CN102966437A - 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 - Google Patents

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黄科薪
杨勇平
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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技术领域，特别涉及一种集成OTM阴极排气产氧的加压CO2零排放SOFC/GT/AT/ST复合动力系统。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，功耗少，这样系统在回收CO2后仍保持较高的效率。

Description

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
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技术领域，特别涉及一种集成OTM阴极排气产氧的加压CO2零排放SOFC/GT/AT/ST复合动力系统。
背景技术
固体氧化物燃料电池利用电化学产电，突破了卡诺定理的限制，具有较高的效率，并且其排气具有很高温度，在加压的条件，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°C -1000°C，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回注/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。
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模块的渗透侧出口依次与第四换热器、第二冷却器、带中间冷却器的氧气压缩机串联后接入后燃室；后燃室的出口依次与燃气透平、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的系统尾气与冷凝器串联后分两路，一路通过二氧化碳压缩机，并串联第四换热器后接入后燃室，另一路接入带中间冷却器的二氧化碳压缩机及第一冷却器，制备液态CO2。
所述OTM模块的原料侧和渗透侧之间采用氧离子传输膜；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膜两侧氧气压力差是OTM模块分离氧气的驱动力，原料侧的氧气分压力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及冷却器压缩液化。
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：
本发明系统通过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，同时通过回收氧气分离后剩余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，通过渗透侧出口纯氧对回注的CO2加热，提高后燃室温度，利于增大透平产功，使系统总效率保持在较高的水平，既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为所述的集成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-OTM模块，15-空气透平；16-第三发电机；17-第四换热器；18-二氧化碳压缩机；19-冷凝器；20-带中间冷却器的二氧化碳压缩机；21-第一冷却器；22-第二冷却器；23-带中间冷却器的氧气压缩机。
具体实施方式
本发明提供了一种集成OTM阴极排气产氧的加压CO2零排放SOFC/GT/AT/ST复合动力系统，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，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阴极排气产氧的加压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，燃料经燃料压缩机9压缩后经第三换热器8换热进入预重整器7与循环回来的部分阳极排气混合重整，随后进入SOFC电池堆4的阳极，在电池堆内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：一股为原料侧出口的高温高压贫氧空气，流经空气透平15做功驱动第三发电机16发电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发电，最后排入大气中；另一股为渗透侧出口的高温低压纯氧，通过第四换热器17和第二冷却器22降温后送入带中间冷却器的氧气压缩机23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、第三换热器8、第一换热器2加热空气和燃料，随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，并由第一发电机11发电输出，此后系统尾气经冷凝器19析出水，得到高纯度的CO2气体，一部分经二氧化碳压缩机18压缩并由第四换热器17加热后回注后燃室5，其余部分由带中间冷却器的二氧化碳压缩机20压缩及第一冷却器21冷却液化并进行存储。
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阴极排气产氧的加压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
系统结果如表2所示：
表2系统结果比较
Figure BDA0000237410242
由表2可知，基准系统的效率为66.87%，集成OTM阴极排气产氧的加压CO2零排放SOFC/GT/AT/ST复合动力系统效率为64.77%。通过比较，得到集成OTM阴极排气产氧的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2.1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阴极排气产氧的加压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（14）的原料侧入口，OTM模块（14）的原料侧出口与空气透平（15）串联后接入余热锅炉及汽轮机系统（10）；OTM模块（14）的渗透侧出口依次与第四换热器（17）、第二冷却器（22）、带中间冷却器的氧气压缩机（23）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）的系统尾气与冷凝器（19）串联后分两路，一路通过二氧化碳压缩机（18），并串联第四换热器（17）后接入后燃室（5），另一路接入带中间冷却器的二氧化碳压缩机（20）及第一冷却器（21），制备液态CO2。
2.根据权利要求1所述的集成OTM阴极排气产氧的加压CO2零排放SOFC/GT/AT/ST复合动力系统，其特征在于：所述OTM模块（14）的原料侧和渗透侧之间采用氧离子传输膜；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（14）的工作温度为700°C -1000°C。
3.根据权利要求2所述的集成OTM阴极排气产氧的加压CO2零排放SOFC/GT/AT/ST复合动力系统，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，原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阴极排气产氧的加压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（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及冷却器压缩液化。
5.根据权利要求1所述的集成OTM阴极排气产氧的加压CO2零排放SOFC/GT/AT/ST复合动力系统，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阴极排气产氧的加压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阴极排气产氧的加压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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