CN110649650A - 一种可再生能源制氢与生物质气化耦合的发电***及工作方法 - Google Patents

一种可再生能源制氢与生物质气化耦合的发电***及工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可再生能源制氢与生物质气化耦合的发电***及工作方法，包括可再生能源发电装置、电力调配装置、电解水制氢装置、储氢罐、储氧罐、生物质气化装置、氢气燃气混合装置和燃气锅炉发电装置，可再生能源发电装置、电力调配装置、电解水制氢装置依次连接，电解水制氢装置分别与储氢罐和储氧罐连接，储氧罐与生物质气化装置连接，储氢罐和生物质气化装置均与氢气燃气混合装置连接，氢气燃气混合装置与燃气锅炉发电装置连接；电力调配装置和燃气锅炉发电装置均与电网连接。本发明利用弃电电解水制氢不仅能够实现可再生能源的大规模存储和消纳，降低电解水制氢成本，而且将产生的氢气与生物质气化燃气混合发电，加快生物质发电产业布局。

Description

一种可再生能源制氢与生物质气化耦合的发电***及工作 方法
技术领域
本发明涉及一种发电***，特别是一种可再生能源制氢与生物质气化耦合的发电***。
背景技术
自18世纪的工业革命以来，传统的化石能源（煤、石油、天然气）是人类发展中最主要的一次能源，然而随着传统化石能源的大量开采和使用，导致的能源枯竭、气候变化和生态环境问题日益突出。因此大力开发和利用可再生的能源已经成为世界共识。然而由于水能、风能、太阳能的不均匀性、间歇性造成可再生能源电力并网输送会对电网造成冲击，引起电网的波动和不安全，大量的可再生能源电力无法并网使用，形成了大量的“弃水、弃风、弃光”。从长远看，随着我国可再生能源占比快速增加，可再生能源的大规模存储和消纳显得尤其重要。
氢能具有热值高、无污染和来源丰富等优点，被视为“后石油时代”的能源解决方案之一。氢能利用形式多样，既可通过燃料电池发电转化为电能，也可由氢内燃机转为热能。工业上生产氢的方式很多，常见的有水电解制氢、煤炭气化制氢、重油及天然气水蒸气催化转化制氢等，如公开号为CN207774799U，公开日为2018年8月28日的中国专利，其中水电解制氢最具发展潜力，通过与风能、水能、太阳能等可再生能源相结合，水电解制氢可以做到CO2零排放。然而由于过高的制氢成本，使得目前电解水制氢技术在国内制氢市场占比较少，仅为4%。
生物质是地球上最广泛存在的物质，通常包括木材及森林废弃物、农业废弃物、水生植物、油料植物、城市和工业有机废弃物等。生物质能由于通过植物的光合作用可以再生，二氧化碳净排放量近似于零，与风能、太阳能等同属可再生能源，同时也是唯一一种可再生的碳源，资源丰富，可保证能源的永续利用。生物质发电技术是目前生物质能应用方式中最普遍、最有效的方法之一，生物质发电分为农林废弃物直接燃烧发电、农林废弃物气化发电、垃圾焚烧发电、垃圾填埋气发电、沼气发电，但受耕作土地高度分散，资源收集储存运输成本高等不利因素影响，生物质发电产业在我国整体发展较为缓慢。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种可再生能源大规模存储和消纳的方法，通过弃电电解水制氢不仅能够实现可再生能源的高效充分利用，降低电解水制氢成本，而且将产生的氢气与生物质气化燃气混合发电，还可缓解当前生物质资源收集储存运输成本高等问题，加快生物质发电产业布局。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：一种可再生能源制氢与生物质气化耦合的发电***，其特征是，包括可再生能源发电装置、电力调配装置、电解水制氢装置、储氢罐、储氧罐、生物质气化装置、氢气燃气混合装置和燃气锅炉发电装置，所述可再生能源发电装置与电力调配装置连接，所述电力调配装置与电解水制氢装置连接，所述电解水制氢装置分别与储氢罐和储氧罐连接，所述储氧罐与生物质气化装置连接，所述储氢罐和生物质气化装置均与氢气燃气混合装置连接，所述氢气燃气混合装置与燃气锅炉发电装置连接；所述电力调配装置和燃气锅炉发电装置均与电网连接，所述燃气锅炉发电装置还与当地分布式用户连接，所述储氢罐还与当地氢气用户连接，所述储氧罐还与氧气用户连接。
进一步的，所述电力调配装置包括配电柜、整流器、控制设备和蓄电池，所述配电柜与整流器连接，所述整流器与控制设备连接，所述控制设备分别与电解水制氢装置和蓄电池连接，所述蓄电池与电解水制氢装置连接。
进一步的，所述可再生能源发电装置包括水能发电装置、或风能发电装置、或太阳能发电装置，所述生物质气化装置包括农林废弃物气化装置、或垃圾填埋气装置、或微生物发酵沼气装置，所述电解水制氢装置包括碱性电解水装置、或固体聚合物电解水装置、或高温固体氧化物电解水装置。
进一步的，所述电解水制氢装置的阴极、阳极材质分别为金属合金、金属氧化物，包括但不局限于多孔兰尼镍、Ni-Cu合金、Ni-Mo合金、Ni-Ir合金、NiCo2O4。
进一步的，所述电解水制氢装置由若干个单体电解室组成。
所述的可再生能源制氢与生物质气化耦合的发电***的工作方法如下：可再生能源发电装置将发出的电能经电力调配装置分配后，大部分输送给电网，同时无法并网的电能输送给电解水制氢装置；储氧罐中氧气送到生物质气化装置进行富氧气化或当地氧气用户就地消纳；生物质气化装置中气化后的燃气与储氢罐中的氢气按照一定比例在氢气燃气混合装置进行混合，之后混氢燃气或HCNG混合气体被送入燃气锅炉发电装置进行热电联产，所产生的一部分电能输送给电网，其余电能热能供给当地分布式用户使用，储氢罐中富余的氢气输送到当地氢气用户。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：
（1）通过弃电电解水制氢实现可再生能源的高效充分利用，降低电解水制氢成本。
（2）适应宽功率波动，减少弃电对氢气产品质量的影响。
（3）将产生的廉价氢气与生物质气化燃气混合发电，可缓解当前生物质资源收集储存运输成本高等问题，加快生物质发电产业布局。
（4）利用电解水制氢副产氧气进行生物质富氧气化，提高了气化燃气热值和转化率。
（5）结合生物质资源丰富地域分布广的特点，解决因燃料电池行业基础设施建设缓慢、天然气紧缺，导致的氢能产业区域发展不平衡问题。
（6）整个过程污染零排放，成本低，具有良好的经济和环境效益。
附图说明
图1是本发明实施例的整体结构示意图。
图中：可再生能源发电装置1、电力调配装置2、电解水制氢装置3、储氢罐4、储氧罐5、生物质气化装置6、氢气燃气混合装置7、燃气锅炉发电装置8、电网9、分布式用户10、氢气用户11、氧气用户12。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
参见图1，本实施例中的可再生能源制氢与生物质气化耦合的发电***，包括可再生能源发电装置1、电力调配装置2、电解水制氢装置3、储氢罐4、储氧罐5、生物质气化装置6、氢气燃气混合装置7和燃气锅炉发电装置8。
可再生能源发电装置1的电能输出端连接电力调配装置2的电能输入端，电力调配装置2的电能输出端连接电解水制氢装置3的电能输入端，电解水制氢装置3的氢气出口端连接储氢罐4的氢气入口端，电解水制氢装置3的氧气出口端连接储氧罐5的氧气入口端，储氧罐5的氧气出口端连接生物质气化装置6的氧气入口端，储氢罐4的氢气出口端连接氢气燃气混合装置7的氢气入口端，生物质气化装置6的燃气出口端连接氢气燃气混合装置7的燃气入口端，氢气燃气混合装置7的混氢燃气出口端连接燃气锅炉发电装置8的混氢燃气入口端；电力调配装置2和燃气锅炉发电装置8的电能输出端均与电网9的电能输入端连接，燃气锅炉发电装置8的电能热能输出端与当地分布式用户10的电能热能输入端连接，储氢罐4的氢气出口端、储氧罐5的氧气出口端还分别与当地氢气用户11的氢气输入端、氧气用户12的氧气输入端连接。
本实施例中，电力调配装置2包括配电柜、整流器、控制设备和蓄电池，配电柜与整流器连接，整流器与控制设备连接，控制设备分别与电解水制氢装置3和蓄电池连接，蓄电池与电解水制氢装置3连接。
本实施例中，可再生能源发电装置1包括水能发电装置、或风能发电装置、或太阳能发电装置，生物质气化装置6包括农林废弃物气化装置、或垃圾填埋气装置、或微生物发酵沼气装置，电解水制氢装置3包括碱性电解水装置、或固体聚合物电解水装置、或高温固体氧化物电解水装置。
本实施例中，电解水制氢装置3的阴极、阳极材质分别为金属合金、金属氧化物。
本实施例中，电解水制氢装置3由若干个单体电解室组成。
本实施例中的可再生能源制氢与生物质气化耦合的发电***的工作方法如下：可再生能源发电装置1将发出的电能经电力调配装置2分配后，大部分输送给电网9，同时无法并网的电能输送给电解水制氢装置3，电解水制氢装置3利用弃电生产氢气和氧气，氢气和氧气分别被储存于储氢罐4和储氧罐5中，储氧罐5中氧气送到生物质气化装置6进行富氧气化或当地氧气用户12就地消纳，气化后的燃气与储氢罐4中的氢气在氢气燃气混合装置7中按照一定比例进行混合，之后混氢燃气或HCNG混合气体被送入燃气锅炉发电装置8进行热电联产，所产生的一部分电能输送给电网9，其余电能热能供给当地分布式用户10使用，储氢罐4富余的氢气输送到当氢气用户11。
虽然本发明已以实施例公开如上，但其并非用以限定本发明的保护范围，任何熟悉该项技术的技术人员，在不脱离本发明的构思和范围内所作的更动与润饰，均应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种可再生能源制氢与生物质气化耦合的发电***，其特征是，包括可再生能源发电装置（1）、电力调配装置（2）、电解水制氢装置（3）、储氢罐（4）、储氧罐（5）、生物质气化装置（6）、氢气燃气混合装置（7）和燃气锅炉发电装置（8），所述可再生能源发电装置（1）与电力调配装置（2）连接，所述电力调配装置（2）与电解水制氢装置（3）连接，所述电解水制氢装置（3）分别与储氢罐（4）和储氧罐（5）连接，所述储氧罐（5）与生物质气化装置（6）连接，所述储氢罐（4）和生物质气化装置（6）均与氢气燃气混合装置（7）连接，所述氢气燃气混合装置（7）与燃气锅炉发电装置（8）连接；所述电力调配装置（2）和燃气锅炉发电装置（8）均与电网（9）连接，所述燃气锅炉发电装置（8）还与当地分布式用户（10）连接，所述储氢罐（4）还与当地氢气用户（11）连接，所述储氧罐（5）还与氧气用户（12）连接。
2.根据权利要求1所述的可再生能源制氢与生物质气化耦合的发电***，其特征是，所述电力调配装置（2）包括配电柜、整流器、控制设备和蓄电池，所述配电柜与整流器连接，所述整流器与控制设备连接，所述控制设备分别与电解水制氢装置（3）和蓄电池连接，所述蓄电池与电解水制氢装置（3）连接。
3.根据权利要求1所述的可再生能源制氢与生物质气化耦合的发电***，其特征是，所述可再生能源发电装置（1）包括水能发电装置、或风能发电装置、或太阳能发电装置，所述生物质气化装置（6）包括农林废弃物气化装置、或垃圾填埋气装置、或微生物发酵沼气装置，所述电解水制氢装置（3）包括碱性电解水装置、或固体聚合物电解水装置、或高温固体氧化物电解水装置。
4.根据权利要求1所述的可再生能源制氢与生物质气化耦合的发电***，其特征是，所述电解水制氢装置（3）的阴极、阳极材质分别为金属合金、金属氧化物。
5.根据权利要求1所述的可再生能源制氢与生物质气化耦合的发电***，其特征是，所述电解水制氢装置（3）由若干个单体电解室组成。
6.一种如权利要求1-5中任一项所述的可再生能源制氢与生物质气化耦合的发电***的工作方法，其特征是，过程如下：可再生能源发电装置（1）将发出的电能经电力调配装置（2）分配后，大部分输送给电网（9），同时无法并网的电能输送给电解水制氢装置（3）；储氧罐（5）中氧气送到生物质气化装置（6）进行富氧气化或当地氧气用户（12）就地消纳；生物质气化装置（6）中气化后的燃气与储氢罐（4）中的氢气按照一定比例在氢气燃气混合装置（7）进行混合，之后混氢燃气或HCNG混合气体被送入燃气锅炉发电装置（8）进行热电联产，所产生的一部分电能输送给电网（9），其余电能热能供给当地分布式用户（10）使用，储氢罐（4）中富余的氢气输送到当地氢气用户（11）。
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