一种氢电能源系统的制作方法

本发明属于能源设备技术领域，涉及一种能源系统，具体涉及一种氢电能源系统。

背景技术：

汽油和柴油都是不可再生资源，为了减缓石油资源的匮乏所带来的一系列负面影响以及减少大气污染和汽车发动机尾气排放，需要寻找发动机的代用燃料，而氢能源是目前最理想的清洁燃料。氢能源是众多替代能源中的一种可再生资源，热值高，并且燃烧后大部分生成物是水蒸气，是一种理想的绿色燃料。作为代用燃料的氢能源可以解决二大难题：一是石油燃料储量有限，二是使用石油燃料带来的环境污染。

氢作为燃料的优点是，以水为原料，资源丰富；燃烧时放出的热量多；燃烧产物是水，无毒、无污染，且可以循环使用，被称作绿色能源。氢气可以从电解水、煤的气化中大量制取，而且不需要对发动机进行大的改装，因此氢能动力具有广阔的应用前景。推广氢能动力需要解决三个技术问题：一是大量制取廉价氢气，传统的电解方法价格昂贵，且耗费其他资源，无法推广；二是氢气的安全储运问题；三是汽车所需的高性能、廉价的氢供给系统。同时氢能源直接用在动力系统上会产生爆震、不稳定等一系列影响利用的问题，将氢气与其他多种气体包括惰性气体混合后加压的高压气源，氢电能源作为新的动力系统的替代燃料势必会成为趋势。

技术实现要素：

本发明提供一种氢电能源系统，利用煤炭进行气化和调质，同时利用煤不完全燃烧的烟气发电，减少设备工作过程中氮氧化物的排放，燃烧烟气以及部分提氢后气化煤气送至高压低热值能源单元与氢能源单元作为燃料气，减少污染排放，提高设备效率。

本发明的技术方案是：氢电能源系统，包括煤粉料仓、还原性气体储罐、带脱硫设备的余热发电单元、间壁回转窑和氢能源制备单元，氢能源制备单元设有储氢材料。间壁回转窑包括窑体、窑头罩、窑尾罩、焦粉料仓、加料环和出料环，窑体由窑膛和物料通道构成，加料环和出料环与物料通道连接。窑膛通过窑尾罩连接到带脱硫设备的余热发电单元，窑头罩设有气体燃料烧嘴和/或固体燃料烧嘴。煤粉料仓连接到加料环，出料环通过焦粉料仓连接到固体燃料烧嘴。系统设有水蒸气发生器、脱硫装置、喷水除尘器、提氢装置和氢能源制备单元，加料环上设有气化剂入口，出料环上设有气化气体出口。水蒸气发生器连接到气化剂入口，气化气体出口通过脱硫装置和喷水除尘器连接到提氢装置。提氢装置设有氢气出口和提氢后燃气出口，氢气出口连接到氢能源制备单元，氢能源制备单元连接到氢动力设备。提氢后燃气出口分为三路，一路连接到还原性气体储罐，一路连接到气体燃料烧嘴，一路连接到带脱硫设备的余热发电单元入口。

系统设有高压低热值燃料制备单元和气体增压装置。带脱硫设备的余热发电单元通过气体增压装置连接到高压低热值燃料制备单元，高压低热值燃料制备单元连接到楼宇或分布能源系统；还原性气体储罐连接到气体增压装置的入口。系统设有脱硝装置和煤气成分分析仪，间壁回转窑设有气化残渣仓。气化气体出口通过煤气成分分析仪连接到脱硫装置，脱硫装置通过脱硝装置和喷水除尘器连接到提氢装置。环形物料通道通过出料环连接到气化残渣仓，残渣仓连接到水泥原料仓。

间壁回转窑设有注水环，注水环上设有蒸汽主入口，注水环与物料通道连接。水蒸气发生器连接到蒸汽主入口。气体分析仪检测气体中的焦油含量和水含量。当其低于工艺设定值时，通过采用但不限于在注水环注入水蒸气，或改变窑体转速、窑膛温度等其他手段来达到工艺要求。

间壁回转窑由同轴安装的耐材制成的外环和内环构成，内环和外环之间为物料通道，物料通道为能通过物料的任意结构形式或形状，在这种结构形式下物料可以有效的从窑头到窑尾向前运动，并被窑膛中的热量有效的加热，并被外环和内环有效的密封，使通道内的物料隔绝于窑膛中的气态、固态物质和火焰。如可为环形物料通道、直形或其他曲线形物料通道或螺旋物料通道。所述物料通道截面为能通过物料的任意形式，截面可为圆形、三角形、矩形、六边形或多边形。物料通道设有耐材支撑，内环的中心为窑膛。间壁窑耐材为金属材料、耐火材料、陶瓷材料或导热材料，或上述材料的复合材料；所述耐火材料为耐火砖或不定形耐材浇注而成；所述间壁回转窑分为预热段、干馏段和均热段；所述间壁回转窑的截面为任意结构形式或形状，只要满足上述物料通道的要求，如截面为圆形、扇形、椭圆形或半圆形截面，所述间壁回转窑的运动形式为转动或摆动运行，使物料向前运行；物料通道沿间壁回转窑轴向为直线形式、螺旋线形式或各种曲线交替布置形式。间壁回转窑可用于煤的干馏和气化、碳酸盐煅烧、黑色金属或有色金属还原和垃圾处理。

还原性气体储罐中的气体为甲烷、氢气、一氧化碳、氮气、二氧化碳等，或上述两种或几种气体的混合物。脱硫装置设有两套脱硫塔，两套脱硫塔交替进行脱硫和再生。所述脱硫塔中的脱硫剂为金属氧化物脱硫剂，金属氧化物为Fe2O3或CaO。提氢装置的提氢方法为金属氧化物法、膜分离法、分子筛法、有机溶液提取法等。间壁回转窑的助燃剂可为15%-100%的氧气。所产生的废气可少含或不含NOx。还原性气体储罐3中的还原气与余热发电后的烟气任意比例混合，可进一步降低烟气中的NOx。然后进入气体增压装置2加压，制备成高压低热值燃料。

水蒸气的加入量依据气化气体的成分进行控制，使得气化气体中不含有水蒸气同时焦油全部气化。间壁回转窑中的煤粉在焦化的过程中，充分和氢气反应，脱除了硫份，硫份以H₂S的形式随焦化气除去。本方法能够将煤变为能够代替汽油、柴油等的动力燃料，同时提高了发动机的效率。煤粉料仓中物料为煤粉、垃圾、秸秆、生物质或其它含碳物质。系统动力设备供电为带脱硫装置的余热发电系统所发电、低谷电、风电、太阳能电、水电或潮汐发电，或上述电能的结合。

本发明通过煤粉在间壁回转窑间壁中进行干馏，同时通入水蒸气将焦油全部气化，煤中的硫化物被氢气还原出来后，随干馏煤气体进入脱硫装置脱除硫后经过喷水除尘器除尘后进入提氢装置，按照工艺要求提出的氢气送至氢能源系统；提氢后的燃气一路连接到还原性气体储罐，一路连接到气体燃料烧嘴，一路连接到带脱硫设备的余热发电单元入口。间壁回转窑产生的无硫焦粉与处理后的煤气在中心炉膛中不完全燃烧，且在带脱硫设备的余热发电单元前加入还原性气体，降低氮氧化物的生成，中心窑膛的烟气经过带脱硫设备的余热发电装置回收热量，然后送至气体增压装置补充部分还原气体后，送至高压低热值能源系统。进一步提高了系统的效率和经济效益。充分利用了煤的性质，减少了污染物排放，有利于减少氮氧化物和硫化物的排放。此种工艺方法降低了氢气的制取成本，在制取氢气的同时进行了余热发电，并做到了零排放。生成的高压低热值燃料可用于分布式能源系统；氢气以金属氢化物的形式可广泛的用于汽车动力系统。在余热发电的同时顺带的进行了含碳物质的焦化和部分气化，在其后将焦化和部分气化后的气体中的氢气用包括选择性很强的金属氢化物提氢等方式，从而降低了氢气的提取成本。进行焦化和部分气化后的焦粉由于其中的硫化物在间壁通道里已被部分或绝大部分提出，形成了硫化氢气体，随焦化和部分气化的气体一起排出，从而焦粉中的硫含量较少，减轻了带脱硫装置的余热发电设备的脱硫压力。由于采用了焦粉的不完全燃烧和热烟气加入强还原性气体，从而有效的降低了氮氧化物。形成了高压低热值燃料后，形成了氢电能源，送入楼宇或分布式能源系统进行发电或制热制冷，做到了使用化石燃料电站发电零排放。同时，经济的、方便的收集到汽车等交通工具和一些其它场所所使用的氢燃料。焦化和部分气化所得到的气化气含焦油和水很少，从而大大简化了后续处理设备，降低了投资成本，从而使氢燃料更经济。

附图说明

图1为本发明氢电能源系统的流程示意图；

图2为本发明另一种实施方案的流程示意图；

图3为本发明第三种实施方案的流程示意图；

图4为图1的A-A图；

图5是图2的B-B图；

图6为半圆形回转窑的截面示意图；

图7为半圆形另一种结构回转窑的截面示意图。

其中：1—高压低热值燃料制备单元、2—气体增压装置、3—还原性气体储罐、4—带脱硫设备的余热发电单元、5—煤粉料仓、6—气化剂入口、7—加料环、8—间壁回转窑、9—窑膛、10—环形物料通道、11—焦粉料仓、12—喷水除尘器、13—提氢装置、14—氢能源制备单元、15—脱硫装置、16—出料环、17—气化气体出口、18—气体燃料烧嘴、19—固体燃料烧嘴、20—水蒸气发生器21—氢气出口22—提氢后燃气出口、23—脱硝装置、24—煤气成分分析仪、25—注水环、26—气化残渣仓、27—内环、28—耐材支撑、29—外环、30—直形或其他曲线形物料通道。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明。本发明保护范围不限于实施例，本领域技术人员在权利要求限定的范围内做出任何改动也属于本发明保护的范围。

实施例1

本发明氢电能源系统如图1所示，包括煤粉料仓5、间壁回转窑8、带脱硫设备的余热发电单元4、高压低热值燃料制备单元1、气体增压装置2、还原性气体储罐3、水蒸气发生器20、脱硫装置15、煤气成分分析仪24、喷水除尘器12、提氢装置13和氢能源制备单元14。间壁回转窑包括窑体、窑头罩、窑尾罩、焦粉料仓11、加料环7和出料环16，窑体由窑膛9和环形物料通道10构成，加料环和出料环与环形物料通道连接。窑尾罩设有气体燃料烧嘴18和固体燃料烧嘴19。煤粉料仓连接到加料环，出料环通过焦粉料仓连接到固体燃料烧嘴。加料环上设有气化剂入口6，出料环上设有气化气体出口17，水蒸气发生器连接到气化剂入口，气化气体出口通过煤气成分分析仪连接到脱硫装置，脱硫装置通过喷水除尘器连接到提氢装置。提氢装置设有氢气出口21和提氢后燃气出口22，氢气出口连接到氢能源制备单元，氢能源制备单元连接到氢动力设备。提氢后燃气出口分为三路，一路连接到还原性气体储罐，一路连接到气体燃料烧嘴，一路连接到带脱硫设备的余热发电单元入口。在间壁窑内和烟气尾气出口处，制造还原性气氛环境，从而降低NOx的生成。窑膛通过窑尾罩连接到带脱硫设备的余热发电单元，带脱硫设备的余热发电单元出口通过气体增压装置连接到高压低热值燃料制备单元，高压低热值燃料制备单元连接到楼宇或分布能源系统。还原性气体储罐3连接到气体增压装置的入口。还原性气体储罐3中的气体为甲烷、氢气、一氧化碳、氮气和二氧化碳的混合物，其的体积比为50:15：20:8:7，还原性气体储罐连接到气体增压装置的入口。如图4所示。间壁回转窑8由同轴安装的耐材制成的外环29和内环27构成，内环和外环之间为环形物料通道10，环形物料通道设有耐材支撑28，内环的中心为窑膛9。耐材外环和支撑为耐火材料；内环为耐磨耐热的导热材料。脱硫装置15设有两套脱硫塔，两套脱硫塔交替进行脱硫和再生，脱硫材料为氧化铁。系统动力设备供电为带脱硫装置的余热发电系统所发电。

本发明氢电能源系统的运行过程为，煤粉原料经煤粉料仓5和加料环7进入间壁回转窑的环形物料通道10，窑膛中气体燃料和焦粉不完全燃烧，从而降低了氮氧化物的生成，其产生的热量间壁加热环形物料通道中的煤粉。煤粉在环形物料通道进行干馏、气化，产生的固体产品经出料环进入焦粉料仓，焦炭经管路热装到固体燃料烧嘴19。水蒸气发生器20产生的蒸汽经气化剂入口6进入环形物料空间，将干馏过程的焦油全部气化。气化后煤气的主要成分为：CH₄、H₂、CO和H₂S，气化气体经气化气体出口17到脱硫装置脱出硫化氢后，经过喷水除尘器12除尘后进入提氢装置13，将氢气以金属氢化物的形式提出并送至氢能源制备单元，供汽车或其他用户使用。提氢后的煤气一路送至带脱硫设备的余热发电单元4前，从而进一步降低烟气中的氮氧化物；另一路送至间壁回转窑的气体燃料烧嘴18作间壁回转窑的燃料；另一路送至还原性气体储罐。间壁回转窑产生的无硫焦粉与处理后的煤气在窑膛9中不完全燃烧，降低氮氧化物的生成，窑膛的烟气经过余热发电装置回收热量，然后经气体增压装置补充部分还原性气体，还原性气体与烟气按2:8混合，加压到30Mpa后，送至高压低热值能源单元制备高压低热值燃料，从而形成了氢电能源。此燃料可用于楼宇的分布能源或各类膨胀机和燃气轮机等透平装置。间壁回转窑中的煤粉在焦化的过程中，充分和氢气反应，脱除了硫份，硫份以H₂S的形式随焦化气除去。其窑膛9的温度为1500℃，从窑头开始间壁窑内三分之一温度为300-1100℃，其余三分之二为1100℃等温。在等温的过程中，根据气体分析仪24中的焦油和水的含量指示，当水含量低于3%时，在气化剂入口6增加水蒸气。当焦油含量低于20mg/m³时，可使回转窑转速加快，同时可以降低窑膛温度，并缩短上述三分之二的等温段，以提高效率。煤粉料仓5煤粉的粒度为5-0.01mm。带脱硫装置的余热发电单元中的脱硫装置的运行强度可根据焦粉中的硫含量进行调节。本实施例中因为硫含量极少，因此电站中的脱硫装置处于不运行状态。气体燃料烧嘴18可以在提供热量总量的0-20%内调节，更有效的制造窑内还原性气氛，降低氮氧化物的生成。

实施例2

本发明另一种实施方式如图2所示，包括煤粉料仓5、间壁回转窑8、带脱硫设备的余热发电单元4、高压低热值燃料制备单元1、气体增压装置2、还原性气体储罐3、水蒸气发生器20、脱硫装置15、喷水除尘器12、脱硝装置23、煤气成分分析仪24、提氢装置13和氢能源制备单元14。间壁回转窑包括窑体、窑头罩、窑尾罩、气化残渣仓26、加料环7和出料环16，窑体由窑膛9和直形物料通道30构成，加料环和出料环与直形物料通道连接。窑尾罩设有气体燃料烧嘴18。煤粉料仓连接到加料环，出料环通过气化残渣仓连接到水泥原料仓。加料环上设有气化剂入口6，出料环上设有气化气体出口17，水蒸气发生器连接到气化剂入口，气化气体出口通过煤气成分分析仪连接到脱硫装置，脱硫装置通过脱硝装置和喷水除尘器连接到提氢装置。提氢装置设有氢气出口21和提氢后燃气出口22，将氢气以活性炭氢化物的形式提出并送至氢能源制备单元，供动力设备包括汽车、轮船或其他用户使用。提氢后燃气出口分为三路，一路连接到还原性气体储罐，一路连接到气体燃料烧嘴，一路连接到带脱硫设备的余热发电单元入口。气体燃料烧嘴的助燃气体入口与纯氧或富氧管路连接。窑膛通过窑尾罩连接到带脱硫设备的余热发电单元，带脱硫设备的余热发电单元出口通过气体增压装置连接到高压低热值燃料制备单元，高压低热值燃料制备单元连接到楼宇或分布能源系统。还原性气体储罐连接到气体增压装置的入口。还原性气体储罐3中的气体为甲烷、氢气、一氧化碳、氮气和二氧化碳的混合物，其的体积比为30:20：30:15:5，还原性气体储罐连接到气体增压装置的入口，经气体增压装置补充部分还原性气体，按还原气与烟气 15:85混合，加压到30MPa后，送至高压低热值能源单元制备高压低热值燃料，从而形成了氢电能源。如图5所示，间壁回转窑8由同轴安装的耐材制成的外环和内环构成，内环和外环之间为直形物料通道30，直形物料通道设有耐材支撑，内环的中心为窑膛9。耐材为陶瓷材料。脱硫装置15设有两套脱硫塔，两套脱硫塔交替进行脱硫和再生。间壁回转窑中的煤粉在焦化的过程中，充分和氢气反应，脱除了硫份，硫份以H₂S的形式随焦化气除去。其窑膛9的温度为1200℃，从窑头开始间壁窑内三分之一温度为300-1000℃，其余三分之二为1000℃等温。在等温的过程中，根据气体分析仪24中的焦油和水的含量指示，当水含量低于2%时，在气化剂入口6增加水蒸气。当焦油含量低于15mg/m³时，可使回转窑转速加快，同时可以降低窑膛温度，并缩短上述三分之二的等温段，以提高效率。煤粉料仓5煤粉的粒度为10-0.05mm。带脱硫装置的余热发电单元中的脱硫装置的运行强度可根据焦粉中的硫含量进行调节。本实施例中因为硫含量极少，因此电站中的脱硫装置处于不运行状态。气体燃料烧嘴18可以在提供热量总量的0-100%内调节，更有效的制造窑内还原性气氛，降低氮氧化物的生成。系统动力设备供电为低谷与带脱硫装置的余热发电系统所发电的结合。

本实施例间壁回转窑煤粉在间壁回转窑的直形物料通道进行完全汽化，不产生焦炭，完全气化后剩余的气化残渣经气化残渣仓26到水泥装置作水泥原料。气化后气体经煤气成分分析仪24分析气化气体中各组分的含量，根据测量结果调整气化气体处理的操作，气化气体经脱硫装置脱硫后再经脱硝装置脱硝，然后再经喷水除尘器除尘后到提氢装置提氢，提氢后气体一路连接到氢能源制备单元制备氢能源气体，一路连接到气体燃料烧嘴作燃料，用纯氧或富氧作间壁回转窑燃烧助燃气体，以提高燃烧强度和减少燃烧后气体的氮氧化物含量。其它流程与操作与实施例1相同。

实施例3

本发明第三种实施方式如图3所示，包括煤粉料仓5、间壁回转窑8、带脱硫设备的余热发电单元4、高压低热值燃料制备单元1、气体增压装置2、还原性气体储罐3、水蒸气发生器20、煤气成分分析仪24、脱硫装置15、喷水除尘器12、提氢装置13和氢能源制备单元14。间壁回转窑包括窑体、窑头罩、窑尾罩、焦粉料仓11、加料环7和出料环16，窑体由窑膛9和环形物料通道10构成，加料环和出料环与环形物料通道连接。窑尾罩设有气体燃料烧嘴18和固体燃料烧嘴19。煤粉料仓连接到加料环，出料环通过焦粉料仓连接到固体燃料烧嘴。加料环上设有气化剂入口6，出料环上设有气化气体出口17，水蒸气发生器连接到气化剂入口，气化气体出口通过煤气成分分析仪连接到脱硫装置，脱硫装置通过喷水除尘器连接到提氢装置。提氢装置设有氢气出口21和提氢后燃气出口22，将氢气以金属氢化物的形式提出并送至氢能源制备单元，供动力设备包括汽车、轮船或其他用户使用。提氢后燃气出口分为三路，一路连接到还原性气体储罐，一路连接到气体燃料烧嘴，一路连接到带脱硫设备的余热发电单元入口。在间壁窑内和烟气尾气出口处，制造还原性气氛环境，从而降低NOx的生成。窑膛通过窑尾罩连接到带脱硫设备的余热发电单元，带脱硫设备的余热发电单元出口通过气体增压装置连接到高压低热值燃料制备单元，高压低热值燃料制备单元连接到楼宇或分布能源系统。还原性气体储罐3连接到气体增压装置的入口。还原性气体储罐3中的气体为甲烷、氢气、一氧化碳、氮气和二氧化碳的混合物，其的体积比为55:15：25:9:6，还原性气体储罐连接到气体增压装置的入口。如图4所示。间壁回转窑8由同轴安装的耐材制成的外环29和内环27构成，内环和外环之间为环形物料通道10，环形物料通道设有耐材支撑28，内环的中心为窑膛9。耐材外环和支撑为耐火材料；内环为耐磨耐热的导热材料。脱硫装置15设有两套脱硫塔，两套脱硫塔交替进行脱硫和再生，脱硫材料为氧化铁。系统动力设备供电为风电。

本实施例在间壁回转窑五分之三处设置注水环，采用专门的气化剂加入口，以改善物料通道中煤气化的效果，提高煤气化的转化率和氢气收率。在等温的过程中，根据气体分析仪24中的焦油和水的含量指示，当水含量低于2.5%时，在注水环25增加水蒸气。当焦油含量低于18mg/m³时，可使回转窑转速加快，同时可以降低窑膛温度，并缩短上述三分之二的等温段，以提高效率。其它流程及操作与实施例1相同。