CN102456898B - 燃料电池燃气轮机热电联产系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用燃料电池和燃气轮机的组合而形成的热电联产系统，包括送料子系统、预热子系统、燃料电池子系统、重整子系统、燃气轮机发电子系统和余热利用子系统。在燃料电池子系统与燃气轮机发电子系统之间提供混合燃烧子系统，各个子系统相互连接，形成联合循环的热电联产系统。根据本发明，采用增压型熔融碳酸盐燃料电池与微型燃气轮机有机结合，构成具有质量交换的联合循环系统，功率密度高，并充分有效地进行余热回收利用，使整体能量利用率尽可能地提高。

Description

燃料电池燃气轮机热电联产系统

技术领域

本发明涉及热电联产系统，具体涉及基于燃料电池和燃气轮机的联合循环的热电联产系统。

背景技术

为了提高能源利用效率，目前研发了多种集发电和热能产生于一体的热电联产系统，一种比较前沿的是采用燃料电池技术。该技术是将燃烧的化学能直接转化为电能，其中，熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)具有高效、低污染等优点，并且具有高品位的废热，使得其可以与其他动力装置形成联合循环系统，从而大幅度提高系统整体效率。

国内外已提出了一些基于燃料电池的发电和/或发热系统，采用天然气、煤气等为燃料，并采用例如蒸汽轮机等动力装置，构成联合发电系统。专利文献CN02111385.8公开了一种熔融碳酸盐燃料电池和蒸汽轮机组成的联合发电系统，其主要利用燃料电池排放的高温废气能量产生蒸汽，用于驱动蒸汽轮机发电，其中，燃料电池工作状态为常压，电池与汽轮机没有质量交换。这种联合发电系统只适用于大功率的燃料电池机组(兆瓦级以上)，而对于千瓦、百千瓦级的机组，无法适用。

因此，需要一种具有广泛适用范围并且能够提高系统整体能量利用率的系统。

发明内容

本发明提出了一种热电联产系统，采用燃料电池和燃气轮机的组合来形成具有质量交换的联合循环，具有广泛适用范围，并且能够提高系统整体能量利用率的系统。

根据本发明实施例，提出了一种燃料电池燃气轮机热电联产系统，包括送料子系统、预热子系统、燃料电池子系统、重整子系统，燃气轮机发电子系统和余热利用子系统；

其中，在燃料电池子系统与燃气轮机发电子系统之间提供混合燃烧子系统；

送料子系统的出口端连接至预热子系统的原料进口端，以提供原料；预热子系统的空气出口端连接至燃料电池子系统的阴极进口端，以提供经预热的空气；预热子系统的燃料出口端连接至重整子系统的燃料进口端，以提供经预热的燃料；重整子系统的重整出口端连接至燃料电池子系统的阳极进口端，以提供经重整后的氢燃料；燃料电池子系统的阳极出口端连接至预热子系统的预热进口端，以提供用于预热的热能；燃料电池子系统的阳极出口端经由预热子系统进一步连接至混合燃烧子系统的进口端，燃料电池子系统的阴极出口端也连接至混合燃烧子系统的进口端，以提供阴阳极排气，从而构成燃烧反应混合气；混合燃烧子系统的出口端连接至燃气轮机发电子系统的进口端，以提供高温烟气；燃气轮机发电子系统的动力出口端连接至送料子系统的动力进口端以及所述燃气轮机发电子系统的发动设备的动力进口端；燃气轮机发电子系统的余热出口端连接至重整子系统的余热进口端，以提供余热来产生重整所需的高压蒸汽；重整子系统的余热出口端连接至余热利用子系统的进口端以进行余热回收利用。

根据本发明实施例，在上述系统中，混合燃烧子系统包括除水器和混合燃烧室；

燃料电池子系统的阳极出口端的阳极排气经由预热子系统进入除水器，并经除水器除水后进入混合燃烧室，燃料电池子系统的阴极出口端的阴极排气直接进入混合燃烧室，以进行燃烧，产生高温烟气。

根据本发明实施例，还提出了一种燃料电池燃气轮机热电联产系统，包括送料子系统、预热子系统、燃料电池子系统、重整子系统、燃气轮机发电子系统以及余热利用子系统；

其中，在燃料电池子系统与燃气轮机发电子系统之间提供混合燃烧子系统；

送料子系统的出口端连接至预热子系统的原料进口端，以提供原料；预热子系统的空气出口端连接至燃料电池子系统的阴极进口端，以提供经预热的空气；预热子系统的燃料出口端连接至重整子系统的燃料进口端，以提供经预热的燃料；重整子系统的重整出口端连接至燃料电池子系统的阳极进口端，以提供经重整的氢燃料；燃料电池子系统的阳极出口端和阴极出口端分别连接至预热子系统的空气预热进口端和燃料预热进口端，以分别提供用于预热空气和燃料的热能；燃料电池子系统的阳极出口端经由预热子系统进一步连接至混合燃烧子系统的进口端，燃料电池子系统的阴极出口端也经由预热子系统进一步连接至混合燃烧子系统的进口端，以提供阴阳极排气，从而构成燃烧反应混合气；混合燃烧子系统的出口端连接至燃气轮机发电子系统的进口端，以提供高温烟气；燃气轮机发电子系统的动力出口端连接至送料子系统的动力进口端；燃气轮机发电子系统的余热出口端连接至重整子系统的余热进口端，以提供余热来产生重整所需的高压蒸汽；重整子系统的余热出口端连接至余热利用子系统的进口端以进行余热回收利用。

根据本发明实施例，在上述系统中，混合燃烧子系统包括除水器和混合燃烧室；

燃料电池子系统的阳极出口端的阳极排气经由预热子系统进入除水器，并经除水器除水后进入混合燃烧室，燃料电池子系统的阴极出口端的阴极排气经由预热子系统进入混合燃烧室，以进行燃烧，产生高温烟气。

根据本发明实施例，在上述各个系统中，各个子系统相互连接，形成了联合循环的热电联产系统。

根据本发明实施例，在上述各个系统中，燃料电池子系统采用增压型熔融碳酸盐燃料电池。

根据本发明实施例，在上述各个系统中，燃气轮机发电子系统采用微型燃气轮机。

根据本发明实施例，在上述各个系统中，重整子系统包括重整器和蒸汽产生装置，重整器包括重整室和燃烧室；

蒸汽产生装置通过余热进口端接收来自燃气轮机发电子系统的余热出口端的余热，产生重整所需的高压蒸汽；

重整室通过预热子系统的燃料出口端接收经预热的燃料，以与产生的高压蒸汽发生反应生成氢气，提供给燃料电池子系统的阳极进口端；

燃烧室利用输入的燃料和空气进行燃烧，以向重整器提供重整所需的能量。

根据本发明实施例，在上述各个系统中，燃气轮机发电子系统包括涡轮膨胀机和发电机；

涡轮膨胀机通过燃气轮机发电子系统的进口端接收来自混合燃烧子系统的出口端的高温烟气，以膨胀做功，驱动发电机进行发电，并通过动力出口端驱动送料子系统的气体压缩机；

涡轮膨胀机的涡轮排气通过余热出口端提供给重整子系统的蒸汽产生装置，用于产生重整所需的高压蒸汽。

根据本发明实施例，余热利用子系统经由其进口端和重整子系统的余热出口端连接至重整子系统的蒸汽产生装置和燃烧通道，重整子系统的蒸汽产生装置包括余热锅炉，所述余热利用子系统接收所述余热锅炉后的烟气和所述燃烧通道的燃烧烟气的余热，产生蒸汽和热水。

根据本发明实施例，采用增压型熔融碳酸盐燃料电池与微型燃气轮机有机结合，构成具有质量交换的联合循环系统，其功率密度更高，并适用于百千瓦kW级的机组。根据本发明实施例，在燃气轮机的涡轮入口前增加混合燃烧室，既能充分有效利用阳极未反应完全的氢燃料和重整未完全转化的甲烷等燃料的热能，提高燃料利用率，又便于控制涡轮工作条件(例如，通过涡轮的流量和涡前温度)，发电效率也进一步提高。此外，根据本发明实施例，对仍然具有较高温度的涡轮排气进行充分有效的余热回收利用，使整体能量利用率尽可能地提高。

附图说明

通过参照附图详细地描述示例实施例，上述和其他特征和优点对于本领域技术人员更加明显。

图1示出了根据本发明实施例的燃料电池燃气轮机热电联产系统的示意框图；

图2示出了根据本发明另一实施例的燃料电池燃气轮机热电联产系统的示意框图；

图3示出了本发明燃料电池燃气轮机热电联产系统实施例的具体示例构成；以及

图4示出了本发明燃料电池燃气轮机热电联产系统另一实施例的具体示例构成。

具体实施方式

下面参照附图更加完整地描述本发明实施例。然而这些实施例可以以不同形式具体实现，而不应当认为它们仅仅限于本文中记载的实施例。而是，提供这些实施例是使得本申请公开对于本领域技术人员而言是透彻和完整的，并且完全传达了本发明的范围。

下面参照附图更加详细地描述本发明实施例。

图1示出了根据本发明实施例的燃料电池燃气轮机热电联产系统的示意框图。如图1所示，燃料电池燃气轮机热电联产系统100包括送料子系统110、预热子系统120、燃料电池子系统130、重整子系统140、燃气轮机发电子系统150和余热子系统170。此外，在燃料电池子系统130与燃气轮机发电子系统150之间提供有混合燃烧子系统160。各个子系统相互连接，形成联合循环的热电联产系统。例如，各个子系统可以通过连接至相应子系统的进口端与出口端的气体进出管路相连接。

在根据本发明实施例的燃料电池燃气轮机热电联产系统100中，送料子系统110用于提供空气和天然气等燃料。送料子系统110包括空气供应侧和燃料供应侧，空气供应侧包括风机和气体压缩机(也称为压气机)，通过风机将空气输送给压气机，进行压缩。燃料供应侧包括风机和压气机，一般还包括脱硫装置，通过风机将天然气等燃料输送给脱硫装置，进行脱硫处理，然后输送给压气机，进行压缩。送料子系统110出口端连接至预热子系统120的原料进口端，以提供压缩后的空气和燃料。预热子系统120包括空气预热器和燃料预热器，分别用于预热空气和燃料。根据本发明实施例，空气预热器和燃料预热器可以经由预热子系统120的预热进口端依次连接至利用燃料电池子系统130的阳极出口端，以利用阳极排气进行预热。预热子系统120的空气出口端连接至燃料电池子系统130的阴极进口端，直接向燃料电池的阴极提供经预热的空气。预热子系统120的燃料出口端连接至重整子系统140的燃料进口端，提供经预热的燃料，用于重整处理。根据本发明实施例，重整子系统140包括重整器和蒸汽产生装置，重整器包括重整室和燃烧室(也可以称为重整通道和燃烧通道)。备选地，重整子系统140也可以仅包括重整器，而蒸汽产生装置是外部提供的，例如采用外部水泵和加热装置。在重整子系统140中，重整室通过预热子系统120的燃料出口端接收经预热的燃料，与蒸汽产生装置产生的高压蒸汽发生反应生成氢气，提供给燃料电池子系统130的阳极进口端；燃烧室利用外部输入的燃料和空气进行燃烧，以向重整器提供重整反应所需的能量。例如，可以采用风机，从外部向燃烧室输入燃料和空气。

重整子系统140的重整出口端连接至燃料电池子系统130的阳极进口端，以提供经重整的氢燃料。同时，如上所述，燃料电池子系统130的阳极出口端连接至预热子系统120的预热进口端，以提供用于预热的热能。燃料电池子系统130的阳极出口端经由预热子系统120之后，进一步连接至混合燃烧子系统160的进口端，燃料电池子系统的阴极出口端也连接至混合燃烧子系统160的进口端，以提供阳极排气和阴极排气，用于混合燃烧。根据本发明实施例，混合燃烧子系统160包括除水器(例如，冷凝除水器)和混合燃烧室。燃料电池子系统130的阳极出口端的阳极排气经由预热子系统120之后进入除水器，并经除水器除水后进入混合燃烧室，燃料电池子系统130的阴极出口端的阴极排气直接进入混合燃烧室，以进行燃烧，产生高温烟气。

混合燃烧子系统160的出口端连接至燃气轮机发电子系统150的进口端，以提供高温烟气。燃气轮机发电子系统150的动力出口端连接至送料子系统110的动力进口端，燃气轮机发电子系统150的余热出口端连接至重整子系统140的余热进口端，以提供余热来产生重整所需的高压蒸汽。根据本发明实施例，燃气轮机发电子系统150包括涡轮膨胀机和发电机。涡轮膨胀机通过燃气轮机发电子系统150的进口端接收来自混合燃烧子系统160的出口端的高温高压烟气，以膨胀做功，驱动发电机进行发电，并通过动力出口端驱动送料子系统的气体压缩机或压气机。此外，涡轮膨胀机的涡轮排气通过余热出口端提供给重整子系统140的蒸汽产生装置，用于提供热量来产生重整所需的高压蒸汽。根据本发明实施例，重整子系统140的蒸汽产生装置可以包括余热锅炉，利用来自涡轮膨胀机的涡轮排气将经由水泵提供的水加热变为饱和蒸汽，提供给重整子系统140的重整室。

余热利用子系统170经由其进口端和重整子系统140的余热出口端连接至重整子系统140的蒸汽产生装置和燃烧室，接收余热锅炉后的烟气和燃烧烟气，进一步进行余热回收利用。根据本发明实施例，余热利用子系统170可以包括蒸汽发生器、蒸汽输送管路等蒸汽产生和输送装置，将蒸汽输送给工业用户或居民。生产蒸汽后的烟气还可以进一步利用，例如通过换热器加热产生生活用热水。经过这种二级回收利用之后，再将尾气排放。

根据本发明实施例，燃料电池子系统130采用增压型熔融碳酸盐燃料电池，其工作压力大于一个大气压，一般为0.3-0.5MPa。

根据本发明实施例，燃气轮机发电子系统150采用微型燃气轮机。

根据本发明实施例，重整器可以采用微通道重整器，作为具有微型平板通道的氢气发生装置。

图2示出了根据本发明另一实施例的燃料电池燃气轮机热电联产系统的示意框图。图2所示燃料电池燃气轮机热电联产系统100’的构成以及各个子系统的功能与图1所示系统100基本相同，相同的子系统由相同或相似的附图标记表示，并省略对其的详细描述。

图2所示燃料电池燃气轮机热电联产系统100’的构成与图1所示系统100的不同之处在于，燃料电池子系统130’的阳极排气和阴极排气均用于对原料的预热。具体而言，燃料电池子系统130’具有阳极出口端和阴极出口端，其分别连接至预热子系统120’的空气预热进口端和燃料预热进口端，以分别提供用于预热空气和燃料的热能。同时，燃料电池子系统130’的阳极出口端经由预热子系统120’的空气预热器进一步连接至混合燃烧子系统160’的进口端，燃料电池子系统130’的阴极出口端经由预热子系统120’的燃料预热器进一步连接至混合燃烧子系统160’的进口端，以提供阳极排气和阴极排气。

根据本发明实施例，混合燃烧子系统160’包括除水器和混合燃烧室。一方面，燃料电池子系统130’的阳极出口端的阳极排气经由预热子系统120’的空气预热器进入除水器，并经除水器除水后进入混合燃烧室。另一方面，燃料电池子系统130’的阴极出口端的阴极排气经由预热子系统120’的燃料预热器进入混合燃烧室。从而在混合燃烧室中，阳极排气和阴极排气进行混合燃烧，产生高温烟气。

以上参照附图描述了本发明优选实施例。附图3和4分别示出了根据本发明上述优选实施例的燃料电池燃气轮机热电联产系统100和100’的具体示例系统结构。

如图3所示，燃料供应系统将例如天然气等燃料通过风机1输送给脱硫装置4进行脱硫处理，然后由压气机1(编号为5)压缩。空气供应系统通过风机2输送给压气机2(编号为6)进行压缩。压缩后的燃料和空气分别进入相应的燃料预热器9和空气预热器8，由燃料电池的阳极20的阳极排气依次进行预热。可以理解，在系统启动初期，需要借助外部热量对燃料和空气进行预热，同样压气机也需要外部能用于启动时的驱动。

预热后的空气将直接进入燃料电池阴极19，预热后的燃气进入重整器的重整通道16。重整反应所需的水蒸汽是将水通过供水系统3和水泵7加压后在余热锅炉14中加热变成饱和蒸汽，并进入重整器的重整通道16，与预热后的燃料发生反应生成阳极所需的氢气。重整通道16的反应产物进入燃料电池阳极20。重整反应所需要的能量由重整器燃烧通道17的燃烧反应提供。燃料和空气分别由风机3(编号为17)和风机4(编号为18)输送到重整器的燃烧通道15发生反应，以提供能量。燃料电池反应后的阴极气体从阴极19排出，直接进入混合燃烧室11，阳极排气在对空气、燃料气预热后经冷凝除水器10除水后进入混合燃烧室11。例如，阳极排气中含有未反应完全的甲烷以及重整反应生成的一氧化碳，可以与阴极排气中多余的氧气燃烧生成高温高压烟气。高温高压烟气进入涡轮膨胀机12，驱动其膨胀做功，进而驱动两个压气机5和6进行气体压缩，并驱动发电机13产生电量。

涡轮膨胀机12的涡轮排气经过余热锅炉14加热产生重整所需的高压蒸汽，然后进入余热回收利用系统。在该系统中首先对蒸汽发生器23进行加热产生部分蒸汽，该发生器的进水系统21和蒸汽输送管路22等可以根据实际应用情况进行设计。经过蒸汽发生器23后的烟气还具有进一步回收利用的价值，可以对其进行二级回收利用，并且与重整器燃烧通道15出来的烟气一起进入板式换热器24产生部分生活热水。最后将尾气排放。

图4所示示例与图3所示示例基本相同，不同之处在于燃料预热器9和空气预热器8分别由燃料电池的阴极排气和阳极排气预热。具体而言，阳极排气进入空气预热器8，对空气进行预热，然后经冷凝除水器10除水后进入混合燃烧室11。阴极排气进入燃料预热器9，对燃料进行预热，然后直接进入混合燃烧室11，与阳极排气发生燃烧反应。

以上描述了根据本发明的优选实施例极其示例。根据本发明实施例，采用增压型熔融碳酸盐燃料电池与微型燃气轮机有机结合，构成具有质量交换的联合循环系统，其功率密度更高，也适用于百千瓦kW级的机组。根据本发明实施例，在燃气轮机的涡轮入口前增加混合燃烧室，既能充分有效利用阳极未反应完全的氢燃料和重整未完全转化的甲烷等燃料的热能，提高燃料利用率，又便于控制涡轮工作条件(例如，通过涡轮的流量和涡前温度)，发电效率也进一步提高。此外，根据本发明实施例，对仍然具有较高温度的涡轮排气进行充分有效的余热回收利用，使整体能量利用率尽可能地提高。

上述实施例应该视为是示例性的而非限制性的，所附权利要求旨在覆盖所有落入本发明构思的真实精神和范围内的修改、改进和其他实施例。因此，在法律允许的最大程度上，由对所附权利要求及其等同物的最广泛的允许的解释来确定本发明的范围，本发明的范围不限于上述具体描述。

Claims (8)

1.一种燃料电池燃气轮机热电联产系统，包括送料子系统、预热子系统、燃料电池子系统、重整子系统，燃气轮机发电子系统和余热利用子系统；

其中，在燃料电池子系统与燃气轮机发电子系统之间提供混合燃烧子系统；

送料子系统的出口端连接至预热子系统的原料进口端，以提供原料；预热子系统的空气出口端连接至燃料电池子系统的阴极进口端，以提供经预热的空气；预热子系统的燃料出口端连接至重整子系统的燃料进口端，以提供经预热的燃料；重整子系统的重整出口端连接至燃料电池子系统的阳极进口端，以提供经重整的氢燃料；燃料电池子系统的阳极出口端连接至预热子系统的预热进口端，其中所述预热子系统包括空气预热器和燃料预热器，燃料电池子系统的阳极出口端连接至所述空气预热器的进口端，所述空气预热器的出口端与所述燃料预热器的进口端相连，以提供用于预热的热能；燃料电池子系统的阳极出口端经由预热子系统进一步连接至混合燃烧子系统的进口端，燃料电池子系统的阴极出口端也连接至混合燃烧子系统的进口端，以提供阴阳极排气，构成燃烧反应混合气；混合燃烧子系统的出口端连接至燃气轮机发电子系统的进口端，以提供高温高压烟气；燃气轮机发电子系统的动力出口端连接至送料子系统的动力进口端以及所述燃气轮机发电子系统的发电设备的动力进口端；燃气轮机发电子系统的余热出口端连接至重整子系统的余热进口端，以提供余热来产生重整所需的高压蒸汽，其中，所述重整子系统包括重整器和蒸汽产生装置，所述蒸汽产生装置通过余热进口端接收来自燃气轮机发电子系统的余热出口端的余热，产生重整所需的高压蒸汽，重整子系统的余热出口端连接至余热利用子系统的进口端以进行余热回收利用。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，各个子系统相互连接，形成了联合循环的热电联产系统。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，燃料电池子系统采用增压型熔融碳酸盐燃料电池。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，燃气轮机发电子系统采用微型燃气轮机。

5.根据权利要求1所述的系统，其中，混合燃烧子系统包括除水器和混合燃烧室，

燃料电池子系统的阳极出口端的阳极排气经由预热子系统进入除水器，并经除水器除水后进入混合燃烧室，燃料电池子系统的阴极出口端的阴极排气直接进入混合燃烧室，以进行燃烧，产生高温烟气。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，重整器包括重整室和燃烧室，

重整室通过预热子系统的燃料出口端接收经预热的燃料，以与产生的高压蒸汽发生重整反应生成氢气，提供给燃料电池子系统的阳极进口端；

燃烧室利用输入的燃料和空气进行燃烧，以向重整器提供重整反应所需的能量。

7.根据权利要求1所述的系统，其中，燃气轮机发电子系统包括涡轮膨胀机和发电机；

涡轮膨胀机通过燃气轮机发电子系统的进口端接收来自混合燃烧子系统的出口端的高温高压烟气，以膨胀做功，驱动发电机进行发电，并通过动力出口端驱动送料子系统的气体压缩机；

涡轮膨胀机的涡轮排气通过余热出口端提供给重整子系统的蒸汽产生装置，用于产生重整所需的高压蒸汽。

8.根据权利要求6所述的系统，其中，余热利用子系统经由其进口端和重整子系统的余热出口端连接至重整子系统的蒸汽产生装置和重整器的燃烧通道，重整子系统的蒸汽产生装置包括余热锅炉，所述余热利用子系统接收所述余热锅炉后的烟气和所述燃烧通道的燃烧烟气的余热，产生蒸汽和热水。