一种多孔介质燃烧和燃料电池多级耦合能源系统
技术领域
本发明涉及一种低热值气体能源利用系统技术领域，具体而言，涉及一种多孔介质燃烧和燃料电池多级耦合能源系统。
背景技术
燃料电池技术的发展对氢气这种新型无污染能源的需求迅速增大。煤矿抽采的瓦斯中70％以上为低浓度瓦斯(甲烷体积浓度<30％)，即当量比低于4的甲烷，不利于储存和利用。排放到大气中造成巨大的能源浪费和环境污染。因此将低浓度煤矿瓦斯用于多孔介质部分氧化重整制氢中，既可以有效地解决煤矿瓦斯事故、改善煤矿安全生产条件，又有利于增加氢能源供应、减少温室气体排放，达到保护生命、保护资源、保护环境的多重目标。
在能源资源极度匮乏的今天，实现能源多级利用是节能的重要措施，比如热电联产的建设中，以燃煤为主的热电厂向燃气的热电气三联供热电厂迅猛发展，与此同时多孔介质燃烧制氢技术正在逐步发展，还未实现与燃料电池联合的多级能源利用，这种结合多孔介质燃烧器和氢能燃料电池的多级能源利用系统可以在产生氢气的同时，对余热，废气进行最大化的利用。这样的梯级式能源利用系统是一种新型的能源系统，与以往的能源系统相比，能源转换效率更高、利用更加充分、且绿色环保无污染。
发明内容
本发明的目的是针对上述现状问题，旨在提供一种多孔介质燃烧和燃料电池耦合的安全高效零排放的多级能源利用系统。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案，一种多孔介质燃烧和燃料电池多级耦合能源系统，包括低热值气体供气系统、空气供气系统、多孔介质燃烧单元、余热锅炉、储能水箱、循环水泵，气体分离系统、燃料电池、废气处理室；
所述低热值气体供气系统、空气供气系统分别与所述比例混合器前端连接，比例混合器后端连接至多孔介质燃烧单元，所述多孔介质燃烧器后端通过输气管依次与变频风机、余热锅炉、储能水箱、气体分离系统、燃料电池顺序连接，
所述燃料电池上设有水冷换热器，循环水泵进水端连接至集水器，另一端连接至余热锅炉、储能水箱和水冷换热器为余热锅炉、储能水箱和水冷换热器提供冷水。
进一步，所述比例混合器与多孔介质燃烧单元之间的输气管上装有第一供热管套，所述燃料电池端的氧气输气管上设有第二供热套管。
进一步，所述余热锅炉内部的烟气将热量传递给余热锅炉的冷水中，产生蒸汽，蒸汽输送到蒸气轮机中用于发电，产生的电量输送至电网，同时输送至所述第一供热管套中为进入多孔介质燃烧单元的低热值气体预热。
进一步，所述储能水箱内部的烟气将热量传递给储能水箱的冷水中，产生热水以及水蒸汽，热水输送至第一分水器中，所述第一分水器连接至用户供暖通道，水蒸气输送至水冷交换器中，进行燃料电池的预热工作，所述水冷交换器产生的热水输送至第二分水器中，所述第二分水器连接至用户至供暖通道，产生的蒸汽送至所述第二供热管套中。
进一步，所述气体分离系统包括Ⅰ室和Ⅱ室，所述Ⅰ室中设有干燥装置，Ⅰ室和Ⅱ室之间设有氢气分离膜，所述气体分离系统Ⅱ室通过输气管连接至燃料电池的阳极进气口，气体分离系统Ⅰ室通过输气管连接至废气处理室。
进一步，所述废气处理室包括反应模块、脱硝模块和二氧化碳储气模块，所述燃料电池的阳极出气口连接至废气处理室的反应模块，燃料电池内生成的水蒸气和氧气与一氧化碳在所述反应模块发生化学作用生成二氧化碳进入二氧化碳储气模块，所述二氧化碳储气模块与多孔介质燃烧单元出气端的氢气输送管道连接。
进一步，所述多孔介质燃烧单元由1-6个多孔介质燃烧器并联组成，各个所述多孔介质燃烧器的低温热量可以相互预热。
进一步，所述多孔介质燃烧单元后端的输气管上装有阻火器，所述阻火器设置在多孔燃烧单元与所述变频风机之间。
进一步，所述预热锅炉和储能水箱内设有s型热交换输气管，所述s型热交换输气管位于所述余热锅炉和储能水箱的液体内部。
进一步，还包括智能控制终端，第一智能控温调节仪、第二控温调节仪和气体浓度检测仪，所述第一智能控温调节仪设置在储能水箱上，气体浓度检测仪设置在储能水箱与气体分离系统之间的输气管上，所述第二智能控温调节仪设置在水冷交换器上，智能控制终端分别与比例混合器、气体浓度检测仪、废气处理室连接。
与现有技术相比，本发明至少包括以下有益效果：可满足供暖发电制氢的低热值气体多级能源利用系统，利用燃料范围广，适用于各种浓度的低热值气体，其中包含对煤矿瓦斯抽采瓦斯浓度<30％的资源化利用。该能源利用系统一方面实现了余热的多级利用，为用户供暖、发电、预热气体，具有较高的能源利用效率；另一方面实现了多孔介质使得多孔介质燃烧器的各种产物完全利用，最后经处理的废气转变为二氧化碳，作为保护气体，满足整个系统的安全可靠性，实现零排放目的。整个系统还运用了互联网+思维，采用智能终端进行气体输送的实时控制，使得能源利用效果最大化。在减少温室气体排放的同时获取清洁能源的转换，实现低热值气体的清洁生产、利用，促进经济的绿色循环发展。
附图说明
图1为本发明的一种多孔介质燃烧和燃料电池多级耦合零排放能源系统的结构图。
图中：1-低热值气体供气系统；2-空气供气系统；3-比例混合器；4-第一供热管套；5-多孔介质燃烧单元；6-阻火器；7-变频风机；8-蒸汽轮机；9-余热锅炉；10-第一分水器；11-储能水箱；12-第一智能控温调节仪；13-气体浓度检测仪；14-气体分离系统；15-废气处理室；16-第二智能控温调节仪；17-水冷换热器；18-燃料电池；19-循环水泵；20-第二分水器；21-第二供热管套；22-集水器；23-智能控制终端；24-输气管；25-电网。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并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“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。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申请中的具体含义。
如图1所示，本申请提供一种多孔介质燃烧和燃料电池多级耦合能源系统，包括低热值气体供气系统1、空气供气系统2、多孔介质燃烧单元5、余热锅炉9、储能水箱11、循环水泵19，气体分离系统14、燃料电池18、废气处理室15；
所述低热值气体供气系统1、空气供气系统2分别与所述比例混合器3前端连接，比例混合器3后端连接至多孔介质燃烧单元5，所述多孔介质燃烧器后端通过输气管24依次与变频风机7、余热锅炉9、储能水箱11、气体分离系统14、燃料电池18顺序连接，
所述燃料电池18上设有水冷换热器17，循环水泵19进水端连接至集水器22，另一端连接至余热锅炉9、储能水箱11和水冷换热器17为余热锅炉9、储能水箱11和水冷换热器17提供冷水。
在上述实施例中，各个连接输气管24道之间装有相应的控制阀、压力变送器、流量控制器、电磁阀、压力表等必备的气体管道输送控制装置。低热值气体包括煤矿瓦斯、垃圾填埋气和高炉煤气等，但不限于以上几种，启动时低热值气体供气系统1、空气供气系统2通过空压机、稳压罐将气体输送到比例混合器3中，配置5％-8％浓度的煤矿瓦斯输送到多孔介质燃烧单元5的进气端、然后启动多孔介质燃烧单元5中的点火层进行多孔介质燃烧单元5的预热启动工作；接着再增大比例混合器3中的煤矿瓦斯浓度至20％-25％进行氢气的制备工作。煤矿瓦斯在多孔介质燃烧单元5中燃烧产生高温烟气，烟气的成分为氢气、一氧化碳以及少量二氧化碳，高温烟气从多孔介质燃烧单元5的出气端排出，高温烟气的主要成分有一氧化碳和氢气、以及少量的的二氧化碳，高温烟气的温度在1000-1500℃左右。燃料电池18上装有水冷换热器17，在燃料电池18工作之前，从储能水箱11中输送的蒸汽到水冷换热器17中，可以为燃料电池18预热至最佳工作温度80℃左右，同时部分蒸汽输送到第二供热管套21上，预热输入燃料电池18阴极进气口端的氧气；燃料电池18电池阳极进气口端通入氢气，阴极进气口端通入氧气，燃料电池18内发生化学反应，产生电流的同时也产生了热量，电流输送至电网25、热量通过水冷换热器17进行冷热交换，使燃料电池18始终保持最佳的工作温度，水冷换热器17中产生的热水和少量蒸汽分别输送至第二分水器20和第二供热管套21中，第二分水器20连接至用户供暖通道；同时，循环水泵19为水冷换热器17提供冷水。
在上述实施例中，燃料电池18为质子交换膜电池。
进一步优选的实施例中，所述比例混合器3与多孔介质燃烧单元5之间的输气管24上装有第一供热管套4，所述燃料电池18端的氧气输气管24上设有第二供热套管。
在上述实施例中，所述的第一供热管套4的热量供应来自余热锅炉9中的蒸汽、第二供热管套21的热量来自水冷热交换器中的热水，第一供热管套4为进入多孔介质燃烧单元5的煤矿瓦斯预热，第二供热管套21预热输入燃料电池18阴极进气口端的氧气。
进一步优选的实施例中，余热锅炉9内部的高温烟气将热量传递给余热锅炉9的冷水中，产生蒸汽，蒸汽输送到蒸气轮机中用于发电，产生的电量输送至电网25，同时输送至所述第一供热管套4中为进入多孔介质燃烧单元5的煤矿瓦斯预热。储能水箱11内部的中温烟气将热量传递给储能水箱11的冷水中，产生热水以及水蒸汽，热水输送至第一分水器10中，所述第一分水器10连接至用户供暖通道，水蒸气输送至水冷交换器中，进行燃料电池18的预热工作，所述水冷交换器产生的热水输送至第二分水器20中，所述第二分水器20连接至用户至供暖通道，产生的蒸汽送至所述第二供热管套21中。
在上述实施例中，变频风机7一端通过的氢气输气管24连接多孔介质燃烧单元5，另一端通过氢气输气管24连接至余热锅炉9，从多孔介质燃烧单元5出气端排出的高温烟气(1000-1500℃)通过变频风机7的做功输送至余热锅炉9和储能水箱11内。余热锅炉9内设有特殊的热交换氢气输气管24与变频风机7一端的输气管24相连，经过余热锅炉9内部的高温烟气将热量传递给余热锅炉9的冷水中，产生蒸汽，蒸汽主要输送到蒸气轮机中用于发电，产生的电量输送至电网25；少部分蒸汽输送至第一供热管套4中为进入多孔介质燃烧单元5的煤矿瓦斯预热。经过余热锅炉9的高温烟气散失部分热量，成为中温烟气(500-800℃)进入储能水箱11内部，储能水箱11内部同样设有热交换氢气输气管24经过储能水箱11内部的中温烟气将热量传递给储能水箱11的冷水中，产生热水(100℃)以及少量水蒸汽，热水输送至第一分水器10中，第一分水器10连接至用户供暖通道，少量水蒸气输送至水冷交换器中，进行燃料电池18的预热工作。循环水泵19一端连接至集水器22另一端连接至余热锅炉9和储能水箱11，根据需要自动为为余热锅炉9和储能水箱11提供冷水，经过储能水箱11内部的中温烟气散失部分热量，成为低温烟气(150-200℃)进入气体分离系统14中，
余热锅炉9和储能水箱11内设有s型热交换输气管，可以增大与余热锅炉9和储能水箱11内液体的热交换接触面积，实现高效的能量传递。
进一步优选的实施例中，气体分离系统14包括Ⅰ室和Ⅱ室，所述Ⅰ室中设有干燥装置，Ⅰ室和Ⅱ室之间设有氢气分离膜，所述气体分离系统14的Ⅱ室通过输气管24连接至燃料电池18的阳极进气口，气体分离系统14Ⅰ室通过输气管连接至废气处理室15。
在上述实施例中，气体分离系统14分为Ⅰ室和Ⅱ室，Ⅰ室中设有干燥装置，Ⅰ室和Ⅱ室之间设有特质的氢气分离膜，氢气通过氢气分离膜进入气体分离系统14的Ⅱ室内，剩余的气体成分气体包括一氧化碳和少量的二氧化碳留在Ⅰ室内；气体分离系统14的Ⅰ室通过特殊的氢气输气管连接至燃料电池18的阳极进气口，为燃料电池18提供温度为80℃左右的氢气燃料；气体分离系统14Ⅱ室通过输气管连接至废气处理室15。
进一步优选的实施例中，废气处理室15包括反应模块、脱硝模块和二氧化碳储气模块，所述燃料电池18的阳极出气口连接至废气处理室15的反应模块，燃料电池18内生成的高温水蒸气和氧气与一氧化碳在所述反应模块发生化学作用生成二氧化碳进入二氧化碳储气模块，所述二氧化碳储气模块与多孔介质燃烧单元5出气端的氢气输送管道连接。
在上述实施例中，废气处理室15分为反应模块、脱硝模块和二氧化碳储气模块，燃料电池18的阳极出气口连接至废气处理室15的反应模块，燃料电池18内生成的高温水蒸气和部分氧气与一氧化碳在反应模块发生化学作用，再经过一系列的过滤干燥提纯处理生成部分二氧化碳进入二氧化碳储气模块，二氧化碳储气模块与多孔介质燃烧单元5出气端的氢气输送管道连接，可以提供定量的二氧化碳进入氢气输气管中作为保护气；如果发生氢气泄漏火焰，可作为抑制气体输送到氢气输气管中。
进一步优选的实施例中，所述多孔介质燃烧单元5由1-6个多孔介质燃烧器并联组成，各个所述多孔介质燃烧器的低温热量可以相互预热。多孔介质燃烧单元5后端的输气管上装有阻火器6，所述阻火器6设置在多孔燃烧单元与所述变频风机7之间
在上述实施例中，多孔介质燃烧器进气端汇聚到一根瓦斯输气管上与比例混合器3连接，多孔介质燃烧器出气端汇聚到一根输气管上与变频风机7连接，且输气管上设有阻火器6，根据功率的不同可启动不同数量的燃烧器，可实现功率可调的功能；每个多孔介质燃烧器可以相互预热；每个多孔介质燃烧器内有阻火层，氧化铝小球层，氧化铝泡沫陶瓷层，点火层，多孔介质燃烧器外包裹着保温棉，减缓热量的流失。多孔介质燃烧器为工业用氧化铝陶瓷材质，可以耐温2600℃左右。阻火器6由一种能够通过气体的、具有许多细小通道或缝隙的固体材料(阻火元件)所组成。
进一步优选的实施例中，还包括智能控制终端23，第一智能控温调节仪12、第二智能控温调节仪16和气体浓度检测仪13，所述第一智能控温调节仪12设置在储能水箱11上，气体浓度检测仪13设置在储能水箱11与气体分离系统14之间的输气管上，所述第二智能控温调节仪16设置在水冷交换器上，智能控制终端23分别与比例混合器3、气体浓度检测仪13、废气处理室15连接。
在上述实施例中，所述的储能水箱11和水冷换热器17上分别装有第一智能控温调节仪12、第二智能控温调节仪16可以根据需要调控水箱内的温度。
所述的比例混合器3、废气处理室15中的二氧化碳储气模块、气体浓度检测仪13与智能控制终端23连续，智能控制终端23在接受到气体浓度检测仪13的数据反馈后，自动调整比例混合器3内的瓦斯浓度配比和二氧化碳的输送量，以至于达到一种最佳的能源利用模式。
其具体的工作过程如下：首先利用多孔介质燃烧单元55进行煤矿瓦斯/空气混合气(含甲烷量20％)的燃烧制氢过程、以及高温烟气(1000-1500℃)与余热锅炉9和储能水箱11的换热过程，其中烟气主要成分为氢气和一氧化碳及少量二氧化碳，且二氧化碳作为保护气体用于氢能输送保护，或者一旦发生氢气泄漏火焰，作为抑制气体。然后经过降温处理的低温烟气(150-200℃)通过气体分离系统14将氢气与其他成分气体分离，另一方面经过高温加热的水连接至蒸汽轮机8和分水器用于发电、供暖、预热燃料电池18，使其温度保持在最佳反应温度80℃左右。最后氢气通入燃料电池18的阳极用于发电，其中产生的热量可用于用户采暖通道，预热空气，剩余的废气则与燃料电池18阳极端生成的空气/氧气在废弃处理室反应生成二氧化碳。
上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。
