一种整体煤气化固体氧化物燃料电池发电系统及方法技术方案

技术编号:20923679 阅读:16 留言:0更新日期:2019-04-20 11:14
本发明专利技术提供的一种整体煤气化固体氧化物燃料电池发电系统及方法,包括空分装置、气化炉、高温换热器、除杂装置、固体氧化物燃料电池、催化燃烧器、余热回收器、低温换热器、DC/AC转换器、压缩机、透平和发电机,充分地利用了合成气的热量用来加热高压空气,并最终通过透平做功,充分地利用了系统中的热量。与此同时采用发电效率高的高温固体氧化物燃料电池,从而能够实现煤炭资源的清洁高效利用,发电效率可达50%以上,污染物排放大大降低。

An Integrated Coal Gasification Solid Oxide Fuel Cell Power Generation System and Method

The invention provides an integrated coal gasification solid oxide fuel cell power generation system and method, including air separation device, gasifier, high temperature heat exchanger, impurity removal device, solid oxide fuel cell, catalytic burner, waste heat recovery device, low temperature heat exchanger, DC/AC converter, compressor, turbine and generator, which fully utilizes the heat of syngas to heat high pressure air. The heat in the system is fully utilized by the work done by the gas turbine. At the same time, high-temperature solid oxide fuel cells with high power generation efficiency can be used to achieve clean and efficient utilization of coal resources. Power generation efficiency can reach more than 50%, and pollutant emissions can be greatly reduced.

【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方法
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方法。
技术介绍
固体氧化物燃料电池(SolidOxideFuelCell,SOFC)具有发电效率高、污染排放低以及燃料适应性广等多方面优点。在发电站、军事以及航空航天等领域有着广阔的应用前景。固体氧化物燃料电池在800℃的高温条件下运行,电池堆产生的废气可以与小型燃气轮机组成联合循环,进一步回收热量,系统发电效率达到50%以上,远远高于火力发电厂。由于具有噪音和污染物的排放量很低的优点,固体氧化物燃料电池作为分布式电源可安放于办公大楼、医院等附近供电。固体氧化物燃料电池的燃料比较灵活,可以用合成煤气、天然气、富氢气体、化工厂含碳或氢的驰放气作为燃料,对煤等化石燃料的依存度不高。固体氧化物燃料电池与煤气化技术相结合,构建整体煤气化燃料电池(IntegratedGasificationFuelCell,IGFC)发电系统,不仅使燃料电池发电的容量和效率增加,也可以实现煤炭资源的清洁利用,是21世纪洁净煤发电技术的一个重要方向。在已有的研究中,燃料电池系统均作为一个独立的模块,未能考虑到整个系统中热量的有效利用。因此,在保持燃料电池发电效率一定的条件下,进一步提高系统的热利用效率,将能够进一步提高系统效率。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种整体煤气化固体氧化物燃料电池发电系统及方法,解决了现有的煤气化燃料电池发电系统中的热量不能有效利用的问题。为了达到上述目的,本专利技术采用的技术方案是:本专利技术提供的一种整体煤气化固体氧化物燃料电池发电系统,包括空分装置、气化炉、高温换热器、除杂装置、固体氧化物燃料电池、催化燃烧器、余热回收器、低温换热器、DC/AC转换器、压缩机、透平和发电机,其中,空分装置的氧气出口接气化炉的氧气入口,气化炉的高温气体出口连接至高温换热器的高温气体入口,高温换热器的高温气体出口连接除杂装置的入口,除杂装置的出口连接余热回收器的低温气体入口,余热回收器的低温气体出口连接固体氧化物燃料电池阳极入口;压缩机的出口连接高温换热器的低温气体入口,高温换热器的低温气体出口连接低温换热器的低温气体入口,低温换热器的低温气体出口接透平的入口,透平的出口连接催化燃烧器的第二入口,同时,透平驱动连接发压缩机;催化燃烧器的第一入口连接固体氧化物燃料电池阳极出口,催化燃烧器的出口连接低温换热器的高温气体入口,低温换热器的高温气体出口连接固体氧化物燃料电池的阴极入口;固体氧化物燃料电池的电能输出端连接DC/AC转换器的入口,DC/AC转换器出口接交流电网或电器。优选地,固体氧化物燃料电池的阴极出口连接余热回收器的高温气体入口,余热回收器的高温气体出口为废气。优选地,除杂装置包括颗粒物脱除装置、脱硫装置、汞脱除装置和水汽变换装置,其中,高温换热器的高温气体出口连接颗粒物脱除装置的入口,颗粒物脱除装置的出口连接脱硫装置的入口,脱硫装置的出口连接汞脱除装置的入口,汞脱除装置的出口连接水汽变换装置的入口,水汽变换装置的出口连接余热回收器的低温气体入口。优选地,颗粒物脱除装置采用袋式除尘器或电除尘器。优选地,空分装置上的氮气出口接氮气储存装置。优选地,透平驱动连接发电机。优选地,透平和发电机同轴布置。一种整体煤气化固体氧化物燃料电池发电方法,基于一种整体煤气化固体氧化物燃料电池发电系统,包括以下步骤:煤和氧气通入气化炉产生合成气,合成气首先经过高温换热器换热,温度降低后通入除杂装置进行除杂,然后经过余热回收器预热燃料气,最后通入到固体氧化物燃料电池的阳极;与此同时,空气通过压缩机进行增压,接着经过高温换热器、低温换热器提高空气的温度,然后空气通过透平做功而降温降压,并进一步通入到催化燃烧器中与固体氧化物燃料电池阳极出口气体中未反应的H2发生化学反应放出热量,提高气体温度,然后通过低温换热器降温后通入固体氧化物燃料电池阴极腔室,燃料和氧化剂在固体氧化物燃料电池内发生电化学反应,产生直流电,经过DC/AC转化器转化为交流电;透平驱动压缩机转动。与现有技术相比,本专利技术的有益效果:本专利技术提供的一种整体煤气化固体氧化物燃料电池发电系统,充分地利用了合成气的热量用来加热高压空气,并最终通过透平做功,充分地利用了系统中的热量。与此同时采用发电效率高的高温固体氧化物燃料电池,从而能够实现煤炭资源的清洁高效利用,发电效率可达50%以上,污染物排放大大降低,颗粒物<4.5mg/Nm3、SO2<20mg/Nm3、NOx<30mg/Nm3、Hg<0.003mg/Nm3。附图说明图1是结构示意图;其中,1、空分装置2、气化炉3、高温换热器4、颗粒物脱除装置5、脱硫装置6、汞脱除装置7、水汽变换装置8、固体氧化物燃料电池9、催化燃烧器10、余热回收器11、低温换热器12、DC/AC转换器13、压缩机14、透平15、发电机。具体实施方式下面结合附图,对本专利技术进一步详细说明。如图1所示,本专利技术提供的一种整体煤气化固体氧化物燃料电池发电系统,包括空分装置1、气化炉2、高温换热器3、颗粒物脱除装置4、脱硫装置5、汞脱除装置6、水汽变换装置7、固体氧化物燃料电池8、催化燃烧器9、余热回收器10、低温换热器11、DC/AC转换器12、压缩机13、透平14和发电机15,其中,空分装置1的入口通入空气,空分装置1的氧气出口接气化炉2的氧气入口,空分装置1的氮气出口接氮气储存装置;气化炉2的煤入口加入煤,气化炉2的高温气体出口连接至高温换热器3的高温气体入口,高温换热器3的高温气体出口连接颗粒物脱除装置4的入口,颗粒物脱除装置4的出口连接脱硫装置5的入口,脱硫装置5的出口连接汞脱除装置6的入口,汞脱除装置6的出口连接水汽变换装置7的入口,水汽变换装置7的出口连接余热回收器10的低温气体入口,余热回收器10的低温气体出口连接固体氧化物燃料电池8阳极入口;压缩机13的入口通入空气,压缩机13的出口连接高温换热器3的低温气体入口,高温换热器3的低温气体出口连接低温换热器11的低温气体入口,低温换热器11的低温气体出口接透平14的入口,透平14的出口连接催化燃烧器9的第二入口;催化燃烧器9的第一入口连接固体氧化物燃料电池8阳极出口,催化燃烧器9的出口连接低温换热器11的高温气体入口,低温换热器11的高温气体出口连接固体氧化物燃料电池8的阴极入口;固体氧化物燃料电池8的阴极出口连接余热回收器10的高温气体入口,余热回收器10的高温气体出口为废气,排空;固体氧化物燃料电池8的电能输出端连接DC/AC转换器12的入口,DC/AC转换器12出口接交流电网或电器;透平14驱动连接发电机15和压缩机13,发电机15与透平14同轴连接。所述空分装置1通过深冷法将空气中的氧气和氮气进行分离,氧气被输送至气化炉2中。所述气化炉2内反应生成合成气,合成气主要成为是H2、H2O、CO、CO2、CH4、H2S、COS等。所述高温换热器3、余热回收器10和低温换热器11包括高温气体流道和低温气体流道,高温气体和低温气体被换热片隔开并通过换热片交换热量。所述颗粒物脱除装置4采用袋式除尘器或电除尘器,脱除合成气中的颗粒物,使得矿尘含量小于200mg/N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,包括空分装置(1)、气化炉(2)、高温换热器(3)、除杂装置、固体氧化物燃料电池(8)、催化燃烧器(9)、余热回收器(10)、低温换热器(11)、DC/AC转换器(12)、压缩机(13)、透平(14)和发电机(15),其中,空分装置(1)的氧气出口接气化炉(2)的氧气入口,气化炉2的高温气体出口连接至高温换热器3的高温气体入口,高温换热器3的高温气体出口连接除杂装置的入口,除杂装置的出口连接余热回收器(10)的低温气体入口,余热回收器(10)的低温气体出口连接固体氧化物燃料电池(8)阳极入口;压缩机(13)的出口连接高温换热器(3)的低温气体入口,高温换热器(3)的低温气体出口连接低温换热器(11)的低温气体入口,低温换热器(11)的低温气体出口接透平(14)的入口,透平(14)的出口连接催化燃烧器(9)的第二入口,同时,透平(14)驱动连接发压缩机(13);催化燃烧器(9)的第一入口连接固体氧化物燃料电池(8)阳极出口,催化燃烧器(9)的出口连接低温换热器(11)的高温气体入口,低温换热器(11)的高温气体出口连接固体氧化物燃料电池(8)的阴极入口;固体氧化物燃料电池(8)的电能输出端连接DC/AC转换器(12)的入口,DC/AC转换器(12)出口接交流电网或电器。...

【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,包括空分装置(1)、气化炉(2)、高温换热器(3)、除杂装置、固体氧化物燃料电池(8)、催化燃烧器(9)、余热回收器(10)、低温换热器(11)、DC/AC转换器(12)、压缩机(13)、透平(14)和发电机(15),其中,空分装置(1)的氧气出口接气化炉(2)的氧气入口,气化炉2的高温气体出口连接至高温换热器3的高温气体入口,高温换热器3的高温气体出口连接除杂装置的入口,除杂装置的出口连接余热回收器(10)的低温气体入口,余热回收器(10)的低温气体出口连接固体氧化物燃料电池(8)阳极入口;压缩机(13)的出口连接高温换热器(3)的低温气体入口,高温换热器(3)的低温气体出口连接低温换热器(11)的低温气体入口,低温换热器(11)的低温气体出口接透平(14)的入口,透平(14)的出口连接催化燃烧器(9)的第二入口,同时,透平(14)驱动连接发压缩机(13);催化燃烧器(9)的第一入口连接固体氧化物燃料电池(8)阳极出口,催化燃烧器(9)的出口连接低温换热器(11)的高温气体入口,低温换热器(11)的高温气体出口连接固体氧化物燃料电池(8)的阴极入口;固体氧化物燃料电池(8)的电能输出端连接DC/AC转换器(12)的入口,DC/AC转换器(12)出口接交流电网或电器。2.根据权利要求1所述的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,固体氧化物燃料电池(8)的阴极出口连接余热回收器(10)的高温气体入口,余热回收器(10)的高温气体出口为废气。3.根据权利要求1所述的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,除杂装置包括颗粒物脱除装置(4)、脱硫装置(5)、汞脱除装置(6)和水汽变换装置(7),其中,高温换热器(3)的高...

【专利技术属性】
技术研发人员:王洪建程健许世森张瑞云卢成壮任永强杨冠军黄华
申请(专利权)人:中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司
类型:发明
国别省市:北京,11

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