一种小型分布式热电联产系统
技术领域
本发明涉及重整制氢设备领域，具体涉及一种小型分布式热电联产系统。
背景技术
环境污染与非可再生的化石燃料的不断消耗，是全球关注的焦点。发展清洁、高效、可持续的新能源已成为大家的共识。氢能，因其具有燃烧热值高、燃烧产物水不会对环境造成污染等优点，已经成为被市场认可的清洁能源。
随着全球推动氢能社会的建构，急需一种小型化、以氢燃料电池为发电主体、能供电供暖、适用于家用或者公共场所的热电联产系统。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：将提供一种小型化、以氢燃料电池为发电主体、能供电供暖、适用于家用或者公共场所的小型分布式热电联产系统。
为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案为：一种小型分布式热电联产系统，包括：重整制氢装置、脱硫器、氢燃料电池，其特征在于：还包括：去离子水净化系统、燃气空气混合器、热交换器，重整制氢装置的原料气进口通过管路与脱硫器的出口相连，脱硫器的进口通过管路与原料气总管相连，重整制氢装置的主燃料气进口通过管路与燃气空气混合器的出口相连，燃气空气混合器的第一进口通过管路与原料气总管相连，燃气空气混合器的第二进口与大气相连通，重整制氢装置的去离子水进口通过管路与去离子水净化系统的去离子水输出管的出口相连，重整制氢装置的重整气出口通过管路与氢燃料电池的阳极进口相连，重整制氢装置的燃烧废气出口通过管路与热交换器的热媒进口相连。
进一步的，前述的一种小型分布式热电联产系统，其中：去离子水净化系统的结构包括：进水管路，进水管路的出口与反渗透装置的进口相连，反渗透装置的出口通过管路与去溶氧装置的进口相连，去溶氧装置的出口通过管路与金属离子吸附装置的进口相连，金属离子吸附装置的出口通过管路与去离子水输出管的进口相连。
进一步的，前述的一种小型分布式热电联产系统，其中：在反渗透装置和去溶氧装置之间的管路上设置有一个初级过滤储水槽，反渗透装置的出口通过管道与初级过滤储水槽相连，使得反渗透装置过滤后的水能排入至初级过滤储水槽中，初级过滤储水槽的出口通过带泵的管道与去溶氧装置的进口相连，使得初级过滤储水槽中的水能通过泵输送至去溶氧装置中。
进一步的，前述的一种小型分布式热电联产系统，其中：在金属离子吸附装置和去离子水输出管之间的管路上设置有一个终端储水槽，金属离子吸附装置的出口通过管道与终端储水槽相连，使得金属离子吸附装置过滤后的水能排入至终端储水槽中，去离子水输出管的进口与终端储水槽相连，使得终端储水槽中的水能通过去离子水输出管向外输出。
进一步的，前述的一种小型分布式热电联产系统，其中：终端储水槽和初级过滤储水槽通过管道相连，使得终端储水槽中的水能溢流至初级过滤储水槽中。
进一步的，前述的一种小型分布式热电联产系统，其中：去离子水净化系统还包括：一个废水槽，反渗透装置的排废口通过管道与废水槽相连，使得反渗透装置工作时产生的废水能排入至废水槽中，初级过滤储水槽通过管道与废水槽相连，使得初级过滤储水槽中的水能溢流至废水槽中，去溶氧装置的排废口通过带泵的管道与废水槽相连，使得去溶氧装置工作时产生的废水和废渣能通过泵输送至废水槽中。
进一步的，前述的一种小型分布式热电联产系统，其中：在重整制氢装置中还设置有一个喷气环，喷气环的上表面设置有多个沿着喷气环布置的喷气孔，喷气环位于重整制氢装置的蒸汽重整反应腔的下方，在喷气环上还设置有进料管，蒸汽重整反应所需的原料气和水蒸气通过进料管输入至喷气环中，然后再从喷气环的喷气孔中向上喷出而进入至蒸汽重整反应腔中进行蒸汽重整反应。
进一步的，前述的一种小型分布式热电联产系统，其中：在重整制氢装置的蒸汽重整反应腔、水汽转移催化反应腔、选择性甲烷化反应腔中均填充有海绵状多孔支撑体，各个反应腔中反应所需的催化剂均以粉末状分散粘附于所在腔室中的海绵状多孔支撑体的各个孔壁上。
进一步的，前述的一种小型分布式热电联产系统，其中：重整制氢装置中的蒸汽重整反应腔、水汽转移催化反应腔、选择性甲烷化反应腔由下至上依次竖直排布，反应原料由下至上依次进入蒸汽重整反应腔、水汽转移催化反应腔、选择性甲烷化反应腔中进行反应；重整制氢装置的蒸汽重整反应腔、水汽转移催化反应腔、选择性甲烷化反应腔均分为上下对接连通的上区域和下区域，各个反应腔的下区域均由下至上逐渐缩小，各个反应腔的上区域均由下至上逐渐扩大，并且各个反应腔的上区域由下至上还依次分成下段、中段、上段，各个反应腔的下区域和上区域、下段和中段、中段和上段之间均以网孔板隔开，各个反应腔的下区域均不填充海绵状多孔支撑体，各个反应腔的上区域的各个分段中均填充有海绵状多孔支撑体。
进一步的，前述的一种小型分布式热电联产系统，其中：各个上区域的下段的海绵状多孔支撑体的孔壁展开总面积＜中段的海绵状多孔支撑体的孔壁展开总面积＜上段的海绵状多孔支撑体的孔壁展开总面积。
本发明的优点为：本发明所述的小型分布式热电联产系统与传统的大型中央发电供暖站相比，可以更快地实现其价值，减少对电网的需求压力，减少电力和供暖在输送和分配时的损失，另外，结构相对简单，小型化，适合家用；与家用、小区、饭店等场景的天然气以及自来水管道相连接后就可以正常工作，从而能很好地满足居民单元、小型社区、商业或工业建筑、医院等公共场所对照明、电器设备、采暖和热水等的需求。
附图说明
图1为本发明所述的一种小型分布式热电联产系统的结构示意图。
图2为重整制氢装置的结构示意图。
图3为图2中所示的喷气环的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步的详细描述。
如图1所示，一种小型分布式热电联产系统，包括：重整制氢装置1、脱硫器2、氢燃料电池3、去离子水净化系统4、燃气空气混合器5、热交换器6，重整制氢装置1是一种现有的能将含氢的化合物转换为含氢的重整气的设备，现有的重整制氢装置上通常设置有用于输入天然气的原料气进口、用于输入燃烧气的主燃烧气进口、用于输入水的去离子水进口、用于排出燃烧废气的燃烧废气出口、用于输出重整气的重整气出口、进行蒸汽重整反应的蒸汽重整反应腔、进行水汽转移催化反应的水汽转移催化反应腔、进行选择性甲烷化反应的选择性甲烷化反应腔、燃烧燃料气为各个反应提供热量的燃烧筒；本实施例中采用天然气作为原料进行重整制氢，天然气重整制氢工艺主要包括以下步骤：一、蒸汽重整反应：该反应中，天然气中甲烷与水蒸气在蒸汽重整反应催化剂的条件下反应制得一次重整气，一次重整气中主要包含氢气和一氧化碳，该步骤中需要吸收大量的热量，温度通常需要维持在800℃～1000℃。二、水汽转移催化反应：该反应中，一次重整气中的一氧化碳与水在水汽转移催化剂的条件下反应，从而去除一次重整气中的一氧化碳制得二次重整气。该反应需要将温度控制在300℃～350℃。三、选择性甲烷化反应：该反应中，在选择性甲烷化反应催化剂的条件下，二次重整气中的一氧化碳进一步反应去除，从而制得纯化的氢气；本实施例中采用的重整制氢装置1可以是专利号为201910859068.8的专利公开的一种集成型重整制氢装置，也可以是其它常用的小型重整制氢装置；重整制氢装置1的原料气进口11通过管路与脱硫器2的出口相连，脱硫器2的进口通过管路与原料气总管7相连，工作时，原料气总管7的进口与家用的天然气管道相连通，从而能为重整制氢装置1提供反应用的天然气和燃烧加热用的天然气，脱硫器2中含有脱硫剂，使得脱硫器2能对天然气进行脱硫，从而去除天然气中的硫化物，硫化物不仅会与氢气反应，而且更会对催化产氢反应的催化剂造成毒化使其失效；重整制氢装置1的主燃料气进口12通过管路与燃气空气混合器5的出口相连，燃气空气混合器5的第一进口51通过管路与原料气总管7相连，燃气空气混合器5的第二进口52与大气相连通，燃气空气混合器5可以是混合鼓风机，也可以是混合泵，天然气和空气在燃气空气混合器5中预混合后能大大提高燃烧效率，天然气和空气混合后进入重整制氢装置1的燃烧筒中燃烧，为各个反应提供热量；重整制氢装置1的去离子水进口13通过管路与去离子水净化系统4的去离子水输出管41的出口相连，由去离子水净化系统4为重整制氢装置1提供用于反应的去离子水；重整制氢装置1的重整气出口14通过管路与氢燃料电池3的阳极进口31相连，使得重整制氢装置1能为氢燃料电池3提供氢气，重整制氢装置1的燃烧废气出口16通过管路与热交换器6的热媒进口相连，使得重整制氢装置1中的高温燃烧废气能与热交换器6中的冷媒进行热交换，冷媒通常为冷水或冷空气，从而能为运用场景提供暖气或者热水。
在本实施例中，重整制氢装置1上还设置有副燃烧气进口15，副燃烧气进口15通过内部管道与重整制氢装置1的燃烧筒相连通，副燃烧气进口15还通过外部管道与氢燃料电池3的阳极出口相连，通常情况下，氢燃料电池3不能完全消耗掉重整气中所有的氢气，本实施例中，含氢气的未反应燃料电池尾气能通过副燃烧气进口15进入到燃烧筒中燃烧，这样可以节省天然气。
另外，重整制氢装置1的重整气出口14上还连通有一根带截止阀的外排管道，外排管道能将开机时不达标的重整气外排。
在脱硫器2和原料气进口11之间的管路上顺着流向依次设置有质量流量计、增压泵、天然气比例阀。去离子水输出管41和去离子水进口13之间的管路上顺着流向依次设置有蠕动水泵和质量流量计。
在本实施例中，去离子水净化系统4的结构包括：进水管路42，工作时，进水管路42的进口与自来水管相连通，进水管路42的出口与反渗透装置43的进口相连，反渗透装置43的出口通过管路与去溶氧装置44的进口相连，去溶氧装置44的出口通过管路与金属离子吸附装置45的进口相连，金属离子吸附装置45的出口通过管路与去离子水输出管41的进口相连。反渗透装置43通过反渗透原理去除自来水中的大颗粒杂质，去溶氧装置44用于去除自来水中溶解的气体以及吸出一些细微的杂质，去溶氧装置44的原理为：随着温度的升高或压力的降低，各种气体在水中的溶解度均下降。当水温达到沸点时，水界面上的水蒸气压力和外界压力相等，这时的水不再具有溶解气体的能力，即各种气体均因不能溶于水中而解吸分离出来。按工作压力的不同，本实施例选择真空式，从而加快液体中气体的排出，同时吸出细微的杂质。金属离子吸附装置45通过内置的金属离子吸附剂来去除自来水中的金属离子，自来水经过反渗透、去溶氧、金属离子吸附后就能成为去离子水。
另外，在反渗透装置43和去溶氧装置44之间的管路上设置有一个初级过滤储水槽46，反渗透装置43的出口通过管道与初级过滤储水槽46相连，使得反渗透装置43过滤后的水能排入至初级过滤储水槽46中，初级过滤储水槽46的出口通过带隔膜泵的管道与去溶氧装置44的进口相连，使得初级过滤储水槽46中的水能通过泵输送至去溶氧装置44中。
在金属离子吸附装置45和去离子水输出管41之间的管路上设置有一个终端储水槽47，金属离子吸附装置45的出口通过管道与终端储水槽47相连，使得金属离子吸附装置45过滤后的水能排入至终端储水槽47中，去离子水输出管41的进口与终端储水槽47相连，使得终端储水槽47中的水能通过去离子水输出管41向外输出。
去离子水净化系统4还包括：一个废水槽48，反渗透装置43的排废口通过管道与废水槽48相连，使得反渗透装置43工作时产生的废水能排入至废水槽48中，初级过滤储水槽46通过管道与废水槽48相连，使得初级过滤储水槽46中的水能溢流至废水槽48中，去溶氧装置44的排废口通过带真空泵的管道与废水槽48相连，使得去溶氧装置44工作时产生的废水和废渣能通过泵输送至废水槽48中。
终端储水槽47和初级过滤储水槽46通过管道相连，使得终端储水槽47中的水能溢流至初级过滤储水槽46中。终端储水槽47、初级过滤储水槽46、废水槽48中均设置有控制液位的液位开关，终端储水槽47中还设置有检测电导率和电阻率的探棒，当终端储水槽47和初级过滤储水槽46中的水过多时能通过溢流至废水槽48中进行排出，这样可以增加系统的可靠性。
工作时，原料气总管7的进口与家用的天然气管道相连通，进水管路42的进口与自来水管相连通，一部分天然气和空气混合后通过管路进入到燃烧筒燃烧为各个反应提供热量，去离子水净化系统4供给的去离子水进入到重整制氢装置1中后会受热蒸发成为水蒸气，然后水蒸气和另一部分天然气混合后进入到蒸汽重整反应腔中进行蒸汽重整反应，接着一次重整气进入到水汽转移催化反应腔中进行水汽转移催化反应，然后二次重整气进入到选择性甲烷化反应腔中进行选择性甲烷化反应，从而制得具有高纯度氢气的重整气，制得的重整气通入到氢燃料电池中产生电能供用户使用，而重整制氢装置1产生的高温燃烧废气与热交换器6中的冷水或者冷空气进行热交换，从而能为运用场景提供暖气或者热水。
如图2、图3所示，在重整制氢装置1中还设置有一个喷气环8，喷气环8的上表面设置有多个沿着喷气环8均匀布置的喷气孔81，喷气环8位于重整制氢装置1的蒸汽重整反应腔9的下方，在喷气环8上还设置有进料管82，蒸汽重整反应所需的天然气和水蒸气通过进料管82输入至喷气环8中，然后再从喷气环8的喷气孔81中向上喷出而进入至蒸汽重整反应腔9中进行蒸汽重整反应。设置喷气环8后能使天然气和水蒸气在喷气环8内部进行预混合，并且能使得到的混合气均匀分布着进入到蒸汽重整反应腔9中进行反应，这样可以使蒸汽重整反应更好的进行。
在重整制氢装置1的蒸汽重整反应腔9、水汽转移催化反应腔91、选择性甲烷化反应腔92中均填充有海绵状多孔支撑体83，各个反应腔中反应所需的催化剂均以粉末状分散粘附于所在腔室中的海绵状多孔支撑体83的各个孔壁上。原来催化剂以颗粒状堆放于反应腔中，为了保证反应气体能顺利穿过催化剂层受到催化剂的催化，催化剂的粒度不能太小，这样就会导致大颗粒的催化剂只有表层参加了催化反应，催化剂内部会被浪费，而催化剂以粉末状分散粘附于海绵状多孔支撑体83的各个孔壁上后即保证了反应气体的流动性，又使得催化剂能被充分利用。
催化剂以粉末状分散粘附于海绵状多孔支撑体83的各个孔壁上可以通过如下方法得到：将海绵状多孔支撑体83浸入至催化剂浆料中，使得海绵状多孔支撑体83充分吸收浆料，然后将海绵状多孔支撑体83烘干。
重整制氢装置1中的蒸汽重整反应腔9、水汽转移催化反应腔91、选择性甲烷化反应腔92由下至上依次竖直排布，反应原料由下至上依次进入蒸汽重整反应腔9、水汽转移催化反应腔91、选择性甲烷化反应腔92中进行反应；重整制氢装置1的蒸汽重整反应腔9、水汽转移催化反应腔91、选择性甲烷化反应腔92均分为上下对接连通的上区域93和下区域94，各个反应腔的下区域93均由下至上逐渐缩小，各个反应腔的上区域94均由下至上逐渐扩大，并且各个反应腔的上区域94由下至上还依次分成下段941、中段942、上段943，各个反应腔的下区域93和上区域94、下段941和中段942、中段942和上段943之间均以网孔板隔开，各个反应腔的下区域93均不填充海绵状多孔支撑体83，各个反应腔的上区域94的各个分段中均填充有海绵状多孔支撑体83，并且各个上区域94的下段941的海绵状多孔支撑体83的孔壁展开总面积＜中段942的海绵状多孔支撑体83的孔壁展开总面积＜上段943的海绵状多孔支撑体83的孔壁展开总面积。下区域93由下至上逐渐缩小后能起到聚集反应气体的作用，使得反应能高效进行；上区域94由下至上逐渐扩大是为了使反应气体加快流动，提高反应效率，并且能防止反应气体回流，使得反应气体朝单一方向前进，避免反应腔内部气体混乱。而下段941、中段942、上段943中的海绵状多孔支撑体83的孔壁展开总面积逐渐增大，孔壁展开总面积越大粘附的催化剂就会越多，从而使下段941中催化剂的量＜中段942中催化剂的量＜上段943中的催化剂的量，反应气体进入下段941时，反应气体中的反应物较多，为了防止过度反应而导致局部温度剧烈波动，温度剧烈波动会影响反应的进行，所以减少了下段941中催化剂的量来降低反应的强度，反应气体进入中段942和上段943时，反应气体中的反应物会因反应掉一部分而依次减少，从而可以适当依次增加中段942和上段943中催化剂的量来保证反应气体中的反应物能充分反应，同时使下段941、中段942、上段943中的反应强度能趋于一致，从而保证腔室内部温度的均匀性。
