太阳能和沼气驱动的SOFC多联供系统及方法

太阳能和沼气驱动的sofc多联供系统及方法
技术领域
1.本发明涉及多能联供系统技术领域，特别涉及一种太阳能和沼气驱动的sofc多联供系统及方法。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
3.近年来，城市生活垃圾(municipal solid waste，msw)在日常运营中产生的量急剧增加，科学处理和回收利用城市生活垃圾成为了巨大的挑战。生活垃圾一般主要通过卫生填埋或焚烧发电处理，然而，卫生填埋或焚烧往往会对水和土壤资源产生二次污染，导致城市生活垃圾处理成本高。
4.发明人发现，与城市生活垃圾的一般处理方式相比，厌氧消化(anaerobic digester，ad)处理具有成本低、绿色环保的优势，厌氧消化得到的沼气可用于燃料或发电，并且产生的副产品可以再进一步加工成肥料；但是，厌氧消化处理的效率受进料温度的影响，一般进料温度应操持在50℃-55℃，由于厌氧消化处理过程中的细菌活动受季节气候和温度变化的影响很大，传统的厌氧消化是不连续且不稳定的，采用传统的电力供应往往无法实现厌氧消化的精准控制；而且，目前，厌氧消化处理没有与其他系统实现联动控制，如固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell，sofc)、有机朗肯循环(organic rankine cycle，orc)、卡琳娜循环(kalina cycle)和槽式太阳能集热器(parabolic trough solar collector，ptsc)等，无法实现多个系统间的多能联供，各个系统均存在一定的能量浪费，无法实现各个系统的能量综合利用。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种太阳能和沼气驱动的sofc多联供系统及方法，将ptsc与orc、厌氧消化、sofc以及kc耦合，在实现热电联产的同时，实现了输入端能源的可再生性，同时保证了较高的联供效率和发电效率，具有节能降耗效果。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.本发明第一方面提供了一种太阳能和沼气驱动的sofc多联供系统。
8.一种太阳能和沼气驱动的sofc多联供系统，包括：
9.槽式太阳能集热器、有机朗肯循环模块、厌氧消化模块、sofc模块和卡琳娜循环模块；
10.槽式太阳能集热器的蓄热罐与有机朗肯循环模块中的第一换热器连通，以使得蓄热罐中的工质加热有机朗肯循环模块中的工质；
11.第一换热器与厌氧消化模块中的第二换热器连通，以使得低温工质驱动厌氧反应池，第二换热器与槽式太阳能集热器的储液罐连通；
12.厌氧消化模块的ch4储存罐与sofc模块的燃料压缩机连通，sofc模块的废气输出管路与卡琳娜循环模块的回热蒸汽发生器连通，以使得sofc模块的废气驱动卡琳娜循环模
块发电。
13.作为可选的一种实现方式，槽式太阳能集热器的蓄热罐和储液罐终端的工质采用therminol-66。
14.作为可选的一种实现方式，有机朗肯循环模块中的工质采用正辛烷。
15.作为可选的一种实现方式，厌氧消化模块和sofc模块中：
16.厌氧消化池与第二换热器连通，厌氧消化池与除气装置连通，除气装置与ch4储存罐连通，ch4储存罐与燃料压缩机连通，燃料压缩机与燃料预热器连通，燃料预热器与第二混合器连通；
17.水泵与水预热器连通，水预热器分别与空气预热器和第二混合器连通；
18.空气压缩机与空气预热器连通，空气预热器还分别与sofc阴极、水预热器以及卡琳娜循环模块的回热蒸汽发生器连通；
19.第二混合器与sofc阳极连通，sofc阳极和sofc阴极分别与燃烧室连通，燃烧室与燃料预热器连通。
20.作为可选的一种实现方式，有机朗肯循环模块中：
21.第一换热器与第一涡轮机连通，第一涡轮机输出的工质经回热和冷凝节流后由泵加压后返回第一换热器。
22.作为可选的一种实现方式，卡琳娜循环模块中：
23.回热蒸汽发生器与分离器连通，分离器的第一路输出与第二涡轮机连通，第二涡轮机与第一混合器连通，其中，第一路输出为富氨蒸气；分离器的第二路输出通过节流阀与第一混合器连通，其中，第二路输出为弱氨溶液；
24.第一混合器输出的混合后的氨水在冷凝加压后返回回热蒸汽发生器。
25.本发明第二方面提供了一种太阳能和沼气驱动的sofc多联供方法。
26.一种太阳能和沼气驱动的sofc多联供方法，包括以下过程：
27.槽式太阳能集热器的蓄热罐工质流经第一换热器后加热有机朗肯循环模块中的工质；
28.第一换热器中流出的低温工质进入第二换热器以驱动厌氧反应池；
29.sofc模块的废气输入到卡琳娜循环模块的回热蒸汽发生器中，驱动卡琳娜循环模块发电。
30.作为可选的一种实现方式，厌氧消化池中产生沼气，沼气经过除气装置除去沼气的中的杂质，分离出甲烷作为燃料；
31.空气由空气压缩机压缩，在空气预热器中由水预热器中的废气预热，甲烷经燃料压缩机加压后，在燃料预热器中预热，水由水泵加压进入水预热器中预热；
32.预热后的蒸汽和预热后的燃料在第二混合器中混合，产生的混合物最终进入sofc阳极，同时预热后的空气被送入sofc阴极；
33.空气和混合物在燃料电池sofc中发生电化学反应产生电能，来自sofc阳极和sofc阴极的出口气体进入燃烧室并完全燃烧，来自燃烧室的燃烧气体进入燃料预热器预热甲烷；
34.空气预热器排出的废气进入回热蒸汽发生器以驱动卡琳娜循环发电，最后废气释放到环境中。
35.作为可选的一种实现方式，卡琳娜循环模块中的工质在回热蒸汽发生器中被加热为汽水混合物，经过分离器分离为富氨蒸气和弱氨溶液，富氨蒸气进入第二涡轮机做功发电，之后在第一混合器中与节流后的弱氨溶液混合，混合后的氨水在冷凝加压后返回回热蒸汽发生器以完成循环。
36.作为可选的一种实现方式，有机朗肯循环中的工质在第一换热器中被加热为高温高压蒸汽，然后蒸汽进入第一涡轮机做功发电，在回热和冷凝节流后，工质由泵加压至高压，然后返回第一换热器以完成循环。
37.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
38.1、本发明所述的太阳能和沼气驱动的sofc多联供系统及方法，将ptsc与orc、厌氧消化、sofc以及kc耦合，在实现热电联产的同时，实现了输入端能源的可再生性，同时保证了较高的联供效率和发电效率，具有节能降耗效果。
39.2、本发明所述的太阳能和沼气驱动的sofc多联供系统及方法，使得城市生活垃圾“变废为宝”，利用厌氧消化成本低和绿色环保的优势，利用城市生活垃圾产生沼气供高温燃料电池发电，同时副产品还可加工为肥料，在实现绿色环保的同时缓解了潜在的区域供电紧张的问题。
40.3、本发明所述的太阳能和沼气驱动的sofc多联供系统及方法，大大降低了温度对厌氧消化效率的影响，通过引入ptsc，实现了厌氧消化池热负荷的连续稳定供应，提高了厌氧消化效率，同时，ptsc工质高温侧为有机朗肯循环提供热源，实现了太阳能的梯级利用。
41.4、本发明所述的太阳能和沼气驱动的sofc多联供系统及方法，绿色低碳，符合未来发展趋势；新型联供系统输入能量为太阳能和生物质能，全部属于可再生能源，大大减少了化学能源的使用，整体上实现了系统低碳环保，有利于国家“碳中和”目标的实现。
42.5、本发明所述的太阳能和沼气驱动的sofc多联供系统及方法，充分利用余热能量，实现了多联产供电，缓解了供电压力，另外，在实现供电的同时，冷凝器的冷凝水在被加热后还可为用户端提供热水，满足了用户部分热需求。
43.本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
44.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
45.图1为本发明实施例1提供的太阳能和沼气驱动的sofc多联供系统示意图。
具体实施方式
46.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
47.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
48.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式
也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
49.在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
50.实施例1：
51.如图1所示，本发明实施例1提供了一种太阳能和沼气驱动的sofc多联供系统，包括：
52.槽式太阳能集热器、有机朗肯循环模块、厌氧消化模块、sofc模块和卡琳娜循环模块；
53.槽式太阳能集热器的蓄热罐hottank与有机朗肯循环模块中的第一换热器he i连通，以使得蓄热罐hottank中的工质加热有机朗肯循环模块中的工质；
54.第一换热器he i与厌氧消化模块、sofc模块中的第二换热器he ii连通，以使得低温工质驱动厌氧反应池ad，第二换热器he ii与槽式太阳能集热器的储液罐cold tank连通；
55.sofc模块的废气输出管路与卡琳娜循环模块的回热蒸汽发生器hrvg连通，以使得sofc模块的废气驱动卡琳娜循环模块发电。
56.本实施例中，槽式太阳能集热器ptsc的蓄热罐和储液罐终端的工质采用therminol-66，这是一种被广泛使用的导热油，可用于太阳能集热系统进行储热。
57.本实施例中，有机朗肯循环模块中的工质采用正辛烷。
58.本实施例中，厌氧消化模块和sofc模块中：
59.厌氧消化池与第二换热器he ii连通，厌氧消化池ad与除气装置gr连通，除气装置gr与ch4储存罐连通，ch4储存罐与燃料压缩机fc连通，燃料压缩机fc与燃料预热器ph i连通，燃料预热器ph i与第二混合器mix ii连通；
60.水泵wp与水预热器ph ii连通，水预热器ph ii分别与空气预热器ph iii和第二混合器mix ii连通；
61.空气压缩机ac与空气预热器ph iii连通，空气预热器ph iii还分别与sofc阴极、水预热器以及卡琳娜循环模块的回热蒸汽发生器hrvg连通；
62.第二混合器mix ii与sofc阳极连通，sofc阳极和sofc阴极分别与燃烧室ab连通，燃烧室ab与燃料预热器ph i连通。
63.本实施例中，有机朗肯循环模块中：
64.第一换热器he i与第一涡轮机tur i连通，第一涡轮机tur i输出的工质经回热和冷凝节流后由泵加压后返回第一换热器he i。
65.本实施例中，卡琳娜循环模块中：
66.回热蒸汽发生器hrvg与分离器sep连通，分离器sep的第一路输出与第二涡轮机tur ii连通，第二涡轮机tur ii与第一混合器mix i连通，其中，第一路输出为富氨蒸气；分离器sep的第二路输出通过节流阀val与第一混合器mix i连通，其中，第二路输出为弱氨溶液；
67.第一混合器mix i输出的混合后的氨水在冷凝加压后返回回热蒸汽发生器hrvg。
68.各组成模块的参数设定如表1所述。
69.表1：输入参数
70.71.[0072][0073]
本系统通过ees软件建立热力学模型，输入参数值并调用ees内置相关工质物性参数进行计算，计算热力学性能如表2所示。
[0074]
表2：力学性能
[0075][0076]
实施例2：
[0077]
本发明实施例2提供了一种太阳能和沼气驱动的sofc多联供方法，包括以下过程：
[0078]
槽式太阳能集热器的蓄热罐工质流经第一换热器后加热有机朗肯循环模块中的工质；
[0079]
第一换热器中流出的低温工质进入第二换热器以驱动厌氧反应池；
[0080]
sofc模块的废气输入到卡琳娜循环模块的回热蒸汽发生器中，驱动卡琳娜循环模块发电。
[0081]
具体的，包括：
[0082]
槽式太阳能集热器(ptsc)的集热过程，工质选用therminol-66，这是一种被广泛使用的导热油，可用于太阳能集热系统进行储热。首先，therminol-66通过太阳能在槽式集热器中加热，然后工质通过蓄热罐加热有机朗肯循环中的工质，加热完的余热低温工质驱动厌氧反应池，然后进入储液罐。
[0083]
有机朗肯循环过程：orc中的工质(正辛烷)在换热器(heι)中被加热到高温高压蒸汽，然后蒸汽进入涡轮机(turι)做功发电，在回热和冷凝节流后，正辛烷由泵(pι)加压至高压，然后返回换热器(heι)以完成循环。
[0084]
厌氧消化池驱动sofc的过程：城市生活垃圾首先以污泥等形式在厌氧消化池(ad)中被兼性菌和厌氧细菌生物降解产生沼气，沼气经过除气装置(gr)除去沼气的中的co2、h2s等杂质，分离出甲烷作为燃料供应sofc系统；
[0085]
在sofc系统中，空气由空气压缩机(ac)压缩，在空气预热器(phⅲ)中由水预热器(phⅱ)中的废气预热。燃料(ch4)经燃料压缩机(fc)加压后，在燃料预热器(phι)中预热；
[0086]
此外，水由水泵(wp)加压并预热。然后，过热蒸汽和燃料在混合器(mixιi)中混合，产生的混合物最终进入sofc阳极，同时空气被送入sofc阴极；
[0087]
空气和混合物在燃料电池sofc中发生电化学反应产生电能，来自sofc阳极和阴极的出口气体进入燃烧室(ab)并完全燃烧，来自燃烧室的燃烧气体通过预热器预热sofc进口气体，之后废气进入回热蒸汽发生器(hrvg)以驱动卡琳娜循环发电，最后废气释放到环境中。
[0088]
卡琳娜循环过程：kc中的工质(氨水)在回热蒸汽发生器(hrvg)中被加热为汽水混合物，经过分离器(sep)分离为富氨蒸气和弱氨溶液，富氨蒸气进入涡轮机(turⅱ)做功发电，之后在混合器中与节流后的弱氨溶液混合，混合后的氨水在冷凝加压后返回回热蒸汽发生器(hrvg)以完成循环。
[0089]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。