基于双联流化床气化和燃料电池的冷热电联产系统及方法与流程

1.本发明涉及一种基于双联流化床气化和燃料电池的冷热电联产系统，属于冷热电联产技术领域。


背景技术：

2.随着农村和小城镇经济的快速发展，农村和小城镇能源结构发生巨大变化，垃圾、污泥的产量日益增加。但根据调查研究显示，目前大多数农村和小城镇地区对于垃圾、污泥等废物生物质的处理方式依旧是填埋，这种方式不仅造成了土壤和水污染，也是对能源的浪费；随着世界经济的快速发展，传统能源诸如煤、石油等供应量逐渐减少，中国也早早地由煤炭出口国变成如今的煤炭进口大国，对新型能源的探索迫在眉睫。生物质能由于其热值高、污染少成为当前能源的瞩目焦点，由农村垃圾、污泥、秸秆等构成的生物质更是含有巨大的能量，且我国农村和小城镇地区对该类废气生物质的产量日益增加。双联流化床气化对由垃圾、污泥等组成的生物质来说是一种非常好的处理方式，通过对生物质的热解产生焦炭和挥发性热解产物，再通入水蒸气生成具有经济价值的合成气。不同于单一的气化炉，双联流化床可以通过调整进入燃烧炉的焦炭比例和流化速度实现自供热，具有强大的发展前景。
3.燃料电池是一种发电装置，利用电化学反应将化学能直接转换成电能，相比传统的燃气轮机、内燃机的发电过程，燃料电池的工作过程中污染物排放少、负荷性能好，且燃料电池具有体积小、建设周期短等优点。虽然该技术目前尚处于实验室研究阶段，还未大规模投入商业运行，但其良好的发展前景已经使燃料电池成为动力装置研究的侧重点。固体氧化物燃料电池（sofc）由阴极、阳极和电解质构成，其工作温度一般在650℃~1000℃之间，是所有燃料电池里工作温度最高的一种。如今对固体氧化物燃料电池的研究已经逐渐进入商业化阶段，尤其是在分布式供能、冷热电联产（cchp）、船舶动力等方面显示出巨大的优势。
4.当前，全球能源紧缺与经济快速发展之间的矛盾日益尖锐，新型的能源综合利用和管理方式逐渐成为研究重点。冷热电联产作为一种基于“能量梯级利用”原则的分布式供能系统，集发电、供暖、制冷于一体，系统产出的高品质能量用于发电，低品质能量用于制冷、供应热水等，具有能源利用效率高、能量配置灵活性强、低污染等优点。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种基于双联流化床气化和燃料电池的冷热电联产系统。
6.为解决上述技术问题，本发明提供一种基于双联流化床气化和燃料电池的冷热电联产系统，包括双联流化床气化系统、气化合成气净化装置系统、燃料电池发电系统、负荷调节系统、供暖系统以及制冷系统；所述双联流化床气化系统用于，
将垃圾、污泥、生物质共处理后的燃料与水蒸气气化反应生成合成气气体；将燃料中未反应完全的焦炭和固体床料和空气进行燃烧反应释放热量，生成烟气，将烟气中携带燃烧释放热量的固定床料分离出来，用于为所述气化反应提供热量，分离后的烟气用于为发电模块进行预热；所述气化合成气净化装置系统用于，用于对合成气气体进行灰分、硫化物成分和水分去除处理，得到干净煤气；所述燃料电池发电系统用于，用于将干净煤气和空气在固体氧化物燃料电池中发生电化学反应，输出电能；所述负荷调节系统用于，获取燃料电池出来的废气和分离后的烟气，根据不同季节的需求，分别送往以热水为循环工质的供暖系统和以溴化锂溶液为循环工质的吸收式制冷系统。
7.进一步的，所述双联流化床气化系统包括：气化炉、排气管、翻料管、燃烧炉和旋风分离器；其中，气化炉顶部出口与排气管相连，气化炉侧面出口与返料管的一端相连，返料管的另一端与燃烧炉侧面进口相连，燃烧炉顶部出口与旋风分离器相连，旋风分离器底部出口与气化炉相连，旋风分离器顶部出口连接燃料电池发电系统；所述气化炉还设有a输入端，所述a输入端用于输入经过预处理后的垃圾、污泥、生物质混合固体燃料；所述燃烧炉还设有c输入端，用于输入空气。
8.进一步的，所述气化合成气净化装置系统包括：第一换热器、布袋除尘器、第二换热器、脱硫塔；其中，第一换热器的冷端进口与第二换热器的冷端出口相连，第一换热器的冷端出口与气化炉的侧面入口相连，第一换热器的热端入口与排气管的出口相连，第一换热器的热端出口与布袋除尘器的入口相连，第二换热器的热端入口与布袋除尘器的气体出口相连，第二换热器的热端出口与脱硫塔入口相连；第二换热器还设有b输入端，所述b输入端用于输入常温水，常温水依次经过第二换热器、第一换热器换热后变成水蒸气进入气化炉。
9.进一步的，所述燃料电池发电系统包括：燃料压缩机、空气压缩机、燃料预热器、空气预热器、燃料电池、燃烧室、膨胀机和换热器；其中，燃料预热器的热端进口与旋风分离器顶部出口相连，燃料预热器的热端出口于空气预热器的热端入口相连，燃料压缩机的入口与脱硫塔出口相连，燃料压缩机的出口与燃料预热器的冷端进口相连，空气压缩机的入口与接入空气，空气压缩机的出口与空气预热器的冷端进口相连，燃料预热器和空气预热器的冷端出口与燃料电池的进口相连，燃料电池产生电能在燃料电池电能输出端输出，燃料电池产生的热量输入给换热器，换热器通过冷却水对热量进行回收，燃料电池的阴极和阳极反应出来的气体进入燃烧室，气体在燃烧室中完全反应，生成的气体进入膨胀机做功。
10.进一步的，所述负荷调节系统包括混合器、热负荷输出阀和冷负荷输出阀；其中，膨胀机的出口以及空气预热器的热端出口和混合器的入口相连，混合器出口和冷负荷输出阀以及热负荷输出阀相连。
11.进一步的，所述供暖系统包括烟气
‑
热水换热器、散热器、第一水泵；其中，热负荷输出阀与烟气
‑
热水换热器的热端进口相连，散热器的进口与烟气
‑
热水换热器的冷端出口相连，散热器的出口与第一水泵的入口相连，第一水泵的出口与烟气
‑
热水换热器的冷端进口相连。
12.进一步的，所述制冷系统包括换热器、发生器、冷凝器、蒸发器、节流阀和、吸收器、溶液热交换器以及第二水泵；其中，冷负荷输出阀与热交换器热端进口相连，热交换器冷端出口与发生器进口相连，发生器水蒸气出口与冷凝器进口相连，冷凝器出口与节流阀相连，节流阀出口与蒸发器进口相连，发生器溴化锂浓溶液出口与溶液热交换器热端进口相连，溶液热交换器热端出口与节流阀进口相连，蒸发器出口与节流阀出口和吸收器入口相连，吸收器出口经第二水泵与溶液热交换器冷端进口相连，溶液热交换器冷端出口与换热器冷端进口相连，蒸发器（6
‑
5）设有冷媒水输入端和冷媒水输出端位于，吸收器（6
‑
9）设有冷却水输入端，冷凝器（6
‑
3）设有冷却水输出端。
13.一种基于双联流化床气化和燃料电池的冷热电联产系统的方法，包括：将垃圾、污泥、生物质共处理后的燃料在气化炉的a输入端进入，燃料首先被热解，生成焦炭与热解性挥发气体，热解性挥发气体和水蒸气进行水蒸气重整、二氧化碳还原、甲烷重整反应，生成包括h2、co、co2的合成气，生成的合成气通过排气管输入到第一换热器的热端进口；未反应完全的焦炭通过返料管进入燃烧炉和空气中的氧气反应释放热量，生成的含有大量co2的烟气进入燃烧炉旋风分离器，携带热量的床料被分离出来，重新进入气化炉，为气化反应提供热量，分离处理后的烟气进入燃料电池发电系统，为燃料和空气提供预热；从气化炉排气管出来的合成气经过第一换热器进行冷却，而后进入布袋除尘器除去合成气剩余的灰分和固体床料，再通过第二换热器冷却到常温，进入脱硫塔分离出合成气中硫化物成分，布袋除尘器分离出的灰分通过除尘器底部输出端d排出，硫化物成分通过脱硫塔底部输出端e排出；经过净化后的煤气经过压缩机压缩，进入烟气换热器进行预热，空气通过空气压缩机的输入端进入压缩机压缩，而后进入烟气
‑
空气换热器进行预热，和燃料在燃料电池混合后，通过电化学反应进行发电，产生电量通过燃料电池电能输出端输出，燃料电池的废热输入至换热器，通过冷却水流经换热器进行回收，从燃料电池阴极和阳极出来的气体进入燃烧室，未反应完全的气体在燃烧室中完全反应，生成的气体进入膨胀机做功；将燃料和空气预热后的烟气和从燃料电池发电系统输出的气体进入混合器，根据不同季节需求，分别通过冷负荷输出阀和热负荷输出阀送往制冷系统和供暖系统；供暖系统中，烟气和燃料电池排出气体的余热通过换热器进行回收，热水吸收混合气体热量后，通过散热器供暖，释放出热量后的热水经过水泵加压，重新进入换热器吸收热量，形成循环；制冷系统中，烟气和燃料电池排出气体的的余热用溴化锂吸收式制冷机组进行利用，混合气体通过换热器为进入发生器溴化锂溶液提供热量，从而产生水蒸气和溴化锂浓溶液，产生的水蒸气经过冷凝器冷凝和节流阀节流后，进入蒸发器中吸收来自蒸发器的冷媒水输入端的冷媒水的热量蒸发，产生制冷反应，从发生器出来的溴化锂浓溶液经过溶液热交换器放热和节流阀节流后，在吸收器中与蒸发后的水蒸气混合形成溴化锂稀溶液，释
放热量，经第二水泵加压后，吸收溶液热交换器和混合气体的热量重新进入发生器，形成循环，水蒸气冷凝释放的热量和溴化锂稀溶液在吸收器中释放的热量用来自吸收器冷却水输入端的冷却水进行回收，冷却水在冷凝器的冷却水输出端排出。
14.本发明所达到的有益效果：本发明的系统及方法在双联流化床的基础上实现发电、制冷、供暖的统一，最大化提高能源利用效率。基于能量梯级利用的原则，首先将具有高品质的合成气送入燃料电池，输出电能；燃料电池排出的气体以及从双联流化床系统燃烧炉出来的烟气带有的余热是低品质能量，根据不同季节冷热负荷需求，利用烟气驱动的废热溴化锂制冷机制冷和热水循环供暖；燃料电池产生的热量以及制冷系统中冷凝器和吸收器释放出来的热量通过冷却水回收，为人们生活提供热水。整个系统在满足系统所需能量自给的前提下，根据不同环节排出能量的品质高低，通过发电、供暖、制冷等方式充分回收其能量，大幅度提高了冷热电联产系统的一次能源利用率。
附图说明
15.图1是本发明的系统示意图。
具体实施方式
16.为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
17.下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
18.实施例1如图1所示，一种基于双联流化床气化和燃料电池的冷热电联产系统，其特征在于，包括双联流化床气化系统1、气化合成气净化装置系统2、燃料电池发电系统3、负荷调节系统4、供暖系统5以及制冷系统6；双联流化床气化系统1包括气化炉1
‑
1、排气管1
‑
2、返料管1
‑
3、燃烧炉1
‑
4和旋风分离器1
‑
5；气化炉1
‑
1顶部出口与排气管1
‑
2相连，气化炉1
‑
1侧面出口与返料管1
‑
3相连，返料管1
‑
3与燃烧炉1
‑
4侧面进口相连，燃烧炉1
‑
4顶部出口与旋风分离器1
‑
5相连，旋风分离器1
‑
5底部出口与气化炉1
‑
1相连；合成气净化系统2包括第一换热器2
‑
1、布袋除尘器2
‑
2、第二换热器2
‑
3、脱硫塔2
‑
4；第一换热器2
‑
1的冷端进口与第二换热器2
‑
3的冷端出口相连，第一换热器的冷端出口与气化炉1
‑
1的侧面入口相连，第一换热器2
‑
1的热端出口与布袋除尘器2
‑
2的入口相连，第二换热器2
‑
3的热端出口与脱硫塔2
‑
4入口相连；燃料电池发电系统3包括燃料压缩机3
‑
1、空气压缩机3
‑
3、燃料预热3
‑
2、空气预热器3
‑
4、燃料电池3
‑
5、燃烧室3
‑
6、膨胀机3
‑
7和换热器3
‑
8；燃料压缩机3
‑
1的入口与脱硫塔2
‑
4出口相连，燃料压缩机的出口与燃料预热器3
‑
2的冷端进口相连，空气压缩机3
‑
3的出口与空气预热器3
‑
4的冷端进口相连，燃料预热器3
‑
2和空气预热器3
‑
4的冷端出口与燃料电3
‑
5的进口相连，燃料电池产生电能在燃料电池g端输出，燃料电池产生热量通过换热器3
‑
8的i端进口的冷却水进行回收，冷却水输出为换热器j端；热量整合系统4包括混合器4
‑
1、热
负荷输出阀4
‑
3和冷负荷输出阀4
‑
2；燃料电池发电系统膨胀机3
‑
6的出口以及空气预热器3
‑
4的热端出口和混合器4
‑
1的入口相连，混合器出口和冷负荷输出阀4
‑
2以及热负荷输出阀4
‑
3相连；供暖系统5包括烟气
‑
热水换热器5
‑
1、散热器5
‑
2、水泵5
‑
3；热负荷输出阀4
‑
3与烟气
‑
热水换热器5
‑
1的热端进口相连，散热器5
‑
2的进口与烟气
‑
热水换热器5
‑
1的冷端出口相连，散热器5
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2的出口与水泵5
‑
3的入口相连，水泵的出口与烟气
‑
热水换热器5
‑
1的冷端进口相连；溴化锂吸收式制冷系统6包括换热器6
‑
1、发生器6
‑
2、冷凝器6
‑
3、蒸发器6
‑
5、节流阀6
‑
4和6
‑
7、吸收器6
‑
9、溶液热交换器6
‑
6以及水泵6
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8；冷负荷输出阀4
‑
2与热交换器6
‑
1热端进口l相连，热交换器冷端出口与发生器6
‑
2进口相连，发生器水蒸气出口与冷凝器6
‑
3进口相连，冷凝器出口与节流阀6
‑
4相连，节流阀6
‑
4出口与蒸发器6
‑
5进口相连，发生器溴化锂浓溶液出口与溶液热交换器6
‑
6热端进口相连，溶液热交换器热端出口与节流阀6
‑
7进口相连，蒸发器6
‑
5出口与节流阀6
‑
7出口和吸收器6
‑
9入口相连, 吸收器出口与溶液热交换器6
‑
6冷端进口相连，溶液热交换器冷端出口与换热器6
‑
1冷端进口相连，冷媒水在蒸发器的m端进入，蒸发器的n端排出，冷却水于吸收器的o端进入，在冷凝器的p端排出； f端用于输入进入燃料电池系统的空气，g端输出的是燃料电池产生的电能，h端输出的是燃料电池系统产生的热能，i端和j 端分别为回收热能的冷却水进出口；k端为供暖系统的热源输入。
19.实施例2如图1所示，一种基于双联流化床气化和固体氧化物燃料电池发电的冷热电联产系统的方法。由垃圾、污泥、生物质共处理后的燃料进入双联流化床气化炉1
‑
1，燃料首先被热解，生成焦炭与热解性挥发气体，而后热解产物与在合成气净化系统中第一换热器2
‑
1和第二换热器2
‑
3中吸收热量生成的水蒸气在850℃的温度下进行水蒸气重整、二氧化碳还原、甲烷重整等反应，生成主要含有h2、co、co2的合成气，生成的合成气通过排气管1
‑
2排出，未反应完全的焦炭通过返料管1
‑
3进入燃烧炉1
‑
4，燃烧炉温度为950℃，焦炭和空气中的氧气燃烧释放热量，生成的含有大量co2的烟气进入燃烧炉旋风分离器1
‑
5，携带热量的床料被分离出来，重新进入气化炉，为气化反应提供热量，生成的烟气进入燃料电池发电系统，为燃料和空气提供预热；从气化炉排气管1
‑
2出来的合成气经过合成气净化系统的第一换热器2
‑
1进行冷却，温度降到200~250℃之间，而后进入布袋除尘器除2
‑
2去合成气剩余的灰分和固体床料，再通过第二换热器2
‑
3冷却到40℃，进入脱硫塔2
‑
4分离出合成气中的h2s、cos等硫化物成分；经过净化后的煤气经过压缩机3
‑
1压缩，进入烟气换热器3
‑
2进行预热，空气经过空气压缩机3
‑
3压缩，进入烟气
‑
空气换热器3
‑
4进行预热，和燃料在燃料电池3
‑
5混合后，通过电化学反应进行发电，燃料电池温度为800℃，产生电量，燃料电池产生的热量通过进入换热器3
‑
8用冷却水进行回收，从燃料电池3
‑
5阴极和阳极出来的气体进入燃烧室3
‑
6，未反应完全的气体在燃烧室3
‑
6中完全反应，生成的气体进入膨胀机3
‑
7做功；为燃料和空气预热后的烟气和从燃料电池发电系统输出的气体进入混合器4
‑
1，根据不同季节需求，分别通过冷负荷输出阀4
‑
2和热负荷输出阀4
‑
3送往制冷和供暖系统；供暖系统中，混合气体余热通过换热器5
‑
1进行回收，热水吸收混合气体热量后，温度达到55℃，通过散热器5
‑
2为人们供暖后，温度降到45℃，释放出热量后的热水经过水泵5
‑
3加压，重新进入换热器5
‑
1吸收热量，形成循环；制冷系统中，混合气体的余热用溴化锂吸收式制冷机组进行利用，混合气体通过换热器6
‑
1为进入发生器6
‑
2的溴化锂溶液提供热量，发生器温度达63℃，产
生水蒸气和溴化锂浓溶液，产生的水蒸气经过冷凝器6
‑
3冷凝和节流阀6
‑
4节流后，进入蒸发器6
‑
5中吸收冷媒水的热量蒸发，产生制冷反应，从发生器6
‑
2出来的溴化锂浓溶液经过溶液热交换器6
‑
6放热和节流阀6
‑
7节流后，在吸收器6
‑
9中与蒸发后的水蒸气混合形成溴化锂稀溶液，释放热量，经水泵6
‑
8加压后，吸收溶液热交换器6
‑
6和混合气体的热量重新进入发生器6
‑
2，形成循环，水蒸气冷凝释放的热量和溴化锂稀溶液在吸收器中释放的热量用冷却水进行回收。
20.（1）本发明的系统及方法在双联流化床的基础上实现发电、制冷、供暖的统一，最大化提高能源利用效率。基于能量梯级利用的原则，首先将从气化炉和净化系统出来的具有高品质的合成气送入燃料电池，输出电能；燃料电池排出的气体以及从双联流化床系统燃烧炉出来的烟气带有的余热是低品质能量，可通过转换阀门开关，根据不同季节冷热负荷需求，利用烟气驱动的废热溴化锂制冷机制冷和热水循环供暖；燃料电池产生的热量以及制冷系统中冷凝器和吸收器释放出来的热量通过冷却水回收，为人们生活提供热水。整个系统在满足系统所需能量自给的前提下，根据不同环节排出能量的品质高低，通过发电、供暖、制冷等方式充分回收其能量，大幅度提高了冷热电联产系统的一次能源利用率。
21.（2）在对由垃圾、污泥、生物质共处理过后的燃料进行气化的过程中，通过添加燃烧炉对在气化炉中未反应完全的焦炭进行燃烧放热反应，再通过旋风分离器使得携带热量的床料重新进入气化炉，为气化反应提供热量。双联流化床气化系统可通过调整进入燃烧炉的焦炭比例、流化速度以及循环床料量实现气化系统的自供热。相比在传统的固定床或循环床生物质气化过程中，需要对气化炉进行燃料的补充，双联流化床可以节省燃料的使用。
22.（3）相比燃气轮或内燃机对燃气的发电，燃料电池发电效率高、负荷调节性强，更适合作为冷热电联产系统中的动力装置，且固体氧化物燃料电池（sofc）是燃料电池中工作温度最高的一种，有利于提升化学能到电能的转化率。另外，对于燃气轮机或内燃机发电所造成的硫化物或氮化物空气污染，燃料电池发电造成的环境污染要小得多。
23.（4）本系统根据能量梯级利用的原则，充分利用不同子系统产生的能量，在保证能量自给充足的前提下实现能源综合利用效率最大化。在对粗煤气进行净化的过程中，充分利用粗煤气冷却释放的热量，通过换热器用水回收该部分热量，并调整换热器设置和回收水流量，使生成的水蒸气达到气化炉水蒸气介质的标准，送入气化炉；从气化系统燃烧炉出来的烟气先通过烟气换热器为燃料电池发电系统中燃料和空气的预热提供热量，再和燃料电池排出气体混合，为制冷和供暖提供热源。
24.以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。