基于高温固体氧化物电解池的甲烷化系统及其运行方法与流程

本发明涉及能源利用，尤其涉及一种基于高温固体氧化物电解池的甲烷化系统及其运行方法。

背景技术：

1、现有的soec甲烷化系统由风光发电装置、高温固体氧化物电解池、储氢罐、甲烷化装置等装置组成，风光发电装置将风能、太阳能转换为电能给高温固体氧化物电解池供电，高温固体氧化物电解池将水电解得到氢气，将氢气输送到甲烷化装置，甲烷化装置利用氢气和二氧化碳进行甲烷化反应，得到甲烷并输出。但是，由于风光发电装置生成的电能容易发生波动，从而影响高温固体氧化物电解池的工作，使得高温固体氧化物电解池输出氢气量波动，进而使得甲烷化装置生成的甲烷也波动较大，导致整个系统波动较大，能量损失较多。

技术实现思路

1、本发明为了解决上述技术问题，提供了一种基于高温固体氧化物电解池的甲烷化系统及其运行方法，其能量利用率高，减少了系统波动，使得系统运行平稳，系统安全性提高。

2、为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、本发明的一种基于高温固体氧化物电解池的甲烷化系统，包括风光发电装置、原料气供应装置、高温固体氧化物电解池、氢水分离器、主储氢罐、备用储氢罐、甲烷化装置、二氧化碳供应装置、水氢混合装置，所述甲烷化装置上设有水冷换热器，所述风光发电装置的电能输出端与高温固体氧化物电解池的电源端电连接，所述原料气供应装置的出气端与高温固体氧化物电解池的第一进气端连接，所述高温固体氧化物电解池的出气端与氢水分离器的进气端连接，所述氢水分离器的氢气输出端分别与主储氢罐的第一进气端、备用储氢罐的进气端连接，所述主储氢罐的出气端与甲烷化装置的氢气进气端连接，所述二氧化碳供应装置的出气端与甲烷化装置的二氧化碳进气端连接，所述备用储氢罐的第一出气端与水氢混合装置的氢气进气端连接，所述备用储氢罐的第二出气端与主储氢罐的第二进气端连接，所述水冷换热器的水蒸汽输出端与水氢混合装置的水蒸汽输入端连接，所述水氢混合装置的出气端与高温固体氧化物电解池的第二进气端连接。

4、在本方案中，风光发电装置包括风力发电装置和光伏发电装置，风力发电装置将风能转换为电能，光伏发电装置将太阳能转换为电能，风光发电装置产生电能e给高温固体氧化物电解池供电。

5、风光发电装置发出的电能e分为五档：

6、第一档：e≥a1，电力充足，能够有效支撑高温固体氧化物电解池的高保温和正常电解；

7、第二档：a2≤e＜a1，电力能支撑高温固体氧化物电解池的高保温(即正常工作温度，比如750℃)，但不支持电解；

8、第三档：a3≤e＜a2，电力能支撑高温固体氧化物电解池的低保温(400～500℃)和低效率电解；

9、第四档：a4≤e＜a3，电力仅能支撑高温固体氧化物电解池的更低温度的保温(200～300℃)，不支持电解；

10、第五档：e＜a4，电力过低，第四档的保温也不能支撑，高温固体氧化物电解池进入停机状态。

11、当电能e为第一档时：电力充足，高温固体氧化物电解池正常工作，进行充分高效的电解，原料气供应装置输送水蒸汽和氢气组成的原料气到高温固体氧化物电解池，高温固体氧化物电解池对输入的原料气进行电解，输出水蒸汽和氢气组成的混合气到氢水分离器，氢水分离器将水蒸汽和氢气分离，将分离出来的氢气输送到主储氢罐存储，当主储氢罐存储满氢气时，将分离出来的氢气输送到备用储氢罐存储，主储氢罐输送氢气到甲烷化装置，二氧化碳供应装置输送二氧化碳到甲烷化装置，甲烷化装置利用氢气和二氧化碳进行甲烷化反应，得到甲烷并输出；

12、备用储氢罐体积小于主储氢罐且备用储氢罐的储存压力高于主储氢罐，可以保证在主储氢罐氢气量不够时及时补充，电能e为第一档时主储氢罐氢气量充足，甲烷化反应可正常进行，主储氢罐消耗的氢气可以及时的从soec电解得到补充；

13、当备用储氢罐存储的氢气超过设定值时，备用储氢罐输送氢气到水氢混合装置，甲烷化装置上的水冷换热器内的水吸收甲烷化反应产生的热量变成水蒸汽输送到水氢混合装置，水氢混合装置将输入的水蒸汽和氢气混合得到原料气并输送到高温固体氧化物电解池，当水氢混合装置能够输出到高温固体氧化物电解池的原料气流量达到设定值g时，原料气供应装置停止工作，由水氢混合装置独立给高温固体氧化物电解池输送原料气，g为高温固体氧化物电解池工作在高保温正常电解模式下需要的原料气流量，即由水氢混合装置替代原料气供应装置供应原料气，节省能量。

14、高温固体氧化物电解池正常工作在600～800℃；甲烷化装置中的反应为二氧化碳加氢甲烷化反应，为放热反应，工作在300～400℃的温度。甲烷化装置进行甲烷化反应时，需要水冷换热器换热带走甲烷化反应放出的热量，水冷换热器内的水吸热变为水蒸汽，水蒸汽可与备用储氢罐输出的氢气混合形成高温固体氧化物电解池电解所需的原料气。高温固体氧化物电解池电解氢气的原料气为水氢混合物，电解形成的也是水氢混合物，只是氢的比例提高，要进入储氢罐之前，需要进行氢水分离，分离后的氢气进入备用储氢罐进行循环。原料气选择水氢混合物可以避免高温固体氧化物电解池的腐蚀。

15、在启动时需要原料气供应装置供应原料气，原料气供应装置接入外部氢，外部氢与原料气供应装置中汽化器汽化的水蒸汽混合形成原料气，高温固体氧化物电解池启动后开始正常工作，电解后的水氢混合物进行水氢分离，分离的氢气进入主储氢罐和备用储氢罐，当备用储氢罐的氢气能够满足电解原料用氢要求，原料气供应装置停止输出氢气，由备用储氢罐作为氢源输送氢气到水氢混合装置，甲烷化装置上的水冷换热器内的水吸收甲烷化反应产生的热量变成水蒸汽输送到水氢混合装置，水氢混合装置将输入的水蒸汽和氢气混合得到原料气并输送到高温固体氧化物电解池。根据氢水比要求，通过流量计向高温固体氧化物电解池输入从备用储氢罐出来的氢x nm3/h，此时电解反应生成的氢水混合物经过氢水分离器分别向主储氢罐和备用储氢罐输入，输入备用储氢罐的量为x nm3/h，以保持备用储氢罐的稳定。

16、当电能e为第二档时：高温固体氧化物电解池保温在高温度，但是不进行电解，此时针对的是高温固体氧化物电解池短期风光电力不足，但很快会有很大的电解需求的情况，需要及时的响应电解需求。此时，甲烷化反应不停的消耗主储氢罐的氢气但是又得不到补充，所以需要启动备用储氢罐，由于备用储氢罐的压力高于主储氢罐，氢气可被压入主储氢罐以补充消耗的氢气，以满足高温固体氧化物电解池风光响应需求的同时，避免甲烷化装置过多的波动。

17、当电能e为第三档时：高温固体氧化物电解池进行低保温(400～500℃)和低效率电解，主储氢罐消耗的氢气可以通过2条路线补充，一是备用储氢罐输送的氢气，二是高温固体氧化物电解池低效率电解产生的氢气，两条补充路线，可以延长主储氢罐的使用时间，以更多的减少甲烷化装置的波动。

18、当电能e为第四档时：高温固体氧化物电解池进行更低温度的保温(200～300℃)且不电解，高温固体氧化物电解池已不具有对主储氢罐出氢的能力，主储氢罐停止输送氢气到甲烷化装置，甲烷化装置进入待机保温状态，不产生甲烷。

19、当电能e为第五档时：高温固体氧化物电解池进入停机状态，高温固体氧化物电解池重新启动需要较长的时间，甲烷化装置进入待机保温状态，不产生甲烷。

20、在本方案中，备用储氢罐除了作为主储氢罐的补充外，还作为电解原料的补充，从而减少系统的波动，从而提高系统的寿命。备用储氢罐在主储氢罐的氢气不足时给主储氢罐补气，主储氢罐的氢气不足可能有以下原因：甲烷化催化剂性能高于设定值，使得通入甲烷化装置的氢气会过快的消耗，高温固体氧化物电解池来不及补充；或者，甲烷化反应正常进行，但高温固体氧化物电解池性能下降，产生的氢气不够甲烷化反应消耗。

21、作为优选，所述基于高温固体氧化物电解池的甲烷化系统还包括电化学储能装置，所述电化学储能装置与风光发电装置的电能输出端电连接。当电能e为第二档时，如果电能e大于高温固体氧化物电解池工作在高保温不电解模式消耗的电能时，风光发电装置将多余的电能存储到电化学储能装置。

22、作为优选，所述原料气供应装置用于给高温固体氧化物电解池供应原料气，所述原料气由水蒸汽和氢气组成。

23、作为优选，所述水氢混合装置的氢气进气端设置有用于控制氢气进气量的第一流量计，所述水氢混合装置的水蒸汽输入端设置有用于控制水蒸汽进气量的第二流量计。

24、本发明的一种基于高温固体氧化物电解池的甲烷化系统的运行方法，用于上述的一种基于高温固体氧化物电解池的甲烷化系统，包括以下步骤：

25、风光发电装置产生电能e给高温固体氧化物电解池供电，当e≥a1时，执行运行模式一；当a2≤e＜a1且备用储氢罐存储有氢气时，执行运行模式二；当a2≤e＜a1且备用储氢罐没有存储氢气时，执行运行模式三；当a3≤e＜a2时，执行运行模式三；当a4≤e＜a3时，执行运行模式四；当e＜a4时，执行运行模式五，a4＜a3＜a2＜a1；

26、所述运行模式一为：高温固体氧化物电解池工作在高保温正常电解模式，原料气供应装置输送水蒸汽和氢气组成的原料气到高温固体氧化物电解池，高温固体氧化物电解池对输入的原料气进行电解，输出水蒸汽和氢气组成的混合气到氢水分离器，氢水分离器将水蒸汽和氢气分离，将分离出来的氢气输送到主储氢罐存储，当主储氢罐存储满氢气时，将分离出来的氢气输送到备用储氢罐存储，主储氢罐输送氢气到甲烷化装置，二氧化碳供应装置输送二氧化碳到甲烷化装置，甲烷化装置利用氢气和二氧化碳进行甲烷化反应，得到甲烷并输出；

27、当备用储氢罐存储的氢气超过设定值时，备用储氢罐输送氢气到水氢混合装置，甲烷化装置上的水冷换热器内的水吸收甲烷化反应产生的热量变成水蒸汽输送到水氢混合装置，水氢混合装置将输入的水蒸汽和氢气混合得到原料气并输送到高温固体氧化物电解池；

28、所述运行模式二为：高温固体氧化物电解池工作在高保温不电解模式，高温固体氧化物电解池不产生氢气，主储氢罐输送氢气到甲烷化装置，备用储氢罐向主储氢罐输送氢气，二氧化碳供应装置输送二氧化碳到甲烷化装置，甲烷化装置利用氢气和二氧化碳进行甲烷化反应，得到甲烷并输出；

29、所述运行模式三为：高温固体氧化物电解池工作在低保温低效电解模式，原料气供应装置输送水蒸汽和氢气组成的原料气到高温固体氧化物电解池，高温固体氧化物电解池对输入的原料气进行电解，输出水蒸汽和氢气组成的混合气到氢水分离器，氢水分离器将水蒸汽和氢气分离，将分离出来的氢气输送到主储氢罐，如果备用储氢罐存储有氢气，则备用储氢罐向主储氢罐输送氢气，主储氢罐输送氢气到甲烷化装置，二氧化碳供应装置输送二氧化碳到甲烷化装置，甲烷化装置利用氢气和二氧化碳进行甲烷化反应，得到甲烷并输出；

30、所述运行模式四为：高温固体氧化物电解池工作在低保温不电解模式，高温固体氧化物电解池不产生氢气，主储氢罐停止输送氢气到甲烷化装置，甲烷化装置进入待机保温状态，不产生甲烷；

31、所述运行模式五为：高温固体氧化物电解池进入停机状态，甲烷化装置进入待机保温状态。

32、作为优选，所述运行模式一还包括：当水氢混合装置能够输出到高温固体氧化物电解池的原料气流量达到设定值g时，原料气供应装置停止工作，由水氢混合装置独立给高温固体氧化物电解池输送原料气，g为高温固体氧化物电解池工作在高保温正常电解模式下需要输入的原料气流量。

33、作为优选，当甲烷化装置出现短期故障无法进行甲烷化反应时，执行以下步骤：

34、查询系统当前所处的运行模式，

35、当系统处于运行模式一时，判断主储氢罐和备用储氢罐是否都存储满氢气，如果是，则将系统切换至故障模式二，否则，将系统切换至故障模式一；

36、当系统处于运行模式二时，将系统切换至故障模式二；

37、当系统处于运行模式三时，将系统切换至故障模式三；

38、当系统处于运行模式四时，将系统切换至故障模式四；

39、当系统处于运行模式五时，将系统切换至故障模式五；

40、所述故障模式一为：高温固体氧化物电解池工作在高保温正常电解模式，原料气供应装置输送水蒸汽和氢气组成的原料气到高温固体氧化物电解池，高温固体氧化物电解池对输入的原料气进行电解，输出水蒸汽和氢气组成的混合气到氢水分离器，氢水分离器将水蒸汽和氢气分离，将分离出来的氢气输送到主储氢罐存储，当主储氢罐存储满氢气时，将分离出来的氢气输送到备用储氢罐存储，主储氢罐停止输送氢气到甲烷化装置；

41、所述故障模式二为：高温固体氧化物电解池工作在高保温不电解模式，高温固体氧化物电解池不产生氢气，主储氢罐停止输送氢气到甲烷化装置，当风光发电装置产生电能e大于高温固体氧化物电解池工作在高保温不电解模式消耗的电能时，风光发电装置将多余的电能存储到电化学储能装置；

42、所述故障模式三为：高温固体氧化物电解池工作在低保温低效电解模式，原料气供应装置输送水蒸汽和氢气组成的原料气到高温固体氧化物电解池，高温固体氧化物电解池对输入的原料气进行电解，输出水蒸汽和氢气组成的混合气到氢水分离器，氢水分离器将水蒸汽和氢气分离，将分离出来的氢气输送到主储氢罐，当主储氢罐存储满氢气时，将分离出来的氢气输送到备用储氢罐存储，主储氢罐停止输送氢气到甲烷化装置；

43、所述故障模式四为：高温固体氧化物电解池工作在低保温不电解模式，高温固体氧化物电解池不产生氢气，主储氢罐停止输送氢气到甲烷化装置；

44、所述故障模式五为：高温固体氧化物电解池进入停机状态。

45、作为优选，当甲烷化装置出现长期故障无法进行甲烷化反应时，整个系统停止工作。

46、作为优选，所述运行模式一中通过第一流量计控制水氢混合装置的氢气进气量，通过第二流量计控制水氢混合装置的水蒸汽进气量，从而使得水氢混合装置输出的原料气中氢气与水蒸汽的比例与原料气供应装置输出的原料气中氢气与水蒸汽的比例一致。

47、本发明的有益效果是：(1)启动时由原料气供应装置供应原料气，当备用储氢罐的氢气能够满足电解原料用氢要求，原料气供应装置停止工作，由备用储氢罐作为氢源输送氢气到水氢混合装置，甲烷化装置上的水冷换热器内的水吸收甲烷化反应产生的热量变成水蒸汽输送到水氢混合装置，水氢混合装置将输入的水蒸汽和氢气混合得到原料气并输送到高温固体氧化物电解池，从而提高了能量利用率。(2)备用储氢罐除了作为主储氢罐的补充外，还作为电解原料的补充，从而减少系统的波动，使得系统运行平稳，提高了能量利用率和系统寿命。(3)根据风光发电装置产生的电能变化对应调整高温固体氧化物电解池的运行模式，从而减少系统的波动，使得系统运行平稳，提高了能量利用率和系统寿命。(4)原料气选择水氢混合物可以避免高温固体氧化物电解池的腐蚀。