CN117430085A - 基于跨临界二氧化碳储能的冷热电氢碳联产系统及方法 - Google Patents
基于跨临界二氧化碳储能的冷热电氢碳联产系统及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117430085A CN117430085A CN202311358712.6A CN202311358712A CN117430085A CN 117430085 A CN117430085 A CN 117430085A CN 202311358712 A CN202311358712 A CN 202311358712A CN 117430085 A CN117430085 A CN 117430085A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- methanol
- carbon dioxide
- reactor
- heat exchanger
- hydrogen production
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 194
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 119
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 97
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 title claims abstract description 97
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 title claims abstract description 34
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 17
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 9
- 230000005611 electricity Effects 0.000 title claims description 10
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 300
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 142
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims abstract description 142
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 141
- 238000005336 cracking Methods 0.000 claims abstract description 54
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 27
- 238000002407 reforming Methods 0.000 claims abstract description 20
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 18
- 238000010248 power generation Methods 0.000 claims abstract description 15
- 238000007906 compression Methods 0.000 claims abstract description 13
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 10
- 230000006835 compression Effects 0.000 claims abstract description 10
- 239000003546 flue gas Substances 0.000 claims abstract description 9
- 238000003860 storage Methods 0.000 claims description 66
- 238000001651 catalytic steam reforming of methanol Methods 0.000 claims description 33
- 230000005674 electromagnetic induction Effects 0.000 claims description 29
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 26
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 19
- GBMDVOWEEQVZKZ-UHFFFAOYSA-N methanol;hydrate Chemical compound O.OC GBMDVOWEEQVZKZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 claims description 13
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical group [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 238000005057 refrigeration Methods 0.000 claims description 12
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims description 11
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims description 11
- 238000005192 partition Methods 0.000 claims description 10
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims description 9
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 8
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 5
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims description 2
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 claims description 2
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- 238000000197 pyrolysis Methods 0.000 description 4
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 3
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 239000000047 product Substances 0.000 description 3
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 2
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 2
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 2
- 238000006057 reforming reaction Methods 0.000 description 2
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 1
- 230000003749 cleanliness Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000005485 electric heating Methods 0.000 description 1
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 239000012774 insulation material Substances 0.000 description 1
- 239000000376 reactant Substances 0.000 description 1
- 239000013589 supplement Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
- F25B9/002—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant
- F25B9/008—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant the refrigerant being carbon dioxide
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
- C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
- C01B3/22—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by decomposition of gaseous or liquid organic compounds
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
- C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
- C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
- C01B3/323—Catalytic reaction of gaseous or liquid organic compounds other than hydrocarbons with gasifying agents
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F22—STEAM GENERATION
- F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
- F22B1/00—Methods of steam generation characterised by form of heating method
- F22B1/02—Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers
- F22B1/18—Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers the heat carrier being a hot gas, e.g. waste gas such as exhaust gas of internal-combustion engines
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
- F25B9/08—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point using ejectors
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
- C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
- C01B2203/0205—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step
- C01B2203/0227—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step
- C01B2203/0233—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step the reforming step being a steam reforming step
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
- C01B2203/08—Methods of heating or cooling
- C01B2203/0805—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas
- C01B2203/0811—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by combustion of fuel
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
- C01B2203/08—Methods of heating or cooling
- C01B2203/0805—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas
- C01B2203/0833—Heating by indirect heat exchange with hot fluids, other than combustion gases, product gases or non-combustive exothermic reaction product gases
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
- C01B2203/12—Feeding the process for making hydrogen or synthesis gas
- C01B2203/1205—Composition of the feed
- C01B2203/1211—Organic compounds or organic mixtures used in the process for making hydrogen or synthesis gas
- C01B2203/1217—Alcohols
- C01B2203/1223—Methanol
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
Abstract
本发明公开一种基于跨临界二氧化碳储能的冷热电氢碳联产系统及方法，方法为：二氧化碳经二氧化碳压缩机组压缩后进入膨胀机组做功发电，二氧化碳压缩过程产生热能通过第一换热器和第二换热器分别向甲醇水蒸气重整制氢和甲醇裂解制氢过程提供热量，太阳能发电单元发电为二氧化碳压缩机组、甲醇水蒸气重整制氢反应器以及甲醇裂解制氢反应器提供电能；甲醇水蒸气重整制氢产生的二氧化碳输入二氧化碳压缩机组，甲醇裂解制氢产生的一氧化碳燃烧生成高温烟气，高温烟气通过换热器为膨胀机组中压缩二氧化碳膨胀释能提供热量；二氧化碳压缩为甲醇进行制氢反应提供热能，太阳能发电为甲醇进行制氢提供电能，降低系统能耗，一氧化碳通过系统内消耗。
Description
技术领域
本发明属于多能耦合储能热电联产技术领域，具体涉及一种基于跨临界二氧化碳储能的冷热电氢碳联产系统及方法。
背景技术
与空气相比，二氧化碳临界压力适中，临界温度较高(7.38MPa，30.98℃)，容易实现液态或超临界态。二氧化碳液态和超临界态具有密度较大，可大大减小存储体积，因此，以其为储能工质有利于系统储能密度的提升。目前存在的压缩二氧化碳储能系统存在低品位压缩热利用不足，需要低压储罐储存二氧化碳的缺点，不利于提高系统效率和经济性。氢气具有密度大、清洁、无污染等一系列优势，因此制氢和储氢成为当前的热点研究方向。由于甲醇来源丰富、成本低廉，而且在常温常压下作为液体便于储存和运输。相比于工业制氢等其他制氢方式，甲醇制氢的能耗和成本都更低。甲醇进行制氢反应之前需要大量吸热，这将导致能耗的增加。甲醇裂解制氢反应产生一氧化碳运输也将导致运费增加，影响制氢的经济性。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于跨临界二氧化碳储能的冷热电氢碳联产系统及方法，通过将跨临界二氧化碳储能系统、甲醇水蒸气重整制氢系统、甲醇裂解制氢系统与喷射制冷系统相耦合，实现了跨临界二氧化碳储能系统低品位压缩热充分利用、避免了低压储罐的使用、实现了裂解产生的一氧化碳就地利用，同时具有冷热电氢碳多联产的优势，大幅提高了系统的经济性与储能密度。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于跨临界二氧化碳储能的冷热电氢碳联产方法，二氧化碳从常温常压经二氧化碳压缩机组压缩至超临界态存入二氧化碳储罐，超临界二氧化碳从二氧化碳储罐进入膨胀机组做功发电，二氧化碳压缩过程产生热能通过第一换热器和第二换热器分别向甲醇水蒸气重整制氢和甲醇裂解制氢过程提供热量，太阳能发电单元发电为二氧化碳压缩机组、甲醇水蒸气重整制氢反应器以及甲醇裂解制氢反应器提供电能；甲醇水蒸气重整制氢产生的二氧化碳输入二氧化碳压缩机组，甲醇裂解制氢产生的一氧化碳燃烧生成高温烟气，高温烟气通过换热器为膨胀机组中压缩二氧化碳膨胀释能提供热量。
进一步的，甲醇水蒸气重整制氢反应以及甲醇裂解制氢反应的产物温度为200℃-300℃，甲醇水蒸气重整制氢和甲醇裂解制氢产生的氢气进行存储；甲醇水蒸气重整制氢和甲醇裂解制氢所得氢气携带的热能通过换热器将水加热为高温蒸气，为喷射制冷单元提供能量，氢气在所述换热器中逆流换热，低压低温蒸气和高压高温蒸气经引射混合后冷凝，冷凝为水后分为两部分，一部分经升压水泵升压后存储储水罐中，另一部分为冷库提供冷量
进一步的，超临界二氧化碳膨胀做功发电后通过换热器向压缩式热泵单元提供热能，做功后的二氧化碳在所述换热器中逆流换热；超临界二氧化碳在膨胀机组中与高温烟气逆流换热。
基于同样的发明构思，本发明还提供一种基于跨临界二氧化碳储能的冷热电氢碳联产系统，包括太阳能发电单元、甲醇制氢单元以及依次连接的二氧化碳压缩机组、二氧化碳储罐以及膨胀机组；甲醇制氢单元中设置甲醇水蒸气重整制氢反应器、甲醇裂解制氢反应器、甲醇储罐及甲醇水储罐；二氧化碳压缩机组中设置第一换热器和第二换热器，第一换热器热侧入口设置甲醇水蒸气重整制氢反应器，第二换热器热侧入口处设置甲醇裂解制氢反应器，甲醇水储罐的出口依次连接第一换热器的冷侧和甲醇水蒸气重整制氢反应器，甲醇储罐的出口依次连接第二换热器冷侧和甲醇裂解制氢反应器；太阳能发电单元的电能输出端连接二氧化碳压缩机组、甲醇水蒸气重整制氢反应器以及甲醇裂解制氢反应器的电能输入端；膨胀机组中设置换热器，燃烧室出口连接膨胀机组中换热器的热侧入口，甲醇制氢单元的一氧化碳出口连接燃烧室的入口；甲醇制氢单元的二氧化碳出口连接二氧化碳压缩机组的进气口。
进一步的，还包括喷射制冷单元，喷射制冷单元包括依次连接的引射器、冷凝器、第一节流阀和冷库；冷凝器的出口还依次连接升压水泵、储水罐及换热器，换热器出口连接引射器的入口；甲醇水蒸气重整制氢反应器的出口设置第一分离器和换热器，甲醇裂解制氢反应器的出口设置第二分离器和换热器，储水罐设置两个出口分别连接甲醇水蒸气重整制氢反应器出口和甲醇裂解制氢反应器出口的换热器。
进一步的，第一分离器的出口还连接甲醇水储罐的出口或第一换热器的冷侧入口，甲醇裂解制氢反应器的出口还连接第二换热器的冷侧入口或甲醇储罐的出口。
进一步的，压缩式热泵单元，压缩式热泵单元包括依次连接的第七换热器、气液分离器、第三压缩机、供暖模块、储液罐及第二节流阀，第七换热器的热侧入口连接膨胀机组的气体出口。
进一步的，甲醇水蒸气重整制氢反应器采用套管式反应器，包括螺旋形流道、流道隔板、电磁感应铁芯、催化剂、电磁感应线圈、反应器外管以及反应器内管；反应器内管中设置电磁感应铁芯，反应器内管与电磁感应铁芯的空隙中装填催化剂；反应器外管与反应器内管之间通过流道隔板将流道分为螺旋形流道；反应器外管外壁缠绕电磁感应线圈；甲醇裂解制氢反应器与甲醇水蒸气重整制氢反应器采用同样的结构。
进一步的，反应器内管内部的电磁感应铁芯沿径向均匀分布，电磁感应铁芯长度由内圈到外圈逐渐变短；反应器外管保温材料制成，反应器内管及流道隔板导热材料制成，反应器内管和反应器外管坡度从反应器入口到出口逐渐增加。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明将跨临界二氧化碳储能、甲醇水蒸气重整制氢及甲醇裂解制氢相耦合，实现了储能的同时兼具制氢、制碳功能，甲醇重整制氢反应器和甲醇裂解制氢反应器用高温二氧化碳外热源的方式以及内部电加热的方式加热，利用太阳能为二氧化碳压缩机组、甲醇水蒸气重整制氢反应器和甲醇裂解制氢反应器供电，减少了弃风、弃光现象，提高能用利用率；采用甲醇重整反应产生的二氧化碳为储能工质，释能后将二氧化碳还可以进行售卖，可以提高系统收入的同时避免了低压二氧化碳储罐的投资，大幅提高了系统经济性。
进一步地，甲醇重整制氢反应器和甲醇裂解制氢反应器均采用电磁感应内热源方式进行加热，可以有效防止反应器的“冷点效应”，使催化剂各处均匀受热，有利于提升制氢效率。
进一步地，反应器入口处电磁感应铁芯分布较密且螺旋形管道坡度较缓，从而在吸热量较多的反应器入口处供热较多、吸热量较少的出口处供热较少，合理地利用了热源，进一步提升了反应器效率。
进一步地，甲醇裂解反应产生的一氧化碳短暂储存后进入燃烧室燃烧为高压二氧化碳补热，实现了一氧化碳的就地消耗，避免了运输，有助于提高系统经济性。
进一步地，系统可以实现冷热电氢碳的多联产，对资源进行充分利用，具有较高的经济性。
进一步地，甲醇水蒸气重整制氢反应器和甲醇裂解制氢反应器中电磁感应铁芯均匀分布，防止反应器的“冷点效应”。
附图说明
图1为一种基于跨临界二氧化碳储能的冷热电氢碳联产系统。
图2为本发明所设计的一种反应器正剖面图。
图3为本发明所设计的一种反应器正视图。
图4为本发明所设计的一种反应器俯视图。
附图中，1、太阳能发电单元；2、第一压缩机；3、甲醇水蒸气重整制氢反应器；4、第一换热器；5、第二压缩机；6、甲醇裂解制氢反应器；7、第二换热器；8、二氧化碳储罐；9、第三换热器；10、第一膨胀机；11、第四换热器；12、第二膨胀机；13、第五换热器；14、甲醇水储罐；15、储水罐；16、第六换热器；17、引射器；18、冷凝器；19、第一节流阀；20、冷库；21、升压水泵；22、甲醇储罐；23、一氧化碳储罐；24、燃烧室；25、第七换热器；26、第三压缩机；27、供暖模块；28、第二节流阀；29、储液罐；30、第一分离器；31、第二分离器；32、气液分离器；33、电网，34、螺旋形流道；35、流道隔板；36、电磁感应铁芯；37、催化剂；38、电磁感应线圈；39、反应器外管；40、反应器内管。
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。
本发明将跨临界二氧化碳储能系统、甲醇水蒸气重整制氢系统、甲醇裂解制氢系统与喷射制冷系统相耦合，实现了跨临界二氧化碳储能系统低品位压缩热充分利用、避免了低压储罐的使用、实现了裂解产生的一氧化碳就地利用，具有冷热电氢碳多联产的优势，大幅提高了系统的经济性与储能密度。与此同时，本发明设计了一种新型甲醇水蒸气重整制氢反应器和甲醇裂解制氢反应器，提升了制氢效率。
如图1所示，一种基于跨临界二氧化碳储能的冷热电氢碳联产系统，包括跨临界二氧化碳储能单元、甲醇制氢单元、喷射制冷单元和压缩式热泵单元；具体包括太阳能发电单元1、第一压缩机2、甲醇水蒸气重整制氢反应器3、第一换热器4、第二压缩机5、甲醇裂解制氢反应器6、第二换热器7、二氧化碳储罐8、第三换热器9、第一膨胀机10、第四换热器11、第二膨胀机12、第五换热器13、甲醇水储罐14、储水罐15、第六换热器16、引射器17、冷凝器18、第一节流阀19、冷库20、升压水泵21、甲醇储罐22、一氧化碳储罐23、燃烧室24、第七换热器25、第三压缩机26、供暖模块27、第二节流阀28、储液罐29、第一分离器30、第二分离器31、气液分离器32以及电网33。
跨临界二氧化碳储能单元包括依次连接的压缩机组、换热器组、二氧化碳储罐8、膨胀机组与燃烧室24，第一压缩机2出口与第一换热器4热侧入口之间设置甲醇水蒸气重整制氢反应器3，第一换热器4热侧出口连接第二压缩机5的入口，第二压缩机5的出口与第二换热器7热侧入口之间设置甲醇裂解制氢反应器6，第二换热器7热侧出口依次连接二氧化碳储罐8和膨胀机组；甲醇制氢单元包括甲醇水蒸气重整制氢反应器3、甲醇裂解制氢反应器6、氢气运输模块、一氧化碳储罐23、甲醇储罐22及甲醇水储罐14，第一换热器4的冷侧入口连接甲醇水储罐14，甲醇水蒸气重整制氢反应器3出口依次连接第一分离器30和第五换热器13，第一分离器30的出口还连接甲醇水储罐14的出口或第一换热器4的冷侧入口；甲醇储罐22的出口依次连接第二换热器7的冷侧入口和甲醇裂解制氢反应器6，甲醇裂解制氢反应器6的出口依次连接第二分离器31和第六换热器16，甲醇裂解制氢反应器6的出口还连接第二换热器7的冷侧入口或甲醇储罐22的出口。膨胀机组中设置换热器，燃烧室24出口连接膨胀机组中换热器的热侧入口，一氧化碳储罐23连接燃烧室24的入口。
喷射制冷单元包括依次连接的引射器17、冷凝器18、第一节流阀19和冷库20；冷凝器18的出口还依次连接升压水泵21、储水罐15及换热器；压缩式热泵单元包括依次连接的第七换热器25、气液分离器32、第三压缩机26、供暖模块27、储液罐29及第二节流阀28，第七换热器25的热侧入口连接膨胀机组的气体出口。
膨胀机组包括依次连接的第三换热器9、第一膨胀机10、第四换热器11以及第二膨胀机12，第一膨胀机10和第二膨胀机12均连接发电机，所述发电机电能输出端连接电网33，第三换热器9和第四换热器11热侧入口连接燃烧室24的出口。
如图2所示，为本发明所设计的一种反应器正剖图，具体包括螺旋形流道34、流道隔板35、电磁感应铁芯36、催化剂37、电磁感应线圈38、反应器外管39、反应器内管40。
甲醇水蒸气重整制氢反应器3与甲醇裂解制氢反应器6为套管式反应器，以甲醇水蒸气重整制氢反应器3为例，反应器内管40中设置电磁感应铁芯36，反应器内管40与电磁感应铁芯36的空隙中装填催化剂37；反应器外管39与反应器内管40之间通过流道隔板35将流道分为螺旋形流道34；反应器外管外壁缠绕电磁感应线圈38。
作为一种优选实施例，反应器内管40内部的电磁感应铁芯36沿径向均匀分布，电磁感应铁芯36长度由内圈到外圈逐渐变短。
进一步的，螺旋形流道34坡度从反应器入口到出口逐渐增加，热流体与反应器内反应物的换热时间从入口到出口为递减分布，即越靠近入口换热时间越长，从而强化了入口处的换热情况，解决了反应器入口处反应速率较大、吸热量较多的问题。
反应器外管39保温材料制成，反应器内管40及流道隔板35导热材料制成，反应器内管40和反应器外管39所用材料均为非电磁屏蔽材料，反应器内管40和反应器外管39也不会对电磁感应产生屏蔽作用。太阳能发电单元1所发电量经逆变器转换为交流电后为电磁感应线圈38供电。
本发明所述的一种基于跨临界二氧化碳储能的冷热电氢碳联产系统的运行方法具体如下：
储能时，甲醇水储罐14内的甲醇水经第一换热器4吸热后进入甲醇水蒸气重整制氢反应器3及进行重整制氢反应，此时太阳能发电和高温二氧化碳同时为甲醇水蒸气重整制氢反应器3供热；重整反应产物经第一分离器30分离后，未转化的原料重新进入甲醇水蒸气重整制氢反应器3反应，产生的氢气和二氧化碳经第五换热器13放热后分别进行运输售卖和进入第一压缩机2；经第一压缩机2压缩后，高温二氧化碳为甲醇水蒸气重整制氢反应器3供热，供热结束后进入第一换热器4放热，将液态甲醇水加热为甲醇蒸气和水蒸气，放热后进入第二压缩机5进一步压缩，压缩后的二氧化碳依次进入甲醇裂解制氢反应器6和第二换热器7放热，放热后进入二氧化碳储罐8存储；甲醇储罐22内的甲醇经第二换热器7吸热变为气态甲醇后进入甲醇裂解制氢反应器6，裂解产物经第二分离器31分离后，未反应的原料进入甲醇裂解制氢反应器6重新反应，裂解产生的一氧化碳和氢气经第六换热器16放热后分别进行储存和售卖。二氧化碳由常温常压压缩至超临界态进行储存。
与此同时，储水罐15内水经第五换热器13和第六换热器16加热变为高温蒸气后进入引射器17高压气体入口，冷库20出口的低压气体进入引射器17低压气体入口，经引射器17混合后进入冷凝器18放热，冷凝为水后分为两部分，一部分经升压水泵21升压后进入储水罐15、另一部分进入冷库20吸热，为冷库20提供冷量。
释能时，二氧化碳储罐8内的高压二氧化碳经第三换热器9吸热后进入第一膨胀机10做功，第一膨胀机10排气进入第四换热器11吸热后进入第二膨胀机12做功释能；第二膨胀机12排气进入第七换热器25对热泵工质加热后进行运输售卖，加热后的工质进入气液分离器32后进入第三压缩机26压缩，压缩后的高温高压热泵工质为供暖模块27供热，供热后高温高压热泵工质的经过储液罐29后进入第二节流阀28进行膨胀降温。与此同时，一氧化碳储罐23内的一氧化碳进入燃烧室24燃烧，产生的高温烟气分别为第三换热器9和第四换热器11供热。
换热器、甲醇裂解制氢反应器6及甲醇水蒸气重整制氢反应器3与高温二氧化碳均为逆流布置；甲醇裂解制氢反应器6和甲醇水蒸气重整制氢反应器3产物温度为200℃-300℃；为防止反应器的“冷点效应”，电磁感应铁芯36均匀分布。
热泵工质可以为水，但不局限于水。
如图3所示，为本发明所设计反应器正视图，电磁感应线圈38在反应器外管39上均匀缠绕。
如图4所示，为本发明所设计反应器俯视图，可以根据需要布置电磁感应铁芯36在催化剂37中的排列密度及螺旋形流道34的坡度结构示意。
Claims (10)
1.一种基于跨临界二氧化碳储能的冷热电氢碳联产方法，其特征在于，二氧化碳从常温常压经二氧化碳压缩机组压缩至超临界态存入二氧化碳储罐(8)，超临界二氧化碳从二氧化碳储罐(8)进入膨胀机组做功发电，二氧化碳压缩过程产生热能通过第一换热器(4)和第二换热器(7)分别向甲醇水蒸气重整制氢和甲醇裂解制氢过程提供热量，太阳能发电单元发电为二氧化碳压缩机组、甲醇水蒸气重整制氢反应器(3)以及甲醇裂解制氢反应器(6)提供电能；甲醇水蒸气重整制氢产生的二氧化碳输入二氧化碳压缩机组，甲醇裂解制氢产生的一氧化碳燃烧生成高温烟气，高温烟气通过换热器为膨胀机组中压缩二氧化碳膨胀释能提供热量。
2.根据权利要求1所述的基于跨临界二氧化碳储能的冷热电氢碳联产方法，其特征在于，甲醇水蒸气重整制氢反应以及甲醇裂解制氢反应的产物温度为200℃-300℃，甲醇水蒸气重整制氢和甲醇裂解制氢产生的氢气进行存储；甲醇水蒸气重整制氢和甲醇裂解制氢所得氢气携带的热能通过换热器将水加热为高温蒸气，为喷射制冷单元提供能量，氢气在所述换热器中逆流换热，低压低温蒸气和高压高温蒸气经引射混合后冷凝，冷凝为水后分为两部分，一部分经升压水泵升压后存储储水罐中，另一部分为冷库提供冷量。
3.根据权利要求1所述的基于跨临界二氧化碳储能的冷热电氢碳联产方法，其特征在于，超临界二氧化碳膨胀做功发电后通过换热器向压缩式热泵单元提供热能，做功后的二氧化碳在所述换热器中逆流换热；超临界二氧化碳在膨胀机组中与高温烟气逆流换热。
4.一种基于跨临界二氧化碳储能的冷热电氢碳联产系统，其特征在于，包括太阳能发电单元、甲醇制氢单元以及依次连接的二氧化碳压缩机组、二氧化碳储罐(8)以及膨胀机组；甲醇制氢单元中设置甲醇水蒸气重整制氢反应器(3)、甲醇裂解制氢反应器(6)、甲醇储罐(22)及甲醇水储罐(14)；二氧化碳压缩机组中设置第一换热器(4)和第二换热器(7)，第一换热器(4)热侧入口设置甲醇水蒸气重整制氢反应器(3)，第二换热器(7)热侧入口处设置甲醇裂解制氢反应器(6)，甲醇水储罐(14)的出口依次连接第一换热器(4)的冷侧和甲醇水蒸气重整制氢反应器(3)，甲醇储罐(22)的出口依次连接第二换热器(7)冷侧和甲醇裂解制氢反应器(6)；太阳能发电单元的电能输出端连接二氧化碳压缩机组、甲醇水蒸气重整制氢反应器(3)以及甲醇裂解制氢反应器(6)的电能输入端；膨胀机组中设置换热器，燃烧室(24)出口连接膨胀机组中换热器的热侧入口，甲醇制氢单元的一氧化碳出口连接燃烧室(24)的入口；甲醇制氢单元的二氧化碳出口连接二氧化碳压缩机组的进气口。
5.根据权利要求4所述的基于跨临界二氧化碳储能的冷热电氢碳联产系统，其特征在于，还包括喷射制冷单元，喷射制冷单元包括依次连接的引射器(17)、冷凝器(18)、第一节流阀(19)和冷库(20)；冷凝器(18)的出口还依次连接升压水泵(21)、储水罐(15)及换热器，换热器出口连接引射器(17)的入口；甲醇水蒸气重整制氢反应器(3)的出口设置第一分离器(30)和换热器，甲醇裂解制氢反应器(6)的出口设置第二分离器(31)和换热器，储水罐(15)设置两个出口分别连接甲醇水蒸气重整制氢反应器(3)出口和甲醇裂解制氢反应器(6)出口的换热器。
6.根据权利要求4所述的基于跨临界二氧化碳储能的冷热电氢碳联产系统，其特征在于，第一分离器(30)的出口还连接甲醇水储罐(14)的出口或第一换热器(4)的冷侧入口，甲醇裂解制氢反应器(6)的出口还连接第二换热器(7)的冷侧入口或甲醇储罐(22)的出口。
7.根据权利要求4所述的基于跨临界二氧化碳储能的冷热电氢碳联产系统，其特征在于，压缩式热泵单元，压缩式热泵单元包括依次连接的第七换热器(25)、气液分离器(32)、第三压缩机(26)、供暖模块(27)、储液罐(29)及第二节流阀(28)，第七换热器(25)的热侧入口连接膨胀机组的气体出口。
8.根据权利要求4所述的基于跨临界二氧化碳储能的冷热电氢碳联产系统，其特征在于，甲醇水蒸气重整制氢反应器(3)采用套管式反应器，包括螺旋形流道(34)、流道隔板(35)、电磁感应铁芯(36)、催化剂(37)、电磁感应线圈(38)、反应器外管(39)以及反应器内管(40)；反应器内管(40)中设置电磁感应铁芯(36)，反应器内管(40)与电磁感应铁芯(36)的空隙中装填催化剂(37)；反应器外管(39)与反应器内管(40)之间通过流道隔板(35)将流道分为螺旋形流道(34)；反应器外管外壁缠绕电磁感应线圈(38)；甲醇裂解制氢反应器(6)与甲醇水蒸气重整制氢反应器(3)采用同样的结构。
9.根据权利要求8所述的基于跨临界二氧化碳储能的冷热电氢碳联产系统，其特征在于，反应器内管(40)内部的电磁感应铁芯(36)沿径向均匀分布，电磁感应铁芯(36)长度由内圈到外圈逐渐变短；反应器外管(39)保温材料制成，反应器内管(40)及流道隔板(35)导热材料制成，反应器内管(40)和反应器外管(39所用材料均为非电磁屏蔽材料。
10.根据权利要求8所述的基于跨临界二氧化碳储能的冷热电氢碳联产系统，其特征在于，螺旋形流道(34)坡度从反应器入口到出口逐渐增加。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311358712.6A CN117430085A (zh) | 2023-10-19 | 2023-10-19 | 基于跨临界二氧化碳储能的冷热电氢碳联产系统及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311358712.6A CN117430085A (zh) | 2023-10-19 | 2023-10-19 | 基于跨临界二氧化碳储能的冷热电氢碳联产系统及方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117430085A true CN117430085A (zh) | 2024-01-23 |
Family
ID=89556246
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311358712.6A Pending CN117430085A (zh) | 2023-10-19 | 2023-10-19 | 基于跨临界二氧化碳储能的冷热电氢碳联产系统及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117430085A (zh) |
-
2023
- 2023-10-19 CN CN202311358712.6A patent/CN117430085A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110849023B (zh) | 一种压缩空气与热化学耦合储能的冷热电联产系统及方法 | |
| CN114198170B (zh) | 一种基于双蓄热回路的二氧化碳储能系统及其工作方法 | |
| CN113958933B (zh) | 一种集多能存储与碳氢燃料制备的复合能量系统及方法 | |
| CN105508051A (zh) | 高温气冷堆氦气间接循环制氢耦合发电系统及其方法 | |
| CN110552750B (zh) | 一种非共沸有机朗肯-双喷射冷热电联供系统 | |
| CN112562879B (zh) | 一种基于核能的能源梯级利用多元供能系统 | |
| WO2023193486A1 (zh) | 一种常温液态压缩二氧化碳混合工质储能系统及方法 | |
| CN207134431U (zh) | 一种天然气制氢及与质子交换膜燃料电池集成热电冷三联供的撬装式集成装置 | |
| CN114215617A (zh) | 一种高温气冷堆核能发电、制氢和供暖三联产系统及方法 | |
| CN117514386A (zh) | 一种二氧化碳储能子系统及烟气余热利用系统 | |
| CN210087413U (zh) | 一种氨基太阳能热化学循环发电系统 | |
| CN117430085A (zh) | 基于跨临界二氧化碳储能的冷热电氢碳联产系统及方法 | |
| CN114353365B (zh) | 一种太阳能驱动的分布式能源系统 | |
| CN105551554A (zh) | 高温气冷堆直接制氢耦合蒸汽循环发电系统及其方法 | |
| CN113324343B (zh) | 一种能够回收余热的冷热电联产系统 | |
| CN113153471B (zh) | 旧火电厂锅炉改造的压缩空气复合储能系统及其运行方法 | |
| CN210123782U (zh) | 一种超临界co2底循环的天然气燃料电池发电系统 | |
| CN111305922B (zh) | 液态空气储能系统 | |
| CN113865144A (zh) | 一种零碳排放的制冷系统 | |
| CN110030049B (zh) | 一种氨基太阳能热化学循环发电系统及其工作方法 | |
| CN116576704B (zh) | 光电光热同步利用的液态二氧化碳储能系统 | |
| CN118137540B (zh) | 一种压缩空气与水蒸气循环耦合的储能方法及装置 | |
| CN221172706U (zh) | 一种甲醇产品气余热联产电能和冷量装置 | |
| CN117703554B (zh) | 一种核电站运行中的综合能源利用系统及其应用 | |
| CN221588136U (zh) | 甲醇高温裂解快速制氢及联产水蒸气设备 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |