CN103206307B - 用常压mcfc回收燃气轮机排气中co2的复合动力系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于熔融碳酸盐燃料电池复合动力发电技术领域，特别涉及一种用常压MCFC回收燃气轮机排气中CO2的复合动力系统。本发明以不回收CO2的燃气蒸汽联合循环系统为基准系统提出利用熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）捕获CO2的集成方案，由燃气轮机、熔融碳酸盐燃料电池、氧离子传输膜、高温空气透平、余热锅炉及CO2回收单元组成，实现燃气轮机低CO2排放。MCFC的后燃室产物只有CO2和H2O，在CO2的分离存储过程中减少了功的损耗；本发明充分利用燃气轮机高温排气中的余热及其成分温室气体CO2，以及MCFC与OTM的高温排气余热，利用MCFC低能耗地回收燃气轮机排气中的CO2。
Description
技术领域
本发明属于熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）复合动力发电技术领域，特别涉及一种用常压MCFC回收燃气轮机排气中CO2实现燃气轮机低CO2排放的复合动力系统。
背景技术
熔融碳酸盐燃料电池利用电化学过程产电，具有较高的能量转换效率。且MCFC的排气温度较高可由透平、余热锅炉和汽水系统进行余热回收，从而组成一个能量充分梯级利用的高效发电系统。并且本发明在实现燃气轮机低CO2排放方面具有独特的优势：一方面燃气轮机的高温排气可以提供MCFC阴极电化学反应中按摩尔比为2:1反应的CO2与O2，这样就大大减少了燃气轮机排气中CO2排入大气中的量；另一方面本发明在设计过程中结合了低成本低能耗用来产生纯氧的OTM系统，后燃室的高温排气将燃气轮机排气加热到650℃以后再将OTM加热到工作温度800°C左右，后燃室进行纯氧燃烧最终燃烧产物CO2和水蒸汽，由于废气中没有了N2的掺混大大减少了在回收CO2过程中的能耗，综合以上两个有利条件本发明提出了用熔融碳酸盐燃料电池回收燃气轮机排气中CO2实现燃气轮机低CO2排放的复合动力系统。
发明内容
本发明以不回收CO2的燃气蒸汽联合循环系统为基准系统提出集成方案，将燃气轮机、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、氧离子传输膜（OTM）、高温空气透平（AT）、余热锅炉和蒸汽轮机系统以及CO2回收单元集成在一起构成燃气轮机低CO2排放的复合动力系统，解决了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：
燃料压缩机和第一空气压缩机分别与燃烧室连接，燃烧室、第一透平、第一换热器、MCFC电池堆的阴极依次连接；第一混合器、冷却器、预重整器、MCFC电池堆的阳极依次连接；
MCFC电池堆的输出端与直流/交流转换器连接；MCFC电池堆的阳极排气端与分离器的入口端连接，MCFC电池堆的阴极排气端与余热锅炉及汽轮机系统的入口端连接；
分离器的出口端分两路，一路与第一混合器的入口端连接，参与循环，另一路依次与后燃室、第二换热器的高温气体侧、余热锅炉及汽轮机系统的入口侧连接；第二空气压缩机依次与换热器的常温气体侧、OTM模块串联；OTM模块的原料侧出口与第二透平串联后接入余热锅炉及汽轮机系统的入口端，OTM模块的渗透侧出口与后燃室连接；
余热锅炉及汽轮机系统的出口侧与冷凝器以及带中间冷却器的二氧化碳压缩机串联。
所述OTM模块包括原料侧和渗透侧，采用氧离子传输膜分隔；OTM模块的原料侧进气为经加压和加热的空气，渗透侧出气为氧气。渗透侧提供的纯氧是由膜两侧的氧气压力差作用所得到的。
所述带中间冷却器的二氧化碳压缩机由三级压缩机、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，再通过三级间冷压缩机压缩液化。
所述第一透平的输出端与第一发电机相连，输出电能。
所述第二透平与第二发电机连接，并驱动其发电。
所述余热锅炉及汽轮机系统与第三发电机连接，并驱动其发电。
本发明的有益效果为：
本发明将燃气轮机的高温排气通入MCFC的阴极，摩尔比为2:1的CO2与O2在熔融碳酸盐燃料电池的阴极发生电化学反应，阴极剩余的贫CO2高温排气在余热锅炉及汽轮机系统中做功进行余热回收，最后排气中只含有极少量的CO2；另一方面本发明通过OTM对空气2进行分离，将最终得到的纯氧送入MCFC后燃室进行纯氧燃烧，最终得到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，降低了储存回收CO2的能耗，并且OTM原料侧出口的高温高压贫氧空气还可与余热锅炉汽轮机系统相结合进行余热回收。
终上所述，本发明的联合循环在实现燃气轮机低CO2排放同时由于与熔融碳酸盐燃料电池集成还获得了一定的额外功。
附图说明
图1为不回收CO2的燃气蒸汽联合循环系统结构示意图，为基准系统。
图2为本发明所述的用常压MCFC回收燃气轮机排气中CO2的复合动力系统的结构示意图。
图中标号：
1-燃料压缩机；2-第一空气压缩机；3-燃烧室；4-第一透平；5-第一换热器；6-MCFC电池堆；7-第一混合器；8-冷却器； 9-预重整器；10-直流/交流转换器；11-分离器；12-第二空气压缩机；13-第二换热器；14-OTM模块；15-后燃室；16-第二透平；17-余热锅炉及汽轮机系统；18-冷凝器；19-带中间冷却器的二氧化碳压缩机；20a-第一发电机；20b-第二发电机；20c-第三发电机。
具体实施方式
本发明提供了一种用常压MCFC回收燃气轮机排气中CO2实现燃气轮机低CO2排放的复合动力系统，下面针对附图说明和具体实施方式对本发明作进一步说明。
不回收CO2的燃气蒸汽联合循环系统的基准系统如图1所示：第一路空气与第一路燃料在第一空气压缩机1和燃料压缩机2压缩后一起被送入燃烧室3燃烧后经透平4做功，由发电机20a发电输出，然后高温排气进入余热锅炉和汽轮机系统17中产生蒸汽推动汽轮机产功，由发电机20c发电输出，最后低温排气直接排入大气。
本发明以不回收CO2的燃气蒸汽联合循环系统为基准系统，组成MCFC回收燃气轮机排气中CO2的复合动力系统，结构图如图2所示。第一路空气与第一路燃料在第一空气压缩机1和燃料压缩机2压缩后一起被送入燃烧室3燃烧后流经第一透平4做功由发电机20a发电输出，高温排气经过第一换热器5换热后直接通入MCFC电池堆6的阴极，摩尔比为2:1的CO2与O2在MCFC的阴极发生电化学反应，这样就减少了燃气轮机排气中CO2的量。将MCFC电池堆6阴极剩余排气通入余热锅炉和汽轮机系统17中产生蒸汽推动汽轮机产功。第二路燃料经过冷却器8冷却后进入预重整器9并在其中混合重整，然后进入MCFC电池堆6，与阴极生成的CO3 2-发生电化学反应，通过直流/交流转换器10输出电能。然后阳极排气由分离器11分为两股，一股循环到第一混合器7与第二路燃料混合发生置换反应，另一股则进入后燃室15中进行纯氧燃烧。
整个复合系统还集成了能够提供纯氧的低能耗高效率的OTM系统，其结构流程如下：第二路空气经第二空气压缩机12压缩后进入第二换热器13进行换热升温，然后OTM模块14分离出的纯氧与分离出的一股阳极排气混合在后燃室中进行纯氧燃烧这样其燃烧产物只有H2O与CO2，然后其高温排气流经第二换热器 13对经过压缩的第二路空气进行加热，随后进入余热锅炉和汽轮机系统17中推动汽轮机产功，由于燃烧室出来的高温排气温度过高所以在后燃室15燃烧的过程中注入了部分冷却水对其进行降温处理。而由OTM模块14中分离出来的高压贫氧空气先流经第二透平16进行做功然后由第二发电机20b输出电，随后第二透平16的高温排气进入余热锅炉和汽轮机系统17产生蒸汽推动汽轮机做功然后由第三发电机20c输出电。由后燃室15出来的那股高温排气先后给燃气轮机排气以及压缩空气2加热后再进入余热锅炉与汽轮机系统中做功，最终经过冷凝器18和三级间冷压缩机19对CO2进行压缩液化存储处理。
下面结合算例，对本发明的效果做一下说明。
系统初始条件：
基准系统和用常压MCFC回收燃气轮机排气实现燃气轮机低CO2排放的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%的热损失和压力损失，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 100%。
表1 系统初始条件
| 燃料利用率 | 85% | 空气利用率 | 25% |
| 空气流量 | 640kg/s | 透平绝热效率 | 88% |
| 燃料流量 | 14.5kg/s | 透平机械效率 | 97% |
| 压比 | 15.4 | 燃气轮机功率 | 273.4MW |
| 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% |
| OTM空气利用率 | 60% | 汽轮机中压缸效率 | 90% |
| 汽轮机高压缸效率 | 88% | 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% |
| 燃气轮机效率 | 36.94% | 联合循环效率 | 55.63% |
表2 CO2回收率为45%与85%时模拟结果与基本系统比较
表3 CO2回收率为85%时多股废热在余热锅炉中做功后的成分及含量
由表2可知，当CO2回收率为45%时，可以得到与原基准系统相同的系统效率。当CO2回收率为85%时，该常压MCFC回收燃气轮机排气中CO2复合动力系统效率（54.96%）比基准系统的效率（55.63%）仅仅低了0.67个百分点，在保证复合动力系统高效率的同时获得了可观的额外功。表3为当回收率为85%时进入余热锅炉的多股废热做功后的成分及温度，可知燃气轮机排气中的CO2含量从3.9%降到0.6%，而MCFC排气中的成分只含有CO2和H2O，没有了N2的掺混在回收CO2的过程中只须简单的冷凝装置去除水就可将CO2回收储存，本设计实现了低能耗捕获燃气轮机排气中CO2的预期目的。
Claims (6)
1.用常压MCFC回收燃气轮机排气中CO2的复合动力系统，其特征在于：燃料压缩机(1)和第一空气压缩机(2)分别与燃烧室(3)连接，燃烧室(3)、第一透平(4)、第一换热器(5)、MCFC电池堆(6)的阴极依次连接；第一透平(4)的高温排气经过第一换热器(5)换热后直接通入MCFC电池堆6的阴极，摩尔比为2:1的CO2与O2在MCFC的阴极发生电化学反应；第一混合器(7)、冷却器(8)、预重整器(9)、MCFC电池堆(6)的阳极依次连接；
MCFC电池堆(6)的输出端与直流/交流转换器(10)连接；MCFC电池堆(6)的阳极排气端与分离器(11)的入口端连接，MCFC电池堆(6)的阴极排气端与余热锅炉及汽轮机系统(17)的入口端连接；
分离器(11)的出口端分两路，一路与第一混合器(7)的入口端连接，参与循环，另一路依次与后燃室(15)、第一换热器(5)的高温气体侧、第二换热器(13)的高温气体侧、余热锅炉及汽轮机系统(17)的入口侧连接；第二空气压缩机(12)依次与第二换热器(13)的常温气体侧、OTM模块(14)串联；OTM模块(14)的原料侧出口与第二透平(16)串联后接入余热锅炉及汽轮机系统(17)的入口端，OTM模块(14)的渗透侧出口与后燃室(15)连接；
余热锅炉及汽轮机系统(17)的出口侧与冷凝器(18)以及带中间冷却器的二氧化碳压缩机(19)串联。
2.根据权利要求1所述的用常压MCFC回收燃气轮机排气中CO2的复合动力系统，其特征在于：所述OTM模块(14)包括原料侧和渗透侧，采用氧离子传输膜分隔；OTM模块(14)的原料侧进气为经加压和加热的空气，渗透侧出口为氧气。
3.根据权利要求1所述的用常压MCFC回收燃气轮机排气中CO2的复合动力系统，其特征在于：所述带中间冷却器的二氧化碳压缩机(19)由三级压缩机、冷却器串联组成；低温燃烧尾气通过冷凝器(18)分离出水，得到干燥高纯度的CO2气体，再通过三级间冷压缩机压缩液化。
4.根据权利要求1所述的用常压MCFC回收燃气轮机排气中CO2的复合动力系统，其特征在于：所述第一透平(4)的输出端与第一发电机(20a)相连，输出电能。
5.根据权利要求1所述的用常压MCFC回收燃气轮机排气中CO2的复合动力系统，其特征在于：所述余热锅炉及汽轮机系统(17)与第三发电机(20c)连接，并驱动其发电。
6.根据权利要求1所述的用常压MCFC回收燃气轮机排气中CO2的复合动力系统，其特征在于：所述第二透平(16)与第二发电机(20b)连接，并驱动其发电。
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| CN103206307A (zh) | 2013-07-17 |
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