CN102979622A - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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Abstract

本发明属于常压CO2零排放的固体氧化物燃料电池（SOFC）复合动力发电技术领域，特别涉及集成带吹扫气OTM供氧的常压CO2零排放SOFC/AT/ST复合动力系统。本发明将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。本发明充分利用了SOFC的高温排气余热，提高了系统的效率，并大大的降低了分离捕捉CO2的能耗。

Description

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
技术领域
本发明属于常压CO2零排放固体氧化物燃料电池（SOFC）复合动力发电技术领域，特别涉及一种集成带吹扫气OTM供氧的常压CO2零排放SOFC/AT/ST复合动力系统。
背景技术
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，可由透平、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的掺混稀释，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，其可低成本低能耗生产纯氧，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复合动力系统方案。
发明内容
本发明以不回收CO2的SOFC/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，采用系统的方法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：
第一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电池堆的阴极排气与第一换热器串联后接入余热锅炉及汽轮机系统；
第二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第六换热器、第五换热器、第二换热器串联后分为两路：一路接入OTM模块的渗透侧入口进行循环，另一路依次与第三换热器、余热锅炉及汽轮机系统连接，进行余热回收后接入冷凝器，析出水后进入带中间冷却器的二氧化碳压缩机和冷却器，制备液态CO2；
后燃室的燃烧排气CO2、H2O气体作为吹扫气，经第六换热器、第五换热器、第二换热器换热达到OTM模块的工作温度后送入OTM模块渗透侧入口对氧气进行吹扫。
所述OTM模块的原料侧和渗透侧之间采用氧离子传输膜，OTM模块的原料侧进气为经加压和加热的空气，出口为贫氧空气；从原料侧渗透到渗透侧的氧气由CO2、H2O气体吹扫；氧离子传输膜为只渗透氧气的致密、选择性渗透膜，可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。
所述SOFC电池堆系统输出端与直流/交流转换器相连，输出电能。
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。
所述空气透平与第二发电机连接，并驱动其发电。
本发明的有益效果为：
本发明系统通过OTM对空气2分离，经CO2、H2O吹扫得到CO2、H2O、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的掺混稀释，便于分离，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、H2O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，避免跨膜施加大的压比，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为本发明所述的集成带吹扫气OTM供氧的常压CO2零排放SOFC/AT/ST复合动力系统的结构示意图。
图3为OTM模块的结构示意图。
图中标号：
1-第一空气压缩机；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-第二空气压缩机；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(Air Turbine)，18-第二发电机，19-冷凝器，20-带中间冷却器的二氧化碳压缩机，21-冷却器。
具体实施方式
本发明提供了一种集成带吹扫气OTM供氧的常压CO2零排放SOFC/AT/ST复合动力系统，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1在第一空气压缩机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。集成带吹扫气OTM供氧的常压CO2零排放SOFC/AT/ST复合动力系统对基准系统的改进在于：空气1依次流经第一空气压缩机压缩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。阴极排气不再送入后燃室5，而是经第一换热器2换热后送入余热锅炉和汽轮机系统10进行余热回收。后燃室所需空气由空气2提供：空气2经第二空气压缩机12压缩至4atm，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，由高温的CO2、H2O吹扫后经第四换热器13降温后送入后燃室5助燃；另一股为高温高压的贫氧空气，经空气透平17膨胀及余热锅炉及蒸汽系统10回收功和热。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后一部分作为吹扫气送入OTM模块16的渗透侧对氧气进行吹扫，一部分与第三换热器8换热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，由发电机11发电输出。余热锅炉出来的低温燃烧排气（CO2和H2O）经冷凝器19析出水，由四级间冷压缩机20和冷却器21对CO2进行压缩液化存储处理。
本发明中OTM模块16-OTM模块结构图如图3所示， OTM模块的具体结构为：原料侧和渗透侧。OTM模块原料侧进气为经加压加热后的空气2，出口为贫氧空气；渗透侧进口由CO2、H2O吹扫，出口为CO2、H2O、O2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复合动力系统基于相同的假设和相同的参数值，假设系统中换热器存在2%的热损和压损，并假定空气的成分为79%的N2，21%的O2。系统参数设定条件见下表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) 20MW SOFC热损失 5%
电池堆活化面积 16100m2 后燃室效率 100%
运行压力 1.1 atm SOFC压力损失 4.5%
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 88% 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60.84%，集成带吹扫气OTM供氧的常压CO2零排放SOFC/AT/ST复合动力系统效率为58.59%。比较可知集成带吹扫气OTM供氧的常压CO2零排放SOFC/AT/ST复合动力系统效率较相同条件下的基准系统效率仅降低了2.25个百分点，显示出本发明系统回收CO2对系统效率影响较小，系统仍具有较高的效率，达到了预期的有益效果。

Claims (7)

1.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，其特征在于：
第一空气压缩机（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）的阴极排气与第一换热器（2）串联后接入余热锅炉及汽轮机系统（10）；
第二空气压缩机（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）的原料侧入口，OTM模块（16）的原料侧出口与空气透平（17）串联后接入余热锅炉及汽轮机系统（10）；OTM模块（16）的渗透侧出口与第四换热器（13）串联后接入后燃室（5）；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）串联后分为两路：一路接入OTM模块（16）的渗透侧入口进行循环，另一路依次与第三换热器（8）、余热锅炉及汽轮机系统（10）连接，进行余热回收后接入冷凝器（19），析出水后进入带中间冷却器的二氧化碳压缩机（20）和冷却器（21），制备液态CO2；
后燃室（5）的燃烧排气CO2、H2O气体作为吹扫气，经第六换热器（15）、第五换热器（14）、第二换热器（3）换热达到OTM模块（16）的工作温度后送入OTM模块（16）渗透侧入口对氧气进行吹扫。
2.根据权利要求1所述的集成带吹扫气OTM供氧的常压CO2零排放SOFC/AT/ST复合动力系统，其特征在于：所述OTM模块（16）的原料侧和渗透侧之间采用氧离子传输膜，OTM模块（16）的原料侧进气为经加压和加热的空气，出口为贫氧空气；从原料侧渗透到渗透侧的氧气由CO2、H2O气体吹扫；氧离子传输膜为只渗透氧气的致密、选择性渗透膜，可达到分离提取纯氧的效果；OTM模块（16）的工作温度为700°C -1000°C。
3.根据权利要求2所述的集成带吹扫气OTM供氧的常压CO2零排放SOFC/AT/ST复合动力系统，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（16）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所述的集成带吹扫气OTM供氧的常压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）由冷凝器、四级压缩机、冷却器串联组成。
5.根据权利要求1所述的集成带吹扫气OTM供氧的常压CO2零排放SOFC/AT/ST复合动力系统，其特征在于：所述SOFC电池堆系统（4）输出端与直流/交流转换器（6）相连，输出电能。
6.根据权利要求1所述的集成带吹扫气OTM供氧的常压CO2零排放SOFC/AT/ST复合动力系统，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。
7.根据权利要求1所述的集成带吹扫气OTM供氧的常压CO2零排放SOFC/AT/ST复合动力系统，其特征在于：所述空气透平（17）与第二发电机（18）连接，并驱动其发电。
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