固体氧化物燃料电池焦炉气发电工艺及装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种固体氧化物燃料电池(SOFC)焦炉气发电工艺及装置，所述工艺包括：(A)将空气加压后，经换热后进入SOFC电池堆；(B)将焦炉气加压后进入脱硫装置脱除焦炉气中的硫化氢气体，然后送入甲烷水蒸气重整器在700‑1000℃下进行甲烷重整，将甲烷转化为一氧化碳、氢气和少量的二氧化碳，重整后的含有氢气、一氧化碳、少量二氧化碳和水蒸气的气流被送入SOFC燃料电池堆与上述空气化学反应产生电能。

Power generation technology and device for coke oven gas in solid oxide fuel cell

The present invention relates to a coke oven gas power generation process and device of solid oxide fuel cell (SOFC). The process comprises: (A) pressurizing the air and entering the SOFC battery stack after heat exchange; (B) pressurizing the coke oven gas and entering the desulfurization unit to remove the hydrogen sulfide gas from the coke oven gas, and then feeding the methane steam reformer at 700 1000 C. The reformed methane is converted into carbon monoxide, hydrogen and a small amount of carbon dioxide. The reformed gas containing hydrogen, carbon monoxide, a small amount of carbon dioxide and water vapor is fed into the SOFC fuel cell stack to react with the above air chemically to generate electricity.

【技术实现步骤摘要】
固体氧化物燃料电池焦炉气发电工艺及装置
本专利技术涉及一种固体氧化物燃料电池(SOFC)焦炉气发电工艺及装置。
技术介绍
随着国家对于环保要求的越来越高，焦化行业对于焦炉尾气的利用越发被重视起来。目前焦炉气发电主要有几种方式：燃气蒸汽轮机发电，燃气轮机发电、燃气内燃机发电、气液流体动力发电机组四种方式。但这些传统的焦炉煤气发电方式主要是通过化学能转化成热能和机械能进而转化成电能，其中能量的损失非常大，并且对于环境污染也比较大。焦炉气的主要成分比较复杂，主要含有：氢气(50％以上)，甲烷(20-30％)，一氧化碳(8-15％)，二氧化碳(3-8％)，氮气(2-5％)，水(饱和)，硫化氢(少量)，少量固体颗粒等。燃料电池燃料电池是一种将燃料与氧化剂的化学能通过电化学反应直接转换成电能的发电装置。主要由阴极、阳极、电解质和辅助设备组成。燃料电池是等温的按电化学的方法，直接将化学能转化为电能而不经过热能和机械能的过程，不受卡诺循环限制，理论上可在接近100％的热效率下进行，且无噪音，无污染，正在逐渐成为理想的能源利用方式。燃料电池主要分为五类：碱性燃料电池(AFC),磷酸型燃料电池(PAFC)，熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)，固体氧化物燃料电池(SOFC),质子交换膜燃料电池(PEMFC)。目前燃料电池已经有工业化应用，目前国内外对于燃料电池的应用大部分在汽车上，作为汽车的动力系统。而车上主要应用的是质子交换膜燃料电池(PEMFC)。固体氧化物燃料电池因需要在较高温度下(600-1000℃)工作，所以目前主要应用在固定式发电装置上。固体氧化物燃料电池(SOFC)的燃料气比起只能利用氢气为燃料的质子交换膜燃料电池(PEMFC)更为丰富，氢气，甲烷(因直接甲烷燃料电池目前还处在研发阶段，所以目前不采取甲烷直接燃料电池的发电方式，通过重整反应将甲烷变换后加以利用)，一氧化碳等均可以作为燃料气侧原料，所以被认为是更加有发展空间的一种燃料电池。SOFC电解质是固体，可以被做成管形、板形或整体形。与液体电解质的燃料电池(AFC、PAFC和MCFC)相比，SOFC避免了电解质蒸发和电池材料的腐蚀问题，电池的寿命较长(已达到70000小时)。CO可做为燃料，使燃料电池以煤气为燃料成为可能。SOFC的运行温度在1000℃左右，燃料可以在电池内进行重整。由于运行温度很高，要解决金属与陶瓷材料之间的密封也很困难。与低温燃料电池相比，SOFC的启动时间较长，不适合作应急电源。与MCFC相比，SOFC组成联合循环的效率更高，寿命更长(可大于40000小时)；但SOFC面临技术难度较大，价格可能比MCFC高。示范业绩证明SOFC是未来化石燃料发电技术的理想选择之一，既可用作中小容量的分布式电源(500kw一50MW)，也可用作大容量的中心电站(＞l00MW)。尤其是加压型SOFC与微型燃气轮结合组成联合循环发电的示范，将使SOFC的优越性进一步得到体现。目前以焦炉气为原料的SOFC电池发电技术存在一些难点，目前还不能广泛的工业化应用。焦炉气中硫化氢含量约为20-40ppm，而硫成分会影响SOFC中组件寿命，也会腐蚀蒸汽重整和转换催化的设备，因此需要减少其硫含量到1.0ppm以下。此外，在SOFC电池中因为高温操作使甲烷反应不容易完全，会产生积碳，使电池逐渐失效。
技术实现思路
鉴于上述现有技术中存在的问题，本专利技术的目的是提供一种固体氧化物燃料电池(SOFC)焦炉气发电工艺及装置。本专利技术的固体氧化物燃料电池(SOFC)焦炉气发电工艺包括以下步骤：(A)将空气加压(一般至0-0.5MPa，优选0.1-0.4MPa)后，经换热(至例如400-700℃，尤其500-600℃)后进入SOFC电池堆；(B)将焦炉气加压(一般至1.0-3.0MPa，优选1.5-2.5MPa)后进入脱硫装置脱除焦炉气中的硫化氢气体，优选使硫含量到1.0ppm以下，进一步0.8ppm以下，然后送入甲烷水蒸气重整器在700-1000℃，优选800-900℃下进行甲烷重整，将甲烷转化为一氧化碳、氢气和少量的二氧化碳，重整后的含有氢气、一氧化碳、少量二氧化碳和水蒸气的气流(重整气)被送入SOFC燃料电池堆在600-1000℃，优选700-900℃下与上述空气化学反应产生电能。供给SOFC燃料电池堆的空气和重整气(上述含有氢气、一氧化碳、少量二氧化碳和水蒸气的气流)的体积比7～12:1，优选8～10:1。进一步地，SOFC燃料电池堆空气侧出口气体主要包括高温的氮气和氧气，空气侧出口气体经由管道输送回甲烷水蒸气重整器(重整反应器)内；SOFC燃料电池堆的另一燃料侧出口气体经化学反应主要为水蒸气和二氧化碳，如果未进行充分的反应，还会还有少量的氢气和一氧化碳，燃料侧出口气体经由管道输出，分成两路，一路经由管道通过流量计调节气体流量，进入甲烷水蒸气重整器与(高温)空气侧出口气体燃烧产生热量提供给甲烷水蒸气重整器，另一路经由管道经流量计调节气体流量后，输入回甲烷水蒸气重整器的燃料气入口管道，为水蒸气重整提供过量的水蒸气。可供选择地，SOFC燃料电池堆空气侧出口的空气侧出口气体和部分燃料侧出口气体通过一个燃烧器进行燃烧，再将热量提供给甲烷水蒸气重整器。进一步地，甲烷水蒸气重整器为管式反应器，管内填充催化剂通入燃料气体(来自脱硫装置的脱硫后的焦炉气)，管外通入一部分的燃料侧出口气体和高温空气侧出口气体，在反应器内燃烧为重整反应提供热量。优选地，步骤(A)中，空气加压后通过空气过滤器过滤，然后经气体流量计调节流量，再通过换热器换热。甲烷水蒸气重整器可以在700-1000℃下，常压到中压(不高于3.0MPa)的压力下操作。甲烷水蒸气重整器的甲烷重整催化剂常用组成为Ni/Al2O3、Ni/Ce2Zr2O7、Ni/Ce2Zr2O7，优选目前已广泛应用的西南化工研究院研制的CN-14)。通过选择催化剂，甲烷水蒸气重整器内发生的反应也可以是甲烷二氧化碳重整和甲烷部分氧化重整，例如甲烷二氧化碳重整选择Ir/Al2O3、Rh/La2O3、Ni/Al2O3，甲烷部分氧化重整选择LiNiLaOx、Pt-Ni/Al2O3。本专利技术进一步提供一种固体氧化物燃料电池(SOFC)焦炉气发电，该装置包括：SOFC电池堆、第一压缩机、第二压缩机、空气过滤器、气体流量计、换热器、脱硫装置、甲烷水蒸气重整器、用电系统，其中，空气进料管依次连接第一压缩机、空气过滤器、气体流量计、换热器和SOFC电池堆的空气进料口，焦炉气进料管依次连接第二压缩机、脱硫装置、甲烷水蒸气重整器、SOFC电池堆的重整气(燃料气)入口，SOFC电池堆进一步连接用电系统(工业负载和/或燃料电池发电辅助设备)。在甲烷水蒸气重整器与SOFC电池堆的重整气(燃料气)入口之间可连接另一气体流量计。进一步地，SOFC燃料电池堆空气侧出口经由管道连接甲烷水蒸气重整器(重整反应器)的供热气入口，用于燃烧为重整反应提供热量；SOFC燃料电池堆的另一燃料侧出口管道分成两路，一路经由管道通过流量计连接甲烷水蒸气重整器的供热气进口，用于燃烧为重整反应提供热量，另一路经由管道经流量计连接甲烷水蒸气重整器的燃料气入口管道，为水蒸气重整提供过量的水蒸气。可供选择地，SOFC燃料本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种固体氧化物燃料电池焦炉气发电工艺，该工艺包括以下步骤：(A)将空气加压(一般至0‑0.5MPa，优选0.1‑0.4MPa)后，经换热(至例如400‑700℃，尤其500‑600℃)后进入SOFC电池堆；(B)将焦炉气加压(一般至1.0‑3.0MPa，优选1.5‑2.5MPa)后进入脱硫装置脱除焦炉气中的硫化氢气体，优选使硫含量到1.0ppm以下，然后送入甲烷水蒸气重整器在700‑1000℃，优选800‑900℃下进行甲烷重整，将甲烷转化为一氧化碳、氢气和少量的二氧化碳，重整后的含有氢气、一氧化碳、少量二氧化碳和水蒸气的气流被送入SOFC燃料电池堆在600‑1000℃，优选700‑900℃下与上述空气化学反应产生电能。

【技术特征摘要】
1.一种固体氧化物燃料电池焦炉气发电工艺，该工艺包括以下步骤：(A)将空气加压(一般至0-0.5MPa，优选0.1-0.4MPa)后，经换热(至例如400-700℃，尤其500-600℃)后进入SOFC电池堆；(B)将焦炉气加压(一般至1.0-3.0MPa，优选1.5-2.5MPa)后进入脱硫装置脱除焦炉气中的硫化氢气体，优选使硫含量到1.0ppm以下，然后送入甲烷水蒸气重整器在700-1000℃，优选800-900℃下进行甲烷重整，将甲烷转化为一氧化碳、氢气和少量的二氧化碳，重整后的含有氢气、一氧化碳、少量二氧化碳和水蒸气的气流被送入SOFC燃料电池堆在600-1000℃，优选700-900℃下与上述空气化学反应产生电能。2.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池焦炉气发电工艺，其特征在于，供给SOFC燃料电池堆的空气和重整后的含有氢气、一氧化碳、少量二氧化碳和水蒸气的气流的体积比7～12:1，优选8～10:1。3.根据权利要求1或2所述的固体氧化物燃料电池焦炉气发电工艺，其特征在于，SOFC燃料电池堆空气侧出口气体经由管道输送回甲烷水蒸气重整器内；SOFC燃料电池堆的另一燃料侧出口气体经由管道输出，分成两路，一路经由管道通过流量计调节气体流量，进入甲烷水蒸气重整器与空气侧出口气体燃烧产生热量提供给甲烷水蒸气重整器，另一路经由管道经流量计调节气体流量后，输入回甲烷水蒸气重整器的燃料气入口管道，为水蒸气重整提供过量的水蒸气。4.根据权利要求3所述的固体氧化物燃料电池焦炉气发电工艺，其特征在于，SOFC燃料电池堆空气侧出口的空气侧出口气体和部分燃料侧出口气体通过一个燃烧器进行燃烧，再将热量提供给甲烷水蒸气重整器。5.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池焦炉气发电工艺，其特征在于，甲烷水蒸气重整器为管式反应器，管内填充催化剂通入来自脱硫装置的脱硫后的焦炉气，管外通入一部分的燃料侧出口气体和高温空气侧出口气体，在反应器内燃烧为重整反应提供热量。6.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池焦炉气发电工艺，其特征在于，步骤(A)中，空气加压后通过空气...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯璐瑶，史立杰，李晨佳，张永泽，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