CN109494393A - 水电燃气三网合一家庭能源中心系统 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种水电燃气三网合一家庭能源中心系统，包括水氢发电机、天然气转甲醇装置、甲醇存储容器、水存储容器、甲醇水存储容器；水氢发电机设有分别连接市政输水管路、市政电网及市政天然气输送管路；水氢发电机的输出端包括电力输出端、水输出端、热水输出端、燃气输出端；氢燃料电池生成的水或/和市政输水管路中的水通过第二输水管路及所述水输出端供用户使用；燃气输出端包括氢气输出端，氢气输出端设有氢气输送管路；甲醇水重整制氢装置通过氢气输送管路连接燃气灶。本发明提出的水电燃气三网合一家庭能源中心系统，可在天然气、水、电供应异常时，通过能源中心系统提供用户所需的燃气(氢气)、水、电能，提升使用便利性。
Description
技术领域
本发明属于能源管理技术领域，涉及一种能源管理系统，尤其涉及一种水电燃气三网合一家庭能源中心系统。
背景技术
水、电、天然气是城镇居民生活工作的必需品，水、电、天然气分别由市政供水公司、市政供电公司、市政天然气公司提供。然而当某个能源提供出现供应故障时，则无法提供，给居民生活工作学习带来较大障碍。
有鉴于此，如今迫切需要设计一种新的能源供应方式，以便克服现有能源供应方式存在的上述缺陷。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种水电燃气三网合一家庭能源中心系统，可在天然气、水、电供应异常时，通过能源中心系统提供用户所需的燃气(氢气)、水、电能，提升使用便利性。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种水电燃气三网合一家庭能源中心系统，所述家庭能源中心系统包括：水氢发电机、天然气转甲醇装置；
所述水氢发电机设有分别连接市政输水管路、市政电网及市政天然气输送管路；所述水氢发电机的输出端包括电力输出端、水输出端、热水输出端、燃气输出端；
所述天然气转甲醇装置连接天然气管道，用以将天然气转化为甲醇，将生成的甲醇输送至甲醇存储容器中；
所述水氢发电机分别连接有甲醇水存储容器、水存储容器，利用甲醇水存储容器中的甲醇水原料重整制氢、发电，将生成的水存储至水存储容器；
所述天然气转甲醇装置包括甲烷提纯装置、甲烷转甲醇装置、甲醇分离装置，甲烷提纯装置、甲烷转甲醇装置、甲醇分离装置依次连接；
所述甲烷提纯装置包括第一液化机构、第二液化机构、气化机构；
所述第一液化机构将天然气中沸点最低的氮气液化，温度控制为低于-196℃；生成的液化氮通过排放管路排放，剩余气体输送至第二液化机构；
所述第二液化机构将剩余气体中的甲烷气体液化，温度控制为-195～-162℃；收集生成的液化甲烷，通过气化机构气化甲烷液体，输送至甲烷转甲醇装置；
所述甲烷提纯装置还包括换热器、压缩机、过冷器、冷凝蒸发器；
所述压缩机连接换热器，换热器连接第一液化机构、第二液化机构、过冷器，过冷器连接第一液化机构、第二液化机构、冷凝蒸发器；
所述第一液化机构连接换热器、过冷器，将天然气中沸点最低的氮气液化，温度控制为-195～-162℃；生成的液化氮通过排放管路排放，剩余气体输送至第二液化机构；
所述第二液化机构连接换热器、过冷器，温度控制为-191～-89℃，将剩余气体中的甲烷气体液化；
所述甲烷转甲醇装置内设有多孔的沸石状催化剂，通过所述沸石状催化剂将甲烷、水催化生成甲醇和氢气；所述沸石状催化剂空隙中嵌入铜原子，反应过程中甲烷分子在其表面分解为碳和氢原子，通过由水分解产生的氧原子氧化后形成甲醇和氢气；
CH4+H2O＝CH3OH+H2；
所述催化剂包括Pt的氧化物、Pd的氧化物、Cu的氧化物、Fe的氧化物、Zn的氧化物、稀土金属氧化物、过渡金属氧化物；其中贵金属Pt的氧化物含量占催化剂总质量的0～2％，Pd的氧化物含量占催化剂总质量的0～5％，Cu的氧化物占催化剂总质量的5％～15％，Fe的氧化物占催化剂总质量的2％～10％，Zn的氧化物占催化剂总质量的10％～25％，稀土金属氧化物占催化剂总质量的5％～45％，其余为过渡金属氧化物；
所述甲醇分离装置将氢气与甲醇进行分离，得到甲醇；分离的氢气用来燃烧或用于氢燃料电池发电；所述甲醇分离装置包括复合金属膜或瓷膜分离器；所述甲醇分离装置为表面镀钯银合金的多孔陶瓷，镀上的贵金属合金中，钯的质量百分比占75％～78％，银的质量百分比占22％～25％；
所述水氢发电机设有分别连接市政输水管路、市政电网及市政天然气输送管路；所述水氢发电机的输出端包括电力输出端、水输出端、热水输出端、燃气输出端；
所述水氢发电机包括甲醇水重整制氢装置、氢燃料电池、DC/DC电源模块，甲醇水重整制氢装置、氢燃料电池、DC/DC电源模块依次连接；甲醇水重整制氢装置连接甲醇水存储容器，甲醇水重整制氢装置设有液体泵，液体泵将甲醇水存储容器内的甲醇水原料输送至甲醇水重整制氢装置；甲醇水重整制氢装置利用甲醇水原料重整制得氢气，将制得的氢气输送至氢燃料电池；氢燃料电池设有气泵，气泵将含氧气体泵入氢燃料电池；氢燃料电池利用氢气及氧气发生氧化还原反应发出直流电，并生成水；氢燃料电池发出的直流电通过DC/DC电源模块处理后输出；
所述电力输出端包括交流电力输出端或/和直流电力输出端，DC/DC电源模块通过直流电力输出端输出直流电；DC/DC电源模块还连接逆变器，将直流电转换为交流电，通过交流电力输出端输出；
所述氢燃料电池生成的水通过第一输水管路连接水存储容器，生成的水或/和市政输水管路中的水通过第二输水管路及所述水输出端供用户使用；
所述甲醇水重整制氢装置包括第一高温尾气排放管路、第二高温尾气排放管路，第一高温尾气排放管路、第二高温尾气排放管路分别设有第一电磁阀、第二电磁阀，第一高温尾气排放管路、第二高温尾气排放管路用来排放制氢时释放的高温尾气；所述第一高温尾气排放管路的部分设置于热水输送管路中，利用排放的高温尾气为水加热；第二高温尾气排放管路将高温尾气直接排放；
所述燃气输出端包括氢气输出端，氢气输出端设有氢气输送管路；甲醇水重整制氢装置通过氢气输送管路连接燃气灶，氢气输送管路设有电磁阀；
所述系统还包括天然气供应检测电路、水供应检测电路、电供应检测电路，天然气供应检测电路用以检测天然气供应是否正常，水供应检测电路用以检测水供应是否正常，电供应检测电路用以检测电力供应是否正常；
若天然气供应检测电路检测到天然气供应异常，则控制水氢发电机的甲醇水重整制氢装置向燃气灶输送氢气，供用户使用；
若水供应检测电路检测到水供应异常，则控制水氢发电机生成的水及水存储容器中的水输送至水输出端；
若电供应检测电路检测到市政电网供应电力异常，则控制水氢发电机发出直流电，将直流电供应用户使用，或者将直流电转换为交流电后供用户使用；
所述家庭能源中心系统还包括太阳能发电装置、风能发电装置、沼气发电装置、生物质发电装置，其发出的电能作为电力输出端的一部分。
一种水电燃气三网合一家庭能源中心系统，所述家庭能源中心系统包括：水氢发电机、天然气转甲醇装置；
所述水氢发电机设有分别连接市政输水管路、市政电网及市政天然气输送管路；所述水氢发电机的输出端包括电力输出端、水输出端、燃气输出端；
所述天然气转甲醇装置连接天然气管道，用以将天然气转化为甲醇，将生成的甲醇输送至甲醇存储容器中；
所述水氢发电机分别连接有甲醇水存储容器、水存储容器，利用甲醇水存储容器中的甲醇水原料重整制氢、发电，将生成的水存储至水存储容器；
所述水氢发电机包括甲醇水重整制氢装置、氢燃料电池、DC/DC电源模块，甲醇水重整制氢装置、氢燃料电池、DC/DC电源模块依次连接；甲醇水重整制氢装置连接甲醇水存储容器，甲醇水重整制氢装置设有液体泵，液体泵将甲醇水存储容器内的甲醇水原料输送至甲醇水重整制氢装置；甲醇水重整制氢装置利用甲醇水原料重整制得氢气，将制得的氢气输送至氢燃料电池；氢燃料电池设有气泵，气泵将含氧气体泵入氢燃料电池；氢燃料电池利用氢气及氧气发生氧化还原反应发出直流电，并生成水；氢燃料电池发出的直流电通过DC/DC电源模块处理后输出；
所述氢燃料电池生成的水通过第一输水管路连接水存储容器，生成的水或/和市政输水管路中的水通过第二输水管路及所述水输出端供用户使用；
所述燃气输出端包括氢气输出端，氢气输出端设有氢气输送管路；甲醇水重整制氢装置通过氢气输送管路连接燃气灶，氢气输送管路设有电磁阀。
作为本发明的一种优选方案，所述天然气转甲醇装置包括甲烷提纯装置、甲烷转甲醇装置、甲醇分离装置，甲烷提纯装置、甲烷转甲醇装置、甲醇分离装置依次连接；
作为本发明的一种优选方案，所述甲烷提纯装置包括第一液化机构、第二液化机构、气化机构；
所述第一液化机构将天然气中沸点最低的氮气液化，温度控制为低于-196℃；生成的液化氮通过排放管路排放，剩余气体输送至第二液化机构；
所述第二液化机构将剩余气体中的甲烷气体液化，温度控制为-195～-162℃；收集生成的液化甲烷，通过气化机构气化甲烷液体，输送至甲烷转甲醇装置。
作为本发明的一种优选方案，所述甲烷提纯装置还包括换热器、压缩机、过冷器、冷凝蒸发器；
所述压缩机连接换热器，换热器连接第一液化机构、第二液化机构、过冷器，过冷器连接第一液化机构、第二液化机构、冷凝蒸发器；
所述第一液化机构连接换热器、过冷器，将天然气中沸点最低的氮气液化，温度控制为-195～-162℃；生成的液化氮通过排放管路排放，剩余气体输送至第二液化机构；
所述第二液化机构连接换热器、过冷器，温度控制为-191～-89℃，将剩余气体中的甲烷气体液化。
作为本发明的一种优选方案，所述甲烷转甲醇装置内设有多孔的沸石状催化剂，通过所述沸石状催化剂将甲烷、水催化生成甲醇和氢气；所述沸石状催化剂空隙中嵌入铜原子，反应过程中甲烷分子在其表面分解为碳和氢原子，通过由水分解产生的氧原子氧化后形成甲醇和氢气；
CH4+H2O＝CH3OH+H2；
所述催化剂包括Pt的氧化物、Pd的氧化物、Cu的氧化物、Fe的氧化物、Zn的氧化物、稀土金属氧化物、过渡金属氧化物；其中贵金属Pt的氧化物含量占催化剂总质量的0～2％，Pd的氧化物含量占催化剂总质量的0～5％，Cu的氧化物占催化剂总质量的5％～15％，Fe的氧化物占催化剂总质量的2％～10％，Zn的氧化物占催化剂总质量的10％～25％，稀土金属氧化物占催化剂总质量的5％～45％，其余为过渡金属氧化物。
作为本发明的一种优选方案，所述甲烷转甲醇装置用电化学的方法制备；用封闭的电解槽，以中空的多孔石墨为阳极，不锈钢为阴极；电解液用蒸馏水配制，由40～50g/l的NaCl和16～54g/l的NaOH配制成氯化盐溶液，或由30～40g/l的NaF和16～36g/l的NaOH配制成氟化盐溶液，温度为18～60℃；甲烷气体以4.6ml/min；通入外表面积为1dm2的中空的多孔石墨阳极，接通强度为0.1～0.3A的电流，在电解液中生成甲醇，甲烷的产率0.34～2.74％；再对电解液加热，在65～75℃的温度的条件下蒸发出甲醇，电解液再返回电解池；生成的HCl或HF与电解液中的NaOH反应，重新生成NaCl或NaF。
作为本发明的一种优选方案，所述甲醇分离装置将氢气与甲醇进行分离，得到甲醇；分离的氢气用来燃烧或用于氢燃料电池发电；所述甲醇分离装置包括复合金属膜或瓷膜分离器。
作为本发明的一种优选方案，所述水氢发电机的输出端还包括热水输出端；所述甲醇水重整制氢装置包括第一高温尾气排放管路、第二高温尾气排放管路，第一高温尾气排放管路、第二高温尾气排放管路分别设有第一电磁阀、第二电磁阀，第一高温尾气排放管路、第二高温尾气排放管路用来排放制氢时释放的高温尾气；所述第一高温尾气排放管路的部分设置于热水输送管路中，利用排放的高温尾气为水加热；第二高温尾气排放管路将高温尾气直接排放。
作为本发明的一种优选方案，所述系统还包括天然气供应检测电路、水供应检测电路、电供应检测电路，天然气供应检测电路用以检测天然气供应是否正常，水供应检测电路用以检测水供应是否正常，电供应检测电路用以检测电力供应是否正常；
若天然气供应检测电路检测到天然气供应异常，则控制水氢发电机的甲醇水重整制氢装置向燃气灶输送氢气，供用户使用；
若水供应检测电路检测到水供应异常，则控制水氢发电机生成的水及水存储容器中的水输送至水输出端；
若电供应检测电路检测到市政电网供应电力异常，则控制水氢发电机发出直流电，将直流电供应用户使用，或者将直流电转换为交流电后供用户使用。
本发明的有益效果在于：本发明提出的水电燃气三网合一家庭能源中心系统，可在天然气、水、电供应异常时，通过能源中心系统提供用户所需的燃气(氢气)、水、电能，提升使用便利性。
具体地，当天然气出现供应故障时，可通过水氢发电机制得氢气，供应燃气炉燃烧使用，解决人们生活所需。当电力出现供应故障时，可通过水氢发电机制氢发电，解决人们各类用电设备的用电需求。当水供应出现故障时，可以通过水氢发电机发电生成的纯水解决人们的生活用水需求。
本发明将水、电、气、热水等能源集中通过能源中心系统进行综合管理，在某种能源出现供应故障时，可以通过能源中心系统进行相应转化，不影响人们使用，能为人们带来优质的使用体验，具有很大的社会及经济效益。
附图说明
图1为本发明家庭能源中心系统的使用示意图。
图2为本发明家庭能源中心系统的组成示意图。
图3为本发明家庭能源中心系统的另一组成示意图。
图4为本发明安全电力家电系统中水氢发电机的输电控制示意图。
图5为本发明安全电力家电系统中热水输送的示意图。
图6为本发明安全电力家电系统中天然气转甲醇装置的组成示意图。
图7为本发明安全电力家电系统甲烷提纯装置的组成示意图。
图8为本发明安全电力家电系统甲烷提纯装置的另一组成示意图。
图9为实施例四中本发明安全电力家电系统甲烷提纯装置的组成示意图。
图10为实施例五中本发明安全电力家电系统甲烷提纯装置的组成示意图。
图11为实施例五中本发明安全电力家电系统甲烷提纯装置的另一组成示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
实施例一
请参阅图1至图3，本发明揭示了一种水电燃气三网合一家庭能源中心系统，所述系统包括：水氢发电机30、天然气转甲醇装置10。
所述水氢发电机30设有分别连接市政输水管路52、市政电网53及市政天然气输送管路51；所述水氢发电机的输出端包括电力输出端58、水输出端56、热水输出端57、燃气输出端。
所述燃气输出端可以包括氢气输出端55(氢气当然也可以作为燃气的一种，图中燃气输出端54可以认为是提纯甲烷后之外的天然气输出端)，氢气输出端55设有氢气输送管路；甲醇水重整制氢装置31通过氢气输送管路连接燃气灶，氢气输送管路设有电磁阀。
氢气输出端55(氢气当然也可以作为燃气的一种，这里的燃气输出端54可以认为是提纯甲烷后之外的天然气输出端)。
所述天然气转甲醇装置10连接天然气管道，用以将天然气转化为甲醇，将生成的甲醇输送至甲醇存储容器11中。所述水氢发电机分别连接有甲醇水存储容器40、水存储容器12，利用甲醇水存储容器40中的甲醇水原料重整制氢、发电，将生成的水存储至水存储容器12。
请参阅图6，所述天然气转甲醇装置10包括甲烷提纯装置15、甲烷转甲醇装置17、甲醇分离装置19，甲烷提纯装置15、甲烷转甲醇装置17、甲醇分离装置19依次连接。甲烷提纯装置15用来提取出天然气中的甲烷，其他气体输送至天然气灶台或其他需要使用天然气的设备(如热水器)燃烧使用，或者先存储至一储存容器中，当需要的时候再利用。
请参阅图7、图8，所述甲烷提纯装置15包括第一液化机构151、第二液化机构152、气化机构153。
所述第一液化机构151将天然气中沸点最低的氮气液化，温度控制为低于-196℃(如设定为-200℃，或-200℃左右)；生成的液化氮通过排放管路排放，剩余气体输送至第二液化机构152。
所述第二液化机构152将剩余气体中的甲烷气体液化，温度控制为-195～-162℃(如设定为-170℃，或者-170℃左右)；收集生成的液化甲烷，通过气化机构153气化甲烷液体，输送至甲烷转甲醇装置17。
所述甲烷提纯装置还可以包括换热器154、压缩机155、过冷器156、冷凝蒸发器157。所述压缩机155连接换热器154，换热器154连接第一液化机构151、第二液化机构152、过冷器156，过冷器156连接第一液化机构151、第二液化机构152、冷凝蒸发器157。在本发明的另一实施例中，可以不包括换热器154、压缩机155、过冷器156、冷凝蒸发器157。
所述第一液化机构151连接换热器154、过冷器156，将天然气中沸点最低的氮气液化，温度控制为-195～-162℃；生成的液化氮通过排放管路排放，剩余气体输送至第二液化机构152。所述第二液化机构152连接换热器154、过冷器156，温度控制为-191～-89℃(如设定为-100℃，或者-100℃左右)，将剩余气体中的甲烷气体液化。
所述甲烷转甲醇装置17内设有多孔的沸石状催化剂，通过所述沸石状催化剂将甲烷、水催化生成甲醇和氢气；所述沸石状催化剂空隙中嵌入铜原子，反应过程中甲烷分子在其表面分解为碳和氢原子，通过由水分解产生的氧原子氧化后形成甲醇和氢气；反应的化学方程式为：CH4+H2O＝CH3OH+H2。
所述催化剂包括Pt的氧化物、Pd的氧化物、Cu的氧化物、Fe的氧化物、Zn的氧化物、稀土金属氧化物、过渡金属氧化物；其中贵金属Pt的氧化物含量占催化剂总质量的0～2％，Pd的氧化物含量占催化剂总质量的0～5％，Cu的氧化物占催化剂总质量的5％～15％，Fe的氧化物占催化剂总质量的2％～10％，Zn的氧化物占催化剂总质量的10％～25％，稀土金属氧化物占催化剂总质量的5％～45％，其余为过渡金属氧化物。当然，也可以采用其他铜基催化剂。
当然，催化剂还可以为其他组成，如催化剂为铜基催化剂，所述铜基催化剂包括物质及其质量份数为：2-20份的CuO，2-20份的ZnO，0.1-5份的ZrO，45-95份的Al2O3，0-5份的CeO2，0-5份的La2O3。
所述甲醇分离装置将氢气与甲醇进行分离，得到甲醇；分离的氢气用来燃烧或用于氢燃料电池发电；所述甲醇分离装置包括复合金属膜或瓷膜分离器。本实施例中，所述甲醇分离装置可以为表面镀钯银合金的多孔陶瓷，镀上的贵金属合金中，钯占75％～78％(质量百分比)，银占22％～25％(质量百分比)。当然，甲醇分离装置还可以为其他结构形式。
所述水氢发电机30包括甲醇水重整制氢装置31、氢燃料电池32、DC/DC电源模块(图未示)，甲醇水重整制氢装置31、氢燃料电池32、DC/DC电源模块依次连接；甲醇水重整制氢装置31连接甲醇水存储容器40，甲醇水重整制氢装置31设有液体泵34，液体泵34将甲醇水存储容器40内的甲醇水原料输送至甲醇水重整制氢装置31；甲醇水重整制氢装置31利用甲醇水原料重整制得氢气，将制得的氢气输送至氢燃料电池32；氢燃料电池32设有气泵33，气泵33将含氧气体泵入氢燃料电池32；氢燃料电池32利用氢气及氧气发生氧化还原反应发出直流电，并生成水；氢燃料电池发出的直流电通过DC/DC电源模块处理后输出。
请参阅图4，所述电力输出端包括交流电力输出端或/和直流电力输出端，DC/DC电源模块通过直流电力输出端输出直流电；DC/DC电源模块还连接逆变器，将直流电转换为交流电，通过交流电力输出端输出。
所述氢燃料电池32生成的水通过第一输水管路连接水存储容器12，生成的水或/和市政输水管路中的水通过第二输水管路及所述水输出端56供用户使用。
请参阅图5，所述甲醇水重整制氢装置31包括第一高温尾气排放管路311、第二高温尾气排放管路312，第一高温尾气排放管路311、第二高温尾气排放管路312分别设有第一电磁阀313、第二电磁阀314，第一高温尾气排放管路311、第二高温尾气排放管路312用来排放制氢时释放的高温尾气；所述第一高温尾气排放管路311的部分(可以为金属材质的换热部分315)设置于热水输送管路570中，利用排放的高温尾气为水加热；第二高温尾气排放管路312将高温尾气直接排放。
热水输送管路570连接市政输水管路52，也可以同时连接水存储容器12(可以防止输水故障时无水可用)。水存储容器12通过输水管路121连接热水输送管路570，输水管路121内设有泵体122、电磁阀123。
此外，热水输送管路570内还可以设置电加热机构571、若干温度传感器572(当然也可以根据需要只设置一个或两个)。电加热机构571、各温度传感器572利用水氢发电机30发出的电能工作；电加热机构571的控制电路根据各温度传感器572感应的数据及设定的出水温度控制电加热机构571的工作。
所述系统还包括天然气供应检测电路、水供应检测电路、电供应检测电路，天然气供应检测电路用以检测天然气供应是否正常，水供应检测电路用以检测水供应是否正常，电供应检测电路用以检测电力供应是否正常。
若天然气供应检测电路检测到天然气供应异常，则控制水氢发电机的甲醇水重整制氢装置向燃气灶输送氢气，供用户使用。
若水供应检测电路检测到水供应异常，则控制水氢发电机生成的水及水存储容器中的水输送至水输出端。
若电供应检测电路检测到市政电网供应电力异常，则控制水氢发电机发出直流电，将直流电供应用户使用，或者将直流电转换为交流电后供用户使用。
此外，所述家庭能源中心系统还可以包括太阳能发电装置、风能发电装置、沼气发电装置、生物质发电装置，其发出的电能作为电力输出端的一部分。
实施例二
本实施例与实施例一的区别在于，本实施例中，所述天然气转甲醇装置包括甲烷转甲醇装置、甲醇分离装置，甲烷转甲醇装置、甲醇分离装置依次连接(即可以不设置甲烷分离装置)。
此外，如果有现成的甲醇水原料，可以直接利用甲醇水原料制氢发电。在原料用完后，可以再借助甲烷转甲醇装置利用天然气制备甲醇。
实施例三
本实施例与实施例一的区别在于，本实施例中，甲烷转甲醇装置包括甲烷提纯膜，用以仅透过甲烷，其他气体输送至天然气管道；所述甲烷转甲醇装置包括复合金属膜或瓷膜，用以将甲烷、水制备甲醇和氢气，得到甲醇。
实施例四
本实施例与实施例一的区别在于，本实施例中，所述天然气转甲醇装置包括甲烷提纯装置15、甲烷转甲醇装置17、甲醇分离装置19。甲烷提纯装置15通过二级精馏法从天然气中提取高纯度甲烷。
请参阅图9，所述甲烷提纯装置15包括一级精馏塔(即除氮塔C1)、二级精馏塔(即提纯塔C2)、主换热器(即换热器E1)、压缩机PC1001、过冷器E2、一级精馏塔塔斧(即塔釜K1)、二级精馏塔塔斧(即塔釜K2)、若干电磁阀、若干输送管路；所述二级精馏塔塔斧设有二级精馏塔塔顶，二级精馏塔塔顶设有冷凝蒸发器K3。
表1 LNC原料气组成沸点表
所述压缩机连接换热器，换热器连接一级精馏机构、二级精馏机构、过冷器，过冷器连接一级精馏机构、二级精馏机构、冷凝蒸发器。
根据二级精馏法原理，上述甲烷提纯装置的运行原理为：含量大于93％的天然气经液化，经V1阀液相进入除氮塔C1的顶部，在填料塔内液体下流与上升的蒸气充分接触，首先把原料液中的氮组分随塔顶废气排出，少量废气经V5阀及流量计后送废气管网。C1塔底部塔釜K1中获得富甲烷液体，液体通过V4阀节流进入提纯塔C2中部，通过C2塔内精馏提纯，在C2塔顶获取高纯甲烷气体，通过塔顶冷凝蒸发器K3液化为高纯液甲烷。含高沸点杂质组分(乙烷、丙烷等)的液体在C2塔底部的塔釜K2中聚集并排出冷箱进入废液储槽中。
高纯液体甲烷经过过冷器E2过冷后通过V7节流阀排入冷箱外的高纯液体甲烷贮槽LPV中。为完成精馏提纯过程，采用纯甲烷气体作为精馏塔热源。甲烷气体通过压缩机PC1001压缩到0.6～0.8MPa(G)左右进入冷箱。在换热器E1中冷却到-125℃左右，一股经V3阀进入提纯塔C2塔釜K2冷凝蒸发器中，为C2塔提供热源同时被冷凝为液体从换热器流入塔釜K2冷凝液罐中。两股液体汇集后进入过冷器E2冷却到-146℃左右，大部分液体节流后进入提纯塔C2塔顶的冷凝蒸发器K3中，为K3提供冷量，多余液体经V9阀从冷凝器中排出与蒸发后的气体混合后进入过冷器E2、换热器E1复热后出冷箱，进循环压缩机入口。视运行工况，少量过冷后的的富余液体，可排出冷箱外的缓冲贮液槽中。
取高纯液体甲烷贮槽LPV中的甲烷，转换为气态后经色谱分析仪检测，纯度可以达到99.999％。
实施例五
本实施例与实施例一的区别在于，本实施例中，所述天然气转甲醇装置包括甲烷提纯装置15、甲烷转甲醇装置17、甲醇分离装置19；所述甲烷转甲醇装置17用电化学的方法制备，将甲烷液化，而后输送至电解槽。
请参阅图10、图11，甲烷提纯装置15用封闭的电解槽，以中空的多孔石墨为阳极，不锈钢为阴极；电解液用蒸馏水配制，由40～50g/L的NaCl和16～54g/L的NaOH配制成氯化盐溶液，或由30～40g/L的NaF和16～36g/L的NaOH配制成氟化盐溶液，温度为18～60℃；甲烷气体以4.6ml/min；通入外表面积为1dm2的中空的多孔石墨阳极，接通强度为0.1～0.3A的电流，在电解液中生成甲醇，甲烷的产率0.34～2.74％；再对电解液加热，在65～75℃的温度的条件下蒸发出甲醇，电解液再返回电解池；生成的HCl或HF与电解液中的NaOH反应，重新生成NaCl或NaF。
本发明实施例采用的封闭电解槽为用市场上购买的材料，密封的电解槽1501由防酸、防碱、防盐腐蚀的材料制成，如有机玻璃、或聚氟乙烯塑料。阴极室1502和阳极室1512为同一电解液，电解液上部留有气体空间；阴极1503为耐酸、碱、盐腐蚀的金属或合金，如金属铂，或不锈钢，或钛合金。阴极室排气通道1504用于把阴极产生的氢气引出收集；阴极导线1505采用包覆聚氯乙烯的铜芯线，一端与阴极1503连接，另一端与外部电源的负极连接；隔膜1506为尼龙布，把电解池分隔成阴极室1502和阳极室1512，电解液能够通过尼龙布，但气体不能通过。阳极导线1507与阴极导线1505一样，采用包覆聚氯乙烯的铜芯线，一端与中空的多孔阳极1511连接，另一端与外部电源的正极连接；甲烷气进入通道1508的一端接入多孔阳极1511的内腔，另一端与外部甲烷供给源相接；阳极室排气通道1509用于把阳极室中未反应掉的甲烷气引出，甲烷气经气泵加压后返回甲烷气进入通道1508进行循环反应。电解液出口1510用于把含有甲醇的电解液引出(至蒸发设备)，在外部的蒸发设备中蒸发甲醇后，通过电解液进口1513返回电解池；中空的多孔阳极1511是由石墨制成的空心电极，心部与外表面由密集的微米级小孔道连通，输入心部的甲烷气体能够通过小孔道到达电极外表面。
蒸发设备包括蒸发容器1521，蒸发容器1521内设有电加热机构1522，蒸发容器1521设有气体输送管路1523，电解液出口1510连接电解液输入管路(对于蒸发设备，属于输入)，电解液输入管路设有第一液体泵1524、第一电磁阀1525，电解液进口1513连接电解液输出管路(对于蒸发设备，属于输出)，电解液输出管路设有第二液体泵1526、第二电磁阀1527。
综上所述，本发明提出的水电燃气三网合一家庭能源中心系统，可在天然气、水、电供应异常时，通过能源中心系统提供用户所需的燃气(氢气)、水、电能，提升使用便利性。
具体地，当天然气出现供应故障时，可通过水氢发电机制得氢气，供应燃气炉燃烧使用，解决人们生活所需。当电力出现供应故障时，可通过水氢发电机制氢发电，解决人们各类用电设备的用电需求。当水供应出现故障时，可以通过水氢发电机发电生成的纯水解决人们的生活用水需求。
本发明将水、电、气、热水等能源集中通过能源中心系统进行综合管理，在某种能源出现供应故障时，可以通过能源中心系统进行相应转化，不影响人们使用，能为人们带来优质的使用体验，具有很大的社会及经济效益。
这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。
Claims (10)
1.一种水电燃气三网合一家庭能源中心系统，其特征在于，所述家庭能源中心系统包括：水氢发电机、天然气转甲醇装置；
所述水氢发电机设有分别连接市政输水管路、市政电网及市政天然气输送管路；所述水氢发电机的输出端包括电力输出端、水输出端、热水输出端、燃气输出端；
所述天然气转甲醇装置连接天然气管道，用以将天然气转化为甲醇，将生成的甲醇输送至甲醇存储容器中；
所述水氢发电机分别连接有甲醇水存储容器、水存储容器，利用甲醇水存储容器中的甲醇水原料重整制氢、发电，将生成的水存储至水存储容器；
所述天然气转甲醇装置包括甲烷提纯装置、甲烷转甲醇装置、甲醇分离装置，甲烷提纯装置、甲烷转甲醇装置、甲醇分离装置依次连接；
所述甲烷提纯装置包括第一液化机构、第二液化机构、气化机构；
所述第一液化机构将天然气中沸点最低的氮气液化，温度控制为低于-196℃；生成的液化氮通过排放管路排放，剩余气体输送至第二液化机构；
所述第二液化机构将剩余气体中的甲烷气体液化，温度控制为-195～-162℃；收集生成的液化甲烷，通过气化机构气化甲烷液体，输送至甲烷转甲醇装置；
所述甲烷提纯装置还包括换热器、压缩机、过冷器、冷凝蒸发器；
所述压缩机连接换热器，换热器连接第一液化机构、第二液化机构、过冷器，过冷器连接第一液化机构、第二液化机构、冷凝蒸发器；
所述第一液化机构连接换热器、过冷器，将天然气中沸点最低的氮气液化，温度控制为-195～-162℃；生成的液化氮通过排放管路排放，剩余气体输送至第二液化机构；
所述第二液化机构连接换热器、过冷器，温度控制为-191～-89℃，将剩余气体中的甲烷气体液化；
所述甲烷转甲醇装置内设有多孔的沸石状催化剂，通过所述沸石状催化剂将甲烷、水催化生成甲醇和氢气；所述沸石状催化剂空隙中嵌入铜原子，反应过程中甲烷分子在其表面分解为碳和氢原子，通过由水分解产生的氧原子氧化后形成甲醇和氢气；
CH4+H2O＝CH3OH+H2；
所述催化剂包括Pt的氧化物、Pd的氧化物、Cu的氧化物、Fe的氧化物、Zn的氧化物、稀土金属氧化物、过渡金属氧化物；其中贵金属Pt的氧化物含量占催化剂总质量的0～2％，Pd的氧化物含量占催化剂总质量的0～5％，Cu的氧化物占催化剂总质量的5％～15％，Fe的氧化物占催化剂总质量的2％～10％，Zn的氧化物占催化剂总质量的10％～25％，稀土金属氧化物占催化剂总质量的5％～45％，其余为过渡金属氧化物；
所述甲醇分离装置将氢气与甲醇进行分离，得到甲醇；分离的氢气用来燃烧或用于氢燃料电池发电；所述甲醇分离装置包括复合金属膜或瓷膜分离器；所述甲醇分离装置为表面镀钯银合金的多孔陶瓷，镀上的贵金属合金中，钯的质量百分比占75％～78％，银的质量百分比占22％～25％；
所述水氢发电机包括甲醇水重整制氢装置、氢燃料电池、DC/DC电源模块，甲醇水重整制氢装置、氢燃料电池、DC/DC电源模块依次连接；甲醇水重整制氢装置连接甲醇水存储容器，甲醇水重整制氢装置设有液体泵，液体泵将甲醇水存储容器内的甲醇水原料输送至甲醇水重整制氢装置；甲醇水重整制氢装置利用甲醇水原料重整制得氢气，将制得的氢气输送至氢燃料电池；氢燃料电池设有气泵，气泵将含氧气体泵入氢燃料电池；氢燃料电池利用氢气及氧气发生氧化还原反应发出直流电，并生成水；氢燃料电池发出的直流电通过DC/DC电源模块处理后输出；
所述电力输出端包括交流电力输出端或/和直流电力输出端，DC/DC电源模块通过直流电力输出端输出直流电；DC/DC电源模块还连接逆变器，将直流电转换为交流电，通过交流电力输出端输出；
所述氢燃料电池生成的水通过第一输水管路连接水存储容器，生成的水或/和市政输水管路中的水通过第二输水管路及所述水输出端供用户使用；
所述甲醇水重整制氢装置包括第一高温尾气排放管路、第二高温尾气排放管路，第一高温尾气排放管路、第二高温尾气排放管路分别设有第一电磁阀、第二电磁阀，第一高温尾气排放管路、第二高温尾气排放管路用来排放制氢时释放的高温尾气；所述第一高温尾气排放管路的部分设置于热水输送管路中，利用排放的高温尾气为水加热；第二高温尾气排放管路将高温尾气直接排放；
所述燃气输出端包括氢气输出端，氢气输出端设有氢气输送管路；甲醇水重整制氢装置通过氢气输送管路连接燃气灶，氢气输送管路设有电磁阀；
所述系统还包括天然气供应检测电路、水供应检测电路、电供应检测电路，天然气供应检测电路用以检测天然气供应是否正常，水供应检测电路用以检测水供应是否正常，电供应检测电路用以检测电力供应是否正常；
若天然气供应检测电路检测到天然气供应异常，则控制水氢发电机的甲醇水重整制氢装置向燃气灶输送氢气，供用户使用；
若水供应检测电路检测到水供应异常，则控制水氢发电机生成的水及水存储容器中的水输送至水输出端；
若电供应检测电路检测到市政电网供应电力异常，则控制水氢发电机发出直流电，将直流电供应用户使用，或者将直流电转换为交流电后供用户使用；
所述家庭能源中心系统还包括太阳能发电装置、风能发电装置、沼气发电装置、生物质发电装置，其发出的电能作为电力输出端的一部分。
2.一种水电燃气三网合一家庭能源中心系统，其特征在于，所述家庭能源中心系统包括：水氢发电机、天然气转甲醇装置；
所述水氢发电机设有分别连接市政输水管路、市政电网及市政天然气输送管路；所述水氢发电机的输出端包括电力输出端、水输出端、燃气输出端；
所述天然气转甲醇装置连接天然气管道，用以将天然气转化为甲醇，将生成的甲醇输送至甲醇存储容器中；
所述水氢发电机分别连接有甲醇水存储容器、水存储容器，利用甲醇水存储容器中的甲醇水原料重整制氢、发电，将生成的水存储至水存储容器；
所述水氢发电机包括甲醇水重整制氢装置、氢燃料电池、DC/DC电源模块，甲醇水重整制氢装置、氢燃料电池、DC/DC电源模块依次连接；甲醇水重整制氢装置连接甲醇水存储容器，甲醇水重整制氢装置设有液体泵，液体泵将甲醇水存储容器内的甲醇水原料输送至甲醇水重整制氢装置；甲醇水重整制氢装置利用甲醇水原料重整制得氢气，将制得的氢气输送至氢燃料电池；氢燃料电池设有气泵，气泵将含氧气体泵入氢燃料电池；氢燃料电池利用氢气及氧气发生氧化还原反应发出直流电，并生成水；氢燃料电池发出的直流电通过DC/DC电源模块处理后输出；
所述氢燃料电池生成的水通过第一输水管路连接水存储容器，生成的水或/和市政输水管路中的水通过第二输水管路及所述水输出端供用户使用；
所述燃气输出端包括氢气输出端，氢气输出端设有氢气输送管路；甲醇水重整制氢装置通过氢气输送管路连接燃气灶，氢气输送管路设有电磁阀。
3.根据权利要求2所述的水电燃气三网合一家庭能源中心系统，其特征在于：
所述天然气转甲醇装置包括甲烷提纯装置、甲烷转甲醇装置、甲醇分离装置，甲烷提纯装置、甲烷转甲醇装置、甲醇分离装置依次连接。
4.根据权利要求3所述的水电燃气三网合一家庭能源中心系统，其特征在于：
所述甲烷提纯装置包括第一液化机构、第二液化机构、气化机构；
所述第一液化机构将天然气中沸点最低的氮气液化，温度控制为低于-196℃；生成的液化氮通过排放管路排放，剩余气体输送至第二液化机构；
所述第二液化机构将剩余气体中的甲烷气体液化，温度控制为-195～-162℃；收集生成的液化甲烷，通过气化机构气化甲烷液体，输送至甲烷转甲醇装置。
5.根据权利要求4所述的水电燃气三网合一家庭能源中心系统，其特征在于：
所述甲烷提纯装置还包括换热器、压缩机、过冷器、冷凝蒸发器；
所述压缩机连接换热器，换热器连接第一液化机构、第二液化机构、过冷器，过冷器连接第一液化机构、第二液化机构、冷凝蒸发器；
所述第一液化机构连接换热器、过冷器，将天然气中沸点最低的氮气液化，温度控制为-195～-162℃；生成的液化氮通过排放管路排放，剩余气体输送至第二液化机构；
所述第二液化机构连接换热器、过冷器，温度控制为-191～-89℃，将剩余气体中的甲烷气体液化。
6.根据权利要求3所述的水电燃气三网合一家庭能源中心系统，其特征在于：
所述甲烷转甲醇装置内设有多孔的沸石状催化剂，通过所述沸石状催化剂将甲烷、水催化生成甲醇和氢气；所述沸石状催化剂空隙中嵌入铜原子，反应过程中甲烷分子在其表面分解为碳和氢原子，通过由水分解产生的氧原子氧化后形成甲醇和氢气；
CH4+H2O＝CH3OH+H2；
所述催化剂包括Pt的氧化物、Pd的氧化物、Cu的氧化物、Fe的氧化物、Zn的氧化物、稀土金属氧化物、过渡金属氧化物；其中贵金属Pt的氧化物含量占催化剂总质量的0～2％，Pd的氧化物含量占催化剂总质量的0～5％，Cu的氧化物占催化剂总质量的5％～15％，Fe的氧化物占催化剂总质量的2％～10％，Zn的氧化物占催化剂总质量的10％～25％，稀土金属氧化物占催化剂总质量的5％～45％，其余为过渡金属氧化物。
7.根据权利要求3所述的水电燃气三网合一家庭能源中心系统，其特征在于：
所述甲烷转甲醇装置用电化学的方法制备；用封闭的电解槽，以中空的多孔石墨为阳极，不锈钢为阴极；电解液用蒸馏水配制，由40～50g/l的NaCl和16～54g/l的NaOH配制成氯化盐溶液，或由30～40g/l的NaF和16～36g/l的NaOH配制成氟化盐溶液，温度为18～60℃；甲烷气体以4.6ml/min；通入外表面积为1dm2的中空的多孔石墨阳极，接通强度为0.1～0.3A的电流，在电解液中生成甲醇，甲烷的产率0.34～2.74％；再对电解液加热，在65～75℃的温度的条件下蒸发出甲醇，电解液再返回电解池；生成的HCl或HF与电解液中的NaOH反应，重新生成NaCl或NaF。
8.根据权利要求3所述的水电燃气三网合一家庭能源中心系统，其特征在于：
所述甲醇分离装置将氢气与甲醇进行分离，得到甲醇；分离的氢气用来燃烧或用于氢燃料电池发电；所述甲醇分离装置包括复合金属膜或瓷膜分离器。
9.根据权利要求2所述的水电燃气三网合一家庭能源中心系统，其特征在于：
所述水氢发电机的输出端还包括热水输出端；所述甲醇水重整制氢装置包括第一高温尾气排放管路、第二高温尾气排放管路，第一高温尾气排放管路、第二高温尾气排放管路分别设有第一电磁阀、第二电磁阀，第一高温尾气排放管路、第二高温尾气排放管路用来排放制氢时释放的高温尾气；所述第一高温尾气排放管路的部分设置于热水输送管路中，利用排放的高温尾气为水加热；第二高温尾气排放管路将高温尾气直接排放。
10.根据权利要求2所述的水电燃气三网合一家庭能源中心系统，其特征在于：
所述系统还包括天然气供应检测电路、水供应检测电路、电供应检测电路，天然气供应检测电路用以检测天然气供应是否正常，水供应检测电路用以检测水供应是否正常，电供应检测电路用以检测电力供应是否正常；
若天然气供应检测电路检测到天然气供应异常，则控制水氢发电机的甲醇水重整制氢装置向燃气灶输送氢气，供用户使用；
若水供应检测电路检测到水供应异常，则控制水氢发电机生成的水及水存储容器中的水输送至水输出端；
若电供应检测电路检测到市政电网供应电力异常，则控制水氢发电机发出直流电，将直流电供应用户使用，或者将直流电转换为交流电后供用户使用。
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| PB01 | Publication | ||
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
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