一种利用煤气高温显热的整体煤气化燃料电池发电系统及方法技术方案

本发明专利技术公开一种利用煤气高温显热的整体煤气化燃料电池发电系统及方法，包括废热锅炉、引射器、燃料电池和阴极回热器；利用煤气高温显热直接加热阴极空气，节省了燃料电池内燃料气用于维持操作温度所需的燃料气，避免了煤气高温显热转化为蒸汽，再由汽轮机发电，提高了系统的净发电效率；利用煤气高温显热直接加热阴极空气，减小了阴极回热器体积，避免了煤气冷却过程与蒸汽发电过程的关联，简化了系统流程，易于实现系统的顺序启动。本发明专利技术在保证设备造价合理的前提下，有效提高IGFC净发电效率，解决了现有技术存在的问题。

An Integrated Coal Gasification Fuel Cell Power Generation System and Method Using High Temperature Sensitive Heat of Gas

The invention discloses an integrated coal gasification fuel cell power generation system and method utilizing high temperature sensible heat of gas, including waste heat boiler, ejector, fuel cell and cathode regenerator; cathode air is directly heated by high temperature sensible heat of gas, which saves fuel gas needed for maintaining operation temperature in fuel cell, avoids high temperature sensible heat of gas converting into steam, and then from steam. Turbine power generation improves the net power generation efficiency of the system; the cathode air is directly heated by sensible heat of gas at high temperature, which reduces the volume of cathode regenerator, avoids the correlation between gas cooling process and steam power generation process, simplifies the system flow and is easy to realize the sequential start-up of the system. The invention effectively improves the net power generation efficiency of IGFC and solves the existing technical problems on the premise of ensuring the reasonable cost of the equipment.

【技术实现步骤摘要】
一种利用煤气高温显热的整体煤气化燃料电池发电系统及方法
本专利技术属于洁净煤发电
，特别涉及一种整体煤气化燃料电池发电系统。
技术介绍
煤炭是我国最重要的基础能源，其地位将在未来相当长时期内不会改变。我国的燃煤发电技术经过十多年的努力取得了长足的进步，百万千瓦二次再热超超临界燃煤发电机组的供电煤耗可到达265克/千瓦时，处于国际领先地位，污染物的排放指标持续提高，超低排放污染物控制技术可将燃煤机组主要污染物控制在天然气联合循环发电的排放水平。我国于2012年建成投产了首套25万千瓦规模的整体煤气化联合循环(IGCC)示范电站，其净效率设计为41％，电站实际运行的环保性能可达甚至优于天然气联合循环发电的排放水平，可实现常规污染物的近零排放。美国环境保护署日前公布发电技术的二氧化碳排放标准为636克CO2/kWh。经过测算，现有技术水平下超超临界燃煤发电机组与IGCC很难达到此碳排放指标。这意味着煤基发电技术仍需进一步提高净效率或者进行二氧化碳捕集。700℃先进超超临界燃煤机组与高参数IGCC可以大幅提高煤基发电技术净效率，但700℃先进超超临界燃煤机组距离实现商业示范还存在瓶颈问题。使用现有技术或近期可行的技术进行二氧化碳捕集不仅将大幅增加设备投资，还会显著降低发电效率。整体煤气化燃料电池发电系统(IGFC)是将IGCC与高温燃料电池结合的发电系统，其能源转化效率不受卡诺循环效率的限制，能大幅提高煤电效率，易于实现污染物及二氧化碳近零排放，是洁净煤发电技术的一个重要发展方向。IGFC的煤气化过程通常会产生大量的高温显热，回收这部分高温显热对于提高IGFC的净发电效率至关重要。目前，回收高温显热的办法是主要是采用废热锅炉，产生饱和或过热蒸汽，蒸汽再送至汽轮机发电。此过程涉及煤气高温显热向蒸汽热能的转化，必然造成发电能力损失。在保证设备造价合理的前提下，提高废热锅炉的蒸汽参数是提高IGFC净发电效率的瓶颈问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种利用煤气高温显热的整体煤气化燃料电池发电系统及方法，用于简化整体煤气化燃料电池发电系统流程，提高系统发电效率，以解决上述技术问题。为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种利用煤气高温显热的整体煤气化燃料电池发电系统，包括备煤单元、气化炉、废热锅炉、循环气压缩机、第一气气加热器、第二气气加热器、羰基硫水解反应器、脱硫单元、湿化器、引射器、燃料电池、纯氧燃烧器、阴极空气压缩机、阴极回热器、空气透平、余热锅炉、汽轮机、尾气压缩机、氧压机、深冷空分单元和氮压机；备煤单元的出口连接气化炉的煤粉入口，气化炉顶部的高温粗煤气出口连接废热锅炉的入口；废热锅炉的空气入口连接阴极回热器冷侧空气出口，废热锅炉的空气出口连接燃料电池阴极入口；废热锅炉的粗煤气出口连接循环气压缩机入口和第一气气加热器热侧入口；循环气压缩机出口连接废热锅炉的空气入口；第一气气加热器热侧出入口依次连接第二气气加热器热侧和羰基硫水解反应器，羰基硫水解反应器的出口连接第二气气加热器冷侧入口；第二气气加热器冷侧出口连接脱硫单元；脱硫单元的洁净煤气出口连接湿化器的入口；湿化器的出口连接第一气气加热器冷侧入口，第一气气加热器冷侧出口连接引射器的工作流体入口；汽轮机中部的中压蒸汽出口连接接引射器的工作流体入口和气化炉；尾气压缩机出口连接引射器的工作流体入口；燃料电池阳极空气出口连接引射器的引射流体入口和纯氧燃烧器入口；连接引射器的出口连接燃料电池阳极空气入口；氧压机的出口连接气化炉和纯氧燃烧器入口；纯氧燃烧器的出口连接余热锅炉；余热锅炉的尾气出口连接尾气压缩机入口和大气；阴极空气压缩机的出口连接阴极回热器冷侧入口和深冷空分单元入口；阴极回热器的热侧出口连接空气透平入口，空气透平出口连接余热锅炉入口；深冷空分单元的污氮出口连通大气，纯氧出口连接氧压机入口，纯氮连接氮压机的入口；氮压机的出口连接气化炉入口；余热锅炉的高压过热蒸汽出口连接汽轮机。进一步的，废热锅炉的粗煤气出口连接除尘单元；除尘单元的煤气出口连接循环气压缩机入口和第一气气加热器热侧入口。进一步的，气化炉的底部设有排渣口。进一步的，还包括水处理单元与硫回收单元；脱硫单元具有废水出口与废气出口；脱硫单元的废水出口与废气出口分别连接水处理单元与硫回收单元。进一步的，还包括余热回收单元和煤气冷却器；第二气气加热器冷侧出口依次连接余热回收单元、煤气冷却器和脱硫单元。进一步的，还包括燃气透平；纯氧燃烧器的出口通过燃气透平连接余热锅炉。进一步的，阴极空气压缩机出口与深冷空分单元入口之间设有余热回收换热器。一种利用煤气高温显热的整体煤气化燃料电池发电方法，包括以下步骤：原煤在备煤单元中磨煤、干燥后形成干煤粉，由氮压机出口的高压氮气输送至气化炉，氧压机出口的部分纯氧与少量汽轮机中部抽取的中压蒸汽同时送入气化炉反应，气化炉炉底产生炉渣，顶部产生的高温粗煤气与循环气压缩机出口的低温煤气混合激冷后，送入废热锅炉；废热锅炉内放出的热量用于加热从阴极回热器冷侧出口的空气，加热后的空气送入燃料电池阴极入口；经过废热锅炉回收余热后的粗煤气送入除尘单元，经过降温除尘后的一部分煤气循环至循环气压缩机入口，另一部分煤气进入第一气气加热器热侧入口，降温后送入第二气气加热器热侧入口，进一步降温后送入羰基硫水解反应器，随后进入第二气气加热器冷侧入口，煤气经过复热后，进入脱硫单元，脱硫单元产生的洁净煤气送入湿化器加湿后进入第一气气加热器冷侧；第一气气加热器冷侧出口煤气与汽轮机中部抽取的中压蒸汽、尾气压缩机出口的气体混合后，对煤气中一氧化碳气体形成稀释，送入引射器，引射燃料电池阳极出口的部分尾气，引射器出口的煤气进入燃料电池阳极，进行反应；燃料电池阳极出口的其余尾气进入纯氧燃烧器与氧压机出口的部分纯氧进行催化燃烧反应，产生的燃烧尾气送入余热锅炉，燃烧尾气经过降温后分为两股，第一股送入尾气压缩机入口，第二股直接排入大气；一股空气经过阴极空气压缩机加压后，一部分送入阴极回热器冷侧入口，冷侧出口的空气送入废热锅炉，产生的高温空气送至燃料电池阴极入口，高温空气在燃料电池中进行反应后送入阴极回热器热侧入口，降温后送入空气透平，驱动空气透平转动做功后，送入余热锅炉，回收余热后排入大气；阴极空气压缩机出口的另一部分空气送入深冷空分单元，深冷空分单元产生的污氮排入大气，产生纯氧送入氧压机入口，产生的纯氮送入氮压机入口；余热锅炉回收空气透平排出尾气的余热，产生高压过热蒸汽送入汽轮机。进一步的，所述一种利用煤气高温显热的整体煤气化燃料电池发电系统，还包括燃气透平；纯氧燃烧器的出口通过燃气透平连接余热锅炉；燃料电池阳极出口的其余尾气进入纯氧燃烧器与氧压机出口的部分纯氧进行催化燃烧反应，产生的燃烧尾气经过燃气透平做功后，送入余热锅炉。进一步的，第一气气加热器冷侧出口煤气送入废锅锅炉加热后，与汽轮机中部抽取的中压蒸汽、尾气压缩机出口的气体混合后，对煤气中一氧化碳气体形成稀释，送入引射器，引射燃料电池阳极出口的部分尾气。相对于现有技术，本专利技术具有以下有益效果：1、本专利技术提供的一种利用煤气高温显热的整体煤气化燃料电池发电系统，利用煤气高温显热直接加热阴极空气，节省了燃料电池内燃料气用于维持操作温度所需的燃料气，避免了煤气本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用煤气高温显热的整体煤气化燃料电池发电系统，其特征在于，包括备煤单元(1)、气化炉(2)、废热锅炉(3)、循环气压缩机(5)、第一气气加热器(6)、第二气气加热器(8)、羰基硫水解反应器(9)、脱硫单元(12)、湿化器(13)、引射器(16)、燃料电池(17)、纯氧燃烧器(18)、阴极空气压缩机(20)、阴极回热器(22)、空气透平(23)、余热锅炉(24)、汽轮机(25)、尾气压缩机(26)、氧压机(27)、深冷空分单元(28)和氮压机(29)；备煤单元(1)的出口连接气化炉(2)的煤粉入口，气化炉(2)顶部的高温粗煤气出口连接废热锅炉(3)的入口；废热锅炉(3)的空气入口连接阴极回热器(22)冷侧空气出口，废热锅炉(3)的空气出口连接燃料电池(17)阴极入口；废热锅炉(3)的粗煤气出口连接循环气压缩机(5)入口和第一气气加热器(6)热侧入口；循环气压缩机(5)出口连接废热锅炉(3)的空气入口；第一气气加热器(6)热侧出入口依次连接第二气气加热器(8)热侧和羰基硫水解反应器(9)，羰基硫水解反应器(9)的出口连接第二气气加热器(8)冷侧入口；第二气气加热器(8)冷侧出口连接脱硫单元(12)；脱硫单元(12)的洁净煤气出口连接湿化器(13)的入口；湿化器(13)的出口连接第一气气加热器(6)冷侧入口，第一气气加热器(6)冷侧出口连接引射器(16)的工作流体入口；汽轮机(25)中部的中压蒸汽出口连接接引射器(16)的工作流体入口和气化炉(2)；尾气压缩机(26)出口连接引射器(16)的工作流体入口；燃料电池(17)阳极空气出口连接引射器(16)的引射流体入口和纯氧燃烧器(18)入口；连接引射器(16)的出口连接燃料电池(17)阳极空气入口；氧压机(27)的出口连接气化炉(2)和纯氧燃烧器(18)入口；纯氧燃烧器(18)的出口连接余热锅炉(24)；余热锅炉(24)的尾气出口连接尾气压缩机(26)入口和大气；阴极空气压缩机(20)的出口连接阴极回热器(22)冷侧入口和深冷空分单元(28)入口；阴极回热器(22)的热侧出口连接空气透平(23)入口，空气透平(23)出口连接余热锅炉(24)入口；深冷空分单元(28)的污氮出口连通大气，纯氧出口连接氧压机(27)入口，纯氮连接氮压机(29)的入口；氮压机(29)的出口连接气化炉(2)入口；余热锅炉(24)的高压过热蒸汽出口连接汽轮机(25)。...

【技术特征摘要】
1.一种利用煤气高温显热的整体煤气化燃料电池发电系统，其特征在于，包括备煤单元(1)、气化炉(2)、废热锅炉(3)、循环气压缩机(5)、第一气气加热器(6)、第二气气加热器(8)、羰基硫水解反应器(9)、脱硫单元(12)、湿化器(13)、引射器(16)、燃料电池(17)、纯氧燃烧器(18)、阴极空气压缩机(20)、阴极回热器(22)、空气透平(23)、余热锅炉(24)、汽轮机(25)、尾气压缩机(26)、氧压机(27)、深冷空分单元(28)和氮压机(29)；备煤单元(1)的出口连接气化炉(2)的煤粉入口，气化炉(2)顶部的高温粗煤气出口连接废热锅炉(3)的入口；废热锅炉(3)的空气入口连接阴极回热器(22)冷侧空气出口，废热锅炉(3)的空气出口连接燃料电池(17)阴极入口；废热锅炉(3)的粗煤气出口连接循环气压缩机(5)入口和第一气气加热器(6)热侧入口；循环气压缩机(5)出口连接废热锅炉(3)的空气入口；第一气气加热器(6)热侧出入口依次连接第二气气加热器(8)热侧和羰基硫水解反应器(9)，羰基硫水解反应器(9)的出口连接第二气气加热器(8)冷侧入口；第二气气加热器(8)冷侧出口连接脱硫单元(12)；脱硫单元(12)的洁净煤气出口连接湿化器(13)的入口；湿化器(13)的出口连接第一气气加热器(6)冷侧入口，第一气气加热器(6)冷侧出口连接引射器(16)的工作流体入口；汽轮机(25)中部的中压蒸汽出口连接接引射器(16)的工作流体入口和气化炉(2)；尾气压缩机(26)出口连接引射器(16)的工作流体入口；燃料电池(17)阳极空气出口连接引射器(16)的引射流体入口和纯氧燃烧器(18)入口；连接引射器(16)的出口连接燃料电池(17)阳极空气入口；氧压机(27)的出口连接气化炉(2)和纯氧燃烧器(18)入口；纯氧燃烧器(18)的出口连接余热锅炉(24)；余热锅炉(24)的尾气出口连接尾气压缩机(26)入口和大气；阴极空气压缩机(20)的出口连接阴极回热器(22)冷侧入口和深冷空分单元(28)入口；阴极回热器(22)的热侧出口连接空气透平(23)入口，空气透平(23)出口连接余热锅炉(24)入口；深冷空分单元(28)的污氮出口连通大气，纯氧出口连接氧压机(27)入口，纯氮连接氮压机(29)的入口；氮压机(29)的出口连接气化炉(2)入口；余热锅炉(24)的高压过热蒸汽出口连接汽轮机(25)。2.根据权利要求1所述的一种利用煤气高温显热的整体煤气化燃料电池发电系统，其特征在于，废热锅炉(3)的粗煤气出口连接除尘单元(4)；除尘单元(4)的煤气出口连接循环气压缩机(5)入口和第一气气加热器(6)热侧入口。3.根据权利要求1所述的一种利用煤气高温显热的整体煤气化燃料电池发电系统，其特征在于，气化炉(2)的底部设有排渣口。4.根据权利要求1所述的一种利用煤气高温显热的整体煤气化燃料电池发电系统，其特征在于，还包括水处理单元(14)与硫回收单元(15)；脱硫单元(12)具有废水出口与废气出口；脱硫单元(12)的废水出口与废气出口分别连接水处理单元(14)与硫回收单元(15)。5.根据权利要求1所述的一种利用煤气高温显热的整体煤气化燃料电池发电系统，其特征在于，还包括余热回收单元(10)和煤气冷却器(11)；第二气气加热器(8)冷侧出口依次连接余热回收单元(10)、煤气冷却器(11)和脱硫单元(12)。6.根据权利要求1所述的一种利用煤气高温显热的整体煤气化燃料电池发电系统，其特征在于，还包括燃气透平(19)；纯...

【专利技术属性】
技术研发人员：周贤，彭烁，许世森，钟迪，王保民，
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