CN115744824B - 一种多能互补分布式能源余热余电制氢集成系统 - Google Patents
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Abstract
一种多能互补分布式能源余热余电制氢集成系统，包括多能互补分布式能源余热余电制氢集成系统中的燃气发电机余烟利用系统，可再生能源余电利用系统及小型化天然气制氢系统。其中多能互补分布式能源由燃气冷热电三联供与太阳能风能发电系统组成。利用燃气发电机余烟通过余烟余热锅炉制取小型化天然气制氢设备燃气氢化所需的高温水蒸气消耗掉燃气发电机的余热，同时为了避免可再生能源余电上大电网影响电网稳定，将余电用于小型化天然气制氢系统中有稳定电负荷的气体压缩机。本发明通过余热制取制氢反应所需高温水蒸气、余电用于提供制氢所需气体压缩机的动力来消耗掉多能互补分布式能源的余热余电，实现以氢能的形式进行能量的存储。
Description
技术领域
本发明涉及分布式能源系统及其建筑中新能源利用领域，具体涉及一种多能互补分布式能源余热余电制氢集成系统。
背景技术
目前，中国向世界提出了在2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和的双碳目标。为实现这个目标，天然气燃气内燃机冷热电联供系统与太阳能风能等可再生能源发电系统组成的多能互补分布式能源系统正在中国国内逐步得到普及应用。天然气燃气内燃机冷热电联供与太阳能风能组成的多能互补分布式能源系统在实际普及应用中存在设计中系统容量设置与建筑负荷不相匹配导致长时间超低负荷运行效益不高、过渡季节或深夜建筑冷热量需求不大的时段，天然气内燃机余热无法得到有效利用而导致大量的余烟排向大气造成了余热的浪费和对环境的热污染。此外，多能互补分布式能源系统中的可再生能源发电量的不稳定导致余电的产生进而造成弃光充风问题。因此解决多能互补分布式能源系统存在的余热余电问题迫在眉睫。
而在另一方面，氢能作为绿色能源有助于国家双碳目标的进一步实现。中国主要制氢的方式有煤制氢、天然气制氢、甲醇制氢、工业副产制氢、炼厂气制氢、焦炉煤制氢、电解水制氢、氨分解制氢等制氢形式。其中天然气制氢目前为国内外普遍采用的天然气制氢工艺路线，主要工艺流程是将天然气与水蒸气在高温环境下发生化学反应制成主要由CO、CO2和水蒸气组成的混合气体，之后再通过水煤气转换反应将置于高温环境下的CO转换成CO2和氢气，最后经分离、提纯得到高纯度的氢气。相比煤制氢而言，天然气制氢投资成本更低、氢气产率更高，且CO2排放量更低。根据国家发展改革委员会和能源局的规划，未来城市中小型化天然气制氢加氢站将增加。而在小型化天然气制氢转化中需要额外制取天然气氢化反应所需的高温水蒸气以及需额外提供大量电力给气体压缩机用于天然气压缩和氢气压缩。因此，基于以上情况，迫切需要利用多能互补分布式能源系统的余热余电，开发一种通过小型化天然气制取氢气将多能互补分布式能源中余热余电消耗掉并以氢能形式储存的制氢集成系统。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足之处，本发明提供一种多能互补分布式能源余热余电制氢集成系统。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种多能互补分布式能源余热余电制氢集成系统，包括
附图说明
图1是本发明的系统示意图。
其中，（1）为阀门，（2）为天然气内燃发电机，（3）为阀门，（4）为余烟溴化锂冷热水机组，（5）为阀门，（6）为余烟余热锅炉，（7）为阀门，（8）为水蒸气与天然气的混合器，（9）为阀门，（10）为阀门，（11）为气体压缩机，（12）为热交换器，（13）为天然气脱硫器，（14）为热交换器，（15）为天然气转化炉，（16）为燃烧加热器，（17）为中变炉，（18）为热交换器，（19）为高温冷却水泵，（20）为气液分离器，（21）为变压吸附氢气提纯设备，（22）为分离废气储气罐，（23）为气体压缩机，（24）为氢气储气罐，（25）为可再生能源发电，（26）为直交流逆变器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步详细说明：
如图1所示，本发明一种多能互补分布式能源余热余电制氢集成系统，包括多能互补分布式能源余热余电制氢集成系统中的燃气发电机余烟利用系统，可再生能源发电余电利用系统及小型化天然气制氢系统。
管道天然气经阀门（1）进入到燃气内燃发电机（2）进行燃烧发电，伴随内燃机燃烧发电产生高温余烟（368～469℃）。在夏冬季建筑冷热负荷充足阶段，高温余烟经阀门（3）进入到溴化锂吸收式冷热水机组（4）产生冷水或热水进行制冷或供暖。但在过渡季节或是深夜建筑冷热负荷不足或没有冷热负荷的时间段，调节或关闭阀门（3），高温余烟则经阀门（5）进入到余烟余热锅炉（6）将高温入水加热产生过热高温水蒸气用于天然气制取氢气反应。余烟余热锅炉（6）的入水来源于常温冷却水进行过热交换后升温的高温水。为节省额外储备运输天然气的费用，制取氢气所需天然气原料取自同一天然气管道，管道天然气通过阀门（10）进入到气体压缩机（11），将中压管道天然气增压到0.9MPa。由于管道天然气含有硫化物，需先进行脱硫反应才可让天然气进行氢化反应。脱硫反应需在较高温度（290～350℃）下进行，于是让增压后的天然气与从天然气转化炉（15）出来的以CO和水蒸气为主的高温混合气体（750～800℃）先在热交换器（12）中进行热交换升温，再进入天然气脱硫器（13）中在催化剂下进行脱硫反应，胶硫反应公式为：ZnO+H2S→ZnS+H2O。经脱硫后的天然气与从余烟余热锅炉（6）中制取的高温水蒸气在水蒸气与天然气的混合器（8）中进行混合，为进入到天然气转化炉（15）中进行氢化反应做升温准备。由于氢化反应需要在极度高温（750～800℃）下进行，为减少燃烧加热器（16）中加热反应所需天然气燃料使用量，本发明除了利用天然气内燃发电机（2）的余烟通过余烟余热锅炉（6）制取天然气氢化反应所需的高温水蒸气外，在此在燃烧加热器（16）的烟道中加装热交换器（14）让需进行化学反应的混合气体先与燃烧加热器（16）中烟道的燃烧烟气进行充分的热交换后再进入到天然气转化炉（15）中。天然气转化炉（15）安装于燃烧加热器（16）内部，燃烧加热器（16）的燃料大部分来源于管道天然气，另外一部分来源于氢气提纯吸附后分离后的分离废气储气罐（22）中。燃料与空气混合进入燃烧加热器（16）进行燃烧加热天然气转化炉（15），产生的烟气通过燃烧加热器（16）中的烟道排出再经烟气管道进入到余烟余热锅炉（6）中制取高温水蒸气。高温烟气经过余烟余热锅炉（6）放热变成低温烟气后再经过净化处理排放到大气。天然气CH4与水蒸气H2O的高温混合物进入到天然气转化炉（15）内在催化剂（一般采用镍基催化剂）下进行化学反应产生CO和H2并吸收热量，具体化学反应公式:CH4+H2O→CO+H2-Q。进行化学反应后的混合气体从天然气转化炉（15）出来经与压缩后的天然气在热交换器（12）进行热交换降温后进入到中变炉（17）中。在中变炉（17）中在催化剂（一般采用铜系催化剂）作用下CO和水蒸气H2O进行中变反应（反应温度200～300℃），生成CO2和H2并释放热量，具体化学反应公式:CO+H2O→CO2+H2+Q。进行中变反应后的混合气体中主要是CO2和H2,另外还含有部分的CO、CH4和水蒸气H20。从中变炉（17）出来的混合气体再经热交换器（18）与常温冷却水进行充分热交换后温度降为常温进入到气液分离器（20）中，而为了利用这一部分余热将常温冷却水经热交换后变成的高温水直接通入到余烟余热锅炉（6）中用作生产高温水蒸气的原料水。气液分离器（20）将降温后由水蒸气变成的液态水与其它混合气体分离，分离后的混合气体再次进入变压吸附（PSA）氢气提纯设备（21）进行吸附提纯。设备将氢气与其它气体分离，而被从氢气H2中分离出来的可燃废气CO、CH4等则进入到分离废气储气罐（22）中被暂时存储，CO2则被变压吸附剂吸附统一处理。被吸附提纯的氢气经压缩机（23）压缩后变成高压进入氢气储气罐（24）运往需要的地方，暂时存储被分离的含有可燃气体CO和CH4等废气经分离废气储气罐（22）输入到燃烧加热器（16）进行燃烧用于提供天然气转化炉（15）中天然气转化成氢气所需热量。此外对于利用余电方面，由于小型化天然气制氢系统中有稳定的气体压缩电负荷，可将可再生能源（太阳能和风能）发电（25）产生的直流余电经直交流逆变器（26）变成交流电后直接用于气体压缩机（11）和（23），不需额外设置蓄电池也可消耗掉可再生能源余电避免让余电并入电网影响大电网的稳定运行。
Claims (6)
1.一种多能互补分布式能源余热余电制氢集成系统，其中多能互补分布式能源由天然气冷热电三联供系统与可再生能源发电系统组成，其特征在于，包括多能互补分布式能源余热余电制氢集成系统中的燃气发电机余烟利用系统，可再生能源发电余电利用系统及小型化天然气制氢系统；所述燃气发电机余烟利用系统包括阀门(1)、天然气内燃发电机(2)、阀门(3)、余烟溴化锂冷热水机组(4)、阀门(5)、余烟余热锅炉(6)、阀门(7)、水蒸气与天然气的混合器(8)和高温冷却水泵(19)；管道天然气经阀门(1)调节流量进入燃气内燃发电机(2)，燃气内燃发电机(2)的烟气出口经烟气管道与阀门(3)入口相连，阀门(3)出口经烟气管道与余烟溴化锂冷热水机组(4)的烟气入口相连；燃气内燃发电机(2)的烟气出口经烟气管道与阀门(5)的入口相连，阀门(5)的出口经烟气管道与余烟余热锅炉(6)的烟气入口相连；余烟余热锅炉(6)的水蒸气出口经水蒸气管道与阀门(7)的入口相连，阀门(7)的出口经水蒸气管道和水蒸气与天然气的混合器(8)的水蒸气入口相连；常温冷却水换热升温后流入高温冷却水泵(19)，高温冷却水泵(19)的出口经水管道与余烟余热锅炉(6)的水入口相连；
所述可再生能源发电余电利用系统包括可再生能源发电(25)，直交流逆变器(26)，气体压缩机(11)和气体压缩机(23)；可再生能源发电(25)产生的直流余电经电路进入到直交流逆变器(26)，直交流逆变器(26)转变的交流电经电路分别进入到气体压缩机(11)和气体压缩机(23)；
所述小型化天然气制氢系统包括阀门(9)、阀门(10)、气体压缩机(11)、热交换器(12)、天然气脱硫器(13)、水蒸气与天然气的混合器(8)、热交换器(14)、天然气转化炉(15)、燃烧加热器(16)、中变炉(17)、热交换器(18)、高温冷却水泵(19)、余烟余热锅炉(6)、阀门(7)、气液分离器(20)、变压吸附氢气提纯设备(21)、分离废气储气罐(22)、气体压缩机(23)、氢气储气罐(24)；管道天然气经天然气管道与阀门(10)的入口相连，阀门(10)的出口经天然气管道与气体压缩机(11)的入口相连，气体压缩机(11)的出口经天然气管道与热交换器(12)的燃气通道入口相连，热交换器(12)的燃气通道出口经天然气管道与天然气脱硫器(13)的入口相连，天然气脱硫器(13)的出口经天然气管道与水蒸气与天然气的混合器(8)的天然气入口相连；经脱硫的天然气与经余烟余热锅炉(6)制得的高温水蒸气混合于水蒸气与天然气的混合器(8)中，水蒸气与天然气的混合器(8)的出口经混合气体管道与热交换器(14)的入口相连，热交换器(14)的出口经混合气体管道与天然气转化炉(15)的入口连接，天然气转化炉(15)的出口经混合气体管道与热交换器(12)的混合气体入口相连，热交换器(12)的混合气体出口经混合气体管道与中变炉(17)的入口相连；以CO和水蒸气H2O为主的混合气体在中变炉(17)中进行化学转化反应生成CO2和H2，中变炉(17)的出口经混合气体管道与热交换器(18)的混合气体入口相连，热交换器(18)的混合气体出口经混合气体管道与气液分离器(20)的入口相连；常温冷却水经热交换器(18)的冷却水入口进入热交换器(18)，换热升温后的冷却水从热交换器(18)的冷却水出口流出经水管道与高温冷却水泵(19)的入口相连，高温冷却水泵(19)的出口经水管道与余烟余热锅炉(6)的水入口相连；气液分离器(20)的出口与变压吸附氢气提纯设备(21)的混合气体入口相连，含有氢气H2的混合气体在变压吸附氢气提纯设备(21)中被吸附提纯；变压吸附氢气提纯设备(21)的氢气出口经氢气管道与气体压缩机(23)的入口相连，气体压缩机(23)的出口与氢气储气罐(24)相连；变压吸附氢气提纯设备(21)的废气出口经废气管道与分离废气储气罐(22)的入口相连，分离废气储气罐(22)的出口经废气管道与燃烧加热器(16)的入口相连；管道天然气流入阀门(9)，阀门(9)的出口经天然气管道与燃烧加热器(16)的入口相连，燃烧加热器(16)的高温烟道出口经烟气管道与余烟余热锅炉(6)的烟气入口相连。
2.根据权利要求1所述的多能互补分布式能源余热余电制氢集成系统，其中，所述燃气发电机余烟利用系统的特征在于：天然气内燃发电机(2)的高温烟气在没有建筑冷热负荷需求的时候并非进入余烟溴化锂冷热水机组(4)中制取冷热水，而是进入余烟余热锅炉(6)中制取小型化天然气制氢所需的高温水蒸气，以制取氢气所需的高温水蒸气来利用余烟的余热；建筑冷热负荷需求大时打开阀门(3)，关闭阀门(5)制取冷热水；没有建筑冷热负荷需求时关闭阀门(3)，打开阀门(5)制取高温水蒸气。
3.根据权利要求1所述的多能互补分布式能源余热余电制氢集成系统，其中，所述可再生能源发电余电利用系统的特征在于：可再生能源发电(25)产生的直流余电不需专门设置蓄电池直接进入有稳定电负荷的压缩机(11)和压缩机(23)用来压缩天然气和氢气。
4.根据权利要求1所述的多能互补分布式能源余热余电制氢集成系统，其中，所述小型化天然气制氢系统的特征在于：因天然气转化炉(15)中天然气转化反应需高温750～800℃水蒸气与天然气的混合器(8)中的水蒸气H2O与天然气CH4的混合物不是直接进入天然气转化炉(15)中，而是先进入热交换器(14)中先换热升温；热交换器(14)的一面镶嵌在天然气转化炉(15)的被加热高温外壁表面上，另一面置于天然气转化炉(15)的外壁与燃烧加热器(16)内壁间形成的狭窄烟道内，让天然气与水蒸气的混合物充分吸收燃烧加热器(16)中的烟气余热加速升温。
5.根据权利要求1或4所述的多能互补分布式能源余热余电制氢集成系统，其中，所述小型化天然气制氢系统的特征在于：从燃烧加热器(16)烟道出口排出的高温烟气不是直接排向大气，而是经烟气管道排入余烟余热锅炉(6)中用于制取天然气转换反应所需的高温水蒸气。
6.根据权利要求5所述的多能互补分布式能源余热余电制氢集成系统，其中，小型化天然气制氢系统的特征在于：从中变炉(17)出来的混合气体经热交换器(18)被冷却降到常温后，被升温的冷却水不是直接排放掉而是经高温冷却水泵(19)进入到余烟余热锅炉(6)的入水口处作为制取高温水蒸气的原料水使用。
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