基于城市天然气的热电氢多联产系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于城市天然气的热电氢多联产系统，其包括天然气重整制氢子系统、微型燃气轮机发电子系统和固体氧化物燃料电池发电子系统，所述天然气重整制氢子系统包括依次连接的脱硫装置、射流器、重整器、水汽变换反应装置和钯膜提纯装置，所述微型燃气轮机发电子系统包括依次连接的压缩机、燃烧室、透平和发电机，所述固体氧化物燃料电池发电子系统包括固体氧化物燃料电池。其目的是为了提供一种基于城市天然气的热电氢多联产系统，其将天然气重整制氢技术、微型燃气轮机技术和固体氧化物燃料电池技术有机结合，提高了热能的整体利用效率。

Thermoelectric Hydrogen Polygeneration System Based on Urban Natural Gas

The invention discloses a thermoelectric hydrogen polygeneration system based on urban natural gas, which comprises a natural gas reforming hydrogen production subsystem, a micro gas turbine power generation subsystem and a solid oxide fuel cell power generation subsystem. The natural gas reforming hydrogen production subsystem comprises a sequentially connected desulfurization device, a jet, a reformer, a water vapor conversion reaction device and a palladium membrane purification device. The micro gas turbine power generation subsystem comprises a compressor, a combustion chamber, a turbine and a generator connected in turn. The solid oxide fuel cell power generation subsystem comprises a solid oxide fuel cell. Its purpose is to provide a thermal-electric hydrogen polygeneration system based on urban natural gas, which combines natural gas reforming technology, micro gas turbine technology and solid oxide fuel cell technology to improve the overall utilization efficiency of heat energy.

【技术实现步骤摘要】
基于城市天然气的热电氢多联产系统
本专利技术属于固体氧化物燃料电池技术及氢能领域，是一种利用城市天然气进行供热、发电、制氢的多联产系统。
技术介绍
固体氧化物燃料电池(SolidOxideFuelCell，SOFC)是一种以陶瓷型氧化物为电解质的高温燃料电池，其工作温度在600℃～800℃。高温环境尽管带来了对材料等各方面更高的要求，但是也产生了较高的效率，SOFC本身的电效率可达50％～60％，若是结合热电联供，效率高达90％。同时，高品位的热能能够多次使用，这进一步促进了能量的梯级利用，提高了系统能效。SOFC的优点还包括：燃料选择灵活，非贵金属催化剂，相对高的功率密度等。SOFC使用的燃料除了H2之外，还包括CO、CH4及其混合物，并且有可能实现碳氢化合物在燃料内部重整而产生氢气，进而用于发电。由于自身高温，高效的特点，SOFC能应用于住宅发电以及其他小型的固定电力装置，并且能和别的发电技术形成联合发电，例如GT(GasTurbine)+SOFC联合循环系统。在制氢方面，以天然气为核心的制氢方法包括甲烷水蒸气重整，甲烷部分氧化，甲烷自热重整等，其中甲烷水蒸气重整法(SteamMethaneReforming，SMR)是工业上最为成熟的知情技术，占世界制氢量的70％。目前，尚未有将上述甲烷水蒸气重整制氢技术与固体氧化物燃料电池技术有机结合以提高热能利用效率的技术。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种基于城市天然气的热电氢多联产系统，其将天然气重整制氢技术、微型燃气轮机技术和固体氧化物燃料电池技术有机结合，提高了热能的整体利用效率。本专利技术基于城市天然气的热电氢多联产系统，包括天然气重整制氢子系统、微型燃气轮机发电子系统和固体氧化物燃料电池发电子系统，所述天然气重整制氢子系统包括依次连接的脱硫装置、射流器、重整器、水汽变换反应装置和钯膜提纯装置，所述钯膜提纯装置设有输出高纯度氢气的第一出口和输出其他气体的第二出口，所述微型燃气轮机发电子系统包括依次连接的压缩机、燃烧室、透平和发电机，所述固体氧化物燃料电池发电子系统包括固体氧化物燃料电池，所述固体氧化物燃料电池的电流出口与DC/AC转换器连接，所述固体氧化物燃料电池的阴极入口与所述透平的出口连接，所述固体氧化物燃料电池的阴极出口与第一换热器的高温侧入口连接，所述第一换热器的高温侧出口与第二换热器的高温侧入口连接，所述钯膜提纯装置的第二出口与第一换热器的低温侧入口连接，所述第一换热器的低温侧出口与固体氧化物燃料电池的阳极入口连接，所述固体氧化物燃料电池的阳极出口与第三换热器的高温侧入口连接，所述第三换热器的高温侧出口与中温PSA分离装置连接，所述中温PSA分离装置与射流器连接，所述压缩机还与第二换热器的低温侧入口连接，所述第二换热器的低温侧出口与第三换热器的低温侧入口连接，所述第三换热器的低温侧出口与所述燃烧室连接，所述脱硫装置的出口还与燃烧室连接。本专利技术基于城市天然气的热电氢多联产系统，其中所述第二换热器的高温侧出口与第四换热器的高温侧入口连接，所述第四换热器的低温侧连接水循环系统。本专利技术基于城市天然气的热电氢多联产系统，其中所述固体氧化物燃料电池包括阳极、阴极和电解质隔膜，所述阳极和阴极分别位于电解质隔膜的两侧。本专利技术基于城市天然气的热电氢多联产系统与现有技术不同之处在于充分地利用了系统中的热量，实现了多个系统的协同运行，耦合并提升能效。与此同时采用发电效率高的高温固体氧化物燃料电池，从而能够实现天然气的清洁高效利用，发电效率可达50％以上，污染物排放大大降低，颗粒物＜4.5mg/Nm3、SO2＜20mg/Nm3、NOx＜30mg/Nm3、Hg<0.003mg/Nm3，是一种先进的发电联合制氢系统，适宜作为利用城市天然气制氢的应用，具有一定的应用前景。下面结合附图对本专利技术作进一步说明。附图说明图1为本专利技术基于城市天然气的热电氢多联产系统的结构示意图。具体实施方式如图1所示，本专利技术基于城市天然气的热电氢多联产系统包括天然气重整制氢子系统、微型燃气轮机发电子系统和固体氧化物燃料电池10发电子系统，所述天然气重整制氢子系统包括依次连接的脱硫装置1、射流器2、重整器3、水汽变换反应装置4和钯膜提纯装置5，所述钯膜提纯装置5设有输出高纯度氢气的第一出口和输出其他气体的第二出口，所述微型燃气轮机发电子系统包括依次连接的压缩机6、燃烧室7、透平8和发电机15，所述固体氧化物燃料电池10发电子系统包括固体氧化物燃料电池10，所述固体氧化物燃料电池10的电流出口与DC/AC转换器16连接，所述固体氧化物燃料电池10的阴极入口与所述透平8的出口连接，所述固体氧化物燃料电池10的阴极出口与第一换热器11的高温侧入口连接，所述第一换热器11的高温侧出口与第二换热器12的高温侧入口连接，所述钯膜提纯装置5的第二出口与第一换热器11的低温侧入口连接，所述第一换热器11的低温侧出口与固体氧化物燃料电池10的阳极入口连接，所述固体氧化物燃料电池10的阳极出口与第三换热器9的高温侧入口连接，所述第三换热器9的高温侧出口与中温PSA分离装置14连接，所述中温PSA分离装置14与射流器2连接，所述压缩机6还与第二换热器12的低温侧入口连接，所述第二换热器12的低温侧出口与第三换热器9的低温侧入口连接，所述第三换热器9的低温侧出口与所述燃烧室7连接，所述脱硫装置1的出口还与燃烧室7连接。固体氧化物燃料电池10的英文缩写为SOFC。本专利技术基于城市天然气的热电氢多联产系统，其中所述第二换热器12的高温侧出口与第四换热器13的高温侧入口连接，所述第四换热器13的低温侧连接水循环系统。本专利技术基于城市天然气的热电氢多联产系统，其中所述固体氧化物燃料电池10包括阳极、阴极和电解质隔膜，所述阳极和阴极分别位于电解质隔膜的两侧。所述脱硫装置1，可采用有机溶剂，弱碱性溶剂或碱性溶剂将天然气中所含有的硫化物脱除，处理后的气体进入射流器2。所述射流器2采用耐氧化，耐腐蚀材料，可选用PVDF等。射流器2将从中温PSA分离装置14分离出的氢气和水蒸气与天然气混合，混合后的气体进入重整器3。所述重整器3需进一步通入水蒸气，并采用甲烷水蒸气重整方法，将天然气转化为含H2、CO和CO2的混合物，通入水汽变换反应装置4。所述水汽变换反应装置4，用以进一步产生氢气，将重整过程中未反应的CO和H2O进一步转化为H2，是一个弱放热反应。反应后，富含H2、H2O、CO2的混合气体进入钯膜提纯装置5。所述钯膜提纯装置5，从H2、H2O、CO2混合气体中分离出高纯氢气，其纯度可达99.99999％以上，可应用于各种工业生产或加以储存。所述压缩机6，将过量空气进行压缩，升温升压后进入燃烧室7与脱硫后的天然气混合燃烧。同时部分空气通入第二换热器12，与SOFC阴极出口气体换热，实现一次预热。预热后的空气进一步通入第三换热器9，以利用SOFC阳极出口气体的热量，实现二次预热。预热后的气体进入燃烧室7。所述燃烧室7，为天然气燃烧反应的主要场所，使燃料的化学能转化为内能和压力能，为做功做好准备。此处的当量比应小于1，即包含过量的氧气。所述透平8，实现气体动能和内能转化为转子机械能，同轴连接发电机15发电，并连接压本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于城市天然气的热电氢多联产系统，其特征在于：包括天然气重整制氢子系统、微型燃气轮机发电子系统和固体氧化物燃料电池发电子系统，所述天然气重整制氢子系统包括依次连接的脱硫装置、射流器、重整器、水汽变换反应装置和钯膜提纯装置，所述钯膜提纯装置设有输出高纯度氢气的第一出口和输出其他气体的第二出口，所述微型燃气轮机发电子系统包括依次连接的压缩机、燃烧室、透平和发电机，所述固体氧化物燃料电池发电子系统包括固体氧化物燃料电池，所述固体氧化物燃料电池的电流出口与DC/AC转换器连接，所述固体氧化物燃料电池的阴极入口与所述透平的出口连接，所述固体氧化物燃料电池的阴极出口与第一换热器的高温侧入口连接，所述第一换热器的高温侧出口与第二换热器的高温侧入口连接，所述钯膜提纯装置的第二出口与第一换热器的低温侧入口连接，所述第一换热器的低温侧出口与固体氧化物燃料电池的阳极入口连接，所述固体氧化物燃料电池的阳极出口与第三换热器的高温侧入口连接，所述第三换热器的高温侧出口与中温PSA分离装置连接，所述中温PSA分离装置与射流器连接，所述压缩机还与第二换热器的低温侧入口连接，所述第二换热器的低温侧出口与第三换热器的低温侧入口连接，所述第三换热器的低温侧出口与所述燃烧室连接，所述脱硫装置的出口还与燃烧室连接。...

【技术特征摘要】
1.一种基于城市天然气的热电氢多联产系统，其特征在于：包括天然气重整制氢子系统、微型燃气轮机发电子系统和固体氧化物燃料电池发电子系统，所述天然气重整制氢子系统包括依次连接的脱硫装置、射流器、重整器、水汽变换反应装置和钯膜提纯装置，所述钯膜提纯装置设有输出高纯度氢气的第一出口和输出其他气体的第二出口，所述微型燃气轮机发电子系统包括依次连接的压缩机、燃烧室、透平和发电机，所述固体氧化物燃料电池发电子系统包括固体氧化物燃料电池，所述固体氧化物燃料电池的电流出口与DC/AC转换器连接，所述固体氧化物燃料电池的阴极入口与所述透平的出口连接，所述固体氧化物燃料电池的阴极出口与第一换热器的高温侧入口连接，所述第一换热器的高温侧出口与第二换热器的高温侧入口连接，所述钯膜提纯装置的第二出口与第一换热器的低温侧入口连接，...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴荣，孙明烨，郑娜，
申请(专利权)人：北京市煤气热力工程设计院有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11