改性hcng燃料制備系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種改性HCNG燃料制備系統(tǒng)，包括制氫裝置、由作物秸稈制取沼氣的沼氣制造裝置、由沼氣提純甲烷的沼氣提純裝置及將制取的氫氣和提取的甲烷制成改性HCNG燃料的燃料制取裝置，所述制氫裝置通過氫氣排氣管與燃料制取裝置連通，所述沼氣制造裝置通過沼氣排氣管與沼氣提純裝置連通，所述沼氣提純裝置通過甲烷排氣管與燃料制取裝置連通。本實用新型改性HCNG燃料制備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低，用其制備出的燃料混合氣燃燒速率高，可提高發(fā)動機的燃燒和排放性能，有效降低了溫室氣體的排放。
【專利說明】
改性HCNG燃料制備系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本實用新型涉及清潔燃料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種改性HCNG燃料制備系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)有技術(shù)中，將電力輸送到偏遠地區(qū)的成本是非常高昂的，且非常容易受到氣候 的影響，我國是能源緊缺國，但是有廣袤的農(nóng)村，大約年產(chǎn)農(nóng)作物秸桿7億噸之多，加上工業(yè) 伴生氣、山地、湖泊綠色植物作物，年產(chǎn)植物秸桿大于10億噸，但是在偏遠地區(qū)的農(nóng)作物秸 桿大量地被用于燒火做飯或取暖，針對這種情況，現(xiàn)有的專利技術(shù)ZL201320540192.6將農(nóng) 作物秸桿加工處理生成沼氣，再經(jīng)過提純，使沼氣達到純凈甲烷的標準，由于甲烷在稀燃時 其火焰?zhèn)鞑ニ俾事?，因此，使用該專利技術(shù)(制出甲烷）用于甲烷發(fā)動機存在低負荷時發(fā)動 機熱效率低和未燃碳氫排放高等問題。 【實用新型內(nèi)容】
[0003] 本實用新型的目的在于提供一種改性HCNG燃料制備系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡單，成本低，用 其制備出的燃料混合氣燃燒速率高，可提高發(fā)動機的燃燒和排放性能，有效降低了溫室氣 體的排放。
[0004] 為了達到上述目的，本實用新型的技術(shù)解決方案是:一種改性HCNG燃料制備系統(tǒng)， 其特征在于，包括制氫裝置、由作物秸桿制取沼氣的沼氣制造裝置、由沼氣提純甲烷的沼氣 提純裝置及將制取的氫氣和提取的甲烷制成改性HCNG燃料的燃料制取裝置，所述制氫裝置 通過氫氣排氣管與燃料制取裝置連通，所述沼氣制造裝置通過沼氣排氣管與沼氣提純裝置 連通，所述沼氣提純裝置通過甲烷排氣管與燃料制取裝置連通。
[0005] 本實用新型改性HCNG燃料制備系統(tǒng)，其中所述制氫裝置包括裝有燃料電池和水的 制氫器和用于給燃料電池通電的電源，所述制氫器與氫氣排氣管連通。
[0006] 本實用新型改性HCNG燃料制備系統(tǒng)，其中所述燃料電池為PEM、S0FC、DMFC燃料電 池。
[0007] 本實用新型改性HCNG燃料制備系統(tǒng)，其中所述沼氣制造裝置包括發(fā)酵罐，所述發(fā) 酵罐內(nèi)設(shè)置有無電機撓動裝置，所述發(fā)酵罐的上端連接有多個秸桿沼液混料輸入管，多個 所述秸桿沼液混料輸入管從發(fā)酵罐上端穿入發(fā)酵罐內(nèi)，所述發(fā)酵罐的下端連接沼液輸出 管，所述沼液輸出管穿出發(fā)酵罐后與多個作物秸桿沼液混料輸入管連通，所述沼液輸出管 上安裝有開關(guān)閥和沼液指標檢測調(diào)節(jié)裝置，所述發(fā)酵罐的上端連接有所述沼氣排氣管。
[0008] 本實用新型改性HCNG燃料制備系統(tǒng)，其中所述沼氣提純裝置包括用于去除硫化氫 的第一處理裝置和用于去除二氧化碳的第二處理裝置，所述第一處理裝置包括兩個串聯(lián)的 吸附床，兩個所述吸附床上均設(shè)有活性炭，兩個所述吸附床與所述沼氣排氣管連通，所述沼 氣排氣管上安裝有第一栗，兩個所述吸附床連接有第一排氣管，所述第一排氣管與第二處 理裝置連通。
[0009] 本實用新型改性HCNG燃料制備系統(tǒng)，其中所述第二處理裝置包括化學劑吸收塔， 所述第一處理裝置的第一排氣管與化學劑吸收塔的內(nèi)腔底部連通，所述化學劑吸收塔的內(nèi) 腔底部通過第一管道與快速蒸發(fā)器連通，所述第一管道穿過快速蒸發(fā)器后與萃取塔內(nèi)腔上 部連通，所述第一管道上位于化學劑吸收塔與快速蒸發(fā)器之間的部位安裝有第二栗，所述 萃取塔的內(nèi)腔底部通過第二管道與快速蒸發(fā)器連通，所述第二管道穿過快速蒸發(fā)器、冷卻 器后與化學劑吸收塔的內(nèi)腔上部連通，所述第二管道上位于快速蒸發(fā)器與冷卻器之間的部 位安裝有第三栗，所述化學劑吸收塔的上端及萃取塔的上端分別連接有甲烷排氣管。
[0010]采用上述方案后，本實用新型改性HCNG燃料制備系統(tǒng)具有以下有益效果：結(jié)構(gòu)簡 單，成本低，用其制備出的燃料混合氣燃燒速率高，可提高發(fā)動機的燃燒和排放性能，有效 降低了溫室氣體的排放。
【附圖說明】
[0011] 圖1為本實用新型改性HCNG燃料制備系統(tǒng)的實施例結(jié)構(gòu)示意圖；
[0012] 圖2為本實用新型改性HCNG燃料制備系統(tǒng)的制氫裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013] 圖3為本實用新型改性HCNG燃料制備系統(tǒng)的沼氣制造裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014] 圖4為本實用新型的沼氣提純裝置的第一處理裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015] 圖5為本實用新型的沼氣提純裝置的第二處理裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016] 圖6為用本實用新型改性HCNG燃料制備系統(tǒng)制備燃料的工藝流程示意圖。
【具體實施方式】
[0017] 下面結(jié)合具體實施例，進一步闡述本實用新型。但這些實施例僅限于說明本實用 新型而不用于限制本實用新型的保護范圍。
[0018] 如圖1所示，本實用新型改性HCNG燃料制備系統(tǒng)，包括制氫裝置1、由秸桿制取沼氣 的沼氣制造裝置2、由沼氣提純甲烷的沼氣提純裝置3及將制取的氫氣和提取的甲烷制成改 性HCNG燃料的燃料制取裝置4，制氫裝置1通過氫氣排氣管5與燃料制取裝置4連通，沼氣制 造裝置2通過沼氣排氣管6與沼氣提純裝置3連通，沼氣提純裝置3通過甲烷排氣管7與燃料 制取裝置4連通。
[0019] 如圖2所示，制氫裝置1包括裝有燃料電池和水的制氫器8和用于給燃料電池通電 的電源9，此處燃料電池可以為PEM、S0FC、DMFC等燃料電池，通過燃料電池的特殊化學功能 裂解水制取氫氣，制氫器8與氫氣排氣管5連通。
[0020] 如圖3所示，沼氣制造裝置2包括發(fā)酵罐10,發(fā)酵罐10內(nèi)設(shè)置無電機撓動裝置14,發(fā) 酵罐10的上端連接有多個作物秸桿沼液混料輸入管11，多個作物秸桿沼液混料輸入管11從 發(fā)酵罐10的上端穿入發(fā)酵罐10內(nèi)，發(fā)酵罐10的下端連接沼液輸出管12,沼液輸出管12穿出 發(fā)酵罐10后與多個作物秸桿沼液混料輸入管11連通，沼液輸出管12上安裝有開關(guān)閥、沼液 品質(zhì)檢測裝置、沼液指標檢測調(diào)節(jié)裝置13,發(fā)酵罐10的上端連接有所述沼氣排氣管6。利用 發(fā)酵罐10內(nèi)沼液排出，加入新的秸桿原料打入發(fā)酵罐10頂部下流，加入無電機撓動裝置14 的撓動，省去了電機，而且加料均勻，產(chǎn)氣比1:1.2，單個發(fā)酵罐可以1000m 3、2000m3、3000m3、 5000m3和6000m 3:全天全年持續(xù)生產(chǎn)，根據(jù)地區(qū)不同加進太陽能加溫，在高寒地區(qū)同樣連續(xù) 生產(chǎn)，結(jié)構(gòu)合理，安全可靠，適合我國廣大農(nóng)村建造。
[0021] 沼氣提純裝置3包括用于去除硫化氫的第一處理裝置15和用于去除二氧化碳的第 二處理裝置16,如圖4所示，第一處理裝置15包括兩個串聯(lián)的吸附床17,兩個吸附床17上均 設(shè)有活性炭，兩個吸附床17與沼氣排氣管6連通，沼氣排氣管6上安裝有第一栗18,兩個吸附 床17連接有第一排氣管19,第一排氣管19與第二處理裝置16連通，該第一處理裝置15中采 用兩個吸附床17串聯(lián)工作時，在第一個吸附床17吸附硫化氫時，另一個吸附床17并不起作 用，當?shù)谝粋€吸附床17的硫化氫吸附飽和時，硫化氫會穿透進入第二個吸附床17被吸附，當 第一個吸附床17產(chǎn)生出氣體中的硫化氫含量等于進氣中硫化氫含量時，更換第一個吸附床 17的活性炭，更換后新的活性炭床作為第二個吸附床繼續(xù)工作。這種工作方式能夠最大限 度地利用活性炭進行吸附，不間斷地吸附硫化氫，保證處理后的沼氣中硫化氫含量小于 lppm〇
[0022] 如圖5所示，第二處理裝置16包括化學劑吸收塔20,第一處理裝置15的第一排氣管 19與化學劑吸收塔20的內(nèi)腔底部連通，化學劑吸收塔20的內(nèi)腔底部通過第一管道21與快速 蒸發(fā)器22連通，第一管道21穿過快速蒸發(fā)器22后與萃取塔23內(nèi)腔上部連通，第一管道21上 位于化學劑吸收塔20與快速蒸發(fā)器22之間的部位安裝有第二栗24,萃取塔23的內(nèi)腔底部通 過第二管道25與快速蒸發(fā)器22連通，第二管道25穿過快速蒸發(fā)器22、冷卻器26后與化學劑 吸收塔20的內(nèi)腔上部連通，第二管道25上位于快速蒸發(fā)器22與冷卻器26之間的部位安裝有 第三栗27,化學劑吸收塔20的上端及萃取塔23的上端分別連接有所述甲烷排氣管7。
[0023] 利用第二處理裝置16即化學劑吸附法去除二氧化碳時，需首先對沼氣進行加壓， 加壓后的沼氣進入化學劑吸收塔20的內(nèi)腔下部，并向內(nèi)腔上部與半濃化學劑和稀化學劑在 吸收塔內(nèi)的塔板上形成逆流，為有效去除二氧化碳，將化學劑吸收塔20分成2個區(qū)段:二氧 化碳濃度高的氣體在塔下部，與中等濃度的化學劑接觸，能去除大量的二氧化碳;濃化學劑 從化學劑吸收塔20底部送到快速蒸發(fā)器22內(nèi)，在快速蒸發(fā)器22內(nèi)由于減壓，去除大量的二 氧化碳，部分再生溶劑(半濃化學劑)從快速蒸發(fā)器22進入到化學劑吸收塔20的較上部位， 進一步和含二氧化碳的氣流接觸。由此循環(huán)使氣體二氧化碳降低到設(shè)計要求水平。得到純 凈的二氧化碳，用于農(nóng)作物肥料和工業(yè)原料。
[0024] 如圖6所示，用本實用新型改性HCNG燃料制備系統(tǒng)制備燃料的方法包括如下步驟：
[0025] S1、制造氫氣，此步驟通過制氫裝置1制氫，通過給制氫器8內(nèi)的燃料電池通電，經(jīng) 燃料電池裂解水制氫，燃料電池為PEM、S0FC、DMFC燃料電池；
[0026] 另外還可以通過沼氣制氫，以沼氣為原料，用水蒸氣轉(zhuǎn)化制取富氫混合氣，應(yīng)用的 是合成氨生產(chǎn)領(lǐng)域成熟的一段爐造氣工藝，該工藝包含兩個步驟:沼氣脫硫和烴類的蒸汽 轉(zhuǎn)化，脫硫是在一定的壓力和溫度下將原料沼氣通過氧化錳及氧化鋅脫硫劑，將其中的有 機硫和無機硫脫至轉(zhuǎn)化催化劑所允許的〇. 2 X 10-6以下的水平，烴類的蒸汽轉(zhuǎn)化是以水蒸氣 為氧化劑，在鎳催化劑的作用下發(fā)生如下主要反應(yīng)，生成富氫的混合氣體：
[0027] CH4+H2O ?-Η：Ο+3Η2-210 kJ · mol-1
[0028] CO + H20 ?-?C〇2+H2+43.5 kJ · mol'1
[0029] 以上反應(yīng)溫度在800°C以上，兩個反應(yīng)的總熱效應(yīng)為強吸熱，熱量通過燃燒沼氣提 供，降低壓力有利于提高甲烷的轉(zhuǎn)化率，但為了滿足變壓吸附提純的需要和純氫產(chǎn)品的壓 力要求，以及考慮設(shè)備的經(jīng)濟性，通?？刂品磻?yīng)壓力在1.5MPa以上。通過變壓吸附裝置可獲 得99.9%~99.999%的純氫H2的收率可達70%以上；
[0030] 應(yīng)用光觸媒技術(shù)制氫。光觸媒(PH0T0CATALYSIS)是光(Photo = Light])+觸媒(催 化劑）（catalyst)的合成詞。光觸媒是一種在光的照射下，自身不起變化，卻可以促進化學 反應(yīng)的物質(zhì)，光觸媒是利用自然界存在的光能轉(zhuǎn)換成為化學反應(yīng)所需的能量，來產(chǎn)生催化 作用，使周圍之氧氣及水分子激發(fā)成極具氧化力的Ο?Γ及0 2_自由負離子。幾乎可分解所有對 人體和環(huán)境有害的有機物質(zhì)及部分無機物質(zhì)，不僅能加速反應(yīng)，亦能運用自然界的定侓，不 造成資源浪費與附加污染形成。
[0031 ] S2、制造沼氣，將沼氣提純，生產(chǎn)出純凈甲烷。沼氣制造是通過沼氣制造裝置2制造 出，該沼氣制造裝置2的發(fā)酵罐10內(nèi)加無電機撓動裝置14,利用發(fā)酵罐10內(nèi)沼液排出，加入 新的秸桿原料與之混合后打入發(fā)酵罐頂部往下流入發(fā)酵罐中，產(chǎn)生全方位撓動，省去電機， 其加料均勻，產(chǎn)氣比1:1.2;單體發(fā)酵罐可以1000m 3、2000m3、3000m3、5000m3和6000m 3;全天全 年持續(xù)生產(chǎn)，根據(jù)地區(qū)不同加進太陽能加溫，在高寒地區(qū)同樣連續(xù)生產(chǎn)，沼氣是一種混合氣 體，主要成分是甲烷(CH4)和二氧化碳(C0 2)。甲烷占55%-70%，二氧化碳占30%-45%，還有 少量氫、一氧化碳、硫化氫、氧和氮等氣體，將上述制造出的沼氣進行提純，去除二氧化碳 (C0 2)和硫化氫，本實用新型采用第一處理裝置15去除硫化氫，該第一處理裝置15的兩個串 聯(lián)的吸附床17上設(shè)置有活性炭，活性炭在常溫下具有加速硫化氫氧化為硫的催化作用并使 之被吸附。其化學反應(yīng):2H 2S+02 = 2S+2H20，吸附在活性炭上的硫可用質(zhì)量分數(shù)為12 % -14 % 的硫化銨溶液萃取活性炭的游離硫而得到回收。使用第一處理裝置15不間斷地吸附硫化 氫，保證反應(yīng)后的沼氣中硫化氫的含量小于lppm;采用第二處理裝置16去除二氧化碳采用 化學劑吸附法，化學劑吸附法既可以除掉二氧化碳，又可以除掉硫化氫，經(jīng)過去除硫化氫和 二氧化碳處理后的沼氣的主要成分是水飽和的甲烷，將提純后的氣體加壓再進行干燥，即 可得到所需的純凈甲烷。
[0032] S3、將氫氣和純凈甲烷按比例混合，氫氣和純凈甲烷的混合比例可以為1:9或2:8。 [0033]通過本實用新型改性HCNG燃料制備系統(tǒng)制備出的改性HCNG (可再生混氫天然氣） 燃料具有以下優(yōu)點：
[0034] 1、用本實用新型將提取的氫氣與提純的甲烷氣混合制取改性HCNG燃料，其工藝簡 單，成本低，在甲烷氣體中摻入氫氣可以提高混合氣的燃燒速率，點火可以更靠近發(fā)動機上 止點，減少壓縮負功，提高燃燒定容度，從而提高熱效率；
[0035] 2、用本實用新型制取的燃料是在甲烷中加入氫氣，提高了燃料的H/C比，燃料本身 減少了 C0、C02和碳氫化合物的生成，有效降低了溫室氣體的排放；
[0036] 3、用本實用新型制取的燃料中氫氣的點火能量低，無需高能點火系統(tǒng)；
[0037] 4、用本實用新型制取的燃料中氫氣的可燃空燃比界限較寬，稀薄燃燒極限達 0.068(相對燃空比），淬熄距離只有甲烷氣體的30 %，當少量氫氣摻入天然氣中時，可以拓 寬混合氣的可燃混合比例，實現(xiàn)稀薄燃燒，使發(fā)動機負荷調(diào)節(jié)方式轉(zhuǎn)化為質(zhì)調(diào)節(jié)方式，使熱 效率大幅提高，降低NOx和HC的排放，此外，由于稀燃造成燃燒溫度低，從而使發(fā)動機排溫較 低，有效地提尚了發(fā)動機的可靠性；
[0038] 5、用本實用新型制取的燃料中氫氣具有很低的體積能量密度，因此在甲烷中加入 適當?shù)臍錃?，比純氫氣具有更高的體積熱量。
[0039] 以上所述實施例僅僅是對本實用新型的優(yōu)選實施方式進行描述，并非對本實用新 型的范圍進行限定，在不脫離本實用新型設(shè)計精神的前提下，本領(lǐng)域普通工程技術(shù)人員對 本實用新型的技術(shù)方案作出的各種變形和改進，均應(yīng)落入本實用新型的權(quán)利要求書確定的 保護范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種改性HCNG燃料制備系統(tǒng)，其特征在于，包括制氫裝置、由作物秸桿制取沼氣的沼 氣制造裝置、由沼氣提純甲烷的沼氣提純裝置及將制取的氫氣和提取的甲烷制成改性HCNG 燃料的燃料制取裝置，所述制氫裝置通過氫氣排氣管與燃料制取裝置連通，所述沼氣制造 裝置通過沼氣排氣管與沼氣提純裝置連通，所述沼氣提純裝置通過甲烷排氣管與燃料制取 裝置連通。2. 如權(quán)利要求1所述的改性HCNG燃料制備系統(tǒng)，其特征在于，所述制氫裝置包括裝有燃 料電池和水的制氫器和用于給燃料電池通電的電源，所述制氫器與氫氣排氣管連通。3. 如權(quán)利要求2所述的改性H C N G燃料制備系統(tǒng)，其特征在于，所述燃料電池為P E M、 SOFC、DMFC燃料電池。4. 如權(quán)利要求1所述的改性HCNG燃料制備系統(tǒng)，其特征在于，所述沼氣制造裝置包括發(fā) 酵罐，所述發(fā)酵罐內(nèi)設(shè)置有無電機撓動裝置，所述發(fā)酵罐的上端連接有多個秸桿沼液混料 輸入管，多個所述秸桿沼液混料輸入管從發(fā)酵罐上端穿入發(fā)酵罐內(nèi)，所述發(fā)酵罐的下端連 接沼液輸出管，所述沼液輸出管穿出發(fā)酵罐后與多個作物秸桿沼液混料輸入管連通，所述 沼液輸出管上安裝有開關(guān)閥和沼液指標檢測調(diào)節(jié)裝置，所述發(fā)酵罐的上端連接有所述沼氣 排氣管。5. 如權(quán)利要求1所述的改性HCNG燃料制備系統(tǒng)，其特征在于，所述沼氣提純裝置包括用 于去除硫化氫的第一處理裝置和用于去除二氧化碳的第二處理裝置，所述第一處理裝置包 括兩個串聯(lián)的吸附床，兩個所述吸附床上均設(shè)有活性炭，兩個所述吸附床與所述沼氣排氣 管連通，所述沼氣排氣管上安裝有第一栗，兩個所述吸附床連接有第一排氣管，所述第一排 氣管與第二處理裝置連通。6. 如權(quán)利要求5所述的改性HCNG燃料制備系統(tǒng)，其特征在于，所述第二處理裝置包括化 學劑吸收塔，所述第一處理裝置的第一排氣管與化學劑吸收塔的內(nèi)腔底部連通，所述化學 劑吸收塔的內(nèi)腔底部通過第一管道與快速蒸發(fā)器連通，所述第一管道穿過快速蒸發(fā)器后與 萃取塔內(nèi)腔上部連通，所述第一管道上位于化學劑吸收塔與快速蒸發(fā)器之間的部位安裝有 第二栗，所述萃取塔的內(nèi)腔底部通過第二管道與快速蒸發(fā)器連通，所述第二管道穿過快速 蒸發(fā)器、冷卻器后與化學劑吸收塔的內(nèi)腔上部連通，所述第二管道上位于快速蒸發(fā)器與冷 卻器之間的部位安裝有第三栗，所述化學劑吸收塔的上端及萃取塔的上端分別連接有甲 烷排氣管。
【文檔編號】C10L3/10GK205528641SQ201520878111
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2015年11月6日
【發(fā)明人】藍鵬, 李絲思
【申請人】藍鵬, 孫武, 李絲思