一种甲烷蒸汽重整制氢耦合氢能利用系统及其工艺技术方案

本发明专利技术公开了一种甲烷蒸汽重整制氢耦合氢能利用系统及其工艺，包括甲烷蒸汽重整制氢模块和光伏发电储能模块，甲烷蒸汽重整制氢模块包括甲烷储气罐、第一热交换器、第二热交换器、催化床渗透膜反应器、气体分离器和冷凝换热器，催化床渗透膜反应器的顶部与气体分离器连接，气体分离器的底部与冷凝换热器连接，冷凝换热器依次连接第一热交换器和第二热交换器，第二热交换器与催化床渗透膜反应器连接构成循环回路，甲烷储气罐与第一热交换器和第二热交换器之间的管路连接汇合成一管路，第一热交换器和第二热交换器与光伏发电储能模块循环连接，光伏发电储能模块提供循环换热。本发明专利技术大大提高了清洁能源利用率，实现了光热和光伏能量综合利用。伏能量综合利用。伏能量综合利用。

【技术实现步骤摘要】
一种甲烷蒸汽重整制氢耦合氢能利用系统及其工艺


[0001]本专利技术属于太阳能制氢
，具体涉及一种甲烷蒸汽重整制氢耦合氢能利用系统及其工艺。

技术介绍

[0002]当前人类建立在以消耗煤炭、石油、天然气为主的不可再生能源基础之上的经济发展模式，导致了日益突出的环境污染和温室效应问题。随着国家政策的出台，发展太阳能、风能、水能、生物质能等绿色能源技术研究成为世界各国高度关注的课题。氢气作为一种具有极高的能量密度和绿色洁净的二次能源，可作为存储废弃(弃风、弃光、弃水)能源并推动由传统化石能源向绿色能源转变的清洁能源，其能量密度(140MJ/kg)是石油的3倍、煤炭的4.5倍，被视为未来能源革命的颠覆性技术方向。随着我国利用可再生能源制氢的技术水平与能力大幅提高，氢能利用的技术水平也不断提高。较为常见的有：将氢气作为燃料掺混到天然气管路中，实现大范围的民用输气燃烧；建设加氢站，提供氢燃料汽车的供气需求；将氢气用于化工行业，合成所需的化工产品，例如合成甲醇燃料等。
[0003]氢能高效利用的所涉及的“制
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加”一体化是整个产业中的重要一环。全球已建和在建加氢站586座，中国已经建成61座，投入运营52座。为了鼓励加氢站建设，我国多地方政府出台了加氢站补贴细则，从加氢站审批、建设、财政等多方面支持加氢站在本地的建设。此外，国家相关能源企业加入也会推动氢能相关技术的发展，中国石化将成立氢能公司，致力于氢能技术研发以及基础设施网络建设，引入国际领先的氢能企业作为战略投资者，联合打造氢能产业链和氢能经济生态圈，建立氢能制
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加一体化供应链。
[0004]目前工业上常用的制氢工艺就是甲烷蒸汽重整制氢技术。通过利用太阳能的辐射能量使得甲烷和水蒸气产生高温热化学可逆反应，实现氢气的制取。本专利技术一方面在保证稳定氢气制取的过程同时，减少了对化石能源和电力的依赖性，进一步优化设计了太阳能甲烷蒸汽重整制氢系统，为提高系统氢气产率奠定良好的基础；另一方面，制取得到的氢气，可以通过物理、化学方法贮存，增加了实际应用的便捷性。另外，反应过程产生的二氧化碳可以收集到储罐用作其他用途。最后，通过集热式抛物面结构光伏发电产生的电能可供电网，进一步提高了能量利用效率。

技术实现思路

[0005]为解决上述问题，本专利技术的目的在于提供一种甲烷蒸汽重整制氢耦合氢能利用系统及其工艺。
[0006]为达到上述目的，提出以下技术方案：
[0007]一种甲烷蒸汽重整制氢耦合氢能利用系统，包括甲烷蒸汽重整制氢模块和光伏发电储能模块，光伏发电储能模块与甲烷蒸汽重整制氢模块连接，为甲烷蒸汽重整制氢模块提供热能，甲烷蒸汽重整制氢模块将热能转化为化学能，甲烷蒸汽重整制氢模块包括甲烷储气罐、第一热交换器、第二热交换器、催化床渗透膜反应器、气体分离器和冷凝换热器，催
化床渗透膜反应器的顶部与气体分离器连接，气体分离器的底部与冷凝换热器连接，冷凝换热器依次连接第一热交换器和第二热交换器，第二热交换器与催化床渗透膜反应器连接构成循环回路，甲烷储气罐与第一热交换器和第二热交换器之间的管路连接汇合成一管路，第一热交换器和第二热交换器与光伏发电储能模块循环连接，光伏发电储能模块提供循环换热。
[0008]进一步地，所述的光伏发电储能模块包括低温熔融盐储存罐、光伏光热集热器和高温熔融盐储液罐，低温熔融盐储存罐的入口与第一热交换器的热源出口连接，出口与光伏光热集热器连接，光伏光热集热器与高温熔融盐储液罐连接，高温熔融盐储液罐的出口与第二热交换器的热源入口连接，第二热交换器的热源出口与第一热交换器的热源入口连接，构成循环回路，将太阳能转化为热能。
[0009]进一步地，冷凝换热器与第一热交换器之间的管路上还设有储液罐，储液罐用于储存经过冷凝换热器冷凝后的水。
[0010]进一步地，催化床渗透膜反应器的底部连接有CO2气体储存罐，气体分离器的侧线出口连接有氢气储存装置。
[0011]进一步地，光伏光热集热器与变压器连接，变压器连接输电线路，第一热交换器与低温熔融盐储存罐之间设有第二液体泵。
[0012]进一步地，甲烷储气罐的连接管路上设有第二电磁控制阀，储液罐与第一热交换器之间的管路上设有第一电磁控制阀和第一液体泵。
[0013]进一步地，催化床渗透膜反应器与CO2气体储存罐连接的管路上设有第二截止阀，催化床渗透膜反应器与气体分离器连接的管路上设有第一截止阀。
[0014]一种甲烷蒸汽重整制氢耦合氢能利用工艺，包括如下步骤：
[0015]1)低温熔融盐储存罐中的熔融盐通过光伏光热集热器加热后进入高温熔融盐储液罐，高温熔融盐储液罐中的熔融盐依次经过第二热交换器和第一热交换器，作为热介质对经过第一热交换器和第二热交换器中的工质进行加热，换热后流回至低温熔融盐储存罐中，低温熔融盐储存罐中的熔融盐在进行循环加热，光伏光热集热器储存的多余的光能通过变压器变压后输入输电线路；
[0016]2)储液罐中的水进入第一热交换器中，与熔融盐换热，甲烷储气罐中的甲烷与经过第一换热器换热后形成的不饱和水蒸汽混合，经过第二热交换器进一步加热成为过热混合气体，再进入催化床渗透膜反应器中；
[0017]3)甲烷和水蒸汽的过热混合气体进入催化床渗透膜反应器进行化学反应，催化床渗透膜反应器中放置有镍基催化剂，反应得到的产物通过氢气渗透膜进入气体分离器中分离，分离得到的氢气，进入氢气储存装置进行储存，分离得到的水蒸汽经过冷凝换热器冷凝后进入储液罐参与循环，催化床渗透膜反应器中反应产生的CO2进入CO2气体储存罐中。
[0018]进一步地，高温熔融盐储液罐中的熔融盐为质量分数为53％硝酸钾、质量分数为40％的亚硝酸钠和质量分数为7％硝酸钠的混合物，出口温度为480～565℃，第二热交换器中的熔融盐的温度为 450～544℃。
[0019]进一步地，进入第一热交换器中的水蒸汽的质量流率为 0～2.5kg/h，甲烷的质量流率为0.3～1.3kg/h。
[0020]催化床渗透膜反应器中发生的化学反应如下所示，
[0021][0022][0023]其中，化学反应方程(1)式为主反应方程式，反应为可逆反应，正向反应吸热反应，逆向反应为放热反应，整个反应过程焓变为206 kJ/mol。化学反应方程(2)式为副反应方程式，正向反应放热反应，逆向反应为吸热反应，整个反应过程焓变为41kJ/mol。由于主反应为吸热反应，副反应为放热反应，整个化学反应过程的焓变为165 kJ/mol。
[0024]氢气储存装置中的氢气的用途分别为通过氢气运输车运输到加氢站；通过物理方法低温液化储存在液化氢气储存罐中；通过城市燃气管路，加入一定比例的氢气作为清洁燃料输送到民用终端。
[0025]本专利技术的有益效果在于：
[0026]1)运用了三元熔融盐储热工质和回热器装置用来改善光热储能系统，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种甲烷蒸汽重整制氢耦合氢能利用系统，其特征在于，包括甲烷蒸汽重整制氢模块和光伏发电储能模块，光伏发电储能模块与甲烷蒸汽重整制氢模块连接，为甲烷蒸汽重整制氢模块提供热能，甲烷蒸汽重整制氢模块将热能转化为化学能，甲烷蒸汽重整制氢模块包括甲烷储气罐(4)、第一热交换器(6)、第二热交换器(7)、催化床渗透膜反应器(8)、气体分离器(10)和冷凝换热器(11)，催化床渗透膜反应器(8)的顶部与气体分离器(10)连接，气体分离器(10)的底部与冷凝换热器(11)连接，冷凝换热器(11)依次连接第一热交换器(6)和第二热交换器(7)，第二热交换器(7)与催化床渗透膜反应器(8)连接构成循环回路，甲烷储气罐(4)与第一热交换器(6)和第二热交换器(7)之间的管路连接汇合成一管路，第一热交换器(6)和第二热交换器(7)与光伏发电储能模块循环连接，光伏发电储能模块提供循环换热。2.如权利要求1所述的一种甲烷蒸汽重整制氢耦合氢能利用系统，其特征在于，所述的光伏发电储能模块包括低温熔融盐储存罐(20)、光伏光热集热器(13)和高温熔融盐储液罐(14)，低温熔融盐储存罐(20)的入口与第一热交换器(6)的热源出口连接，出口与光伏光热集热器(13)连接，光伏光热集热器(13)与高温熔融盐储液罐(14)连接，高温熔融盐储液罐(14)的出口与第二热交换器(7)的热源入口连接，第二热交换器(7)的热源出口与第一热交换器(6)的热源入口连接，构成循环回路，将太阳能转化为热能。3.如权利要求1所述的一种甲烷蒸汽重整制氢耦合氢能利用系统，其特征在于，冷凝换热器(11)与第一热交换器(6)之间的管路上还设有储液罐(1)，储液罐(1)用于储存经过冷凝换热器(11)冷凝后的水。4.如权利要求1所述的一种甲烷蒸汽重整制氢耦合氢能利用系统，其特征在于，催化床渗透膜反应器(8)的底部连接有CO2气体储存罐(18)，气体分离器(10)的侧线出口连接有氢气储存装置(12)。5.如权利要求2所述的一种甲烷蒸汽重整制氢耦合氢能利用系统，其特征在于，光伏光热集热器(13)与变压器(15)连接，变压器(15)连接输电线路(16)，第一热交换器(6)与低温熔融盐储存罐(20)之间设有第二液体泵(19)。6.如权利要求3所述的一种甲烷蒸汽重整制氢耦合氢能利用系统，其特征在于，甲烷储气...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘州鑫，李焱，赵志彪，孔明民，李曰兵，高增梁，金伟娅，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：