CN111946413A - 一种电氢联产***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电氢联产***及方法，属于新能源技术领域，电氢联产***包括第一压缩机、低温回热器、高温回热器、二氧化碳透平、发电机、预冷器、加热炉及甲醇重整制氢装置；加热炉上设置有甲醇进口和空气进口，第一压缩机用于压缩CO2工质，二氧化碳透平连接于发电机，二氧化碳透平的入口二氧化碳透平的入口和高温回热器的高压侧出口之间连通有位于加热炉内的加热管路，二氧化碳透平的出口连通甲醇重整制氢装置的CO2工质进口，甲醇重整制氢装置连通有输送甲醇和水的混合液的输送管路，由二氧化碳透平的出口流出的CO2工质能够加热甲醇和水的混合液。实现了利用甲醇来产生电能和氢能，从而能够满足偏远地区的用电及用氢需求。

Description

一种电氢联产***及方法
技术领域
本发明涉及新能源技术领域，尤其涉及一种电氢联产***及方法。
背景技术
在远离能源供给中心的偏远地区，比如海岛、边防哨所、地质勘探和野外考察的工作站、偏远的农村、牧场等，电网供电或燃料供应不方便、成本高，需要低成本、安全、可靠的独立能源***。最常用的是柴油发电机，但柴油对环境有污染。采用太阳能和风能清洁无污染，但是受限于地理条件且具有季节性和波动性，不能普遍适用。
为了解决上述矛盾，人们将目光转向了甲醇，甲醇是一种运输和配送都非常便利的燃料，全球产量高，价格低，可以通过化石能源(如天然气)来生产甲醇，还可以利用可再生能源对工业废气中二氧化碳的“氢化”循环生产甲醇。甲醇不含硫，可避免硫的氧化物排放，且甲醇燃烧的火焰温度低，氮氧化物排放低，适合作为固定式发电装置用的清洁燃料，也可作为居民生活用燃料。此外，甲醇可以在200℃-300℃的温度下重整反应制氢，可以很方便地为基于燃料电池的交通运输等移动用能提供氢能。
因此，亟需一种电氢联产***及方法，实现利用甲醇来产生电能和氢能，满足偏远地区的用电及用氢需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电氢联产***及方法，实现利用甲醇来产生电能和氢能，满足偏远地区的用电及用氢需求。
如上构思，本发明所采用的技术方案是：
一种电氢联产***，第一压缩机、低温回热器、高温回热器、二氧化碳透平、发电机、预冷器、加热炉及甲醇重整制氢装置；
所述加热炉上设置有甲醇进口和空气进口，所述第一压缩机用于压缩CO2工质，所述二氧化碳透平连接于所述发电机，所述低温回热器的高压侧进口和高压侧出口分别连通所述第一压缩机的出口和所述高温回热器的高压侧进口，所述二氧化碳透平的入口和所述高温回热器的高压侧出口之间连通有位于所述加热炉内的加热管路，所述二氧化碳透平的出口连通所述甲醇重整制氢装置的CO2工质进口，所述高温回热器的低压侧进口和低压侧出口分别连通所述甲醇重整制氢装置的CO2工质出口和所述低温回热器的低压侧进口，所述预冷器的进口和出口分别连通所述低温回热器的低压侧出口和所述第一压缩机的进口，所述甲醇重整制氢装置连通有输送甲醇和水的混合液的输送管路，由所述二氧化碳透平的出口进入所述甲醇重整制氢装置内的CO2工质能够加热甲醇和水的混合液。
进一步地，所述电氢联产***还包括第二压缩机，所述第二压缩机的进口和出口分别连通于所述低温回热器的低压侧出口和所述高温回热器的高压侧入口。
进一步地，所述加热炉上还设置有烟气出口，所述电氢联产***还包括与所述烟气出口通过管路依次连接的用于预热空气的空气预热器和用于使得甲醇汽化的甲醇蒸发器，所述空气进口连通于所述空气预热器，所述甲醇进口连通于所述甲醇蒸发器。
进一步地，所述电氢联产***还包括第一预热器，所述第一预热器的A1口连通于所述低温回热器的低压侧出口，A2口连通于所述预冷器的进口，A3口连通于所述甲醇蒸发器，A4口连通甲醇输送管路，所述A1口连通于所述A2口，所述A3口连通于所述A4口，甲醇能够与CO2工质于第一预热器内交换热量。
进一步地，所述电氢联产***还包括第一输送泵，所述第一输送泵的出口连通于所述甲醇输送管路。
进一步地，所述电氢联产***还包括第二预热器，所述第二预热器的B1口连通于所述低温回热器的低压侧出口，B2口连通于所述第一预热器的A1口，B3口连通于输送甲醇和水的混合液的输送管路，B4口连通于所述甲醇重整制氢装置的混合液进口，所述B1口连通于所述B2口，所述B3口连通于所述B4口，甲醇和水的混合液能够与CO2工质于第二预热器内交换热量。
进一步地，所述电氢联产***还包括第二输送泵，所述第二输送泵的出口连通于输送甲醇和水的混合液的输送管路。
进一步地，所述电氢联产***还包括送风机，所述送风机的出口通过管路连通于所述空气进口。
为实现上述目的，本发明还提供一种电氢联产方法，适用于上述任一方案中的电氢联产***，所述电氢联产方法包括：
经第一压缩机压缩的CO2工质依次经过低温回热器、高温回热器后吸收甲醇燃烧产生的热量，得到高温CO2工质；
高温CO2工质进入二氧化碳透平做功并驱动发电机发电；
由二氧化碳透平排出的CO2工质进入甲醇重整制氢装置进行放热，得到低温CO2工质，甲醇重整制氢装置内的甲醇水溶液吸热至重整反应温度并发生重整反应，得到氢气；
低温CO2工质依次经过高温回热器、低温回热器及预冷器后再次进入第一压缩机。
进一步地，由低温回热器流出的低温CO2工质一部分经预冷器后进入第一压缩机，另一部分经第二压缩机压缩后与经过第一压缩机压缩的一部分低温CO2工质混合进入高温回热器。
本发明的有益效果为：
本发明提出的电氢联产***及方法，该电氢联产***利用甲醇燃烧的热量来加热CO2工质，CO2工质通过二氧化碳透平和发电机来生产电能，同时利用CO2工质的余热来加热甲醇和水的混合液，通过甲醇重整制氢工艺来制取氢气，构建了独立的能源***，实现了利用甲醇来产生电能和氢能，从而能够满足偏远地区的用电及用氢需求。
附图说明
图1是发明提供的电氢联产***的示意图。
图中：
1、第一输送泵；2、第一预热器；3、甲醇蒸发器；4、加热炉；5、送风机；6、空气预热器；7、第二输送泵；8、第二预热器；9、甲醇重整制氢装置；10、发电机；11、第一压缩机；12、低温回热器；13、高温回热器；14、二氧化碳透平；15、预冷器；16、第二压缩机。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
如图1所示，本实施例提供一种电氢联产***，该电氢联产***包括第一压缩机11、低温回热器12、高温回热器13、加热炉4、二氧化碳透平14、发电机10、预冷器15及甲醇重整制氢装置9。
具体地，加热炉4上设置有甲醇进口和空气进口，二氧化碳透平14连接于发电机10，第一压缩机11用于压缩CO2工质，低温回热器12的高压侧进口C1和高压侧出口C2分别连通于第一压缩机11的出口和高温回热器13的高压侧进口D1，二氧化碳透平14的入口与高温回热器13的高压侧出口D2之间连通有位于加热炉4内的加热管路，二氧化碳透平14的出口连通甲醇重整制氢装置9的CO2工质进口，高温回热器13的低压侧进口和低压侧出口分别连通甲醇重整制氢装置9的CO2工质出口和低温回热器12的低压侧进口C3，预冷器15的进口和出口分别连通低温回热器13的低压侧出口C4和第一压缩机11的进口，甲醇重整制氢装置9连通有输送甲醇和水的混合液的输送管路，由二氧化碳透平14的出口流出的CO2工质能够加热甲醇和水的混合液。
可以理解的是，经第一压缩机11压缩的CO2工质经过低温回热器12、高温回热器13吸收由二氧化碳透平14的出口流出的CO2工质所含的热量后进入加热管路，在加热管路再次吸收甲醇燃烧产生的热量后得到高温CO2工质，随后高温CO2工质进入二氧化碳透平14内做功并驱动发电机10发电。随后，由二氧化碳透平14的出口流出的低温CO2工质进入甲醇重整制氢装置9内加热甲醇和水的混合液，甲醇和水的混合液被加热至重整反应温度后发生重整反应，产生氢气和二氧化碳。由甲醇重整制氢装置9的CO2工质入口流出的低温CO2工质再依次经过高温回热器13、低温回热器12和预冷器15后进入第一压缩机11，随后被再次压缩而进行下一个循环。
通过上述过程，CO2工质吸收甲醇燃烧产生的热量，通过二氧化碳透平14和发电机10来生产电能，同时利用CO2工质的余热来加热甲醇和水的混合液来制取氢气，实现了利用甲醇来产生电能和氢能，从而能够满足偏远地区的用电及用氢需求。此外，参考图1，a代表甲醇，b代表甲醇与水的混合液，c代表空气，d代表烟气，e代表氢气，f代表二氧化碳。
进一步地，上述电氢联产***还包括第二压缩机16，第二压缩机16的进口和出口分别连通于低温回热器12的低压侧出口C4和高温回热器13的高压侧入口D1。可以理解的是，由低温回热器12的低压侧出口C4流出的CO2工质，一部分经预冷器15后进入第一压缩机11，并经第一压缩机11压缩后通过低温回热器12进入高温回热器13，另一部分经第二压缩机16压缩后进入高温回热器13。
进一步地，加热炉4上还设置有烟气出口。上述电氢联产***还包括与烟气出口通过管路依次连接的用于预热空气的空气预热器6和用于使得甲醇汽化的甲醇蒸发器3，空气进口连通于空气预热器6，空气和烟气在空气预热器6内进行热交换，烟气的温度降低，空气的温度升高。甲醇进口连通于甲醇蒸发器3，甲醇和烟气在甲醇蒸发器3内进行热交换，烟气的温度降低，甲醇温度升高而汽化。可以理解的是，甲醇燃烧后产生的烟气中含有较多的热量，通过空气预热器6和甲醇蒸发器3，烟气首先用于对进入到加热炉4内的空气进行预热，随后对甲醇进行加热使得甲醇汽化，从而能够使得甲醇在加热炉4内充分燃烧，提高对甲醇的利用率，而且对烟气的余热进行了回收利用，避免了热能的浪费。
进一步地，上述电氢联产***还包括第一预热器2，第一预热器2的A1口连通于低温回热器12的低压侧出口C4，A2口连通于预冷器15的进口，A3口连通于甲醇蒸发器3，A4口连通于甲醇输送管路，A1口连通于A2口，A3口连通于A4口，甲醇能够与CO2工质于第一预热器2内交换热量。可以理解的是，由低温回热器12的低压侧出口C4流出的CO2工质内仍含有一定的热量，此时通过第一预热器2，利用CO2工质所含的热量对甲醇进行预热，从而有利于甲醇在甲醇蒸发器3内完全汽化，提高甲醇在加热炉4内的燃烧率。
此外，为了便于甲醇的输送，该电氢联产***还包括第一输送泵1，第一输送泵1的出口连通于甲醇输送管路。通过第一输送泵1，实现甲醇的输送。
如图1所示，该电氢联产***还包括第二预热器8，第二预热器8的B1口连通于低温回热器12的低压侧出口C4，B2口连通于第一预热器2的A1口，B3口连通于输送甲醇和水的混合液的输送管路，B4口连通于甲醇重整制氢装置9的混合液进口，B1口连通于B2口，B3口连通于B4口，甲醇和水的混合液能够与CO2工质于第二预热器8内交换热量。可以理解的是，由低温回热器12的低压侧出口C4流出的CO2工质首先在第二预热器8内对甲醇和水的混合液进行预热，随后流入第一预热器2内对甲醇进行预热，从而能够充分利用CO2工质内所含的热量。
此外，为了便于甲醇和水的混合液的输送，该电氢联产***还包括第二输送泵7，第二输送泵7的出口连通于输送管路，通过第二输送泵7，实现甲醇和水的混合液的输送。具体地，在本实施例中，甲醇和水的混合液经过第二输送泵7增压至0.3MPa。
如图1所示，为了便于空气的输送，该电氢联产***还包括送风机5，送风机5的出口通过管路连通于空气预热器6。经送风机5输送的空气在空气预热器6内吸收烟气的热量后进入加热炉4内。
在本实施例中，CO2工质进入第一压缩机11时的温度为32℃，压力为7.6MPa，经第一压缩机11压缩后压力增加至23MPa，温度升至72℃。随后CO2工质经低温回热器12、高温回热器13和加热管路吸热后，温度升高至700℃，也就是进入到二氧化碳透平14的CO2工质的温度为700℃。上述发电机10的发电功率为1000kW，由二氧化碳透平14的出口流出的CO2工质温度降至570℃，压力降低至约7.8MPa。随后CO2工质经过甲醇重整制氢装置9、高温回热器13、低温回热器12、第二预热器8和第一预热器2后进入到预冷器15内冷却至32℃。甲醇和水的混合液吸收热量使温度达到重整反应温度280℃，生成氢气和二氧化碳，在本实施例中，制氢量为500Nm3/h。
综上，本实施例提供的电氢联产***，利用甲醇燃烧的热量来加热CO2工质，CO2工质通过二氧化碳透平14和发电机10来生产电能，同时利用CO2工质的余热来加热甲醇和水的混合液，通过甲醇重整制氢工艺来制取氢气，构建了独立的能源***，实现了利用甲醇来产生电能和氢能，从而能够满足偏远地区的用电及用氢需求。
本实施例还提供一种电氢联产方法，适用于上述电氢联产***，具体地，该电氢联产方法包括：
经第一压缩机11压缩的CO2工质依次经过低温回热器12和高温回热器13后吸收甲醇燃烧产生的热量，得到高温CO2工质；
高温CO2工质进入二氧化碳透平14做功并驱动发电机10发电；
由二氧化碳透平14排出的CO2工质进入甲醇重整制氢装置9进行放热，得到低温CO2工质，甲醇重整制氢装置9内的甲醇水溶液吸热至重整反应温度并发生重整反应，得到氢气；
低温CO2工质依次经过高温回热器13、低温回热器12及预冷器15后再次进入第一压缩机11。
进一步地，由低温回热器12流出的低温CO2工质一部分经预冷器15后进入压缩机，另一部分经第二压缩机16压缩后与经过第一压缩机11压缩的一部分低温CO2工质混合进入高温回热器13。
上述电氢联产方法利用甲醇并结合超临界二氧化碳循环技术，利用甲醇燃烧产生的热量来加热CO2工质，CO2工质通过二氧化碳透平14和发电机10来生产电能；并且利用CO2工质的余热来加热甲醇和水的混合液进行甲醇重整制氢反应来生产氢气，从而能够满足偏远地区的用电及用氢需求。
以上实施方式只是阐述了本发明的基本原理和特性，本发明不受上述实施方式限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改变，这些变化和改变都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种电氢联产***，其特征在于，包括第一压缩机(11)、低温回热器(12)、高温回热器(13)、二氧化碳透平(14)、发电机(10)、预冷器(15)、加热炉(4)及甲醇重整制氢装置(9)；
所述加热炉(4)上设置有甲醇进口和空气进口，所述第一压缩机(11)用于压缩CO2工质，所述二氧化碳透平(14)连接于所述发电机(10)，所述低温回热器(12)的高压侧进口和高压侧出口分别连通所述第一压缩机(11)的出口和所述高温回热器(13)的高压侧进口，所述二氧化碳透平(14)的入口和所述高温回热器(13)的高压侧出口之间连通有位于所述加热炉(4)内的加热管路，所述二氧化碳透平(14)的出口连通所述甲醇重整制氢装置(9)的CO2工质进口，所述高温回热器(13)的低压侧进口和低压侧出口分别连通所述甲醇重整制氢装置(9)的CO2工质出口和所述低温回热器(12)的低压侧进口，所述预冷器(15)的进口和出口分别连通所述低温回热器(12)的低压侧出口和所述第一压缩机(11)的进口，所述甲醇重整制氢装置(9)连通有输送甲醇和水的混合液的输送管路，由所述二氧化碳透平(14)的出口进入所述甲醇重整制氢装置(9)内的CO2工质能够加热甲醇和水的混合液。
2.根据权利要求1所述的电氢联产***，其特征在于，所述电氢联产***还包括第二压缩机(16)，所述第二压缩机(16)的进口和出口分别连通于所述低温回热器(12)的低压侧出口和所述高温回热器(13)的高压侧入口。
3.根据权利要求1所述的电氢联产***，其特征在于，所述加热炉(4)上还设置有烟气出口，所述电氢联产***还包括与所述烟气出口通过管路依次连接的用于预热空气的空气预热器(6)和用于使得甲醇汽化的甲醇蒸发器(3)，所述空气进口连通于所述空气预热器(6)，所述甲醇进口连通于所述甲醇蒸发器(3)。
4.根据权利要求3所述的电氢联产***，其特征在于，所述电氢联产***还包括第一预热器(2)，所述第一预热器(2)的A1口连通于所述低温回热器(12)的低压侧出口，A2口连通于所述预冷器(15)的进口，A3口连通于所述甲醇蒸发器(3)，A4口连通甲醇输送管路，所述A1口连通于所述A2口，所述A3口连通于所述A4口，甲醇能够与CO2工质于所述第一预热器(2)内交换热量。
5.根据权利要求4所述的电氢联产***，其特征在于，所述电氢联产***还包括第一输送泵(1)，所述第一输送泵(1)的出口连通于所述甲醇输送管路。
6.根据权利要求4所述的电氢联产***，其特征在于，所述电氢联产***还包括第二预热器(8)，所述第二预热器(8)的B1口连通于所述低温回热器(12)的低压侧出口，B2口连通于所述第一预热器(2)的A1口，B3口连通于输送甲醇和水的混合液的输送管路，B4口连通于所述甲醇重整制氢装置(9)的混合液进口，所述B1口连通于所述B2口，所述B3口连通于所述B4口，甲醇和水的混合液能够与CO2工质于所述第二预热器(8)内交换热量。
7.根据权利要求6所述的电氢联产***，其特征在于，所述电氢联产***还包括第二输送泵(7)，所述第二输送泵(7)的出口连通于输送甲醇和水的混合液的输送管路。
8.根据权利要求1所述的电氢联产***，其特征在于，所述电氢联产***还包括送风机(5)，所述送风机(5)的出口通过管路连通于所述空气进口。
9.一种电氢联产方法，其特征在于，适用于权利要求1-8任一项所述的电氢联产***，所述电氢联产方法包括：
经第一压缩机压缩的CO2工质依次经过低温回热器、高温回热器后吸收甲醇燃烧产生的热量，得到高温CO2工质；
高温CO2工质进入二氧化碳透平做功并驱动发电机发电；
由二氧化碳透平排出的CO2工质进入甲醇重整制氢装置进行放热，得到低温CO2工质，甲醇重整制氢装置内的甲醇水溶液吸热至重整反应温度并发生重整反应，得到氢气；
低温CO2工质依次经过高温回热器、低温回热器及预冷器后再次进入第一压缩机。
10.根据权利要求9所述的电氢联产方法，其特征在于，由低温回热器流出的低温CO2工质一部分经预冷器后进入第一压缩机，另一部分经第二压缩机压缩后与经过第一压缩机压缩的一部分低温CO2工质混合进入高温回热器。
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