能以多种不同方式配置的以生物质为燃料的多联产设备的制作方法

本发明涉及机械工业和电力工业。更详细地，本发明涉及一种可以使用来自多种不同来源的生物质为燃料的独特的多联产电力设备，该多联产电力设备的特征为，其高紧凑性和通用性、以用于所述设备针对其所设计的应用的多种不同需要。

背景技术：

迄今为止，将市场上可获得的并且由气化区段实施的大多数微型热电联产设备主要设计在滑道上，并且通常将这些微型热电联产设备安装在被指定用于其安置和使用的建筑物中，这些气化区段用于从生物质(典型地从木材中获得的)开始来产生合成气。在容器或箱体中的模块化安装的为数不多的实例不提供实际的即插即用解决方案，尤其是没有真正的集成设备，因为这些设备不提供在机器上将木屑筛选、干燥、压碎、压块和储存。燃料筛选、干燥、压碎和压块单元被指定用于室外专用设备，这些室外专用设备与所述热电联产设备中所包括的并旨在产生合成气的实际气化系统不具有实际连续性。

与这种类型的已知设备相关联的关键因素在于：需要管理具有独立逻辑并且没有集成在单个监测中，即具有由多个不同制造商专门制定的不同规格的设备；需要安装多于一个设备，并且具有能够保证该操作的若干人员，每个人员用于其设备；需要为安装准备较大的专用表面，从而需要较大、昂贵且冲击性的混凝土工程来制造地基。

此外，具有气化区段的设备通常产生大量应当定期处理的tar(按重量计最多为5％-6％)。这意味着相当大的环境和管理负担，环境和管理负担实际上已经阻碍了这种类型的设备的使用增长。

尽管明确限定了关于水分和大小的木材规格，但是没有市场能够供应市场上当前可获得的设备的制造商所要求的燃料。这个方面与市场上当前可获得的所有设备的制造商对具有木质前体(典型地是木屑)的需求强烈矛盾，木质前体具有限定的且均匀分布的特性。这种限制反映了合成气设备的使用流行性差的主要原因：木材在大小和水分含量方面都无法满足特定的要求，并且这造成了与设备的操作有关的主要问题，并且甚至不具有任何保证的供应。

在意大利专利申请号102016000111822中描述了微型热电联产设备的实例，该实例克服了上述问题，并且尤其克服了与以下相关的问题：以具体配方提供木质前体，并且为木质前体提供使所述前体适合于转化为高效合成气的特性和高转变再现性特性，该意大利专利申请在本文献提交之日仍因保密而未公开。更详细地，所述文献描述了一种紧凑的热电联产设备，该热电联产设备使得能够提供初始基质(即木质材料生物质)，该初始基质具有如下最佳特性：诱导转化，而没有当前在使用木材作为初始固体生物质的热电联产设备中观察到的所有问题。获得此结果是由于在设备中集成了系统的区段，该系统用于对由用作燃料的固体生物质制成的团块进行筛选、干燥和配制。

在后文中详细描述的本发明的目的是提供一种新颖且独特的设备，具体地为多联产设备，该设备在某些方面与上述现有技术文献中描述的设备类似，但是通过独特的区段和结构特性来修改和实施，这些区段和结构特性为应用提供了新的且更多的优点，这些优点主要但并非唯一地在于引导和储存由气化工艺产生的氢气的可能性，从而使设备可根据发电需要(多联产)进行配置，并且在于一些部件发生故障的情况下电力生产的灵活性。

技术实现要素：

本说明书涉及一种以生物质为燃料的多联产设备，该多联产设备可配置的电功率值在30kw与200kw之间，并且典型地且非限制性地，其额定电功率为99.8kw。所述设备的宏观特征为，其一致的紧凑性以及其高度的模块性和可组装性，从而通过将其中包括的多种不同模块接合来获得可以以多种不同方式配置的结构，从而表现出可以相对于彼此完美地集成以便满足终端应用的多种不同需要的结构。

更详细地，本工业发明专利申请的以生物质为燃料的多联产设备主题的特征基本上在于其包括集成模块，这些集成模块不仅使得能够制造旨在用于多种不同目的的特定物质(具体为h2和co2)，而且还实现以多种不同方式配置所述模块的可能性，使得设备的其余部分可以特别适合于应用的这些特定需要。

甚至更详细地，所讨论的多联产设备包括基础模块，诸如：用于装载初始生物质的至少一个模块；用于气化并产生合成气的至少一个模块；以及至少一个控制模块。将以下区别地添加到所述模块：用于产生氢气的至少一个模块和/或包含至少一个燃料电池的至少一个模块；和/或至少一个热电联产模块。

所述生物质装载模块具体地包括：在机器上用于储存的区段，该区段具有可选的筛选功能、干燥功能：压碎功能、压块功能，具有附加的储存可选系统，并且具有可选的外部传送带，每个该可选的外部传送带用于自动装载来自外部储存装置的生物质。

所述气化模块包括至少一个气化单元、至少一个合成气预处理单元和至少一个应急炬。所述气化模块可以根据机器的总功率和所选择的配置以多种不同方式设计尺寸，从而具有多种不同的大小。

所述氢气产生模块是用于对该合成气进行推进清洁的专用模块，该专用模块旨在用于分离氢气并且将其在管线中压缩，以用于终端应用。根据设备的功率和终端应用的需要，此模块可以包含或不包含燃料电池。

通过非限制性举例的方式，包含燃料电池的所述模块包括以下燃料电池：sofc(固体氧化物)、pemfc(质子交换膜)、afc(碱性)、mcfc(熔融碳酸盐)、pafc(磷酸)类型等，这取决于设备的配置和所需要的大小、具有或不具有氢气分离装置。

所述热电联产模块包括热电联产区段，该热电联产区段包括为加注气体燃料适当转变、从奥托循环或狄赛尔循环获得、具有相对热回收系统的至少一个、优选至少两个内燃发动机。

所述控制模块包括如由scada控制系统提供的至少一个电气面板、至少一个互连面板和至少一个监测站。

应当注意的是，在该设备的一些实施例中，发动机排气可以根据烟气的任何用途和有待在设备安装场所应用的任何规章来提供颗粒物保持站和催化转化区段。

还应当注意的是，无论为该设备选择的最终配置如何，都将其链接到使得能够对其进行完全远程控制的同一软件(scada)。更清楚地，根据设备的最终配置中是否提供安装，可以在该软件中启用或禁用上述模块以及完全相同模块中包括的各个部分。

此外，该多联产设备能够使其在经过完全组装、接线和测试后能够交付，可以准备好连接到输电干线和客户系统的端子(凸缘)、以使用热量、h2和/或co2(即插即用模式)。

在了解关于本工业发明专利申请的设备主题的描述的细节之前，应当注意的是，所述设备提供的优点满足彼此极为不同的类型/需要(客户)。通过非限制举例的方式，处于各种可能的配置的所述设备能够满足以下用户的需要：需要低热量消耗，即，优选最大化电功率的用户；通过非限制举例的方式，对将氢气用于移动性感兴趣的用户；对由富含co2的空气支持的集约化耕作(碳施肥-负co2循环)感兴趣的用户，和具有无数需要的用户，这些需要符合可从简单且独特的模块性获得的该设备的所有可能配置。

有利地，根据本发明的多联产设备不产生需要通过在垃圾填埋场中处理或通过其他系统来消除的废物。

有利地，其电力供应为“聚合燃料(polyfuel)”类型，这意味着在上游为其提供燃料的生物质可以由天然木屑和/或使用来自多种不同来源的生物质而获得的团块表示，通过非限制举例的方式，来自多种不同来源的生物质来自以下来源：纯化污泥、厌氧消化工艺、城市固体废物的有机部分(ofmsw)、碎屑的筛选或削减甚至更精细压碎的部分，从而使得通过筛选操作能够使用生理上产生的废料。

有利地，其多功能性(可从其模块性程度以及由此产生的可变的可配置性得出)因此使得能够从生物质开始，在使用或不使用常规的发电机组(genset)系统的情况下，通过使用燃料电池获得多种不同形式的动力，并且通过使用特殊的分离系统获得h2。

有利地，并且如先前所提及的，其可变的可配置性使得能够根据这些使用需要来适配设备图。

可以有利地根据设备的配置来优化合成气的产生，从而使气化富含或不富含水蒸气和/或空气，该空气富含o2。

由于再利用产生的co2的一部分的可能性，所讨论的多联产设备有利地实现了负co2平衡。

附图说明

本文将参照附图描述本发明，在附图中：

图1示出本工业发明专利申请的多联产设备1000主题的透视图。

更详细地，所讨论的图示出了包括其所有六个模块的设备。具体地，所述图示出了存在用于储存和装载木材生物质的第一模块1；第二合成气气化模块2；用于与所述设备相关联的工艺的自动化和控制的第三模块3；包括至少一个燃料电池的第四模块4；用于从所述第二气化模块2中先前产生的合成气中分离氢气的第五模块5；以及第六热电联产模块6。还指示了所述模块中的一些模块中所包含的主要部件中的一些部件。具体地，在所述第一模块1中，可以观察到单元10，该单元用于装载生物质，对所述生物质(即木屑)提供可选的筛选、压碎、干燥和压块。在所述第二气化模块2中，可以观察到存在至少一个气化反应器20。在所述第四模块4中，指示存在至少一个燃料电池40。在所述第五模块5中，指示存在氢气分离系统50。在所述第六模块6中，指示存在至少一个内燃发动机60。

所讨论的图还示出了主要管线中的一些，这些主要管线指示合成气在多联产工艺中的各个模块之间并经受其转变的路径。更详细地，指示了以下管线：第一管线70，这些第一管线表示来自气化反应器以便可以汽提出氢气并且用于到达热电联产区段的合成气的路径；第二管线80，这些第二管线表示先前从合成气中分离并且到达所述第四模块4中包含的燃料电池的氢气的路径；第三管线90，这些第三管线指示从合成气中初始包含的所有物质的燃烧获得的产物(典型地，在燃烧结束时可观察到的产物为co2、n2和h2o)到达所述第六模块6中可观察到的排气管60’的路径；以及最后的第四管线100，这些第四管线指示了排出的/燃烧过的气体的与co2分离的其余部分也到达上述排气管60’的路径。为此，所述第四模块4包括用于通过吸收来分离co2的特殊且已知的系统。

图2示出根据本发明的多联产设备1000的另外的透视图。所讨论的图旨在强调能够以多种不同方式配置其在空间中容纳的模块的可能性。

图3和图4示出当扭锁类型的连接系统200接合多联产设备1000的模块的容器时，该连接系统分别在上方和下方的两个详细视图。

图5示出了多联产设备1000的所有模块的容器的透视图。

具体实施方式

本工业发明专利申请的以木质生物质为燃料的多联产设备1000主题是一种系统，在其优选的实施例中，该系统的额定功率为99.8kw，但其也可以被配置用于更高的电功率值(即，最多到200kw)，或甚至较低为30kw。在其所有实施例中，所述设备的特征为，其模块性和由此产生的获得其中所包括的模块的多种不同组合，从而获得适配所述设备操作用于的应用的相应利益的配置的可能性。

更详细地，并且在其所有实施例中，所述设备1000包括至少一个第一模块1，该至少一个第一模块用于装载用作电力前体的生物质；至少一个第二气化模块2，该至少一个第二气化模块包括至少一个气化反应器并且适合于产生包含h2和co的合成气；以及至少一个第三模块3，该至少一个第三模块用于与所述多联产设备相关联的工艺的自动化和控制。

在了解所述多联产设备1000的实施例的当前详细描述的优点之前，应当注意的是，将从本说明中省略关于存在于上述基础模块中的一些机械和电气部件的指示，这不仅是由于在上述现有技术专利申请中对它们进行了详尽地描述，而且还是由于本发明的实质在于所述设备的独特的模块性和可配置性，以及将表征本发明的目的的另外模块与上述第一储存模块1、第二气化模块2和第三控制模块3相关联的可能性。整体是通过提供多联产设备的独特的总体配置来获得的。

甚至更详细地，可以以满足多种不同需要的多种配置获得所述多联产设备1000。具体地，设备1000的性能是指该应用具有低热量需求的第一需要条件；将氢气用于移动性或用于其他应用的第二需要条件；以及通过直接使用烟气或通过在位于专用模块中的特殊浓缩单元处进行分离来再利用产生的co2的第三需要条件。

具体地，所述低热量消耗需要与至少两种配置相对应：即，至少一种第一配置，在该至少一种第一配置中，所述设备至少包括第一生物质装载模块1；至少第二气化模块2；至少第三自动化和控制模块3，并且其特征在于，其提供至少一个第四模块4，该至少一个第四模块包括可以用合成气为燃料的至少一个燃料电池。更详细地，在多联产设备1000的此第一配置中，在气化反应器中使燃料气化。将合成气中的杂质清除，并且发送到燃料电池，以用于通过回收电池冷却空气来联合产生电功率和热量。典型地但非限制性地，所述燃料电池为sofc或mcfc类型。

也与低热量消耗需要相对应的设备1000的所述第二配置提供：所述多联产设备1000包括至少第一生物质装载模块1；至少第二气化模块2；至少第三自动化和控制模块3，并且其特征在于，其进一步包括第四模块4，该第四模块包括(一个或多个)燃料电池；至少一个第五氢气分离模块5和至少一个第六热电联产模块6。更详细地，与低热量消耗需要条件相对应的多联产设备1000的所述第二配置提供：在气化反应器中使初始燃料气化，将合成气中的杂质清除并且发送到氢气分离单元；将如此分离的氢气优选地在低温下发送到燃料电池，通过非限制举例的方式，该燃料电池为pemfc、afc、pafc类型等，而将气体的其余部分发送到内燃发动机，以用于通过与发电机联接来产生电功率，并且通过回收交换器产生热量。

该应用的为了移动性或在任何情况下为了其他应用而具有h2的所述需要条件与多联产设备1000的至少两种配置，并且尤其是至少一种第三配置相对应，在该至少一种第三配置中，除所述第一生物质装载模块1、第二气化模块2、第三自动化和控制模块3之外，所述设备还包括第五氢气分离模块5和第六热电联产模块6。由于不存在包括燃料电池的第四模块4，基本上，多联产设备1000的所述第三配置不同于设备的第二配置不同。

更详细地，所讨论的设备的所述第三配置提供：在气化反应器中使燃料气化；将在气化反应器中如此产生的合成气中的杂质清除并且发送到氢气分离单元，即，发送到相应的第五模块5中；通过压缩机将分离的氢气在管线中进行压缩，以使其为预期最终目的做准备，而将气体的其余部分发送到内燃发动机，以用于通过与发电机联接来产生电功率，并且通过回收交换器产生热量。

该应用的旨在将氢气用于移动性和/或用于其他应用的相同需要条件与获得多联产设备1000的设备模块的第四功能配置相对应，该多联产设备包括第一生物质装载模块1；第二气化模块2；第三自动化和控制模块3，并且其特征为，存在第五自动化和控制模块5、以及包括(一个或多个)燃料电池的第四模块4。由于不存在第六热电联产模块6，所述第四配置基本上不同于与低热量消耗需要条件相对应的上述第二配置。

更详细地，多联产设备1000的所述第四配置提供：在气化反应器中使初始燃料气化；将合成气中的杂质清除并且发送到氢气分离单元；将分离的氢气在管线中压缩以为最终目的做准备，而将气体的其余部分发送到(一个或多个)燃料电池，通过非限制举例的方式，发送到sofc或mcfc类型的电池，以用于通过回收(一个或多个)电池的冷却空气来联合产生电功率和热量。

仍然关于旨在将氢气用于移动性或用于其他应用的条件，存在设备1000的第五配置，其中所述设备是以与设备1000的上述第二配置类似的方式在功能上配置的一组模块，但从操作的角度来看，与后者基本上不同。实际上，尽管除了第一生物质装载模块1之外，还包括：第二气化模块2；第三自动化和控制模块3；包含燃料电池的所述第四模块4；所述第五氢气分离模块5；以及第六热电联产模块6，但所述设备以这样的方式操作，使得在气化反应器中使燃料气化；将合成气中的杂质清除并且发送到氢气分离单元；并且将分离的氢气：a)部分地在管线中压缩以使其为最终目的做准备，b)部分地发送到位于相应模块中且为任何类型的燃料电池(通过非限制举例的方式，所述燃料电池为pemfc、sofc、pafc、mcfc电池)，以用于通过回收电池冷却空气来联合产生电功率和热量，而将气体的其余部分发送到内燃发动机，以用于通过与发电机联接来产生电功率，并且通过回收交换器产生热量。

最后，关于本发明的多联产设备1000主题，存在第六配置，该第六配置与用户的回收和使用由设备操作循环产生的co2的需要条件相对应。更详细地，此条件的特征更多为模式，而不是模块的独特的空间布置，所述多联产设备1000可以根据该模式进行操作。更清楚地，所述第六配置可以由设备的上述配置中的任一种来表示。然而，提供了通过直接发送温室中的内燃发动机和/或燃料电池的燃烧过的/排出的气体(即在所述发送到温室之前将气体发送到co2浓缩/分离单元)来再利用co2。

本工业发明专利申请还涉及一种用于转化与如上所述的多联产设备1000的多种不同配置相关联的生物质的方法。

如在本说明书中各自地重复的，赋予所讨论的多联产设备1000多功能性的特性在于其模块性和可配置性，即，以多种不同方式配置所述模块的可能性。具体地，每个模块的所有部件都容纳在容器中，容器通过已知的并且在市场上可获得的连接系统200彼此可逆地连接，通过非限制举例的方式，所述连接系统为扭锁类型。

通过非限制举例的方式，应当注意的是，为分离氢气而应用的系统和技术是市场上已知的那些。例如，在其实施例中的一些中，将多联产设备1000与氢气分离系统集成在一起，这些氢气分离系统具有可能与psa(变压吸附)装置集成在一起的膜塔，这些装置可由设备自动化和控制系统适当地修改和管理。

如本说明书先前所提及的，省略了关于包括在所述设备中的用于获得其模块的所有已知机械和电气部件的指示，这是源于假定本领域技术人员理解它们的存在，在附图中表示，并且指出本发明的实质在于多联产设备的多功能性，并且具体地，在于其中所包括的模块以及布置它们以便获得与该应用的特定和可变需要相对应的设备的配置的可能性。还应指出的是，设备的所有模块包括可与所述连接系统200连接的容器，这些容器适合于容纳相应模块的部件。