CN102979622A - 集成带吹扫气otm供氧的常压co2零排放sofc/at/st复合动力*** - Google Patents
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Abstract
本发明属于常压CO2零排放的固体氧化物燃料电池(SOFC)复合动力发电技术领域,特别涉及集成带吹扫气OTM供氧的常压CO2零排放SOFC/AT/ST复合动力***。本发明将SOFC电池堆***、OTM***、空气透平AT、余热锅炉和汽轮机***、CO2回收***集成得到一个高效节能环保的CO2零排放复合动力***。***能量利用率高,燃烧产物只有CO2和H2O便于CO2分离存储,功耗少,***在回收CO2的同时仍具有很高的效率。本发明充分利用了SOFC的高温排气余热,提高了***的效率,并大大的降低了分离捕捉CO2的能耗。
Description
技术领域
本发明属于常压CO2零排放固体氧化物燃料电池(SOFC)复合动力发电技术领域,特别涉及一种集成带吹扫气OTM供氧的常压CO2零排放SOFC/AT/ST复合动力***。
背景技术
固体氧化物燃料电池利用电化学过程产电,具有较高的能量转换效率,并且其排气具有较高的温度,可由透平、余热锅炉和蒸汽轮机进行余热余功利用,从而组成一个能量充分梯级利用的高效发电***。并且固体氧化物燃料电池在回收CO2时具有独特的结构优势:燃料和空气进行电化学反应时在各自的通道流动并不直接混合,避免了空气中大量的N2对CO2的掺混稀释,这为低能耗高效率回收CO2提供了有利条件。OTM的工作温度通常为700°C -1000°C,其可低成本低能耗生产纯氧,满足后燃室纯氧燃烧需求。综合利用以上两项有利条件,并考虑吹扫气强化产氧的效果,本发明提出集成带吹扫气OTM供氧的常压CO2零排放SOFC/AT/ST复合动力***方案。
发明内容
本发明以不回收CO2的SOFC/ST复合动力***为基础,提出集成方案:集成氧离子传输膜(OTM)、高温空气透平(AT)及CO2回收单元组成CO2零排放***,采用***的方法解决传统发电***的低效率和大量污染气排放的问题,实现低能耗回收CO2,并保持***的高效性。
本发明采用的技术方案为:
第一空气压缩机依次与第一换热器、第二换热器串联后接入SOFC电池堆的阴极;燃料压缩机依次与第三换热器、预重整器串联后接入SOFC电池堆的阳极;SOFC电池堆的阳极排气分为两路:一路接入预重整器进行循环,另一路接入后燃室燃烧;SOFC电池堆的输出端与直流/交流转换器连接;
SOFC电池堆的阴极排气与第一换热器串联后接入余热锅炉及汽轮机***;
第二空气压缩机依次与第四换热器、第五换热器、第六换热器串联后接入OTM模块的原料侧入口,OTM模块的原料侧出口与空气透平串联后接入余热锅炉及汽轮机***;OTM模块的渗透侧出口与第四换热器串联后接入后燃室;后燃室的出口依次与第六换热器、第五换热器、第二换热器串联后分为两路:一路接入OTM模块的渗透侧入口进行循环,另一路依次与第三换热器、余热锅炉及汽轮机***连接,进行余热回收后接入冷凝器,析出水后进入带中间冷却器的二氧化碳压缩机和冷却器,制备液态CO2;
后燃室的燃烧排气CO2、H2O气体作为吹扫气,经第六换热器、第五换热器、第二换热器换热达到OTM模块的工作温度后送入OTM模块渗透侧入口对氧气进行吹扫。
所述OTM模块的原料侧和渗透侧之间采用氧离子传输膜,OTM模块的原料侧进气为经加压和加热的空气,出口为贫氧空气;从原料侧渗透到渗透侧的氧气由CO2、H2O气体吹扫;氧离子传输膜为只渗透氧气的致密、选择性渗透膜,可达到分离提取纯氧的效果;OTM模块的工作温度为700°C -1000°C。
所述氧离子传输膜的膜两侧氧气压力差是OTM模块分离氧气的驱动力,原料侧的氧气分压力高于渗透侧的氧气分压力。
所述带中间冷却器的二氧化碳压缩机由冷凝器、四级压缩机、冷却器串联组成。
所述SOFC电池堆***输出端与直流/交流转换器相连,输出电能。
所述余热锅炉及汽轮机***与第一发电机连接,并驱动其发电。
所述空气透平与第二发电机连接,并驱动其发电。
本发明的有益效果为:
本发明***通过OTM对空气2分离,经CO2、H2O吹扫得到CO2、H2O、O2混合气体送入后燃室供阳极排气燃烧,燃烧产物的主要成分是CO2和H2O,避免了空气中大量的N2对CO2的掺混稀释,便于分离,使捕集CO2的总能耗降低,并且OTM原料侧出口的高温高压贫氧空气可进一步回收功和热,***的效率惩罚得到一定的补偿,采用CO2、H2O吹扫一方面确保了原料侧的氧气分压力高于渗透侧的氧气分压力,提高产氧效果,另一方面使混合气体直接达到了后燃室工作压力可直接送入,避免跨膜施加大的压比,这样***在回收CO2后仍具有较高效率。
附图说明
图1为不回收CO2的SOFC/GT/ST复合动力***结构示意图,为基准***。
图2为本发明所述的集成带吹扫气OTM供氧的常压CO2零排放SOFC/AT/ST复合动力***的结构示意图。
图3为OTM模块的结构示意图。
图中标号:
1-第一空气压缩机;2-第一换热器;3-第二换热器;4-SOFC电池堆;5-后燃室;6-直流/交流转换器;7-预重整器;8-第三换热器;9-燃料压缩机;10-余热锅炉及汽轮机***;11-第一发电机;12-第二空气压缩机;13-第四换热器;14-第五换热器,15-第六换热器,16-OTM模块,17-空气透平(Air Turbine),18-第二发电机,19-冷凝器,20-带中间冷却器的二氧化碳压缩机,21-冷却器。
具体实施方式
本发明提供了一种集成带吹扫气OTM供氧的常压CO2零排放SOFC/AT/ST复合动力***,下面通过附图说明和具体实施方式对本发明做进一步说明。
基准***结构图如图1所示:空气1在第一空气压缩机1压缩后,依次流过第一换热器2、第二换热器3,进入SOFC电池堆4的阴极,燃料在燃料压缩机9压缩经第三换热器8换热后进入预重整器7与循环回来的部分阳极排气混合重整,随后进入SOFC电池堆4的阳极,与阴极的空气进行电化学反应,通过直流/交流转换器6输出电能。此后阳极排气分为两部分:一部分循环回预重整器7与加压预热后的燃料混合重整,另一部分和阴极排气一起送入后燃室5燃烧,燃烧排气依次通过第二换热器3、第三换热器8、第一换热器2后进入余热锅炉和汽轮机***10生产蒸汽推动汽轮机产功,由发电机11发电输出,最后低温排气直接排入大气。
本发明对基准***进行改进,组成CO2零排放***,结构图如图2所示。集成带吹扫气OTM供氧的常压CO2零排放SOFC/AT/ST复合动力***对基准***的改进在于:空气1依次流经第一空气压缩机压缩1,第一换热器2、第二换热器3,进入SOFC电池堆4的阴极,燃料在燃料压缩机9压缩经第三换热器8换热后进入预重整器7与循环回来的部分阳极排气混合重整,随后进入SOFC电池堆4的阳极,与阴极的空气进行电化学反应,通过直流/交流转换器6输出电能。此后阳极排气分为两部分:一部分循环回预重整器7与加压预热后的燃料混合重整,另一部分送入后燃室5燃烧。阴极排气不再送入后燃室5,而是经第一换热器2换热后送入余热锅炉和汽轮机***10进行余热回收。后燃室所需空气由空气2提供:空气2经第二空气压缩机12压缩至4atm,依次与第四换热器13、第五换热器14、第六换热器15换热,随后进入OTM模块16,在此空气分离成两股:一股是纯氧,由高温的CO2、H2O吹扫后经第四换热器13降温后送入后燃室5助燃;另一股为高温高压的贫氧空气,经空气透平17膨胀及余热锅炉及蒸汽***10回收功和热。后燃室燃烧排气依次通过第六换热器15、第五换热器14、第二换热器3后一部分作为吹扫气送入OTM模块16的渗透侧对氧气进行吹扫,一部分与第三换热器8换热后进入余热锅炉和汽轮机***10生产蒸汽推动汽轮机产功,由发电机11发电输出。余热锅炉出来的低温燃烧排气(CO2和H2O)经冷凝器19析出水,由四级间冷压缩机20和冷却器21对CO2进行压缩液化存储处理。
本发明中OTM模块16-OTM模块结构图如图3所示, OTM模块的具体结构为:原料侧和渗透侧。OTM模块原料侧进气为经加压加热后的空气2,出口为贫氧空气;渗透侧进口由CO2、H2O吹扫,出口为CO2、H2O、O2混合气体。
下面结合算例,对本发明的效果做一下说明。
***初始条件:
基准***和集成带吹扫气OTM供氧的常压CO2零排放SOFC/AT/ST复合动力***基于相同的假设和相同的参数值,假设***中换热器存在2%的热损和压损,并假定空气的成分为79%的N2,21%的O2。***参数设定条件见下表1。燃料成分:CH4 93.6%,C2H6 4.9%,C3H8 0.4%,C4H10 0.2%,CO 0.9%。
表1 ***初始条件
电池工作温度 | 910℃ | 蒸汽/碳比 | 2.5 |
电池输出功率(DC) | 20MW | SOFC热损失 | 5% |
电池堆活化面积 | 16100m2 | 后燃室效率 | 100% |
运行压力 | 1.1 atm | SOFC压力损失 | 4.5% |
燃料入口温度 | 15℃ | 直交流转换效率 | 92% |
空气入口温度 | 15℃ | 发电机效率 | 99% |
燃料利用率 | 85% | 空气利用率 | 25% |
汽轮机高压缸效率 | 85% | 汽轮机低压缸效率 | 90% |
压缩机绝热效率 | 85% | 压缩机机械效率 | 98% |
透平绝热效率 | 88% | 透平机械效率 | 98% |
***结果如表2所示:
表2***结果比较
由表2可知,基准***的效率为60.84%,集成带吹扫气OTM供氧的常压CO2零排放SOFC/AT/ST复合动力***效率为58.59%。比较可知集成带吹扫气OTM供氧的常压CO2零排放SOFC/AT/ST复合动力***效率较相同条件下的基准***效率仅降低了2.25个百分点,显示出本发明***回收CO2对***效率影响较小,***仍具有较高的效率,达到了预期的有益效果。
Claims (7)
1.集成带吹扫气OTM供氧的常压CO2零排放SOFC/AT/ST复合动力***,其特征在于:
第一空气压缩机(1)依次与第一换热器(2)、第二换热器(3)串联后接入SOFC电池堆(4)的阴极;燃料压缩机(9)依次与第三换热器(8)、预重整器(7)串联后接入SOFC电池堆(4)的阳极;SOFC电池堆(4)的阳极排气分为两路:一路接入预重整器(7)进行循环,另一路接入后燃室(5)燃烧;SOFC电池堆(4)的输出端与直流/交流转换器(6)连接;
SOFC电池堆(4)的阴极排气与第一换热器(2)串联后接入余热锅炉及汽轮机***(10);
第二空气压缩机(12)依次与第四换热器(13)、第五换热器(14)、第六换热器(15)串联后接入OTM模块(16)的原料侧入口,OTM模块(16)的原料侧出口与空气透平(17)串联后接入余热锅炉及汽轮机***(10);OTM模块(16)的渗透侧出口与第四换热器(13)串联后接入后燃室(5);后燃室(5)的出口依次与第六换热器(15)、第五换热器(14)、第二换热器(3)串联后分为两路:一路接入OTM模块(16)的渗透侧入口进行循环,另一路依次与第三换热器(8)、余热锅炉及汽轮机***(10)连接,进行余热回收后接入冷凝器(19),析出水后进入带中间冷却器的二氧化碳压缩机(20)和冷却器(21),制备液态CO2;
后燃室(5)的燃烧排气CO2、H2O气体作为吹扫气,经第六换热器(15)、第五换热器(14)、第二换热器(3)换热达到OTM模块(16)的工作温度后送入OTM模块(16)渗透侧入口对氧气进行吹扫。
2.根据权利要求1所述的集成带吹扫气OTM供氧的常压CO2零排放SOFC/AT/ST复合动力***,其特征在于:所述OTM模块(16)的原料侧和渗透侧之间采用氧离子传输膜,OTM模块(16)的原料侧进气为经加压和加热的空气,出口为贫氧空气;从原料侧渗透到渗透侧的氧气由CO2、H2O气体吹扫;氧离子传输膜为只渗透氧气的致密、选择性渗透膜,可达到分离提取纯氧的效果;OTM模块(16)的工作温度为700°C -1000°C。
3.根据权利要求2所述的集成带吹扫气OTM供氧的常压CO2零排放SOFC/AT/ST复合动力***,其特征在于:所述氧离子传输膜的膜两侧氧气压力差是OTM模块(16)分离氧气的驱动力,原料侧的氧气分压力高于渗透侧的氧气分压力。
4.根据权利要求1所述的集成带吹扫气OTM供氧的常压CO2零排放SOFC/AT/ST复合动力***,其特征在于:所述带中间冷却器的二氧化碳压缩机(20)由冷凝器、四级压缩机、冷却器串联组成。
5.根据权利要求1所述的集成带吹扫气OTM供氧的常压CO2零排放SOFC/AT/ST复合动力***,其特征在于:所述SOFC电池堆***(4)输出端与直流/交流转换器(6)相连,输出电能。
6.根据权利要求1所述的集成带吹扫气OTM供氧的常压CO2零排放SOFC/AT/ST复合动力***,其特征在于:所述余热锅炉及汽轮机***(10)与第一发电机(11)连接,并驱动其发电。
7.根据权利要求1所述的集成带吹扫气OTM供氧的常压CO2零排放SOFC/AT/ST复合动力***,其特征在于:所述空气透平(17)与第二发电机(18)连接,并驱动其发电。
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---|---|
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Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103206307A (zh) * | 2013-04-03 | 2013-07-17 | 华北电力大学 | 用常压mcfc回收燃气轮机排气中co2的复合动力*** |
CN103410614A (zh) * | 2013-08-21 | 2013-11-27 | 华北电力大学 | 用两级常压mcfc回收燃气轮机排气中co2的复合动力*** |
CN104196582A (zh) * | 2014-07-03 | 2014-12-10 | 华北电力大学 | 基于mcfc电化学法捕集igcc***中co2的复合动力*** |
CN107785599A (zh) * | 2017-10-25 | 2018-03-09 | 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 | 一种串联式熔融碳酸盐燃料电池发电***和方法 |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20070281192A1 (en) * | 2006-06-01 | 2007-12-06 | Fuji Electric Holdings Co., Ltd. | Fuel cell power generation system |
WO2010125443A1 (en) * | 2009-04-29 | 2010-11-04 | Ansaldo Fuel Cells S.P.A. | System and process for separation of co2 and recovery of fuel from anodic exhaust gas of molten-carbonate fuel cells |
CN102518482A (zh) * | 2011-12-21 | 2012-06-27 | 华北电力大学 | 集成otm的co2零排放sofc/at/st复合动力*** |
CN102569859A (zh) * | 2012-01-11 | 2012-07-11 | 华北电力大学 | 集成otm的加压co2零排放sofc/gt/at/st复合动力*** |
CN102760900A (zh) * | 2012-07-13 | 2012-10-31 | 华北电力大学 | 结合吹扫气集成otm的加压co2零排放sofc/gt/at/st复合动力*** |
-
2012
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Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20070281192A1 (en) * | 2006-06-01 | 2007-12-06 | Fuji Electric Holdings Co., Ltd. | Fuel cell power generation system |
WO2010125443A1 (en) * | 2009-04-29 | 2010-11-04 | Ansaldo Fuel Cells S.P.A. | System and process for separation of co2 and recovery of fuel from anodic exhaust gas of molten-carbonate fuel cells |
CN102518482A (zh) * | 2011-12-21 | 2012-06-27 | 华北电力大学 | 集成otm的co2零排放sofc/at/st复合动力*** |
CN102569859A (zh) * | 2012-01-11 | 2012-07-11 | 华北电力大学 | 集成otm的加压co2零排放sofc/gt/at/st复合动力*** |
CN102760900A (zh) * | 2012-07-13 | 2012-10-31 | 华北电力大学 | 结合吹扫气集成otm的加压co2零排放sofc/gt/at/st复合动力*** |
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103206307A (zh) * | 2013-04-03 | 2013-07-17 | 华北电力大学 | 用常压mcfc回收燃气轮机排气中co2的复合动力*** |
CN103206307B (zh) * | 2013-04-03 | 2015-06-24 | 华北电力大学 | 用常压mcfc回收燃气轮机排气中co2的复合动力*** |
CN103410614A (zh) * | 2013-08-21 | 2013-11-27 | 华北电力大学 | 用两级常压mcfc回收燃气轮机排气中co2的复合动力*** |
CN103410614B (zh) * | 2013-08-21 | 2015-12-23 | 华北电力大学 | 用两级常压mcfc回收燃气轮机排气中co2的复合动力*** |
CN104196582A (zh) * | 2014-07-03 | 2014-12-10 | 华北电力大学 | 基于mcfc电化学法捕集igcc***中co2的复合动力*** |
CN104196582B (zh) * | 2014-07-03 | 2015-10-21 | 华北电力大学 | 基于mcfc电化学法捕集igcc***中co2的复合动力*** |
CN107785599A (zh) * | 2017-10-25 | 2018-03-09 | 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 | 一种串联式熔融碳酸盐燃料电池发电***和方法 |
CN107785599B (zh) * | 2017-10-25 | 2023-06-02 | 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 | 一种串联式熔融碳酸盐燃料电池发电***和方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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