CN102569859A - 集成otm的加压co2零排放sofc/gt/at/st复合动力系统 - Google Patents

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

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Abstract

本发明属于加压CO2零排放固体氧化物燃料电池复合动力发电技术领域，特别涉及一种集成OTM的加压CO2零排放SOFC/GT/AT/ST复合动力系统。本发明以不回收CO2的SOFC/GT/ST复合动力系统为基准系统，集成氧离子传输膜(OTM)、高温空气透平(AT)及CO2回收单元，得到一个高效节能环保的CO2零排放复合动力系统，系统能量得到充分有效的梯级利用，效率高，燃烧排气只有CO2和H2O便于CO2分离捕集，减少功耗，使得系统在回收CO2后仍具有较高的效率。

Description

集成OTM的加压CO2零排放SOFC/GT/AT/ST复合动力系统
技术领域
本发明属于加压CO2零排放固体氧化物燃料电池复合动力发电技术领域，特别涉及一种集成OTM的加压CO2零排放SOFC/GT/AT/ST复合动力系统。
背景技术
固体氧化物燃料电池利用电化学过程直接产电，不受卡诺定理的制约，具有较高的效率，并且其排气具有很高温度，在加压的条件下可与燃气透平，余热锅炉和蒸汽轮机组成一个高效的发电系统。并且由于其独特的机理：燃料和空气不直接混合，避免了N2对CO2的掺混，这为提高能源动力系统效率和降低排放提供了便利条件。OTM的工作温度通常为700-1000℃，电池堆阴极排气能直接达到其工作条件，可以低成本低能耗生产纯氧，满足后燃室燃烧需求。综合利用以上两项集成技术可同时实现系统高效率及CO2零排放。本发明的集成方案是在上述技术背景下提出的。
发明内容
本发明以不回收CO2的SOFC(固体氧化物燃料电池)/GT(燃气透平)/ST(蒸汽轮机)复合动力系统为基准系统，集成氧离子传输膜(OTM)、高温空气透平(AT)及CO2回收单元，以解决传统发电系统的低效率和大量污染气排放的问题，避免了传统动力系统回收CO2时N2对CO2的掺混稀释，大大地降低了分离回收CO2过程的能耗，系统总效率也能保持在较高的水平。
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、第四换热器、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电池堆输出端与直流/交流转换器连接；
SOFC电池堆的阴极排气接入OTM模块的入口，OTM模块的纯氧出口依次与第三换热器、冷却器、带中间冷却器的空气压缩机串联后接入后燃室；OTM模块的贫氧出口与空气透平、第一换热器、第四换热器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排气与冷凝器串联后分两路，一路通过二氧化碳压缩机接入后燃室，另一路接入带中间冷却器的二氧化碳压缩机，制备液态CO2；
后燃室的排气依次与燃气透平、第二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OTM模块及其单元由两级压缩机、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℃。
所述氧离子传输膜的膜两侧氧气压力差是OTM模块分离氧气的驱动力，进料侧的氧气分压力要高于渗透侧的氧气分压力。
所述CO2回收单元由冷凝器、带中间冷却器的四级二氧化碳压缩机(22)、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。
所述余热锅炉及汽轮机系统与第一发电机连接，并驱动其发电。
所述燃气透平与第二发电机连接，并驱动其发电。
所述空气透平与第三发电机连接，并驱动其发电。
本发明的有益效果为：
本系统通过OTM对SOFC的阴极排气分离，得到纯氧送入后燃室与阳极排气燃烧，燃烧产物的主要成分是CO2和H2O，从而避免了N2对CO2的掺混，便于分离，减少了压缩机的功耗，使捕集CO2的总能耗降低，同时通过回收分离氧气后高温高压的贫氧空气的功和热，系统的效率惩罚得到一定的补偿，这样系统即实现高效率又解决了大量污染气排放的问题。
附图说明
图1为不回收CO2的SOFC/GT/ST复合动力系统结构示意图，为基准系统。
图2为本发明所述的集成OTM的加压CO2零排放SOFC/GT/AT/ST复合动力系统的结构示意图。
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-第四换热器；9-燃料压缩机；10-余热锅炉及汽轮机系统；11-第一发电机；12-燃气透平；13-第二发电机；14-OTM模块，15-空气透平；16-第三发电机；17-第三换热器；18-冷却器；19-带中间冷却器的空气压缩机；20-冷凝器；21-二氧化碳压缩机；22-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的加压CO2零排放SOFC/GT/AT/ST复合动力系统，下面通过附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
基准系统结构图如图1所示：燃料在燃料压缩机9压缩经第四换热器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，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的阴极在电池堆内与阳极的燃料进行电化学反应，并通过直流/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，另一部分与阴极排气一起送入后燃室5燃烧，燃烧排气先经燃气透平12膨胀驱动第二发电机13发电，再依次通过第二换热器3、第四换热器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，由第一发电机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。集成OTM的加压CO2零排放SOFC/GT/AT/ST复合动力系统对基准系统的改进在于：燃料经燃料压缩机9压缩后经第三换热器17、第四换热器8换热进入预重整器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，空气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，在电池堆内与阳极的燃料进行电化学反应，通过直流/交流转换器6输出电能。此后SOFC电池堆4的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，另一部分送入后燃室5燃烧。阴极排气不直接送入后燃室5，而是送入OTM模块14分离提取后燃室所需氧气。在OTM模块14中，阴极排气被分成两股：一股为高温高压的贫氧空气，流经空气透平15做功并驱动第三发电机16发电，再经第一换热器2、第四换热器8与空气及燃料换热后送入余热锅炉和汽轮机系统10进行余热回收并驱动第一发电机11发电，最后排入大气中；另一股为高温低压纯氧，通过第三换热器17和冷却器18降温后送入带中间冷却器的空气压缩机19加压，进而供入后燃室5助燃。后燃室5燃烧排气先经燃气透平12做功驱动第二发电机13发电，再通过第二换热器3加热空气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，由第一发电机11发电输出，此后排气经冷凝器20析出水，得到高纯度的CO2气体，一部分经二氧化碳压缩机21压缩回注后燃室，其余部分由带中间冷却器的二氧化碳压缩机22压缩液化并进行存储。
下面结合算例，对本发明的效果做一下说明。
系统初始条件：
基准系统和集成OTM的加压CO2零排放SOFC/GT/AT/ST复合动力系统基于相同的假设和相同的参数值。系统假设及条件见下表1。燃料成分：CH493.6％，C2H64.9％，C3H80.4％，C4H100.2％，CO 0.9％。
表1系统初始条件
Figure BDA0000129969610000051
系统结果如表2所示：
表2系统结果比较
Figure BDA0000129969610000052
由表2可知，基准系统的效率为69.1％，集成OTM的加压CO2零排放SOFC/GT/AT/ST复合动力系统效率为65.38％。通过比较，得到集成OTM的CO2零排放系统效率较相同条件下的基准系统效率仅降低了3.72个百分点，显示出OTM制氧系统在与SOFC集成时的低能耗，及回收CO2对系统效率惩罚较低的优势。

Claims (7)

1.集成OTM的加压CO2零排放SOFC/GT/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(17)、第四换热器(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；
SOFC电池堆(4)的阴极排气接入OTM模块(14)的入口，OTM模块(14)的纯氧出口依次与第三换热器(17)、冷却器(18)、带中间冷却器的空气压缩机(19)串联后接入后燃室(5)；OTM模块(14)的贫氧出口与空气透平(15)、第一换热器(2)、第四换热器(8)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)的排气接入冷凝器(20)串联后分为两路，一路通过二氧化碳压缩机(21)接入后燃室(5)，另一路接入带中间冷却器的二氧化碳压缩机(22)，制备液态CO2；
后燃室(5)的排气依次与燃气透平(12)、第二换热器(3)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的加压CO2零排放SOFC/GT/AT/ST复合动力系统，其特征在于：所述OTM模块(14)及其单元由两级压缩机、冷却器、气-气热交换器、氧离子传输膜串联组成；氧离子传输膜是只渗透氧气的致密、选择性渗透膜，以达到分离提取纯氧的效果；OTM模块(14)的工作温度通常为700℃-1000℃。
3.根据权利要求2所述的集成OTM的加压CO2零排放SOFC/GT/AT/ST复合动力系统，其特征在于：所述氧离子传输膜的膜两侧氧气压力差是OTM模块(14)分离氧气的驱动力，进料侧的氧气分压力要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的加压CO2零排放SOFC/GT/AT/ST复合动力系统，其特征在于：所述的CO2回收单元由冷凝器、带中间冷却器的四级二氧化碳压缩机(22)、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。
5.根据权利要求1所述的集成OTM的加压CO2零排放SOFC/GT/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)与第一发电机(11)连接，并驱动其发电。
6.根据权利要求1所述的集成OTM的加压CO2零排放SOFC/GT/AT/ST复合动力系统，其特征在于：所述燃气透平(12)与第二发电机(13)连接，并驱动其发电。
7.根据权利要求1所述的集成OTM的加压CO2零排放SOFC/GT/AT/ST复合动力系统，其特征在于：所述空气透平(15)与第三发电机(16)连接，并驱动其发电。
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