯系统

技术领域

本发明属于化学发电领域，涉及沼气发电系统，尤其是涉及一种基于可逆燃料电池的沼气重整发电及净化提纯系统。

背景技术

近年来，一些地区水电装机容量快速增长，但社会电力需求增长减缓，电力供求季节性失衡的矛盾日益凸显，装机弃水电量占比高达25％，因此，大规模水电跨季存储与消纳成为清洁能源发展的面临的重大挑战。目前，以电制气(P2G)为代表的化学储能技术被认为最有潜力实现大规模季度性能量型储能技术。然而，传统的单一电制气或燃料电池技术由于“电-气”与“气-电”的总转换效率低，且过程不可逆，设备利用率低，难以在能源电力领域中产业化应用。

例如，中国实用新型专利[申请号201821771394.0]公开了一种基于沼气的固体氧化物燃料电池系统，包括燃料电池、沼气组件、烟气组件、水组件和空气组件，沼气组件包括依次连接的沼气源、沼气换热器和沼气重整器，沼气重整器的出料口连接燃料电池的阳极；空气组件包括依次连接的空气源和空气换热器；空气换热器的出料口连接燃料电池的阴极；水组件包括依次连接的烟气冷凝器和水换热器；水换热器的出料口连接沼气重整器的进料口；烟气组件包括燃烧器；燃料电池、沼气源和空气源均连接燃烧器的进料口，燃烧器的出料口分别连接沼气重整器、沼气换热器、空气换热器、水换热器和烟气冷凝器。

在上述技术方案中利用沼气进行固体氧化物燃料电池的燃料来源，随将烟气中的水以及燃料电池的排气收集利用以节约资源，但该燃料电池系统中只运用了固体氧化物燃料电池(SOFC)，不具有逆向性，使得总转换效率低，且过程不可逆，设备利用率低。

因此亟需一种利用可逆燃料电池的沼气净化系统。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提供基于可逆燃料电池的沼气重整发电及净化提纯系统；解决了现有技术中总转换效率低，且过程不可逆，设备利用率低的技术问题。

为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：

本发明创造性地提出了一种基于可逆燃料电池的沼气重整发电及净化提纯系统，包括沼气源、与沼气源连接的沼气单元、与沼气单元连接的重整单元以及燃料电池单元；

沼气单元至少包括沼气净化组件、用于将沼气加氢进行甲烷化的甲烷化组件和甲烷存储装置，沼气净化组件的进气端连接沼气源的出气端，甲烷化组件的沼气进口连接沼气净化组件的出气端，甲烷化组件的气体出口连接甲烷存储装置的进气端；

重整单元至少包括用于将甲烷和水蒸气重整制氢的重整反应器，该重整反应器的重整气入口端连接甲烷存储装置的出气端；

燃料电池单元包括具有SOEC模式和SOFC模式的可逆燃料电池，重整反应器的重整气出口端连接该可逆燃料电池用于提供燃料，且该可逆燃料电池的燃料存储装置连接甲烷化组件的氢气进口。

在上述的基于可逆燃料电池的沼气重整发电及净化提纯系统中，沼气净化组件包括依次连接的用于去除沼气中固体杂质和水分的沼气过滤器和用于去除沼气中硫化氢的脱硫反应器。

在上述的基于可逆燃料电池的沼气重整发电及净化提纯系统中，甲烷化组件包括沼气预热器、甲烷化反应器和第一气液分离器，沼气预热器的预热沼气入口连接脱硫反应器的出气端和可逆燃料电池的氢气出口，以预热通入的氢气和沼气，且沼气预热器的预热沼气出口连接甲烷化反应器的反应气入口，第一气液分离器的气液入口连接甲烷化反应器的反应气出口，且该第一气液分离器的气体出口连接甲烷存储装置的进气端。

在上述的基于可逆燃料电池的沼气重整发电及净化提纯系统中，沼气过滤器的出气端连接沼气预热器的热源入口，且该沼气预热器的热源出口连接脱硫反应器的进气端，沼气预热器的热源出口设有第一温度调节器。

在上述的基于可逆燃料电池的沼气重整发电及净化提纯系统中，甲烷化组件还包括甲烷冷却器，该甲烷冷却器的甲烷入口连接甲烷化反应器的反应气出口，甲烷冷却器的甲烷出口连接第一气液分离器的气液入口，该甲烷冷却器的冷却水出口连接甲烷化反应器的冷却水进口，该甲烷化反应器的蒸汽出口连接可逆燃料电池用于为SOEC模式提供制氢原料。

在上述的基于可逆燃料电池的沼气重整发电及净化提纯系统中，重整单元还包括甲烷升压机、甲烷预热器、中变反应器和第二气液分离器，甲烷升压机的进气端连接甲烷存储装置的出气端，甲烷预热器的预热甲烷入口连接甲烷升压机的出气端，且该甲烷预热器的预热甲烷出口连接重整反应器的重整气入口端，该重整反应器的重整气出口端连接中变反应器的合成气入口端，该中变反应器的合成气出口端连接第二气液分离器的气液入口，该第二气液分离器的气体出口连接至可逆燃料电池用于为SOFC模式提供燃料。

在上述的基于可逆燃料电池的沼气重整发电及净化提纯系统中，重整反应器的重整气出口端连接甲烷预热器的热源入口，且该甲烷预热器的热源出口连接中变反应器的合成气入口端。

在上述的基于可逆燃料电池的沼气重整发电及净化提纯系统中，重整单元还包括合成气冷却器，该合成气冷却器的合成气入口连接中变反应器的合成气出口，合成气冷却器的合成气出口连接第二气液分离器的气液入口，合成气冷却器的冷却水出口连接重整反应器的冷却水进口，该重整反应器的蒸汽出口通过流量调节器连接重整反应器的重整气入口端和甲烷混合进行重整。

在上述的基于可逆燃料电池的沼气重整发电及净化提纯系统中，甲烷升压机的出气端还连接重整反应器的燃料进口用于与外接的空气源进行燃烧。

在上述的基于可逆燃料电池的沼气重整发电及净化提纯系统中，可逆燃料电池的燃料存储装置还连接重整反应器的燃料进口用于与外接的空气源进行燃烧。

与现有的技术相比，本发明的优点在于：

1)利用可逆燃料电池一方面对沼气提供氢气进行甲烷化，以制备高纯度的甲烷，另一方面通过甲烷重整得到SOFC模式下的燃料用以发电，从而达到化学能和电能之间的相互循环转化，既能满足系统内的运作又能对外提供高纯甲烷和电能，将发电/电解储能集成于同一套硬件设备下，可以实现发电-电解模式之间的相互转换。“电-气-电”转换效率接近50％，接近常规抽水蓄能储能效率的2/3，“电-气-电/热”综合转换效率接近80％，超过常规抽水蓄能储能效率。

2)通过系统中的换热器设计以提高能量的利用率。

3)基于高温燃料电池的“电-气”可逆转换储能装置发电效率显著高于传统火电机组，且燃料更清洁、利用率更高，天然气消耗量为0.18立方米/kWh(对应CO2排放0.36kg/kWh)，而传统火电机组的标准煤消耗为0.4kg/kWh(对应CO2排放0.997kg/kWh)，因而“电-气”可逆转换储能装置发电可减少CO2排放0.64kg/kWh。

4)既可以规模化消纳富余可再生能源，降低弃电制气的边际成本，又可以实现分布式清洁能源(氢气、天然气等)的高效利用，提升发电效率和综合热效率。

附图说明

图1为本发明提供的基本结构流程图。

图2为本发明提供的工艺流程图。

图3为本发明中所述沼气过滤器的结构示意图。

图4为本发明中所述沼气过滤器另一角度的结构示意图。

图5为本发明中所述沼气预热器的结构示意图。

图6为本发明中所述沼气预热器的拆分结构示意图。

图7为本发明中所述沼气预热器的管板示意图。

图8为本发明中所述沼气预热器的折流板示意图。

图9为本发明中所述脱硫反应器的结构示意图。

图10为本发明中所述甲烷化反应器的结构示意图。

图11为本发明中所述甲烷化反应器另一角度的结构示意图。

图12为本发明中所述重整反应器的结构示意图。

图13为本发明中所述中变反应器的结构示意图。

图14为本发明中所述气液分离器的结构示意图。

图中，沼气源1、沼气单元2、沼气净化组件20、沼气过滤器200、脱硫反应器201、甲烷化组件21、甲烷化反应器210、沼气预热器211、甲烷冷却器212、第一气液分离器213、甲烷存储装置22、重整单元3、重整反应器300、甲烷升压机301、甲烷预热器302、中变反应器303、合成气冷却器304、第二气液分离器305、可逆燃料电池4、进水阀401、燃料进口阀402、第一燃料出口阀403、第二燃料出口阀404、第一温度调节器501、第二温度调节器502、第一压力调节器601、第二压力调节器602、流量调节器700、比例调节器701、第一纯水源80、第二纯水源81、空气源90。

具体实施方式

本发明通过以下实施例进一步阐述。

如图1所示，一种基于可逆燃料电池的沼气重整发电及净化提纯系统，包括沼气源1、与沼气源1连接的沼气单元2、与沼气单元2连接的重整单元3以及包括具有SOEC模式和SOFC模式的可逆燃料电池4。其中，沼气单元2包括依次连接的沼气净化组件20、甲烷化组件21和甲烷存储装置22，甲烷存储装置22连接重整单元3，重整单元3连接可逆燃料电池4用于提供燃料，且可逆燃料电池4的燃料存储装置连接甲烷化组件21的氢气进口用于提供氢气。

具体而言，如图2所示，沼气净化组件20用于将沼气进行净化，包括依次连接的用于去除沼气中固体杂质和水分的沼气过滤器200和用于去除沼气中硫化氢的脱硫反应器201。其中，沼气过滤器200的结构如图3和图4所示，本实施例中沼气过滤器200的滤芯2000选用购自河北省千诺亿方过滤器材厂的沼气过滤器滤芯，以达到除尘除水的目的。脱硫反应器201的结构如图9所示，本实施例中脱硫反应器201购自济宁力扬环保设备制造有限公司，用于脱出沼气中的硫化氢气体。

如图2所示，甲烷化组件21包括依次连接沼气预热器211、甲烷化反应器210、甲烷冷却器212和第一气液分离器213。沼气预热器211的预热沼气入口连接脱硫反应器201的出气端，并且可逆燃料电池4的燃料存储装置通过第一燃料出口402连接该沼气预热器211的预热沼器入口，通入的氢气和沼气并对其进行预热，可逆燃料电池4的燃料存储装置与脱硫反应器201的出气端之间还设有比例调节器701，用于根据沼气过滤器200出口端流量调解氢气出口流量。沼气预热器211的预热沼气出口连接甲烷化反应器210的反应气入口，将反应器通入进行甲烷化反应。沼气过滤器200的出气端连接沼气预热器211的热源入口，该沼气预热器211的热源出口连接脱硫反应器201的进气端，且沼气预热器211的热源出口设有第一温度调节器501，该第一温度调节器501通过监测沼气预热器211的预热沼气出口端温度进行调节。

甲烷冷却器212的甲烷入口连接甲烷化反应器210的反应气出口，甲烷冷却器212的甲烷出口连接第一气液分离器213的气液入口，且该第一气液分离器213的气体出口连接甲烷存储装置22的进气端，对甲烷除水分离并储存。甲烷存储装置22具体为一个甲烷气柜，可用于对外提供甲烷气体。甲烷冷却器212的冷却水入口连接第一纯水源80，该甲烷冷却器212的冷却水出口连接甲烷化反应器210的冷却水进口，第一纯水源与甲烷冷却器212的冷却水入口之间设有第二温度调节器502，该第二温度调节器502通过监甲烷化反应器210中的温度进行调节，从而保证甲烷化反应的进水温度。甲烷化反应器210的蒸汽出口通过进水阀400连接可逆燃料电池4的固体氧化物电解池用于为SOEC模式提供电解制氢的原料，同时，甲烷化反应器210的蒸汽出口还通过第一外接管连接外部管路进行供热，该第一外接管上设有第一压力调节器601。

如图5、图6、图7和图8所示为沼气预热器211的结构，沼气预热器211包括壳体2110，与壳体2110通过螺纹连接的端盖2111，壳体2110的两端分别通过一管板2112将换热管2114固定，且两个管板2112之间上下交替设有若干折流板2113，以在换热管2114外侧形成折返的壳程流道。沼气预热器211的预热甲烷沿管程流动，冷却水沿壳程流动，达到换热目的。

如图10和图11所示为甲烷化反应器210,甲烷化反应器210选用杭州林达化工技术工程有限公司提供的甲烷化反应器，将沼气中一氧化碳、二氧化碳和氢气反应合成甲烷，反应温度250～300℃，压力3.1MPa，催化剂为镍催化剂，出口一氧化碳和二氧化碳的含量可低至ppm级。

可逆燃料电池4具体为一种可逆固体氧化物燃料电池(简称：RSOFC)。本领域技术人员应当了解，可逆固体氧化物燃料电池包括固体氧化物燃料电池(简称：SOFC)和固体氧化物电解池(简称：SOEC)，既可以在SOFC模式下工作，将储存在燃料中的化学能直接转化为电能，也可以在SOEC模式下工作，将电能转化为化学能进行存储在存储装置中，本实施例中的化学能为氢气，存储在燃料存储装置(图中未示出)中。

重整单元3包括甲烷升压机301、甲烷预热器302、重整反应器300、中变反应器303、合成气冷却器304和第二气液分离器305。甲烷升压机301的进气端连接甲烷存储装置22的出气端，甲烷预热器302的预热甲烷入口连接甲烷升压机301的出气端，且该甲烷预热器302的预热甲烷出口连接重整反应器300的重整气入口端，该重整反应器300的重整气出口端连接中变反应器303的合成气入口端，合成气冷却器304的合成气入口连接中变反应器303的合成气出口，合成气冷却器304的合成气出口连接第二气液分离器305的气液入口，合成气冷却器304的冷却水入口连接第二纯水源81，合成气冷却器304的冷却水出口连接重整反应器300的冷却水进口，该重整反应器300的蒸汽出口连接重整反应器300的重整气入口端和甲烷混合进行重整，该重整反应器300的蒸汽出口与重整气入口端之间具有流量调节器700，用以控制蒸汽进入量从而可控制重整反应的水碳比，促进甲烷蒸汽重整反应正向移动，同时重整反应器300的蒸汽出口还通过第二外接管连接外部管路供热，该第二外接管上设有第二压力调节器602。重整反应器300的重整气出口端连接甲烷预热器302的热源入口，且该甲烷预热器302的热源出口连接中变反应的合成气入口端，用于为预热甲烷提供热量。第二气液分离器305的气体出口通过燃料进口阀401连接至可逆燃料电池4的固体氧化物燃料电池，用于为SOFC模式提供燃料。

甲烷升压机301的出气端还连接重整反应器300的燃料进口用于与外接的空气源进行燃烧。可逆燃料电池4的燃料存储装置通过第二燃料出口阀403连接重整反应器300的燃料进口，用于与外接的空气源进行燃烧。

外部空气源90分别连接可逆燃料电池4的固体氧化物燃料电池和重整反应器300的空气进口，用于提供助燃。

如图12所示，本实施例中重整反应器300采用的甲烷水蒸气重整反应器，本领域技术人员应当了解，通过重整反应器300可将甲烷和水蒸气重整反应产生由氢气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷和水蒸气构成的重整气。例如，中国实用新型专利[申请号：201420422313.1]公开的一种甲烷水蒸气重整制合成气反应装置，当然也可选用其他市售甲烷重整设备。

如图13所示为中变反应器303的结构示意图，利用中变反应器303对合成气进行中温变换来降低一氧化碳含量为本领域技术人员应当了解的现有技术，本实施例中，中变床层温度300～390℃，出口一氧化碳浓度低于3％。

第一气液分离器213和第二气液分离器305的结构均如图14所示。

本发明的工作原理如下：

如图2所示，SOEC模式下，利用夜电、弃水电等电解水制得氢气，氢气储存在可逆燃料电池4的燃料存储装置中，沼气经过沼气净化组件20除尘除水并进行脱硫，净化后的沼气含有二氧化碳和甲烷的组合气进入甲烷化组件21和可逆燃料电池4中的氢气反应进行甲烷化，存储至甲烷存储装置22中，可用于外供或用于SOFC模式。

SOFE模式下，甲烷存储装置22中的甲烷通过重整单元制得包含氢气的重整气，并进行中变纯化输送至可逆燃料电池4作为燃料进行发电使用，同时可逆燃料电池4中的燃料存储装置还接重整反应器300的燃料进口用作重整反应的燃料。

在丰水期，将富余的水电高效率地转化为易于大规模存储的气态能源，即氢气或天然气，电解储能效率>90％，实现长周期大规模的能量存储；在枯水期，同样装置可以可逆运行，将存储的气态能源，即氢气或天然气，转换为电能，发电效率>50％，“电-气-电”转换效率接近50％，接近常规抽水蓄能储能效率的2/3，“电-气-电/热”综合转换效率接近80％，超过常规抽水蓄能储能效率，以实现富余水电的高效跨季储能。

作为调峰调频的应用，“电-气”可逆转换储能系统参与电力调峰调频服务，可以增强电网的调节能力，促进可再生能源的消纳。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了沼气源1、沼气单元2、沼气净化组件20、沼气过滤器200、脱硫反应器201、甲烷化组件21、甲烷化反应器210、沼气预热器211、甲烷冷却器212、第一气液分离器213、甲烷存储装置22、重整单元3、重整反应器300、甲烷升压机301、甲烷预热器302、中变反应器303、合成气冷却器304、第二气液分离器305、可逆燃料电池4、进水阀401、燃料进口阀402、第一燃料出口阀403、第二燃料出口阀404、第一温度调节器501、第二温度调节器502、第一压力调节器601、第二压力调节器602、流量调节器700、比例调节器701、第一纯水源80、第二纯水源81、空气源90等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (8)

1.一种基于可逆燃料电池的沼气重整发电及净化提纯系统，包括沼气源(1)、与沼气源(1)连接的沼气单元(2)、与沼气单元(2)连接的重整单元(3)以及燃料电池单元，其特征在于：

所述沼气单元(2)至少包括沼气净化组件(20)、用于将沼气加氢进行甲烷化的甲烷化组件(21)和甲烷存储装置(22)，所述沼气净化组件(20)的进气端连接所述沼气源(1)的出气端，所述甲烷化组件(21)的沼气进口连接所述沼气净化组件(20)的出气端，所述甲烷化组件(21)的气体出口连接所述甲烷存储装置(22)的进气端；

所述重整单元(3)至少包括用于将甲烷和水蒸气重整制氢的重整反应器(300)，该重整反应器(300)的重整气入口端连接所述甲烷存储装置(22)的出气端；

所述燃料电池单元包括具有SOEC模式和SOFC模式的可逆燃料电池(4)，所述重整反应器(300)的重整气出口端连接该可逆燃料电池(4)用于提供燃料，且该可逆燃料电池(4)的燃料存储装置连接所述甲烷化组件(21)的氢气进口；

所述沼气净化组件(20)包括依次连接的用于去除沼气中固体杂质和水分的沼气过滤器(200)和用于去除沼气中硫化氢的脱硫反应器(201)；

所述甲烷化组件(21)包括沼气预热器(211)、甲烷化反应器(210)和第一气液分离器(213)，所述沼气预热器(211)的预热沼气入口连接所述脱硫反应器(201)的出气端和所述可逆燃料电池(4)的氢气出口，以预热通入的氢气和沼气，且所述沼气预热器(211)的预热沼气出口连接所述甲烷化反应器(210)的反应气入口，所述第一气液分离器(213)的气液入口连接所述甲烷化反应器(210)的反应气出口，且该第一气液分离器(213)的气体出口连接所述甲烷存储装置(22)的进气端。

2.根据权利要求1所述的基于可逆燃料电池的沼气重整发电及净化提纯系统，其特征在于：所述沼气过滤器(200)的出气端连接所述沼气预热器(211)的热源入口，且该沼气预热器(211)的热源出口连接所述脱硫反应器(201)的进气端，所述沼气预热器(211)的热源出口设有第一温度调节器。

3.根据权利要求1所述的基于可逆燃料电池的沼气重整发电及净化提纯系统，其特征在于：所述甲烷化组件(21)还包括甲烷冷却器(212)，该甲烷冷却器(212)的甲烷入口连接所述甲烷化反应器(210)的反应气出口，所述甲烷冷却器(212)的甲烷出口连接所述第一气液分离器(213)的气液入口，该甲烷冷却器(212)的冷却水出口连接所述甲烷化反应器(210)的冷却水进口，该甲烷化反应器(210)的蒸汽出口连接所述可逆燃料电池(4)以为SOEC模式提供制氢原料。

4.根据权利要求1所述的基于可逆燃料电池的沼气重整发电及净化提纯系统，其特征在于：所述重整单元(3)还包括甲烷升压机(301)、甲烷预热器(302)、中变反应器(303)和第二气液分离器(305)，所述甲烷升压机(301)的进气端连接所述甲烷存储装置(22)的出气端，所述甲烷预热器(302)的预热甲烷入口连接所述甲烷升压机(301)的出气端，且该甲烷预热器(302)的预热甲烷出口连接所述重整反应器(300)的重整气入口端，该重整反应器(300)的重整气出口端连接所述中变反应器(303)的合成气入口端，该中变反应器(303)的合成气出口端连接所述第二气液分离器(305)的气液入口，该第二气液分离器(305)的气体出口连接至所述可逆燃料电池(4)用于为SOFC模式提供燃料。

5.根据权利要求4所述的基于可逆燃料电池的沼气重整发电及净化提纯系统，其特征在于：所述重整反应器(300)的重整气出口端连接所述甲烷预热器(302)的热源入口，且该甲烷预热器(302)的热源出口连接所述中变反应器(303)的合成气入口端。

6.根据权利要求4所述的基于可逆燃料电池的沼气重整发电及净化提纯系统，其特征在于：所述重整单元(3)还包括合成气冷却器(304)，该合成气冷却器(304)的合成气入口连接所述中变反应器(303)的合成气出口，所述合成气冷却器(304)的合成气出口连接所述第二气液分离器(305)的气液入口，所述合成气冷却器(304)的冷却水出口连接所述重整反应器(300)的冷却水进口，该重整反应器(300)的蒸汽出口通过流量调节器(700)连接重整反应器(300)的重整气入口端和甲烷混合进行重整。

7.根据权利要求4所述的基于可逆燃料电池的沼气重整发电及净化提纯系统，其特征在于：所述甲烷升压机(301)的出气端还连接所述重整反应器(300)的燃料进口用于与外接的空气源进行燃烧。

8.根据权利要求7所述的基于可逆燃料电池的沼气重整发电及净化提纯系统，其特征在于：所述可逆燃料电池(4)的燃料存储装置还连接所述重整反应器(300)的燃料进口，用于与外接的空气源进行燃烧。

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