多能互補的高效清潔能源系統及其應用的製作方法
2023-05-26 05:45:16 3
本發明涉及天然氣分布式能源領域，涉及一種多能互補的高效清潔能源系統及其應用，特別是一種利用火電廠、水電廠的富餘電力，在天然氣分布式能源站附近採用質子交換膜水電解水制氫，將氫氣加入到天然氣中，混合氣作為小型化的基於燃氣內燃機的天然氣分布式能源的燃料的高效清潔系統。
背景技術：
天然氣分布式能源是指利用天然氣為燃料，通過冷熱電三聯供等方式實現能源的梯級利用，綜合能源利用效率在70％以上，並在負荷中心就近實現能源供應的現代能源供應方式，是天然氣高效利用的重要方式。天然氣分布式能源是當今世界高能效、高可靠、低排放的先進的能源技術手段，被各國政府、設計師、投資商所採納。
基於燃氣內燃機的小型天然氣分布式能源系統由於其啟動快、裝機靈活、小型化等優點，在醫院、校園、建築等樓宇上廣泛應用，但也有兩個關鍵技術難題是火花塞壽命長短以及高NOx的排放，其中火花塞的更換頻率在一定程度上決定了發動機設備的維護費用的增加。
電解水是由電能提供動力，將水分解為氫和氧的化學過程，在目前的各種制氫技術中，利用可再生能源所產生的電能作為動力來電解水是最為成熟和最有潛力的技術，被視為通向氫經濟的最佳途徑。
電解水制氫技術已經得到工業化應用，全球約有4％的氫氣來源於電解水。傳統的鹼性水溶液電解制氫因制氫效率低、電能損耗大而限制了其應用範圍。研究人員進行了大量的研究工作來提高制氫效率，研究內容主要包括低過電位電極材料、質子交換膜水電解和高溫水蒸氣電解。
目前，近年來部分地區由於水電、光伏、風電等新能源發展，大量大容量、高參數燃煤發電機組的運行負荷大幅度減少，有的降到了設計負荷的50％以下，機組裝機容量比供電負荷冗餘了大量的剩餘電力，將大量的剩餘電力輸送到天然氣分布式能源站附近，採用質子交換膜水電解水。質子交換膜水電解制氫技術具有效率高氫氣純度高和無汙染等優點。質子交換膜作為電解質具有良好的化學穩定性、質子傳導性和氣體分離性等優點，可以使電解槽在較高的電流下工作。
高的氮氧化物的排放對環境的影響大，目前降低NOx排放的主流方法主要有選擇性催化還原法(SCR)、三效催化劑法(TWC)、氫輔助稀薄操作等方法。選擇性催化還原法(SCR)脫硝是在一定的溫度和催化劑作用下，利用氨或烴做還原劑可選擇性地將NOx還原為氮氣和水的方法。可使NOx的脫除率達90％以上。此法對大氣環境質量的影響不大，是目前脫硝效率最為成熟，且應用最廣的脫硝技術。但由於氨量的控制誤差而造成的二次汙染等原因使得通常僅能達到65％～80％的淨化效果；三效催化劑法(TWC)是通過催化劑的作用，把CO、HC、NOX分別氧化、還原為對人體健康無害的二氧化碳(CO2)、氮氣(N2)和水蒸氣(H2O)，在轉化過程中，催化劑能同時對CO、HC、NOx三種有害物起催化淨化作用，三效催化劑法(TWC)可有效地降低NOx的排放，但是同時花費成本較高，經濟效益較低。
現有技術中還不存在本發明提及的多能互補的高效清潔能源系統，將富餘電力輸送至天然氣分布式能源站附近，利用質子膜交換制氫技術製取氫氣，將氫氣按照比例與天然氣混合，供電、冷、熱，降低NOx排放，減少燃氣內燃機火花塞更換頻率。
技術實現要素：
本發明的目的在於克服現有技術中存在電力浪費、天然氣使用中產生的NOX偏高造成環境汙染、燃氣內燃機維修成本高等問題，提供了一種多能互補的高效清潔能源系統，將富餘電力輸送到小型燃氣分布式能源站附近的電解水制氫設備中製取氫氣，將氫氣按照要求比例混合到天然氣分布式能源站的燃料——天然氣中，對周邊供應電、冷、熱等多種能源供給，降低NOx排放、提高發動機火花塞壽命，降低運行維護成本，構成所屬區域間的能源網際網路，建立了一整套基於天然氣分布式能源的多能互補的高效清潔能源系統。
具體為一種多能互補的高效清潔能源系統，該系統由電解水制氫設備、分布式能源站組成，所述由電解水制氫設備製備的氫，所得到的氫氣與天然氣混合，通過輸送管道，添加到天然氣分布式能源站中。
優選的是，所述天然氣分布式能源站的主機設備為燃氣內燃機，系統單機容量不超過10MW。
優選的是，所述電解水制氫設備與分布式能源站的輸送管道長度應大於100米，即電解水制氫設備應設置在分布式能源站附近，按照《GB50177-2005氫氣站》有關安全方法的規定要求，根據分布式能源站的裝機容量以及電解水制氫設備採取的生產方法，二者之間不得設置在100米範圍之內。
優選的是，將電解水制氫設備製備的氫輸送到分布式能源站的輸送管道的材質可以為無縫鋼管、纖維水管等，從安全可靠以及安裝維護成本上考慮，優選為PE管。
此外，本發明還提供了所述多能互補的高效清潔能源系統的應用，一種將富餘電力轉化為高效清潔能源的方法，主要分為如下步驟實現：
S1：將電解水制氫設備接入電網，將電網中富餘電力輸入電解水制氫設備；
S2：電解水制氫設備利用S1中接入的富餘電力電解水產生氫和氧；
S3：將氫添加到天然氣中；
S4：將S3中產生的混合氣體輸送到分布式能源站；
優選的是，步驟S2中所述的電解水制氫設備可以採用質子交換膜水電解、高溫水蒸氣電解制氫等方法。目前，質子交換膜水電解制氫技術具有效率高氫氣純度高和無汙染等優點。質子交換膜作為電解質具有良好的化學穩定性、質子傳導性和氣體分離性等優點，可以使電解槽在較高的電流下工作，因此，優選採用質子交換膜水電解水制氫的方法。
優選的是，步驟S3中氫添加到天然氣中是在稀薄燃燒條件下操作的，所述稀薄條件下的空燃比為18至25，這樣的目的是可以極大降低NOX的排放量。進一步，所述的系統的空燃比為20。
優選的是，氫添加到天然氣中後，氫氣的含量在13％-17％。
實驗得出，在天然氣分布式能源的天然氣中添加氫氣，NOx排放值降低為10ppm，在13％-27％氫氣混合的條件下火花點火能量可以減少到22％-27％。
與現有技術相比，本發明具有以下優點及效果：
1、實現高參數、大容量燃煤發電機組在最佳工作點平穩工作，提高了機組效率，避免了機組頻繁負荷變動及低負荷運行時的不良影響；
2、實現了水電資源充分利用，利用廉價的富餘電力制氫，降低整個天然氣分布能源系統的經濟運營成本；
3、通過將氫氣加入到天然氣分布式能源的燃料——天然氣中，有效地降低了燃氣內燃機的NOx的排放，降低環境汙染，提高節能環保效益；
4、通過將氫氣加入到天然氣分布式能源的燃料——天然氣中，提高燃氣內燃機火花塞壽命，降低原動設備的停運率，降低設備的運維費用，提高天然氣分布式能源系統的運行效率；
5、實現了在天然氣能源站附近就近建設電解水制氫，有利於實現安全可靠的能源供給。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1是本實施例一的系統示意圖。
標號說明：1-發電廠；2-電解水制氫設備；3-天然氣供應設備；4-天然氣分布式能源系統；5-用戶端；6-輸電線路；7-輸送管道；8-天然氣輸送管道；9-混合氣。
具體實施方式
以下結合具體實施例來說明本發明，下列實施例僅用於說明本發明的技術方案，並不限定本發明的保護範圍。
實施例一：
如圖1所示，一種多能互補的高效清潔能源系統，包括質子交換膜電解水制氫設備2、基於燃氣內燃機的小型的天然氣分布式能源站4組成的高效清潔能源系統，所述利用發電廠1中的多餘電力，經過輸電線路6輸電到天然氣分布式能源站4附近建設質子交換膜電解水制氫設備2，電解水制氫設備製備的氫氣經輸送由PE材質製成的輸送管道7輸送到分布式能源站中，在空燃比為20的條件下，將氫氣按照要求15％的比例添加到天然氣供應設備3通過天然氣輸送管道8供應的天然氣中，形成混合氣9作為天然氣分布式能源的燃料輸送到分布式能源站的燃料，天然氣分布式能源站4對周邊的用戶端5供應電、冷、熱等多種能源供給。此時，天然氣中NOX的排放量為10ppm。添加了氫的天然氣可以大大降低NOx排放量、提高發動機火花塞壽命，降低運行維護成本，構成所屬區域間的能源網際網路。
此外，需要說明的是，本說明書中所描述的具體實施例，其零、部件的形狀、所取名稱等可以不同。凡依本發明專利構思所述的構造、特徵及原理所做的等效或簡單變化，均包括於本發明專利的保護範圍內。本發明所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或採用類似的方式替代，只要不偏離本發明的結構或者超越本權利要求書所定義的範圍，均應屬於本發明的保護範圍。