一种利用沼气于固体氧化物燃料电池发电的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种利用沼气于固体氧化物燃料电池发电的装置及方法，该装置包括与固体氧化物燃料电池的阳极气体进口连接的阳极气体输送管道、与固体氧化物燃料电池的阴极气体进口连接的阴极气体输送管道，阳极气体输送管道上沿着阳极气体的输送方向依次设有用于给阳极气体加压的沼气鼓风机、用于脱除硫杂质的脱硫装置、调整气体组成的预重整器、用于加热气体的燃气换热器，阴极气体输送管道上沿着阴极气体的输送方向依次设有用于给阴极气体加压的空气鼓风机、用于加热空气的空气预热器。本发明专利技术提供的装置及方法，提高沼气发电效率，高效利用沼气资源。效利用沼气资源。效利用沼气资源。

【技术实现步骤摘要】
一种利用沼气于固体氧化物燃料电池发电的装置及方法


[0001]本专利技术属于固体氧化物燃料电池领域，具体涉及一种利用沼气于固体氧化物燃料电池发电的装置及方法。

技术介绍

[0002]沼气是有机物经微生物在隔绝空气(厌氧环境)，和适宜的温度、pH值下发酵产生的一种可燃烧性气体，因其最早发现在沼泽中而得名，沼气属于二次能源，并且是可再生能源。沼气除直接燃烧用于炊事、烘干农副产品、供暖、照明和气焊等外，还可作内燃机的燃料以及生产甲醇、福尔马林、四氯化碳等化工原料。经沼气装置发酵后排出的料液和沉渣，含有较丰富的营养物质，可用作肥料和饲料。
[0003]沼气因有机物种类、环境条件、微生物种类等因素的影响，其组成变化较大，目前常规沼气的组成如表1所示。
[0004]表1典型沼气组分
[0005][0006]沼气的主要成分甲烷是一种理想的气体燃料，它无色无味，与适量空气混合后即可燃烧。纯甲烷的发热值为35900kJ/m3，沼气的发热量约为20800～23600kJ/m3。即1m3沼气完全燃烧后，能产生相当于0.7kg无烟煤提供的热量。与其它燃气相比，其抗爆性能较好，用其发电还具有创效、节能、安全和环保等优点，是一种很好的清洁燃料。
[0007]近年来，随着我国经济的发展，对能源的需求越来越大，但我国石油的对外依存度已超 70％，天然气的对外依存度已超40％，对外依存度现状不能满足最基本的能源安全需求。2025年实现可再生能源的发电装机占中国电力总装机比例50％以上。但我国存在着风能、太阳能等本身的间歇性及我国风能、太阳能等资源地域分配不均等问题，所以开发分布式发电技术提高能源利用效率将成为未来新趋势。
[0008]固体氧化物燃料电池(SOFC)是新一代清洁高效的发电技术。通过电化学反应，将化学能直接转化为电能。在能量转化过程中，没有燃烧和机械运动，不受卡诺循环限制，能量转化效率较高。SOFC的发电能效率可达50％～70％，并且余热品味高，与热电联产组合发电可使发电效率超过80％。SOFC不光发电效率高，而且其燃料的选择性广泛，天然气、石油气、沼气、氢气、煤制气、甲醇等均可以作为原料。因此，SOFC被认为是一种非常有发展空间的燃料电池。
[0009]目前沼气发电主要采用单燃料沼气发电机组和双燃料沼气
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柴油发电机组等，但这些传统的发电方式是将化学能转化为热能和机械能进而转化成电能。目前先进国家的燃气轮机发电效率超过40％，国内目前只是略超30％；燃气内燃机发电装置的发电效率30％
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50％；蒸汽轮机的发电效率为20％左右。由此可见，内燃机、燃气轮机的发电效率较低造成了能源利用浪费的问题。随着技术的进步，内燃机和燃气轮机的发电效率得到了提高，但其
变化的趋势是随着规模的增大先增大后趋于平稳，比较适用于大型电站使用。但大型的集中发电就面临着成本高、占地大和配电损失等问题。而SOFC的输出功率灵活，发电效率高，可达65％以上，非常适用于分布式能源，是未来国家重点发展方向。并且SOFC热电联产组合发电技术的发电效率要比燃气轮机联用高出许多，约在70％～90％。综上所述，从发电效率和输出功率角度考虑，SOFC和SOFC热电联产发电技术是有明显的优势的。

技术实现思路

[0010]针对现有技术中沼气发电存在的问题，本专利技术提供一种利用沼气于固体氧化物燃料电池发电的装置及方法，提高沼气发电效率，高效利用沼气资源。另外针对沼气重整时所需要的水碳比、温度的提供方法进行了改进。现有的SOFC系统大多采用蒸汽发生器直接调节水碳比，而本专利技术采用阳极尾气循环的方式，除在开车初始期间利用蒸汽发生器补水外，后续运行将不需要外来水就符合水碳比的需求。另一方面本专利技术采用辐射的方法对重整器及重整前的气体进行加热，减少了换热器的使用，使设备的体积和成本得到了优化。
[0011]根据本专利技术的第一个实施方案，提供一种利用沼气于固体氧化物燃料电池发电的装置，其包括与固体氧化物燃料电池组的阳极气体进口连接的阳极气体输送管道、与固体氧化物燃料电池组的阴极气体进口连接的阴极气体输送管道，阳极气体输送管道沿着阳极气体的输送方向依次设有用于给阳极气体加压的沼气鼓风机、用于脱除硫杂质的脱硫装置、调整气体组成的预重整器、用于加热气体的燃气换热器，阴极气体输送管道沿着阴极气体的输送方向依次设有用于给阴极气体加压的空气鼓风机、用于加热空气的空气预热器，蒸汽进料管连接预重整器的进口或者水进料管经蒸汽发生器连接预重整器的进口。
[0012]进一步地，固体氧化物燃料电池组的阳极尾气输出管道经燃气换热器换热后分为第一支管和第二支管，第一支管与燃烧器的阳极尾气进口连接，第二支管经耐温循环设备后与预重整器的气体进口连接，固体氧化物燃料电池组的阴极尾气输出管道与燃烧器的阴极尾气进口连接，阴极尾气与阳极尾气在燃烧器内燃烧产热，燃烧器的燃烧尾气输出管道依次经空气预热器和尾气热回收器(的高温介质通道)后输出至系统外。
[0013]进一步地，燃气换热器为板壳式或板翅式换热器中的一种，优选地，燃气换热器的低温介质通道进口与阳极气体输送管道连接，高温介质通道出口经管道后分别与第一支管、二支管连接。
[0014]进一步地，预重整器为管式反应器，例如管内填充催化剂，则阳极气体输送管道与管程进口连接，出预重整器后经燃气换热器连接固体氧化物燃料电池组的阳极进口，通过固体氧化物燃料电池组和燃烧器产生的热量辐射传递来维持预重整的温度。
[0015]进一步地，空气预热器为板壳式或板翅式换热器中的一种，燃烧器的燃烧尾气输出管道与空气预热器的高温介质通道进口连接，出空气鼓风机后的阴极气体输送管道与空气预热器的低温介质通道进口连接。
[0016]进一步地，尾气热回收器为板壳式或板翅式换热器中的一种，空气预热器高温介质通道出口与尾气热回收器的高温介质通道进口连接，尾气热回收器的低温介质通道进口与生活冷水输入管道连接，低温介质通道出口与生活热水输出管道连接，尾气热回收器回收燃烧尾气的热量用于加热生活用水。
[0017]进一步地，耐温循环设备为耐温循环鼓风机或文丘里管中的一种。阳极尾气输出
管道的第二支管出耐温循环设备后与出脱硫装置后的阳极气体输送管道汇合后连接重整器的进口；阳极尾气输出管道的第一支管连接燃烧器的进口换热后的部分，这样，一部分阳极尾气经循环设备后与外界来的燃料流混合进入重整器；其余阳极尾气沿管道进入燃烧器燃烧放热。耐温循环设备的作用在于将部分未利用燃料和产生水蒸气循环回重整器，以达到调节重整过程中水碳比的作用，同时提高燃料的利用率且避免重整器中的积碳问题，防止燃料电池热裂。
[0018]进一步地，辐射加热部分应用在预重整器和重整前气体加热方面，固体氧化物燃料电池组、燃烧器和预重整器结构呈环状分布，其中，预重整器为弧状体，燃烧器位于预重整器内侧，固体氧化物燃料电池组位于预重整器的外侧，即预重整器及其部分进口管道(即脱硫装置的出口与预重整器的进口之间的阳极气体输送管道中靠近预重整器的进口一侧的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用沼气于固体氧化物燃料电池发电的装置，其特征在于，其包括与固体氧化物燃料电池组(SOFC)的阳极气体进口连接的阳极气体输送管道(L1)、与固体氧化物燃料电池组的阴极气体进口连接的阴极气体输送管道(L5)，阳极气体输送管道(L1)沿着阳极气体的输送方向依次设有用于给阳极气体加压的沼气鼓风机(C101)、用于脱除硫杂质的脱硫装置(R102)、调整气体组成的预重整器(R101)、用于加热气体的燃气换热器(E102)，阴极气体输送管道(L5)沿着阴极气体的输送方向依次设有用于给阴极气体加压的空气鼓风机(C102)、用于加热空气的空气预热器(E101)，蒸汽进料管连接预重整器(R101)的进口或者水进料管经蒸汽发生器连接预重整器(R101)的进口。2.根据权利要求1所述的利用沼气于固体氧化物燃料电池发电的装置，其特征在于，固体氧化物燃料电池组(SOFC)的阳极尾气输出管道(L2)经燃气换热器(E102)换热后分为第一支管(L3)和第二支管(L4)，第一支管(L3)经耐温循环热备(C103)后与预重整器(R101)的气体进口连接，第二支管(L4)与燃烧器(A101)的阳极尾气进口连接，固体氧化物燃料电池组(SOFC)的阴极尾气输出管道(L6)与燃烧器(A101)的阴极尾气进口连接，阴极尾气与阳极尾气在燃烧器(A101)内燃烧产热，燃烧器(A101)的燃烧尾气输出管道(L7)依次经空气预热器(E101)和尾气热回收器(E103)后输出至系统外。3.根据权利要求1或2所述的利用沼气于固体氧化物燃料电池发电的装置，其特征在于，燃气换热器(E102)为板壳式或板翅式换热器中的一种，燃气换热器(E102)的低温介质通道进口与出预重整器(R101)的阳极气体输送管道(L1)连接，高温介质通道出口经管道与第一支管(L3)和第二支管(L4)连接。4.根据权利要求1
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3中任一项所述的利用沼气于固体氧化物燃料电池发电的装置，其特征在于，预重整器(R101)为管式反应器，管内填充催化剂，阳极气体输送管道(L1)与管程进口连接，出预重整器(R101)后经燃气换热器(E102)连接固体氧化物燃料电池组(SOFC)的阳极进口。5.根据权利要求1
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4中任一项所述的利用沼气于固体氧化物燃料电池发电的装置，其特征在于，空气预热器(E101)为板壳式或板翅式换热器中的一种，燃烧器(A101)的燃烧尾气输出管道(L7)与空气预热器(E101)的高温介质通道进口连接，出空气鼓风机(C102)后的阴极气体输送管道(L5)与空气预热器(E101)的低温介质通道进口连接。6.根据权利要求1
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5中任一项所述的利用沼气于固体氧化物燃料电池发电的装置，其特征在于，尾气热回收器(E103)为板壳式或板翅式换热器中的一种，出空气预热器(E101)后的燃烧尾气输出管道(L7)与尾气热回收器(E103)的高温介质通道进口连接，尾气热回收器(E103)的低温介质通道进口与生活冷水输入管道(L8)连接，低温介质通道出口与生活热水输出管道(L9)连接。7.根据权利要求1
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6中任一项所述的利用沼气于固体氧化物燃料电池发电的装置，其特征在于，耐温循环设备(C103)为耐温循环鼓风机或文丘里管中的一种，阳极尾气输出管道(L2)的第二支管(L4)出耐温循环设备(C103)后与出脱硫装置(R102)后的阳极气体输送管道(L1)汇合后连接重整器(R101)的进口；阳极尾气输出管道(L2)的第一支管(L3)连接燃烧器(A101)的进口。8.根据权利要求1
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7中任一项所述的利用沼气于固体氧化物燃料电池发电的装置，其特征在于，固体氧化物燃料电池组、燃烧器和预重整器结构呈环形分布，其中，预重整器为
弧状体，燃烧器位于预重整器内侧，固体氧化物燃料电池组位于预重整器的外侧，即预重整器及其部分进口管道位于固体氧化物燃料电池组与燃烧器之间；优选地，固体氧化物燃料电池组与预重整器之间的距离是0.2m
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0.5m，优选0.3m
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0.4m，预重整器与燃烧器之间的距离是0.2m
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0.4m，优选0.25m
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0.35m；固体氧化物燃料电池组与燃烧器之间距离为0.4
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0.9m，优选0.55
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0.75m；优选地，预重整器及其部分进口管道的外壁是由易吸热材料制成，以达到对热量的收集和传导；优选地，在固体氧化物燃料电池组、预重整器及其部分进口管道、燃烧器整体结构的外部设置一个外罩，优选由绝热材料构成，并且优选为密封状态，用于保温，防止热量向外流失。9.一种利用权利要求1
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8中任一项所述装置进行沼气发电的方法，该方法包括：(1)沼气经除尘后加压，进入脱硫装置脱硫得到发电所需的燃料气，燃料气经来自固体氧化物燃料电池组和/或燃烧器的辐射预热，反应开始时进给水蒸气，后续通过与循环气(从固体氧化物燃料电池组的阳极输出的一部分阳极尾气，从脱硫装置出来的燃料气与循环气的体积比例可以为0.3
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1.5:1，优选0.4
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1.2:1)混合，调整水碳比为1.5
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3:1(进一步1.8
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2.5:1，优选2:1)，随后进入预重整器重整，由固体氧化物燃料电池组和燃烧器产生的热量经辐射来维持重整温度，预重整得到的气体加热后进入固体氧化物燃料电池组的阳极；(2)空气经...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑文平，何振勇，赵先兴，武鹏，蔡润田，付春才，刘雪飞，史立杰，
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：