CN114988355B - 一种多能驱动的废弃物超临界水制氢系统及运行方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多能驱动的废弃物超临界水制氢系统及运行方法，包括：同轴套设外壳体和内壳体的超临界水反应器，外壳体和内壳体之间形成热源通道；热源罐依次经热源增加泵、换热器、热源电加热器连接至热源通道的入口；风电供能装置，与热源电加热器电连接；换热器连接到熔盐储能装置的储能回路中，且与换热器并联设置带有第一截止阀的旁路，熔盐储能装置包括熔盐电加热器和熔盐吸热器，熔盐电加热器与风电供能装置相连接；太阳能供能装置，与熔盐吸热器配合设置。通过本发明的技术方案，弃风耦合太阳能作为廉价可再生驱动能源，结合储热实现超临界水气化制氢的稳定运行，系统能源成本低，废弃物超临界水反应产物循环利用，无后续废弃物排放。
Description
技术领域
本发明涉及废弃物超临界水制氢技术领域，具体涉及一种多能驱动的废弃物超临界水制氢系统及运行方法。
背景技术
超临界水(PC>22.1MPa，TC>374℃)是一种特殊的反应介质，在有机废弃物的降解和能源化利用方面具有广阔的应用前景。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，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，如要提高反应效率，则需要预热至更高温度，该过程一般需要消耗大量电能，能耗及成本较高。而且，由于高温高压条件的材质要求，物料无法无限度预热，且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，现有技术中的超临界水气化制氢系统，不但消耗电能，成本较高，而且制氢效率低下，反应器内容易出现物料结焦等现象。
发明内容
有鉴于此，有必要针对上述的问题，提供一种多能驱动的废弃物超临界水制氢系统及运行方法，弃风耦合太阳能作为廉价可再生驱动能源，结合储热实现有机废弃物的超临界水气化制氢的稳定运行，系统能源成本低，利用独特的反应器分区设计实现了物料的高效预热以及强化气化，有效避免了反应的过热、结焦以及能量不必要损耗，废弃物超临界水反应产物循环利用，无后续废弃物排放。
为实现上述目的，本发明采取以下的技术方案：
一种多能驱动的废弃物超临界水制氢系统，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；所述多能驱动的废弃物超临界水制氢系统还包括：热源罐，所述热源罐依次经热源增加泵、换热器、热源电加热器连接至所述热源通道的入口；风电供能装置，与所述热源电加热器电连接，以为所述热源电加热器供电；熔盐储能装置，所述换热器连接到所述熔盐储能装置的储能回路中，且与所述换热器并联设置带有第一截止阀的旁路，所述熔盐储能装置包括熔盐电加热器和熔盐吸热器，所述熔盐电加热器与所述风电供能装置相连接；太阳能供能装置，与所述熔盐吸热器配合设置，以为所述熔盐吸热器供能。
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；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。
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，多能驱动的废弃物超临界水制氢系统还包括：预热器，连接在所述热源增压泵与所述换热器之间；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二截止阀连接至所述物料罐，所述固液分离器中的残渣通过所述第二截止阀从底部排出进入物料罐中进行循环。
优选地，多能驱动的废弃物超临界水制氢系统还包括：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；储氢装置，与所述分离提纯装置相连接；燃料电池，与所述储氢装置相连接，所述富氢燃气进入所述储氢装置并连接燃料电池发电供给用户。
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；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第一温度测量装置；制氢控制装置，分别与所述第一温度测量装置、所述热源电加热器、所述物料泵相连，所述制氢控制装置控制调节所述物料泵的流量以及所述热源电加热器的功率。
优选地，所述熔盐储能装置还包括：热盐罐，连接在所述熔盐电加热装置与所述换热器之间；冷盐罐，连接在所述熔盐吸热器与所述换热器之间；循环泵，连接在所述冷盐罐与所述熔盐吸热器之间；冷却器，连接在所述换热器与所述冷盐罐之间；冷却水泵，与所述冷却器相连接，向所述冷却器供给冷却水，所述热盐罐与所述换热器之间的连接管路上设置第二温度测量装置，以根据所述第二温度测量装置的温度信号控制冷却水泵的开闭；熔盐电加热电箱，与所述熔盐电加热器电连接。
优选地，所述风电供能装置包括：配合连接设置的风力发电机和变电器，所述变电器分别与储能电池、用户、所述熔盐电加热电箱、备用电池、制氢控制装置相连接。
一种上述多能驱动的废弃物超临界水制氢系统的运行方法，包括以下步骤：
若E＝W<W1，且Q＝0，则利用弃风产生的电能驱动热源电加热器，同时以熔盐储能装置的储备热能作为辅助，通过换热器换热实现热源的加热，并控制物料泵以最小流量F1运行，直至熔盐储能装置中的储能释放耗尽，停机；
若E＝Q<Q1，且W＝0，则利用太阳能聚焦热负荷驱动熔盐吸热器进行熔盐储能，同时以熔盐储能装置的储备热能作为辅助，通过换热器换热实现热源的加热，并控制物料泵以最小流量F1运行，直至熔盐储能装置中的储能释放耗尽，停机；
若E1<E＝Q+W<E2，则利用弃风产生的电能驱动热源电加热器，同时利用太阳能聚焦热负荷驱动熔盐吸热器进行熔盐储能通过换热器换热实现热源的加热，制氢控制装置接收第一温度测量装置的第一温度信号，调节物料泵的流量，使物料流量介于F1和F2之间运行；
若E＝Q+W>E2，且W>W2，则利用弃风产生的电能驱动热源电加热器对热源加热，控制物料泵以最大流量F2运行，打开换热器的旁路中的第一截止阀，控制换热器停止工作，弃风产生的多余电能以及太阳能聚焦热负荷分别通过熔盐电加热器和熔盐吸热器进行熔盐储能，通过第二温度测量装置的第二温度信号判断熔盐储能是否充满，在确定熔盐储能充满后，控制冷却水泵开启，利用冷却器产生热水对外输出；
若E＝Q+W>E2，且Q>Q2，则利用弃风产生的电能驱动热源电加热器耦合太阳能聚焦热负荷驱动熔盐吸热器进行熔盐储能通过换热器换热，实现热源的加热，控制物料泵以最大流量F2运行，多余的太阳能聚焦热负荷通过熔盐吸热器进行熔盐储能，通过第二温度测量装置的第二温度信号判断熔盐储能是否充满，在确定熔盐储能充满后，控制冷却水泵开启，利用冷却器产生热水对外输出，
其中，F1和F2分别表征为物料流量设计的最小流量和最大流量，W表征为可用于热源电加热器和熔盐电加热器的弃风功率，Q表征为太阳能聚焦热负荷，系统输入能量E＝W+Q，W1表征为单独通过弃风产生电能驱动热源电加热器加热实现物料以最小流量F1高效运行的功率，W2表征为单独通过弃风产生电能驱动热源电加热器加热实现物料以最大流量F2高效运行的功率，Q1表征为单独通过太阳能聚焦热负荷驱动熔盐吸热器进行熔盐储能通过换热器换热加热物料以最小流量F1高效运行的热负荷，Q2表征为单独通过太阳能聚焦热负荷驱动熔盐吸热器进行熔盐储能通过换热器换热加热物料以最大流量F2高效运行的热负荷，W1＝Q1，W2＝Q2。
本发明的有益效果为：
(1)本发明提出的多能驱动的废弃物超临界水制氢系统及运行方法，通过弃风耦合太阳能作为廉价可再生驱动能源，结合储热实现有机废弃物的超临界水气化制氢的稳定运行，系统能源成本低。
(2)本发明提出的多能驱动的废弃物超临界水制氢系统及运行方法既可以通过弃风或者太阳能实现单独能源输入，又可以在两种能源输入下协同高效运行，利用系统的整体独特设计和控制，使得系统能源输入安全稳定，而且输入能源的成本较低，弃风和太阳能协同耦合熔盐储能实现电热互补，进而保障了超临界水系统输入能源的稳定性。
(3)本发明提出的多能驱动的废弃物超临界水制氢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。
(4)本发明提出的多能驱动的废弃物超临界水制氢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一种多能驱动的废弃物超临界水制氢系统的结构示意图；
图2示出了图1一种多能驱动的废弃物超临界水制氢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换热器，110热源电加热器，112风电供能装置，1122风力发电机，1124变电器，1126储能电池，1128备用电池，114熔盐储能装置，1142熔盐电加热器，1144熔盐吸热器，1146热盐罐，1148冷盐罐，1150循环泵，1152冷却器，1154冷却水泵，1156第二温度测量装置，1158熔盐电加热电箱，116第一截止阀，118太阳能供能装置，120预热器，122固液分离器，124物料罐，126物料泵，128第二截止阀，130气液分离器，132背压阀，134分离提纯装置，136储氢装置，138燃料电池，140氧气罐，142氧气增压泵，144第一温度测量装置，146制氢控制装置。
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多能驱动的废弃物超临界水制氢系统，包括超临界水反应器102、热源罐104、风电供能装置112、熔盐储能装置114、太阳能供能装置118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与外壳体1022之间形成热源通道1026，热源通道1026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1026的出口1026-2相连接。热源从上端盖1022-1边缘的热源通道1026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1026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依次经热源增压泵106、换热器108、热源电加热器110连接至热源通道1026的入口1026-1。风电供能装置112与热源电加热器110电连接，为热源电加热器110供电，能够为热源提供热能。换热器108连接到熔盐储能装置114的储能回路中，且与换热器108并联设置带有第一截止阀116的旁路，可以控制熔盐储能装置114为热源提供热能，也可以打开阀门停止为热源供热。熔盐储能装置114包括熔盐电加热器1142和熔盐吸热器1144，熔盐电加热器1142与风电供能装置112相连接，风电供能装置112弃风产生多余的电能时，可以将其通过熔盐储能装置114进行储存。与熔盐吸热器1144配合设置太阳能供能装置118，太阳能供能装置118为太阳能聚焦系统，熔盐吸热器1144可以吸收太阳能聚焦后的能量，然后通过熔盐储能装置114为热源提供热能。从而，实现了弃风耦合太阳能作为廉价可再生驱动能源，结合储热实现有机废弃物的超临界水气化制氢的稳定运行，系统能源成本低，既可以通过弃风或者太阳能实现单独能源输入，又可以在两种能源输入下协同高效运行，弃风和太阳能协同耦合熔盐储能实现电热互补，进而保障了超临界水系统输入能源的稳定性。
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；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与换热器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经底部的第二截止阀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128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，多能驱动的废弃物超临界水制氢系统还包括：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连接储氢装置136，实现了氢气的提纯和储存，储氢装置136连接燃料电池138，能够实现富氢燃气进入储氢装置136并连接燃料电池138发电供给用户。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140，经氧气增压泵142连接至氧气注入口1038，氧气罐140中的氧气经氧气增压泵142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。
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1026的入口1026-1之间管路上设置第一温度测量装置144，热源温度控制适宜，有效避免了反应过热、结焦以及不必要的能量损耗。制氢控制装置146，分别与第一温度测量装置144、热源电加热器110、物料泵126相连，制氢控制装置146制氢控制装置146可以根据从第一温度测量装置144获取得第一温度信号，控制调节物料泵126的流量以及热源电加热器110的功率，进而保障反应的进行。
进一步地，如图1所示，熔盐储能装置114还包括：热盐罐1146，连接在熔盐电加热装置与换热器108之间；冷盐罐1148，连接在熔盐吸热器1144与换热器108之间；循环泵1150，连接在冷盐罐1148与熔盐吸热器1144之间；冷却器1152，连接在换热器108与冷盐罐1148之间；冷却水泵1154，与冷却器1152相连接，向冷却器1152供给冷却水，热盐罐1146与换热器108之间的连接管路上设置第二温度测量装置1156，以根据第二温度测量装置1156的温度信号控制冷却水泵1154的开闭；熔盐电加热电箱1158，与熔盐电加热器1142电连接。熔盐吸热器1144、熔盐电加热器1142、热盐罐1146、换热器108、冷却器1152、冷盐罐1148、循环泵1150依次连接形成闭环系统，熔盐吸热器1144吸收太阳能聚焦系统的能量，熔盐电加热电箱1158利用风电供能装置112产生的电驱动熔盐电加热器1142，一方面，可以实现对弃风、太阳能多余能量的储存，另一方面，可以将太阳能转化为热能，为反应器的热源供热。而冷却器1152、冷却水泵1154以及第二温度测量装置1156的设置，可以通过第二温度测量装置1156的第二温度信号判断熔盐储能是否充满，在确定熔盐储能充满后，利用多余的弃风或者太阳能通过冷却水泵1154和冷却器1152产生热水，实现能源的充分利用。
进一步地，如图1所示，风电供能装置112包括：配合连接设置的风力发电机1122和变电器1124，变电器1124分别与储能电池1126、用户、熔盐电加热电箱1158、备用电池1128、制氢控制装置146相连接。进而，能够充分利用风能，备用电池1128可以在风电不足时为供给系统中除热源电加热器110以外各个泵、仪表等小功率设备供电。
根据本发明的实施例的多能驱动的废弃物超临界水制氢系统的运行方法，F1和F2分别表征为物料流量设计的最小流量和最大流量，W表征为可用于热源电加热器和熔盐电加热器的弃风功率，Q表征为太阳能聚焦热负荷，系统输入能量E＝W+Q，W1表征为单独通过弃风产生电能驱动热源电加热器加热实现物料以最小流量F1高效运行的功率，W2表征为单独通过弃风产生电能驱动热源电加热器加热实现物料以最大流量F2高效运行的功率，Q1表征为单独通过太阳能聚焦热负荷驱动熔盐吸热器进行熔盐储能通过换热器换热加热物料以最小流量F1高效运行的热负荷，Q2表征为单独通过太阳能聚焦热负荷驱动熔盐吸热器进行熔盐储能通过换热器换热加热物料以最大流量F2高效运行的热负荷，W1＝Q1，W2＝Q2。
运行方法包括以下步骤：
若E＝W<W1，且Q＝0，此时系统只有弃风输入，太阳能热负荷为0，则利用弃风产生的电能驱动热源电加热器，同时以熔盐储能装置的储备热能作为辅助，通过换热器换热实现热源的加热，并控制物料泵以最小流量F1运行，直至熔盐储能装置中的储能释放耗尽，停机；
若E＝Q<Q1，且W＝0，此时系统只有太阳能输入，弃风输入为0，则利用太阳能聚焦热负荷驱动熔盐吸热器进行熔盐储能，同时以熔盐储能装置的储备热能作为辅助，通过换热器换热实现热源的加热，并控制物料泵以最小流量F1运行，直至熔盐储能装置中的储能释放耗尽，停机；
若E1<E＝Q+W<E2，则利用弃风产生的电能驱动热源电加热器，同时利用太阳能聚焦热负荷驱动熔盐吸热器进行熔盐储能通过换热器换热实现热源的加热，制氢控制装置接收第一温度测量装置的第一温度信号，调节物料泵的流量，使物料流量介于F1和F2之间运行；
若E＝Q+W>E2，且W>W2，此时单独的弃风即可满足系统运行需求，则利用弃风产生的电能驱动热源电加热器对热源加热，控制物料泵以最大流量F2运行，打开换热器的旁路中的第一截止阀，控制换热器停止工作，弃风产生的多余电能以及太阳能聚焦热负荷分别通过熔盐电加热器和熔盐吸热器进行熔盐储能，通过第二温度测量装置的第二温度信号判断熔盐储能是否充满，在确定熔盐储能充满后，控制冷却水泵开启，利用冷却器产生热水对外输出；
若E＝Q+W>E2，且Q>Q2，此时单独太阳能即可满足系统运行需求，则利用弃风产生的电能驱动热源电加热器耦合太阳能聚焦热负荷驱动熔盐吸热器进行熔盐储能通过换热器换热，实现热源的加热，控制物料泵以最大流量F2运行，多余的太阳能聚焦热负荷通过熔盐吸热器进行熔盐储能，通过第二温度测量装置的第二温度信号判断熔盐储能是否充满，在确定熔盐储能充满后，控制冷却水泵开启，利用冷却器产生热水对外输出。
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 (4)
1.一种多能驱动的废弃物超临界水制氢系统，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；
所述多能驱动的废弃物超临界水制氢系统还包括：热源罐，所述热源罐依次经热源增加泵、换热器、热源电加热器连接至所述热源通道的入口；
风电供能装置，与所述热源电加热器电连接，以为所述热源电加热器供电；
熔盐储能装置，所述换热器连接到所述熔盐储能装置的储能回路中，且与所述换热器并联设置带有第一截止阀的旁路，所述熔盐储能装置包括熔盐电加热器和熔盐吸热器，所述熔盐电加热器与所述风电供能装置相连接；
太阳能供能装置，与所述熔盐吸热器配合设置，以为所述熔盐吸热器供能；
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；
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；
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；
第一圆筒挡板和第二圆筒挡板间的环隙为初步气化反应区；
热源氧化放热区反应热释放使得热源温度重新提升，从第一圆筒挡板和热源喷射管出口以下间的环隙向下流动，形成物料的补热区；
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；
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第一温度测量装置；
制氢控制装置，分别与所述第一温度测量装置、所述热源电加热器、物料泵相连，所述制氢控制装置控制调节所述物料泵的流量以及所述热源电加热器的功率；
还包括：
预热器，连接在所述热源增压泵与所述换热器之间；
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；
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二截止阀连接至所述物料罐，所述固液分离器中的残渣通过所述第二截止阀从底部排出进入物料罐中进行循环；
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；
储氢装置，与所述分离提纯装置相连接；
燃料电池，与所述储氢装置相连接，所述富氢燃气进入所述储氢装置并连接燃料电池发电供给用户；
所述外壳体的上端盖中心位置开设氧气注入口。
2.根据权利要求1所述的多能驱动的废弃物超临界水制氢系统，其特征在于，所述熔盐储能装置还包括：
热盐罐，连接在熔盐电加热装置与所述换热器之间；
冷盐罐，连接在所述熔盐吸热器与所述换热器之间；
循环泵，连接在所述冷盐罐与所述熔盐吸热器之间；
冷却器，连接在所述换热器与所述冷盐罐之间；
冷却水泵，与所述冷却器相连接，向所述冷却器供给冷却水，所述热盐罐与所述换热器之间的连接管路上设置第二温度测量装置，以根据所述第二温度测量装置的温度信号控制冷却水泵的开闭；
熔盐电加热电箱，与所述熔盐电加热器电连接。
3.根据权利要求2所述的多能驱动的废弃物超临界水制氢系统，其特征在于，所述风电供能装置包括：
配合连接设置的风力发电机和变电器，所述变电器分别与储能电池、用户、所述熔盐电加热电箱、备用电池、所述制氢控制装置相连接。
4.一种权利要求1至3中任一项所述的多能驱动的废弃物超临界水制氢系统的运行方法，其特征在于，包括以下步骤：
若E=W<W1，且Q=0，则利用弃风产生的电能驱动热源电加热器，同时以熔盐储能装置的储备热能作为辅助，通过换热器换热实现热源的加热，并控制物料泵以最小流量F1运行，直至熔盐储能装置中的储能释放耗尽，停机；
若E=Q<Q1，且W=0，则利用太阳能聚焦热负荷驱动熔盐吸热器进行熔盐储能，同时以熔盐储能装置的储备热能作为辅助，通过换热器换热实现热源的加热，并控制物料泵以最小流量F1运行，直至熔盐储能装置中的储能释放耗尽，停机；
若E1<E=Q+W<E2，则利用弃风产生的电能驱动热源电加热器，同时利用太阳能聚焦热负荷驱动熔盐吸热器进行熔盐储能通过换热器换热实现热源的加热，制氢控制装置接收第一温度测量装置的第一温度信号，调节物料泵的流量，使物料流量介于F1和F2之间运行；
若E=Q+W>E2，且W>W2，则利用弃风产生的电能驱动热源电加热器对热源加热，控制物料泵以最大流量F2运行，打开换热器的旁路中的第一截止阀，控制换热器停止工作，弃风产生的多余电能以及太阳能聚焦热负荷分别通过熔盐电加热器和熔盐吸热器进行熔盐储能，通过第二温度测量装置的第二温度信号判断熔盐储能是否充满，在确定熔盐储能充满后，控制冷却水泵开启，利用冷却器产生热水对外输出；
若E=Q+W>E2，且Q>Q2，则利用弃风产生的电能驱动热源电加热器耦合太阳能聚焦热负荷驱动熔盐吸热器进行熔盐储能通过换热器换热，实现热源的加热，控制物料泵以最大流量F2运行，多余的太阳能聚焦热负荷通过熔盐吸热器进行熔盐储能，通过第二温度测量装置的第二温度信号判断熔盐储能是否充满，在确定熔盐储能充满后，控制冷却水泵开启，利用冷却器产生热水对外输出，
其中，F1和F2分别表征为物料流量设计的最小流量和最大流量，W表征为可用于热源电加热器和熔盐电加热器的弃风功率，Q表征为太阳能聚焦热负荷，系统输入能量E=W+Q，W1表征为单独通过弃风产生电能驱动热源电加热器加热实现物料以最小流量F1高效运行的功率，W2表征为单独通过弃风产生电能驱动热源电加热器加热实现物料以最大流量F2高效运行的功率，Q1表征为单独通过太阳能聚焦热负荷驱动熔盐吸热器进行熔盐储能通过换热器换热加热物料以最小流量F1高效运行的热负荷，Q2表征为单独通过太阳能聚焦热负荷驱动熔盐吸热器进行熔盐储能通过换热器换热加热物料以最大流量F2高效运行的热负荷，W1=Q1，W2=Q2。
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2022
- 2022-05-07 CN CN202210494506.7A patent/CN114988355B/zh active Active
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