CN114483290B - 一种甲醇重整器耦合内燃机的复合压缩空气储能系统及方法 - Google Patents

一种甲醇重整器耦合内燃机的复合压缩空气储能系统及方法 Download PDF

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Abstract

一种甲醇重整器耦合内燃机的复合压缩空气储能系统及方法，包括压缩空气储能单元、甲醇水蒸气重整单元、低尘燃烧器单元、内燃机发电单元，将其相互耦合，充分利用了低品位压缩热、内燃机高温排热以及膨胀机排气排热，膨胀机排气首先经过甲醇水蒸气反应内管，为甲醇重整反应提供能量，其次经过圆盘形换热器，使甲醇水溶液蒸发产生甲醇水蒸气，实现了膨胀机高温排气能量的阶梯利用，提高了能量利用效率；高温排气的利用同时，避免了反应器的外加热源，进一步提高系统效率；重整反应产生的混合气体经除甲醇室内的低浓度甲醇水溶液，将混合气体中甲醇吸收的同时吸收混合气体热量，实现了甲醇及热量的回收利用，提高了甲醇水蒸气重整制氢的经济性。

Description

一种甲醇重整器耦合内燃机的复合压缩空气储能系统及方法
技术领域
本发明涉及甲醇水蒸气重整制氢技术领域，特别涉及一种甲醇重整器耦合内燃机的复合压缩空气储能系统及方法。
背景技术
甲醇具有来源广、可再生、燃烧产物污染少、富氧、廉价等优点，甲醇直接作为内燃机燃料具有热效率低的缺点，而甲醇水蒸气重整制氢是很好的解决办法，现有的甲醇水蒸气重整制氢反应器一般均需外加热源，这将导致大量的能源损耗；且一般的甲醇水蒸气重整催化剂的制备方法会造成气体污染、固相烧结以及制造成本高等问题。压缩空气储能系统存在储气时低品位压缩热难以利用、储气罐内气体释能后仍然有一定压力利用不完全、使用节流阀会导致节流损失以及膨胀机排气导致部分能量浪费等问题。
除此之外，压缩空气储能系统膨胀机前需要给高压气体补热、在膨胀机前设置燃烧室为高压空气补热会导致压力损失，会导致压缩空气储能系统释能功率下降的问题。除此之外，内燃机的高温排气直接排向大气会导致大量的热量损失。综上所述，现有的甲醇水蒸气重整制氢反应存在很大的问题。
专利申请号为：CN202110410652.2，名称为《一种基于发动机尾气的甲醇制氢反应器》的专利申请也公开了一个利用废热为甲醇制氢反应器补热的复合系统，但是其结构较为简单，所使用的甲醇反应管为较常规的反应管，对于发动机的排热不能进行分级利用。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种甲醇重整器耦合内燃机的复合压缩空气储能系统及方法，甲醇重整器是甲醇水蒸发、重整以及混合气体中甲醇过滤的一体化反应器，提高了系统的空间利用率，催化剂采用冷喷涂的制备方式，实现了催化剂的制备低成本、环保，提高了甲醇水蒸气重整制氢的经济性。
本发明通过以下技术方案来实现：
一种甲醇重整器耦合内燃机的复合压缩空气储能系统，包括压缩空气储能单元、甲醇水蒸气重整单元、低尘燃烧器单元、内燃机发电单元；
所述的压缩空气储能单元包括依次连接的电动机1、绝热压缩机2、蓄热容器3，蓄热容器3出口分别通过第一节流阀4和第四节流阀8与各自对应的第一高压储气罐5、第二高压储气罐9入口连通，第一高压储气罐5和第二高压储气罐9出口分别经第二节流阀6和第五节流阀10与第一引射器11的主工作气体入口相连通；第一引射器11出口依次连接绝热膨胀机12和第一发电机，绝热膨胀机12的排气口连通甲醇水蒸气重整反应器31的甲醇水蒸气重整反应室43；
所述的甲醇水蒸气重整单元包括甲醇水蒸气重整反应器31，甲醇水蒸气重整反应器31的气体出口经碱性溶液存罐30与除湿装置29的气体入口相连；
所述的低尘燃烧器单元包括磨煤机18和第二引射器20，磨煤机18入口、第二引射器20的主工作气体入口分别经第八节流阀17、第九节流阀19与对应的蓄热容器3出口相连；第二引射器20出口连接低尘燃烧器21的入料口，低尘燃烧器21的气体出口经旋风分离器22、第十节流阀23分别与第一引射器11气体入口、第三引射器24气体入口相连；蓄热容器3入口另经第六节流阀14与送风机16出口相连，送风机16入口连接大气；蓄热容器3入口还与第一高压储气罐5间设置有第三节流阀7；
所述的内燃机发电单元包括与第三引射器24气体入口连接的内燃机25，内燃机25的气体入口经第十一节流阀27与储氢罐28气体入口相连，储氢罐28的气体入口与除湿装置29的气体出口相连，内燃机25的机械能输出端同轴连接发电机26的机械能输入端。
所述的甲醇水蒸气重整反应器31包括顶部的甲醇水蒸气重整反应室43，在甲醇水蒸气重整反应室43内均匀分布有盘旋的甲醇水蒸气反应管40以及横向的含冷喷涂复合涂层催化剂的肋板38；甲醇水蒸气反应管40内套有膨胀机高温排气管39，膨胀机高温排气管39入口设置在甲醇水蒸气反应管40下部，甲醇水蒸气反应管40出口在甲醇水蒸气重整反应室43下部；甲醇水蒸气反应管40入口与甲醇水蒸气发生室32直接相连通，甲醇水蒸气发生室32内设有圆盘形换热器33；甲醇水蒸气重整反应室43顶部通过含甲醇混合气体出气管41连接甲醇室36底部，甲醇室3位于甲醇水蒸气发生室32和甲醇水蒸气重整反应室43之间；除甲醇室36下部经下液管34连接甲醇水蒸气发生室32底部，下液管34上设置有第十二节流阀35；除甲醇室36上部侧壁经不含甲醇混合气体出气管37与碱性溶液存罐30的液体入口相连；碱性溶液存罐30的液体出口与除湿装置29的液体入口相连。
所述的圆盘形换热器33包括中间的竖直气体通道33c，竖直气体通道33c连通圆盘形换热器外壳33a，圆盘形换热器外壳33a内设置有气体分流板33b。
所述的含有冷喷涂复合涂层催化剂的肋板38上均匀分布肋板出气孔42，且奇数层与偶数层的肋板出气孔错落分布。
基于上述一种甲醇重整器耦合内燃机的复合压缩空气储能系统的储能方法，具体如下：
储能时，空气经绝热压缩机2压缩后进入蓄热容器3，空气在蓄热容器3中进行热交换后经第一节流阀4或第四节流阀8进入第一高压储气罐5或第二高压储气罐9进行储存；释能时，第一引射器11前的第二节流阀6或第五节流阀10全开，高压空气始终以高压储气罐内压力进入第一引射器11主工作气体入口、第一引射器11引射低尘燃烧器21出气或内燃机25高温排气并与高压气体混合成符合绝热膨胀机12要求的温度较高的中压气体，中压气体进入绝热膨胀机12做功，带动第一发电机13发电；
绝热膨胀机12排气进入甲醇水蒸气重整反应室43内的膨胀机高温排气管39，为甲醇水蒸气反应管40及含冷喷涂复合涂层催化剂的肋板38提供热量后，经除甲醇室36进入甲醇水蒸气发生室32的圆盘形换热器33，在圆盘形换热器33中换热，使甲醇水溶液蒸发产生甲醇水蒸气；甲醇水蒸气由甲醇水蒸气发生室32进入甲醇水蒸气反应管40，在甲醇水蒸气反应管40内壁与膨胀机高温排气管39外壁冷喷涂双金属催化涂层的作用下发生化学反应，反应产物与反应原料的混合气体由甲醇水蒸气反应管40排向甲醇水蒸气重整室43下部；由于压差的作用，混合气体在甲醇水蒸气重整室43由下向上流动，流动过程经过若干含冷喷涂复合涂层催化剂的肋板38，混合气体在肋板上冷喷涂双金属催化涂层的作用下进一步发生反应；经含冷喷涂复合涂层催化剂的肋板38后，含有少量甲醇的混合气体经含甲醇混合气体出气管进入除甲醇室36，混合气体中甲醇水蒸气溶于水且混合气体中的热量被水吸收，除甲醇室36吸收甲醇后经下液管34并由第十二节流阀35调节进入甲醇水蒸气发生室32；除甲醇后，混合气体经碱性溶液存罐30除二氧化碳后进入除湿装置29，进一步进入储氢罐28储存。
在释能初期即第一高压储气罐5放气释能时，内燃机发电单元不工作，低尘燃烧器单元工作，在送风机16的作用下空气升至一定压力进入蓄热容器3，在空气蓄热容器3中吸热后根据实际工况分为两路，一路经第九节流阀19作为主工作气体进入第二引射器20的主工作气体入口，另一路经第八节流阀17进入磨煤机18带动煤粉进入第二引射器20被引射气体入口，在第二引射器20中充分混合后进入低尘燃烧器21燃烧，低尘燃烧器21产生的高温高压气体经旋风分离器22及第十节流阀23后，进入第一引射器11被引射气体入口，随后被第一高压储气罐5内高压气体引射，在引射器内充分混合后进入绝热膨胀机12做功。
在释能中期即第一高压储气罐5压力达不到第一引射器11前的压力最低要求时，第一高压储气罐5与第一引射器11间第二节流阀6关闭，第二高压储气罐9与第一引射器11间第五节流阀10打开，开始放气释能，此时低尘燃烧器单元不工作，内燃机发电单元开始工作；第一高压储气罐5内释能后，剩余的低压气体经第三节流阀7调节后进入蓄热容器3，在蓄热容器3吸热后，经第七节流阀15进入第三引射器24主工作气体入口，内燃机25高温排气进入第三引射器24被引射气体入口，在第三引射器24内充分混合后进入第一引射器11被引射气体入口，在第一引射器11内混合后进入绝热膨胀机12做功。
在释能后期即第一高压储气罐5剩余气体压力达不到第三引射器24前压力的最低要求时，内燃机发电单元不工作，切换为低尘燃烧器单元工作，此时送风机16与蓄热容器3间第六节流阀14关闭，第一高压储气罐5与蓄热容器3间第三节流阀7打开，第一高压储气罐5内剩余气体经实际工况分为两部分，一部分直接进入第二引射器20主工作气体入口，另一部则进入磨煤机18，携带煤粉后进入第二引射器20被引射气体入口，充分混合后进入低尘燃烧器21燃烧，再经旋风分离器22除尘后进入第一引射器11被引射气体入口，在第一引射器11内混合后进入绝热膨胀机12做功。
在释能中期，第一引射器11的被引射气体压力出口压力根据实际情况进行调节，通过调节第三引射器24主工作气体的流量保证内燃气排气被完全引射的同时维持第三引射器24出口压力不变。
所述的绝热膨胀机12高温排气温度为250-350℃，内燃机25排气温度为400-600℃。
所述的除甲醇室36内低浓度的甲醇水溶液可为甲醇水蒸气发生室32补水，并根据甲醇水蒸气发生室32内甲醇浓度自动添加液态甲醇，从而保持恒定的水醇比；甲醇重整反应器31做绝热处理且内壁有防锈涂层。
所述的高压储气罐内压力为7-15MPa，第一引射器11前最低工作压力为5MPa，第三引射器24前工作压力为2-3MPa，第二引射器20前的最低工作压力为0.2Mpa。
所述的蓄热容器3加热气体温度为300℃-500℃。
所述的碱性溶液存罐30内为氢氧化钾溶液；除湿装置29内为浓度70％以上的浓硫酸；除甲醇室36内初始为清水；甲醇水蒸气发生室32内为甲醇水溶液，其中水醇比为1.5。
所述的甲醇水蒸气反应管40内壁与膨胀机高温排气管39外壁均有冷喷喷涂的复合涂层催化剂，复合涂层催化剂采用铜铝双金属按摩尔比1-5：1混合配比，其中：Cu粉直径5μm-20μm，Al粉直径5μm-50μm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
(1)本发明将压缩空气储能、内燃机、低尘燃烧器及甲醇水蒸气重整制氢相互耦合，充分利用了低品位压缩热、内燃机高温排热以及膨胀机排热。
(2)采用高压储气罐组、可调式引射器及内燃机、低尘燃烧器相耦合、较充分地利用了高压储气罐放弃释能后的低压气体，第二高压储气罐内气体可用于低压冷喷涂制备系统的工作气源、可节省冷喷涂制备系统的成本。
(3)绝热膨胀机排气首先为甲醇水蒸气重整反应提供热量、其次为甲醇水溶液的蒸发提供热量、实现了膨胀机排气热量的分级利用。
(4)新型甲醇重整反应器是甲醇水蒸发、重整以及混合气体中甲醇气体过滤的一体化反应器、提高了系统的空间利用率，采用铜铝粉末为原料、以冷喷涂的方式制备催化涂层，实现了催化剂的制备低成本、环保，提高了甲醇重整制氢的经济性。
(5)重整反应产生的混合气体经除甲醇室内的低浓度甲醇水溶液、将混合气体中甲醇蒸汽吸收的同时吸收混合气体热量，实现了热量的回收利用。
(6)甲醇重整反应分两段进行以及肋板错分布的出气孔增加了原料与催化剂的接触时间、使反应更充分。
(7)煤粉在外接低尘燃烧器内燃烧、再经旋风分离器后被引射器引射，在引射器内充分混合后进入膨胀机做功，防止高压空气直接燃烧产生压力损失，同时也避免了使用节流阀产生的节流损失。
(8)高压储气罐内低压气体经蓄热容器后作为主工作气体引射内燃机高温排气、混合后作为被引射气体进入膨胀机前引射器，进一步利用了压缩热与内燃机排热，低品位压缩热也可为冷喷涂制备系统提供热源、进一步节省冷喷涂制备系统费用。
(9)释能初期在送风机的作用下，空气引射煤粉进入低尘燃烧器，排气被引射器带入膨胀机前为高压气体补热，释能中期内燃机燃烧氢气发电、排气被引射器带入膨胀机前为高压气体补热、膨胀机带动发电机发电，释能后期高压储气罐内剩余低压气体引射煤粉进入低尘燃烧器燃烧，产生气体被引射器带入膨胀机前为高压气体补热、膨胀机带动发电机发电，三阶段互相配合，提高了复合系统各单元的灵活性与经济性。
附图说明
图1为本发明一种甲醇重整器耦合内燃机的复合压缩空气储能系统结构图。
图2为本发明中的甲醇水蒸气重整制氢反应器的结构图。
图3为本发明中甲醇水蒸气重整制氢反应器甲醇水蒸气发生室的A-A截面图。
图4为本发明中甲醇水蒸气重整制氢反应器甲醇重整室奇数块肋板A-A截面图。
图5为本发明中甲醇水蒸气重整制氢反应器甲醇重整室偶数块肋板A-A截面图。
图6为本发明中圆盘形换热器立体图。
图7为本发明中所使用铜铝冷喷涂催化剂表面涂层SEM微观形貌图。
图中：1、电动机；2、绝热压缩机；3、蓄热容器；4、第一节流阀；5、第一高压储气罐；6、第二节流阀；7、第三节流阀；8、第四节流阀；9、第二高压储气罐；10、第五节流阀；11、第一引射器；12、绝热膨胀机；13、第一发电机；14、第六节流阀；15、第七节流阀；16、送风机；17、第八节流阀；18、磨煤机；19、第九节流阀；20、第二引射器；21、低尘燃烧器；22、旋风分离器；23、第十节流阀；24、第三引射器；25、内燃机；26、第二发电机；27、第十一节流阀；28、储氢罐；29、除湿装置；30、碱性溶液存罐；31、甲醇重整反应器；32、甲醇水蒸气发生室；33、圆盘形换热器；33a、圆盘形换热器外壳；33b、气体分流板；33c、气体通道；34、下液管；35、第十二节流阀；36、除甲醇室；37、不含甲醇混合气体出气管；38、含冷喷涂复合涂层催化剂的肋板；39、膨胀机高温排气管；40、甲醇水蒸气反应管；41、含甲醇混合气体出气管；42、肋板出气孔；43、甲醇水蒸气重整反应室。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和附图对本发明进行详细阐述。
本发明提供了一种新型甲醇重整器耦合内燃机的复合压缩空气储能系统及方法。新型甲醇重整反应器是甲醇水蒸发、重整以及混合气体中甲醇过滤的一体化反应器、提高了系统的空间利用率，催化剂采用冷喷涂的制备方式，实现了催化剂的制备低成本、环保，提高了甲醇水蒸气重整制氢的经济性；膨胀机排气首先经过甲醇水蒸气反应内管、为甲醇重整反应提供能量，其次经过圆盘形换热器、使甲醇水溶液蒸发产生甲醇水蒸气，实现了膨胀机高温排气能量的阶梯利用，提高了能量利用效率，高温排气的利用同时避免了反应器的外加热源、进一步提高系统效率；重整反应产生的混合气体经除甲醇室内的低浓度甲醇水溶液、将混合气体中甲醇吸收的同时吸收混合气体热量，实现了甲醇及热量的回收利用；甲醇重整反应分两段进行以及肋板上错落分布的出气孔增加了原料与催化剂的接触时间、使反应更充分；高压储气罐放气后的低压气体经蓄热容器加热后作为主工作气体引射内燃机高温排气，充分混合后作为被引射气体被第二储气罐内高压气体引射进入膨胀机做功，实现了内燃机高温排气及第一储气罐内低压气体的充分利用；释能过程中煤燃烧产热及内燃机尾气排热分段配合为膨胀机前高压气体补热，实现了高压储气罐内气体的充分利用；使用外接低尘燃烧器避免了高压气体补热过程中的压损。
参照图1，一种甲醇重整器耦合内燃机的复合压缩空气储能系统，包括压缩空气储能单元、甲醇水蒸气重整单元、低尘燃烧器单元、内燃机发电单元；
所述的压缩空气储能单元包括依次连接的电动机1、绝热压缩机2、蓄热容器3，蓄热容器3出口分别通过第一节流阀4和第四节流阀8与各自对应的第一高压储气罐5、第二高压储气罐9入口连通，第一高压储气罐5和第二高压储气罐9出口分别经第二节流阀6和第五节流阀10与第一引射器11主工作气体入口相连通；第一引射器11出口依次连接绝热膨胀机12和第一发电机，绝热膨胀机12的排气口连通甲醇水蒸气重整反应器31的甲醇水蒸气重整反应室43；
所述的甲醇水蒸气重整单元包括甲醇水蒸气重整反应器31，甲醇水蒸气重整反应器31的气体出口经碱性溶液存罐30与除湿装置29的气体入口相连；
所述的低尘燃烧器单元包括磨煤机18和第二引射器20，磨煤机18入口、第二引射器20主工作气体入口分别经第八节流阀17、第九节流阀19与对应的蓄热容器3出口相连；第二引射器20出口连接低尘燃烧器21的入料口，低尘燃烧器21的气体出口经旋风分离器22、第十节流阀23分别与第一引射器11气体入口、第三引射器24气体入口相连；蓄热容器3入口另经第六节流阀14与送风机16出口相连，送风机16入口连接大气；蓄热容器3入口还与第一高压储气罐5间设置有第三节流阀7；
所述的内燃机发电单元包括与第三引射器24气体入口连接的内燃机25，内燃机25的气体入口经第十一节流阀27与储氢罐28的气体入口相连，储氢罐28的气体入口与除湿装置29的气体出口相连，内燃机25的机械能输出端同轴连接发电机26的机械能输入端。
参照图2，所述的甲醇水蒸气重整反应器31包括顶部的甲醇水蒸气重整反应室43，在甲醇水蒸气重整反应室43内均匀分布有盘旋的甲醇水蒸气反应管40以及横向的含冷喷涂复合涂层催化剂的肋板38；甲醇水蒸气反应管40内套有膨胀机高温排气管39，甲醇水蒸气反应管40套在膨胀机高温排气管39外边，两管内流体采用逆流换热，膨胀机高温排气管39入口设置在甲醇水蒸气反应管40下部，甲醇水蒸气反应管40出口在甲醇水蒸气重整反应室43下部；甲醇水蒸气反应管40入口与甲醇水蒸气发生室32直接相连通，甲醇水蒸气发生室32内设有圆盘形换热器33；甲醇水蒸气重整反应室43顶部通过含甲醇混合气体出气管41连接甲醇室36底部，甲醇室3位于甲醇水蒸气发生室32和甲醇水蒸气重整反应室43之间；除甲醇室36下部经下液管34连接甲醇水蒸气发生室32底部，下液管34上设置有第十二节流阀35；除甲醇室36上部侧壁经不含甲醇混合气体出气管37与碱性溶液存罐30的液体入口相连；碱性溶液存罐30的液体出口与除湿装置29的液体入口相连。
参照图3、图6，所述的圆盘形换热器33包括中间的竖直气体通道33c，竖直气体通道33c连通圆盘形换热器外壳33a，圆盘形换热器外壳33a内设置有气体分流板33b，圆盘形换热器33面积较薄，与甲醇水溶液接触的比表面积较大；圆盘形换热器33由换热性能较好的金属构成，外壁有防锈涂层。
参照图4、图5，所述的含有冷喷涂复合涂层催化剂的肋板38上均匀分布肋板出气孔42，且奇数层与偶数层的肋板出气孔错落分布，以增加重整反应时间。
甲醇水蒸气反应管40、膨胀机高温排气管39及含有冷喷涂复合涂层催化剂的肋板38均由导热性能良好的304不锈钢构成；甲醇水蒸气反应管40在除甲醇室36段外部包裹隔热性能较好的保温材料，低尘燃烧器21外部隔热条件良好。
第一引射器11、第二引射器20及第三引射器24均为可调式引射器，即在主工作气体压力变化室，引射器能够自动调节引射器内喉部的通流面积，从而能使引射器出口压力维持不变。
基于上述一种甲醇重整器耦合内燃机的复合压缩空气储能系统的储能方法，其特征在于，具体如下：
储能时，空气经绝热压缩机2压缩后进入蓄热容器3，空气在蓄热容器3中进行热交换后经第一节流阀4或第四节流阀8进入第一高压储气罐5或第二高压储气罐9进行储存；释能时，第一引射器11前的第二节流阀6或第五节流阀10全开，高压空气始终以高压储气罐内压力进入第一引射器11主工作气体入口、第一引射器11引射低尘燃烧器21出气或内燃机25高温排气并与高压气体混合成符合绝热膨胀机12要求的温度较高的中压气体，中压气体进入绝热膨胀机12做功、带动第一发电机13发电。
绝热膨胀机12排气进入甲醇水蒸气重整反应室43内的膨胀机高温排气管39，为甲醇水蒸气反应管40及含冷喷涂复合涂层催化剂的肋板38提供热量后，经除甲醇室36进入甲醇水蒸气发生室32的圆盘形换热器33，在圆盘形换热器33中换热，使甲醇水溶液蒸发产生甲醇水蒸气；甲醇水蒸气由甲醇水蒸气发生室32进入甲醇水蒸气反应管40，在甲醇水蒸气反应管40内壁与膨胀机高温排气管39外壁冷喷涂双金属催化涂层的作用下发生化学反应，反应产物与反应原料的混合气体由甲醇水蒸气反应管40排向甲醇水蒸气重整室43下部；混合气体由于压差的作用在甲醇水蒸气重整室43由下向上流动，流动过程经过若干含冷喷涂复合涂层催化剂的肋板38，混合气体在肋板上冷喷涂双金属催化涂层的作用下进一步发生反应；经含冷喷涂复合涂层催化剂的肋板38后，含有少量甲醇的混合气体经含甲醇混合气体出气管进入除甲醇室36，混合气体中甲醇水蒸气溶于水且混合气体中的热量被水吸收，除甲醇室36吸收甲醇后，经下液管34并由第十二节流阀35调节进入甲醇水蒸气发生室32；除甲醇后、混合气体经碱性溶液存罐30除二氧化碳后进入除湿装置29、进一步进入储氢罐28储存。
在释能初期即第一高压储气罐5放气释能时，内燃机发电单元不工作，低尘燃烧器单元工作，在送风机16的作用下空气升至一定压力进入蓄热容器3，在空气蓄热容器3中吸热后，根据实际工况分为两路，一路经第九节流阀19作为主工作气体进入第二引射器20的主工作气体入口，另一路经第八节流阀17进入磨煤机18带动煤粉进入第二引射器20被引射气体入口，在第二引射器20中充分混合后进入低尘燃烧器21燃烧，低尘燃烧器21产生的高温高压气体经旋风分离器22及第十节流阀23后进入第一引射器11被引射气体入口，随后被第一高压储气罐5内高压气体引射，在引射器内充分混合后进入绝热膨胀机12做功。
在释能中期即第一高压储气罐5压力达不到第一引射器11前的压力最低要求时，第一高压储气罐5与第一引射器11间第二节流阀6关闭，第二高压储气罐9与第一引射器11间第五节流阀10打开，开始放气释能，此时低尘燃烧器单元不工作，内燃机发电单元开始工作；第一高压储气罐5内释能后，剩余的低压气体经第三节流阀7调节后进入蓄热容器3，在蓄热容器3吸热后经第七节流阀15进入第三引射器24主工作气体入口，内燃机25高温排气进入第三引射器24被引射气体入口，在第三引射器24内充分混合后进入第一引射器11被引射气体入口，在第一引射器11内混合后进入绝热膨胀机12做功。
在释能后期即第一高压储气罐5剩余气体压力达不到第三引射器24前压力的最低要求时，内燃机发电单元不工作，切换为低尘燃烧器单元工作，此时送风机16与蓄热容器3间第六节流阀14关闭，第一高压储气罐5与蓄热容器3间第三节流阀7打开，第一高压储气罐5内剩余气体经实际工况分为两部分，一部分直接进入第二引射器20主工作气体入口，另一部则进入磨煤机18，携带煤粉后进入第二引射器20被引射气体入口，充分混合后进入低尘燃烧器21燃烧，再经旋风分离器22除尘后进入第一引射器11被引射气体入口，在第一引射器11内混合后进入绝热膨胀机12做功。
在释能中期，第一引射器11的被引射气体压力出口压力根据实际情况进行调节，通过调节第三引射器24主工作气体的流量保证内燃气排气被完全引射的同时维持第三引射器24出口压力不变。
绝热膨胀机12高温排气温度为250-350℃，内燃机25排气温度为400-600℃。
除甲醇室36内低浓度的甲醇水溶液可为甲醇水蒸气发生室32补水，并根据甲醇水蒸气发生室32内甲醇浓度自动添加液态甲醇，从而保持恒定的水醇比；甲醇重整反应器31做绝热处理且内壁有防锈涂层。
高压储气罐内压力为10MPa，第一引射器11前最低工作压力为5MPa，第三引射器24前工作压力为3MPa，第二引射器20前的最低工作压力为0.2Mpa；煤粉细度为80目，煤粉流量根据实际工况而定。
低压冷喷涂制备系统以充分释能后高压储气罐内的压缩空气为工作气体，送粉压力为0.8MPa，工作气体经蓄热容器3加热后进行工作，工作气体温度为300℃-500℃；第二高压储气罐9内气体释能后剩余气体可为冷喷涂制备系统的气源。
碱性溶液存罐30内为氢氧化钾溶液，除湿装置29内为浓硫酸；除甲醇室36内初始为清水；甲醇水蒸气发生室32内为甲醇水溶液，其中水醇比为1.5。
所述的甲醇水蒸气反应管40内壁与膨胀机高温排气管39外壁均有冷喷喷涂的复合涂层催化剂，复合涂层催化剂采用铜铝双金属按摩尔比1：1混合配比，其中：Cu粉直径5μm-20μm，Al粉直径5μm-50μm。
如图7所示，为本发明中所使用铜铝冷喷涂催化剂表面涂层SEM微观形貌图；以铜铝摩尔比1：1进行混合喷涂，降低了催化剂的制造成本，复合涂层表面结构如图所示，铜铝复合涂层的表面形貌上不规则结合结构分布为主，零星的类球体颗粒分布为辅，不规则结构增加了涂层的比表面积，有利于提升催化性能。

Claims (10)

1.一种甲醇重整器耦合内燃机的复合压缩空气储能系统，其特征在于，包括压缩空气储能单元、甲醇水蒸气重整单元、低尘燃烧器单元、内燃机发电单元；
所述的压缩空气储能单元包括依次连接的电动机(1)、绝热压缩机(2)、空气蓄热容器(3)，空气蓄热容器(3)出口分别通过第一节流阀(4)和第四节流阀(8)与各自对应的第一高压储气罐(5)、第二高压储气罐(9)入口连通，第一高压储气罐(5)和第二高压储气罐(9)出口分别经第二节流阀(6)和第五节流阀(10)与第一引射器(11)的主工作气体入口相连通；第一引射器(11)出口依次连接绝热膨胀机(12)和第一发电机(13)，绝热膨胀机(12)的排气口连通甲醇重整反应器(31)的甲醇水蒸气重整反应室(43)；
所述的甲醇水蒸气重整单元包括甲醇重整反应器(31)，甲醇重整反应器(31)的气体出口经碱性溶液存罐(30)与除湿装置(29)的气体入口相连；
所述的低尘燃烧器单元包括磨煤机(18)和第二引射器(20)，磨煤机(18)入口、第二引射器(20)主工作气体入口分别经第八节流阀(17)、第九节流阀(19)与对应的空气蓄热容器(3)出口相连；第二引射器(20)出口连接低尘燃烧器(21)的入料口，低尘燃烧器(21)的气体出口经旋风分离器(22)、第十节流阀(23)分别与第一引射器(11)气体入口、第三引射器(24)气体入口相连；空气蓄热容器(3)入口另经第六节流阀(14)与送风机(16)出口相连，送风机(16)入口连接大气；空气蓄热容器(3)入口还与第一高压储气罐(5)间设置有第三节流阀(7)；
所述的内燃机发电单元包括与第三引射器(24)气体入口连接的内燃机(25)、内燃机(25)的气体入口经第十一节流阀(27)与储氢罐(28)气体入口相连，储氢罐(28)的气体入口与除湿装置(29)的气体出口相连，内燃机(25)的机械能输出端同轴连接发电机(26)的机械能输入端。
2.根据权利要求1所述的一种甲醇重整器耦合内燃机的复合压缩空气储能系统，其特征在于，所述的甲醇重整反应器(31)包括顶部的甲醇水蒸气重整反应室(43)，在甲醇水蒸气重整反应室(43)内均匀分布有盘旋的甲醇水蒸气反应管(40)以及横向的含冷喷涂复合涂层催化剂的肋板(38)；甲醇水蒸气反应管(40)内套有膨胀机高温排气管(39)，膨胀机高温排气管(39)入口设置在甲醇水蒸气反应管(40)下部，甲醇水蒸气反应管(40)出口在甲醇水蒸气重整反应室(43)下部；甲醇水蒸气反应管(40)入口与甲醇水蒸气发生室(32)直接相连通，甲醇水蒸气发生室(32)内设有圆盘形换热器(33)；甲醇水蒸气重整反应室(43)顶部通过含甲醇混合气体出气管(41)连接除甲醇室(36)底部，除甲醇室(36)位于甲醇水蒸气发生室(32)和甲醇水蒸气重整反应室(43)之间；除甲醇室(36)下部经下液管(34)连接甲醇水蒸气发生室(32)底部，下液管(34)上设置有第十二节流阀(35)；除甲醇室(36)上部侧壁经不含甲醇混合气体出气管(37)与碱性溶液存罐(30)的液体入口相连；碱性溶液存罐(30)的液体出口与除湿装置(29)的液体入口相连。
3.根据权利要求2所述的一种甲醇重整器耦合内燃机的复合压缩空气储能系统，其特征在于，所述的圆盘形换热器(33)包括中间的竖直气体通道(33c)，竖直气体通道(33c)连通圆盘形换热器外壳(33a)，圆盘形换热器外壳(33a)内设置有气体分流板(33b)。
4.根据权利要求2所述的一种甲醇重整器耦合内燃机的复合压缩空气储能系统，其特征在于，所述的含冷喷涂复合涂层催化剂的肋板(38)上均匀分布肋板出气孔(42)，且奇数层与偶数层的肋板出气孔错落分布。
5.基于上述任一权利要求所述的一种甲醇重整器耦合内燃机的复合压缩空气储能系统的储能方法，其特征在于，具体如下：
储能时，空气经绝热压缩机(2)压缩后进入空气蓄热容器(3)，空气在空气蓄热容器(3)中进行热交换后经第一节流阀(4)或第四节流阀(8)进入第一高压储气罐(5)或第二高压储气罐(9)进行储存；释能时，第一引射器(11)前的第二节流阀(6)或第五节流阀(10)全开，高压空气始终以第一高压储气罐(5)或第二高压储气罐(9)内压力进入第一引射器(11)主工作气体入口，第一引射器(11)引射低尘燃烧器(21)出气或内燃机(25)高温排气并与高压气体混合成符合绝热膨胀机(12)要求的温度较高的中压气体，中压气体进入绝热膨胀机(12)做功，带动第一发电机(13)发电；
绝热膨胀机(12)排气进入甲醇水蒸气重整反应室(43)内的膨胀机高温排气管(39)，为甲醇水蒸气反应管(40)及含冷喷涂复合涂层催化剂的肋板(38)提供热量后，经除甲醇室(36)进入甲醇水蒸气发生室(32)的圆盘形换热器(33)，在圆盘形换热器(33)中换热，使甲醇水溶液蒸发产生甲醇水蒸气；甲醇水蒸气由甲醇水蒸气发生室(32)进入甲醇水蒸气反应管(40)，在甲醇水蒸气反应管(40)内壁与膨胀机高温排气管(39)外壁冷喷涂双金属催化涂层的作用下发生化学反应，反应产物与反应原料的混合气体由甲醇水蒸气反应管(40)排向甲醇水蒸气重整反应室(43)下部；混合气体由于压差的作用在甲醇水蒸气重整反应室(43)由下向上流动、流动过程经过若干含冷喷涂复合涂层催化剂的肋板(38)，混合气体在肋板上冷喷涂双金属催化涂层的作用下进一步发生反应；经含冷喷涂复合涂层催化剂的肋板(38)后，含有少量甲醇的混合气体经含甲醇混合气体出气管进入除甲醇室(36)，混合气体中甲醇水蒸气溶于水且混合气体中的热量被水吸收，除甲醇室(36)吸收甲醇后经下液管(34)并由经第十二节流阀(35)调节进入甲醇水蒸气发生室(32)；除甲醇后，混合气体经碱性溶液存罐(30)除二氧化碳后进入除湿装置(29)，进一步进入储氢罐(28)储存。
6.根据权利要求5所述的一种甲醇重整器耦合内燃机的复合压缩空气储能系统的储能方法，其特征在于，在释能初期即第一高压储气罐(5)放气释能时，内燃机发电单元不工作，低尘燃烧器单元工作，在送风机(16)的作用下，空气升至一定压力进入空气蓄热容器(3)，在空气蓄热容器(3)中吸热后，根据实际工况分为两路，一路经第九节流阀(19)作为主工作气体进入第二引射器(20)的主工作气体入口，另一路经第八节流阀(17)进入磨煤机(18)带动煤粉进入第二引射器(20)被引射气体入口，在第二引射器(20)中充分混合后进入低尘燃烧器(21)燃烧，低尘燃烧器(21)产生的高温高压气体经旋风分离器(22)及第十节流阀(23)后，进入第一引射器(11)被引射气体入口，随后被第一高压储气罐(5)内高压气体引射，在引射器内充分混合后进入绝热膨胀机(12)做功；
在释能中期即第一高压储气罐(5)压力达不到第一引射器(11)前的压力最低要求时，第一高压储气罐(5)与第一引射器(11)间第二节流阀(6)关闭，第二高压储气罐(9)与第一引射器(11)间第五节流阀(10)打开，开始放气释能，此时低尘燃烧器单元不工作，内燃机发电单元开始工作；第一高压储气罐(5)内释能后，剩余的低压气体经第三节流阀(7)调节后进入空气蓄热容器(3)，在空气蓄热容器(3)吸热后，经第七节流阀(15)进入第三引射器(24)主工作气体入口，内燃机(25)高温排气进入第三引射器(24)被引射气体入口，在第三引射器(24)内充分混合后进入第一引射器(11)被引射气体入口，在第一引射器(11)内混合后进入绝热膨胀机(12)做功；
在释能后期即第一高压储气罐(5)剩余气体压力达不到第三引射器(24)前压力的最低要求时，内燃机发电单元不工作，切换为低尘燃烧器单元工作，此时送风机(16)与空气蓄热容器(3)间第六节流阀(14)关闭，第一高压储气罐(5)与空气蓄热容器(3)间第三节流阀(7)打开，第一高压储气罐(5)内剩余气体经实际工况分为两部分，一部分直接进入第二引射器(20)主工作气体入口，另一部则进入磨煤机(18)，携带煤粉后进入第二引射器(20)被引射气体入口，充分混合后进入低尘燃烧器(21)燃烧，再经旋风分离器(22)除尘后进入第一引射器(11)被引射气体入口，在第一引射器(11)内混合后进入绝热膨胀机(12)做功。
7.根据权利要求5所述的一种甲醇重整器耦合内燃机的复合压缩空气储能系统的储能方法，其特征在于，在释能中期，第一引射器(11)的被引射气体压力出口压力根据实际情况进行调节，通过调节第三引射器(24)主工作气体的流量保证内燃气排气被完全引射的同时，维持第三引射器(24)出口压力不变；
所述的绝热膨胀机(12)高温排气温度为250-350℃，内燃机(25)排气温度为400-600℃。
8.根据权利要求5所述的一种甲醇重整器耦合内燃机的复合压缩空气储能系统的储能方法，其特征在于，所述的除甲醇室(36)内低浓度的甲醇水溶液可为甲醇水蒸气发生室(32)补水，并根据甲醇水蒸气发生室(32)内甲醇浓度自动添加液态甲醇，从而保持恒定的水醇比；甲醇重整反应器(31)做绝热处理且内壁有防锈涂层；
所述的第一高压储气罐(5)、第二高压储气罐(9)内压力为7-15MPa，第一引射器(11)前最低工作压力为5MPa，第三引射器(24)前工作压力为2-3MPa，第二引射器(20)前的最低工作压力为0.2Mpa；
所述的空气蓄热容器(3)加热气体温度为300℃-500℃。
9.根据权利要求5所述的一种甲醇重整器耦合内燃机的复合压缩空气储能系统的储能方法，其特征在于，所述的碱性溶液存罐(30)内为氢氧化钾溶液，除湿装置(29)内为浓度70％以上的浓硫酸；除甲醇室(36)内初始为清水；甲醇水蒸气发生室(32)内为甲醇水溶液，其中水醇比为1.5。
10.根据权利要求5所述的一种甲醇重整器耦合内燃机的复合压缩空气储能系统的储能方法，其特征在于，所述的甲醇水蒸气反应管(40)内壁与膨胀机高温排气管(39)外壁均有冷喷喷涂的复合涂层催化剂，复合涂层催化剂采用铜铝双金属按摩尔比1-5：1混合配比，其中：Cu粉直径5μm-20μm，Al粉直径5μm-50μm。
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