以太陽能及生物質(zhì)氣化為基礎(chǔ)的氫能產(chǎn)儲(chǔ)輸用一體化系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種以太陽能及生物質(zhì)氣化為基礎(chǔ)的氫能產(chǎn)儲(chǔ)輸用一體化系統(tǒng)，包括產(chǎn)氫子系統(tǒng)、儲(chǔ)氫子系統(tǒng)、輸氫子系統(tǒng)和用氫子系統(tǒng)四部分，其中，產(chǎn)氫子系統(tǒng)包括定日鏡、氣化反應(yīng)器、預(yù)熱器和冷卻凈化器；儲(chǔ)氫子系統(tǒng)包括新氣壓縮機(jī)、燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)、甲醇換熱器、甲醇合成塔、氣液分離器、精餾塔和甲醇罐；輸氫子系統(tǒng)包括輸運(yùn)裝置，甲醇罐通過輸運(yùn)裝置與甲醇中儲(chǔ)站連接；用氫子系統(tǒng)包括甲醇中儲(chǔ)站、槽式太陽能吸收／反應(yīng)器、氫氣變壓吸附提純裝置、城市煤氣管網(wǎng)系統(tǒng)、氫站和燃料電池。利用本發(fā)明，能夠充分利用可再生能源來生成氫氣，借助甲醇這個(gè)優(yōu)質(zhì)載體來實(shí)現(xiàn)氫能的高效存儲(chǔ)和遠(yuǎn)距離輸運(yùn)，并緩解當(dāng)前資源分布與經(jīng)濟(jì)發(fā)展間不均衡等問題。
【專利說明】以太陽能及生物質(zhì)氣化為基礎(chǔ)的氫能產(chǎn)儲(chǔ)輸用一體化系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及氫能的高效利用【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是一種以太陽能及生物質(zhì)氣化為基礎(chǔ)的氫能產(chǎn)儲(chǔ)輸用一體化系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 能源是人類賴以生存和發(fā)展的關(guān)鍵性要素之一，也是國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。但現(xiàn)有的能源供應(yīng)體系主要依賴于煤炭和石油等化石燃料，過度使用化石燃料已對(duì)環(huán)境產(chǎn)生了嚴(yán)重污染，并加劇了全球氣候變暖。就中國而言，以煤炭為主導(dǎo)的能源結(jié)構(gòu)已嚴(yán)重制約當(dāng)前經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的高速發(fā)展，同時(shí)過高的石油對(duì)外依存度已嚴(yán)重威脅到國家能源安全。與此同時(shí)，化石燃料的不可再生性和日益增長(zhǎng)的能源需求之間的矛盾也正急劇凸顯，尋求清潔的可再生的替代能源已成為當(dāng)前亟待解決的難題。
[0003]近年來，各國的研究人員將目光投向了氫能，氫是自然界中最普遍的元素，據(jù)估計(jì)它占宇宙總質(zhì)量的75%。氫氣的燃燒效率和熱值都非常高，相同質(zhì)量下純氫的熱值幾乎相當(dāng)于當(dāng)前汽車動(dòng)力燃料(汽油、柴油等)燃燒熱值的2.8倍。同時(shí)氫氣的燃燒產(chǎn)物僅為水，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。
[0004]目前主要利用水分解制氫、天然氣重整制氫、煤氣化制氫等方式來生產(chǎn)氫氣，雖然氫氣作為終端產(chǎn)品屬于清潔能源，但氫氣的生產(chǎn)過程卻需消耗大量的化石燃料或優(yōu)質(zhì)的電能。在天然氣重整反應(yīng)中，現(xiàn)有的技術(shù)是直接燃燒天然氣以提供反應(yīng)所需要的熱量，但天然氣的最高理論燃燒溫度能達(dá)到2300°C，而天然氣重整制氫的反應(yīng)溫度僅為800~1000°C，溫度之間的不匹配將造成嚴(yán)重的能量品位損失，煤氣化制氫技術(shù)同樣存在此類問題。已有的化石燃料制氫技術(shù)均采用直接燃燒原料的方式來提供反應(yīng)熱，雖然可以簡(jiǎn)化流程結(jié)構(gòu)，但是所造成的環(huán)境污染和能量品位損失也是不可忽略的。
[0005]另一方面，根據(jù)資源的分布特性和城市土地資源的寶貴性，使得氫氣的生產(chǎn)設(shè)施往往建設(shè)在遠(yuǎn)離用戶中心等偏遠(yuǎn)地區(qū)，由此遠(yuǎn)距離輸送氫氣成為了必然，而現(xiàn)有的輸運(yùn)方式主要包括氣態(tài)氫輸送和液態(tài)氫輸送。氣態(tài)輸送方式通常是將氫經(jīng)加壓至一定壓力后通過長(zhǎng)管拖車等工具進(jìn)行輸送，一般利用由9個(gè)直徑約為0.5m、長(zhǎng)約10m、設(shè)計(jì)工作壓力為20MPa的鋼瓶組成的管束，但高壓充氣鋼瓶中的氫重量?jī)H占1.6%左右，即輸運(yùn)過程做了大量無用功，還需消耗大量氫氣壓縮功，而且儲(chǔ)氫壓力容器也存在諸多安全隱患。而液體輸送方式是將氫深冷至21K液化后，再利用槽罐車或者管道進(jìn)行輸運(yùn)，雖然其體積能量密度分別為常壓下氫和15MPa輸運(yùn)壓力下氫的845倍和6.5倍，但是氫氣液化過程中消耗大量的冷卻能量約占其儲(chǔ)存能量的30 %，而且液氫易泄漏不能長(zhǎng)期保存，還需采用各類技術(shù)手段保持液化罐的熱絕緣性以降低蒸發(fā)損失。
[0006]相對(duì)化石燃料而言，我國的太陽能資源非常豐富，年平均日太陽輻射量為180W /m2，并表現(xiàn)出西高東低的太陽能地域分布特點(diǎn)，我國的西藏、青海等新疆等西部地區(qū)年日照時(shí)間更是在3000小時(shí)以上，屬世界太陽能資源豐富地區(qū)之一。與此同時(shí)，中國的生物質(zhì)秸桿年產(chǎn)量為8.42億噸，可收集利用量達(dá)到6.86億噸，利用前景非常廣闊。因此，可以充分利用這些清潔的可再生能源來生產(chǎn)氫，這不僅將有助于降低化石燃料的消耗，同時(shí)也能夠?qū)崿F(xiàn)低品質(zhì)可再生能源向聞品質(zhì)氫!能的轉(zhuǎn)變。
[0007]現(xiàn)有的氫輸運(yùn)系統(tǒng)雖然是直接將純凈的氫送往氫站等用戶，但是輸運(yùn)的效率很低，而且在輸運(yùn)和儲(chǔ)存過程中還存在諸多安全性問題。應(yīng)當(dāng)尋找一種易由氫氣合成、且易分解成氫氣的中間載體，以提高氫氣的儲(chǔ)存穩(wěn)定性，不僅能借助現(xiàn)有的輸運(yùn)體系實(shí)現(xiàn)安全輸送，還可降低對(duì)用戶側(cè)的技術(shù)要求。
[0008]著眼于未來的能源發(fā)展方向，不僅要求具備清潔且高效的氫能轉(zhuǎn)化技術(shù)，同時(shí)在氫能的生產(chǎn)、儲(chǔ)存和輸運(yùn)側(cè)也應(yīng)追求無污染、低成本。在借助豐富的太陽能和生物質(zhì)等可再生能源生產(chǎn)氫的同時(shí)，通過構(gòu)建科學(xué)合理的氫能產(chǎn)儲(chǔ)輸用一體化系統(tǒng)有助于氫能的推廣與應(yīng)用，為有效地緩解日益增長(zhǎng)的能源需求和有限的化石能源儲(chǔ)量之間的矛盾提供途徑。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009](一 )要解決的技術(shù)問題
[0010]有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種以太陽能及生物質(zhì)氣化為基礎(chǔ)的氫能產(chǎn)儲(chǔ)輸用一體化系統(tǒng)，以充分利用可再生能源來生成氫氣，借助甲醇這個(gè)優(yōu)質(zhì)載體來實(shí)現(xiàn)氫能的高效存儲(chǔ)和遠(yuǎn)距離輸運(yùn)，并緩解當(dāng)前資源分布與經(jīng)濟(jì)發(fā)展間不均衡等問題。
[0011](二)技術(shù)方案
[0012]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種以太陽能及生物質(zhì)氣化為基礎(chǔ)的氫能產(chǎn)儲(chǔ)輸用一體化系統(tǒng)，包括產(chǎn)氫子系統(tǒng)、儲(chǔ)氫子系統(tǒng)、輸氫子系統(tǒng)和用氫子系統(tǒng)四部分，其中:
[0013]產(chǎn)氫子系統(tǒng)包括定日鏡1、氣化反應(yīng)器2、預(yù)熱器3和冷卻凈化器4，其中，定日鏡I設(shè)置于氣化反應(yīng)器2周圍，氣化反應(yīng)器2出口依次與預(yù)熱器3的熱端和冷卻凈化器4入口相連，生物質(zhì)SI和水S2經(jīng)預(yù)熱器3的冷端與氣化反應(yīng)器2入口連接；
[0014]儲(chǔ)氫子系統(tǒng)包括新氣壓縮機(jī)5、燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)6、甲醇換熱器7、甲醇合成塔
8、氣液分離器9、精餾 塔10和甲醇罐11，其中，冷卻凈化器4的出口依次與新氣壓縮機(jī)5、甲醇換熱器7冷端與甲醇合成塔8入口連接，甲醇合成塔8出口經(jīng)甲醇換熱器7熱端與氣液分離器9相連，氣液分離器9的液相出口與精餾塔10連接，氣液分離器9的氣相出口一部分與燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)6連接，其他部分與精餾塔10的氣體出口一同與新氣壓縮機(jī)5的入口連接，精餾塔10的液體出口與甲醇罐11連接；
[0015]輸氫子系統(tǒng)包括輸運(yùn)裝置12，甲醇罐11通過輸運(yùn)裝置12與甲醇中儲(chǔ)站13連接；
[0016]用氫子系統(tǒng)包括甲醇中儲(chǔ)站13、槽式太陽能吸收/反應(yīng)器14、氫氣變壓吸附提純裝置15、城市煤氣管網(wǎng)系統(tǒng)16、氫站17和燃料電池18，其中，甲醇中儲(chǔ)站13出口與槽式太陽能吸收/反應(yīng)器14入口連接，槽式太陽能吸收/反應(yīng)器14出口與氫氣變壓吸附提純裝置15入口連接，氫氣變壓吸附提純裝置15的一氧化碳出口與城市煤氣管網(wǎng)系統(tǒng)16連接，氫氣變壓吸附提純裝置15的氫氣出口途徑氫站17與燃料電池18等終端氫能用戶連接。
[0017]上述方案中，在產(chǎn)氫子系統(tǒng)中:定日鏡I用于為氣化反應(yīng)器2聚焦太陽能并提供高溫?zé)嵩?；氣化反?yīng)器2用于實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)SI的氣化，將生物質(zhì)SI由固體燃料轉(zhuǎn)化為作為氣體燃料的合成氣，并輸送給預(yù)熱器3 ;預(yù)熱器3用于利用合成氣的顯熱將水S2轉(zhuǎn)化為氣化反應(yīng)所需的水蒸汽，并對(duì)生物質(zhì)SI進(jìn)行干燥和預(yù)熱，以降低高溫太陽能的集熱量；冷卻凈化器4用于降低經(jīng)過預(yù)熱器3后的合成氣的溫度，并脫除合成氣中所含的灰分和硫化氫等雜質(zhì)，輸送給新氣壓縮機(jī)5。
[0018]上述方案中，所述預(yù)熱器3充分利用氣化合成氣的顯熱來預(yù)熱用于氣化的生物質(zhì)SI，并將水S2轉(zhuǎn)化為蒸汽作為氣化劑。
[0019]上述方案中，在儲(chǔ)氫子系統(tǒng)中:新氣壓縮機(jī)5用于提高合成氣的壓力，并輸送給甲醇換熱器7 ；甲醇換熱器7用于提升合成氣的溫度以提高在后續(xù)反應(yīng)中甲醇的產(chǎn)率，并輸送給甲醇合成塔8 ;甲醇合成塔8用于實(shí)現(xiàn)合成氣中氫氣與一氧化碳反應(yīng)生成甲醇的化學(xué)反應(yīng)，并將生成的產(chǎn)物通過甲醇換熱器7輸送給氣液分離器9 ;氣液分離器9用于實(shí)現(xiàn)粗甲醇和未反應(yīng)合成氣的分離，分離后得到的甲醇被輸送給精餾塔10，分離后得到的未反應(yīng)合成氣一部分進(jìn)入燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)6，另一部分與精餾塔10生成的氣體一同進(jìn)入新氣壓縮機(jī)5 ;燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)6由一組燃?xì)獍l(fā)電裝置和蒸汽發(fā)電裝置構(gòu)成，用于將部分未合成的氣體轉(zhuǎn)化為電能，避免為過渡追求甲醇產(chǎn)率而增加系統(tǒng)的壓縮耗功量，提高系統(tǒng)的資源利用率；精餾塔10用于對(duì)甲醇進(jìn)行提純，將甲醇的純度提高至99%以上，提純得到的液體甲醇被輸送給甲醇罐，提純后剩余的氣體進(jìn)入新氣壓縮機(jī)5 ;甲醇罐11用于實(shí)時(shí)存儲(chǔ)提純得到的液體甲醇。
[0020]上述方案中，所述燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)6中的燃?xì)馔钙侥軌蛑苯油蟿?dòng)新氣壓縮機(jī)5，而其中的蒸汽透平將用于發(fā)電以提供系統(tǒng)所需的廠用電。
[0021 ] 上述方案中，所述氣液分離器9和所述精餾塔10所排出的氣體將作為未合成氣送至甲醇合成塔8加以循環(huán)利用，以提高系統(tǒng)的甲醇產(chǎn)量，但同時(shí)也抽取一部分作為燃料氣送至燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)6以維持系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
[0022]上述方案中，在輸氫子系統(tǒng)中，輸運(yùn)裝置12用于運(yùn)輸甲醇罐11中存儲(chǔ)的液體甲醇。所述輸運(yùn)裝置12為卡車、火車或管道，以實(shí)現(xiàn)甲醇的遠(yuǎn)距離輸運(yùn)。
[0023]上述方案中，在用氫子系統(tǒng)中:甲醇中儲(chǔ)站13用于中儲(chǔ)甲醇，根據(jù)用戶的需求進(jìn)行來調(diào)節(jié)后續(xù)的甲醇分解流量，從而滿足系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行特性；槽式太陽能吸收/反應(yīng)器
14用于利用中低溫太陽能來完成甲醇的裂解，以生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)包含氫氣和一氧化碳的合成氣；氫氣變壓吸附提純裝置15用于實(shí)現(xiàn)氫氣和一氧化碳的分離，并對(duì)氫氣進(jìn)行提純，以滿足氫能用戶的設(shè)計(jì)要求，將氫氣和一氧化碳分別輸送給城市煤氣管網(wǎng)系統(tǒng)16和氫站17 ;氫站17用于為氫能用戶直接提供氫氣；燃料電池18直接利用氫氣以產(chǎn)生電能的裝置，并能夠與電動(dòng)汽車或微小電網(wǎng)進(jìn)行連接。
[0024]上述方案中，所述槽式太陽能吸收/反應(yīng)器14為甲醇的催化分解提供所需的中低溫太陽能，可安裝在建筑物的屋頂位置，以節(jié)省土地資源的使用量；所述氫氣變壓吸附提純裝置15對(duì)甲醇的催化分解得到的氫氣進(jìn)行分離和提純，從而滿足終端用戶燃料電池18的要求，而分離出的CO被送至城市煤氣管網(wǎng)系統(tǒng)16加以充分利用。
[0025](三)有益效果
[0026]從上述技術(shù)方案可看出，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0027]1、本發(fā)明提供的以太陽能及生物質(zhì)氣化為基礎(chǔ)的氫能產(chǎn)儲(chǔ)輸用一體化系統(tǒng)，基于“溫度對(duì)口，梯級(jí)利用”的能源利用機(jī)理，借助不同的太陽能集熱裝置來完成生物質(zhì)的氣化及后期甲醇分解等過程以降低系統(tǒng)的能量品位損失，同時(shí)通過合理的系統(tǒng)熱能優(yōu)化以提高系統(tǒng)的能量利用率。
[0028]2、本發(fā)明提供的以太陽能及生物質(zhì)氣化為基礎(chǔ)的氫能產(chǎn)儲(chǔ)輸用一體化系統(tǒng)，是以利用太陽能和生物質(zhì)為基礎(chǔ)的，避免消耗煤炭和天然氣等化石燃料并有效地降低CO2等污染物的排放。
[0029]3、本發(fā)明提供的以太陽能及生物質(zhì)氣化為基礎(chǔ)的氫能產(chǎn)儲(chǔ)輸用一體化系統(tǒng)，直接利用高溫太陽能提供生物質(zhì)氣化反應(yīng)熱，無需通過燃燒生物質(zhì)本身來提供所需的熱量，這不僅提高了生物質(zhì)的有效利用率，也能降低合成氣凈化負(fù)擔(dān)，而且所產(chǎn)生的合成氣組分更適合于后續(xù)的甲醇合成。
[0030]4、本發(fā)明提供的以太陽能及生物質(zhì)氣化為基礎(chǔ)的氫能產(chǎn)儲(chǔ)輸用一體化系統(tǒng)，通過將太陽能引入生物質(zhì)氣化反應(yīng)中，由此實(shí)現(xiàn)了太陽能向化學(xué)能的轉(zhuǎn)化，不僅實(shí)現(xiàn)了太陽能的品位提升，而且也充分利用合成氣的化學(xué)能形式來儲(chǔ)存太陽能，也有助于實(shí)現(xiàn)太陽能等可再生能源的地區(qū)間輸送。
[0031]5、本發(fā)明提供的以太陽能及生物質(zhì)氣化為基礎(chǔ)的氫能產(chǎn)儲(chǔ)輸用一體化系統(tǒng)，以甲醇作為氫能載體，能保證氫氣的穩(wěn)定儲(chǔ)存，可按照現(xiàn)有的甲醇生產(chǎn)和相關(guān)的輸運(yùn)技術(shù)體系來保證氫能的正常生產(chǎn)和遠(yuǎn)距離輸運(yùn)，降低了技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，并提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。[0032]6、本發(fā)明提供的以太陽能及生物質(zhì)氣化為基礎(chǔ)的氫能產(chǎn)儲(chǔ)輸用一體化系統(tǒng)，依據(jù)資源分布的特點(diǎn)，可充分利用例如中國西部等豐富的太陽能和生物質(zhì)資源、廣闊的土地資源來發(fā)展規(guī)?；奶柲芗吧镔|(zhì)氣化和甲醇生產(chǎn)系統(tǒng)，同時(shí)利用甲醇作為氫能的穩(wěn)定載體，可通過長(zhǎng)距離輸運(yùn)等方式來緩解地區(qū)間經(jīng)濟(jì)發(fā)展和能源供應(yīng)之間的矛盾。
[0033]7、本發(fā)明提供的以太陽能及生物質(zhì)氣化為基礎(chǔ)的氫能產(chǎn)儲(chǔ)輸用一體化系統(tǒng)，氫能的用戶主要集中在城市等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，同時(shí)根據(jù)槽式太陽能吸收/反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可將其安裝至建筑物的屋頂，不僅降低了對(duì)土地資源的依賴，同時(shí)也提高了太陽能集熱性倉泛。
[0034]8、本發(fā)明提供的以太陽能及生物質(zhì)氣化為基礎(chǔ)的氫能產(chǎn)儲(chǔ)輸用一體化系統(tǒng)，在甲醇生產(chǎn)端就著力于提高甲醇的純度，這可以降低后續(xù)甲醇制氫端中的氫氣凈化提純負(fù)荷，從而有利于保持氫能終端設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
[0035]9、本發(fā)明提供的以太陽能及生物質(zhì)氣化為基礎(chǔ)的氫能產(chǎn)儲(chǔ)輸用一體化系統(tǒng)，CO作為甲醇分解制氫端的副產(chǎn)物，將被送至城市煤氣管網(wǎng)系統(tǒng)加以充分利用，實(shí)現(xiàn)了資源的高效合理利用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0036]圖1為依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的以太陽能及生物質(zhì)氣化為基礎(chǔ)的氫能產(chǎn)儲(chǔ)輸用一體化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0037]圖1中各部件及相應(yīng)的標(biāo)記為:1-定日鏡，2-氣化反應(yīng)器，3-預(yù)熱器，4-冷卻凈化器，5-新氣壓縮機(jī)，6-燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)，7-甲醇換熱器，8-甲醇合成塔，9-氣液分離器，10-精餾塔，11-甲醇罐，12-輸運(yùn)裝置，13-甲醇中儲(chǔ)站，14-槽式太陽能吸收/反應(yīng)器，15-氫氣變壓吸附提純裝置，16-城市煤氣管網(wǎng)系統(tǒng)、17-氫站、18-燃料電池。
【具體實(shí)施方式】
[0038]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。[0039]圖1是依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的以太陽能及生物質(zhì)氣化為基礎(chǔ)的氫能產(chǎn)儲(chǔ)輸用一體化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，該系統(tǒng)包括產(chǎn)氫子系統(tǒng)、儲(chǔ)氫子系統(tǒng)、輸氫子系統(tǒng)和用氫子系統(tǒng)四部分，其中:
[0040]產(chǎn)氫子系統(tǒng)包括定日鏡1、氣化反應(yīng)器2、預(yù)熱器3和冷卻凈化器4，其中，定日鏡I設(shè)置于氣化反應(yīng)器2周圍，氣化反應(yīng)器2出口依次與預(yù)熱器3的熱端和冷卻凈化器4入口相連，生物質(zhì)SI和水S2經(jīng)預(yù)熱器3的冷端與氣化反應(yīng)器2入口連接。定日鏡I用于為氣化反應(yīng)器2聚焦太陽能并提供高溫?zé)嵩?。氣化反?yīng)器2用于實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)SI的氣化，將生物質(zhì)SI由固體燃料轉(zhuǎn)化為作為氣體燃料的合成氣，并輸送給預(yù)熱器3。預(yù)熱器3用于利用合成氣的顯熱將水S2轉(zhuǎn)化為氣化反應(yīng)所需的水蒸汽，并對(duì)生物質(zhì)SI進(jìn)行干燥和預(yù)熱，以降低高溫太陽能的集熱量。冷卻凈化器4用于降低經(jīng)過預(yù)熱器3后的合成氣的溫度，并脫除合成氣中所含的灰分和硫化氫等雜質(zhì)，輸送給新氣壓縮機(jī)5。
[0041]儲(chǔ)氫子系統(tǒng)包括新氣壓縮機(jī)5、燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)6、甲醇換熱器7、甲醇合成塔
8、氣液分離器9、精餾塔10和甲醇罐11，其中，冷卻凈化器4的出口依次與新氣壓縮機(jī)5、甲醇換熱器7冷端與甲醇合成塔8入口連接，甲醇合成塔8出口經(jīng)甲醇換熱器7熱端與氣液分離器9相連，氣液分離器9的液相出口與精餾塔10連接，氣液分離器9的氣相出口一部分與燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)6連接，其他部分與精餾塔10的氣體出口一同與新氣壓縮機(jī)5的入口連接，精餾塔10的液體出口與甲醇罐11連接。新氣壓縮機(jī)5用于提高合成氣的壓力，并輸送給甲醇換熱器7。甲醇換熱器7用于提升合成氣的溫度以提高在后續(xù)反應(yīng)中甲醇的產(chǎn)率，并輸送給甲醇合成塔8。甲醇合成塔8用于實(shí)現(xiàn)合成氣中氫氣與一氧化碳反應(yīng)生成甲醇的化學(xué)反應(yīng)，并將生成的產(chǎn)物通過甲醇換熱器7輸送給氣液分離器9。氣液分離器9用于實(shí)現(xiàn)粗甲醇和未反應(yīng)合成氣的分離，分離后得到的甲醇被輸送給精餾塔10，分離后得到的未反應(yīng)合成氣一部分進(jìn)入燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)6，另一部分與精餾塔10生成的氣體一同進(jìn)入新氣壓縮機(jī)5。燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)6由一組燃?xì)獍l(fā)電裝置和蒸汽發(fā)電裝置構(gòu)成，用于將部分未合成的氣體轉(zhuǎn)化為電能，避免為過渡追求甲醇產(chǎn)率而增加系統(tǒng)的壓縮耗功量，提高系統(tǒng)的資源利用率。精餾塔10用于對(duì)甲醇進(jìn)行提純，將甲醇的純度提高至99%以上，提純得到的液體甲醇被輸送給甲醇罐，提純后剩余的氣體進(jìn)入新氣壓縮機(jī)5。甲醇罐11用于實(shí)時(shí)存儲(chǔ)提純得到的液體甲醇。
[0042]輸氫子系統(tǒng)包括輸運(yùn)裝置12，甲醇罐11通過輸運(yùn)裝置12與甲醇中儲(chǔ)站13連接。輸運(yùn)裝置12用于運(yùn)輸甲醇罐11中存儲(chǔ)的液體甲醇。
[0043]用氫子系統(tǒng)包括甲醇中儲(chǔ)站13、槽式太陽能吸收/反應(yīng)器14、氫氣變壓吸附提純裝置15、城市煤氣管網(wǎng)系統(tǒng)16、氫站17和燃料電池18，其中，甲醇中儲(chǔ)站13出口與槽式太陽能吸收/反應(yīng)器14入口連接，槽式太陽能吸收/反應(yīng)器14出口與氫氣變壓吸附提純裝置15入口連接，氫氣變壓吸附提純裝置15的一氧化碳出口與城市煤氣管網(wǎng)系統(tǒng)16連接，氫氣變壓吸附提純裝置15的氫氣出口途徑氫站17與燃料電池18等終端氫能用戶連接。甲醇中儲(chǔ)站13用于中儲(chǔ)甲醇，根據(jù)用戶的需求進(jìn)行來調(diào)節(jié)后續(xù)的甲醇分解流量，從而滿足系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行特性。槽式太陽能吸收/反應(yīng)器14用于利用中低溫太陽能來完成甲醇的裂解，以生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)包含氫氣和一氧化碳的合成氣。氫氣變壓吸附提純裝置15用于實(shí)現(xiàn)氫氣和一氧化碳的分離， 并對(duì)氫氣進(jìn)行提純，以滿足氫能用戶的設(shè)計(jì)要求，將氫氣和一氧化碳輸送給城市煤氣管網(wǎng)系統(tǒng)16和氫站17。氫站17用于氫站類似于加油站，為氫能用戶直接提供氫氣。燃料電池18是直接利用氫氣以產(chǎn)生電能的裝置，是氫能用戶的典型代表，可與電動(dòng)汽車或微小電網(wǎng)進(jìn)行連接。
[0044]圖1中，預(yù)熱器3充分利用氣化合成氣的顯熱來預(yù)熱用于氣化的生物質(zhì)SI，并將水S2轉(zhuǎn)化為蒸汽作為氣化劑。燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)6中的燃?xì)馔钙娇芍苯油蟿?dòng)新氣壓縮機(jī)5，而其中的蒸汽透平將用于發(fā)電以提供系統(tǒng)所需的廠用電。氣液分離器9和精餾塔10所排出的氣體將主要作為未合成氣送至甲醇合成塔8加以循環(huán)利用，以提高系統(tǒng)的甲醇產(chǎn)量，但同時(shí)也抽取一部分作為燃料氣送至燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)6以維持系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。輸運(yùn)裝置12可以為卡車，但卡車僅作為其中的一種甲醇輸運(yùn)方式，還可借助火車及管道等其他方式來進(jìn)行甲醇遠(yuǎn)距離輸運(yùn)。槽式太陽能吸收/反應(yīng)器14為甲醇的催化分解提供所需的中低溫太陽能，可安裝在建筑物的屋頂?shù)任恢?，以?jié)省土地資源的使用量，同時(shí)這種甲醇分解制氫的設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠性高。氫氣變壓吸附提純裝置15對(duì)甲醇的催化分解得到的氫氣進(jìn)行分離和提純，從而滿足燃料電池18等終端用戶的要求，而分離出的CO等其他氣體將可送至城市煤氣管網(wǎng)系統(tǒng)16加以充分利用。
[0045]圖1所示本發(fā)明實(shí)施例的以太陽能及生物質(zhì)氣化為基礎(chǔ)的氫能產(chǎn)儲(chǔ)輸用一體化系統(tǒng)，其中各組成部分之間的具體工作流程為:預(yù)熱器3充分利用氣化合成氣的顯熱來預(yù)熱生物質(zhì)SI，同時(shí)也利用這部分熱量將水S2轉(zhuǎn)化為蒸汽以作為氣化劑。同時(shí)將預(yù)熱后的生物質(zhì)SI和經(jīng)轉(zhuǎn)化的水蒸氣S2送至氣化反應(yīng)器2中，并利用定日鏡I聚焦并提供高溫?zé)嵩磥眚?qū)動(dòng)氣化反應(yīng)器2中的生物質(zhì)氣化反應(yīng)。氣化產(chǎn)生的高溫氣化合成氣首先送至預(yù)熱器3中進(jìn)行降溫并對(duì)釋放出的顯熱進(jìn)行充分利用，而后再送入冷卻凈化器4中進(jìn)行凈化并脫除硫、灰等各類雜質(zhì)。經(jīng)凈化后的氣化合成氣將利用新氣壓縮機(jī)5進(jìn)行提壓，利用甲醇換熱器7進(jìn)行預(yù)熱后送至甲醇合成塔8中用于生產(chǎn)甲醇，由此利用甲醇作為載體來實(shí)現(xiàn)氫氣的穩(wěn)定儲(chǔ)存。甲醇合成塔8的出口將送出甲醇和未反應(yīng)的合成氣，首先利用甲醇換熱器7進(jìn)行減溫以釋放顯熱，再利用氣液分離器9來進(jìn)行甲醇和氣體之間的分離，分離出的粗甲醇將利用精餾塔10進(jìn)行提純并送至甲醇罐11中進(jìn)行儲(chǔ)存。氣液分離器9分離出的一部分氣體送至燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)6作為燃料氣進(jìn)行燃燒，剩余的氣體將和精餾塔10的馳放氣進(jìn)行混合并返送至新氣壓縮機(jī)5加以循環(huán)利用，燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)6中的燃?xì)馔钙綄⒅苯油蟿?dòng)新氣壓縮機(jī)5，而蒸汽透平將用于發(fā)電以提供系統(tǒng)所需的廠用電以維持系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
[0046]系統(tǒng)獲得的高品質(zhì)甲醇僅利用甲醇罐11進(jìn)行短暫儲(chǔ)存，而后直接利用輸運(yùn)裝置12送至甲醇中儲(chǔ)站13中，輸運(yùn)裝置12可以為卡車，但卡車僅作為其中的一種甲醇輸運(yùn)方式，也可借助現(xiàn)有的火車及管道輸運(yùn)體系來現(xiàn)甲醇的遠(yuǎn)距離輸送。
[0047]甲醇中儲(chǔ)站13可建設(shè)至靠近用戶的城市地區(qū)，同時(shí)還可借助建筑的屋頂來安裝槽式太陽能吸收/反應(yīng)器14，將甲醇中儲(chǔ)站13中的甲醇送至槽式太陽能吸收/反應(yīng)器14中進(jìn)行催化分解，槽式太陽能吸收/反應(yīng)器14可自行提供中低溫太陽能熱源以驅(qū)動(dòng)甲醇分解反應(yīng)，甲醇的催化分解反應(yīng)主要產(chǎn)生氫氣和一氧化碳，并利用氫氣變壓吸附提純裝置
15進(jìn)行分離，經(jīng)過分離和提純后的氫氣將可直接借助氫站17送至燃料電池18等終端用戶，或借助固體儲(chǔ)氫金屬化合物進(jìn)行儲(chǔ)存供電動(dòng)汽車或移動(dòng)氫站使用。利用氫氣變壓吸附提純裝置15分離出的一氧化碳是甲醇分解制氫的副產(chǎn)物，將送至城市煤氣管網(wǎng)系統(tǒng)16，從而實(shí)現(xiàn)組分的高效利用，避免了資源浪費(fèi)。
[0048]以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種以太陽能及生物質(zhì)氣化為基礎(chǔ)的氫能產(chǎn)儲(chǔ)輸用一體化系統(tǒng),包括產(chǎn)氫子系統(tǒng)、儲(chǔ)氫子系統(tǒng)、輸氫子系統(tǒng)和用氫子系統(tǒng)四部分，其中: 產(chǎn)氫子系統(tǒng)包括定日鏡(I)、氣化反應(yīng)器(2)、預(yù)熱器(3)和冷卻凈化器(4)，其中，定日鏡(I)設(shè)置于氣化反應(yīng)器(2)周圍，氣化反應(yīng)器(2)出口依次與預(yù)熱器(3)的熱端和冷卻凈化器(4)入口相連，生物質(zhì)SI和水S2經(jīng)預(yù)熱器(3)的冷端與氣化反應(yīng)器(2)入口連接； 儲(chǔ)氫子系統(tǒng)包括新氣壓縮機(jī)(5)、燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)(6)、甲醇換熱器(7)、甲醇合成塔⑶、氣液分離器(9)、精餾塔(10)和甲醇罐(11)，其中，冷卻凈化器⑷的出口依次與新氣壓縮機(jī)(5)、甲醇換熱器(7)冷端與甲醇合成塔(8)入口連接，甲醇合成塔(8)出口經(jīng)甲醇換熱器(7)熱端與氣液分離器(9)相連，氣液分離器(9)的液相出口與精餾塔(10)連接，氣液分離器(9)的氣相出口一部分與燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)(6)連接，其他部分與精餾塔(10)的氣體出口一同與新氣壓縮機(jī)(5)的入口連接，精餾塔(10)的液體出口與甲醇罐(11)連接； 輸氫子系統(tǒng)包括輸運(yùn)裝置(12)，甲醇罐(11)通過輸運(yùn)裝置(12)與甲醇中儲(chǔ)站(13)連接; 用氫子系統(tǒng)包括甲醇中儲(chǔ)站(13)、槽式太陽能吸收/反應(yīng)器(14)、氫氣變壓吸附提純裝置(15)、城市煤氣管網(wǎng)系統(tǒng)(16)、氫站(17)和燃料電池(18)，其中，甲醇中儲(chǔ)站(13)出口與槽式太陽能吸收/反應(yīng)器(14)入口連接，槽式太陽能吸收/反應(yīng)器(14)出口與氫氣變壓吸附提純裝置 (15)入口連接，氫氣變壓吸附提純裝置(15)的一氧化碳出口與城市煤氣管網(wǎng)系統(tǒng)(16)連接，氫氣變壓吸附提純裝置(15)的氫氣出口途徑氫站(17)與燃料電池(18)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以太陽能及生物質(zhì)氣化為基礎(chǔ)的氫能產(chǎn)儲(chǔ)輸用一體化系統(tǒng)，其特征在于，在產(chǎn)氫子系統(tǒng)中: 定日鏡(I)用于為氣化反應(yīng)器(2)聚焦太陽能并提供高溫?zé)嵩矗? 氣化反應(yīng)器(2)用于實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)SI的氣化，將生物質(zhì)SI由固體燃料轉(zhuǎn)化為作為氣體燃料的合成氣，并輸送給預(yù)熱器(3)； 預(yù)熱器(3)用于利用合成氣的顯熱將水S2轉(zhuǎn)化為氣化反應(yīng)所需的水蒸汽，并對(duì)生物質(zhì)SI進(jìn)行干燥和預(yù)熱，以降低高溫太陽能的集熱量； 冷卻凈化器(4)用于降低經(jīng)過預(yù)熱器(3)后的合成氣的溫度，并脫除合成氣中所含的灰分和硫化氫等雜質(zhì)，輸送給新氣壓縮機(jī)(5)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的以太陽能及生物質(zhì)氣化為基礎(chǔ)的氫能產(chǎn)儲(chǔ)輸用一體化系統(tǒng)，其特征在于，所述預(yù)熱器(3)充分利用氣化合成氣的顯熱來預(yù)熱用于氣化的生物質(zhì)SI，并將水S2轉(zhuǎn)化為蒸汽作為氣化劑。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以太陽能及生物質(zhì)氣化為基礎(chǔ)的氫能產(chǎn)儲(chǔ)輸用一體化系統(tǒng)，其特征在于，在儲(chǔ)氫子系統(tǒng)中: 新氣壓縮機(jī)(5)用于提高合成氣的壓力，并輸送給甲醇換熱器(7)； 甲醇換熱器(7)用于提升合成氣的溫度以提高在后續(xù)反應(yīng)中甲醇的產(chǎn)率，并輸送給甲醇合成塔⑶； 甲醇合成塔(8)用于實(shí)現(xiàn)合成氣中氫氣與一氧化碳反應(yīng)生成甲醇的化學(xué)反應(yīng)，并將生成的產(chǎn)物通過甲醇換熱器(7)輸送給氣液分離器(9)； 氣液分離器(9)用于實(shí)現(xiàn)粗甲醇和未反應(yīng)合成氣的分離，分離后得到的甲醇被輸送給精餾塔(10)，分離后得到的未反應(yīng)合成氣一部分進(jìn)入燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)(6)，另一部分與精餾塔(10)生成的氣體一同進(jìn)入新氣壓縮機(jī)(5)； 燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)出)由一組燃?xì)獍l(fā)電裝置和蒸汽發(fā)電裝置構(gòu)成，用于將部分未合成的氣體轉(zhuǎn)化為電能，避免為過渡追求甲醇產(chǎn)率而增加系統(tǒng)的壓縮耗功量，提高系統(tǒng)的資源利用率； 精餾塔(10)用于對(duì)甲醇進(jìn)行提純，將甲醇的純度提高至99%以上，提純得到的液體甲醇被輸送給甲醇罐，提純后剩余的氣體進(jìn)入新氣壓縮機(jī)(5): 甲醇罐(11)用于實(shí)時(shí)存儲(chǔ)經(jīng)提純得到的液體甲醇。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的以太陽能及生物質(zhì)氣化為基礎(chǔ)的氫能產(chǎn)儲(chǔ)輸用一體化系統(tǒng)，其特征在于，所述燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)(6)中的透平能夠直接拖動(dòng)新氣壓縮機(jī)(5)，而其中的蒸汽透平將用于發(fā)電以提供系統(tǒng)所需的廠用電。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的以太陽能及生物質(zhì)氣化為基礎(chǔ)的氫能產(chǎn)儲(chǔ)輸用一體化系統(tǒng)，其特征在于，所述氣液分離器(9)和所述精餾塔(10)所排出的氣體將作為未合成氣送至甲醇合成塔(8)加以循環(huán)利用，以提高系統(tǒng)的甲醇產(chǎn)量，但同時(shí)也抽取一部分作為燃料氣送至燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)(6)以維持系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以太陽能及生物質(zhì)氣化為基礎(chǔ)的氫能產(chǎn)儲(chǔ)輸用一體化系統(tǒng)，其特征在于，在輸氫子 系統(tǒng)中，輸運(yùn)裝置(12)用于運(yùn)輸甲醇罐(11)中存儲(chǔ)的液體甲醇。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的以太陽能及生物質(zhì)氣化為基礎(chǔ)的氫能產(chǎn)儲(chǔ)輸用一體化系統(tǒng)，其特征在于，所述輸運(yùn)裝置(12)為卡車、火車或管道，以實(shí)現(xiàn)甲醇的遠(yuǎn)距離輸運(yùn)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以太陽能及生物質(zhì)氣化為基礎(chǔ)的氫能產(chǎn)儲(chǔ)輸用一體化系統(tǒng)，其特征在于，在用氫子系統(tǒng)中: 甲醇中儲(chǔ)站(13)用于中儲(chǔ)甲醇，根據(jù)用戶的需求進(jìn)行來調(diào)節(jié)后續(xù)的甲醇分解流量，從而滿足系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行特性； 槽式太陽能吸收/反應(yīng)器(14)用于利用中低溫太陽能來完成甲醇的裂解，以生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)包含氫氣和一氧化碳的合成氣； 氫氣變壓吸附提純裝置(15)用于實(shí)現(xiàn)氫氣和一氧化碳的分離，并對(duì)氫氣進(jìn)行提純，以滿足氫能用戶的設(shè)計(jì)要求，將氫氣和一氧化碳輸分別送給城市煤氣管網(wǎng)系統(tǒng)(16)和氫站(17)； 氫站(17)用于為氫能用戶直接提供氫氣； 燃料電池(18)直接利用氫氣以產(chǎn)生電能的裝置，能夠與電動(dòng)汽車或微小電網(wǎng)進(jìn)行連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的以太陽能及生物質(zhì)氣化為基礎(chǔ)的氫能產(chǎn)儲(chǔ)輸用一體化系統(tǒng)，其特征在于， 所述槽式太陽能吸收/反應(yīng)器(14)為甲醇的催化分解提供所需的中低溫太陽能，安裝在建筑物的屋頂位置，以節(jié)省土地資源的使用量； 所述氫氣變壓吸附提純裝置(15)對(duì)甲醇的催化分解得到的氫氣進(jìn)行分離和提純，從而滿足終端用戶燃料電池(18)的要求，而分離出的CO被送至城市煤氣管網(wǎng)系統(tǒng)(16)加以充分利用。
【文檔編號(hào)】C07C1/04GK103897736SQ201410098021
【公開日】2014年7月2日 申請(qǐng)日期:2014年3月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月17日
【發(fā)明者】劉啟斌, 金紅光, 白章 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院工程熱物理研究所