CN112922740A - 一种发动机余热驱动冷热电氢联供系统及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发动机余热驱动冷热电氢联供系统及工作方法，解决了现有技术中充分利用发动机排气余热的问题，具有实现梯级高效利用发动机烟气余热和缸套水余热的有益效果，具体方案如下：一种发动机余热驱动冷热电氢联供系统，包括甲醇水蒸气重整单元，包括缸套水余热换热器、甲醇重整反应器，缸套水余热换热器用于预热甲醇溶液，预热后在甲醇重整反应器通过发动机烟气余热提供的热量发生甲醇水蒸气催化重整反应，生成重整气，通过重整气分离出氢气并捕集二氧化碳；制冷供热单元，与甲醇重整反应器连接，利用甲醇重整反应器出口处的烟气余热梯级进行制冷和供热。

Description

一种发动机余热驱动冷热电氢联供系统及工作方法

技术领域

本发明涉及甲醇重整制氢、吸收式制冷及燃料电池领域，尤其是一种发动机余热驱动冷热电氢联供系统及工作方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

冷热电联供系统是一种基于能的梯级利用原理，设置在靠近用户端的可满足用户冷、热、电等多种负荷需求的多联供系统。以内燃发动机为发电装置，通过回收利用发动机排气和缸套水余热可构建一种内燃发动机冷热电联供系统。

内燃发动机排气的温度范围是300～600℃，该排气余热具有重要的回收利用价值。因此，如何梯级高效地回收利用发动机余热是一个需要解决的问题。目前，吸收式制冷是余热回收利用的有效途径之一，但现有单效溴化锂和氨水吸收式制冷的驱动热源仅需要200℃左右的烟气或者85～150℃的热水。以110kW的卡特比勒燃气内燃发电机组为例，其额定工况下排烟温度为540℃，若将其直接用于驱动单效溴化锂吸收式制冷机组，仅需要温度为200℃的余热即可满足要求。

发明人发现，由于相应于540℃和200℃之间340℃温差的发动机排气余热没有得到有效利用，因而导致较大的有效能损失。另外，发动机缸套水温度一般在80-120℃，其低温余热也没有进行进一步的回收利用。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种发动机余热驱动冷热电氢联供系统，梯级利用缸套水和发动机排气余热实现发电、制氢、制冷和供热，并通过冷却水的串联、生成水的循环利用实现水的节约与余热回收和捕集CO₂达到减少碳排放的目的。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

一种发动机余热驱动冷热电氢联供系统，包括：

甲醇水蒸气重整单元，包括缸套水余热换热器、甲醇重整反应器，缸套水余热换热器用于预热甲醇溶液，预热后在甲醇重整反应器通过发动机烟气余热提供的热量发生甲醇水蒸气催化重整反应，生成重整气，通过重整气分离出氢气并捕集二氧化碳；

制冷供热单元，与甲醇重整反应器连接，利用甲醇重整反应器出口处的烟气余热梯级进行制冷和供热。

如上所述的一种发动机余热驱动冷热电氢联供系统，所述缸套水余热换热器与甲醇重整反应器之间设置用于对甲醇和水溶液进行加热的第一换热器；

所述甲醇重整反应器一侧设置一氧化碳氧化反应器用于除去所述重整气中的一氧化碳气体，一氧化碳氧化反应器与所述第一换热器连接以对气体进行放热。

如上所述的一种发动机余热驱动冷热电氢联供系统，所述第一换热器与第三冷凝器连接，未反应的甲醇蒸气和水蒸气被第三冷凝器冷却水冷凝后形成甲醇溶液和水并排出；

第三冷凝器与二氧化碳吸附装置连接以吸附二氧化碳，二氧化碳吸附装置与储氢罐连接。

如上所述的一种发动机余热驱动冷热电氢联供系统，还包括燃料电池，燃料电池与所述储氢罐连接，燃料电池与第二冷凝器连接，第三冷凝器的冷却水入口与第二冷凝器的冷却水出口相连。

如上所述的一种发动机余热驱动冷热电氢联供系统，所述缸套水余热换热器出口的甲醇溶液、所述第三冷凝器出口的甲醇和水溶液和第三冷凝器冷却水出口的水溶液通过管路混合后与所述第一换热器连接。

如上所述的一种发动机余热驱动冷热电氢联供系统，所述燃料电池冷却水出口的水溶液、所述第二冷凝器出口的水溶液通过管路混合后进入到所述第一换热器与重整气换热。

如上所述的一种发动机余热驱动冷热电氢联供系统，所述制冷供热单元包括发生器，发生器与所述甲醇重整反应器连接以将甲醇重整反应器出口处的发动机烟气传输至发生器，发生器与第一冷凝器连接以将发生器产生的水蒸气送入第一冷凝器冷凝产生液态水；

第一冷凝器与蒸发器连接，液态水进入蒸发器内吸收冷媒水的热量蒸发成为水蒸气，冷媒水携带冷量进行制冷；

发生器与第二换热器连接以将发生器出口的烟气用于供热。

如上所述的一种发动机余热驱动冷热电氢联供系统，所述蒸发器与吸收器连接，吸收器冷却水出口与所述第一冷凝器冷却水入口串联；

发生器与吸收器之间设置溶液热交换器，溶液热交换器同吸收器连接，且二者连接的管路设有至少两条，两条管路分别设置第一节流阀和第一溶液泵。

如上所述的一种发动机余热驱动冷热电氢联供系统，所述缸套水余热换热器分别连接至甲醇溶液储罐及所述第一换热器。

第二方面，本发明还提供了一种发动机余热驱动冷热电氢联供系统的工作方法，包括如下内容：

缸套水余热换热器将发动机缸套水余热用于初步预热甲醇溶液；

发动机的高温烟气余热驱动甲醇重整反应器反应生成重整气，包括氢气、二氧化碳、一氧化碳以及未反应的甲醇蒸气和水蒸气，通过重整气分离出氢气并捕集二氧化碳；

甲醇重整反应器出口处的发动机烟气传输至制冷供热单元梯级进行制冷和供热。

上述本发明的有益效果如下：

1)本发明利用发动机高温烟气余热依次驱动甲醇重整反应器和发生器，利用发动机低温缸套水余热初步加热甲醇溶液，并通过第一换热器对甲醇进一步加热，生成的氢气储存或进入燃料电池发电，并捕集重整气中的CO₂，从而实现发动机余热的梯级利用并将热能转化为化学能，达到梯级利用发动机排气和缸套水余热实现发电、制冷、供热、制氢及CO₂捕集的目的。

2)本发明第一冷凝器、燃料电池连接的冷却水串联，并与第二冷凝器出口的冷凝水混合；而且第三冷凝器与第二冷凝器同样连接，实现冷却水的串联加热再利用及生成水的循环利用，实现水的节约与余热回收。

3)本发明整个系统具有可移动性、小型化和模块化等特点，可以应用于医院，社区，办公大楼，学校等建筑和工厂车间及工艺过程等的分布式供能。

附图说明

构成本发明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。

图1是本发明根据一个或多个实施方式的一种发动机余热驱动冷热电氢联供系统的示意图。

图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意。

其中：1为发动机，2为缸套水余热换热器，3为第一换热器，4为甲醇重整反应器，5为第二换热器，6为发生器，7为溶液热交换器，8为第一节流阀，9为第一溶液泵，10为第一冷凝器，11为第二节流阀，12为蒸发器，13为吸收器，14为第一水泵，15为第二冷凝器，16为第二水泵， 17为质子交换膜燃料电池，18为CO选择氧化反应器，19为储氢罐，20为二氧化碳吸附装置，21为第三冷凝器，22为第二溶液泵，23为甲醇溶液储罐。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语解释部分：本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在没有充分利用发动机排气余热的问题，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种发动机余热驱动冷热电氢联供系统。

本发明的一种典型的实施方式中，参考图1所示，一种发动机余热驱动冷热电氢联供系统，包括：

甲醇水蒸气重整单元，包括缸套水余热换热器、甲醇重整反应器，缸套水余热换热器用于预热甲醇溶液，预热后在甲醇重整反应器通过发动机烟气余热提供的热量发生甲醇水蒸气催化重整反应，生成重整气，通过重整气分离出氢气并捕集二氧化碳，所制得的氢气可进行储存；

制冷供热单元，利用甲醇重整反应器出口处的烟气余热梯级进行制冷和供热；

燃料电池利用指的氢气发电同时产生热量，对生成的水蒸气冷凝获得液态水。

其中，甲醇重整反应器为管壳式结构，甲醇、水溶液从管侧进入，管道中有催化剂，甲醇、水溶液在这里发生甲醇水蒸气重整反应。高温烟气从壳体侧进入，在反应管道外部放热，并提供两部分热量，首先加热在第一换热器被预热后的甲醇、水溶液，使其达到反应时所需的温度，第二部分热量为甲醇水蒸气重整反应过程所需要吸收的热量。

甲醇溶液放置于甲醇溶液储罐23中；缸套水余热换热器2分别连接至甲醇溶液储罐23及第一换热器3，甲醇溶液被第二溶液泵22泵送到缸套水余热换热器2初步预热；

缸套水余热换热器2与甲醇重整反应器之间设置用于对甲醇和水溶液进行加热的第一换热器；甲醇重整反应器一侧设置一氧化碳氧化反应器用于除去重整气中的一氧化碳气体，一氧化碳氧化反应器与第一换热器连接以对气体进行放热。

第一换热器与第三冷凝器连接，未反应的甲醇蒸气和水蒸气被第三冷凝器冷却水冷凝后形成甲醇溶液和水并排出；

第三冷凝器与二氧化碳吸附装置连接以吸附二氧化碳，二氧化碳吸附装置与储氢罐连接，二氧化碳吸附装置为现有的变压吸附装置。

进一步地，在本实施例中，缸套水余热换热器2出口的甲醇溶液与第三冷凝器21底部出口的甲醇和水溶液，第三冷凝器21冷却水出口的水溶液，质子交换膜燃料电池17冷却水出口的水溶液，第二冷凝器15底部出口的水溶液混合后进入到第一换热器3与重整气换热，使得甲醇和水溶液被预热。

进一步地，蒸发器12与吸收器13连接，蒸发器产生的水蒸气进入吸收器13中；而且吸收器与第一水泵14连接。

在本实施例中，发生器6与溶液热交换器7连接，溶液热交换器同吸收器13连接，且二者连接的管路设有两条，两条管路分别设置第一节流阀 8和第一溶液泵9。

需要说明的是，发生器6为溴化锂吸收式制冷发生器。

吸收器13内，来自发生器6的溴化锂浓溶液吸收来自蒸发器12的水蒸气，成为稀溶液，吸收过程中释放的热量由第一水泵14泵送的冷却水带走，吸收器13冷却水出口与第一冷凝器10冷却水入口串联。发生器6底部流出的浓溶液，进入溶液热交换器7释放热量后经过第一节流阀8，然后进入吸收器13。吸收器13生成的溴化锂稀溶液由第一溶液泵9增压，经溶液热交换器7加热后温度升高，最后进入发生器6。

为了实现冷却水的串联加热再利用，第一冷凝器与质子交换膜燃料电池连接，第一冷凝器产生的冷却水用于吸收燃料电池发电放出的热量；燃料电池出口的冷却水与第二冷凝器的出口冷凝水混合，第三冷凝器与第二冷凝器的冷却水连接，实现水的循环利用和梯级加热。

在本实施例，燃料电池为质子交换膜燃料电池17，燃料电池与储氢罐连接，燃料电池出口的冷却水与第二冷凝器的出口冷凝水混合。

而且，第二冷凝器与第二水泵16连接，第三冷凝器21的冷却水入口与第二冷凝器15的冷却水出口相连。

此外，在一些示例中，质子交换膜燃料电池产生的水蒸气进入第二冷凝器15冷凝。

一种发动机余热驱动冷热电氢联供系统的工作方法，包括如下内容：

缸套水余热换热器2将发动机缸套水余热用于初步预热甲醇溶液；

发动机高温烟气与甲醇重整反应器相连，甲醇与水溶液在第一换热器3 被预热后，发动机1的高温烟气余热驱动甲醇重整反应器4反应生成重整气，包括氢气H₂、二氧化碳CO₂、一氧化碳CO以及未反应的甲醇蒸气和水蒸气，生成的气体进入CO选择氧化反应器18中反应后除去CO气体，之后进入第一换热器3放热后进入第三冷凝器21，未反应的甲醇蒸气和水蒸气被冷凝水冷凝后形成甲醇溶液和水，通过第三冷凝器21底部排出，H₂与CO₂从第三冷凝器顶部排出后进入二氧化碳吸附装置20，CO₂被吸附，纯净H₂从一端排出后进入储氢罐19，CO₂脱附后从另一端排出后被捕集；

甲醇重整反应器4出口处的发动机烟气传输至发生器6，加热其中的溴化锂水溶液形成水蒸气，水蒸气进入第一冷凝器10中被冷凝成液态，冷凝时放出的热量被冷却水带走，液态水通过第二节流阀11(设于蒸发器与第一冷凝器的连接管路)节流后进入到蒸发器12，在蒸发器12内吸收冷媒水的热量蒸发成为水蒸气，冷媒水携带冷量进行制冷；

当用于制冷时，冷媒水一般为循环水，蒸发器出口的冷媒水通过风机盘管冷却空气后，再进入蒸发器内；

储氢罐19的H₂进入质子交换膜燃料电池17反应转化为电能提供给用户，该过程中产生的热量被冷却水带走，反应生成的水蒸气进入第二冷凝器15冷凝后，水蒸气形成液态水从底部排出；

发生器6出口的烟气进入第二换热器5释放热量，为用户供热。

具体地，储氢罐19的H₂进入质子交换膜燃料电池17的阳极，空气进入质子交换膜燃料电池17的阴极，质子交换膜燃料电池17反应转化为电能提供给用户，过程中产生的热量被冷却水带走，质子交换膜燃料电池17 冷却水入口与第一冷凝器10冷却水出口串联。质子交换膜燃料电池17反应生成的水蒸气进入第二冷凝器15，被第二水泵16泵送的水冷凝后形成液态水从底部排出。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种发动机余热驱动冷热电氢联供系统，其特征在于，包括：

甲醇水蒸气重整单元，包括缸套水余热换热器、甲醇重整反应器，缸套水余热换热器用于预热甲醇溶液，预热后在甲醇重整反应器通过发动机烟气余热提供的热量发生甲醇水蒸气催化重整反应，生成重整气，通过重整气分离出氢气并捕集二氧化碳；

制冷供热单元，与甲醇重整反应器连接，利用甲醇重整反应器出口处的烟气余热梯级进行制冷和供热。

2.根据权利要求1所述的一种发动机余热驱动冷热电氢联供系统，其特征在于，所述缸套水余热换热器与甲醇重整反应器之间设置用于对甲醇和水溶液进行加热的第一换热器；

所述甲醇重整反应器一侧设置一氧化碳氧化反应器用于除去所述重整气中的一氧化碳气体，一氧化碳氧化反应器与所述第一换热器连接以对气体进行放热。

3.根据权利要求2所述的一种发动机余热驱动冷热电氢联供系统，其特征在于，所述第一换热器与第三冷凝器连接，未反应的甲醇蒸气和水蒸气被第三冷凝器冷却水冷凝后形成甲醇溶液和水并排出；

第三冷凝器与二氧化碳吸附装置连接以吸附二氧化碳，二氧化碳吸附装置与储氢罐连接。

4.根据权利要求3所述的一种发动机余热驱动冷热电氢联供系统，其特征在于，还包括燃料电池，燃料电池与所述储氢罐连接，燃料电池与第二冷凝器连接，第三冷凝器的冷却水入口与第二冷凝器的冷却水出口相连。

5.根据权利要求3所述的一种发动机余热驱动冷热电氢联供系统，其特征在于，所述缸套水余热换热器出口的甲醇溶液、所述第三冷凝器出口的甲醇和水溶液和第三冷凝器冷却水出口的水溶液通过管路混合后与所述第一换热器连接。

6.根据权利要求4所述的一种发动机余热驱动冷热电氢联供系统，其特征在于，所述燃料电池冷却水出口的水溶液、所述第二冷凝器出口的水溶液通过管路混合后进入到所述第一换热器与重整气换热。

7.根据权利要求1所述的一种发动机余热驱动冷热电氢联供系统，其特征在于，所述制冷供热单元包括发生器，发生器与所述甲醇重整反应器连接以将甲醇重整反应器出口处的发动机烟气传输至发生器，发生器与第一冷凝器连接以将发生器产生的水蒸气送入第一冷凝器冷凝产生液态水；

第一冷凝器与蒸发器连接，液态水进入蒸发器内吸收冷媒水的热量蒸发成为水蒸气，冷媒水携带冷量进行制冷；

发生器与第二换热器连接以将发生器出口的烟气用于供热。

8.根据权利要求7所述的一种发动机余热驱动冷热电氢联供系统，其特征在于，所述蒸发器与吸收器连接，吸收器冷却水出口与所述第一冷凝器冷却水入口串联；

发生器与吸收器之间设置溶液热交换器，溶液热交换器同吸收器连接，且二者连接的管路设有至少两条，两条管路分别设置第一节流阀和第一溶液泵。

9.根据权利要求1所述的一种发动机余热驱动冷热电氢联供系统，其特征在于，所述缸套水余热换热器分别连接至甲醇溶液储罐及所述第一换热器。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的一种发动机余热驱动冷热电氢联供系统的工作方法，其特征在于，包括如下内容：

缸套水余热换热器将发动机缸套水余热用于初步预热甲醇溶液；

发动机的高温烟气余热驱动甲醇重整反应器反应生成重整气，包括氢气、二氧化碳、一氧化碳以及未反应的甲醇蒸气和水蒸气，通过重整气分离出氢气并捕集二氧化碳；

甲醇重整反应器出口处的发动机烟气传输至制冷供热单元梯级进行制冷和供热。

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