CN117936853A - 一种带外重整的sofc发电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带外重整的SOFC发电系统，包括SOFC电堆；SOFC电堆入口与重整反应组件的气体出口相连，重整反应组件的原料气入口与静态混合器出口相连，静态混合器入口与喷射器出口相连；喷射器入口与汽包出口相连，汽包入口与蒸发器出口相连，蒸发器入口与供水系统相连；喷射器的引射入口与柴油蒸气供给系统相连；蒸发器内设置压力传感器，压力传感器与控制器相连，控制器与蒸发器内的加热管相连。本发明通过设置喷射器，根据喷射器原理通过调节进入喷射器的水蒸气的压力来调节水蒸气与柴油蒸气的流量比例，在进入喷射器的水蒸气的压力稳定时，进入喷射器的水蒸气与柴油蒸气的流量也维持稳定，从而有效控制水蒸气与柴油的水碳比例稳定。
Description
技术领域
本发明属于碳氢燃料重整制氢技术领域，具体涉及一种带外重整的SOFC发电系统。
背景技术
固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC)属于第三代燃料电池，是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置。与质子交换膜燃料电池(PEMFC)的不同是，质子交换膜燃料电池需要纯氢燃料，SOFC燃料适应性广，可以接受含有碳氢化合物及一氧化碳的富氢气体作为燃料，因此SOFC系统可以利用天然气、柴油等进行外部重整后，生成富氢气体进入SOFC电池进行发电。
相比天然气，柴油作为液体燃料，其保障性更好，运输储存更为方便，体积能量密度更大，因此柴油重整制氢技术在SOFC发电系统中得到广泛应用。
柴油重整制氢时，柴油与水蒸气要以稳定的水碳比，混合后进入重整反应器，以避免重整催化剂在高温下积碳中毒。目前常规的柴油重整SOFC发电系统中，分别采用计量泵控制常温下的液态柴油流量及液态水流量来实现水碳比的控制。但是该方法由于无法控制蒸发器中的汽化程度，从而无法准确控制水蒸气流量，进而难以实现柴油与水蒸气的比例持续稳定。
基于以上问题，本申请提出一种带外重整的SOFC发电系统，通过设置喷射器，根据喷射器原理通过调节进入喷射器的水蒸气的压力来调节水蒸气与柴油蒸气的流量比例，在进入喷射器的水蒸气的压力稳定时，进入喷射器的水蒸气与柴油蒸气的流量也维持稳定，从而有效控制水蒸气与柴油的水碳比例稳定。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种带外重整的SOFC发电系统。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种带外重整的SOFC发电系统，包括SOFC电堆；
所述SOFC电堆的入口与重整反应组件的气体出口相连，所述重整反应组件的原料气入口与静态混合器的出口相连，所述静态混合器的入口与喷射器的出口相连；
所述喷射器的入口与汽包的出口相连，所述汽包的入口与蒸发器的出口相连，所述蒸发器的入口与供水系统相连；
所述喷射器的引射入口与柴油蒸气供给系统相连；
所述蒸发器内设置压力传感器，所述压力传感器与控制器相连，所述控制器与蒸发器内的加热管相连。
优选的，所述供水系统包括水槽，所述水槽的出口与水泵的入口相连，所述水泵的出口与蒸发器的入口相连。
优选的，所述柴油蒸气供给系统包括柴油油槽，所述柴油油槽的出口与柴油泵的入口相连，所述柴油泵的出口与柴油脱硫器的入口相连，所述柴油脱硫器的出口与柴油蒸发器的入口相连，所述柴油蒸发器的出口与喷射器的引射入口相连。
优选的，所述汽包与喷射器之间的管道上设置调压阀。
优选的，所述重整反应组件包括板式换热器、重整反应器；
所述板式换热器的混合气入口与静态混合器的出口相连，所述板式换热器的混合气出口与重整反应器的冷通道入口相连，所述重整反应器的冷通道出口与SOFC电堆的入口相连；
所述重整反应器的热通道入口与热源供给系统相连，所述重整反应器的热通道出口与板式预热器的热源通道入口相连，所述板式预热器的热源通道出口与排放管道相连通。
优选的，所述热源供给系统包括燃烧罐、空气压缩机；
所述SOFC电堆的阳极尾气出口、空气压缩机的出口均连通至燃烧罐内腔；
所述燃烧罐的出口与重整反应器的热通道入口相连。
优选的，所述重整反应器的冷通道、热通道内均设置热电偶。
优选的，所述重整反应器包括枕形板热交换器本体，所述枕形板热交换器本体中冷通道的内壁面上涂覆有用于柴油重整反应的催化剂。
本发明的有益效果是：
(1)本发明通过设置喷射器，根据喷射器原理通过调节进入喷射器的水蒸气的压力来调节水蒸气与柴油蒸气的流量比例，在进入喷射器的水蒸气的压力稳定时，进入喷射器的水蒸气与柴油蒸气的流量也维持稳定，从而有效控制水蒸气与柴油的水碳比例稳定。
(2)本发明中采用枕形板热交换器作为重整反应器的本体结构，基于枕形板热交换器的高传热效率特性，结合热电偶的设置，能够实现重整反应器内温度的控制，避免温度过高引起积碳反应或者温度过低重整效率下降。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是本发明带外重整的SOFC发电系统的流程示意图；
图2是本发明中蒸发器的结构示意图；
其中：1-水槽，2-水泵，3-蒸发器，301-加热管，302-压力传感器，303-控制器，4-汽包，5-调压阀，6-喷射器，7-柴油油槽，8-柴油泵，9-柴油脱硫器，10-柴油蒸发器，11-静态混合器，12-板式预热器，13-重整反应器，14-SOFC电堆，15-燃烧罐，16-空气压缩机。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“底”、“顶”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体化连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，一种带外重整的SOFC发电系统，包括SOFC电堆14；
所述SOFC电堆14的入口与重整反应组件的气体出口相连，所述重整反应组件的原料气入口与静态混合器11的出口相连，所述静态混合器11的入口与喷射器6的出口相连；
所述喷射器6的入口与汽包4的出口相连，所述汽包4的入口与蒸发器3的出口相连，所述蒸发器3的入口与供水系统相连；
所述喷射器6的引射入口与柴油蒸气供给系统相连；
如图2所示，所述蒸发器3内设置压力传感器302，所述压力传感器302与控制器303相连，所述控制器303与蒸发器3内的加热管301相连，控制器303根据接收到的压力传感器302检测的蒸发器3内的压力来控制蒸发器3内加热管304的加热效率，从而保证蒸发器3内压力的稳定。汽包4出来的水蒸气进入喷射器6，根据喷射器原理通过调节进入喷射器6的水蒸气压力来调节水蒸气与柴油蒸气的流量，而蒸发器3内压力的稳定可以保证进入喷射器6的水蒸气压力的稳定，因此进入喷射器的水蒸气与柴油蒸气的流量也维持稳定，从而有效控制水蒸气与柴油蒸气的水碳比例稳定。另外，柴油蒸气与水蒸气在喷射器6中进行初步混合，再经过静态混合器11后，可以保证柴油蒸气与水蒸气混合均匀，减少重整催化剂积碳。
优选的，所述供水系统包括水槽1，所述水槽1的出口与水泵2的入口相连，所述水泵2的出口与蒸发器3的入口相连。
优选的，所述柴油蒸气供给系统包括柴油油槽7，所述柴油油槽7的出口与柴油泵8的入口相连，所述柴油泵8的出口与柴油脱硫器9的入口相连，所述柴油脱硫器9的出口与柴油蒸发器10的入口相连，所述柴油蒸发器10的出口与喷射器6的引射入口相连。
柴油中含有少量硫化物，会引起重整催化剂及燃料电池催化剂中毒，因此柴油在进入反应器之前经过柴油脱硫器9进行脱硫，脱硫后的柴油进入柴油蒸发器10进行气化。
优选的，所述汽包4与喷射器6之间的管道上设置调压阀5。
优选的，所述重整反应组件包括板式换热器12、重整反应器13；
所述板式换热器12的混合气入口与静态混合器11的出口相连，所述板式换热器12的混合气出口与重整反应器13的冷通道入口相连，所述重整反应器13的冷通道出口与SOFC电堆14的入口相连；
所述重整反应器13的热通道入口与热源供给系统相连，所述重整反应器13的热通道出口与板式预热器12的热源通道入口相连，所述板式预热器12的热源通道出口与排放管道相连通。
优选的，所述热源供给系统包括燃烧罐15、空气压缩机16；
所述SOFC电堆14的阳极尾气出口、空气压缩机16的出口均连通至燃烧罐15内腔；
所述燃烧罐15的出口与重整反应器13的热通道入口相连。
本申请中燃烧罐15与SOFC电堆14的阳极尾气出口相连，SOFC电堆14的阳极尾气中含有少量小分子烷烃、烯烃、氢气等可燃气体。从SOFC电堆14出来的阳极尾气温度约为650～750℃，进入燃烧罐15后，在空气压缩机16提供的空气作用下，发生氧化反应，放出热量；反应之后的气体携带热量进入重整反应器13的热通道内为柴油重整提供热量，之后继续进入板换预热器12内，对混合气进行预热，保证进入重整反应器13的反应温度。
优选的，所述重整反应器13的冷通道、热通道内均设置热电偶，测量通道内流体的温度。通过控制进入燃烧罐15内的空气量来对重整反应器13热通道内的温度进行调整，满足冷通道内重整反应的要求。
优选的，所述重整反应器13包括枕形板热交换器本体，所述枕形板热交换器本体中冷通道的内壁面上涂覆有用于柴油重整反应的催化剂。
具体地，本申请中枕形板热交换器本体为现有技术，在此不再赘述其具体结构，其内部的冷、热通道凹凸起伏，流体在通道内形成复杂的湍流运动，强化了冷、热通道内流体的换热，以便将热量及时传递给重整反应，避免局部过热导致结焦反应的发生或局部过冷导致重整效率的下降；柴油蒸气与水蒸气在枕形板热交换器本体内部的冷通道内在催化剂的催化下发生反应，冷通道的凹凸起伏使内部的流体形成复杂的湍流及螺旋流动，能够及时带走反应生成的微小炭黑颗粒，避免反应器的堵塞；另外，枕形板热交换器本体内部板面的凹凸形状在柴油重整的高温工况下，能够吸收冷热温差带来的变形，消除热应力，避免结构因温差应力引起的局部破裂，延长重整器使用寿命。
另外，本发明中采用枕形板热交换器作为重整反应器的本体结构，基于枕形板热交换器的高传热效率特性，结合热电偶的设置，能够实现重整反应器内温度的控制，避免温度过高引起积碳反应或者温度过低重整效率下降。
具体地，催化剂的涂覆采用现有技术就行实现，在此不再赘述其具体的涂覆工艺；本申请中，用于柴油重整反应的催化剂采用商用铑基烃类水蒸气转换催化剂或者商用镍基烃类水蒸气转换催化剂，其中商用铑基烃类水蒸气转换催化剂、商用镍基烃类水蒸气转换催化剂均为现有技术。
其中重整反应器13的热通道就是枕形板热交换器本体的热通道，重整反应器13的冷通道就是枕形板热交换器本体的冷通道。
本申请中通过调节蒸发器3压力来调节进入喷射器6的饱和水蒸气压力，进而调节进入重整反应器13的水碳比，达到稳定调节水碳比的效果。另外，从喷射器6出来的混合气由于具有一定的压力，因此无需额外的动力设备来增压。
一种带外重整的SOFC发电系统，具体实施时，去离子水进入蒸发器3，产生一定压力的蒸汽，从蒸发器3流出后进入汽包4进行汽水分离，之后水蒸气进入喷射器6，水蒸气在喷射器6中高速流动形成低压区，将柴油蒸气引射入喷射器6进行初步混合，混合后的气体进入静态混合器11进一步混合，混合后水蒸气与柴油蒸气进入重整反应组件，重整反应组件包含一个板式预热器12及一个重整反应器13；混合气进入板式预热器12进行预热，预热后进入重整反应器13进行重整，重整后的富氢气体进入SOFC电堆14进行反应。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (8)
1.一种带外重整的SOFC发电系统，包括SOFC电堆；其特征在于，
所述SOFC电堆的入口与重整反应组件的气体出口相连，所述重整反应组件的原料气入口与静态混合器的出口相连，所述静态混合器的入口与喷射器的出口相连；
所述喷射器的入口与汽包的出口相连，所述汽包的入口与蒸发器的出口相连，所述蒸发器的入口与供水系统相连；
所述喷射器的引射入口与柴油蒸气供给系统相连；
所述蒸发器内设置压力传感器，所述压力传感器与控制器相连，所述控制器与蒸发器内的加热管相连。
2.如权利要求1所述的带外重整的SOFC发电系统，其特征在于，所述供水系统包括水槽，所述水槽的出口与水泵的入口相连，所述水泵的出口与蒸发器的入口相连。
3.如权利要求1所述的带外重整的SOFC发电系统，其特征在于，所述柴油蒸气供给系统包括柴油油槽，所述柴油油槽的出口与柴油泵的入口相连，所述柴油泵的出口与柴油脱硫器的入口相连，所述柴油脱硫器的出口与柴油蒸发器的入口相连，所述柴油蒸发器的出口与喷射器的引射入口相连。
4.如权利要求1所述的带外重整的SOFC发电系统，其特征在于，所述汽包与喷射器之间的管道上设置调压阀。
5.如权利要求1所述的带外重整的SOFC发电系统，其特征在于，所述重整反应组件包括板式换热器、重整反应器；
所述板式换热器的混合气入口与静态混合器的出口相连，所述板式换热器的混合气出口与重整反应器的冷通道入口相连，所述重整反应器的冷通道出口与SOFC电堆的入口相连；
所述重整反应器的热通道入口与热源供给系统相连，所述重整反应器的热通道出口与板式预热器的热源通道入口相连，所述板式预热器的热源通道出口与排放管道相连通。
6.如权利要求5所述的带外重整的SOFC发电系统，其特征在于，所述热源供给系统包括燃烧罐、空气压缩机；
所述SOFC电堆的阳极尾气出口、空气压缩机的出口均连通至燃烧罐内腔；
所述燃烧罐的出口与重整反应器的热通道入口相连。
7.如权利要求5所述的带外重整的SOFC发电系统，其特征在于，所述重整反应器的冷通道、热通道内均设置热电偶。
8.如权利要求5所述的带外重整的SOFC发电系统，其特征在于，所述重整反应器包括枕形板热交换器本体，所述枕形板热交换器本体中冷通道的内壁面上涂覆有用于柴油重整反应的催化剂。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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