CN209428124U - 一种基于地热能甲醇重整制氢的热电氢三联供系统 - Google Patents

一种基于地热能甲醇重整制氢的热电氢三联供系统 Download PDF

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周浩伟
余正锟
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Abstract

本实用新型属于甲醇重整制氢技术领域，公开了一种基于地热能甲醇重整制氢的热电氢三联供系统，包括与地热井连接的地热加热单元、重整制氢单元和燃烧发电单元。整个系统直接采用地热作为热源加热工质，受热后的工质为甲醇重整制氢反应提供热量，工质释放热量后仍有一定的热能，用来加热提供家用热水，未反应完的甲醇在燃烧发电单元中燃烧发电，为用户提供电力。本实用新型的三联供系统利用地热能甲醇重整制得氢气的同时为用户发电和提供生活热水，实用性强并且能量利用率高，适用于地处地热资源丰富区域的小微型应用场合，满足用户多种用能需求。

Description

一种基于地热能甲醇重整制氢的热电氢三联供系统
技术领域
本实用新型涉及甲醇重整制氢技术领域，尤其涉及一种基于地热能甲醇重整制氢的热电氢三联供系统。
背景技术
随着化石燃料消耗量的日益增加，其储量日益减少，终有一天这些资源将要枯竭，这就迫切需要寻找一种不依赖化石燃料的、储量丰富的新的含能体能源。氢能正是一种在常规能源危机出现和开发新的二次能源的同时人们期待的新的二次能源。从长远来看，生物能源、太阳能和风能等可再生能源的氢气生产将在21世纪越来越具有竞争力，但天然气、甲醇和水的氢气生产仍然是最具竞争力的技术。同时，甲醇制氢的成本整体上低于天然气制氢和水解制氢。现有的甲醇制氢技术非常成熟，甲醇的转化率可达到99.9%。地热资源作为24小时全天候的能源，其优势非常明显，尤其像青藏高原地区，地热资源尤其丰富，羊八井的地热更是达到三百多摄氏度。目前，利用地热制氢方面的研究虽然也有被提出，但是多为利用地热发电，然后进行水电解产生氢气。在这个过程中，电能先产生然后消耗，最后又产生，能量利用率不高。
实用新型内容
本实用新型主要目的在于提供一种利用地热能实现热电氢三联供的系统，以解决背景技术中能量利用率低的问题。
为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是提供一种基于地热能甲醇重整制氢的热电氢三联供系统，包括与地热井连接的地热加热单元，还包括重整制氢单元和燃烧发电单元；
所述地热加热单元，包括第一压力泵和地热加热器，所述地热加热器包括进水口和出水口，工质进口和工质出口；所述第一压力泵连接所述地热井和地热加热器的进水口，所述地热加热器的出水口与所述地热井连接，形成地热水循环回路；
所述重整制氢单元，包括依次连接的燃料罐、混合器、第二压力泵、过热器、重整器、分离器、变压吸附装置、氢气储存罐；所述过热器设置有进料口、出料口、工质进口和工质出口，所述重整器设置有进料口、出气口、工质进口和工质出口，所述分离器设置有进口、第一出口和第二出口，所述变压吸附装置设置有第一出口和第二出口；所述地热加热器的工质出口与所述过热器的工质进口连接，所述过热器的工质出口与所述重整器的工质进口连接，所述重整器和所述地热加热器之间设置有第一换热器，所述第一换热器设置有进水口、出水口、工质进口和工质出口；所述重整器的工质出口与所述第一换热器的工质进口连接，所述第一换热器的工质出口和所述地热加热器的工质进口连接，形成工质循环回路；
所述燃烧发电单元，包括空气压缩机、燃烧室、透平和发电机；所述燃烧室设置有进口和出口，所述透平设置有进气端和排气端，所述燃烧室的进口与所述空气压缩机和所述分离器的第二出口连接，所述燃烧室的出口与所述透平的进气端连接，所述透平的排气端连接发电机。
进一步地，所述重整制氢单元还包括第二换热器，所述第二换热器包括进料口、出料口、进气口和出气口，所述第二换热器的进料口与所述第二压力泵连接，所述第二换热器的出料口与所述过热器的进料口连接，所述第二换热器的进气口与所述重整器的出气口连接，所述第二换热器的出气口与所述分离器的进气口连接。
进一步地，所述重整制氢单元还包括第三换热器，所述第三换热器包括进气口、出气口、进水口和出水口；所述第三换热器的进气口与所述第二换热器的出气口连接，所述第三换热器的出气口与所述分离器的进口连接。
进一步地，所述燃烧发电单元还包括回热器，所述回热器设置有进气口和出气口，所述回热器的进气口与所述透平的排气端和所述空气压缩机连接，所述回热器的出气口与所述燃烧室的进口连接。
进一步地，所述工质为导热油T55。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：该系统直接利用地热能进行甲醇重整制氢的同时可以提供家用的热水和电力供应，实现了热电氢的三联供，实用性强并且能量利用率高。此外，联供系统工作过程中，排放物的余热得到充分利用，几乎没有污染物质，在环境保护方面具有显著优势。
附图说明
图1是本实用新型热电氢三联供系统结构示意图。
图中：101、地热井；102、第一压力泵；103、地热加热器；104、第一换热器；105、重整器；106、过热器；107、家用热水出口；108、燃料罐；109、混合器；110、第二压力泵；111、第二换热器；112、第三换热器；113、分离器；114、变压吸附装置；115、氢气储存罐；116、燃烧室；117、透平；118、发电机；119、空气压缩机；120、回热器。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本实用新型作进一步详细说明。
如图1所示，本实用新型提供一种基于地热能甲醇重整制氢的热电氢三联供系统，包括与地热井101连接的地热加热单元，还包括重整制氢单元和燃烧发电单元。
地热加热单元，包括第一压力泵102和地热加热器103，地热加热器包括进水口和出水口，工质进口和工质出口；第一压力泵102连接地热井101和地热加热器103的进水口，地热加热器103的出水口与地热井101连接，形成地热水循环回路。优选地，工质可以采用导热油T55。
重整制氢单元，包括依次连接的燃料罐108、混合器109、第二压力泵110、过热器106、重整器105、分离器113、变压吸附装置（PSA）114、氢气储存罐115。过热器106设置有进料口、出料口、工质进口和工质出口，重整器105设置有进料口、出气口、工质进口和工质出口，分离器113设置有进口、第一出口和第二出口，变压吸附装置114设置有第一出口和第二出口。地热加热器103的工质出口与过热器106的工质进口连接，过热器106的工质出口与重整器105的工质进口连接。重整器105和地热加热器103之间设置有第一换热器104，第一换热器104设置有进水口、出水口、工质进口和工质出口。重整器105的工质出口与第一换热器104的工质进口连接，第一换热器104的工质出口和地热加热器103的工质进口连接，形成工质循环回路。
优选地，重整制氢单元还包括第二换热器111，第二换热器111包括进料口、出料口、进气口和出气口，第二换热器111的进料口与第二压力泵110连接，第二换热器111的出料口与过热器106的进料口连接，第二换热器111的进气口与重整器105的出气口连接，第二换热器111的出气口与分离器113的进气口连接。重整制氢单元还包括第三换热器112，第三换热器112包括进气口、出气口、进水口和出水口。第三换热器112的进气口与第二换热器111的出气口连接，第三换热器112的出气口与分离器113的进口连接。
燃烧发电单元，包括空气压缩机119、燃烧室116、透平117和发电机118。燃烧室116设置有进口和出口，透平117设置有进气端和排气端，燃烧室116的进口与空气压缩机119和分离器113的第二出口连接，燃烧室116的出口与透平117的进气端连接，透平117的排气端连接发电机118。
燃烧发电单元还包括回热器120，回热器120设置有进气口和出气口，回热器120的进气口与透平117的排气端和空气压缩机119连接，回热器120的出气口与燃烧室116的进口连接。
工作时，地热井101中的地热水通过第一压力泵102泵出至地热加热器103，用于将热量传给地热加热器103中的导热油。地热加热器103中经地热水加热的高温导热油依次沿着过热器106、重整器105和第一换热器104流动。高温导热油流向过热器106使过热器106中的液态甲醇水溶液在反应前迅速气化，并为重整器105中的甲醇重整制氢反应提供热量。被带走大部分热量的导热油流向第一换热器104用余热继续加热家庭用水，家用热水自家用热水出口107排出，导热油最后又回到地热加热器103的入口，构成工质的循环通路，如此不断循环。
燃料罐108中盛放有液态甲醇水溶液，甲醇水溶液经混合器109混合后由第二压力泵110泵出，经第二换热器111预热后进入过热器106加热气化成甲醇蒸气，进入重整器105中重整反应制备氢气。重整器105中发生重整反应生成H2、CO2、CO，因此重整器的出气口排出的气体为含有CH3OH、H2O、H2、CO2和CO等的混合气体。带有反应余热的混合气体进入第二换热器111与未反应的液体甲醇水溶液进行热交换对其进行预热并降低混合气体自身温度。混合气体流经第二换热器111后流向第三换热器112进一步冷却后进入分离器113进行气液分离。第三换热器112采用低于25℃的冷却水进行冷却。分离器113对混合气体进行气液分离后将液相的甲醇和水排出至燃烧室116，剩余的混合气体经变压吸附装置111分离纯化后制得纯氢气置于氢气储存罐115中。未反应的甲醇被分离出来后进入燃烧室116中进行燃烧，并产生数千度（平均温度在1300K和1400K之间）的高温和高压蒸汽，蒸汽驱动透平117做功，带动发电机发电。而透平117排气口出来的温度尚高的气体进入回热器120中预热经空气压缩机119压缩后的空气，使空气在回热器120内预热后再进入燃烧室。这样，透平117排出的高温气体的热量就可以用来代替一部分燃料,从而减少向燃烧室注入的燃料量,提高燃气轮机发电机组的热效率。
本实用新型基于地热能采用甲醇重整制氢的同时可以提供家用的热水和电力供应，实现了热电氢的三联供，实用性强并且能量利用率高。此外，在联供系统工作过程中，排放物的余热得到充分利用，几乎没有污染物质，在环境保护方面具有显著优势。原因如下：1）地热加热器的导热油给甲醇制氢反应提供热量后的废热用于生产家用热水；2）未反应完的甲醇被分离后用来燃烧产生的热量用以发电，废热用来加热燃料电池的进气，提高燃气轮机的工作效率；3）本发明适用于类似公寓、家庭等小微型应用场合户的微型热电联供系统，在满足用户多种用能需求的同时，提高能量利用率，减少建筑环境污染。
上述实施例仅为优选实施例，并不用以限制本实用新型的保护范围，在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于地热能甲醇重整制氢的热电氢三联供系统，包括与地热井连接的地热加热单元，其特征在于，还包括重整制氢单元和燃烧发电单元；
所述地热加热单元，包括第一压力泵和地热加热器，所述地热加热器包括进水口和出水口，工质进口和工质出口；所述第一压力泵连接所述地热井和地热加热器的进水口，所述地热加热器的出水口与所述地热井连接，形成地热水循环回路；
所述重整制氢单元，包括依次连接的燃料罐、混合器、第二压力泵、过热器、重整器、分离器、变压吸附装置、氢气储存罐；所述过热器设置有进料口、出料口、工质进口和工质出口，所述重整器设置有进料口、出气口、工质进口和工质出口，所述分离器设置有进口、第一出口和第二出口，所述变压吸附装置设置有第一出口和第二出口；所述地热加热器的工质出口与所述过热器的工质进口连接，所述过热器的工质出口与所述重整器的工质进口连接，所述重整器和所述地热加热器之间设置有第一换热器，所述第一换热器设置有进水口、出水口、工质进口和工质出口；所述重整器的工质出口与所述第一换热器的工质进口连接，所述第一换热器的工质出口和所述地热加热器的工质进口连接，形成工质循环回路；
所述燃烧发电单元，包括空气压缩机、燃烧室、透平和发电机；所述燃烧室设置有进口和出口，所述透平设置有进气端和排气端，所述燃烧室的进口与所述空气压缩机和所述分离器的第二出口连接，所述燃烧室的出口与所述透平的进气端连接，所述透平的排气端连接发电机。
2.如权利要求1所述的基于地热能甲醇重整制氢的热电氢三联供系统，其特征在于，所述重整制氢单元还包括第二换热器，所述第二换热器包括进料口、出料口、进气口和出气口，所述第二换热器的进料口与所述第二压力泵连接，所述第二换热器的出料口与所述过热器的进料口连接，所述第二换热器的进气口与所述重整器的出气口连接，所述第二换热器的出气口与所述分离器的进气口连接。
3.如权利要求2所述的基于地热能甲醇重整制氢的热电氢三联供系统，其特征在于，所述重整制氢单元还包括第三换热器，所述第三换热器包括进气口、出气口、进水口和出水口；所述第三换热器的进气口与所述第二换热器的出气口连接，所述第三换热器的出气口与所述分离器的进口连接。
4.如权利要求3所述的基于地热能甲醇重整制氢的热电氢三联供系统，其特征在于，所述燃烧发电单元还包括回热器，所述回热器设置有进气口和出气口，所述回热器的进气口与所述透平的排气端和所述空气压缩机连接，所述回热器的出气口与所述燃烧室的进口连接。
5.如权利要求4所述的基于地热能甲醇重整制氢的热电氢三联供系统，其特征在于，所述工质为导热油T55。
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