一种基于化学回热沼气重整的多联产系统和方法与流程

1.本发明属于沼气利用技术领域，具体地涉及一种基于化学回热沼气重整的多联产系统和方法。


背景技术：

2.沼气是由生物质厌氧发酵产生的一种气体燃料，是一种稳定的可再生能源。我国生物质资源丰富，每年各种生物质可能源化利用量可达3.26
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108tce。生物沼气已经成为生物质利用的重要途径，我国的沼气发生系统借鉴国外成熟技术，已经向大中型沼气发生系统方向发展，沼气年产量也迅速提升，从2015年的158亿立方米迅速发展到2020年的440亿立方米。但沼气利用技术相对落后，存在利用效率低的问题。
3.多种可再生能源互补利用具有提高能源利用效率和供能质量，降低供能成本的优势，成为可再生能源领域的热点技术。以太阳能为例，通过光伏补电或光热补热，将太阳能和沼气在冷热电联供系统或蒸汽朗肯发电循环中耦合，一定程度上提高了能源利用效率，但在此类系统中，沼气直接燃烧，化学能损失巨大，太阳能和沼气的互补是基于能量的叠加，因此，在此类系统中，深挖能源之间的关联，有实现能源间能质互补的潜力。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种实现沼气化学能高效转化利用、燃料热值大幅提高、太阳能净发电效率提升的基于化学回热沼气重整的多联产系统和方法用以解决上述存在的技术问题。
5.为实现上述目的，本发明采样的技术方案为：一种基于化学回热沼气重整的多联产系统，包括混合器、水蒸气产生回路、气气换热器、水蒸气甲烷重整反应器、燃烧室、燃气透平、发电机、吸收式制冷机和沼气池，水蒸气产生回路用于利用太阳能的热量对水进行加热产生水蒸气，混合器的水蒸气入口与水蒸气产生回路的水蒸气出口相连接，混合器的沼气入口用于接沼气输入，混合器的出口与气气换热器的冷侧入口相连通，气气换热器的冷侧出口接水蒸气甲烷重整反应器的原料入口，水蒸气甲烷重整反应器的合成气出口接燃烧室的燃料入口，燃烧室的空气入口用于接空气输入，燃烧室的出口接燃气透平的入口，燃气透平用于做功带动发电机发电，燃气透平的出口接水蒸气甲烷重整反应器的烟气入口，水蒸气甲烷重整反应器的烟气出口通过气气换热器的热侧管路后接吸收式制冷机的烟气入口，吸收式制冷机的烟气出口接第一排烟管道，第一排烟管道穿过沼气池进行热交换。
6.进一步的，所述水蒸气产生回路包括太阳能集热装置、汽包、汽包给水管道、循环泵、气液两相流管道和汽包蒸汽管道，太阳能集热装置的入口通过汽包给水管道与汽包的液相出口相连接，循环泵串接在汽包给水管道上，太阳能集热装置的出口通过气液两相流管道与汽包的气液两相入口相连接；汽包的蒸汽出口通过汽包蒸汽管道与混合器的水蒸气入口相连接。
7.更进一步的，还包括给水管道，汽包的液相入口与给水管道相连接。
8.进一步的，所述太阳能集热装置为槽式太阳能集热场。
9.进一步的，还包括压气机，压气机的入口用于与净化后的沼气连接，压气机的出口接混合器的沼气入口。
10.进一步的，还包括空压机，空压机的入口接空气输入管道，空压机的出口接燃烧室的空气入口。
11.更进一步的，所述燃气透平用于带动空压机工作。
12.进一步的，所述水蒸气甲烷重整反应器的类型为管式反应器、塔式反应器、釜式反应器、有固体颗粒床层的反应器、喷射反应器、固定床反应器、流化床反应器或腔体式反应器。
13.本发明还提供了一种基于化学回热沼气重整的多联产方法，包括如下步骤：
14.s1，将沼气与由太阳能加热产生的水蒸气进行混合后送入气气换热器内吸收中温烟气的余热进行预热，预热后的混合气进入水蒸气甲烷重整反应器在燃气透平排出的高温烟气驱动下发生重整反应，生成合成气；
15.s2，合成气与空气一起在燃烧室里进行燃烧反应，燃烧产生的高温高压烟气进入燃气透平做功带动发电机发电；
16.s3，燃气透平排出的高温烟气进入水蒸气甲烷重整反应器驱动重整反应发生，水蒸气甲烷重整反应器排出的中温烟气进入气气换热器对混合气进行预热，气气换热器排出的中低温烟气先进入吸收式制冷机进行制冷，然后通入沼气池为沼气的中温发酵提供热量。
17.本发明的有益技术效果：
18.1、本发明通过引入甲烷重整反应，提高燃气透平排气的水蒸气占比，由此提高低温段烟气冷凝温度，回收大量低温潜热满足沼气池发酵所需热量。
19.2、本发明通过化学回热产生化学能更高的合成气和对燃气透平排气余热的利用，实现了沼气化学能和物理能综合梯级利用，提高了沼气利用效率。
20.3、本发明通过沼气重整使得太阳能的热能品位间接提升至合成气的化学能品位，同时也将不连续、不易储存的太阳能转变为连续易存储的合成气化学能，可提高太阳能的折合净发电效率(可达到26.9％)。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1为本发明具体实施例的基于化学回热沼气重整的多联产系统的结构示意图；
23.图2为本发明具体实施例的基于化学回热沼气重整的多联产方法流程图。
具体实施方式
24.为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参
考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。
25.现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
26.如图1所述，一种基于化学回热沼气重整的多联产系统，包括压气机1、混合器2、水蒸气产生回路、气气换热器3、水蒸气甲烷重整反应器4、燃烧室5、燃气透平6、发电机7、吸收式制冷机8和沼气池9，沼气池9用于进行生物质厌氧发酵产生沼气，沼气池9的沼气出口与沼气输出管道10相连接，进行沼气输出。
27.水蒸气产生回路用于利用太阳能的热量对水进行加热产生水蒸气，本具体实施例中，水蒸气产生回路包括太阳能集热装置11、汽包12、汽包给水管道13、循环泵14、气液两相流管道15和汽包蒸汽管道16，汽包12是气液分离装置，可将饱和水与饱和水蒸气分离，汽包4的液相出口(出水口)通过汽包给水管道13与太阳能集热装置11的入口相连接，循环泵14串接在汽包给水管道13 上，太阳能集热装置11的出口通过气液两相流管道15与汽包12的气液两相入口(回水口)相连接，循环泵14用于为液体水提供循环动力，使其不断循环。汽包12的蒸汽出口通过汽包蒸汽管道16与混合器2的水蒸气入口相连接。
28.本具体实施例中，还包括给水管道17，汽包12的液相入口(进水口)与给水管道17相连接，用于给汽包12进行补水。
29.优选的，本实施例中，太阳能集热装置11为槽式太阳能集热场，太阳能的吸收效果更好，但并不以此为限，在一些实施例中，太阳能集热装置11也可以采用现有的其它太阳能集热装置来实现。
30.本实施例中，太阳能集热装置11直接采用水作为导热工质，结构简单，易于实现，但并不限于此，在一些实施例中，太阳能集热装置11也可以利用导热油、熔融盐等中间导热工质通过换热器将太阳能间接传递给水而产生水蒸气。
31.压气机1是一种气体增压装置，用于将一股低压气体物流提升为一股高压气体物流，压气机1的入口用于与净化后的沼气传输管道18连接，压气机1的出口接混合器2的沼气入口。混合器2是气体混合装置，用于将两股气体物流按照一定比例混合成一股气体物流。混合器2的出口通过第一混合气管道19与气气换热器3的冷侧入口相连通。
32.气气换热器3为换热设备，一股热流体与一股冷流体在该设备内部交换热量。气气换热器3的冷侧出口通过第二混合气管道20接水蒸气甲烷重整反应器 4的原料入口，水蒸气甲烷重整反应器4内部用于发生甲烷与水蒸气和二氧化碳的重整反应以及其它可能发生的所有反应。水蒸气甲烷重整反应器4的类型可以是管式反应器、塔式反应器、釜式反应器、有固体颗粒床层的反应器、喷射反应器、固定床反应器、流化床反应器或腔体式反应器。
33.水蒸气甲烷重整反应器4的合成气出口通过合成气管道21接燃烧室5的燃料入口，燃烧室5为燃烧反应的场所，内部用于发生甲烷、氢气、一氧化碳的燃烧反应以及其他可能发生的所有反应，燃烧室5也可以被其他能够为燃烧反应提供空间的装置替代。
34.燃烧室5的空气入口用于接空气输入，燃烧室5的出口通过燃烧室烟气管道22接燃气透平6的入口，燃气透平6是将流体介质中蕴含的能量转化为机械功的装置，可将高温烟气中的能量转化为机械功。燃气透平6用于做功带动发电机7发电产生电能进行供电，燃气透平6的出口通过第二排烟管道23接水蒸气甲烷重整反应器4的烟气入口，水蒸气甲烷重整反应器4的烟气出口通过第三排烟管道24接气气换热器3的热侧管路的入口，气气换热器3
的热侧管路的出口通过第四排烟管道25接吸收式制冷机8的烟气入口，吸收式制冷机8是利用热源以达到制冷目的的装置，可将烟气的中低温余热利用起来产生冷能进行供冷。具体的，本实施例中，吸收式制冷机8为单效吸收式制冷机，但并不以此为限。
35.吸收式制冷机8的烟气出口接第一排烟管道26，第一排烟管道26穿过沼气池9进行热交换，第一排烟管道26的出口261伸出沼气池9外。
36.优选的，第一排烟管道26曲折或盘旋穿过沼气池9以进一步提升热交换效果。
37.进一步的，本实施例中，还包括空压机27，空压机27的入口接空气输入管道28，空压机28的出口接燃烧室5的空气入口。空压机27是气体增压装置，用于将一股低压气体物流提升为一股高压气体物流。
38.本实施例中，燃气透平6还用于带动空压机27工作，进一步提升能量利用率。
39.工作过程：沼气池9产生的沼气由沼气输出管道10输出并经过净化后由净化后的沼气传输管道18传输给压气机1变成高压的沼气输出给混合器2；太阳能集热装置11对水进行加热产生水蒸气，由汽包12进行分离后传输给混合器2，混合器2将沼气和水蒸气进行混合形成混合气送入气气换热器3内吸收中温烟气的余热进行预热，预热后的混合气进入水蒸气甲烷重整反应器4在燃气透平6 排出的高温烟气驱动下发生重整反应，生成主要成分为一氧化碳和氢气的合成气并输出给燃烧室5，空压机28将空气压缩进燃烧室5内；合成气与空气一起在燃烧室5里进行燃烧反应，燃烧产生的高温高压烟气进入燃气透平6做功带动发电机7发电和空压机28工作，燃气透平6排出的高温烟气进入水蒸气甲烷重整反应器4驱动重整反应发生后变成中温烟气排出，水蒸气甲烷重整反应器4 排出的中温烟气进入气气换热器3对混合气进行预热后变成中低温烟气，气气换热器3排出的中低温烟气先进入吸收式制冷机8进行制冷，然后经过沼气池9 为沼气的中温发酵提供热量后排出。
40.如图2所示，本发明还提供了一种基于化学回热沼气重整的多联产方法，包括如下步骤：
41.s1，将沼气与由太阳能加热产生的水蒸气进行混合后送入气气换热器内吸收中温烟气的余热进行预热，预热后的混合气进入水蒸气甲烷重整反应器在燃气透平排出的高温烟气驱动下发生重整反应，生成合成气。
42.s2，合成气与空气一起在燃烧室里进行燃烧反应，燃烧产生的高温高压烟气进入燃气透平做功带动发电机发电。
43.s3，燃气透平排出的高温烟气进入水蒸气甲烷重整反应器驱动重整反应发生，水蒸气甲烷重整反应器排出的中温烟气进入气气换热器对混合气进行预热，气气换热器排出的中低温烟气先进入吸收式制冷机进行制冷，然后通入沼气池为沼气的中温发酵提供热量。
44.更具体的步骤可以详见上述的工作过程，此不再细说。
45.本发明相比传统的沼气分布式冷热电联供系统，实现了沼气化学能的高效转化利用和物理能的综合梯级利用，且引入太阳能，通过太阳能为水供热产生水蒸气，提高系统中的水碳比，在提高甲烷转化率和燃料的热值的同时还提升了太阳能的能量品位，且吸收的太阳能能够在烟气低温段大量回收，因此，具有更好的系统热力性能。
46.通过对本发明的多联产系统的模拟计算，在外界温度为29℃和-25℃，水碳比为5时，本发明的多联产系统和传统的沼气冷热电联供系统性能对比如表1 所示。可知，本发明
的多联产系统在提高系统
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效率和太阳能的发电效率方面有很好的优势。
47.表1本发明的多联产系统与传统的沼气冷热电联供系统性能参数表
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尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。