CN208706777U - 基于城市天然气的热电氢多联产系统 - Google Patents

基于城市天然气的热电氢多联产系统 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种基于城市天然气的热电氢多联产系统，其包括天然气重整制氢子系统、微型燃气轮机发电子系统和固体氧化物燃料电池发电子系统，所述天然气重整制氢子系统包括依次连接的脱硫装置、射流器、重整器、水汽变换反应装置和钯膜提纯装置，所述微型燃气轮机发电子系统包括依次连接的压缩机、燃烧室、透平和发电机，所述固体氧化物燃料电池发电子系统包括固体氧化物燃料电池。其目的是为了提供一种基于城市天然气的热电氢多联产系统，其将天然气重整制氢技术、微型燃气轮机技术和固体氧化物燃料电池技术有机结合，提高了热能的整体利用效率。

Description

基于城市天然气的热电氢多联产系统
技术领域
本实用新型属于固体氧化物燃料电池技术及氢能领域，是一种利用城市天然气进行供热、发电、制氢的多联产系统。
背景技术
固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)是一种以陶瓷型氧化物为电解质的高温燃料电池，其工作温度在600℃～800℃。高温环境尽管带来了对材料等各方面更高的要求，但是也产生了较高的效率，SOFC本身的电效率可达50％～60％，若是结合热电联供，效率高达90％。同时，高品位的热能能够多次使用，这进一步促进了能量的梯级利用，提高了系统能效。SOFC的优点还包括：燃料选择灵活，非贵金属催化剂，相对高的功率密度等。
SOFC使用的燃料除了H2之外，还包括CO、CH4及其混合物，并且有可能实现碳氢化合物在燃料内部重整而产生氢气，进而用于发电。由于自身高温，高效的特点，SOFC能应用于住宅发电以及其他小型的固定电力装置，并且能和别的发电技术形成联合发电，例如GT(Gas Turbine)+SOFC联合循环系统。
在制氢方面，以天然气为核心的制氢方法包括甲烷水蒸气重整，甲烷部分氧化，甲烷自热重整等，其中甲烷水蒸气重整法(Steam Methane Reforming，SMR)是工业上最为成熟的知情技术，占世界制氢量的70％。
目前，尚未有将上述甲烷水蒸气重整制氢技术与固体氧化物燃料电池技术有机结合以提高热能利用效率的技术。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是提供一种基于城市天然气的热电氢多联产系统，其将天然气重整制氢技术、微型燃气轮机技术和固体氧化物燃料电池技术有机结合，提高了热能的整体利用效率。
本实用新型基于城市天然气的热电氢多联产系统，包括天然气重整制氢子系统、微型燃气轮机发电子系统和固体氧化物燃料电池发电子系统，所述天然气重整制氢子系统包括依次连接的脱硫装置、射流器、重整器、水汽变换反应装置和钯膜提纯装置，所述钯膜提纯装置设有输出高纯度氢气的第一出口和输出其他气体的第二出口，所述微型燃气轮机发电子系统包括依次连接的压缩机、燃烧室、透平和发电机，所述固体氧化物燃料电池发电子系统包括固体氧化物燃料电池，所述固体氧化物燃料电池的电流出口与DC/AC转换器连接，所述固体氧化物燃料电池的阴极入口与所述透平的出口连接，所述固体氧化物燃料电池的阴极出口与第一换热器的高温侧入口连接，所述第一换热器的高温侧出口与第二换热器的高温侧入口连接，所述钯膜提纯装置的第二出口与第一换热器的低温侧入口连接，所述第一换热器的低温侧出口与固体氧化物燃料电池的阳极入口连接，所述固体氧化物燃料电池的阳极出口与第三换热器的高温侧入口连接，所述第三换热器的高温侧出口与中温PSA分离装置连接，所述中温PSA分离装置与射流器连接，所述压缩机还与第二换热器的低温侧入口连接，所述第二换热器的低温侧出口与第三换热器的低温侧入口连接，所述第三换热器的低温侧出口与所述燃烧室连接，所述脱硫装置的出口还与燃烧室连接。
本实用新型基于城市天然气的热电氢多联产系统，其中所述第二换热器的高温侧出口与第四换热器的高温侧入口连接，所述第四换热器的低温侧连接水循环系统。
本实用新型基于城市天然气的热电氢多联产系统，其中所述固体氧化物燃料电池包括阳极、阴极和电解质隔膜，所述阳极和阴极分别位于电解质隔膜的两侧。
本实用新型基于城市天然气的热电氢多联产系统与现有技术不同之处在于充分地利用了系统中的热量，实现了多个系统的协同运行，耦合并提升能效。与此同时采用发电效率高的高温固体氧化物燃料电池，从而能够实现天然气的清洁高效利用，发电效率可达50％以上，污染物排放大大降低，颗粒物＜4.5mg/Nm3、SO2＜20mg/Nm3、NOx＜30mg/Nm3、Hg<0.003mg/Nm3，是一种先进的发电联合制氢系统，适宜作为利用城市天然气制氢的应用，具有一定的应用前景。
下面结合附图对本实用新型作进一步说明。
附图说明
图1为本实用新型基于城市天然气的热电氢多联产系统的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本实用新型基于城市天然气的热电氢多联产系统包括天然气重整制氢子系统、微型燃气轮机发电子系统和固体氧化物燃料电池10发电子系统，所述天然气重整制氢子系统包括依次连接的脱硫装置1、射流器2、重整器3、水汽变换反应装置4和钯膜提纯装置5，所述钯膜提纯装置5设有输出高纯度氢气的第一出口和输出其他气体的第二出口，所述微型燃气轮机发电子系统包括依次连接的压缩机6、燃烧室7、透平8和发电机15，所述固体氧化物燃料电池10发电子系统包括固体氧化物燃料电池10，所述固体氧化物燃料电池10的电流出口与DC/AC转换器16连接，所述固体氧化物燃料电池10的阴极入口与所述透平8的出口连接，所述固体氧化物燃料电池10的阴极出口与第一换热器11的高温侧入口连接，所述第一换热器11的高温侧出口与第二换热器12的高温侧入口连接，所述钯膜提纯装置5的第二出口与第一换热器11的低温侧入口连接，所述第一换热器11的低温侧出口与固体氧化物燃料电池10的阳极入口连接，所述固体氧化物燃料电池10的阳极出口与第三换热器9的高温侧入口连接，所述第三换热器9的高温侧出口与中温PSA分离装置14连接，所述中温PSA分离装置14与射流器2连接，所述压缩机6还与第二换热器12的低温侧入口连接，所述第二换热器12的低温侧出口与第三换热器9的低温侧入口连接，所述第三换热器9的低温侧出口与所述燃烧室7连接，所述脱硫装置1的出口还与燃烧室7连接。
固体氧化物燃料电池10的英文缩写为SOFC。
本实用新型基于城市天然气的热电氢多联产系统，其中所述第二换热器12的高温侧出口与第四换热器13的高温侧入口连接，所述第四换热器13的低温侧连接水循环系统。
本实用新型基于城市天然气的热电氢多联产系统，其中所述固体氧化物燃料电池10包括阳极、阴极和电解质隔膜，所述阳极和阴极分别位于电解质隔膜的两侧。
所述脱硫装置1，可采用有机溶剂，弱碱性溶剂或碱性溶剂将天然气中所含有的硫化物脱除，处理后的气体进入射流器2。
所述射流器2采用耐氧化，耐腐蚀材料，可选用PVDF等。射流器2将从中温PSA分离装置14分离出的氢气和水蒸气与天然气混合，混合后的气体进入重整器3。
所述重整器3需进一步通入水蒸气，并采用甲烷水蒸气重整方法，将天然气转化为含H2、CO和CO2的混合物，通入水汽变换反应装置4。
所述水汽变换反应装置4，用以进一步产生氢气，将重整过程中未反应的CO和H2O进一步转化为H2，是一个弱放热反应。反应后，富含H2、H2O、CO2的混合气体进入钯膜提纯装置5。
所述钯膜提纯装置5，从H2、H2O、CO2混合气体中分离出高纯氢气，其纯度可达99.99999％以上，可应用于各种工业生产或加以储存。
所述压缩机6，将过量空气进行压缩，升温升压后进入燃烧室7与脱硫后的天然气混合燃烧。同时部分空气通入第二换热器12，与SOFC阴极出口气体换热，实现一次预热。预热后的空气进一步通入第三换热器9，以利用SOFC阳极出口气体的热量，实现二次预热。预热后的气体进入燃烧室7。
所述燃烧室7，为天然气燃烧反应的主要场所，使燃料的化学能转化为内能和压力能，为做功做好准备。此处的当量比应小于1，即包含过量的氧气。
所述透平8，实现气体动能和内能转化为转子机械能，同轴连接发电机15发电，并连接压缩机6加压空气。燃烧后的气体通入SOFC阴极。
所述固体氧化物燃料电池10，包括阳极、阴极和电解质隔膜，阴极和阳极分别位于电解质隔膜的两侧，燃料和氧化剂分别通入到阳极和阴极腔室中，并发生电化学反应，产生电能和热量。电池工作温度在800℃左右。电池的规模可以通过多个电池堆串并联实现。
所述第一换热器11，用于H2、H2O、CO2燃料的预热，可以实现SOFC阴极出口气体的能量的梯级利用。所述第二换热器12，用于燃烧室7入口空气的预热；所述第四换热器13，对SOFC阴极出口气体的能量进行最后的回收。
所述第三换热器9，可利用SOFC阳极出口气体的热能，对燃烧室7入口空气进行二次预热。
所述中温PSA分离装置14，能实现对SOFC阳极出口气体的净化，出口气体通入射流器2用于产生高纯氢气，实现对燃料的回收利用。
所述发电机15，与透平8同轴相连，将透平8传递的机械能转化为电能，并与经DC/AC转换器16逆变的SOFC的电流汇合，进入电网。
本实用新型所采用的系统方案中装置的连接方式：(1)脱硫装置1入口通入天然气，出口接射流器2，与从中温PSA分离装置14分离得到的氢气混合。(2)射流器2入口分别通入天然气和氢气，出口连接重整器3。(3)重整器3高温气体入口接射流器2出口，出口接水汽变换反应装置4。(4)水汽变换反应装置4入口接重整器3，出口接钯膜提纯装置5。(5)钯膜提纯装置5入口接水汽变换反应装置4，出口的高纯氢气接储氢装置，过量的氢气以及其他气体接第一换热器11。(6)第一换热器11高温侧入口接SOFC阴极出口气体，出口接第二换热器12；第一换热器11低温侧入口接钯膜提纯装置5，低温侧出口接SOFC阳极。(7)SOFC阳极入口接来自第一换热器11的燃料，出口接第三换热器9。(8)第三换热器9高温侧入口接SOFC阳极，出口接中温PSA分离装置14；第三换热器9低温侧入口接第二换热器12，出口接燃烧室7。(9)中温PSA分离装置14入口接第三换热器9，出口接射流器2。(10)压缩机6入口接空气入口，出口接第二换热器12低温侧入口以及燃烧室7入口。(11)燃烧室7入口接压缩机6出口以及脱硫装置1出口，出口接透平8入口。(12)透平8入口接燃烧室7出口，出口接SOFC10阴极入口；透平8同时同轴连接发电机15，将电能汇入电网。(13)SOFC10阴极入口接透平8出口，阴极出口接第一换热器11高温侧入口；阳极入口接第一换热器11低温侧出口，出口接第三换热器9高温侧入口。(14)第四换热器13高温侧入口接第二换热器12高温侧出口，出口废气进行排放；低温侧接入热水循环系统。(15)SFOC电流出口接DC/AC转换器16，将电能汇入电网。
本实用新型的工作方式如下：
本实用新型主要包括3个过程，分别是①天然气重整制氢以及高纯氢提取过程；②微型燃气轮机发电循环过程；③固体氧化物燃料电池10发电过程。且这三个过程相互耦合，相互补充，实现了多层次的余热利用。天然气重整方面，首先对天然气做了脱硫处理，完成后通过射流器2将天然气与SOFC燃料出口未反应的氢气混合，并结合水汽变换和钯膜提纯技术，得到高纯度的氢气，同时也极大的提升了SOFC燃料利用率。提纯后的剩余气体进入SOFC阳极，作为燃料。微型燃气轮机发电方面，空气经压缩机6压缩后，先后与SOFC阴极和SOFC阳极出口气体进行热量交换，进入燃烧室7和脱硫后的天然气混合燃烧，出口气体进入透平8做功，并带动发电机15发电。做功完的乏汽需保证能够为SOFC阴极提供足够多的氧气。SOFC发电方面，阴极气体来自微燃机乏汽，阳极燃料来自制氢的剩余气体。通过电化学反应，直接将这些气体的化学能转变为电能，并通过DC/AC转换器16输出。SOFC出口气体的热量经过了多层次的利用，提高了整体的循环效率。
本实用新型与已有的技术相比，充分地利用了系统中的热量，实现了多个系统的协同运行，耦合并提升能效。与此同时采用发电效率高的高温固体氧化物燃料电池10，从而能够实现天然气的清洁高效利用，发电效率可达50％以上，污染物排放大大降低，颗粒物＜4.5mg/Nm3、SO2＜20mg/Nm3、NOx＜30mg/Nm3、Hg<0.003mg/Nm3，是一种先进的发电联合制氢系统，适宜作为利用城市天然气制氢的应用，具有一定的应用前景。
天然气通入脱硫装置1，出口硫含量应小于0.5ppm，然后在温度380℃，压力3.6Mpa配入中压水蒸气，达到约3.5的水碳摩尔比。进入重整器3时需保证反应温度达到750℃～900℃，压力2～3Mpa。水汽变换反应分两段进行，高温变换温度350℃～400℃，中温变换温度300℃～350℃。钯膜提纯后的氢气纯度应大于99.99999％。钯膜提纯后的剩余气体进入高温换热器，温度达到700℃，进入燃料电池阳极，此时气体组分为H2＞50％，CO2＞20％，H2O约30％。反应后的阳极气体通过换热器与空气换热，温度降到300℃左右，通过中温PSA分离装置14进行中温变压吸附，以获得纯度超过99.99％的氢气，混合到天然气中。与此同时，空气通过压缩机6增压至4Mpa后，与天然气混合进入燃烧室7，燃烧后压力到达5Mpa以上，温度达到900℃，进一步通过透平8做功而降温降压，燃烧过程中应保证足够过量空气系数。做功后的乏汽进入固体氧化物燃料电池10阴极发生电化学反应，产生直流电，并经过DC/AC转换器16转化为交流电。阴极出口气体首先经过第一换热器11(此为高温换热器)预热燃料气体，温度降至750℃；在经过第二换热器12(此为中温换热器)预热空气，温度降至300℃；在经过第四换热器13(此为低温换热器)，进入水循环系统，温度降至150℃，排出。
以上所述的实施例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本实用新型权利要求书确定的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于城市天然气的热电氢多联产系统，其特征在于：包括天然气重整制氢子系统、微型燃气轮机发电子系统和固体氧化物燃料电池发电子系统，所述天然气重整制氢子系统包括依次连接的脱硫装置、射流器、重整器、水汽变换反应装置和钯膜提纯装置，所述钯膜提纯装置设有输出高纯度氢气的第一出口和输出其他气体的第二出口，所述微型燃气轮机发电子系统包括依次连接的压缩机、燃烧室、透平和发电机，所述固体氧化物燃料电池发电子系统包括固体氧化物燃料电池，所述固体氧化物燃料电池的电流出口与DC/AC转换器连接，所述固体氧化物燃料电池的阴极入口与所述透平的出口连接，所述固体氧化物燃料电池的阴极出口与第一换热器的高温侧入口连接，所述第一换热器的高温侧出口与第二换热器的高温侧入口连接，所述钯膜提纯装置的第二出口与第一换热器的低温侧入口连接，所述第一换热器的低温侧出口与固体氧化物燃料电池的阳极入口连接，所述固体氧化物燃料电池的阳极出口与第三换热器的高温侧入口连接，所述第三换热器的高温侧出口与中温PSA分离装置连接，所述中温PSA分离装置与射流器连接，所述压缩机还与第二换热器的低温侧入口连接，所述第二换热器的低温侧出口与第三换热器的低温侧入口连接，所述第三换热器的低温侧出口与所述燃烧室连接，所述脱硫装置的出口还与燃烧室连接。
2.根据权利要求1所述的基于城市天然气的热电氢多联产系统，其特征在于：所述第二换热器的高温侧出口与第四换热器的高温侧入口连接，所述第四换热器的低温侧连接水循环系统。
3.根据权利要求2所述的基于城市天然气的热电氢多联产系统，其特征在于：所述固体氧化物燃料电池包括阳极、阴极和电解质隔膜，所述阳极和阴极分别位于电解质隔膜的两侧。
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