CN207134431U - 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 - Google Patents
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- CN207134431U CN207134431U CN201721066441.7U CN201721066441U CN207134431U CN 207134431 U CN207134431 U CN 207134431U CN 201721066441 U CN201721066441 U CN 201721066441U CN 207134431 U CN207134431 U CN 207134431U
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Abstract
本实用新型公开了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。所述装置使用天然气或城市燃气为原料，先利用重整制得CO、H2与CO2的混合气，再经过高温变换、低温变换、选择性氧化或选择性甲烷化过程去除CO至＜10ppm，再作为质子交换膜燃料电池向外供电，过程中的热量进行梯级利用，梯级加热原料气、梯级加热冷却水，并把热水经过热水溴化锂吸收式制冷装置后向外供冷，经过利用后的热水再用于供生活用热水。本实用新型装置整体具有工艺先进、空间布局紧凑合理、燃料效率高、热量回收利用效率高。
Description
技术领域
本实用新型涉及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，属于以城市燃气或天然气为原料的燃料电池分布式发电及热电冷三联供领域。
背景技术
氢能具有热值高、无污染的优点，是一种优越、清洁、高效的新能源。目前的制氢技术主要有天然气制氢、核能制氢、太阳能制氢、生物质制氢等方式，世界上有90％的氢气是以天然气为原料实现的，通过天然气水蒸气重整制氢或部分氧化制氢获得氢资源。而氢气的燃料电池技术是利用氢能解决能源危机的终极方案。
燃料电池热电联供技术适用于分布式发电和中小微型应用的场合。目前质子交换膜燃料电池技术已经很成熟，功率等级已达到兆瓦级，与城市燃气或天然气制氢的结合将有广泛的应用前景。以城市燃气或天然气为原料的家庭用燃料电池热电联供技术有利于提高能源利用效率，减少CO2、NOx、SOx等温室气体和污染物的排放。这种热电联供技术重要基于天然气或城市燃气制氢与燃料电池系统的结合，目前在日本和美国已经有应用案例，发展迅速，而我国尚无类似的工业化产品，开发适合于我国家庭热电使用特点的热电联供技术迫在眉睫，借助广大农村地区“煤改气”的发展机遇，实现家庭的热电联供，有利于解决散煤燃烧带来的大气污染。
目前，国内关于天然气分布式发电和天然气制氢的技术报道如下：专利申请CN104917205A提供一种基于天然气分布式能源和水源热泵的联合供能系统，属于能源供应技术领域，包括电力供应系统和冷热供应系统，所述电力供应系统包括变配电系统,所述变配电系统连接有发电机组和市电，所述发电机组和市电均能单独为所述变配电系统供电，所述冷热供应系统包括电制冷机组和水源热泵机组，所述电制冷机组能单独为用户供冷，所述水源热泵机组能单独为用户供冷或者供热，所述电制冷机组和水源热泵机组分别与所述变配电系统连接。专利申请CN203412636U公开了一种结合液化天然气冷能利用的天然气分布式能源利用系统。它包括液化天然气增压泵、液化天然气换热器、低温透平膨胀机、燃气轮机和烟气余热溴化锂冷暖机；液化天然气增压泵的出口端与液化天然气换热器相连通,从液化天然气换热器延伸出，之后与低温透平膨胀机相连通；所述低温透平膨胀机与一发电机相连接；低温透平膨胀机还通过一管路与所述液化天然气换热器相连通,从液化天然气换热器延伸出，之后与燃气轮机相连通；燃气轮机分别与烟气余热溴化锂冷暖机和一发电机相连接。本实用新型考虑到了液化天然气含有的大量可利用冷能，通过回收利用可以将部分冷能转化为电能，可获得高品质冷源，同时可以为不同温度等级的冷库提供冷量以及空调制冷。专利申请CN106150679A涉及一种医院天然气分布式供能系统。该系统包括内燃机、烟气热水型溴化锂制冷制热两用机组、烟气热水换热器、热水储存罐和三通调节阀,内燃机连接有天然气管道、缸套水管道、烟气管道和中冷水管道，缸套水管道还与烟气热水型溴化锂制冷制热两用机组连接，烟气管道还通过三通调节阀分别与烟气热水型溴化锂制冷制热两用机组、烟气热水换热器连接，烟气热水换热器与热水储存罐连接，中冷水管道还与热水储存罐连接。专利申请CN205536305U涉及一种楼宇式分布式能源站供冷系统。目前还没有一种减少夏季楼宇式分布式能源对大电网压力的楼宇式分布式能源站供冷系统。本实用新型内燃机排烟管的一端和燃气内燃机连接，另一端和烟气热水型溴化锂机组连接,其特点是：燃气内燃机和板式换热器之间通过内燃机缸套水出水管和内燃机缸套水回水管连接，烟气热水型溴化锂机组和板式换热器之间通过板式换热器高温热源水出水管和板式换热器高温热源水回水管连接，太阳能热水系统高温热源水出水管的一端和太阳能热水系统连接，另一端和板式换热器高温热源水出水管连接，太阳能热水系统高温热源水回水管的一端和太阳能热水系统连接。本实用新型减少夏季楼宇式分布式能源对大电网的压力。实用新型CN205135790U公开了一种分布式能源系统,涉及能源技术领域，用于在生物质产量较低的季节，保证分布式能源系统能够为用电设备提供充沛的电能。该分布式能源系统包括内燃机和发电机，其中，所述发电机分别与用电设备、所述内燃机连接,所述分布式能源系统还包括储气装置，所述储气装置包括相互隔离的第一腔体和第二腔体，其中，所述第一腔体与所述内燃机的进气口连通，用于向所述内燃机提供生物质气，所述第二腔体与所述内燃机的进气口连通，用于向所述内燃机提供天然气。专利申请CN205641306U公开了一种天然气分布式能源余热回收系统，天然气分布式能源余热回收装置通过管路与散热器连接，散热器通过管路与水冷/暖空调连接，水冷/暖空调通过管路与天然气分布式能源余热回收装置连接。散热器形状、大小可调,使用安装灵活,在一些小空间可根据采暖标准自定义设定；散热器+水冷/暖空调的结合，相对于常规使用模式，降低了投资成本及运行成本。专利申请CN104901412A提供了一种基于天然气分布式能源和地源热泵的联合供能系统，属于能源供应技术领域，包括电力供应系统和冷热供应系统，所述电力供应系统包括变配电系统，所述变配电系统连接有发电机组和市电，所述发电机组和市电均能单独为所述变配电系统供电，所述冷热供应系统包括空调制冷机组和地源热泵机组，所述空调制冷机组能单独为用户供冷，所述地源热泵机组能单独为用户供冷或者供热，所述空调制冷机组和地源热泵机组分别与所述变配电系统连接。
综上所述，以上公开的联合供能系统很少能适用于建筑物热电冷联供需要，或者不太适用于建筑用能负荷波动、热电冷负荷匹配和移动便利性等方面的要求。因此，需要开发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。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供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，可以用于如医院、超市、学校、办公楼、住宅等中小型建筑分布式热电冷三联供，也可用做不可间断电源(UPS)，同时也可以作为LNG接收站处理蒸发气(BOG)为站内联供冷、热、电的装置
本实用新型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，使用天然气或城市燃气为原料，先利用重整制得CO、H2与CO2的混合气，再经过高温变换、低温变换、选择性氧化或选择性甲烷化过程去除CO至＜10ppm，再作为质子交换膜燃料电池向外供电，过程中的热量进行梯级利用，梯级加热原料气、梯级加热冷却水，并把热水经过溴化锂吸收式制冷装置后向外供冷，经过利用后的热水再用于供生活用热水。
本实用新型提供的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，包括水蒸气重整器、高温CO变换和低温CO变换反应器、CO选择性氧化反应器/CO选择性甲烷化反应器、第一换热器、第二换热器、第三换热器、第四换热器、第五换热器、第六换热器、燃烧器、吸收式冷水机组和质子交换膜燃料电池；
气体管路依次与所述第三换热器的管程、第二换热器的管程和第一换热器的管程相连通，所述第一换热器的管程出口依次与所述燃烧器和所述水蒸气重整器相连通，所述水蒸气重整器的气体出口依次与所述第一换热器的壳程、所述第四换热器的壳程、所述高温CO变换和低温CO变换反应器、所述第二换热器的壳程、所述第五换热器的壳程、所述CO选择性氧化反应器/CO选择性甲烷化反应器、所述第三换热器的壳程和所述第六换热器的壳程相连通，所述第六换热器的壳程出口与所述质子交换膜燃料电池相连通；所述质子交换膜燃料电池的出水口与热水储罐相连通；所述质子交换膜燃料电池的尾气出口与所述燃烧器的原料入口相连通；
所述气体管路上设有压缩机，所述压缩机的入口连通城市燃气或天然气与空气的混合物的输入管路，所述压缩机的出口处连通水蒸气入口管路；
冷却水管路依次与所述第六换热器、第五换热器和第四换热器的管程相连通，所述第四换热器的管程出口与所述吸收式冷水机组相连通，所述吸收式冷水机组的热水出口与所述热水储罐相连通。
所述质子交换膜燃料电池与直流交流转换器相连接。
本实用新型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，把城市燃气或天然气通过重整、高低温变换、选择性氧化或选择性甲烷化制备富氢气体，使CO＜10ppm。
本实用新型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，把高低温变换、选择性氧化或选择性甲烷化天然气释放的热量利用起来，为重整反应预热原料气，并把余热通过吸收式溴化锂冷水机组生产冷媒水对外供冷，利用燃料电池尾气通过燃烧器为重整反应加热原料气；利用燃料电池反应释放的热量制备热水，以上措施使整个系统热量做到分级利用、吸放热匹配。
本实用新型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，把天然气重整、CO高低温变换、CO选择性氧化或选择性甲烷化、吸收式溴化锂冷水机组和质子交换膜燃料电池等集成为热量平衡、结构合理的撬装装置，对外输出热水、冷媒水、交流电。
本实用新型提供的另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，包括水蒸气重整器、高温CO变换和低温CO变换反应器、CO 选择性氧化反应器/CO选择性甲烷化反应器、第一换热器、第二换热器、第三换热器、燃烧器、吸收式冷水机组和质子交换膜燃料电池；
所述蒸汽重整器、所述高温CO变换和低温CO变换反应器和所述CO选择性氧化反应器/CO选择性甲烷化反应器均设有气体通道夹层；
气体管路依次与所述CO选择性氧化反应器/CO选择性甲烷化反应器的气体通道夹层、所述高温CO变换和低温CO变换反应器的气体通道夹层和所述水蒸气重整器的气体通道夹层相连通，所述水蒸气重整器的气体通道夹层的出口与所述燃烧器相连通，所述燃烧器的气体出口与所述水蒸气重整器相连通，所述水蒸气重整器的气体出口依次与所述第一换热器的壳程、所述高温CO变换和低温CO变换反应器、所述第二换热器的壳程、所述CO选择性氧化反应器/CO选择性甲烷化反应器和所述第三换热器的壳程相连通，所述第三换热器的壳程出口与所述质子交换膜燃料电池相连通；所述质子交换膜燃料电池的出水口与热水储罐相连通；所述质子交换膜燃料电池的尾气出口与所述燃烧器的原料入口相连通；
所述气体管路上设有压缩机，所述压缩机的入口连通城市燃气或天然气与空气的混合物的输入管路，所述压缩机的出口处连通水蒸气入口管路；
冷却水管路依次与所述第三换热器、第二换热器和第一换热器的管程相连通，所述第一换热器的管程出口与所述吸收式冷水机组相连通，所述吸收式冷水机组的热水出口与所述热水储罐相连通。
所述质子交换膜燃料电池与直流交流转换器相连接。
本实用新型撬装式集成装置中，所述CO选择性氧化反应器/CO选择性甲烷化反应器的气体通道夹层的气体入口(设有均布器)设于所述所述CO选择性氧化反应器 /CO选择性甲烷化反应器的肩部，与反应器中心点的连线与反应器竖向中心轴成30°～ 70°，所述CO选择性氧化反应器/CO选择性甲烷化反应器的气体通道夹层的气体出口与气体入口呈对角线设置；
所述高温CO变换和低温CO变换反应器的气体通道夹层的气体入口(设有均布器)设于所述高温CO变换和低温CO变换反应器的肩部，与反应器中心点的连线与反应器竖向中心轴成30°～70°，所述高温CO变换和低温CO变换反应器的气体通道夹层的气体出口与气体入口呈对角线设置；
所述水蒸气重整器的气体通道夹层的气体入口(设有均布器)设于所述水蒸气重整器的肩部，与反应器中心点的连线与反应器竖向中心轴成30°～70°，所述水蒸气重整器的气体通道夹层的气体出口与气体入口呈对角线设置；
所述水蒸气重整器的入口(设有均布器)设于其顶部，出口设于其底部；
所述高温CO变换和低温CO变换反应器的入口(设有均布器)设于其底部，出口设于其顶部；
所述CO选择性氧化反应器/CO选择性甲烷化反应器的入口(设有均布器)设于其底部，出口设于其顶部。
本实用新型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，把城市燃气或天然气通过重整、高低温变换、选择性氧化或选择性甲烷化制备富氢气体，使CO＜10ppm。
本实用新型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，把高低温变换、选择性氧化或选择性甲烷化天然气释放的热量利用起来，为重整反应预热原料气，并把余热通过吸收式溴化锂冷水机组生产冷媒水对外供冷，利用燃料电池尾气通过燃烧器为重整反应加热原料气；利用燃料电池反应释放的热量制备热水，以上措施使整个系统热量做到分级利用、吸放热匹配。
本实用新型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，把天然气重整、CO高低温变换、CO选择性氧化或选择性甲烷化、吸收式溴化锂冷水机组和质子交换膜燃料电池等集成为热量平衡、结构合理的撬装装置，对外输出热水、冷媒水、交流电。
本实用新型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，采用带有气体通道夹层的反应器，包括重整反应器、高温CO变换反应器、低温CO变换反应器、选择性氧化/选择性甲烷化反应器，充分利用反应释放的热量，有利于设备的小型化，使整个流程得到大大简化，节省了换热设备。
基于甲烷化技术和煤制天然气技术，提供了本实用新型装置，使用天然气或城市燃气为原料，先利用重整制得CO、H2与CO2的混合气，再经过高温变换、低温变换、选择性氧化或选择性甲烷化过程去除CO至＜10ppm，再作为质子交换膜燃料电池向外供电，过程中的热量进行梯级利用，梯级加热原料气、梯级加热冷却水，并把热水经过热水溴化锂吸收式制冷装置后向外供冷，经过利用后的热水再用于供生活用热水。
综上，本实用新型具有如下优点：
(1)模块化、撬装化的天然气冷热电三联供系统，装置紧凑、占地面积小、移动灵活方便、安装快捷，可用于如医院、超市、学校、办公楼、住宅等中小型建筑分布式热电冷三联供。
(2)高度集成的装置为燃料电池制得的原料气中的CO含量能实现＜10ppm，且能在负荷波动状态下满足CO含量要求，有效避免了燃料电池贵金属电极被CO伤害，提高了燃料电池寿命和整个系统的寿命与经济性。
(3)本实用新型冷热负荷匹配度高，充分利用高温变换、低温变换、选择性氧化或选择性甲烷化三个放热过程，实现热量梯级利用。
本实用新型热量的梯级利用设计包括四级加热原料气、三级加热冷却水、热水溴化锂吸收式制冷、热水溴化锂吸收式制冷装置出口热水用于生活供热四个部分。其中四级加热原料气过程包括：
1)第一级，选择性氧化或选择性甲烷化出口气加热原料气；
2)第二级，高温变换、低温变换出口气继续加热原料气；
3)第三级，重整反应器出口气进一步提升原料气温度至≥350℃；
4)第四级，燃烧器保障甲烷化水蒸气重整入口原料气温度至400～550℃；
三级加热冷却水过程包括：
1)第一级，选择性氧化或选择性甲烷化出口气加热原料气后，加热冷却水；
2)第二级，高温变换、低温变换出口气继续加热原料气后，继续加热冷却水；
3)第三级，甲烷水蒸气重整反应器出口气进一步提升原料气温度后，进一步加热冷却水，最终使热水温度≥95℃。
这样按照温度梯度逐级回收利用的设计有利于得到更高温度的原料气和更高温度的热水，也有利于溴化锂吸收式制冷更高效地利用热水来制得冷媒水，提高了整体的热量利用效率。
经过溴化锂吸收式制冷装置后的出口热水温度为80～90℃，用于供应生活用热，可用于洗浴、地暖、厨房等使用。
(4)装置可以根据建筑的热电冷使用比例进行设计，可以根据实际情况选择以冷热定电(模式一)或以电定冷热(模式二)两种设计模式，同时保留与市电的双向接口，当采用模式一用冷热高峰时期产生的多余电力可以返给市电，当采用模式二用电高峰时因受冷热负荷限制需要市电来调峰。
(5)装置可主动适应建筑小时和天用能负荷的波动，以保障启动速度和功能稳定性。
(6)装置易于实现远程智能化控制，可通过网络与电脑、手机等可移动终端匹配。
(7)装置易于与建筑太阳能系统连接，实现太阳能发电与装置电匹配并实现电力调峰。
(8)装置可以增设电能储蓄装置，实现电能储存，削峰填谷，实现整体效率最大化和能源供应稳定。
(9)装置整体具有工艺先进、空间布局紧凑合理、燃料效率高、热量回收利用效率高。
附图说明
图1是本实用新型提供的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反应装置的结构示意图。
图2是本实用新型提供的另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反应装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型做进一步说明，但本实用新型并不局限于以下实施例。
实施例1、
本实施例为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，结果示意图如图1所示，其中：
C1：原料气压缩机；R1：甲烷水蒸气重整反应器；R2：高、低温CO变换反应器； R3：CO选择性氧化或CO选择性甲烷化反应器；F1：燃烧加热器；E1：第一换热器； E2：第二换热器；E3：第三换热器；E4：第四换热器；E5：第五换热器；E6：第六换热器；P1：质子交换膜燃料电池堆；Q1：直流交流转换器；X1：热水型溴化锂吸收式制冷机组；T1：热水储罐；101：原料气(经过脱硫后的城市燃气或天然气)；102：空气；103：水蒸气；104：电池尾气；105：燃烧尾气；201：系统冷却水；202：冷媒水输入；203：电堆冷却水输入；204：交流电输出；205：热水输出；206：冷媒水输出。
装置包括两个集成撬，第一个集成撬内包括甲烷水蒸气重整反应器(R1)、高、低温CO变换反应器(R2)、CO选择性氧化或CO选择性甲烷化反应器(R3)、燃烧加热器(F1)、第一换热器(E1)、第二换热器(E2)、第三换热器(E3)、第四换热器 (E4)、第五换热器(E5)、原料气压缩机(C1)；第二个集成撬内包括第六换热器(E6)、质子交换膜燃料电池组(P1)、直流交流转换器(Q1)、热水型溴化锂吸收式制冷机组 (X1)、热水储罐(T1)；(注：撬内可根据实际需要调整设备的配置和布局)。
经过脱硫后的城市燃气或天然气(101)硫含量＜10ppb，流量为1500mol/h，温度为35℃、压力为0.4MPa，与3400mol/h、温度为30℃、压力为0.4MPa的空气(102) 混合，经过压缩机(C1)增压后，温度为200℃、压力1.5MPa，再与280mol/h、温度为100℃、压力为1.5MPa的水蒸气(103)混合，与第三换热器(E3)换热至温度115℃，再与第二换热器(E2)换热至温度140℃、再与第一换热器(E1)换热至温度380℃，再经燃烧器加热至450℃后进入甲烷水蒸气重整器(R1)。燃烧器的燃烧原料来自质子交换膜燃料电池的阳极尾气，装置启动阶段需要一部分原料气(城市燃气或天然气) 以提高原料气温度至重整催化剂的活化温度。经过加热后达到水蒸气重整的温度要求的原料气进入甲烷水蒸气重整器(R1)后，甲烷在重整催化剂的作用下水解为CO、 CO2和H2，过程中吸收大量热量。发生甲烷水蒸气重整反应，主要反应如下：
CH4+H2O(g)＝CO+3H2 ΔH＝206.2KJ/mol
CH4+2H2O(g)＝CO2+4H2 ΔH＝164.9KJ/mol
2CH4+O2＝2CO+4H2 ΔH＝-71.4KJ/mol
CH4+2O2＝CO2+2H2O ΔH＝-802.7KJ/mol
经过水蒸气重整反应后出口气体含有未反应完全的CH4、H2O(g)，生成的CO、 CO2、H2和加入空气中的N2和微量O2。甲烷水蒸气重整器(R1)出口温度753℃，先经过第一换热器(E1)与入口原料气换热，再经第四换热器(E4)被冷却水降温至 360℃，进入高温、低温CO变换反应器(R2)，CO与水蒸气在催化剂下发生反应，生成CO2和H2并释放出大量热量。主要反应为：
CO+H2O＝CO2+H2 ΔH＝-41.2KJ/mol
经过高、低温变换反应后的气体组成包括CH4、H2O(g)、CO2、H2、N2、微量CO、 O2。出口气体先经过第二换热器(E2)加热原料气至139℃，再经第五换热器(E5) 被冷却水降温至125℃后，进入CO选择性氧化或CO选择性甲烷化反应器(R3)，进一步降低CO含量至＜10ppm。CO选择性氧化和CO选择性甲烷化两种工艺方法可以根据实际需要选择，实施案例中暂按照CO选择性氧化工艺示意，发生的主要反应如下：
CO+H2+O2＝H2O+CO2 ΔH＝-524.8KJ/mol
此反应器也可用CO选择性甲烷化工艺代替CO选择性氧化工艺。CO选择性甲烷化工艺下不再需要空气，入口温度要求230～300℃。发生的主要反应如下：
CO+3H2＝CH4+H2O ΔH＝-206.2KJ/mol
CO选择性氧化反应器(R3)出口气体温度为130℃，先经第三换热器(E3)加热原料气，再经第六换热器(E6)被冷却水降温至100℃，其中CO含量已经满足＜ 10ppm，主要成分为H2、CH4和CO2，再进入质子交换膜燃料电池堆(P1)，在质子交换膜燃料电池中把H2和O2的化学能直接转化为电能，反应产物是水。发生的主要反应如下：
阳极：H2→2H++2e
阴极：0.5O2+2H++2e→H2O
总反应：H2+0.5O2→H2O ΔH＝-241.6KJ/mol
电堆冷却水(203)温度25℃，压力为0.4MPa，经过与质子交换膜燃料电池堆(P1)换热后温度升至60℃，进入热水储罐(T1)。质子交换膜燃料电池堆(P1)产生的直流电经过直流交流转换器(Q1)转换为交流电(204)供给用户。系统冷却水(201) 温度25℃，压力为0.4MPa，先经过第六换热器(E6)被加热至47℃，再经过第五换热器(E5)被加热至97℃，在经过第四换热器(E5)被加热至99℃，三级梯级换热后的热水进入溴化锂吸收式制冷机组(X1)。溴化锂吸收式制冷机组(X1)从热水中吸收热量并把温度为25℃的冷媒水(202)冷却为10℃的冷水(206)，供应空调制冷。溴化锂吸收式制冷装置热水出口温度为60～90℃，进入热水储罐(T1)，与电堆冷却水混合，供应如洗浴、厨房和地暖等的生活用热水(205)。
两个集成撬之间的连接包括：原料气管道、系统冷却水进出管道、电池尾气管道；第一个撬的输入包括：原料气(101)、空气(102)、水蒸气(103)、电池尾气(104)、系统冷却水；输出包括：燃烧器尾气(105)、富氢工艺气(从第一个撬进入E6)、热水(从第一个撬进入X1)；第二个撬的输入包括：系统冷却水(201)、冷媒水(202)、电堆冷却水(203)、富氢工艺气(从第一个撬进入E6)、热水(从第一个撬进入X1)；输出包括：系统冷却水(从第二个撬进入E5)、电池尾气(104)、交流电(204)、热水(205)、冷水(206)。
实施例2、
本实施例为另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，结构示意图如图2所示，其中：
C1：原料气压缩机；R1：带有气体通道夹套层的甲烷水蒸气重整反应器；R2：带有气体通道夹套层的高、低温CO变换反应器；R3：带有气体通道夹套层的CO选择性氧化或CO选择性甲烷化反应器；F1：燃烧加热器；E1：第一换热器；E2：第二换热器；E3：第三换热器；P1：质子交换膜燃料电池堆；Q1：直流交流转换器；X1：热水型溴化锂吸收式制冷机组；T1：热水储罐；201：原料气(经过脱硫后的城市燃气或天然气)；202：空气；203：水蒸气；101：电池尾气；102：燃烧尾气；204：系统冷却水；205：冷媒水输入；206：电堆冷却水输入；207：交流电输出；208：热水输出；209：冷媒水输出。1：CO选择性氧化或CO选择性甲烷化反应器(R3)的气体夹套层入口(带均布器)，位于反应器肩部，与反应器中心点的连线与反应器竖向中心轴成30°～70°；2：CO选择性氧化或CO选择性甲烷化反应器(R3)的气体夹套层出口，与1呈轴中心对称；3：高、低温CO变换反应器(R2)的气体夹套层入口(带均布器)，位于反应器肩部，与反应器中心点的连线与反应器竖向中心轴成30°～70°； 4：高、低温CO变换反应器(R2)的气体夹套层出口，与3呈轴中心对称；5:甲烷水蒸气重整反应器(R1)的气体夹套层入口(带均布器)，位于反应器肩部，与反应器中心点的连线与反应器竖向中心轴成30°～70°；6：甲烷水蒸气重整反应器(R1) 的气体夹套层出口，与5呈轴中心对称；7：甲烷水蒸气重整反应器(R1)入口(带均布器，位于R1顶部)；8：甲烷水蒸气重整反应器(R1)出口(位于R1底部)；9：高、低温CO变换反应器(R2)入口(带均布器，位于R2底部)；10：高、低温CO 变换反应器(R2)出口(位于R2顶部)；11：CO选择性氧化或CO选择性甲烷化反应器(R3)入口(带均布器，位于R3底部)；12：CO选择性氧化或CO选择性甲烷化反应器(R3)出口(位于R3顶部)。
装置包括两个集成撬，第一个集成撬内包括带有气体通道夹套层的甲烷水蒸气重整反应器(R1)、带有气体通道夹套层的高、低温CO变换反应器(R2)、带有气体通道夹套层的CO选择性氧化或CO选择性甲烷化反应器(R3)、燃烧加热器(F1)；第二个集成撬内包括第一换热器(E1)、第二换热器(E2)、第三换热器(E3)、原料气压缩机(C1)、质子交换膜燃料电池组(P1)、直流交流转换器(Q1)、热水型溴化锂吸收式制冷机组(X1)、热水储罐(T1)；(注：撬内可根据实际需要调整设备的配置和布局)。
经过脱硫后的城市燃气或天然气(201)硫含量＜10ppb，流量为150mol/h，温度为35℃、压力为0.4MPa，与340mol/h、温度为30℃、压力为0.4MPa的空气(202) 混合，经过压缩机(C1)增压后，温度为200℃、压力2.5MPa，再与280mol/h、温度为100℃、压力为2.8MPa的水蒸气(203)混合，先通过位于R3肩部的气体夹层入口 1进入R3的气体夹层，吸收R3中反应释放的热量至温度110℃后、从气体夹层出口2 排出，进入位于R2下部的气体夹层入口3，吸收R2中反应释放的热量至温度135℃后、从气体夹层出口4排出，再进入位于R1肩部的气体夹层入口5进入R1的气体夹层，吸收R1中反应释放的热量至温度380℃后、从气体夹层出口6排出，再经燃烧器 (F1)加热至450℃后通过R1入口7进入甲烷水蒸气重整器(R1)。燃烧器的燃烧原料来自质子交换膜燃料电池堆的阳极尾气，装置启动阶段需要一部分原料气(城市燃气或天然气)以提高原料气温度至重整催化剂的活化温度。经过加热后达到水蒸气重整的温度要求的原料气进入甲烷水蒸气重整器(R1)后，甲烷在重整催化剂的作用下水解为CO、CO2和H2，过程中吸收大量热量。发生甲烷水蒸气重整反应，主要反应如下：
CH4+H2O(g)＝CO+3H2 ΔH＝206.2KJ/mol
CH4+2H2O(g)＝CO2+4H2 ΔH＝164.9KJ/mol
2CH4+O2＝2CO+4H2 ΔH＝-71.4KJ/mol
CH4+2O2＝CO2+2H2O ΔH＝-802.7KJ/mol
经过水蒸气重整反应后出口气体含有未反应完全的CH4、H2O(g)，生成的CO、 CO2、H2和加入空气中的N2、和微量O2。甲烷水蒸气重整器(R1)出口温度753℃，先与夹层的原料气换热，再经第一换热器(E1)被冷却水降温至360℃，通过R2入口 9进入高温、低温CO变换反应器(R2)，CO与水蒸气在催化剂下发生反应，生成CO2 和H2并释放出大量热量。主要反应为：
CO+H2O＝CO2+H2 ΔH＝-41.2KJ/mol
经过高、低温变换反应后的气体组成包括CH4、H2O(g)、CO2、H2、N2、微量CO、 O2。出口气体经过第二换热器(E2)加热原料气至125℃后，通过R3入口11进入CO 选择性氧化或CO选择性甲烷化反应器(R3)，进一步降低CO含量至＜10ppm。CO 选择性氧化和CO选择性甲烷化两种工艺方法可以根据实际需要选择，实施案例中暂按照CO选择性氧化工艺示意，发生的主要反应如下：
CO+H2+O2＝H2O+CO2 ΔH＝-524.8KJ/mol
此反应器也可用CO选择性甲烷化工艺代替CO选择性氧化工艺。CO选择性甲烷化工艺下不再需要空气，入口温度要求230～300℃。发生的主要反应如下：
CO+3H2＝CH4+H2O ΔH＝-206.2KJ/mol
CO选择性氧化或CO选择性甲烷化反应器(R3)出口气体温度为135℃，先经第三换热器(E3)降温至70～100℃，其中CO含量已经满足＜10ppm，主要成分为H2、 CH4和CO2，进入质子交换膜燃料电池堆(P1)，在质子交换膜燃料电池堆(P1)中把 H2和O2的化学能直接转化为电能，反应产物是水。发生的主要反应如下：
阳极：H2→2H++2e
阴极：0.5O2+2H++2e→H2O
总反应：H2+0.5O2→H2O ΔH＝-241.6KJ/mol
电堆冷却水(206)温度25℃，经过与质子交换膜燃料电池堆(P1)换热后温度升至60℃，进入热水储罐(T1)。质子交换膜燃料电池堆(P1)产生的直流电经过直流交流转换器(Q1)转换为交流电(207)供给用户。系统冷却水(204)先经过第三换热器(E3)被加热至47℃，再经过第二换热器(E2)被加热至97℃，在经过第一换热器(E1)被加热至99℃，三级梯级换热后的热水进入溴化锂吸收式制冷机组(X1)。溴化锂吸收式制冷机组(X1)从热水中吸收热量并把温度为25℃的冷媒水(205)冷却为10℃的冷水(209)，供应空调制冷。溴化锂吸收式制冷装置热水出口温度为60～ 90℃，进入热水储罐(T1)，与电堆冷却水混合，供应如洗浴、厨房和地暖等的生活用热水(208)。
两个集成撬之间的连接包括：原料气管道、系统冷却水进出管道、电池尾气管道；第一个撬的输入包括：经加压后的原料气、电池尾气(101)；输出包括：燃烧器尾气 (102)、富氢工艺气(从第一个撬进入E6)、热水(从第一个撬进入X1)；第二个撬的输入包括：原料气(201)、空气(202)、水蒸气(203)、系统冷却水(204)、冷媒水(205)、电堆冷却水(206)、富氢工艺气(从第一个撬进入E3)；输出包括：电池尾气(101)、交流电(207)、热水(208)、冷水(209)。
Claims (4)
1.一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，包括水蒸气重整器、高温CO变换和低温CO变换反应器、CO选择性氧化反应器/CO选择性甲烷化反应器、第一换热器、第二换热器、第三换热器、第四换热器、第五换热器、第六换热器、燃烧器、吸收式冷水机组和质子交换膜燃料电池；
气体管路依次与所述第三换热器的管程、第二换热器的管程和第一换热器的管程相连通，所述第一换热器的管程出口依次与所述燃烧器和所述水蒸气重整器相连通，所述水蒸气重整器的气体出口依次与所述第一换热器的壳程、所述第四换热器的壳程、所述高温CO变换和低温CO变换反应器、所述第二换热器的壳程、所述第五换热器的壳程、所述CO选择性氧化反应器/CO选择性甲烷化反应器、所述第三换热器的壳程和所述第六换热器的壳程相连通，所述第六换热器的壳程出口与所述质子交换膜燃料电池相连通；所述质子交换膜燃料电池的出水口与热水储罐相连通；所述质子交换膜燃料电池的尾气出口与所述燃烧器的原料入口相连通；
所述气体管路上设有压缩机，所述压缩机的入口连通城市燃气或天然气与空气的混合物的输入管路，所述压缩机的出口处连通水蒸气入口管路；
冷却水管路依次与所述第六换热器、第五换热器和第四换热器的管程相连通，所述第四换热器的管程出口与所述吸收式冷水机组相连通，所述吸收式冷水机组的热水出口与所述热水储罐相连通。
2.根据权利要求1所述的撬装式集成装置，其特征在于：所述质子交换膜燃料电池与直流交流转换器相连接。
3.一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，包括水蒸气重整器、高温CO变换和低温CO变换反应器、CO选择性氧化反应器/CO选择性甲烷化反应器、第一换热器、第二换热器、第三换热器、燃烧器、吸收式冷水机组和质子交换膜燃料电池；
所述水蒸气重整器、所述高温CO变换和低温CO变换反应器和所述CO选择性氧化反应器/CO选择性甲烷化反应器均设有气体通道夹层；
气体管路依次与所述CO选择性氧化反应器/CO选择性甲烷化反应器的气体通道夹层、所述高温CO变换和低温CO变换反应器的气体通道夹层和所述水蒸气重整器的气体通道夹层相连通，所述水蒸气重整器的气体通道夹层的出口与所述燃烧器相连通，所述燃烧器的气体出口与所述水蒸气重整器相连通，所述水蒸气重整器的气体出口依次与所述第一换热器的壳程、所述高温CO变换和低温CO变换反应器、所述第二换热器的壳程、所述CO选择性氧化反应器/CO选择性甲烷化反应器和所述第三换热器的壳程相连通，所述第三换热器的壳程出口与所述质子交换膜燃料电池相连通；所述质子交换膜燃料电池的出水口与热水储罐相连通；所述质子交换膜燃料电池的尾气出口与所述燃烧器的原料入口相连通；
所述气体管路上设有压缩机，所述压缩机的入口连通城市燃气或天然气与空气的混合物的输入管路，所述压缩机的出口处连通水蒸气入口管路；
冷却水管路依次与所述第三换热器、第二换热器和第一换热器的管程相连通，所述第一换热器的管程出口与所述吸收式冷水机组相连通，所述吸收式冷水机组的热水出口与所述热水储罐相连通。
4.根据权利要求3所述的撬装式集成装置，其特征在于：所述质子交换膜燃料电池与直流交流转换器相连接。
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