一种MW级固体氧化物燃料电池发电系统的热区结构及其运行方法技术方案

本发明专利技术涉及一种MW级固体氧化物燃料电池发电系统的热区结构，包括隔热壳体、两段式空气预热器、脱硫器、蒸汽发生器、预转化器、重整器、燃烧器及相应的气体管道。该热区结构的燃料处理量大、热区空间小，内部装置布置紧凑，同时实现了燃料的处理、空气的预热、尾气的处理和余热利用，可满足以天然气、甲烷、沼气等为燃料的MW级固体氧化物燃料电池发电系统的需求；采用阳极尾气再循环工艺，提高了燃料利用率、降低了水碳比，有助于提高SOFC发电系统的电效率和热效率；采用两段式空气预热器充分利用烟气的空气预热器高温段和空气预热器低温段，有效降低排烟温度、保证SOFC电堆阴极入口空气达到适宜温度。到适宜温度。到适宜温度。

【技术实现步骤摘要】
一种MW级固体氧化物燃料电池发电系统的热区结构及其运行方法


[0001]本专利技术涉及固体氧化物燃料电池
，具体涉及一种MW级固体氧化物燃料电池发电系统的热区结构及其运行方法。

技术介绍

[0002]固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC)是一种不经过燃烧过程直接以电化学反应方式将燃料(如天然气、H2、合成气、沼气、甲醇等) 的化学能直接转化为电能的高效发电装置。相对于传统发电技术，SOFC发电系统具有燃料来源广、发电效率高、无NOx排放、可实现CO2集中排放等优点。 SOFC系统作为一种高效、环保的新型发电设备，在住宅、酒店、医院、学校、办公楼宇、小区、数据中心、通讯基站等民工商业用户分布式电源领域具有广泛应用前景。
[0003]SOFC发电系统主要包括SOFC电堆、燃料系统、空气系统、水处理系统、尾气处理系统、电力传输系统、控制系统等子系统。SOFC发电系统工作过程中，燃料经处理后产生的CO、H2等气体进入电堆的阳极侧、空气进入电堆的阴极侧，燃料和空气在电堆中进行反应，然后分别从电堆的阳极出口和阴极出口排出，由于SOFC电堆工作温度在600
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900℃之间，且电堆对燃料气组分有一定的要求，燃料进入电堆前必须经过脱硫、加湿、催化重整等处理，并提升至接近电堆工作温度才能进入电堆；空气在SOFC电堆中承担参与反应、为电堆散热的功能，进入电堆前温度也需预热至接近电堆工作温度；此外，电堆出口的阳极尾气、阴极空气温度也略高于电堆工作温度，阳极尾气燃烧产生的热、高温空气均可用于燃料进入电堆前的处理和新鲜空气的预热。因此，燃料和空气进出电堆前后的升温和热利用均在高于环境温度的条件下进行，相关设备集中在一个隔热空间内组成所谓的热区，热区的合理设计是保证SOFC系统正常工作、提高系统热效率的关键。
[0004]国外SOFC产业化相对成熟的企业主要集中在美国、欧洲和日韩。产品主要是kW级、百kW级，部分公司正在测试的实验装置可达250kW级。BE公司作为SOFC的产业化巨头，典型配置发电功率250kW。英国Ceres Power公司的主要业务包括家用Micro
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CHP系统(1～5kW)、固定式发电系统(5～10kW) 及电动车用增程器(30kW)。意大利的Solid Power主营产品是安装超过1000 台1.5kW Blue GEN发电系统。日本的小型家用SOFC热电联供系统最大功率输出约为700W。Fuel Cell Energy公司和三菱重工也分别开发了250kW级大型 SOFC发电系统。我国在SOFC电堆技术方面发展较快，但系统集成方面与国外存在较大差距。国内继上海硅酸盐研究所、华中科技大学开发示范5kW级热电联供系统以来，新奥生态控股股份有限公司、潍柴动力股份有限公司和宁波索福人能源技术有限公司也相继开发出系统样机。
[0005]SOFC因其高效的发电效率和热效率，单机功率也将向MW级发展，这对热区的燃料处理量、占地面积和整体热利用也提出了更高的要求。

技术实现思路

[0006]为解决常规固体氧化物燃料电池发电系统热区燃料处理量小、功能部件不够紧凑、空间大、热效率低的技术问题，本专利技术提供如下技术方案：
[0007]本专利技术的第一目的在于提供一种MW级固体氧化物燃料电池发电系统的热区结构，包括密闭的隔热壳体，两段式空气预热器、燃烧器、重整器、预转化器、蒸汽发生器和脱硫器，所述两段式空气预热器包括通过空气通道连通的空气预热器高温段和空气预热器低温段；所述隔热壳体的内部自左向右依次布设所述有空气预热器高温段、所述燃烧器、所述重整器、所述预转化器、所述蒸汽发生器、所述脱硫器、所述空气预热器低温段及相应管道；所述隔热壳体设有空气入口、燃料入口、脱硫燃料出口、去离子水入口、水蒸气出口、混合气入口、阳极尾气循环气入口、燃料出口、高温空气出口、高温空气回流口、烟气出口和燃烧器燃料入口；所述空气入口与所述空气预热器低温段的空气输入通道连通，所述燃料入口与所述脱硫器的燃料输入通道连通，所述脱硫燃料出口与所述脱硫器的燃料输出通道；所述去离子水入口与所述蒸汽发生器的进水通道连通，所述水蒸气出口与所述蒸汽发生器的蒸汽输出通道连通、所述脱硫燃料出口和所述水蒸气出口通过管道与所述混合气入口连通，所述混合气入口与所述预转化器的气体输入通道连通；所述燃料出口的一端连通所述预转化器内部的气体输出通道，另一端连通SOFC电堆的阳极入口；所述高温空气出口的一端连通所述空气预热器高温段的空气输出通道，另一端连通SOFC电堆的阴极入口；所述阳极尾气循环气入口一端连通所述预转化器的内盘管，另一端连通SOFC电堆的阳极尾气的一个支路；所述燃烧器燃料入口的一端连通所述燃烧器，另一端连通SOFC电堆的阳极尾气的另一个支路；所述高温空气回流口位于空气预热器高温段，高温空气回流口的一端连通SOFC电堆的阴极出口，另一端与所述隔热壳体的内腔连通；所述燃烧器的烧嘴位于所述隔热壳体的内腔中，所述烟气出口位于所述空气预热器低温段并与所述隔热壳体的内腔连通。
[0008]热区工作时，常温空气先后进入两段式空气换热器的空气预热器低温段、空气预热器高温段与烟气换热升温，最终通过高温空气出口进入SOFC电堆阴极入口，SOFC电堆阴极出口的高温空气从高温空气回流口进入热区，先后加热空气预热器的空气预热器高温段、在燃烧器助燃，然后与烟气混合先后加热下游各个部件最终从烟气出口排出；燃料进入热区后经预热、脱硫后与水蒸气混合，然后进入预转化器、重整器生成高温重整气，与阳极尾气循环气入口流入的阳极循环尾气混合、换热后，经燃料出口进入SOFC电堆阳极入口发电；SOFC 电堆阳极尾气中的一部分经燃烧器燃料入口进入燃烧器燃烧、与回流的SOFC 电堆阴极出口高温空气混合、加热下游各个部件最终从烟气出口排出；该热区可满足以天然气、甲烷、沼气等为燃料的MW级固体氧化物燃料电池发电系统的需求。
[0009]所述热区燃料处理量大、内部装置布置紧凑、功能齐全，同时实现了燃料的处理、空气的预热、尾气的处理和余热利用，可满足以天然气、甲烷、沼气等为燃料的MW级固体氧化物燃料电池发电系统的需求。
[0010]所述热区采用阳极尾气再循环，将SOFC电堆阳极出口的部分尾气与重整后的重整气混合、换热后再进入电堆，提高了燃料利用率、降低了水碳比，有助于提高SOFC发电系统的电效率和热效率。
[0011]所述空气预热器采用两段式，空气先后经过空气预热器后的空气预热器低温段和空气预热器高温段，分别与热区尾部烟气和燃烧器附近的高温烟气换热，充分利用烟气的
空气预热器低温段和空气预热器高温段，有效降低排烟温度、保证SOFC电堆阴极入口空气达到适宜温度。所述空气预热器空气预热器高温段和重整器分别布置在燃烧器两侧，充分利用阳极尾气燃烧的高温烟气，保证燃料的充分重整、电堆入口空气达到适宜温度。
[0012]所述热区包含预转化器和重整器，燃料脱硫、预热后再与水蒸气混合，先后经过预转化器和重整器，降低水碳比、提高热效率本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种MW级固体氧化物燃料电池发电系统的热区结构，包括密闭的隔热壳体，其特征在于，还包括两段式空气预热器、燃烧器、重整器、预转化器、蒸汽发生器和脱硫器，所述两段式空气预热器包括通过空气通道连通的空气预热器高温段和空气预热器低温段；所述隔热壳体的内部自左向右依次布设所述空气预热器高温段、所述燃烧器、所述重整器、所述预转化器、所述蒸汽发生器、所述脱硫器和所述空气预热器低温段；所述隔热壳体设有空气入口、燃料入口、脱硫燃料出口、去离子水入口、水蒸气出口、混合气入口、阳极尾气循环气入口、燃料出口、高温空气出口、高温空气回流口、烟气出口和燃烧器燃料入口；所述空气入口与所述空气预热器低温段的空气输入通道连通，所述燃料入口与所述脱硫器的燃料输入通道连通，所述脱硫燃料出口与所述脱硫器的燃料输出通道连通；所述去离子水入口与所述蒸汽发生器的进水通道连通，所述水蒸气出口与所述蒸汽发生器的蒸汽输出通道连通；所述脱硫燃料出口和所述水蒸气出口通过管道与所述混合气入口连通，所述混合气入口与所述预转化器的气体输入通道连通；所述燃料出口的一端连通所述预转化器内部的气体输出通道，另一端连通SOFC电堆的阳极入口；所述高温空气出口的一端连通所述空气预热器高温段的空气输出通道，另一端连通SOFC电堆的阴极入口；所述阳极尾气循环气入口一端连通所述预转化器的内盘管，另一端连通SOFC电堆的阳极尾气的一个支路；所述燃烧器燃料入口的一端连通所述燃烧器，另一端连通SOFC电堆的阳极尾气的另一个支路；所述高温空气回流口位于空气预热器高温段，高温空气回流口的一端连通SOFC电堆的阴极出口，另一端与所述隔热壳体的内腔连通；所述燃烧器的烧嘴位于所述隔热壳体的内腔中，所述烟气出口位于所述空气预热器低温段并与所述隔热壳体的内腔连通。2.根据权利要求1所述的MW级固体氧化物燃料电池发电系统的热区结构，其特征在于，所述预转化器包括预转化器本体，所述预转化器本体的旁侧设有管式换热器，所述预转化器本体的内外分别布置了内盘管和外盘管，且所述预转化器本体的内腔填充有预转化催化剂，所述气体输入通道穿过所述管式换热器，通过第一上横管与所述预转化器本体的内腔连通，所述预转化器本体的内腔通过竖直弯管与缠绕在所述预转化器本体外的所述外盘管连通，所述外盘管的出口与所述第二上横管连通，所述第二上横管与所述重整器的输入管连通，所述重整器的输出管通过第三上横管与所述内盘管连通，所述内盘管穿过所述预转化器本体的内腔下部通过第一下横管与所述管式换热器的内腔连通。3.根据权利要求2所述的MW级固体氧化物燃料电池发电系统的热区结构，其特征在于，所述重整器包括两列并排的重整器本体，每列所述重整器本体包括两个填充有重整催化剂的U型管，远离所述预转化器的一列重整器本体的两个U型管的一端分别与所述第二上横管连通，两个U型管的另一端分别与另一列重整器本体的两个U型管的入口连通，另一列重整器本体的两个U型管的出口与所述第三上横管连通。4.根据权利要求1所述的MW级固体氧化物燃料电池发电系统的热区结构，其特征在于，所述脱硫器内填充有高温脱硫剂，所述燃料输入通道与布置在所述脱硫器下端的盘管换热器的一端连通，所述盘管换热器的另一端通过气体流出通道与第四上横管的一端连通，所述第四上横管的另一端与所述脱硫器...

【专利技术属性】
技术研发人员：白帆飞，林梓荣，陈锦芳，刘洋，陈雄兵，
申请(专利权)人：广东佛燃科技有限公司，
类型：发明
国别省市：