本发明专利技术公开了一种固体氧化物燃料电池与工艺加热炉的热电联产方法及装置，其燃料和燃烧空气首先进入合成气发生器，用以产生燃料电池发电所需要的高温合成气。生成的高温合成气通过换热器与燃料电池电化学反应所需要的空气进行换热，使合成气及电堆空气的温度均满足燃料电池发电的需要。换热后的合成气以及电堆空气分成多个支路、分别通往各个电堆的入口，进行燃料电池发电。完成发电反应的乏合成气及乏空气分别合并，进入工艺加热炉中进行燃烧、换热，以充分利用乏合成气及乏空气中剩余的化学能及余热。本发明专利技术在充分利用燃料气中的高位能量的同时，利用了工艺加热炉回收余热，可大幅节省同等项目的建设投资，并大幅提高燃料的经济价值。
【技术实现步骤摘要】
一种固体氧化物燃料电池与工艺加热炉的热电联产方法及装置
本专利技术属于燃料电池发电领域，具体涉及与石油化工加热炉进行热电联产的固体氧化物燃料电池(SOFC)发电系统,尤其涉及一种固体氧化物燃料电池与工艺加热炉的热电联产方法及装置。
技术介绍
燃料电池是一种能直接将燃料中的化学能转化为电能的装置。与传统的基于燃烧的火力发电方式相比较，更加清洁高效，而且更能灵活地适用于中、低发电规模的场合。而且燃料电池中的固体氧化物燃料电池(SOFC)，由于其能适用于带CO组分的合成气，具有转换效率高、全固体结构、适合多种燃料等优点，因此更适合于与其它工业进行耦合应用。现有的固体氧化物燃料电池(SOFC)仅能实现50％左右的发电效率，而离开燃料电池组的乏合成气仍含有相当数量的有效成分，如H2、CO、CO2以及CH4等，温度仍然有600-750℃左右。离开燃料电池组的乏空气也含有剩余的O2等，温度也有600-750℃左右。如何利用这些剩余的低品位能量，极大地影响着燃料电池发电的经济性，成为了燃料电池大规模应用的制约因素。炼油、石油化工以及煤化工等行业中，其工艺过程设置有大量的加热炉来加热工艺物料。加热炉以炼厂管网气、天然气、燃料油等为燃料，燃烧后的烟气通过换热方式加热物料。加热炉常常是工艺装置中的高耗能设备，耗能总量一般占到装置总耗能的30％-70％。加热炉的高耗能也使得与加热炉有关的节能技术得到了高度重视，目前，石油化工行业中大中型加热炉的燃料热效率普遍能达到90％-92％。现状加热炉虽然已经普遍实现了比较高的燃料热效率，但把燃料接近2000℃的理论燃烧温度，用于加热一般只有500℃的工艺介质，从热量的角度来说存在着重大损失。如何把燃料的燃烧能量先用来产生高品位的能量(例如发电)，然后再把剩余的低品位的余热用于加热物料，这样既加热了工艺物料、又产生了高品位的电力能量，这样才发挥了燃料的最大价值。根据上述思路，石油化工业界曾经尝试过燃气轮机与大型加热炉热电联产的思路，即燃料先在烟气轮机中燃烧发电，排出的烟气则进入工艺加热炉中进一步回收热量。该思路曾经应用于大型乙烯裂解炉、大型常减压加热炉等，实现过比较好的经济效益。但由于燃气轮机的投资高、故障率高、运行切换复杂等原因，这项技术在业界并没有得到普遍的推广使用，在数量众多的中小型加热炉上更是没有任何应用。
技术实现思路
本专利技术的目的之一是提供一种固体氧化物燃料电池与工艺加热炉的热电联产方法，其利用固体氧化物燃料电池(SOFC)与石油化工加热炉进行热电联产，来实现燃料价值的最大化。本专利技术的目的之二在于提供实现上述固体氧化物燃料电池与工艺加热炉的热电联产方法的装置。作为本专利技术第一方面的固体氧化物燃料电池与工艺加热炉的热电联产方法，其首先将燃料和氧化介质进入合成气发生器，用以产生固体氧化物燃料电池发电所需要的、以CO和H2为主要成分的高温合成气；生成的高温合成气通过换热器与固体氧化物燃料电池电化学反应所需要的电堆空气进行换热，使高温合成气及电堆空气的温度均满足固体氧化物燃料电池发电的需要；换热后的合成气以及电堆空气分成多个支路、分别通往各个固体氧化物燃料电池的入口，进行固体氧化物燃料电池发电；完成发电反应的乏合成气及乏空气分别合并，进入工艺加热炉中进行燃烧、换热，以充分利用乏合成气及乏空气中剩余的化学能及余热。在本专利技术的一个优选实施例中，所述的燃料为燃料油、天然气、民用沼气、炼厂管网气、低压瓦斯气、焦炉煤气、荒煤气中的一种或任意两种以上的混合。在本专利技术的一个优选实施例中，考虑到硫对燃料电池电极及电解质可能存在的毒害，燃料油、天然气、民用沼气、炼厂管网气、低压瓦斯气、焦炉煤气、荒煤气中的含硫量应给与严格控制。在本专利技术的一个优选实施例中，所述的氧化介质为纯氧、富氧或空气。优选为空气，以降低系统的运行成本。在本专利技术的一个优选实施例中，合成气发生器出口的高温合成气温度为800-1300℃。具体出口温度的选择，应满足电堆对合成气组分以及温度的要求，以及对空气入口温度的换热要求。在本专利技术的一个优选实施例中,所述的部分氧化法合成气发生器出口的高温合成气的主要成分为：H2、CO、N2、CO2以及剩余的CH4、O2等，具体的组分取决于燃料的组分及合成气发生器的操作温度及压力。其中的N2、CO2以及可以通过电堆而不对电堆产生负面影响，而其它组分均可以参与燃料电池发电的电化学反应。在本专利技术的一个优选实施例中,根据燃料电池电池组的设置个数，换热后的合成气以及电堆用空气分成所需要的分支管路，分别进入燃料电池组进行发电。发电后的乏合成气以及乏空气分别合并，通往加热炉进一步回收能量。在本专利技术的一个优选实施例中,根据燃料电池的性能，进入燃料电池的高温合成气中一定比例的H2、CO能参与电化学反应，而剩余的未反应的H2、CO、CH4等均可以在加热炉中继续燃烧、继续回收能量。离开燃料电池的乏空气中仍然含有剩余的O2，可以继续在加热炉中作为助燃剂用于燃料燃烧。在本专利技术的一个优选实施例中,为了保证加热炉的热负荷能满足工艺装置可能的调节需要，加热炉中另外设置了调节负荷用的燃烧器，采用独立燃料气及空气入口，可以在工艺装置及燃料电池波动情况下，仍能满足加热炉负荷调节的需要。作为本专利技术第二方面的固体氧化物燃料电池与工艺加热炉的热电联产装置，由合成气发生器、换热器、若干固体氧化物燃料电池组以及工艺加热炉组成,所述合成气发生器上的燃料入口通过燃料输入管与燃料源连接,所述合成气发生器上的氧化介质入口通过氧化介质输入管与氧化介质源连接,所述合成气发生器的高温合成气出口通过高温合成气输送管与换热器的高温合成气入口连接,所述换热器的电堆空气入口通过电堆空气输入管与空气源连接,所述换热器的合成气出口连接一合成气输出总管,所述换热器的电堆空气输出口连接一电堆空气输出总管；在所述合成气输出总管和所述电堆空气输出总管上分别设置有若干合成气输入支管和若干电堆空气输入支管,每一合成气输入支管和对应的电堆空气输入支管分别与一台固体氧化物燃料电池组的合成气输入口和电堆空气输入口连接,所有的固体氧化物燃料电池组的乏合成气输出口分别通过一根乏合成气输出支管与乏合成气输出总管连接,所有的固体氧化物燃料电池组的乏空气输出口分别通过一根乏空气输出支管与乏空气输出总管连接；所述乏合成气输出总管和所述乏空气输出总管还分别与工艺加热炉的乏合成气输入口、乏空气输入口连接。在本专利技术的一个优选实施例中，在所述工艺加热炉上还设置有调节用燃料输入口和调节用燃烧空气输入口，所述调节用燃料输入口通过调节用燃料输入管与燃料源连接，所述调节用燃烧空气输入口通过调节用燃烧空气输入管与空气源连接。在本专利技术的一个优选实施例中,所述的合成气发生器为水烃转化炉或者为部分氧化法合成气发生器，优选为部分氧化法合成气发生器。在本专利技术的一个优选实施例中,所述的换热器用来使高温合成气与电堆用空气进行换热，使换热后的合成气与电堆用空气的温度能满足电堆入口的要求。换热器可以为板式或管束式，取决于与处本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.固体氧化物燃料电池与工艺加热炉的热电联产方法，其特征是首先将燃料和氧化介质进入合成气发生器，用以产生固体氧化物燃料电池发电所需要的、以CO和H
【技术特征摘要】
1.固体氧化物燃料电池与工艺加热炉的热电联产方法，其特征是首先将燃料和氧化介质进入合成气发生器，用以产生固体氧化物燃料电池发电所需要的、以CO和H2为主要成分的高温合成气；生成的高温合成气通过换热器与固体氧化物燃料电池电化学反应所需要的电堆空气进行换热，使高温合成气及电堆空气的温度均满足固体氧化物燃料电池发电的需要；换热后的合成气以及电堆空气分成多个支路、分别通往各个固体氧化物燃料电池的入口，进行固体氧化物燃料电池发电；完成发电反应的乏合成气及乏空气分别合并，进入工艺加热炉中进行燃烧、换热，以充分利用乏合成气及乏空气中剩余的化学能及余热。
2.如权利要求1所述的固体氧化物燃料电池与工艺加热炉的热电联产方法，其特征在于，所述的燃料为燃料油、天然气、民用沼气、炼厂管网气、低压瓦斯气、焦炉煤气、荒煤气中的一种或任意两种以上的混合。
3.如权利要求2所述的固体氧化物燃料电池与工艺加热炉的热电联产方法，其特征在于，所述燃料油、天然气、民用沼气、炼厂管网气、低压瓦斯气、焦炉煤气、荒煤气中的含硫量应给与严格控制。
4.如权利要求1所述的固体氧化物燃料电池与工艺加热炉的热电联产方法，其特征在于，所述的氧化介质为纯氧、富氧或空气。
5.如权利要求1所述的固体氧化物燃料电池与工艺加热炉的热电联产方法，其特征在于，合成气发生器出口的高温合成气温度为800-1300℃。
6.如权利要求1所述的固体氧化物燃料电池与工艺加热炉的热电联产方法，其特征在于，所述工艺加热炉中另外设置了调节负荷用的燃烧器，采用独立燃料气及空气入口，可以在工艺装置及燃料电池波动情况下，仍能满足加热炉负荷调节的需要。
7.一种固体氧化物燃料电池与工艺加热炉的热电...
【专利技术属性】
技术研发人员：张小康，韩保平，曲志祎，侯丹丹，张周岁，谢飚，
申请(专利权)人：上海竣铭化工工程设计有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31
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