一种用于分布式设施中的氢能备用发电机组系统的制作方法

1.本发明涉及氢能源发电设备领域，具体涉及一种用于分布式中小型设施中使用氢气进行发电的零碳排备用发电机组系统。


背景技术：

2.由于过高的二氧化碳排放导致的如温室效应、环境污染等危害，全球对于零碳排绿色能源技术需求也与日俱增。然而现今大部分民用设施还在使用高碳排的燃油发电机作为备用发电设备。氢能作为一种来源丰富、绿色低碳、应用广泛的二次能源，正逐步成为全球能源转型发展的重要载体之一。现今全球都在大力发展氢能技术，目标的氢能产业体系要构建涵盖交通、储能、工业等领域的多元氢能应用生态。并且制氢体系要向可再生能源制氢体系为核心的方向发展。而目前所知，氢能技术主要集中在氢质子交换膜燃料电池，其主要的应用领域为重机等大型交通工具的动力源。然而大部分中小型设施中所使用的备用发电设备还在使用燃油发动机或小型燃煤锅炉进行发电。这一设备现阶段还无法使用新型绿色能源进行替代，所以如何利用氢能在分布式中小型设施（如农场、工厂车间或大型商场等）出现断电状况时进行零污染、零碳排的发电技术是推动碳中和目标的核心目标。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服现有技术存在的问题，提供一种用于分布式设施中的氢能备用发电机组系统，规模为50-1000千瓦，系统在分布式中小型设施正常供电失效时立即启动，工作过程实现零污染和零碳排，满足中小型分布式能源供应的市场需求。
4.为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：一种用于分布式设施中的氢能备用发电机组系统，该系统包括：氢气储存单元，用于存储燃烧用氢气；氧气储存单元，用于储存燃烧用氧气；微通道燃烧装置，由多个微通道反应单元并联组成，其连通氢气储存单元和氧气储存单元，用于氢气和氧气的催化无焰燃烧，产生热量；水供应系统，夹套在微通道燃烧装置上并在紧邻区域形成一层水通道，通过瞬时换热使水在通道中迅速转变成高温高压水蒸气；蒸气轮机发电机组，通过微通道燃烧装置连通水供应系统，利用微通道燃烧装置换热形成的高温高压水蒸气驱动蒸气轮机发电机组产生交流电；水蒸气循环单元，分别连通蒸气轮机发电机组和水供应系统，将蒸气轮机发电机组排出的蒸气进行冷却再以液态水的形式循环回水供应系统中再循环。
5.进一步的，所述水供应系统包括有若干个与微通道反应单元一一对应的水供应单元，各个水供应单元分别夹套一个微通道反应单元后并联。
6.进一步的，所述微通道反应单元包括依次层叠设置的单通道反应器、多孔金属膜和多通道燃烧室，所述单通道反应器连通氢气储存单元，用于引入氢气，所述单通道反应器
通过多孔金属膜连通多通道燃烧室，使得氢气穿过多孔金属膜恒速输送进多通道燃烧室，所述多通道燃烧室连通氧气储存单元，用于引入氧气与恒速输送进来的氢气混合无焰催化燃烧。
7.进一步的，所述多通道燃烧室包括有燃烧室，所述燃烧室的正面与多孔金属膜相面对，燃烧室的一端连通燃烧室进气口，燃烧室进气口通过相应管路连通氧气储存单元，燃烧室的另一端连通燃烧室出气口，用于将无焰催化燃烧产生的水蒸气排出。
8.进一步的，所述多孔金属膜上设有催化剂，使得氢气与氧气在常温下发生反应，对多通道燃烧室进行无焰催化燃烧的冷启动。
9.进一步的，所述水供应单元为带夹层的空心管套结构，所述单通道反应器、多孔金属膜和多通道燃烧室夹套于水供应单元的空心腔中，水供应单元的夹层腔隔离并环绕于空心腔，形成水通道，该水通道的一端为物料进口，用于连通水源或水蒸气循环单元，水通道的另一端为物料出口，用于连通蒸气轮机发电机组。
10.进一步的，所述燃烧室出气口连通蒸气轮机发电机组。
11.进一步的，所述多孔金属膜的边缘由多孔金属膜夹套夹持固定。
12.进一步的，所述单通道反应器上设有反应器进气口，反应器进气口通过相应管路连通氢气储存单元。
13.本发明的有益效果是:1）本发明利用微通道燃烧装置的高比表面积提高氢气燃烧效率以及换热面积，并且本发明的夹套式水供应单元可以与微通道燃烧装置进行瞬时换热，进而生产供蒸汽轮机发电用的500-800℃的高温和4-100mpa的高压水蒸气。
14.2）本发明通过不同组数的微通道反应单元并联可以进行50kw至1000kw功率蒸汽发电，整套系统在设施正常供电失效时立即启动，进而配适不同应用场景的分布式中小型设施（如工厂车间、农场、商场等）的备用电能需求。
15.3）本发明燃料原料为氢气与氧气，产物为高温高压水蒸气，工作过程实现了零污染和零碳排，是高效零碳的绿色氢能备用发电技术。
附图说明
16.图1是本发明发电机组系统结构框图；图2 是本发明的微通道燃烧装置截面示意图；图3是本发明的微通道反应单元结构示意图；图4是本发明的多通道燃烧室平面结构图；图5 是本发明的单通道反应器平面结构图；图6 是本发明的水供应单元结构示意图；图7 是本发明的水供应单元夹套微通道反应单元后的截面示意图。
17.图中标号说明：1-微通道燃烧装置，2-燃烧室进气口，3-燃烧室，4-燃烧室出气口，5-多通道燃烧室，6-多孔金属膜夹套，7-单通道反应器，8-反应器进气口，9-多孔金属膜，10-物料出口，11-水供应单元，12-物料进口。
具体实施方式
18.下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。
19.如图1所示，一种用于分布式设施中的氢能备用发电机组系统，规模为50-1000千瓦，该系统包括：氢气储存单元，用于存储燃烧用氢气；氧气储存单元，用于储存燃烧用氧气；微通道燃烧装置1，如图2所示，由多个微通道反应单元并联组成，在50-1000千瓦的规模下，可设置5-15微通道反应单元并联，体积为0.5-2m3，其连通氢气储存单元和氧气储存单元，用于氢气和氧气的催化无焰燃烧，产生热量；水供应系统，夹套在微通道燃烧装置1上并在紧邻区域形成一层水通道，通过瞬时换热使水在通道中迅速转变成高温高压水蒸气；蒸气轮机发电机组，通过微通道燃烧装置1连通水供应系统，利用微通道燃烧装置1换热形成的高温高压水蒸气驱动蒸气轮机发电机组产生220v交流电；水蒸气循环单元，分别连通蒸气轮机发电机组和水供应系统，将蒸气轮机发电机组排出的蒸气进行冷却再以液态水的形式循环回水供应系统中再循环。
20.所述水供应系统包括有若干个与微通道反应单元一一对应的水供应单元11，各个水供应单元11分别夹套一个微通道反应单元后并联。
21.如图3所示，所述微通道反应单元包括依次层叠设置的单通道反应器7、多孔金属膜9和多通道燃烧室5，所述单通道反应器7连通氢气储存单元，用于引入氢气，所述单通道反应器7通过多孔金属膜9连通多通道燃烧室5，使得氢气穿过多孔金属膜9恒速输送进多通道燃烧室5，所述多通道燃烧室5连通氧气储存单元，用于引入氧气与恒速输送进来的氢气混合无焰催化燃烧，在本实施例中，多通道燃烧室5具有100个毫米级尺寸的通道，通道尺寸为1.5 mm*1 mm~1 mm*0.5 mm，该结构尺寸可有效提升氢气燃烧效率。
22.如图4所示，所述多通道燃烧室5包括有燃烧室3，所述燃烧室3的正面与多孔金属膜9相面对，燃烧室3的一端连通燃烧室进气口2，燃烧室进气口2通过相应管路连通氧气储存单元，燃烧室3的另一端连通燃烧室出气口4，用于将无焰催化燃烧产生的水蒸气排出。
23.所述多孔金属膜9上设有催化剂，使得氢气与氧气在常温下发生反应，对多通道燃烧室5进行无焰催化燃烧的冷启动，在本实施例中，多孔金属膜9本身采用ni基不锈钢材料制作，多孔金属膜9上通过电镀负载了pt基高效催化剂，其中催化剂包含pt、gu、co以及ni。
24.如图6和图7所示，所述水供应单元11为带夹层的空心管套结构，所述单通道反应器7、多孔金属膜9和多通道燃烧室5夹套于水供应单元11的空心腔中，水供应单元11的夹层腔隔离并环绕于空心腔，形成水通道，该水通道的一端为物料进口12，用于连通水源或水蒸气循环单元，水通道的另一端为物料出口10，用于连通蒸气轮机发电机组，在本实施例中，位于物料出口10处周围的水通道封死，只让水通道内的水蒸气从物料出口10处出来，便于升压。
25.所述燃烧室出气口4连通蒸气轮机发电机组，这样，燃烧室出气口4和物料出口10能同时接入蒸气轮机发电机组中的蒸气轮机。
26.所述多孔金属膜9的边缘由多孔金属膜夹套6夹持固定，在本实施例中，多孔金属膜夹套6为中空框型结构，从多孔金属膜9的周边将其夹持在中空框内。
27.如图3和图5所示，所述单通道反应器7上设有反应器进气口8，反应器进气口8通过相应管路连通氢气储存单元。
28.本发明工作过程及原理在使用本发明的氢能备用发电机组系统时，包括以下步骤：1）启动水供应单元11，水蒸气循环单元；2）启动氧气储存单元，对多通道燃烧室5进行吹扫10min，随后启动氢气储存单元，将氢气从反应器进气口8中通入单通道反应器7；2）氢气通过多孔金属膜9进入多通道燃烧室5，通过附着在燃烧室3一侧多孔金属膜9上的催化剂促进氢气与氧气在常温下进行燃烧对燃烧室进行冷启动；3）夹套在微通道燃烧装置1紧邻区域的水供应单元11对氢气与氧气的无焰催化燃烧进行瞬时换热，产生的高温高压水蒸气由水供应单元11的物料出口10输入蒸气轮机发电机组生产220v交流电；4）水蒸气循环单元将蒸气轮机发电机组的蒸气轮机排出的水蒸气进行冷却再以液态水的形式循环回发电系统进行再循环利用。
29.本发明系统结合微通道高换热面积及负载催化剂后提升氢氧燃烧效率及降低氢氧燃烧温度等优点，同时利用夹套水供应单元11进行瞬时换热，实现了高效生产高温高压水蒸气，并实现了针对分布式中小型设施中使用氢气进行发电的零碳排备用发电系统，工作过程实现了零污染和零碳排，是高效零碳的绿色氢能备用发电技术，可满足中小型分布式能源供应的市场需求。
30.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种用于分布式设施中的氢能备用发电机组系统，其特征在于，该系统包括：氢气储存单元，用于存储燃烧用氢气；氧气储存单元，用于储存燃烧用氧气；微通道燃烧装置，由多个微通道反应单元并联组成，其连通氢气储存单元和氧气储存单元，用于氢气和氧气的催化无焰燃烧，产生热量；水供应系统，夹套在微通道燃烧装置上并在紧邻区域形成一层水通道，通过瞬时换热使水在通道中迅速转变成高温高压水蒸气；蒸气轮机发电机组，通过微通道燃烧装置连通水供应系统，利用微通道燃烧装置换热形成的高温高压水蒸气驱动蒸气轮机发电机组产生交流电；水蒸气循环单元，分别连通蒸气轮机发电机组和水供应系统，将蒸气轮机发电机组排出的蒸气进行冷却再以液态水的形式循环回水供应系统中再循环。2.根据权利要求1所述的用于分布式设施中的氢能备用发电机组系统，其特征在于，所述水供应系统包括有若干个与微通道反应单元一一对应的水供应单元，各个水供应单元分别夹套一个微通道反应单元后并联。3.根据权利要求2所述的用于分布式设施中的氢能备用发电机组系统，其特征在于，所述微通道反应单元包括依次层叠设置的单通道反应器、多孔金属膜和多通道燃烧室，所述单通道反应器连通氢气储存单元，用于引入氢气，所述单通道反应器通过多孔金属膜连通多通道燃烧室，使得氢气穿过多孔金属膜恒速输送进多通道燃烧室，所述多通道燃烧室连通氧气储存单元，用于引入氧气与恒速输送进来的氢气混合无焰催化燃烧。4.根据权利要求3所述的用于分布式设施中的氢能备用发电机组系统，其特征在于，所述多通道燃烧室包括有燃烧室，所述燃烧室的正面与多孔金属膜相面对，燃烧室的一端连通燃烧室进气口，燃烧室进气口通过相应管路连通氧气储存单元，燃烧室的另一端连通燃烧室出气口，用于将无焰催化燃烧产生的水蒸气排出。5.根据权利要求4所述的用于分布式设施中的氢能备用发电机组系统，其特征在于，所述多孔金属膜上设有催化剂，使得氢气与氧气在常温下发生反应，对多通道燃烧室进行无焰催化燃烧的冷启动。6.根据权利要求5所述的用于分布式设施中的氢能备用发电机组系统，其特征在于，所述水供应单元为带夹层的空心管套结构，所述单通道反应器、多孔金属膜和多通道燃烧室夹套于水供应单元的空心腔中，水供应单元的夹层腔隔离并环绕于空心腔，形成水通道，该水通道的一端为物料进口，用于连通水源或水蒸气循环单元，水通道的另一端为物料出口，用于连通蒸气轮机发电机组。7.根据权利要求4或6所述的用于分布式设施中的氢能备用发电机组系统，其特征在于，所述燃烧室出气口连通蒸气轮机发电机组。8.根据权利要求3或5所述的用于分布式设施中的氢能备用发电机组系统，其特征在于，所述多孔金属膜的边缘由多孔金属膜夹套夹持固定。9.根据权利要求8所述的用于分布式设施中的氢能备用发电机组系统，其特征在于，所述单通道反应器上设有反应器进气口，反应器进气口通过相应管路连通氢气储存单元。

技术总结
本发明是一种用于分布式设施中的氢能备用发电机组系统，该系统包括：氢气储存单元、氧气储存单元、以及连通氢气储存单元和氧气储存单元的微通道燃烧装置，用于氢气和氧气的催化无焰燃烧；水供应系统，夹套在微通道燃烧装置上并在紧邻区域形成一层水通道，通过瞬时换热使水在通道中转变成高温高压水蒸气；蒸气轮机发电机组，通过微通道燃烧装置连通水供应系统，利用其高温高压水蒸气发电；水蒸气循环单元，分别连通蒸气轮机发电机组和水供应系统，将排出的蒸气回收再循环。本发明系统能在分布式中小型设施正常供电失效时立即启动生产220V交流电，工作过程中实现了零污染和零碳排，可满足中小型分布式能源供应的市场需求。可满足中小型分布式能源供应的市场需求。可满足中小型分布式能源供应的市场需求。


技术研发人员：惠云泽 余江龙 代百乾
受保护的技术使用者：苏州工业园区蒙纳士科学技术研究院
技术研发日：2023.04.03
技术公布日：2023/7/4