CN117154151B - 一种利用废食用油重整制氢的固体氧化物燃料电池系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用废食用油重整制氢的固体氧化物燃料电池系统，包括SOFC电堆、重整器、燃烧器、气化器、蒸汽发生器和储热罐，重整器通过重整气输送管路与电堆阳极输入口连接；废食用油通过气化器气化，与水蒸气一同进入重整器中催化重整制取合成气，为电堆阳极提供燃料，实现了废食用油与固体氧化物燃料电池系统的有机结合，提供了一种废食用油有效利用的方法；同时从电堆出来的尾气依次经过储热罐、气化器、蒸汽发生器和空气预热器，进行尾气余热的梯级利用，合理安排高温尾气在各级的换热温差，缓解了高温差换热引起的不可逆损失；设置有储热罐，将高温尾气的部分热能以化学能的形式储存起来，有助于尾气余热后续的灵活利用。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种利用废食用油重整制氢的固体氧化物燃料电池系统。
背景技术
废食用油，其来源广泛，如餐厅的剩饭菜、下水道油腻漂浮物经简单加工提炼出的油，劣质猪内脏、猪皮加工后提炼后产出的油及油炸食品反复使用的油；废食用油的主要成分是脂肪酸甘油酯，经污染后会发生酸败、氧化和分解等一系列化学反应，产生有害物质，对人们的饮食安全造成危害。
目前固体氧化物燃料电池(SOFC)主要以天然气、石油等化石燃料为原料进行重整获得氢气，但化石燃料存在料存在储量有限、不可再生、污染严重等问题。因此，废食用油可作为一种总量大、来源丰富、二次污染小的氢源，具有巨大的优势。
现有的固体氧化物燃料电池系统，仍未能有效利用废食用油作为原料重整制取氢气，现有的制氢方式多为化学链重整制氢，存在需添加的化学成分复杂，工艺复杂，过程难以控制，转化率低、成本高等问题。
发明内容
本发明的目的是设计一种利用废食用油重整制氢的固体氧化物燃料电池系统，实现制氢工艺简单，制氢过程可控制和转化率高，以解决上述背景技术所提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：提供一种利用废食用油重整制氢的固体氧化物燃料电池系统，包括SOFC电堆、重整器、燃烧器、气化器、蒸汽发生器和空气预热器，所述重整器通过重整气输送管路与电堆阳极输入口连接；
所述气化器的输入端通过第一废油供给管路与废食用油供给源连接，所述气化器的输出端通过气态油供给管路与所述重整器连接；
所述燃烧器的输入端通过燃料输入管路与燃料供给源连接，所述燃烧器的输出端分别通过第二蒸汽供给管路与所述重整器连接和通过第三空气供给管路与所述SOFC电堆的阴极输入口连接；
所述蒸汽发生器的输入端通过水供给管路与水供给源连接，所述蒸汽发生器的输出端通过第一蒸汽供给管路与所述燃烧器连接；
所述空气预热器的输入端通过第一空气供给管路与空气供给源连接，所述空气预热器的输出端通过第二空气供给管路与所述燃烧器连接。
进一步地，还包括预处理器，所述预处理器的输入端通过所述第一废油供给管路与所述废食用油供给源连接，所述预处理器的输出端通过第二废油供给管路与所述气化器连接；所述第二废油供给管路上还安装有油泵。
进一步地，还包括储热罐，所述SOFC电堆的阳极输出口和阴极输出口均通过排气管路与所述储热罐的输入端连接，所述储热罐的输出端通过第一尾气管路与气化器连接。
进一步地，所述储热罐内部填充有氢氧化钙和氧化钙的混合物。
进一步地，所述储热罐的输出端还设有排水管。
进一步地，所述气化器通过第二尾气管路与所述蒸汽发生器连接。
进一步地，所述蒸汽发生器通过第三尾气管路与所述空气预热器连接。
进一步地，还包括三通阀，所述三通阀的第一阀口通过第四尾气管路与所述蒸汽发生器连接，所述三通阀的第二阀口通过第五尾气管路与所述燃烧器连接，所述三通阀的第三阀口连通有第六尾气管路。
进一步地，还包括吸附器，所述吸附器的输入端通过吸附器输入管路与所述三通阀连接，所述吸附器的输出端与所述第六尾气管路连通。
进一步地，所述吸附器的内部填充有二氧化碳吸附剂，所述二氧化碳吸附剂采用低温固体吸附剂，所述低温固体吸附剂为沸石分子筛、胺基吸附剂、碳酸钠、碳酸钾中的一种或多种。
本发明的反应原理是：
废食用油供给源通过第一废油供给管路加入到气化器，设定气化工作温度，使得废食用油从液态转换为气态，然后通过气态油供给管路传输给重整器；水供给源通过水供给管路加入蒸汽发生器，使得水从液态转换为蒸汽态，然后通过第一蒸汽供给管路传输给燃烧器；空气供给源通过第一空气供给管路加入空气预热器，对空气进行预热，然后通过第二空气供给管路传输给燃烧器，燃料供给源通过燃料输入管路输入到燃烧器，并对燃烧器里的温度加热至重整器的反应温度，同时将水蒸气、空气加热至重整器的反应温度，水蒸气通过第二蒸汽供给管路进入重整器，空气通过第三空气供给管路从SOFC电堆的阴极输入口进入，为SOFC电堆的阴极提供热源；同时当废食用油以气态、水以蒸汽态进入重整器后，在重整器内进行蒸汽重整反应，生成合成气，即氢气和一氧化碳。
理论上发生的反应如下：
(1)蒸汽重整：
(2)水汽转换反应：
反应完毕后，得到高纯氢气，通过重整气输送管路从SOFC电堆的阳极输入口进入，为SOFC电堆的阳极提供燃料。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明通过利用废食用油作为原料，在催化剂的作用下蒸汽重整制取合成气，为电堆阳极提供燃料；同时通过加热空气为SOFC电堆的阴极提供热源，只需采用废食用油和水作为原料，原料来源丰富，制氢工艺简单，制氢过程易于控制，副反应少，转化率高，可得到高纯度的氢气；且制氢过程没有分子氧的参与，抑制了NOx等污染物的生成，实现了废食用油与固体氧化物燃料电池系统的有机结合，废食用油能够达到有效利用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的整体结构示意图。
图中所标各部件的名称如下：
1、第一废油供给管路；2、预处理器；3、油泵；4、第二废油供给管路；5、气化器；6、第一尾气管路；7、储热罐；8、排水管；9、排气管路；10、SOFC电堆；11、第三空气供给管路；12、燃烧器；13、燃料输入管路；14、第五尾气管路；15、吸附器；16、吸附器输入管路；17、三通阀；18、第四尾气管路；19、空气预热器；20、第一空气供给管路；21、水供给管路；22、水泵；23、蒸汽发生器；24、第二尾气管路；25、气态油供给管路；26、重整器；27、重整气输送管路；28、第二蒸汽供给管路；29、第一蒸汽供给管路；30、第二空气供给管路；31、第三尾气管路。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为实现预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
实施例：请参考图1，一种利用废食用油重整制氢的固体氧化物燃料电池系统，包括SOFC电堆10、重整器26、燃烧器12、气化器5、蒸汽发生器23和空气预热器19；SOFC电堆10由若干个固体氧化物燃料电池组成，SOFC电堆10与外界负载电性连接。
还包括预处理器2，预处理器2的输入端通过第一废油供给管路1与废食用油供给源连接，预处理器2的输出端通过第二废油供给管路4与气化器5的输入端连接；预处理器2将废食用油进行沉淀、过滤，除去废食用油中不溶性杂质；第二废油供给管路4上还安装有油泵3，油泵3为蠕动泵，为经预处理器2处理后的废食用油输入到气化器5进行气化；气化器5的输出端通过气态油供给管路25与重整器26连接；气化器5的气化工作温度设定为300℃左右，使得其气化工作温度低于废食用油的热解温度，起到将废食用油从液态转换为气态、防止废食用油热解的作用。
蒸汽发生器23的输入端通过水供给管路21与水供给源连接，水供给管路21上安装有水泵22，水泵22为蠕动泵，起到输送水供给源到蒸汽发生器23上的作用；蒸汽发生器23的输出端通过第一蒸汽供给管路29与燃烧器12连接；蒸汽发生器23的蒸发工作温度设定为140℃左右，起到将水从液态转换为蒸汽态的作用。
空气预热器19的输入端通过第一空气供给管路20与空气供给源连接，空气供给源通过鼓风机进行供给，空气预热器19的输出端通过第二空气供给管路30与燃烧器12连接，空气预热器19的工作温度为70℃左右，起到预热空气的作用。
燃烧器12的输入端通过燃料输入管路13与燃料供给源连接，燃烧器12的输出端分别通过第二蒸汽供给管路28与重整器26连接和通过第三空气供给管路11与SOFC电堆10的阴极输入口连接；燃烧器12的工作温度为600℃左右，将水蒸气、空气加热至约600℃，水蒸气通过第二蒸汽供给管路28输入到重整器26参与反应，空气通过第三空气供给管路11从SOFC电堆10的阴极输入口进入，为阴极气体提供热源。
重整器26通过重整气输送管路27与电堆阳极输入口连接，重整器26为固定床反应器，其内部填充有催化剂，反应温度约为600℃。
废食用油供给源通过第一废油供给管路1加入到气化器5，设定气化工作温度为300℃，使得废食用油从液态转换为气态，然后通过气态油供给管路25传输给重整器26；水供给源通过水供给管路21加入蒸汽发生器23，在140℃的工作温度下，使得水从液态转换为蒸汽态，然后通过第一蒸汽供给管路29传输给燃烧器12；空气供给源通过第一空气供给管路20加入空气预热器19，在70℃的工作温度下，对空气进行预热，然后通过第二空气供给管路30传输给燃烧器12，燃料供给源通过燃料输入管路13输入到燃烧器12，并对燃烧器12里的温度加热至重整器26的反应温度，即600℃左右，同时将水蒸气、空气加热至重整器26的600℃左右，水蒸气通过第二蒸汽供给管路28进入重整器26，空气通过第三空气供给管路11从SOFC电堆10的阴极输入口进入，为SOFC电堆10的阴极提供热源；同时当废食用油以气态、水以蒸汽态进入重整器26后，在重整器26内部催化剂的作用下，进行蒸汽重整反应，生成合成气，即氢气和一氧化碳。
理论上发生的反应如下：
(1)蒸汽重整：
(2)水汽转换反应：
反应完毕后，得到高纯氢气，通过重整气输送管路27从SOFC电堆10的阳极输入口进入，为SOFC电堆10的阳极提供燃料。
本系统通过利用废食用油作为原料，在催化剂的作用下蒸汽重整制取合成气，为电堆阳极提供燃料；同时通过加热空气为SOFC电堆10的阴极提供热源，只需采用废食用油和水作为原料，原料来源丰富，制氢工艺简单，制氢过程易于控制，副反应少，转化率高，可得到高纯度的氢气；且制氢过程没有分子氧的参与，抑制了NOx等污染物的生成，实现了废食用油与固体氧化物燃料电池系统的有机结合，废食用油能够达到有效利用。
更优选的实施例，还包括储热罐7，通过排气管路9与SOFC电堆10的阳极输出口和阴极输出口均通过排气管路9与储热罐7的输入端连接，储热罐7的输出端还设有排水管8。SOFC电堆10的阳极输出口和阴极输出口输出的尾气的温度约为850℃，通过排气管路9输送到储热罐7，储热罐7内部填充有氢氧化钙和氧化钙的混合物，储热罐7通过氢氧化钙的脱水反应将尾气中的热能转化为氧化钙的化学能进行储存，反应温度约为580℃，生成氧化钙和水，反应后的水通过排水管8进行排放。由于储热罐7中以化学能形式储存的热量，可以通过往储热罐7中加水，致使氧化钙发生水合反应释放热量，通过引入管路等方式将水合反应所释放的热量带走利用，如可用于生活用水加热、为电堆启动提供热量等等，提高尾气余热利用的灵活性。
储热罐7的输出端通过第一尾气管路6与气化器5连接，从储热罐7换热出来的尾气约为600℃，通过第一尾气管路6输送至气化器5为气化提供热量；气化器5通过第二尾气管路24与蒸汽发生器23连接，从气化器5换热出来的尾气约为350℃，通过第二尾气管路24输送至蒸汽发生器23为蒸发提供热量；蒸汽发生器23通过第三尾气管路31与空气预热器19连接，从蒸汽发生器23出来的尾气约为160℃，通过第三尾气管路31输送至空气预热器19为预热空气提供热量。
还包括三通阀17，三通阀17的第一阀口通过第四尾气管路18与蒸汽发生器23连接，从空气预热器19出来的尾气约为80℃，通过第四尾气管路18输送至三通阀17；三通阀17的第二阀口通过第五尾气管路14与燃烧器12连接，若尾气中含有较多可燃气体，则通过第五尾气管路14将尾气输送至燃烧器12中作为燃烧器12的燃料。
还包括吸附器15，吸附器15的输入端通过吸附器输入管路16与三通阀17连接，吸附器15的输出端与第六尾气管路连通，吸附器15的内部填充有二氧化碳吸附剂，二氧化碳吸附剂采用低温固体吸附剂，低温固体吸附剂为沸石分子筛、胺基吸附剂、碳酸钠、碳酸钾中的一种或多种，若尾气中含有可燃气体较少时，则通过吸附器输入管路16将尾气输送至吸附器15中对尾气中所含二氧化碳进行吸附，然后通过第六尾气管路排出系统。SOFC电堆10中排出的高温尾气依次经过储热罐7、气化器5、蒸汽发生器23、空气预热器19，利用储热罐7中氢氧化钙的脱水反应，将尾气的余热以化学能的形式储存起来，合理安排高温尾气在各级的换热温差，实现尾气余热的梯级利用，降低换热的不可逆损失，达到节能的效果。
本发明的工作原理：废食用油供给源通过第一废油供给管路1进入到预处理器2进行处理，经预处理器2处理后的废食用油输入到气化器5进行气化，设定气化工作温度为300℃，使得废食用油从液态转换为气态，然后通过气态油供给管路25传输给重整器26；水供给源通过水供给管路21加入蒸汽发生器23，在140℃的工作温度下，使得水从液态转换为蒸汽态，然后通过第一蒸汽供给管路29传输给燃烧器12；空气供给源通过第一空气供给管路20加入空气预热器19，在70℃的工作温度下，对空气进行预热，然后通过第二空气供给管路30传输给燃烧器12，燃料供给源通过燃料输入管路13输入到燃烧器12，并对燃烧器12里的温度加热至重整器26的反应温度，即600℃左右，同时将水蒸气、空气加热至重整器26的600℃左右，水蒸气通过第二蒸汽供给管路28进入重整器26，空气通过第三空气供给管路11从SOFC电堆10的阴极输入口进入，为SOFC电堆10的阴极提供热源；同时当废食用油以气态、水以蒸汽态进入重整器26后，在重整器26内部催化剂的作用下，进行蒸汽重整反应，生成合成气，即氢气和一氧化碳，反应完毕后，得到高纯氢气，通过重整气输送管路27从SOFC电堆10的阳极输入口进入，为SOFC电堆10的阳极提供燃料。
SOFC电堆10的约850℃的尾气通过排气管路9输送到储热罐7，高温尾气加热储热罐7内的氢氧化钙至发生脱水反应，反应温度约580℃，反应生成氧化钙和水，产生的水从排水管8排出；从储热罐7换热出来的尾气约为600℃，通过第一尾气管路6输送至气化器5为气化提供热量；从气化器5换热出来的尾气约为350℃，通过第二尾气管路24输送至蒸汽发生器23为蒸发提供热量；从蒸汽发生器23出来的尾气约为160℃，通过第三尾气管路31输送至空气预热器19为预热空气提供热量；从空气预热器19出来的尾气约为80℃，通过第四尾气管路18输送至三通阀17，若尾气中含有较多可燃气体，则通过第五尾气管路14将尾气输送至燃烧器12中作为燃烧器12的燃料，否则通过吸附器输入管路16输送至吸附器15；在吸附器15中完成尾气的二氧化碳吸附后排出系统，对尾气余热梯级利用，达到有效利用余热的节能效果。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”以及类似的表述只是为了说明的目的。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简介修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简介修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (7)
1.一种利用废食用油重整制氢的固体氧化物燃料电池系统，其特征在于：包括SOFC电堆(10)、重整器(26)、燃烧器(12)、气化器(5)、蒸汽发生器(23)和空气预热器(19)，所述重整器(26)通过重整气输送管路(27)与电堆阳极输入口连接；
所述气化器(5)的输入端通过第一废油供给管路(1)与废食用油供给源连接，所述气化器(5)的输出端通过气态油供给管路(25)与所述重整器(26)连接；
所述燃烧器(12)的输入端通过燃料输入管路(13)与燃料供给源连接，所述燃烧器(12)的输出端分别通过第二蒸汽供给管路(28)与所述重整器(26)连接和通过第三空气供给管路(11)与所述SOFC电堆(10)的阴极输入口连接；
所述蒸汽发生器(23)的输入端通过水供给管路(21)与水供给源连接，所述蒸汽发生器(23)的输出端通过第一蒸汽供给管路(29)与所述燃烧器(12)连接；
所述空气预热器(19)的输入端通过第一空气供给管路(20)与空气供给源连接，所述空气预热器(19)的输出端通过第二空气供给管路(30)与所述燃烧器(12)连接；
还包括储热罐(7)，所述SOFC电堆(10)的阳极输出口和阴极输出口均通过排气管路(9)与所述储热罐(7)的输入端连接，所述储热罐(7)的输出端通过第一尾气管路(6)与气化器(5)连接；
所述气化器(5)通过第二尾气管路(24)与所述蒸汽发生器(23)连接；
所述蒸汽发生器(23)通过第三尾气管路(31)与所述空气预热器(19)连接。
2.根据权利要求1所述的利用废食用油重整制氢的固体氧化物燃料电池系统，其特征在于：还包括预处理器(2)，所述预处理器(2)的输入端通过所述第一废油供给管路(1)与所述废食用油供给源连接，所述预处理器(2)的输出端通过第二废油供给管路(4)与所述气化器(5)连接；所述第二废油供给管路(4)上还安装有油泵(3)。
3.根据权利要求1所述的利用废食用油重整制氢的固体氧化物燃料电池系统，其特征在于：所述储热罐(7)内部填充有氢氧化钙和氧化钙的混合物。
4.根据权利要求3所述的利用废食用油重整制氢的固体氧化物燃料电池系统，其特征在于：所述储热罐(7)的输出端还设有排水管(8)。
5.根据权利要求1所述的利用废食用油重整制氢的固体氧化物燃料电池系统，其特征在于：还包括三通阀(17)，所述三通阀(17)的第一阀口通过第四尾气管路(18)与所述蒸汽发生器(23)连接，所述三通阀(17)的第二阀口通过第五尾气管路(14)与所述燃烧器(12)连接，所述三通阀(17)的第三阀口连通有第六尾气管路。
6.根据权利要求5所述的利用废食用油重整制氢的固体氧化物燃料电池系统，其特征在于：还包括吸附器(15)，所述吸附器(15)的输入端通过吸附器输入管路(16)与所述三通阀(17)连接，所述吸附器(15)的输出端与所述第六尾气管路连通。
7.根据权利要求6中所述的利用废食用油重整制氢的固体氧化物燃料电池系统，其特征在于：所述吸附器(15)的内部填充有二氧化碳吸附剂，所述二氧化碳吸附剂采用低温固体吸附剂，所述低温固体吸附剂为沸石分子筛、胺基吸附剂、碳酸钠、碳酸钾中的一种或多种。
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