CN102760900B - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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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%，CO 0.9%。
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CO 2零排放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 (6)

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；
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℃-1000℃；
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。
3.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。
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。
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：所述燃气透平(12)与第二发电机(13)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：所述空气透平(16)与第三发电机(17)连接，并驱动其发电。
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