CN114890384B - 一种分布式能源供给系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分布式能源供给系统，包括：同轴套设有外壳体和内壳体超临界水反应器，外壳体和内壳体之间形成热源通道；热源罐，热源罐依次经热源增压泵、烟气加热器、热源电加热器连接至热源通道的入口；燃气罐，超临界水反应器制备得到的富氢燃气进入燃气罐中；配合设置的燃气发电机组和燃料电池组，分别与燃气罐相连接，将富氢燃气转换为电力供给用户、超临界水反应控制电箱，超临界水反应控制电箱为系统包括热源电加热器在内的各个设备的运行提供电力，燃气发电机组与烟气加热器相连接，富氢燃气进入燃气发电机组产生的高温燃气为烟气加热器供热。通过本发明的技术方案，将废物处理与供能协同，提高能量利用效率，保障供能的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及能源供给系统技术领域，具体涉及一种分布式能源供给系统。
背景技术
相关技术中，采用柴油发电机组/燃气发电机组等离网发电设备为偏远地区供电或者远距离输送电，投资或运行成本高，而且采用柴油发电机组/燃气发电机组等发电会产生大量废热，造成了一定能源浪费。
偏远地区的农林废弃物、有机废液，有机固废存量大，处理成本较高。虽然研究人员已经开始尝试将超临界水(PC>22.1MPa，TC>374℃)这种特殊的反应介质，应用到有机废弃物、有机废液的降解和能源化利用中。在超临界水的环境下，有机物和气体可完全互溶，气液两相的相界面消失，形成均一相体系，反应速度大大加快，在较短的停留时间内，有机物迅速气化产生富氢气体，然而，由于有机物超临界水气化制氢是一个吸热反应，反应物和介质需要预热至超临界温度甚至更高温度，该过程一般需要消耗大量电能，成本较高。而且，受到材质耐高温高压的限制，物料无法无限度预热，过高的预热温度也容易造成物料结焦，降低能量利用效率，甚至影响系统安全运行。
发明内容
有鉴于此，有必要针对上述的问题，提供一种分布式能源供给系统，因地制宜，利用有机废弃物的超临界水气化制备富氢燃气，通过燃气发电机或燃料电池发电供给用户，同时将燃气发电机产生的高温废热作为超临界水系统的加热热源，将废物处理与供能协同，实现供电、储氢、储热水、储电池多能输出、存储及互补，提高能量利用效率，保障供能的稳定性。
为实现上述目的，本发明采取以下的技术方案：一种分布式能源供给系统，包括：超临界水反应器，所述超临界水反应器包括：同轴套设的外壳体和内壳体，所述外壳体和所述内壳体之间形成热源通道；热源喷射管，设置在所述内壳体的内部，所述热源喷射管的入口延伸至所述外壳体的下方且与所述热源通道的出口相连接；在所述内壳体的内部同轴设置的第一圆筒挡板和第二圆筒挡板，所述第一圆筒挡板与所述外壳体的上端盖相连接，所述第二圆筒挡板位于所述第一圆筒挡板和所述内壳体之间，所述第二圆筒挡板的底部与所述外壳体的下端盖相连接；所述分布式能源供给系统还包括：热源罐，所述热源罐依次经热源增压泵、烟气加热器、热源电加热器连接至所述热源通道的入口；燃气罐，所述超临界水反应器制备得到的富氢燃气进入所述燃气罐中；配合设置的燃气发电机组和燃料电池组，分别与所述燃气罐相连接，将富氢燃气转换为电力供给用户、超临界水反应控制电箱，所述超临界水反应控制电箱为系统包括热源电加热在内的各个设备的运行提供电力，所述燃气发电机组与所述烟气加热器相连接，富氢燃气进入所述燃气发电机组产生的高温燃气为所述烟气加热器供热。
优选地，所述热源喷射管的出口与所述外壳体的上端盖之间的距离为所述外壳体高度的1/4～1/3。
优选地，所述第一圆筒挡板的底部与所述外壳体的上端盖之间的距离为所述外壳体高度的1/3～1/2；所述外壳体的上端盖下方、所述第一圆筒挡板内部以及所述所述热源喷射管的出口上方形成热源氧化放热区。
优选地，所述第二圆筒挡板的顶部与所述外壳体的上端盖之间的距离为所述外壳体高度的1/4～1/3；所述第二圆筒挡板与所述内壳体之间形成物料预热通道。
优选地，分布式能源供给系统还包括：预热器，连接在所述热源增压泵与所述烟气加热器之间；产物出口，开设在所述外壳体的下端盖上，所述产物出口对应于所述第二圆筒挡板的内部区域；固液分离器，与所述产物出口相连接，从所述产物出口排出的产物进入所述预热器预热热源降温后进入所述固液分离器。
优选地，在所述外壳体的下端盖开设物料入口，所述物料入口对应于所述第二圆筒挡板与所述内壳体之间的区域；物料罐，经物料泵连接到所述物料入口，所述物料罐中的物料经物料泵增压至23MPa以上，从所述物料入口注入，所述物料罐中物料的有机物浓度为1％-30％，含固率0.1％-10％；所述固液分离器经底部的第一阀门连接至所述物料罐，所述固液分离器中的残渣通过所述第一阀门从底部排出进入物料罐中进行循环。
优选地，分布式能源供给系统还包括：气液分离器，与所述固液分离器相连接，所述气液分离器与所述固液分离器之间连接背压阀，所述固液分离器中的液相分离物进入背压阀将至常压后进入所述气液分离器；所述气液分离器的底部连接至所述热源罐，所述气液分离器中的液相产物补充进入所述热源罐中；分离提纯装置，与所述气液分离器的顶部相连接，所述气液分离器中的气相产物进入所述分离提纯装置中分离富氢燃气和可排放气体，所述分离提纯装置与所述燃气罐相连接，分离出来的富氢燃气进入所述燃气罐中。
优选地，进入所述热源通道的热源温度控制在500℃～700℃，所述热源电加热器与所述热源通道的入口之间管路上设置温度测量装置，以根据所述温度测量装置的温度信号控制所述物料泵的流量。
优选地，所述烟气加热器的热源进口设置第二阀门、与进热源管并联的第一支路，所述第一支路上设置第三阀门连接冷却水源；所述烟气加热器的热源出口设置第四阀门、与出热源管并联的第二支路，所述第二支路上设置第五阀门，当第二阀门、第四阀门打开且第三阀门、第五阀门关闭时，高温烟气加热热源；当第三阀门、第五阀门打开且第二阀门、第四阀门关闭时，高温烟气加热冷却水，对外输出热水。
优选地，所述外壳体的上端盖中心位置开设氧气注入口；氧气罐，经氧气增压泵连接至所述氧气注入口，氧气罐中的氧气经氧气增压泵增压至23MPa以上，从所述氧气注入口注入，氧气流量为所述热源喷射管喷射热源中有机物完全氧化所需氧量的1.1～1.5倍。
本发明的有益效果为：
(1)本发明提出的分布式能源供给系统，因地制宜，利用有机废弃物的超临界水气化制备富氢燃气，通过燃气发电机或燃料电池发电供给用户，同时将燃气发电机产生的高温废热作为超临界水系统的加热热源，将废物处理与供能协同，实现供电、储氢、储热水、储电池多能输出、存储及互补，提高能量利用效率，保障供能的稳定性。
(2)本发明提出的分布式能源供给系统中的超临界水反应器的独特设计，将反应器内分为热源对物料的预热区、物料的初步气化反应区、热源的氧化放热区、物料的补热区、物料的部分氧化及强化气化区，不但实现了高效预热及强化气化，而且提高了热源的利用率，同时有效避免了反应过热、结焦以及不必要的能量损耗。
(3)本发明提出的分布式能源供给系统中超临界水气化产物进行三相分离，固液分离的残渣循环补充物料，气液分离后的液体补充热源，系统处理有机废弃物后，无三废排放，更加绿色环保，热源中的有机物在反应器中进行氧化反应，可实现物料的二次预热，不但能够避免过多外界能量的输入而且有效避免了一次预热造成反应过热、结焦现象的发生。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1示出了根据本发明的实施例的分布式能源供给系统的结构示意图；
图2示出了图1中分布式能源供给系统中超临界水反应器的结构示意图，
其中，图1和图2中附图标记与部件之间的对应关系为：
102超临界水反应器，1022外壳体，1022-1上端盖，1022-2下端盖，1024内壳体，1026热源通道，1026-1热源通道的入口，1026-2热源通道的出口，1028热源喷射管，1028-1热源喷射管的入口，1030第一圆筒挡板，1032第二圆筒挡板，1034产物出口，1036物料入口，1038氧气注入口，104热源罐，106热源增压泵，108烟气加热器，110热源电加热器，112燃气罐，114燃气发电机组，116燃料电池组，118超临界水反应控制电箱，120预热器，122固液分离器，124物料罐，126物料泵，128第一阀门，130气液分离器，132背压阀，134分离提纯装置，136温度测量装置，138第二阀门，140第三阀门，142第四阀门，144第五阀门，146氧气罐，148氧气增压泵。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案作进一步清楚、完整地描述。需要说明的是，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1和图2所示，根据本发明的实施例的一种分布式能源供给系统，包括：超临界水反应器102、热源罐104、燃气罐112、燃气发电机组114、燃料电池组116等。超临界水反应器102包括同轴套设的外壳体1022和内壳体1024，呈同轴双壳结构，外壳体1022承压，内壳体1024和外壳体1022之间形成热源通道1026，热源通道的入口1026-1开设在外壳体1022的上端盖1022-1上，在内壳体1024的内部设置热源喷射管1028，热源喷射管的入口1028-1延伸至外壳体1022的下方且与热源通道的出口1026-2相连接。热源从上端盖1022-1边缘的热源通道的入口1026-1注入，逐渐向下流动并逐步冷却，从下端盖1022-2边缘的热源通道的出口1026-2排出，冷却后的热源从下端盖1022-2中心的热源喷射管的入口1028-1重新进入反应器，沿着热源喷射管1028向上喷出。在内壳体1024的内部同轴设置第一圆筒挡板1030和第二圆筒挡板1032，第一圆筒挡板1030与外壳体1022的上端盖1022-1相连接，第二圆筒挡板1032位于第一圆筒挡板1030和内壳体1024之间，第二圆筒挡板1032的底部与外壳体1022的下端盖1022-2相连接。外壳体1022的上端盖1022-1、第一圆筒挡板1030以及热源喷射管1028的出口以上的空间为热源氧化放热区，逐渐降温的热源中的有机物与氧气发生氧化反应，反应热释放使得热源温度重新提升，从第一圆筒挡板1030和热源喷射管1028出口以下间的环隙向下流动。第二圆筒挡板1032与内壳体1024间的环隙为物料的预热通道，常温物料从下端盖1022-2中的物料入口1036注入第二圆筒挡板1032与内壳体1024间的环隙并向上流动，自身逐步被预热并将外壳体1022和内壳体1024间环隙的热源逐步冷却。第一圆筒挡板1030和第二圆筒挡板1032间的环隙为初步气化反应区，预热后的物料发生初步气化反应但温度逐步下降，降温后的产物与热源氧化反应后的产物进行混合，实现物料的补热，以及利用热源氧化后剩余的氧气发生部分氧化反应，进而促进物料的进一步降解及气化。反应器内热源对物料的预热区、物料的初步气化反应区、热源的氧化放热区、物料的补热区、物料的部分氧化及强化气化区设计合理，不但实现了高效预热及强化气化，而且提高了热源的利用率，同时有效避免了反应过热、结焦以及不必要的能量损耗。
热源罐104依次将热源增压泵106、烟气加热器108、热源电加热器110连接至热源通道的入口1026-1。超临界水反应器102制备得到的富氢燃气进入燃气罐112中。配合设置的燃气发电机组114和燃料电池组116，分别与燃气罐112相连接。燃气罐112中的富氢燃气进入燃气发电组和/或燃料电池组116中，转换为电力供给用户、超临界水反应控制电箱118，超临界水反应控制电箱118为系统包括热源电加热器110在内的各个设备的运行提供电力，也即超临界水反应器102制备得到的富氢燃气转换的部分电力又用来保障超临界水反应器102的运行。而在燃气发电机组114发电过程中产生的高温烟气达400℃～600℃，进入烟气加热器108，加热热源，实现了对燃气发电机产生的高温废热的有效利用，将废物处理与供能协同，实现供电、储氢等等多能输出、存储及互补，提高能量利用效率，保障供能的稳定性。
进一步地，如图2所示，热源喷射管1028的出口与外壳体1022的上端盖1022-1之间的距离为外壳体1022高度的1/4～1/3。从而，有利于热源与氧气充分接触，逐渐降温的热源中的有机物与氧气发生氧化反应，氧化反应较为彻底，反应热释放使得热源温度重新提升。
进一步地，如图2所示，第一圆筒挡板1030的底部与外壳体1022的上端盖1022-1之间的距离为外壳体1022高度的1/3～1/2；外壳体1022的上端盖1022-1下方、第一圆筒挡板1030内部以及热源喷射管1028的出口上方形成热源氧化放热区。从而，进一步保障了反应器内分区合理性，热源氧化放热区设计合理，不但充分利用了空间，而且热源氧化放热区，逐渐降温的热源中的有机物与氧气发生氧化反应，氧化反应较为彻底，反应热释放使得热源温度重新提升，从第一圆筒挡板1030和热源喷射管1028出口以下间的环隙向下流动，能够更好地为物料补热，有利于促进物料的进一步降解及气化，使得物料反应更加彻底。
进一步地，如图2所示，第二圆筒挡板1032的顶部与外壳体1022的上端盖1022-1之间的距离为外壳体1022高度的1/4～1/3；第二圆筒挡板1032与内壳体1024之间形成物料预热通道。从而，使得常温物料从下端盖1022-2中物料入口1036注入第二圆筒挡板1032与内壳体1024间的环隙并向上流动，自身逐步被预热并将外壳体1022和内壳体1024间环隙的热源逐步冷却，之后能够更好地进入第一圆筒挡板1030和第二圆筒挡板1032间的环隙发生初步气化反应，一方面，预热温度适宜，保障了物料预热效果，另一方面，对物料充分预热提高了初步气化反应。
进一步地，如图1和图2所示，在热源增压泵106与烟气加热器108之间连接预热器120，在外壳体1022的下端盖1022-2上开设产物出口1034，产物出口1034对应于第二圆筒挡板1032的内部区域。固液分离器122，与产物出口1034相连接，从产物出口1034排出的产物进入预热器120预热热源降温后进入固液分离器122。从而，充分利用了产物热量，节约了外界能源的输入。
进一步地，如图1和图2所示，在外壳体1022的下端盖1022-2开设物料入口1036，物料入口1036对应于第二圆筒挡板1032与内壳体1024之间的区域；物料罐124，经物料泵126连接到物料入口1036，物料罐124中的物料经物料泵126增压至23MPa以上，从物料入口1036注入，物料罐124中物料的有机物浓度为1％-30％，含固率0.1％-10％；固液分离器122经底部的第一阀门128连接至物料罐124，固液分离器122中的残渣通过第二截止阀从底部排出进入物料罐124中进行循环。从而，进一步保障了制氢效果，固液分离的残渣循环补充物料，进一步提升了物料的利用率，有利于实现无三废排放。
进一步地，如图1和图2所示，分布式能源供给系统还包括：与固液分离器122相连接的气液分离器130，气液分离器130与固液分离器122之间连接背压阀132，固液分离器122中的液相分离物进入背压阀132将至常压后进入气液分离器130；气液分离器130的底部连接至热源罐104，气液分离器130中的液相产物补充进入热源罐104中，重新注入系统进行循环，液相产物中含有一定量的有机物，热源中的有机物在反应器中进行氧化反应，可实现物料的二次预热，有利于促进物料的进一步降解及气化，使得物料反应更加彻底。气液分离器130的顶部连接分离提纯装置134，气液分离器130中的气相产物进入分离提纯装置134中分离富氢燃气和可排放气体，分离提纯装置134连接燃气罐112，分离出来的富氢燃气进入燃气罐112中，为燃气发电机组114和燃料电池组116提供富氢燃气。分离提纯装置134包含溶液吸附、变压吸附等。
进一步地，如图1所示，进入热源通道1026的热源温度控制在500℃～700℃，热源电加热器110与热源通道的入口1026-1之间管路上设置温度测量装置136，一方面，使得热源温度控制适宜，另一方面，可以根据温度信号控制物料泵126流量，有效避免了反应过热、结焦以及不必要的能量损耗。
进一步地，烟气加热器108的热源进口设置第二阀门138、与进热源管并联的第一支路，第一支路上设置第三阀门140连接冷却水源；烟气加热器108的热源出口设置第四阀门142、与出热源管并联的第二支路，第二支路上设置第五阀门144，当第二阀门138、第四阀门142打开且第三阀门140、第五阀门144关闭时，高温烟气加热热源；当第三阀门140、第五阀门144打开且第二阀门138、第四阀门142关闭时，高温烟气加热冷却水，对外输出热水。从而，进一步保障了对高温烟气中废热的有效利用，既能够保障超临界水反应器102制氢的稳定运行，也可以在高温烟气废热过多时，对外输出热水，提高废热利用率。
进一步地，如图1和图2所示，外壳体1022的上端盖1022-1中心位置开设氧气注入口1038；氧气罐146，经氧气增压泵148连接至氧气注入口1038，氧气罐146中的氧气经氧气增压泵148增压至23MPa以上，从氧气注入口1038注入，氧气流量为热源喷射管1028喷射热源中有机物完全氧化所需氧量的1.1～1.5倍，从而，过量的氧气不但保障了热源中有机物的完全氧化，而且热源氧化反应后的产物会与发生初步气化反应降温后的产物混合，实现物料的补热的同时，能够利用热源氧化后剩余的氧气发生部分氧化反应，进而促进物料的进一步降解及气化。
本发明提出的分布式能源供给系统至少可以实现以下四种运行模式：
(1)物料罐中的物料(有机废弃物)进入超临界水反应器制取富氢燃气，且富氢燃气经燃气发电机组发电供给给用户，燃气发电机组的高温烟气进入烟气加热器，为热源提供热量，保障超临界水反应器的运行，此时热源电加热器不工作，通过温度测量装置的温度信号控制物料泵的流量，实现高效稳定运行。
(2)物料罐中的物料(有机废弃物)进入超临界水反应器制取富氢燃气，富氢燃气在燃气罐中存储，燃气发电组不工作，无高温烟气产生，此时，通过燃料电池组为热源电加热器供电，通过温度测量装置的温度信号控制物料泵的流量，实现高效稳定运行。
(3)超临界水反应器不运行，燃气罐中储存的富氢燃气，通过燃料电池组为用户供电。
(4)超临界水反应器不运行，燃气罐中储存的富氢燃气，经燃气发电机组发电供给给用户，高温烟气进入烟气加热器将冷却水加热产生热水输出。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种分布式能源供给系统，其特征在于，包括：超临界水反应器，所述超临界水反应器包括：
同轴套设的外壳体和内壳体，所述外壳体和所述内壳体之间形成热源通道；
热源喷射管，设置在所述内壳体的内部，所述热源喷射管的入口延伸至所述外壳体的下方且与所述热源通道的出口相连接；
在所述内壳体的内部同轴设置的第一圆筒挡板和第二圆筒挡板，所述第一圆筒挡板与所述外壳体的上端盖相连接，所述第二圆筒挡板位于所述第一圆筒挡板和所述内壳体之间，所述第二圆筒挡板的底部与所述外壳体的下端盖相连接；
所述分布式能源供给系统还包括：
热源罐，所述热源罐依次经热源增压泵、烟气加热器、热源电加热器连接至所述热源通道的入口；
燃气罐，所述超临界水反应器制备得到的富氢燃气进入所述燃气罐中；
配合设置的燃气发电机组和燃料电池组，分别与所述燃气罐相连接，将富氢燃气转换为电力供给用户、超临界水反应控制电箱，所述超临界水反应控制电箱为系统包括热源电加热器在内的各个设备的运行提供电力，所述燃气发电机组与所述烟气加热器相连接，富氢燃气进入所述燃气发电机组产生的高温燃气为所述烟气加热器供热。
2.根据权利要求1所述的分布式能源供给系统，其特征在于，
所述热源喷射管的出口与所述外壳体的上端盖之间的距离为所述外壳体高度的1/4～1/3。
3.根据权利要求2所述的分布式能源供给系统，其特征在于，
所述第一圆筒挡板的底部与所述外壳体的上端盖之间的距离为所述外壳体高度的1/3～1/2；
所述外壳体的上端盖下方、所述第一圆筒挡板内部以及所述热源喷射管的出口上方形成热源氧化放热区。
4.根据权利要求1所述的分布式能源供给系统，其特征在于，
所述第二圆筒挡板的顶部与所述外壳体的上端盖之间的距离为所述外壳体高度的1/4～1/3；
所述第二圆筒挡板与所述内壳体之间形成物料预热通道。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的分布式能源供给系统，其特征在于，还包括：
预热器，连接在所述热源增压泵与所述烟气加热器之间；
产物出口，开设在所述外壳体的下端盖上，所述产物出口对应于所述第二圆筒挡板的内部区域；
固液分离器，与所述产物出口相连接，从所述产物出口排出的产物进入所述预热器预热热源降温后进入所述固液分离器。
6.根据权利要求4所述的分布式能源供给系统，其特征在于，
在所述外壳体的下端盖开设物料入口，所述物料入口对应于所述第二圆筒挡板与所述内壳体之间的区域；
物料罐，经物料泵连接到所述物料入口，所述物料罐中的物料经物料泵增压至23MPa以上，从所述物料入口注入，所述物料罐中物料的有机物浓度为1％-30％，含固率0.1％-10％；
固液分离器经底部的第一阀门连接至所述物料罐，所述固液分离器中的残渣通过所述第一阀门从底部排出进入物料罐中进行循环。
7.根据权利要求5所述的分布式能源供给系统，其特征在于，还包括：
气液分离器，与所述固液分离器相连接，所述气液分离器与所述固液分离器之间连接背压阀，所述固液分离器中的液相分离物进入背压阀将至常压后进入所述气液分离器；
所述气液分离器的底部连接至所述热源罐，所述气液分离器中的液相产物补充进入所述热源罐中；
分离提纯装置，与所述气液分离器的顶部相连接，所述气液分离器中的气相产物进入所述分离提纯装置中分离富氢燃气和可排放气体，
所述分离提纯装置与所述燃气罐相连接，分离出来的富氢燃气进入所述燃气罐中。
8.根据权利要求6所述的分布式能源供给系统，其特征在于，
进入所述热源通道的热源温度控制在500℃～700℃，所述热源电加热器与所述热源通道的入口之间管路上设置温度测量装置，以根据所述温度测量装置的温度信号控制所述物料泵的流量。
9.根据权利要求7所述的分布式能源供给系统，其特征在于，
所述烟气加热器的热源进口设置第二阀门、与进热源管并联的第一支路，所述第一支路上设置第三阀门连接冷却水源；
所述烟气加热器的热源出口设置第四阀门、与出热源管并联的第二支路，所述第二支路上设置第五阀门，
当第二阀门、第四阀门打开且第三阀门、第五阀门关闭时，高温烟气加热热源；
当第三阀门、第五阀门打开且第二阀门、第四阀门关闭时，高温烟气加热冷却水，对外输出热水。
10.根据权利要求8所述的分布式能源供给系统，其特征在于，
所述外壳体的上端盖中心位置开设氧气注入口；
氧气罐，经氧气增压泵连接至所述氧气注入口，氧气罐中的氧气经氧气增压泵增压至23MPa以上，从所述氧气注入口注入，氧气流量为所述热源喷射管喷射热源中有机物完全氧化所需氧量的1.1～1.5倍。
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