CN102760900A

CN102760900A - 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

Info

Publication number: CN102760900A
Application number: CN2012102448263A
Authority: CN
Inventors: 段立强; 黄科薪; 杨勇平
Original assignee: North China Electric Power University
Current assignee: North China Electric Power University
Priority date: 2012-07-13
Filing date: 2012-07-13
Publication date: 2012-10-31
Anticipated expiration: 2032-07-13
Also published as: CN102760900B

Abstract

本发明属于加压CO₂零排放的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。本发明将SOFC电池堆系统、OTM系统、燃气透平GT、空气透平AT、余热锅炉和汽轮机系统、CO₂回收系统集成得到一个高效节能环保的CO₂零排放复合动力系统。系统能量利用率高，燃烧产物只有CO₂和H₂O便于CO₂分离存储，功耗少，系统在回收CO₂的同时仍具有很高的效率。

Description

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

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。

背景技术

加压的固体氧化物燃料电池利用电化学过程产电，具有较高的能量转换效率，并且其排气具有较高的温度和压力，可通过燃气透平、余热锅炉和蒸汽轮机进行余热余功利用，从而组成一个能量充分梯级利用的高效发电系统。并且固体氧化物燃料电池在回收CO₂时具有独特的结构优势：燃料和空气进行电化学反应时在各自的通道流动并不直接混合，避免了空气中大量的N₂对CO₂的掺混，这为低能耗高效率回收CO₂提供了有利条件。OTM的工作温度通常为700°C -1000°C，电池堆阴极排气能直接满足其工作条件，为低成本低能耗生产纯氧提供了有效可行的方案，可满足后燃室纯氧燃烧需求。综合利用以上两项有利条件，并考虑吹扫气强化产氧的效果，本发明提出结合吹扫气集成OTM的加压CO₂零排放SOFC/GT/AT/ST复合动力系统方案。

发明内容

本发明以不回收CO₂的SOFC/GT/ST复合动力系统为基础，提出集成方案：集成氧离子传输膜（OTM）、高温空气透平（AT）及CO₂回收单元组成CO₂零排放系统，为解决传统发电系统的低效率和大量污染气排放的问题，实现低能耗回收CO₂，并保持系统的高效性。

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；

SOFC电池堆的阴极排气接入OTM模块的原料侧入口，OTM模块的原料侧出口与空气透平串联后接入余热锅炉及汽轮机系统；OTM模块的渗透侧出口与第四换热器串联后接入后燃室；后燃室的出口依次与燃气透平、第五换热器、第二换热器、第三换热器、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；

余热锅炉及汽轮机系统经过余热回收后的贫氧空气直接排入大气，余热锅炉及汽轮机系统的燃烧排气接入冷凝器，析出水后分为两路，一路依次流经二氧化碳压缩机、第四换热器、第五换热器后接入OTM模块的渗透侧入口，另一路接入带中间冷却器的二氧化碳压缩机，制备液态CO₂；

SOFC电池堆的阴极排气达到OTM模块的工作条件后，直接送入OTM模块；CO₂气体作为吹扫气，经二氧化碳压缩机压缩及两级换热器加热达到OTM模块的工作压力和温度后，送入OTM模块的渗透侧入口对氧气进行吹扫。

所述OTM模块的结构分为原料侧和渗透侧两部分，采用氧离子传输膜作为分隔原料侧和渗透侧的渗透层，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模块的工作温度为700°C -1000°C。

所述氧离子传输膜的两侧氧气压力差是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。

所述的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。

其特征在于：

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：

本发明系统通过OTM对阴极排气分离，经CO₂吹扫得到CO₂、O₂混合气体送入后燃室供阳极排气燃烧，燃烧产物的主要成分是CO₂和H₂O，避免了空气中大量的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，并且OTM原料侧出口的高温高压贫氧空气可进一步回收功和热，系统的效率惩罚得到一定的补偿，采用CO₂吹扫一方面确保了原料侧的氧气分压力高于渗透侧的氧气分压力，提高产氧效果，另一方面使混合气体直接达到了后燃室工作压力可直接送入，省去了对从原料侧渗透到渗透侧的纯氧加压，这样系统在回收CO₂后仍具有较高效率。

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为所述的结合吹扫气集成OTM的加压CO₂零排放SOFC/GT/AT/ST复合动力系统的结构示意图。

图3为OTM模块的结构图。

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-第一发电机；12-燃气透平；13-第二发电机；14-第五换热器，15-OTM模块，16-空气透平（AT），17-第三发电机，18-第四换热器，19-二氧化碳压缩机，20-冷凝器，21-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，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。

基准系统结构图如图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压缩后，经第三换热器8换热进入预重整器7与循环回来的部分SOFC电池堆4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进行电化学反应，并通过直流/交流转换器6输出电能。此后SOFC电池堆4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（GT）12膨胀驱动第二发电机13发电，再依次通过第二换热器3、第三换热器8、第一换热器2后进入余热锅炉和汽轮机系统（ST）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。结合吹扫气集成OTM的加压CO₂零排放SOFC/GT/AT/ST复合动力系统对基准系统的改进在于：空气依次流经空气压缩机压缩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SOFC电池堆4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15分离提取氧气。在OTM模块15原料侧的出口气流为高温高压的贫氧空气，流经空气透平（AT）16做功并驱动第三发电机17发电后送入余热锅炉和汽轮机系统（ST）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；从原料侧渗透到渗透侧的高温低压纯氧由CO₂气体吹扫混合，并在第四换热器18初步加热作为吹扫气的CO₂气体，进而供入后燃室5助燃。后燃室燃烧排气先经燃气透平（GT）12做功驱动第二发电机13发电，再通过第五换热器14进一步加热CO₂吹扫气，随后依次经第二换热器3,、第三换热器8、第一换热器2加热空气及燃料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，此后系统燃烧尾气经冷凝器20析出水，得到干燥高纯度的CO₂气体，一部分经二氧化碳压缩机19压缩、第四换热器18、第五换热器14两级加热后进入OTM模块15渗透侧入口对氧气进行吹扫，其余部分由带中间冷却器的二氧化碳压缩机21压缩液化并进行存储。

本发明中OTM模块15结构如图3所示，OTM模块原料侧进气为电池堆的阴极排气，出口为渗透氧气后剩余的高温高压贫氧空气；从原料侧渗透到渗透侧的高温低压纯氧由CO₂吹扫，出口为高温高压的O₂、CO₂混合气体。

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：CH₄ 93.6%，C₂H₆ 4.9%，C₃H₈ 0.4%，C₄H₁₀ 0.2%，CO0.9%。

表1 系统初始条件

电池工作温度	910℃	蒸汽/碳比	2.5
				电池输出功率(DC)	200MW	SOFC热损失	5%
电池堆活化面积	137000m²	后燃室效率	100%
				运行压力	3 atm	SOFC压力损失	0
燃料入口温度	15℃	直交流转换效率	92%
				空气入口温度	15℃	发电机效率	99%
燃料利用率	85%	空气利用率	25%
				汽轮机高压缸效率	85%	汽轮机低压缸效率	90%
压缩机绝热效率	85%	压缩机机械效率	98%
				透平绝热效率	89%	透平机械效率	98%

系统结果如表2所示：

表2系统结果比较

由表2可知，基准系统的效率为67.50%，结合吹扫气集成OTM的加压CO₂零排放SOFC/GT/AT/ST复合动力系统效率为66.10%。比较可知结合吹扫气集成OTM的加压CO₂零排放SOFC/GT/AT/ST复合动力系统效率较相同条件下的基准系统效率仅降低了1.4个百分点，显示出本发明系统回收CO₂对系统效率影响较小，仍具有较高的效率，达到了预期的有益效果。

Claims

1.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，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；

SOFC电池堆（4）的阴极排气接入OTM模块（15）的原料侧入口，OTM模块（15）的原料侧出口与空气透平（16）串联后接入余热锅炉及汽轮机系统（10）；OTM模块（15）的渗透侧出口与第四换热器（18）串联后接入后燃室（5）；后燃室（5）的出口依次与燃气透平（12）、第五换热器（14）、第二换热器（3）、第三换热器（8）、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；

余热锅炉及汽轮机系统（10）经过余热回收后的贫氧空气直接排入大气，余热锅炉及汽轮机系统（10）的燃烧排气接入冷凝器（20），析出水后分为两路，一路依次流经二氧化碳压缩机（19）、第四换热器（18）、第五换热器（14）后接入OTM模块（15）的渗透侧入口，另一路接入带中间冷却器的二氧化碳压缩机（21），制备液态CO₂；

SOFC电池堆（4）的阴极排气达到OTM模块（15）的工作条件后，直接送入OTM模块（15）；CO₂气体作为吹扫气，经二氧化碳压缩机（19）压缩及两级换热器加热达到OTM模块（15）的工作压力和温度后，送入OTM模块（15）的渗透侧入口对氧气进行吹扫。

2.根据权利要求1所述的结合吹扫气集成OTM的加压CO₂零排放SOFC/GT/AT/ST复合动力系统，其特征在于：所述OTM模块（15）的结构分为原料侧和渗透侧两部分，采用氧离子传输膜作为分隔原料侧和渗透侧的渗透层，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（15）的工作温度为700°C -1000°C。

3.根据权利要求2所述的结合吹扫气集成OTM的加压CO₂零排放SOFC/GT/AT/ST复合动力系统，其特征在于：所述氧离子传输膜的两侧氧气压力差是OTM模块（15）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，其特征在于：所述的带中间冷却器的二氧化碳压缩机（21）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（20）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，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，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，其特征在于：所述空气透平（16）与第三发电机（17）连接，并驱动其发电。