CN115838158A - 一种基于石化VOCs废气重整制氢的SOFC耦合发电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明技术方案公开了一种基于石化VOCs废气重整制氢的SOFC耦合发电系统，其特征在于，包括VOCs高温蒸汽重整系统以及与之串联的SOFC发电系统，石化VOCs废气经VOCs高温蒸汽重整系统高温处理发生催化反应生成包含可燃气体的合成气，并进入SOFC发电系统供其发电使用。本发明将VOCs作为燃料电池的燃料气用来发电，既解决了VOCs的污染问题，又获得了清洁能源，且燃料电池在发电过程中噪音低、无污染。
Description
技术领域
本发明涉及发电系统技术领域，尤其是涉及一种基于石化VOCs废气重整制氢的SOFC耦合发电系统。
背景技术
目前我国大气环境形势十分严峻。随着城市化、工业化进程的加快,灰霾已经逐渐成为我国多数城市最主要的环境污染问题之一。挥发性有机物(Volatile OrganicCompounds,VOCs)具有光化学活性,排放到大气中会通过复杂的物化反应,促进细颗粒物和臭氧的形成,因而日益受到社会关注。有效控制VOCs已成为现阶段我国大气环境治理领域中的热点问题。
石油化工企业VOCs排放量较大，排放源大致分为储罐排放、装卸过程排放、废水处理系统排放、设备泄露排放、循环冷却水系统排放、燃烧烟气排放、有组织工艺废气排放、无组织工艺废气排放等。VOCs成分多为有机气体，不能直接排放到大气中，需要经过一定工艺进行处理，达到国家和地区污染源排放标准后才能排放到大气中。
我国石化行业的有机废气处理技术目前主要包括破坏性处理方式与非破坏性处理方式及二者结合应用的处理方式三种。
非破坏性处理技术工艺主要包括炭吸附法与冷凝法、变压吸附法及吸收法几种不同的技术处理方式，这些技术在具体的应用实践过程中，主要通过物理方式将废气的物理属性改变，进而通过压力作用或者相关的吸附作用，利用吸附膜将原有石化工业中的相关废气进行吸收。
破坏性处理技术工艺治理废气，主要是通过热氧法以及直接燃烧法和催化燃烧技术。
在实际应用过程中，通常是将两种方式结合，来处理VOCs，最终会产生大量的CO2气体排放到大气层中，产生温室效应，对生态环境造成破坏。
固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cells，SOFC)是一种在高温下运行的绿色能源转换装置，在实际应用过程中具有以下优点：
一、环境友好，燃料电池在运行过程中的产物为水和二氧化碳，相较于化石燃料，产生的氮、硫氧化物少，对环境污染小；
二、能量转化率高，燃料电池可以将化学能直接转化为电能，克服了卡诺循环的限制，如果实现热电联供，燃料利用率可高达80％以上；
三、燃料选择性广，除传统清洁能源氢气外，还可以使用固态炭、氨、一氧化碳、乙醇和其他碳氢化合物作为SOFC的燃料，该类气体经过一定的重整工艺，然后作为燃料气直接通入SOFC系统；
四、耐用性好，SOFC采用全固态结构，不存在液态燃料泄露及部件腐蚀等问题；
五、噪音低，燃料电池的工作原理为电化学反应，无大型机械及设备工作时产生的碰撞与摩擦声。
如上所述，传统的石化废气VOCs的处理工艺有不少缺点，应急需向更加清洁，环保的工艺方法转型。新型的燃料电池发电技术为我们提供了一种处理VOCs的方法。我们可以将VOCs作为燃料电池的燃料气用来发电，既解决了VOCs的污染问题，又获得了清洁能源，且燃料电池在发电过程中噪音低、无污染。
发明内容
本发明解决的技术问题是现有的有机废气处理技术在实际应用过程中，通常是将两种方式结合，来处理VOCs，最终会产生大量的CO2气体排放到大气层中，产生温室效应，对生态环境造成破坏。
为解决上述的技术问题，本发明技术方案提供一种基于石化VOCs废气重整制氢的SOFC耦合发电系统，其中，包括VOCs高温蒸汽重整系统以及与之串联的SOFC发电系统，石化VOCs废气经VOCs高温蒸汽重整系统高温处理发生催化反应生成包含可燃气体的合成气，并进入SOFC发电系统供其发电使用。
可选地，VOCs高温蒸汽重整系统包括混合蒸发罐和与之连接的重整罐，所述混合蒸发罐具有第一进水口、第一进气口和第一出气口，所述重整罐具有第二进水口、第二进气口和第二出气口，所述第一进气口连接至氢气源和氮气源，所述第一进气口还通过第一换热器连接至石化VOCs废气源，所述第一进水口通过第二换热器连接至去离子水蒸气源，所述第一出气口连接至所述第二进水口，所述第二进水口通过所述第二换热器连接至去离子水蒸气源，所述第二进气口连接至空气源，所述第二出气口通过所述第二换热器连接至SOFC发电系统。
可选地，所述蒸发混合罐内设置热电偶，所述重整罐的第二进水口和第二出气口分别设置热电偶和热电偶。
可选地，氢气源和氮气源均依次通过压力变送器、手动阀、转子流量计和单向阀连接至所述蒸发混合罐的第一进气口。
可选地，石化VOCs废气源依次通过电磁阀和单向阀连接至所述第一换热器。
可选地，去离子水蒸气源通过电磁阀、蠕动泵和单向阀连接至所述第二换热器。
可选地，空气源通过手动阀、气体过滤器、质量流量计和单向阀连接至所述重整罐的所述第二进气口。
可选地，所述第一换热器与所述第二换热器之间联通。
可选地，SOFC发电系统包括SOFC电堆，所述SOFC电堆的第一输入口、第二输入口分别连接至所述第二换热器及空气源，所述SOFC电堆的阳极尾气、阴极尾气输出口分别连接第三换热器和第四换热器。
可选地，空气源通过电磁阀、质量流量计、单向阀和压力变送器连接至所述SOFC电堆的所述第二输入口。
本发明技术方案的有益效果是：
本发明将VOCs作为燃料电池的燃料气用来发电，既解决了VOCs的污染问题，又获得了清洁能源，且燃料电池在发电过程中噪音低、无污染。
附图说明
图1为本发明实施例中基于石化VOCs废气重整制氢的SOFC耦合发电系统的系统结构图；
图2为本发明实施例中混合蒸发罐的结构示意图；
图3为本发明实施例中折流板的结构示意图；
图4为本发明实施例中重整罐的结构示意图。
具体实施方式：
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
请参见图1所示，示出了一种实施例的基于石化VOCs废气重整制氢的SOFC耦合发电系统，其中，包括VOCs高温蒸汽重整系统以及与之串联的SOFC发电系统，石化VOCs废气经VOCs高温蒸汽重整系统高温处理发生催化反应生成包含可燃气体的合成气，并进入SOFC发电系统供其发电使用。
本实施例中，VOCs高温蒸汽重整系统包括混合蒸发罐1和与之连接的重整罐2，混合蒸发罐具1有第一进水口13、第一进气口14和第一出气口12，重整罐2具有第二进水口23、第二进气口24和第二出气口22，第一进气口14连接至氢气源5和氮气源4，第一进气口14还通过第一换热器31连接至石化VOCs废气源6，第一进水口13通过第二换热器32连接至去离子水蒸气源7，第一出气口12连接至第二进水口23，第二进水口23通过第二换热器32连接至去离子水蒸气源7，第二进气口24连接至空气源8，第二出气口22通过第二换热器32连接至SOFC发电系统。
本实施例中，蒸发混合罐1内设置热电偶109，重整罐2的第二进水口23和第二出气口22分别设置热电偶109。
本实施例中，氢气源5和氮气源4均依次通过压力变送器107、手动阀101、转子流量计105和单向阀104连接至蒸发混合罐1的第一进气口14。
本实施例中，石化VOCs废气源6依次通过电磁阀106和单向阀104连接至第一换热器31。
本实施例中，去离子水蒸气源7通过电磁阀106、蠕动泵108和单向阀104连接至第二换热器32。
本实施例中，空气源8通过手动阀101、气体过滤器102、质量流量计103和单向阀104连接至重整罐2的第二进气口24。
本实施例中，第一换热器31与第二换热器32之间联通。
本实施例中，SOFC发电系统包括SOFC电堆9，SOFC电堆9的第一输入口91、第二输入口92分别连接至第二换热器32及空气源8，SOFC电堆9的阳极尾气、阴极尾气输出口分别连接第三换热器33和第四换热器34。
本实施例中，空气源8通过电磁阀106、质量流量计103、单向阀104和压力变送器107连接至SOFC电堆9的第二输入口92。
通过以下说明进一步地认识本发明的特性及功能。
如图1所示，石化尾气VOCs经过预热进入蒸发混合罐1，去离子水也经过预热进入蒸发混合罐1，二者在里面充分混合。蒸发混合罐1内部结构设计有折流片15、16(如图2、图3所示)，有助于二者的充分混合。混合后的混合气经管道进入重整罐2，重整罐2里装填有VOCs催化剂，在高温700℃左右发生催化反应，长链结构的化合物经催化重整，分裂成氢气、一氧化碳和二氧化碳等合成气，然后将合成气输送至SOFC电堆供发电。
蒸发混合器与重整罐的具体工作方法如下：
如图2、图3所示，蒸发混合器的工作方法如下：
蒸发混合器1包括分别贯穿且安装于其顶部和底部的第一出气口12和第一进水口13，蒸发混合器1内安装至少两层折流板15、16，且两折流板15、16将蒸发混合器1内部空间分隔为第一混合室17、第二混合室18及第三混合室19；蒸发混合器1内还设置有第一进气口14和热电偶109。每一折流板15、16都设置有开口151，开口151呈扇面形状。两折流板15、16的开口151所在的区域在垂直方向上错开设置，两折流板15、16的开口151所在的区域在垂直方向上也可以相互交叉。热电偶109穿过蒸发混合器1的顶部和两折流板15、16。第一进气口14穿过蒸发混合器1的顶部以及两折流板15、16，且第一进气口14的出口靠近第一进水口13。
去离子水由蒸发混合器1底部的第一进水口13进入蒸发混合罐体1内，液位计20可以监视进入的去离子水蒸气的情况，实时监测液态水位以精准控制进入蒸发混合器1的水量。石化尾气VOCs自第一进气口14进入蒸发混合器1内。进入蒸发混合器1内的去离子水蒸汽在高温下被气化，与由第一进气口14进来的石化尾气VOCs在第一混合室17内初步接触。热电偶109监测蒸发混合器1内的温度，以反馈给控制系统，从而精确控制给蒸发混合器1的加热过程。
去离子水蒸汽与石化尾气VOCs在第一混合室17中初始混合后上升，在第一折流板15的导引下，经由第一折流板15的V形(扇形)开口151进入第二混合室18内，进一步得以混合，在第二混合室18中混合后再在第二折流板16的导引下，经由第二折流板16的V形(扇形)开口151进入第三混合室19内混合。第一折流板15第二折流板16的V形开口151是错开的，错开的角度可以根据折流板的片数来设置。混合气体(去离子水蒸汽与石化尾气VOCs)经过多次折流，流过的路径加长了，流过的路径也是曲折蜿蜒，相当于对混合气体被人为地进行了搅拌，从而使得去离子水蒸汽与石化尾气VOCs的混合更加充分均匀。混合充分均匀地混合气经由第一出气口12排出至重整罐2中，供重整罐2使用。
如图4所示，重整罐的工作方法如下：
重整罐2包括分别贯穿且安装于其顶部和底部的第二出气口22和第二进水口23；其中，重整罐2内层叠式地安装多个催化剂板25；重整罐2顶部贯穿安装有第二进气口24。
第二进气口24同时贯穿催化剂板25，第二进气口24包括两段分别与催化剂板25的上下表面贯通的上段进气管241和下段进气管242。
第二进气口24于重整罐2内的出口靠近第二进水口23，第二进水口23于外部连接至液位计27。
催化剂板25呈网状结构，多个催化剂板25之间均匀间隔设置。催化剂板25可以设置多层，如三层、四层等。
重整罐2内两端位置分别安装有金属隔层网。
用于石化尾气的重整罐3内部的设计包括三部分：底部的第二进水口23、上部的第二出气口22、中层的催化剂板25层以及被催化剂板25分隔的上下两层气体的混合室26。
去离子水由重整罐2底部的第二进水口23进入重整罐2内，液位可以由液位计27监视进入的去离子水的情况，实时监测液态水位以精准控制进入重整罐2的水量。石化尾气VOCs自第二进气口24进入重整罐2的混合腔26内。进入重整罐2内的去离子水在高温下被气化，与由第二进气口24进来的石化尾气VOCs在混合腔26内进行混合，然后进入催化剂板25，在催化剂板25内的催化剂的反应温度点的高温下发生自热高温蒸汽重整，将石化尾气VOCs的长链有机化合物分裂成氢气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷等简单的碳氢化合物，然后由第二出气口22排出，再经其它过滤纯化等工序进入后续的SOFC设备发电。
SOFC发电系统的发电原理为现有技术，在此不赘述。
本发明的系统核心是VOCs高温蒸汽重整系统以及与之串联的SOFC发电系统。
VOCs是挥发性有机物的英文缩写，VOCs重整系统包括进气子系统、去离子水蒸发混合子系统、加热子系统、催化重整子系统和热交换子系统等，与后面的SOFC系统串联。
SOFC是固体氧化物燃料电池的英文缩写，其具有高效率、低污染、无噪音、无燃烧过程、无任何机械马达转动的零件等优异性能，另一特点是只要VOCs不断，它可以24小时运作，不像太阳能或风能等绿能设备，晚间或无风便无法发电，目前已被公认为21世纪最重要的新能源之一。
SOFC燃料电池主要功能是发电，包括电池堆、燃料气/空气供给子系统、电池堆加热子系统、热交换子系统、排气处理子系统等。
本发明的技术关键点是：
⑴VOCs的高温蒸汽重整技术。VOCs的成分比较复杂，如何找出这些复杂的成分的共性，从而选取合适的重整催化剂组合及适当的催化重整工艺条件，需要做大量的试验，得到一手试验数据，对数据进行分析。所以本发明的保护点包括以下几方面：VOCs的重整催化剂组合、VOCs的重整技术、VOCs的重整工艺、VOCs重整设备的结构组成设计等。
⑵SOFC固体氧化物燃料电池发电技术与石化VOCs结合发电系统。SOFC是一种以化学反应的方式将燃料中储存的能量转化为电能的装置，精确的名称应该称为“化学发电机”。SOFC的用途很多，可以与风能、太阳能结合用于偏远地区、海岛、山区等的电力供应，与充电机器人结合用于停车场的电力源，与充电桩结合作为电动车的充电源等，本发明是基于石化VOCs废气重整制氢的SOFC耦合发电系统，保护点是：SOFC电池堆、燃料气/空气供给子系统、电池堆加热子系统、热交换子系统、排气处理子系统等。
综上所述，本发明主要解决化石能源与清洁能源结合利用的高效低排放新型能源动力系统的设计问题，设计一套石油化工尾气重整制氢式SOFC总能系统，针对集成系统内石油化工尾气吸收余热重整制氢式反应器、燃料电池阴阳极、燃料供应以及冷热电联供能等，展开系统性能匹配设计。本发明将VOCs作为燃料电池的燃料气用来发电，既解决了VOCs的污染问题，又获得了清洁能源，且燃料电池在发电过程中噪音低、无污染。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于石化VOCs废气重整制氢的SOFC耦合发电系统，其特征在于，包括VOCs高温蒸汽重整系统以及与之串联的SOFC发电系统，石化VOCs废气经VOCs高温蒸汽重整系统高温处理发生催化反应生成包含可燃气体的合成气，并进入SOFC发电系统供其发电使用。
2.根据权利要求1所述的基于石化VOCs废气重整制氢的SOFC耦合发电系统，其特征在于，VOCs高温蒸汽重整系统包括混合蒸发罐和与之连接的重整罐，所述混合蒸发罐具有第一进水口、第一进气口和第一出气口，所述重整罐具有第二进水口、第二进气口和第二出气口，所述第一进气口连接至氢气源和氮气源，所述第一进气口还通过第一换热器连接至石化VOCs废气源，所述第一进水口通过第二换热器连接至去离子水蒸气源，所述第一出气口连接至所述第二进水口，所述第二进水口通过所述第二换热器连接至去离子水蒸气源，所述第二进气口连接至空气源，所述第二出气口通过所述第二换热器连接至SOFC发电系统。
3.根据权利要求2所述的基于石化VOCs废气重整制氢的SOFC耦合发电系统，其特征在于，所述蒸发混合罐内设置热电偶，所述重整罐的第二进水口和第二出气口分别设置热电偶和热电偶。
4.根据权利要求2所述的基于石化VOCs废气重整制氢的SOFC耦合发电系统，其特征在于，氢气源和氮气源均依次通过压力变送器、手动阀、转子流量计和单向阀连接至所述蒸发混合罐的第一进气口。
5.根据权利要求2所述的基于石化VOCs废气重整制氢的SOFC耦合发电系统，其特征在于，石化VOCs废气源依次通过电磁阀和单向阀连接至所述第一换热器。
6.根据权利要求2所述的基于石化VOCs废气重整制氢的SOFC耦合发电系统，其特征在于，去离子水蒸气源通过电磁阀、蠕动泵和单向阀连接至所述第二换热器。
7.根据权利要求2所述的基于石化VOCs废气重整制氢的SOFC耦合发电系统，其特征在于，空气源通过手动阀、气体过滤器、质量流量计和单向阀连接至所述重整罐的所述第二进气口。
8.根据权利要求2所述的基于石化VOCs废气重整制氢的SOFC耦合发电系统，其特征在于，所述第一换热器与所述第二换热器之间联通。
9.根据权利要求2所述的基于石化VOCs废气重整制氢的SOFC耦合发电系统，其特征在于，SOFC发电系统包括SOFC电堆，所述SOFC电堆的第一输入口、第二输入口分别连接至所述第二换热器及空气源，所述SOFC电堆的阳极尾气、阴极尾气输出口分别连接第三换热器和第四换热器。
10.根据权利要求9所述的基于石化VOCs废气重整制氢的SOFC耦合发电系统，其特征在于，空气源通过电磁阀、质量流量计、单向阀和压力变送器连接至所述SOFC电堆的所述第二输入口。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118289711A (zh) * | 2024-06-05 | 2024-07-05 | 南京航空航天大学 | 一种宽范围燃料适应性一体化重整发电试验系统 |
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2021
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