一種發電及制冷一體化的系統及方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于發電及制冷技術領域，涉及一種發電及制冷系統，尤其涉及一種發電及制冷一體化的系統；同時，本發明還涉及一種發電及制冷一體化的方法。
【背景技術】
[0002]在眾多的新能源中，氫能將會成為21世紀最理想的能源。這是因為，在燃燒相同重量的煤、汽油和氫氣的情況下，氫氣產生的能量最多，而且它燃燒的產物是水，沒有灰渣和廢氣，不會污染環境；而煤和石油燃燒生成的是二氧化碳和二氧化硫，可分別產生溫室效應和酸雨。煤和石油的儲量是有限的，而氫主要存于水中，燃燒后唯一的產物也是水，可源源不斷地產生氫氣，永遠不會用完。
[0003]氫是一種無色的氣體。燃燒一克氫能釋放出142千焦爾的熱量，是汽油發熱量的3倍。氫的重量特別輕，它比汽油、天然氣、煤油都輕多了，因而攜帶、運送方便，是航天、航空等高速飛行交通工具最合適的燃料。氫在氧氣里能夠燃燒，氫氣火焰的溫度可高達2500°C，因而人們常用氫氣切割或者焊接鋼鐵材料。
[0004]在大自然中，氫的分布很廣泛。水就是氫的大“倉庫”，其中含有11%的氫。泥土里約有1.5%的氫；石油、煤炭、天然氣、動植物體內等都含有氫。氫的主體是以化合物水的形式存在的，而地球表面約70%為水所覆蓋，儲水量很大，因此可以說，氫是“取之不盡、用之不竭”的能源。如果能用合適的方法從水中制取氫，那么氫也將是一種價格相當便宜的能源。
[0005]氫的用途很廣，適用性強。它不僅能用作燃料，而且金屬氫化物具有化學能、熱能和機械能相互轉換的功能。例如，儲氫金屬具有吸氫放熱和吸熱放氫的本領，可將熱量儲存起來，作為房間內取暖和空調使用。
[0006]氫作為氣體燃料，首先被應用在汽車上。1976年5月，美國研制出一種以氫作燃料的汽車；后來，日本也研制成功一種以液態氫為燃料的汽車；70年代末期，前聯邦德國的奔馳汽車公司已對氫氣進行了試驗，他們僅用了五千克氫，就使汽車行駛了 110公里。
[0007]用氫作為汽車燃料，不僅干凈，在低溫下容易發動，而且對發動機的腐蝕作用小，可延長發動機的使用壽命。由于氫氣與空氣能夠均勻混合，完全可省去一般汽車上所用的汽化器，從而可簡化現有汽車的構造。更令人感興趣的是，只要在汽油中加入4%的氫氣。用它作為汽車發動機燃料，就可節油40%，而且無需對汽油發動機作多大的改進。
[0008]氫氣在一定壓力和溫度下很容易變成液體，因而將它用鐵罐車、公路拖車或者輪船運輸都很方便。液態的氫既可用作汽車、飛機的燃料，也可用作火箭、導彈的燃料。美國飛往月球的“阿波羅”號宇宙飛船和我國發射人造衛星的長征運載火箭，都是用液態氫作燃料的。
[0009]另外，使用氫一氫燃料電池還可以把氫能直接轉化成電能，使氫能的利用更為方便。目前，這種燃料電池已在宇宙飛船和潛水艇上得到使用，效果不錯。當然，由于成本較高，一時還難以普遍使用。
[0010]現在世界上氫的年產量約為3600萬噸，其中絕大部分是從石油、煤炭和天然氣中制取的，這就得消耗本來就很緊缺的礦物燃料；另有4%的氫是用電解水的方法制取的，但消耗的電能太多，很不劃算，因此，人們正在積極探索研究制氣新方法。而用甲醇、水重整制氫可減少化工生產中的能耗和降低成本，有望替代被稱為“電老虎”的“電解水制氫”的工藝，利用先進的甲醇蒸氣重整——變壓吸附技術制取純氫和富含C02的混合氣體，經過進一步的后處理，可同時得到氫氣和二氧化碳氣。
[0011]甲醇與水蒸氣在一定的溫度、壓力條件下通過催化劑，在催化劑的作用下，發生甲醇裂解反應和一氧化碳的變換反應，生成氫和二氧化碳，這是一個多組份、多反應的氣固催化反應系統。反應方程如下:
[0012]CH30H —C0+2H2(1)
[0013]H20+C0 — C02+H2(2)
[0014]CH30H+H20 — C02+3H2 (3)
[0015]重整反應生成的H2和C02，再經過鈀膜分離將H2和C02分離，得到高純氫氣。變壓吸附法的耗能高、設備大，且不適合小規模的氫氣制備。
[0016]現有的氣氣制備及發電系統中，氫<氣發電機會排出大量的熱量，致使發電機的溫度高達276°C，如今還沒有很好的降溫方法，導致發電機工作不穩定，減少使用壽命。
[0017]同時，氫氣發電機還會排出一些余氣，主要包括尚未充分反應的氫氣、氧氣、水蒸氣等，如今是將這些氣體排出，而其中的氫氣是危險氣體，存在一定的安全隱患。同時，這些氣體是有一定利用價值的。
[0018]此外，現有的氫氣發電系統，通常是利用已經制備好的氫氣發電，即制備氫氣與氫氣發電是分離的。首先利用制氫設備制備氫氣，將氫氣放置于氫氣緩沖罐中，而后通過氫氣緩沖罐中的氫氣發電。氫氣緩沖罐的體積較為龐大，不便攜帶，移動性較差，從而制約了氫氣制備及發電設備的便攜性。
[0019]有鑒于此，如今迫切需要設計一種新的氫氣發電系統，以便克服現有氫氣發電系統的上述缺陷。
【發明內容】
[0020]本發明所要解決的技術問題是:提供一種發電及制冷一體化的系統，可利用氫發電設備排放的熱量制冷，既降低了發電設備的溫度，又有效利用了該熱量。
[0021]此外，本發明還涉及一種發電及制冷一體化的方法，可利用氫發電設備排放的熱量制冷，既降低了發電設備的溫度，又有效利用了該熱量。
[0022]為解決上述技術問題，本發明采用如下技術方案:
[0023]一種發電及制冷一體化的系統，所述系統包括:甲醇制氫設備、氫發電設備、制冷空調設備或/和移動冰箱設備、氣壓調節子系統、收集利用子系統；
[0024]所述甲醇制氫設備制備氫氣，將制得的氫氣輸送至氫發電設備；氫發電設備利用氫氣發出電能，并釋放熱能；制冷空調設備、移動冰箱設備利用氫發電設備釋放的熱能或/和甲醇制氫設備重整制氫釋放的余熱制冷；
[0025]所述甲醇制氫設備利用甲醇及水制備氫氣，所述甲醇制氫設備包括固態氫氣儲存容器、液體儲存容器、原料輸送裝置、制氫裝置、膜分離裝置；
[0026]所述制氫裝置包括換熱器、氣化室、重整室；膜分離裝置設置于分離室內，分離室設置于重整室的里面；
[0027]所述固態氫氣儲存容器、液體儲存容器分別與制氫裝置連接；液體儲存容器中儲存有液態的甲醇和水；
[0028]所述固態氫氣儲存容器中儲存固態氫氣，當制氫系統啟動時，通過氣化模塊將固態氫氣轉換為氣態氫氣，氣態氫氣通過燃燒放熱，為制氫裝置提供啟動熱能，作為制氫裝置的啟動能源；
[0029]所述液體儲存容器中的甲醇和水通過原料輸送裝置輸送至換熱器換熱，換熱后進入氣化室氣化；
[0030]氣化后的甲醇蒸氣及水蒸氣進入重整室，重整室內設有催化劑，重整室下部及中部溫度為300°C?420°C ；
[0031]所述重整室上部的溫度為400°C?570°C ;重整室與分離室通過連接管路連接，連接管路的全部或部分設置于重整室的上部，能通過重整室上部的高溫繼續加熱從重整室輸出的氣體；所述連接管路作為重整室與分離室之間的緩沖，使得從重整室輸出的氣體的溫度與分離室的溫度相同或接近；
[0032]所述分離室內的溫度設定為350°C?570°C ;分離室內設有膜分離器，從膜分離器的產氣端得到氣氣；
[0033]所述原料輸送裝置提供動力，將液體儲存容器中的原料輸送至制氫裝置；所述原料輸送裝置向原料提供0.15?5MPa的壓強，使得制氫裝置制得的氫氣具有足夠的壓強；
[0034]所述制氫裝置啟動制氫后，制氫裝置制得的部分氫氣或/和余氣通過燃燒維持制氣裝置運行；
[0035]所述制氫裝置制得的氫氣輸送至膜分離裝置進行分離，用于分離氫氣的膜分離裝置的內外壓強之差大于等于0.7M Pa ；
[0036]所述膜分離裝置為在多孔陶瓷表面真空鍍鈀銀合金的膜分離裝置，鍍膜層為鈀銀合金，鈀銀合金的質量百分比鈀占75%?78%，銀占22%?25% ;
[0037]所述甲醇制氫<設備將制得的氣氣通過傳輸管路實時傳輸至氣發電設備；所述傳輸管路設有氣壓調節子系統，用于調整傳輸管路中的氣壓；所述氫發電設備利用甲醇制氫設備制得的氫氣發電；
[0038]所述氣壓調節子系統包括微處理器、氣體壓力傳感器、閥門控制器、出氣閥、出氣管路；所述氣體壓力傳感器設置于傳輸管路中，用以感應傳輸管路中的氣壓數據，并將感應的氣壓數據發送至微處理器；所述微處理器將從氣體壓力傳感器接收的該氣壓數據與設定閾值區間進行比對；當接收到的壓力數據高于設定閾值區間的最大值，微處理器控制閥門控制器打開出氣閥設定時間，使得傳輸管路中氣壓處于設定范圍，同時出氣管路的一端連接出氣閥，另一端連接所述甲醇制氫設備，通過燃燒為甲醇制氫設備的需加熱設備進行加熱；當接收到的壓力數據低于設定閾值區間的最小值，微處理器控制所述甲醇制氫設備加快原料的輸送速度；
[0039]所述收集利用子系統連接氫發電設備的排氣通道出口，從排出的氣體中分別收集氫氣、氧氣、水，利用收集到的氫氣、氧氣供甲醇制氫設備或/和氫發電設備使用，收集到的水作為甲醇制氫設備的原料，從而循環使用；
[0040]所述收集利用子系統包括氫氧分離器、氫水分離器、氫氣止回閥、氧水分離器、氧氣止回閥，將氣氣與氧氣分離，而后分別將氣氣與水分離、氧氣與水分離；
[0041]所述制冷空調設備、移動冰箱設備均包括冷凝器、蒸發器、若干節流閥、第一吸附發生器、第二吸附發生器；所述第一吸附發生器、第二吸附發生器內設有含氨混合液，含氨混合液為氨-氨絡合劑-水混合液或為氨-磷酸氫氨-水混合液；
[0042]所述氫發電設備的散熱機構分別連接第一吸附發生器、第二吸附發生器；所述第一吸附發生器與第二吸附發生器分別通過第一節流閥、第二節流閥連接冷凝器；所述第一吸附發生器與第二吸附發生器分別通過第三節流閥、第四節流閥連接蒸發器；冷凝器通過第五節流閥與蒸發器連接；所述第一節流閥、第二節流閥、第三節流閥、第四節流閥、第五節流閥通過節流閥控制器控制其通斷；
[0043]第一工作周期中，第一吸附發生器受到來自氫發電設備的散熱機構的熱能或/和甲醇制氫設備重整制氫后的余熱，脫附為氣態氨，經過冷凝器冷凝為液態氨，釋放熱，熱由冷卻介質帶出；液態氨通過第五節流閥進入蒸發器蒸發為氣態氨，同時吸收熱量制冷；氣態氨進入第二吸附發生器，在冷卻條件下與其中的含氨混合液發生絡合反應，生成氨絡