热电联产与电解水制氢耦合的沼气利用系统及配置方法与流程

本发明属于生物质发电，尤其涉及一种热电联产与电解水制氢耦合的沼气利用系统及配置方法。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、目前，厌氧发酵产生沼气的主要利用方式之一是通过沼气内燃机发电，虽然在发电的同时可利用余热供冷或供热，但因受负荷季节性特点和需求量不同等影响，沼气内燃机系统烟气余热和缸套水余热一般情况下难以同时、充分利用，导致系统效率较低。

3、目前，制氢的主流路线是利用煤炭、天然气等传统能源制氢，但该类制氢模式存在碳排放高的问题。电解水制氢所需电能大多来自电网的火电，制氢用电也会造成大量碳排放。电解水制氢设备主要由电解槽、动力转换系统、水循环系统和气体分离净化模块等构成，生产过程除用电外，还需配置冷水、冷却水等辅助系统，辅助用水参数不一、辅助设备耗电较高。而且沼气内燃机发电的余热不能得到有效利用，造成资源浪费。

技术实现思路

1、为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种热电联产与电解水制氢耦合的沼气利用系统及配置方法，其中电解水制氢用电来自沼气发电，实现清洁能源制氢，同时可稳定高效利用内燃机余热和制氢过程冷却水余热，减少制氢系统电耗，提高系统综合利用效率。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、本发明的第一个方面提供了一种热电联产与电解水制氢耦合的沼气利用系统。

4、一种热电联产与电解水制氢耦合的沼气利用系统，其包括：沼气发电系统、电解水制氢系统、烟气余热利用系统和缸套水余热利用系统；

5、所述沼气发电系统包括厌氧发酵反应器、沼气处理模块和内燃发电机模块；所述沼气发电系统产生的电能传送至电解水制氢系统；

6、所述烟气余热利用系统利用所述内燃发电机模块发电过程排出的高温烟气产生热水，为所述厌氧发酵反应器保温提供热量；

7、所述缸套水余热利用系统利用所述内燃发电机模块发电过程产生的高温缸套水一部分产生冷水供给电解水制氢系统，另一产生热水为所述厌氧发酵反应器保温提供热量。

8、作为一种实施方式，根据发酵温度确定所述厌氧发酵反应器的类型。

9、作为一种实施方式，所述厌氧发酵反应器为中温型厌氧发酵反应器或高温型厌氧发酵反应器。

10、作为一种实施方式，当所述厌氧发酵反应器为中温型厌氧发酵反应器时，所述热电联产与电解水制氢耦合的沼气利用系统，还包括：

11、冷却水余热利用系统，所述冷却水余热利用系统将所述电解水制氢系统的冷却水回水接入厌氧发酵反应器的用热水管道，与烟气余热利用系统和缸套水余热利用系统出口的热水混合，为厌氧发酵反应器保温提供热量。

12、作为一种实施方式，所述电解水制氢系统包括电解水制氢模块和氢气纯化模块，电解水制氢模块利用内燃发电机模块产生的电能进行电解水制氢，制取的氢气进入氢气纯化模块变为高纯度氢气。

13、作为一种实施方式，所述烟气余热利用系统包括第一换热器及与其相连的管道。

14、作为一种实施方式，所述缸套水余热利用系统包括第二换热器和溴化锂机组；内燃发电机组模块发电过程产生的高温缸套水一部分进入溴化机组产生冷水供给氢气纯化模块，另一部进入第二换热器产生热水为厌氧发酵反应器提供热量。

15、本发明的第二个方面提供了一种如上述所述的热电联产与电解水制氢耦合的沼气利用系统的配置方法。

16、一种如上述所述的热电联产与电解水制氢耦合的沼气利用系统的配置方法，其包括：

17、根据发酵温度确定厌氧发酵反应器，进而确定整个所述的热电联产与电解水制氢耦合的沼气利用系统的结构形式；

18、根据厌氧发酵反应器的有效容积v和容积产气率i，求得产气规模mz＝i·v，根据厌氧发酵反应器单位容积热负荷qv，确定厌氧发酵反应器所需热负荷q＝v·qv；

19、基于产气规模mz，沼气热值qz，电效率η，求得内燃发电机的发电功率p＝mz·qz·η；根据烟气热量系数ηy和缸套水热量系数ηg，求得烟气余热热量qy＝ηy·p，缸套水余热热量qg＝ηg·p；

20、基于发电功率p，根据电解水制氢单位耗电量α，得到电解水制氢产气规模mh＝p/α；根据制氢规模mh以及制氢系统设备要求得到制氢冷却水热量ql和氢气纯化冷水负荷qc；

21、缸套水余热热量qg的部分热量qg1通过溴化锂机以满足冷水负荷qc，剩余热量qg2＝qg-qg1；qg2、qy均通过换热器为反应器所需热负荷q提供热量；若q＞qg2+qy，ql作为q的补充热源；

22、基于换热器和溴化锂机组，完成余热利用系统设计，进而完成沼气热电联产和电解水制氢耦合系统配置。

23、作为一种实施方式，若所述厌氧发酵反应器为高温型厌氧发酵反应器，反应器保温所需热量来自通过换热器获取的内燃发电机组烟气和缸套水余热。

24、作为一种实施方式，若所述厌氧发酵反应器为中温厌氧发酵反应器，反应器保温所需热量利用内燃发电机组烟气和缸套水余热，以及利用电解水制氢中的冷却水回水。

25、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

26、(1)本发明通过厌氧发酵沼气利用与电解水制氢系统耦合，利用生物质资源制取氢气，实现清洁能源制氢。同时根据沼气内燃机发电系统和电解水系统配置特点，在耦合系统内实现对系统余热的充分、稳定利用，摆脱外部冷热负荷对余热利用程度的限制，提高系统效率，降低单位能耗、增加产品产量。

27、(2)本发明的厌氧发酵沼气利用与电解水制氢系统耦合系统，可在对生物质废弃进行资源化处理的同时生产氢气，推动乡村振兴和氢能产业发展，为农业农村区域绿色能源提供新思路，具有广泛指导意义。

28、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。

技术特征：

1.一种热电联产与电解水制氢耦合的沼气利用系统，其特征在于，包括：沼气发电系统、电解水制氢系统、烟气余热利用系统和缸套水余热利用系统；

2.如权利要求1所述的热电联产与电解水制氢耦合的沼气利用系统，其特征在于，根据发酵温度确定所述厌氧发酵反应器的类型。

3.如权利要求1或2所述的热电联产与电解水制氢耦合的沼气利用系统，其特征在于，所述厌氧发酵反应器为中温型厌氧发酵反应器或高温型厌氧发酵反应器。

4.如权利要求3所述的热电联产与电解水制氢耦合的沼气利用系统，其特征在于，当所述厌氧发酵反应器为中温型厌氧发酵反应器时，所述热电联产与电解水制氢耦合的沼气利用系统，还包括：

5.如权利要求1所述的热电联产与电解水制氢耦合的沼气利用系统，其特征在于，所述电解水制氢系统包括电解水制氢模块和氢气纯化模块，电解水制氢模块利用内燃发电机模块产生的电能进行电解水制氢，制取的氢气进入氢气纯化模块变为高纯度氢气。

6.如权利要求1所述的热电联产与电解水制氢耦合的沼气利用系统，其特征在于，所述烟气余热利用系统包括第一换热器及与其相连的管道。

7.如权利要求1所述的热电联产与电解水制氢耦合的沼气利用系统，其特征在于，所述缸套水余热利用系统包括第二换热器和溴化锂机组；内燃发电机组模块发电过程产生的高温缸套水一部分进入溴化机组产生冷水供给氢气纯化模块，另一部进入第二换热器产生热水为厌氧发酵反应器提供热量。

8.一种如权利要求1-7中任一项所述的热电联产与电解水制氢耦合的沼气利用系统的配置方法，其特征在于，包括：

9.如权利要求8所述的热电联产与电解水制氢耦合的沼气利用系统的配置方法，其特征在于，若所述厌氧发酵反应器为高温型厌氧发酵反应器，反应器保温所需热量来自通过换热器获取的内燃发电机组烟气和缸套水余热。

10.如权利要求8所述的热电联产与电解水制氢耦合的沼气利用系统的配置方法，其特征在于，若所述厌氧发酵反应器为中温厌氧发酵反应器，反应器保温所需热量利用内燃发电机组烟气和缸套水余热，以及利用电解水制氢中的冷却水回水。

技术总结
本发明属于生物质发电技术领域，尤其涉及一种热电联产与电解水制氢耦合的沼气利用系统及配置方法。其中，该系统包括沼气发电系统、电解水制氢系统、烟气余热利用系统和缸套水余热利用系统；沼气发电系统包括厌氧发酵反应器、沼气处理模块和内燃发电机模块；沼气发电系统产生的电能传送至电解水制氢系统；烟气余热利用系统利用所述内燃发电机模块发电过程排出的高温烟气产生热水，为所述厌氧发酵反应器保温提供热量；缸套水余热利用系统利用所述内燃发电机模块发电过程产生的高温缸套水一部分产生冷水供给电解水制氢系统，另一产生热水为所述厌氧发酵反应器保温提供热量。

技术研发人员：刘伟,郭富民,张龙,徐广强,张霞,杨晓华,宋震,刘全京,单文豪,葛苏槿,刘迪,李健朋,吴青,李慧
受保护的技术使用者：山东电力工程咨询院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12