[发明专利]一种基于化学链甲烷重整制氢工艺的热电联产系统

说明书

本发明属于能源利用设备相关技术领域，并公开了一种基于化学链甲烷重整制氢工艺的热电联产系统，其包括甲烷部分氧化反应器、二级水蒸气重整反应器、水蒸气发生器、水蒸气还原反应器、燃料电池组和氧载体循环供料器，其中通过将甲烷部分氧化制合成气工艺，水蒸气还原制氢工艺通过化学链氧载体进行耦合，并通过二级重整装置实现低能耗制氢，通过应用燃料电池实现电力输出，反应过程中产生的热量通过热交换器收集分配，可以对外高效供热。本发明还对上述系统所运用的复合氧载体进行了针对性设计。通过本发明，能够在低能耗和小型化的条件下实现低成本、高能源利用率、环境友好的天然气发电和供热过程，设备紧凑，运行灵活方便。

技术领域

本发明属于能源利用设备相关技术领域，更具体地，涉及一种基于化学链甲烷重整制氢工艺的热电联产系统。

背景技术

氢能作为一种洁净能源，由于既能与现有能源系统匹配，又能够依靠燃料电池等工艺实现高效能源转化，近些年来越来越受到关注。通过结合制氢设备和燃料电池技术，小型氢能发电装置可以用作车载电源、不间断电源等，可被广泛应用于军事、通讯、气象等领域，以此满足野外用电、高可靠性供电的需求。

目前利用甲烷为原料制取合成气的工艺方法主要有三种：甲烷水蒸气重整(steammethane reforming)，甲烷部分氧化(partial oxidation of methane)和甲烷二氧化碳重整(carbon dioxide reforming)。其中甲烷水蒸气重整工艺较为成熟，但是由于甲烷水蒸气重整反应是一个强吸热反应，这一反应工艺能耗非常高，导致其适用性受到极大限制；对于甲烷二氧化碳重整工艺而言，其也是一个强吸热反应，该反应理论吸热量比水蒸气重整反应高15％左右，而且由于单质碳在CO₂气氛下活性较低，容易产生积碳覆盖在催化剂表面造成催化剂失活；此外，甲烷部分氧化反应是一个温和放热反应，在一定的参数下可以实现自发反应而不需要外部供热，这非常有利于工艺的小型化和移动化。

更具体展开分析，现有技术中对于甲烷部分氧化反应存在两种不同的工艺路径：一种是气相连续催化氧化，另一种是化学链循环工艺。前者存在着高温条件下氧气与甲烷同时通入高温反应器带来的爆炸风险，而后者主要通过氧载体在不同反应器中进行不同的氧化还原反应来实现化学链循环生产合成气，同时通过额外的水蒸气反应工艺才能获得高纯度的氢气产物。相应地，如何更好地满足以上工艺要求并针对性对其配套的组成系统及工作方式等方面进行设计，正成为本领域亟需解决的技术问题所在。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于化学链甲烷重整制氢工艺的热电联产系统，其中通过对其关键组成模块及其具体设置方式、尤其是氧载体的循环利用和热电联产运用的工作方式等方面进行研究和设计，相应与现有设备相比，能够显著改善对能量利用率、能耗和物质利用的优化配置，同时具备结构紧凑、可实现能量梯级利用、适用性强等特点。

相应地，按照本发明，提供了一种基于化学链甲烷重整制氢工艺的热电联产系统，其特征在于，该系统包括甲烷部分氧化反应器、二级水蒸气重整反应器、水蒸气发生器、水蒸气还原反应器、燃料电池组和氧载体循环供料器，其中：

所述甲烷部分氧化反应器与所述氧载体循环供料器保持联接，由此将所述氧载体不断输送至该甲烷部分氧化反应器的内部；当该甲烷部分氧化反应器被预热至第一指定温度后，从外部输入的原料甲烷与此氧载体发生部分氧化反应，生成含有H₂和CO的合成气同时产生大量的热量，该热量的大部分用于提供给所述水蒸气发生器，其余部分则经由第一热交换器分别用于向所述水蒸气还原反应器、二级水蒸气重整反应器及外部供能；此外，发生部分氧化反应后的氧载体经由所述氧载体循环供料器输送至所述水蒸气还原反应器，而所述合成气继续进入所述二级水蒸气重整反应器，并在第二指定温度下与水蒸汽反应合成CO₂和H₂的混合气体，然后送入至所述第一热交换器；