以太阳能及生物质气化为基础的氢能产储输用一体化系统

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以太阳能及生物质气化为基础的氢能产储输用一体化系统\n技术领域\n[0001] 本发明涉及氢能的高效利用技术领域，尤其是一种以太阳能及生物质气化为基础的氢能产储输用一体化系统。\n背景技术\n[0002] 能源是人类赖以生存和发展的关键性要素之一，也是国民经济和社会发展的重要物质基础。但现有的能源供应体系主要依赖于煤炭和石油等化石燃料，过度使用化石燃料已对环境产生了严重污染，并加剧了全球气候变暖。就中国而言，以煤炭为主导的能源结构已严重制约当前经济和社会的高速发展，同时过高的石油对外依存度已严重威胁到国家能源安全。与此同时，化石燃料的不可再生性和日益增长的能源需求之间的矛盾也正急剧凸显，寻求清洁的可再生的替代能源已成为当前亟待解决的难题。\n[0003] 近年来，各国的研究人员将目光投向了氢能，氢是自然界中最普遍的元素，据估计它占宇宙总质量的75％。氢气的燃烧效率和热值都非常高，相同质量下纯氢的热值几乎相当于当前汽车动力燃料(汽油、柴油等)燃烧热值的2.8倍。同时氢气的燃烧产物仅为水，不会对环境造成污染。\n[0004] 目前主要利用水分解制氢、天然气重整制氢、煤气化制氢等方式来生产氢气，虽然氢气作为终端产品属于清洁能源，但氢气的生产过程却需消耗大量的化石燃料或优质的电能。在天然气重整反应中，现有的技术是直接燃烧天然气以提供反应所需要的热量，但天然气的最高理论燃烧温度能达到2300℃，而天然气重整制氢的反应温度仅为800～1000℃，温度之间的不匹配将造成严重的能量品位损失，煤气化制氢技术同样存在此类问题。已有的化石燃料制氢技术均采用直接燃烧原料的方式来提供反应热，虽然可以简化流程结构，但是所造成的环境污染和能量品位损失也是不可忽略的。\n[0005] 另一方面，根据资源的分布特性和城市土地资源的宝贵性，使得氢气的生产设施往往建设在远离用户中心等偏远地区，由此远距离输送氢气成为了必然，而现有的输运方式主要包括气态氢输送和液态氢输送。气态输送方式通常是将氢经加压至一定压力后通过长管拖车等工具进行输送，一般利用由9个直径约为0.5m、长约10m、设计工作压力为20MPa的钢瓶组成的管束，但高压充气钢瓶中的氢重量仅占1.6％左右，即输运过程做了大量无用功，还需消耗大量氢气压缩功，而且储氢压力容器也存在诸多安全隐患。而液体输送方式是将氢深冷至21K液化后，再利用槽罐车或者管道进行输运，虽然其体积能量密度分别为常压下氢和15MPa输运压力下氢的845倍和6.5倍，但是氢气液化过程中消耗大量的冷却能量约占其储存能量的30％，而且液氢易泄漏不能长期保存，还需采用各类技术手段保持液化罐的热绝缘性以降低蒸发损失。\n[0006] 相对化石燃料而言，我国的太阳能资源非常丰富，年平均日太阳辐射量为180W／\n2\nm，并表现出西高东低的太阳能地域分布特点，我国的西藏、青海等新疆等西部地区年日照时间更是在3000小时以上，属世界太阳能资源丰富地区之一。与此同时，中国的生物质秸秆年产量为8.42亿吨，可收集利用量达到6.86亿吨，利用前景非常广阔。因此，可以充分利用这些清洁的可再生能源来生产氢，这不仅将有助于降低化石燃料的消耗，同时也能够实现低品质可再生能源向高品质氢能的转变。\n[0007] 现有的氢输运系统虽然是直接将纯净的氢送往氢站等用户，但是输运的效率很低，而且在输运和储存过程中还存在诸多安全性问题。应当寻找一种易由氢气合成、且易分解成氢气的中间载体，以提高氢气的储存稳定性，不仅能借助现有的输运体系实现安全输送，还可降低对用户侧的技术要求。\n[0008] 着眼于未来的能源发展方向，不仅要求具备清洁且高效的氢能转化技术，同时在氢能的生产、储存和输运侧也应追求无污染、低成本。在借助丰富的太阳能和生物质等可再生能源生产氢的同时，通过构建科学合理的氢能产储输用一体化系统有助于氢能的推广与应用，为有效地缓解日益增长的能源需求和有限的化石能源储量之间的矛盾提供途径。\n发明内容\n[0009] (一)要解决的技术问题\n[0010] 有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种以太阳能及生物质气化为基础的氢能产储输用一体化系统，以充分利用可再生能源来生成氢气，借助甲醇这个优质载体来实现氢能的高效存储和远距离输运，并缓解当前资源分布与经济发展间不均衡等问题。\n[0011] (二)技术方案\n[0012] 为达到上述目的，本发明提供了一种以太阳能及生物质气化为基础的氢能产储输用一体化系统，包括产氢子系统、储氢子系统、输氢子系统和用氢子系统四部分，其中：\n[0013] 产氢子系统包括定日镜1、气化反应器2、预热器3和冷却净化器4，其中，定日镜1设置于气化反应器2周围，气化反应器2出口依次与预热器3的热端和冷却净化器4入口相连，生物质S1和水S2经预热器3的冷端与气化反应器2入口连接；\n[0014] 储氢子系统包括新气压缩机5、燃气-蒸汽联合循环6、甲醇换热器7、甲醇合成塔\n8、气液分离器9、精馏塔10和甲醇罐11，其中，冷却净化器4的出口依次与新气压缩机5、甲醇换热器7冷端与甲醇合成塔8入口连接，甲醇合成塔8出口经甲醇换热器7热端与气液分离器9相连，气液分离器9的液相出口与精馏塔10连接，气液分离器9的气相出口一部分与燃气-蒸汽联合循环6连接，其他部分与精馏塔10的气体出口一同与新气压缩机5的入口连接，精馏塔10的液体出口与甲醇罐11连接；\n[0015] 输氢子系统包括输运装置12，甲醇罐11通过输运装置12与甲醇中储站13连接；\n[0016] 用氢子系统包括甲醇中储站13、槽式太阳能吸收／反应器14、氢气变压吸附提纯装置15、城市煤气管网系统16、氢站17和燃料电池18，其中，甲醇中储站13出口与槽式太阳能吸收／反应器14入口连接，槽式太阳能吸收／反应器14出口与氢气变压吸附提纯装置15入口连接，氢气变压吸附提纯装置15的一氧化碳出口与城市煤气管网系统16连接，氢气变压吸附提纯装置15的氢气出口途径氢站17与燃料电池18等终端氢能用户连接。\n[0017] 上述方案中，在产氢子系统中：定日镜1用于为气化反应器2聚焦太阳能并提供高温热源；气化反应器2用于实现生物质S1的气化，将生物质S1由固体燃料转化为作为气体燃料的合成气，并输送给预热器3；预热器3用于利用合成气的显热将水S2转化为气化反应所需的水蒸汽，并对生物质S1进行干燥和预热，以降低高温太阳能的集热量；冷却净化器4用于降低经过预热器3后的合成气的温度，并脱除合成气中所含的灰分和硫化氢等杂质，输送给新气压缩机5。\n[0018] 上述方案中，所述预热器3充分利用气化合成气的显热来预热用于气化的生物质S1，并将水S2转化为蒸汽作为气化剂。\n[0019] 上述方案中，在储氢子系统中：新气压缩机5用于提高合成气的压力，并输送给甲醇换热器7；甲醇换热器7用于提升合成气的温度以提高在后续反应中甲醇的产率，并输送给甲醇合成塔8；甲醇合成塔8用于实现合成气中氢气与一氧化碳反应生成甲醇的化学反应，并将生成的产物通过甲醇换热器7输送给气液分离器9；气液分离器9用于实现粗甲醇和未反应合成气的分离，分离后得到的甲醇被输送给精馏塔10，分离后得到的未反应合成气一部分进入燃气-蒸汽联合循环6，另一部分与精馏塔10生成的气体一同进入新气压缩机5；燃气-蒸汽联合循环6由一组燃气发电装置和蒸汽发电装置构成，用于将部分未合成的气体转化为电能，避免为过渡追求甲醇产率而增加系统的压缩耗功量，提高系统的资源利用率；精馏塔10用于对甲醇进行提纯，将甲醇的纯度提高至99％以上，提纯得到的液体甲醇被输送给甲醇罐，提纯后剩余的气体进入新气压缩机5；甲醇罐11用于实时存储提纯得到的液体甲醇。\n[0020] 上述方案中，所述燃气-蒸汽联合循环6中的燃气透平能够直接拖动新气压缩机\n5，而其中的蒸汽透平将用于发电以提供系统所需的厂用电。\n[0021] 上述方案中，所述气液分离器9和所述精馏塔10所排出的气体将作为未合成气送至甲醇合成塔8加以循环利用，以提高系统的甲醇产量，但同时也抽取一部分作为燃料气送至燃气-蒸汽联合循环6以维持系统的正常运转。\n[0022] 上述方案中，在输氢子系统中，输运装置12用于运输甲醇罐11中存储的液体甲醇。所述输运装置12为卡车、火车或管道，以实现甲醇的远距离输运。\n[0023] 上述方案中，在用氢子系统中：甲醇中储站13用于中储甲醇，根据用户的需求进行来调节后续的甲醇分解流量，从而满足系统的动态运行特性；槽式太阳能吸收／反应器\n14用于利用中低温太阳能来完成甲醇的裂解，以生产优质包含氢气和一氧化碳的合成气；\n氢气变压吸附提纯装置15用于实现氢气和一氧化碳的分离，并对氢气进行提纯，以满足氢能用户的设计要求，将氢气和一氧化碳分别输送给城市煤气管网系统16和氢站17；氢站17用于为氢能用户直接提供氢气；燃料电池18直接利用氢气以产生电能的装置，并能够与电动汽车或微小电网进行连接。\n[0024] 上述方案中，所述槽式太阳能吸收／反应器14为甲醇的催化分解提供所需的中低温太阳能，可安装在建筑物的屋顶位置，以节省土地资源的使用量；所述氢气变压吸附提纯装置15对甲醇的催化分解得到的氢气进行分离和提纯，从而满足终端用户燃料电池18的要求，而分离出的CO被送至城市煤气管网系统16加以充分利用。\n[0025] (三)有益效果\n[0026] 从上述技术方案可看出，本发明具有以下有益效果：\n[0027] 1、本发明提供的以太阳能及生物质气化为基础的氢能产储输用一体化系统，基于“温度对口，梯级利用”的能源利用机理，借助不同的太阳能集热装置来完成生物质的气化及后期甲醇分解等过程以降低系统的能量品位损失，同时通过合理的系统热能优化以提高系统的能量利用率。\n[0028] 2、本发明提供的以太阳能及生物质气化为基础的氢能产储输用一体化系统，是以利用太阳能和生物质为基础的，避免消耗煤炭和天然气等化石燃料并有效地降低CO2等污染物的排放。\n[0029] 3、本发明提供的以太阳能及生物质气化为基础的氢能产储输用一体化系统，直接利用高温太阳能提供生物质气化反应热，无需通过燃烧生物质本身来提供所需的热量，这不仅提高了生物质的有效利用率，也能降低合成气净化负担，而且所产生的合成气组分更适合于后续的甲醇合成。\n[0030] 4、本发明提供的以太阳能及生物质气化为基础的氢能产储输用一体化系统，通过将太阳能引入生物质气化反应中，由此实现了太阳能向化学能的转化，不仅实现了太阳能的品位提升，而且也充分利用合成气的化学能形式来储存太阳能，也有助于实现太阳能等可再生能源的地区间输送。\n[0031] 5、本发明提供的以太阳能及生物质气化为基础的氢能产储输用一体化系统，以甲醇作为氢能载体，能保证氢气的稳定储存，可按照现有的甲醇生产和相关的输运技术体系来保证氢能的正常生产和远距离输运，降低了技术风险，并提高系统运行的安全性。\n[0032] 6、本发明提供的以太阳能及生物质气化为基础的氢能产储输用一体化系统，依据资源分布的特点，可充分利用例如中国西部等丰富的太阳能和生物质资源、广阔的土地资源来发展规模化的太阳能及生物质气化和甲醇生产系统，同时利用甲醇作为氢能的稳定载体，可通过长距离输运等方式来缓解地区间经济发展和能源供应之间的矛盾。\n[0033] 7、本发明提供的以太阳能及生物质气化为基础的氢能产储输用一体化系统，氢能的用户主要集中在城市等经济发达地区，同时根据槽式太阳能吸收／反应器的结构特点，可将其安装至建筑物的屋顶，不仅降低了对土地资源的依赖，同时也提高了太阳能集热性能。\n[0034] 8、本发明提供的以太阳能及生物质气化为基础的氢能产储输用一体化系统，在甲醇生产端就着力于提高甲醇的纯度，这可以降低后续甲醇制氢端中的氢气净化提纯负荷，从而有利于保持氢能终端设备的正常运转。\n[0035] 9、本发明提供的以太阳能及生物质气化为基础的氢能产储输用一体化系统，CO作为甲醇分解制氢端的副产物，将被送至城市煤气管网系统加以充分利用，实现了资源的高效合理利用。\n附图说明\n[0036] 图1为依据本发明实施例的以太阳能及生物质气化为基础的氢能产储输用一体化系统的结构示意图；\n[0037] 图1中各部件及相应的标记为：1-定日镜，2-气化反应器，3-预热器，4-冷却净化器，5-新气压缩机，6-燃气-蒸汽联合循环，7-甲醇换热器，8-甲醇合成塔，9-气液分离器，10-精馏塔，11-甲醇罐，12-输运装置，13-甲醇中储站，14-槽式太阳能吸收／反应器，\n15-氢气变压吸附提纯装置，16-城市煤气管网系统、17-氢站、18-燃料电池。\n具体实施方式\n[0038] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。\n[0039] 图1是依据本发明实施例的以太阳能及生物质气化为基础的氢能产储输用一体化系统的结构示意图，该系统包括产氢子系统、储氢子系统、输氢子系统和用氢子系统四部分，其中：\n[0040] 产氢子系统包括定日镜1、气化反应器2、预热器3和冷却净化器4，其中，定日镜1设置于气化反应器2周围，气化反应器2出口依次与预热器3的热端和冷却净化器4入口相连，生物质S1和水S2经预热器3的冷端与气化反应器2入口连接。定日镜1用于为气化反应器2聚焦太阳能并提供高温热源。气化反应器2用于实现生物质S1的气化，将生物质S1由固体燃料转化为作为气体燃料的合成气，并输送给预热器3。预热器3用于利用合成气的显热将水S2转化为气化反应所需的水蒸汽，并对生物质S1进行干燥和预热，以降低高温太阳能的集热量。冷却净化器4用于降低经过预热器3后的合成气的温度，并脱除合成气中所含的灰分和硫化氢等杂质，输送给新气压缩机5。\n[0041] 储氢子系统包括新气压缩机5、燃气-蒸汽联合循环6、甲醇换热器7、甲醇合成塔\n8、气液分离器9、精馏塔10和甲醇罐11，其中，冷却净化器4的出口依次与新气压缩机5、甲醇换热器7冷端与甲醇合成塔8入口连接，甲醇合成塔8出口经甲醇换热器7热端与气液分离器9相连，气液分离器9的液相出口与精馏塔10连接，气液分离器9的气相出口一部分与燃气-蒸汽联合循环6连接，其他部分与精馏塔10的气体出口一同与新气压缩机5的入口连接，精馏塔10的液体出口与甲醇罐11连接。新气压缩机5用于提高合成气的压力，并输送给甲醇换热器7。甲醇换热器7用于提升合成气的温度以提高在后续反应中甲醇的产率，并输送给甲醇合成塔8。甲醇合成塔8用于实现合成气中氢气与一氧化碳反应生成甲醇的化学反应，并将生成的产物通过甲醇换热器7输送给气液分离器9。气液分离器9用于实现粗甲醇和未反应合成气的分离，分离后得到的甲醇被输送给精馏塔10，分离后得到的未反应合成气一部分进入燃气-蒸汽联合循环6，另一部分与精馏塔10生成的气体一同进入新气压缩机5。燃气-蒸汽联合循环6由一组燃气发电装置和蒸汽发电装置构成，用于将部分未合成的气体转化为电能，避免为过渡追求甲醇产率而增加系统的压缩耗功量，提高系统的资源利用率。精馏塔10用于对甲醇进行提纯，将甲醇的纯度提高至99％以上，提纯得到的液体甲醇被输送给甲醇罐，提纯后剩余的气体进入新气压缩机5。甲醇罐11用于实时存储提纯得到的液体甲醇。\n[0042] 输氢子系统包括输运装置12，甲醇罐11通过输运装置12与甲醇中储站13连接。\n输运装置12用于运输甲醇罐11中存储的液体甲醇。\n[0043] 用氢子系统包括甲醇中储站13、槽式太阳能吸收／反应器14、氢气变压吸附提纯装置15、城市煤气管网系统16、氢站17和燃料电池18，其中，甲醇中储站13出口与槽式太阳能吸收／反应器14入口连接，槽式太阳能吸收／反应器14出口与氢气变压吸附提纯装置15入口连接，氢气变压吸附提纯装置15的一氧化碳出口与城市煤气管网系统16连接，氢气变压吸附提纯装置15的氢气出口途径氢站17与燃料电池18等终端氢能用户连接。甲醇中储站13用于中储甲醇，根据用户的需求进行来调节后续的甲醇分解流量，从而满足系统的动态运行特性。槽式太阳能吸收／反应器14用于利用中低温太阳能来完成甲醇的裂解，以生产优质包含氢气和一氧化碳的合成气。氢气变压吸附提纯装置15用于实现氢气和一氧化碳的分离，并对氢气进行提纯，以满足氢能用户的设计要求，将氢气和一氧化碳输送给城市煤气管网系统16和氢站17。氢站17用于氢站类似于加油站，为氢能用户直接提供氢气。燃料电池18是直接利用氢气以产生电能的装置，是氢能用户的典型代表，可与电动汽车或微小电网进行连接。\n[0044] 图1中，预热器3充分利用气化合成气的显热来预热用于气化的生物质S1，并将水S2转化为蒸汽作为气化剂。燃气-蒸汽联合循环6中的燃气透平可直接拖动新气压缩机5，而其中的蒸汽透平将用于发电以提供系统所需的厂用电。气液分离器9和精馏塔10所排出的气体将主要作为未合成气送至甲醇合成塔8加以循环利用，以提高系统的甲醇产量，但同时也抽取一部分作为燃料气送至燃气-蒸汽联合循环6以维持系统的正常运转。输运装置12可以为卡车，但卡车仅作为其中的一种甲醇输运方式，还可借助火车及管道等其他方式来进行甲醇远距离输运。槽式太阳能吸收／反应器14为甲醇的催化分解提供所需的中低温太阳能，可安装在建筑物的屋顶等位置，以节省土地资源的使用量，同时这种甲醇分解制氢的设备结构简单，运行可靠性高。氢气变压吸附提纯装置15对甲醇的催化分解得到的氢气进行分离和提纯，从而满足燃料电池18等终端用户的要求，而分离出的CO等其他气体将可送至城市煤气管网系统16加以充分利用。\n[0045] 图1所示本发明实施例的以太阳能及生物质气化为基础的氢能产储输用一体化系统，其中各组成部分之间的具体工作流程为：预热器3充分利用气化合成气的显热来预热生物质S1，同时也利用这部分热量将水S2转化为蒸汽以作为气化剂。同时将预热后的生物质S1和经转化的水蒸气S2送至气化反应器2中，并利用定日镜1聚焦并提供高温热源来驱动气化反应器2中的生物质气化反应。气化产生的高温气化合成气首先送至预热器3中进行降温并对释放出的显热进行充分利用，而后再送入冷却净化器4中进行净化并脱除硫、灰等各类杂质。经净化后的气化合成气将利用新气压缩机5进行提压，利用甲醇换热器\n7进行预热后送至甲醇合成塔8中用于生产甲醇，由此利用甲醇作为载体来实现氢气的稳定储存。甲醇合成塔8的出口将送出甲醇和未反应的合成气，首先利用甲醇换热器7进行减温以释放显热，再利用气液分离器9来进行甲醇和气体之间的分离，分离出的粗甲醇将利用精馏塔10进行提纯并送至甲醇罐11中进行储存。气液分离器9分离出的一部分气体送至燃气-蒸汽联合循环6作为燃料气进行燃烧，剩余的气体将和精馏塔10的驰放气进行混合并返送至新气压缩机5加以循环利用，燃气-蒸汽联合循环6中的燃气透平将直接拖动新气压缩机5，而蒸汽透平将用于发电以提供系统所需的厂用电以维持系统的正常运转。\n[0046] 系统获得的高品质甲醇仅利用甲醇罐11进行短暂储存，而后直接利用输运装置\n12送至甲醇中储站13中，输运装置12可以为卡车，但卡车仅作为其中的一种甲醇输运方式，也可借助现有的火车及管道输运体系来现甲醇的远距离输送。\n[0047] 甲醇中储站13可建设至靠近用户的城市地区，同时还可借助建筑的屋顶来安装槽式太阳能吸收／反应器14，将甲醇中储站13中的甲醇送至槽式太阳能吸收／反应器14中进行催化分解，槽式太阳能吸收／反应器14可自行提供中低温太阳能热源以驱动甲醇分解反应，甲醇的催化分解反应主要产生氢气和一氧化碳，并利用氢气变压吸附提纯装置\n15进行分离，经过分离和提纯后的氢气将可直接借助氢站17送至燃料电池18等终端用户，或借助固体储氢金属化合物进行储存供电动汽车或移动氢站使用。利用氢气变压吸附提纯装置15分离出的一氧化碳是甲醇分解制氢的副产物，将送至城市煤气管网系统16，从而实现组分的高效利用，避免了资源浪费。\n[0048] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。