一种整体煤气化固体氧化物燃料电池发电系统及工艺技术方案

本发明专利技术提供一种整体煤气化固体氧化物燃料电池发电系统及工艺，该系统包括通过管道连接的空分装置、气化炉、合成气净化装置、固体氧化物燃料电池、气液分离器、催化燃烧器和换热器，该系统采用煤与氧气反应制备的合成气为原料，采用固体氧化物燃料电池发电，同时输出一定量的热水，解决了熔融碳酸盐燃料电池电解质的腐蚀及泄露问题，同时节省投资，节约能源，提高系统的热效率。

【技术实现步骤摘要】
一种整体煤气化固体氧化物燃料电池发电系统及工艺
本专利技术属于固体氧化物燃料电池
，尤其涉及一种整体煤气化固体氧化物燃料电池发电系统及工艺。
技术介绍
燃料电池发电技术是一种直接将燃料的化学能转化为电能的发电装置，根据燃料电池工作温度，分为高温燃料电池和低温燃料电池，其中高温燃料电池包括固体氧化物燃料电池和熔融碳酸盐燃料电池，低温燃料电池包括质子交换膜燃料电池等。与传统燃煤发电技术不同，燃料电池是采用电化学催化，将燃料中的化学能直接转化为电能，过程中无热力学循环，不受热机卡诺循环效率限制，因而发电效率较高。目前燃料电池发电效率在45～65％，远远超过常规燃煤电厂(35％左右)以及先进的燃气－蒸汽联合循环(45％左右)的发电效率，目前燃料电池技术在煤清洁利用领域的应用已得到了工业发达国家的高度重视。整体煤气化燃料电池(IntegratedGasificationFuelCell，IGFC)发电系统是煤气化技术与燃料电池发电技术相结合的新一代先进的发电技术，发电系统由三大部分系统构成，即煤气化系统、煤气净化系统以及燃料电池发电系统。IGFC发电系统把高效、清洁、废物利用、多联产和节水等特点有机地结合起来，既提高了发电效率，又解决了环境污染的问题，被认为是21世纪最有发展前途的煤炭清洁发电技术。目前针对IGFC系统的研究仍处于发展示范阶段。专利CN201410608387.9公开了一种整体煤气化熔融碳酸盐燃料电池发电系统，该系统采用煤气化技术与熔融碳酸盐燃料电池发电和空气透平发电相结合，发电效率可达50％以上。融碳酸盐燃料电池(MoltenCarbonateFuelCell，简称MCFC)，工作温度为600～700℃，其电解质是熔融态Li2CO3及K2CO3混合物，高温条件下液体电解质的管理较困难，长期操作过程中，电解质腐蚀和泄露现象严重，降低了熔融碳酸盐燃料电池的使用寿命。根据熔融碳酸盐燃料电池工作原理，CO2必须循环工作，即从阳极排出的CO2要用经过催化除H2的处理后，再按一定的比例与空气混合送入阴极，CO2的循环增加了熔融碳酸盐燃料电池系统结构和控制的复杂性。且以空气为工作介质的空气透平发电效率较低，不利于高温燃料电池系统热量的回收利用。固体氧化物燃料电池(SolidOxideFuelCell，简称SOFC)，也是一种高温燃料电池，工作温度在700～1000℃。与熔融碳酸盐燃料电池相比，固体氧化物燃料电池具有以下特点：(1)、采用陶瓷材料作为电解质、阴极和阳极的材料，具有全固态结构，避免了电解质的腐蚀及泄露问题；(2)、煤气化制备的合成气(主要成分CO和H2)可以直接作为燃料，无需进行一氧化碳变换和脱二氧化碳工序；(3)、工作温度和排气温度更高，有更多的余热可供利用；(4)、杂质的容许度更高，更适合与煤气化技术相结合应用。因此固体氧化物燃料电池被普遍认为将在未来得到广泛应用。
技术实现思路
鉴于整体煤气化燃料电池现有技术存在的问题，本专利技术提供一种整体煤气化固体氧化物燃料电池发电系统，该系统采用煤气化制备的合成气为燃料，采用固体氧化物燃料电池发电，除发电外还可以输出一定量的热水，实现热电联产，该发电系统避免了熔融碳酸盐燃料电池电解质的腐蚀和泄露问题，提高了系统热量利用率。本专利技术的一种整体煤气化固体氧化物燃料电池发电系统，其包括将空气中的氧气和氮气进行分离的空分装置、使煤和氧气发生煤气化反应生成合成气的具有氧气入口和煤入口的气化炉、对合成气进行净化处理的合成气净化装置、固体氧化物燃料电池、对阳极尾气进行气液分离的气液分离器、使阳极尾气与阴极尾气反应产热并为氧气提供热量的催化燃烧器和用于热量交换的第一、第二、第三和第四换热器，其中，所述空分装置的气体入口与空气输入管道连接，空分装置的氧气输出管道分为两个支管，一个支管连接于气化炉的氧气入口，气化炉的合成气输出管道连接于第一换热器的高温气体入口，第一换热器的高温气体出口通过管道连接合成气净化装置，出合成气净化装置后连接于第一换热器的低温气体入口，第一换热器的低温气体出口经管道连接于第二换热器的低温气体入口，第二换热器的低温气体出口经管道连接于固体氧化物燃料电池的阳极入口，固体氧化物燃料电池的阳极尾气输出管道连接于第二换热器的高温气体入口，第二换热器的高温气体出口经管道连接于气液分离器的气体入口，气液分离器的气体出口经管道连接于催化燃烧器的阳极尾气入口，从空分装置的氧气输出管道分出的另一支管连接于催化燃烧器的氧气入口，催化燃烧器的氧气输出管道连接于第三换热器的低温气体入口，第三换热器的低温气体出口经管道连接于固体氧化物燃料电池的阴极入口，固体氧化物燃料电池的阴极尾气出口连接第三换热器的高温气体入口，第三换热器的高温气体出口通过管道经第四换热器之后返回连接于催化燃烧器的阴极尾气入口。进一步地，所述合成气净化装置包括通过输气管道依次连接的颗粒物脱除装置、脱硫装置和汞脱除装置。优选地，所述颗粒物脱除装置为袋式除尘器或电除尘器，脱除合成气中的颗粒物，使得颗粒物含量小于200mg/Nm3。脱硫装置优选是采用低温甲醇法或NHD法的装置，使得出口处总硫含量小于1ppm。汞脱除装置优选采用活性炭法脱除合成气中的汞，使得出口气体中汞含量低于0.03mg/Nm3。进一步地，所述第一换热器为实现合成气与净化气热交换的板式换热器，第二换热器为固体氧化物燃料电池阳极尾气与净化气进行热交换的板式换热器，第三换热器为固体氧化物燃料电池阴极尾气与氧气进行热交换的板式换热器。进一步地，所述第四换热器的高温气体入口连接于第三换热器的高温气体出口，第四换热器的低温液体入口连接于冷水管，优选为管壳式换热器。进一步地，所述固体氧化物燃料电池由阳极、阴极和电解质组成，阳极和阴极分别在电解质的两侧，电解质、阴极和阳极的材料均为陶瓷，具有全固态结构，避免了电解质的腐蚀及泄露问题。合成气和氧气在固体氧化物燃料电池中发生电化学反应，输出电能，燃料电池工作温度在700-1000℃。进一步地，所述气化炉设有固体煤入口。进一步地，所述气液分离器还设有热水出口。空分装置中优选深冷法实现氮气与氧气的分离。在气化炉内，煤和氧气发生煤气化反应生成的合成气的主要成分为H2、H2O、CO、CO2、CH4、H2S等。本专利技术进一步涉及一种整体煤气化固体氧化物燃料电池发电工艺，包括如下步骤：(1)空气通入空分装置，在空分装置内氧气与氮气分离，氧气通过空分装置的氧气输出管道分为两股，一股进入气化炉和煤发生煤气化反应生成合成气，从气化炉输出的合成气温度为800-900℃，进一步830-880℃，合成气组分为CO：30～70V％，H2：5～30V％，CO2：5～15V％，H2O：0～15V％，CH4：0～5V％、H2S：0～8V％，合成气经第一换热器的高温气体入口进入第一换热器换热后，温度降低至100℃以下，例如50-100℃，然后从第一换热器的高温气体出口输出后进入颗粒物脱除装置(例如袋式除尘器或电除尘器)，使得颗粒物含量低于200mg/Nm3，优选低于100mg/Nm3；再通入脱硫装置(优选使用低温甲醇法或NHD法)，使得总硫浓度低于1ppm，优选低于0.5ppm；再通入汞脱除装置(例如使用活性炭)脱除合成气中的汞，使气体中汞本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种整体煤气化固体氧化物燃料电池发电系统，其特征在于：其包括将空气中的氧气和氮气进行分离的空分装置、使得煤和氧气发生煤气化反应生成合成气的具有氧气入口和煤入口的气化炉、对合成气进行净化处理的合成气净化装置、固体氧化物燃料电池、对阳极尾气进行气液分离的气液分离器、使阳极尾气与阴极尾气反应产热并为氧气提供热量的催化燃烧器和用于热量交换的第一、第二、第三和第四换热器，所述空分装置的气体入口与空气输入管道连接，空分装置的氧气输出管道分为两个支管，一个支管连接于气化炉的氧气入口，气化炉的合成气输出管道连接于第一换热器的高温气体入口，第一换热器的高温气体出口通过管道连接合成气净化装置，出合成气净化装置后连接于第一换热器的低温气体入口，第一换热器的低温气体出口经管道连接于第二换热器的低温气体入口，第二换热器的低温气体出口经管道连接于固体氧化物燃料电池的阳极入口，固体氧化物燃料电池的阳极尾气输出管道连接于第二换热器的高温气体入口，第二换热器的高温气体出口经管道连接于气液分离器的气体入口，气液分离器的气体出口经管道连接于催化燃烧器的阳极尾气入口，从空分装置的氧气输出管道分出的另一支管连接于催化燃烧器的氧气入口，催化燃烧器的氧气输出管道连接于第三换热器的低温气体入口，第三换热器的低温气体出口经管道连接于固体氧化物燃料电池的阴极入口，固体氧化物燃料电池的阴极尾气出口连接第三换热器的高温气体入口，第三换热器的高温气体出口通过管道经第四换热器之后返回连接于催化燃烧器的阴极尾气入口。...

【技术特征摘要】
1.一种整体煤气化固体氧化物燃料电池发电系统，其特征在于：其包括将空气中的氧气和氮气进行分离的空分装置、使得煤和氧气发生煤气化反应生成合成气的具有氧气入口和煤入口的气化炉、对合成气进行净化处理的合成气净化装置、固体氧化物燃料电池、对阳极尾气进行气液分离的气液分离器、使阳极尾气与阴极尾气反应产热并为氧气提供热量的催化燃烧器和用于热量交换的第一、第二、第三和第四换热器，所述空分装置的气体入口与空气输入管道连接，空分装置的氧气输出管道分为两个支管，一个支管连接于气化炉的氧气入口，气化炉的合成气输出管道连接于第一换热器的高温气体入口，第一换热器的高温气体出口通过管道连接合成气净化装置，出合成气净化装置后连接于第一换热器的低温气体入口，第一换热器的低温气体出口经管道连接于第二换热器的低温气体入口，第二换热器的低温气体出口经管道连接于固体氧化物燃料电池的阳极入口，固体氧化物燃料电池的阳极尾气输出管道连接于第二换热器的高温气体入口，第二换热器的高温气体出口经管道连接于气液分离器的气体入口，气液分离器的气体出口经管道连接于催化燃烧器的阳极尾气入口，从空分装置的氧气输出管道分出的另一支管连接于催化燃烧器的氧气入口，催化燃烧器的氧气输出管道连接于第三换热器的低温气体入口，第三换热器的低温气体出口经管道连接于固体氧化物燃料电池的阴极入口，固体氧化物燃料电池的阴极尾气出口连接第三换热器的高温气体入口，第三换热器的高温气体出口通过管道经第四换热器之后返回连接于催化燃烧器的阴极尾气入口。2.根据权利要求1所述的发电系统，其特征在于：所述合成气净化装置包括通过输气管道依次连接的颗粒物脱除装置、脱硫装置和汞脱除装置，优选地，所述颗粒物脱除装置为袋式除尘器或电除尘器，脱除合成气中的颗粒物。3.根据权利要求1所述的发电系统，其特征在于：所述第一换热器为实现合成气与净化气热交换的板式换热器，第二换热器为固体氧化物燃料电池阳极尾气与净化气进行热交换的板式换热器，第三换热器为固体氧化物燃料电池阴极尾气与氧气进行热交换的板式换热器。4.根据权利要求1-3任一所述的发电系统，其特征在于：所述第四换热器的高温气体入口连接于第三换热器的高温气体出口，第四换热器的低温液体入口连接于冷水管，优选为管壳式换热器。5.根据权利要求1-4任一所述的发电系统，其特征在于：所述固体氧化物燃料电池由阳极、阴极和电解质组成，阳极和阴极分别在电解质的两侧，电解质、阴极和阳极的材料均为陶瓷，具有全固态结构。6.根据权利要求1-5任一所述的发电系统，其特征在于：所述气化炉设有固体煤入口。7.根据权利要求1-6任一所述的发电系统，其特征在于：所述气液分离器设有热水出口。8.一种整体煤气化固体氧化物燃料电池发电工艺，包括如下步骤：(1)空气通入空分装置，在空分装置内氧气与氮...

【专利技术属性】
技术研发人员：史立杰，苏海兰，段妮丽，司瑞刚，李晨佳，常俊石，
申请(专利权)人：新地能源工程技术有限公司，
类型：发明
国别省市：河北,13