CN102518482B - 集成otm的co2零排放sofc/at/st复合动力系统 - Google Patents

集成otm的co2零排放sofc/at/st复合动力系统 Download PDF

Info

Publication number
CN102518482B
CN102518482B CN201110433112.2A CN201110433112A CN102518482B CN 102518482 B CN102518482 B CN 102518482B CN 201110433112 A CN201110433112 A CN 201110433112A CN 102518482 B CN102518482 B CN 102518482B
Authority
CN
China
Prior art keywords
heat exchanger
otm
sofc
zero
emission
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201110433112.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN102518482A (zh
Inventor
段立强
黄科薪
杨勇平
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
North China Electric Power University
Original Assignee
North China Electric Power University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by North China Electric Power University filed Critical North China Electric Power University
Priority to CN201110433112.2A priority Critical patent/CN102518482B/zh
Publication of CN102518482A publication Critical patent/CN102518482A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN102518482B publication Critical patent/CN102518482B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

一种集成OTM的CO2零排放SOFC/AT/ST复合动力系统属于CO2零排放固体氧化物燃料电池复合动力系统技术领域。本发明集成氧离子传输膜(OTM)生产后燃室所需氧气，氧气与电池阳极排气一并送入后燃室进行完全燃烧，产物只有CO2和H2O，燃烧尾气经换热器和余热锅炉余热回收后一部分回注到后燃室使后燃室出口温度保持在合适的范围，其余部分通过CO2回收单元冷凝析出水，进而采用四级间冷压缩使CO2转变为液态。通过SOFC电池堆系统、OTM系统、空气透平AT、余热锅炉和汽轮机系统、CO2回收液化系统的集成得到一个高效节能环保的CO2零排放复合动力系统。系统总的CO2压缩功耗低，节约电能，有较高效率；充分利用了SOFC的高温排气余热，提高效率的同时降低了分离捕捉CO2的能耗。

Description

集成OTM的CO2零排放SOFC/AT/ST复合动力系统
技术领域
本发明属于CO2零排放固体氧化物燃料电池(SOFC)复合动力系统技术领域，特别涉及一种集成OTM的CO2零排放SOFC/AT/ST复合动力系统。 
背景技术
高效、环保的能量系统是未来能源利用系统的主要发展趋势。传统的火电技术主要存在两大问题：低效率和大量污染气排放。而固体氧化物燃料电池利用电化学过程产电，突破了卡诺效率的限制，是一种高效的发电系统。并且由于其独特的结构特点，燃料和空气被固体氧化物电解质隔离开，避免了N2对CO2的掺混，因而，为低能耗捕获CO2捕获提供了便利条件，很容易形成高效的CO2零排放复合动力系统。 
发明内容
本发明主要在不回收CO2的SOFC/ST复合动力系统基础上，集成氧离子传输膜(OTM)、高温空气透平及CO2回收液化单元组成CO2零排放系统，解决传统CO2捕获系统由于N2掺混造成分离和回收CO2能耗过高的问题，大大降低了分离压缩液化CO2过程的能耗，使总的能耗保持在较低的范围。 
本发明采用的技术方案为： 
空气压缩机依次与第一换热器、第二换热器串联后接入SOFC电池堆的阴极；燃料压缩机依次与第三换热器、预重整器串联后接入SOFC电池堆的阳极；SOFC电池堆的阳极排气分为两路：一路接入预重整器进行循环，另一路接入后燃室燃烧；SOFC电池堆的输出端与直流/交流转换器连接； 
带中间冷却器的空气压缩机依次与第四换热器、第五换热器、第六换热器串 联后接入OTM模块的入口，OTM模块的纯氧出口接入后燃室，OTM模块的贫氧出口与空气透平串联后接入余热锅炉及汽轮机系统；余热锅炉及汽轮机系统的燃烧排气出口分两路，一路接入后燃室，另一路与冷凝器串联后接入带中间冷却器的二氧化碳压缩机，制备液态CO2； 
SOFC电池堆的阴极排气依次与第四换热器、第一换热器串联后接入余热锅炉及汽轮机系统，进行余热回收； 
后燃室的出口依次与第六换热器、第五换热器、第二换热器、第三换热器串联后接入余热锅炉及汽轮机系统，进行余热回收。 
所述带中间冷却器的空气压缩机出口处的压力不小于12atm。 
所述OTM模块由两级压缩机、冷却器、气-气热交换器、氧离子传输膜组串联组成；氧离子传输膜为只渗透氧气的致密、选择性渗透膜，以达到分离提取纯氧的效果；OTM模块的工作温度通常为700℃-1000℃。 
所述氧离子传输膜组两侧氧气压力差是OTM模块分离氧气的驱动力，进料侧的氧气分压力高于渗透侧的氧气分压力。 
所述带中间冷却器的二氧化碳压缩机由冷凝器、四级压缩机、冷却器串联组成，低温燃烧尾气通过冷凝器析出水，得到干燥高纯度的CO2气体，再通过四级间冷压缩机压缩液化。 
所述空气透平与第一发电机连接，并驱动其发电。 
所述余热锅炉及汽轮机系统与第二发电机连接，并驱动其发电。 
本发明的有益效果为： 
(1)固体氧化物燃料电池(SOFC)通过阳极的燃料与阴极的空气发生电化学反应产生电能，其不受卡诺循环效率的限制，具有较高效率； 
(2)SOFC电池堆所需空气和后燃室所需氧气由两个不同的空气源提供； SOFC阴极排气不再送入后燃室，后燃室所需纯氧由另一空气源经OTM分离生产提供，此时燃烧产物的主要成分是CO2和H2O，避免了N2对CO2的掺混，便于分离，降低了压缩机的功耗，减少了有用功损失及耗电量； 
(3)燃烧尾气(CO2和H2O)流经换热器与空气换热、余热锅炉产蒸汽做功后，一部分回注到后燃室，其余部分送入CO2回收液化单元通过冷凝器析出水，得到的高纯度CO2气体送入四级间冷压缩机压缩，并经冷却液化得到液态CO2，从而组成一个CO2零排放系统。 
附图说明
图1为所述的不回收CO2的常压SOFC/ST复合动力系统结构示意图，为基准系统。 
图2为本发明所述集成OTM的CO2零排放SOFC/AT/ST复合动力系统结构示意图。 
图中标号： 
1-空气压缩机；2-第一换热器；3-第二换热器；4-SOFC电池堆；5-后燃室；6-直流/交流转换器；7-预重整器；8-第三换热器；9-燃料压缩机；10-余热锅炉及汽轮机系统；11-第二发电机；12-带中间冷却器的空气压缩机；13-第四换热器；14-第五换热器；15-第六换热器；16-OTM模块；17-空气透平；18-第一发电机；19-冷凝器；20-带中间冷却器的二氧化碳压缩机。 
具体实施方式
本发明提供了一种集成OTM的CO2零排放SOFC/AT/ST复合动力系统，下面通过附图说明和具体实施方式对本发明做进一步说明，其中，AT为空气透平的简写，ST为汽轮机的简写。 
基准系统为常压系统，压缩机对空气和燃料加压仅供克服流动过程压力损 失，其结构图如图1所示：空气在空气压缩机1压缩后，依次流过第一换热器2、第二换热器3，进入SOFC电池堆4的阴极，燃料在燃料压缩机9压缩经第三换热器8换热后进入预重整器7与循环回来的部分阳极排气混合重整，随后进入SOFC电池堆4的阳极，与阴极的空气在电池堆内进行电化学反应，通过直流/交流转换器6输出电能。此后阳极排气分为两部分：一部分循环回预重整器7与加压预热后的燃料混合重整，另一部分和阴极排气一起送入后燃室5燃烧，燃烧排气依次通过第二换热器3、第三换热器8、第一换热器2后进入余热锅炉和汽轮机系统10生产蒸汽推动汽轮机产功，由第二发电机11发电输出，最后低温排气直接排入大气。 
本发明对基准系统进行改进，组成CO2零排放系统，结构图如图2所示。空气压缩机1依次与第一换热器2、第二换热器3串联后接入SOFC电池堆4的阴极；燃料压缩机9依次与第三换热器8、预重整器7串联后接入SOFC电池堆4的阳极；SOFC电池堆4的阳极排气分为两路：一路接入预重整器7进行循环，另一路接入后燃室5燃烧；SOFC电池堆4的输出端与直流/交流转换器6连接。带中间冷却器的空气压缩机12依次与第四换热器13、第五换热器14、第六换热器15串联后接入OTM模块16的入口，OTM模块16的纯氧出口接入后燃室5，OTM模块16的贫氧出口与空气透平17串联后接入余热锅炉及汽轮机系统10；余热锅炉及汽轮机系统10的燃烧排气出口分两路，一路接入后燃室5，另一路与冷凝器19串联后接入带中间冷却器的二氧化碳压缩机20，制备液态CO2；SOFC电池堆4的阴极排气依次与第四换热器13、第一换热器2串联后接入余热锅炉及汽轮机系统10，进行余热回收；后燃室5的出口依次与第六换热器15、第五换热器14、第二换热器3、第三换热器8串联后接入余热锅炉及汽轮机系统(10)，进行余热回收。 
所述OTM模块16由两级压缩机、冷却器、气-气热交换器、氧离子传输膜组串联组成；氧离子传输膜为只渗透氧气的致密、选择性渗透膜，以达到分离提取纯氧的效果；OTM模块16的工作温度通常为700℃-1000℃。氧离子传输膜组两侧氧气压力差是OTM模块16分离氧气的驱动力，进料侧的氧气分压力高于渗透侧的氧气分压力。 
所述带中间冷却器的二氧化碳压缩机20由冷凝器、四级压缩机、冷却器串联组成，低温燃烧尾气通过冷凝器析出水，得到干燥高纯度的CO2气体，再通过四级间冷压缩机压缩液化。 
空气①依次流经空气压缩机1，第一换热器2、第二换热器3，进入SOFC电池堆4的阴极，燃料在压缩机9压缩经第三换热器8换热后进入预重整器7与循环回来的部分阳极排气混合重整，随后进入SOFC电池堆4的阳极，与阴极的空气在电池堆内进行电化学反应，通过直流/交流转换器6输出电能。此后阳极排气分为两部分：一部分循环回预重整器7与预热后的燃料混合重整，另一部分送入后燃室5燃烧。阴极排气不再送入后燃室5，而是经第四换热器13、第一换热器2换热后送入余热锅炉和汽轮机系统10进行余热回收。后燃室所需氧气由空气②提供：空气②经带中间冷却器的空气压缩机12压缩至12atm，依次与第四换热器13、第五换热器14、第六换热器15换热，随后进入OTM模块16，在此空气分离成两股：一股是纯氧(压力1atm)，送入到后燃室5助燃；另一股为高温高压的贫氧空气，经空气透平17膨胀带动第一发电机18发电及余热锅炉回收功和热后排入大气。后燃室燃烧排气依次通过第六换热器15、第五换热器14、第二换热器3、第三换热器8后进入余热锅炉和汽轮机系统10生产蒸汽推动汽轮机产功，由第二发电机11发电输出。为了防止后燃室出口温度过高采用回注部分低温尾气(CO2和H2O)的方法，其余尾气经冷凝器19析出水，由带中间冷却器的二 氧化碳压缩机20压缩液化得到液态CO2。 
下面结合算例，对本发明的效果做进一下说明。 
系统初始条件： 
基准系统和集成OTM的CO2零排放SOFC/AT/ST复合动力系统基于相同的假设和相同的参数值。系统假设及选取参数见下表1。燃料成分：CH4 93.6％，C2H6 4.9％，C3H8 0.4％，C4H10 0.2％，CO 0.9％。 
表1系统初始条件 
系统结果如表2所示： 
表2基准系统与CO2零排放系统结果比较 
由表2可知，基准系统的效率为61.31％，集成OTM的CO2零排放SOFC/AT/ST 复合动力系统效率为59.08％。通过比较，得到集成OTM单元的零排放系统效率较相同条件下的基准系统效率仅降低了2.23个百分点，显示出OTM制氧但系统在与SOFC集成时的低能耗，及回收CO2对系统效率较低的影响。 

Claims (6)

1.集成OTM的CO2零排放SOFC/AT/ST复合动力系统，其特征在于：
空气压缩机(1)依次与第一换热器(2)、第二换热器(3)串联后接入SOFC电池堆(4)的阴极；燃料压缩机(9)依次与第三换热器(8)、预重整器(7)串联后接入SOFC电池堆(4)的阳极；SOFC电池堆(4)的阳极排气分为两路：一路接入预重整器(7)进行循环，另一路接入后燃室(5)燃烧；SOFC电池堆(4)的输出端与直流/交流转换器(6)连接；
带中间冷却器的空气压缩机(12)依次与第四换热器(13)、第五换热器(14)、第六换热器(15)串联后接入OTM模块(16)的入口，OTM模块(16)的纯氧出口接入后燃室(5)，OTM模块(16)的贫氧出口与空气透平(17)串联后接入余热锅炉及汽轮机系统(10)；余热锅炉及汽轮机系统(10)的燃烧排气出口分两路，一路接入后燃室(5)，另一路与冷凝器(19)串联后接入带中间冷却器的二氧化碳压缩机(20)，制备液态CO2；
所述OTM模块(16)由两级压缩机、冷却器、气-气热交换器、氧离子传输膜组串联组成；氧离子传输膜为只渗透氧气的致密、选择性渗透膜，以达到分离提取纯氧的效果；OTM模块(16)的工作温度为700℃-1000℃；
SOFC电池堆(4)的阴极排气依次与第四换热器(13)、第一换热器(2)串联后接入余热锅炉及汽轮机系统(10)，进行余热回收；
后燃室(5)的出口依次与第六换热器(15)、第五换热器(14)、第二换热器(3)、第三换热器(8)串联后接入余热锅炉及汽轮机系统(10)，进行余热回收。
2.根据权利要求1所述的集成OTM的CO2零排放SOFC/AT/ST复合动力系统，其特征在于：所述带中间冷却器的空气压缩机(12)出口处的压力不小于12atm。
3.根据权利要求1所述的集成OTM的CO2零排放SOFC/AT/ST复合动力系统，其特征在于：所述氧离子传输膜组两侧氧气压力差是OTM模块(16)分离氧气的驱动力，进料侧的氧气分压力高于渗透侧的氧气分压力。
4.根据权利要求1所述的集成OTM的CO2零排放SOFC/AT/ST复合动力系统，其特征在于：所述带中间冷却器的二氧化碳压缩机(20)由四级压缩机、冷却器串联组成，低温燃烧尾气通过冷凝器(19)析出水，得到干燥高纯度的CO2气体，再通过四级间冷压缩机压缩液化。
5.根据权利要求1所述的集成OTM的CO2零排放SOFC/AT/ST复合动力系统，其特征在于：所述空气透平(17)与第一发电机(18)连接，并驱动其发电。
6.根据权利要求1所述的集成OTM的CO2零排放SOFC/AT/ST复合动力系统，其特征在于：所述余热锅炉及汽轮机系统(10)与第二发电机(11)连接，并驱动其发电。
CN201110433112.2A 2011-12-21 2011-12-21 集成otm的co2零排放sofc/at/st复合动力系统 Expired - Fee Related CN102518482B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201110433112.2A CN102518482B (zh) 2011-12-21 2011-12-21 集成otm的co2零排放sofc/at/st复合动力系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201110433112.2A CN102518482B (zh) 2011-12-21 2011-12-21 集成otm的co2零排放sofc/at/st复合动力系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN102518482A CN102518482A (zh) 2012-06-27
CN102518482B true CN102518482B (zh) 2014-10-29

Family

ID=46289519

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201110433112.2A Expired - Fee Related CN102518482B (zh) 2011-12-21 2011-12-21 集成otm的co2零排放sofc/at/st复合动力系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN102518482B (zh)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102979622B (zh) * 2012-11-08 2015-02-25 华北电力大学 集成带吹扫气otm供氧的常压co2零排放sofc/at/st复合动力系统
RU170262U1 (ru) * 2016-10-25 2017-04-19 Фонд поддержки научной, научно-технической и инновационной деятельности "Энергия без границ" Модуль батареи твердооксидных топливных элементов с прериформером
CN113793964A (zh) * 2021-09-10 2021-12-14 西安热工研究院有限公司 一种基于固体氧化物燃料电池的火电调峰系统及工作方法
CN115763883B (zh) * 2022-11-17 2024-03-08 华北电力大学 一种集成透氧膜的零碳排放固体氧化物燃料电池发电系统

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101098019A (zh) * 2006-06-01 2008-01-02 富士电机控股株式会社 燃料电池发电系统
WO2010125443A1 (en) * 2009-04-29 2010-11-04 Ansaldo Fuel Cells S.P.A. System and process for separation of co2 and recovery of fuel from anodic exhaust gas of molten-carbonate fuel cells

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101098019A (zh) * 2006-06-01 2008-01-02 富士电机控股株式会社 燃料电池发电系统
WO2010125443A1 (en) * 2009-04-29 2010-11-04 Ansaldo Fuel Cells S.P.A. System and process for separation of co2 and recovery of fuel from anodic exhaust gas of molten-carbonate fuel cells

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
CO2零排放的SOFC复合动力系统研究;张潇元;《中国优秀硕士学位论文全文数据库工程科技Ⅱ辑》;20110915(第9期);C042－667 *
SOFC/GT/ST三重复合动力系统特性研究;王宇等;《工程热物理学报》;20110331;第32卷(第3期);382－386 *
张潇元.CO2零排放的SOFC复合动力系统研究.《中国优秀硕士学位论文全文数据库工程科技Ⅱ辑》.2011,(第9期),C042－667.
王宇等.SOFC/GT/ST三重复合动力系统特性研究.《工程热物理学报》.2011,第32卷(第3期),382－386.

Also Published As

Publication number Publication date
CN102518482A (zh) 2012-06-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103206307B (zh) 用常压mcfc回收燃气轮机排气中co2的复合动力系统
CN102760900B (zh) 结合吹扫气集成otm的加压co2零排放sofc/gt/at/st复合动力系统
WO2019165807A1 (zh) 一种冷热电联供系统
CN102569859B (zh) 集成otm的加压co2零排放sofc/gt/at/st复合动力系统
CN103410614B (zh) 用两级常压mcfc回收燃气轮机排气中co2的复合动力系统
CN113540541B (zh) 采用氨水作为燃料的sofc及其级联发电系统和操作方法
CN104196582B (zh) 基于mcfc电化学法捕集igcc系统中co2的复合动力系统
CN104538658B (zh) 可调节co2回收率的mcfc复合动力系统及运行方法
CN108439336B (zh) 一种零排放氢电联产系统
KR102372516B1 (ko) 이산화탄소 포집을 증진시키기 위한 애노드 배기가스의 메탄화
CN102820480A (zh) 燃料电池-燃机混合发电系统及通过其发电方法
CN104157891B (zh) 回收co2的煤气化加压熔融碳酸盐燃料电池复合动力系统
CN111477914A (zh) 一种燃料电池系统能量回收利用系统及方法
WO2023108792A1 (zh) 一种具有能量回收模块的燃料电池系统
CN106450389A (zh) 一种co2零排放的固体氧化物燃料电池冷热电联供系统
CN102518482B (zh) 集成otm的co2零排放sofc/at/st复合动力系统
CN212685887U (zh) 一种绿色船舶综合供能系统
CN102966437A (zh) 集成otm阴极排气产氧的加压co2零排放sofc/gt/at/st复合动力系统
CN102979622B (zh) 集成带吹扫气otm供氧的常压co2零排放sofc/at/st复合动力系统
CN103912385A (zh) 集成氧离子传输膜富氧燃烧法捕集co2的igcc系统
CN209526159U (zh) 一种基于有机朗肯循环的燃料电池汽车空气供给系统
CN214196426U (zh) 火电厂空分储能耦合富氧燃烧碳捕集一体化集成系统
CN114976154A (zh) 基于燃料电池和内燃机的混合动力系统和调控方法
CN113921863A (zh) 一种熔融碳酸盐燃料电池发电系统及方法
CN115763883B (zh) 一种集成透氧膜的零碳排放固体氧化物燃料电池发电系统

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20141029

Termination date: 20181221

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee