CN103410614B - 用两级常压mcfc回收燃气轮机排气中co2的复合动力系统 - Google Patents
用两级常压mcfc回收燃气轮机排气中co2的复合动力系统 Download PDFInfo
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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，特别涉及一种用两级常压熔融碳酸盐燃料电池（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两级MCFC捕获CO2的集成方案，由燃气轮机、两级熔融碳酸盐燃料电池、氧离子传输膜（OTM）、高温空气透平、余热锅炉及汽水系统以及CO2回收单元组成，两级MCFC能够实现CO2的有效分离，有利于更多的回收燃气轮机排气中CO2的含量。系统集成OTM后，MCFC的后燃室产物只有CO2和H2O，在CO2的分离压缩过程中没有了N2的掺混可以减少CO2回收能耗；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，利用两级MCFC更加有效的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，特别涉及一种用两级常压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，不受卡诺循环的限制具有很高的能量转换效率。且MCFC的高温排气温度适合透平、余热锅炉和汽水系统进行余热回收，因此可以组成分布式能量系统实现能量的梯级利用提高整个系统的效率。本发明在实现燃气轮机更低CO2排放方面具有独特的优势:一方面由于燃气轮机中的排气中的CO2与O2可以按2:1的摩尔比参加MCFC的阴极电化学反应,但是单级的MCFC电池堆回收CO2的能力有限,采用双级的MCFC电池堆可以有效分离燃气轮机排气中的CO2,使燃气轮机排气中CO2的回收率增加。另一方面本发明在设计过程中结合了低能耗产氧的OTM系统，OTM在800℃工作温度下能够将高温高压空气中的纯氧分离出来，纯净的O2被送到后燃室中与在MCFC阳极中未反应的燃料进行纯氧燃烧，最后得到的高温燃烧产物只有CO2与H2O，将H2O冷却分离后可得到纯净的CO2，由于没有了N2的掺混，可以大大减少CO2的压缩回收能耗。与此同时OTM原料侧出来的贫氧高压高温空气还可以通过透平回收额外的功进一步提高系统效率。综合以上两个有利条件本发明提出了用两级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，以燃气轮机、两级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回收单元集成实现燃气轮机低CO2排放的复合动力系统，在实现低能耗回收CO2的同时保持了系统的高效性。
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、第一透平、第一级MCFC电池堆的阴极、第二级MCFC电池堆的阴极依次连接；
混合器、冷却器、预重整器、第一级MCFC电池堆的阳极、第二级MCFC电池堆的阳极、分离器依次连接；
第一级MCFC电池堆的输出端与直流/交流转换器连接；第二级MCFC电池堆的输出端与直流/交流转换器连接；第一级MCFC电池堆以及第二级MCFC电池堆的阳极排气端与分离器的入口端连接，第二级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，一路与混合器的入口端连接，参与重整器的重整反应防止发生积碳，另一路依次与后燃室、第二换热器的高温侧、第三换热器的高温侧、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第二换热器的低温侧、OTM模块串联；OTM模块的原料侧出口与第二透平、第三换热器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。
所述的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高温高压空气，渗透侧出口为氧气，原料侧出口为贫氧空气。
所述的两级MCFC的阴极相连以增加燃气轮机排气中的CO2有效分离，提高CO2的碳捕捉率。
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冷凝后由分离器分离出水，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。
所述的第一级MCFC的输出端与第一直流/交流转换器相连，输出电能。
所述的第二级MCFC的输出端与第二直流/交流转换器相连，输出电能。
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：
本发明集成两级MCFC更有利于CO2的有效分离，使更多的CO2参与MCFC的电化学反应中使燃料以更高的效率生成电能。最后剩余的燃气轮机排气可以进入余热锅炉及汽轮机系统进行余热利用回收额外功。另一方面本发明中OTM从高压高温的空气中分离出纯净的O2，纯氧被送入后燃室中与MCFC中未反应的阳极燃料进行纯氧燃烧，最终得到燃烧产物的只有CO2和H2O，在CO2的压缩回收过程中避免了空气中N2对CO2的掺混稀释，降低了大量CO2回收能耗，并且从OTM原料侧出来的高温高压贫氧空气还可以通入余热锅炉汽轮机系统中进行余热回收。
终上所述本发明不仅实现了燃气轮机的低CO2排放也使回收单位质量CO2的能耗降低，达到了预期效果。
附图说明
图1为不回收CO2的燃气蒸汽联合循环动力系统的结构示意图，为基准系统。
图2为本发明所述的用两级常压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-第一发电机；6-混合器；7-冷却器；8-预重整器；9-第一级MCFC电池堆；10-第一直流/交流转换器；11-第二级MCFC电池堆；12-第二直流/交流转换器；13-分离器；14-后燃室；15-第二空气压缩机；16-第二换热器；17-OTM模块；18-第二透平；19-第二发电机；20-第三换热器；21-余热锅炉及汽水系统；22-第三发电机；23-冷凝器；24-带中间冷却器的二氧化碳压缩机。
具体实施方式
本发明提供了一种用两级常压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流程如图1所示：第一路空气与第一路燃料在第一燃料压缩机1和第一空气压缩机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5发电输出，然后高温排气进入余热锅炉和汽轮机系统21中产生蒸汽推动汽轮机产功，由发电机22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，集成两级常压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。空气和燃料在燃料压缩机1和第一空气压缩机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5输出电能，第一透平4排气依次进入第一级与第二级MCFC电池堆的阴极，其中的CO2与O2分别按2:1的摩尔比发生电化学反应。从第二级MCFC电池堆出来的阴极排气直接进入余热锅炉及汽水系统21进行余热回收在汽轮机做功后由第三发电机22输出电能。燃料2与从分离器13分离来的阳极排气在混合器6混合经冷却器7冷却后在预重整器8中发生重整反应,然后分两股分别通入第一MCFC电池堆9与第二MCFC电池堆11的阳极，分别与其自身阴极生成的CO3 2-发生电化学反应，然后通过第一直流/交流转换器10和第二直流/交流转换器12输出电能。两个MCFC电池堆的阳极排气混合后，由分离器13分为两股，一股进入预重整器8中发生重整反应，另一股则进入后燃室14进行纯氧燃烧。
本发明在整个系统的集成过程中还加入了低能耗高效产氧的OTM系统，其结构流程如下：空气2分别经第二空气压缩机15压缩和第二换热器16换热后经过OTM17分离出纯净的氧气，纯氧与分离器13分离出的一股阳极排气在后燃室14中进行纯氧燃烧，由于纯氧燃烧的温度过高,在后燃室14中注入了部分水以降低后燃室14的排气温度,然后由后燃室14产生的高温废气分别经过第二换热器16和第三换热器20换热后进入余热锅炉及汽水系统21中把水加热成高温高压蒸汽推动汽轮机做功，低温废气再经过冷凝器23冷凝后分离出水，剩余纯净的CO2再由带中间冷却器的二氧化碳压缩机24压缩液化回收。同时由OTM17原料侧出来的高温高压贫氧空气经过第二透平18做功由第二发电机19输出电能后再经第三换热器20换热后进入余热锅炉及汽水系统21中进行余热利用回收部分功，最后由第三发电机22输出电能。
下面结合算例，对本发明的效果做一下说明。
系统初始条件：
基准系统和用两级常压MCFC回收燃气轮机CO2排气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：CH4100%。
表1系统初始条件
| 燃料利用率 | 85% | 氧气利用率 | 25% |
| 燃气轮机效率 | 37.06% | 透平绝热效率 | 89% |
| 燃料/空气入口温度 | 15℃ | 透平机械效率 | 98% |
| 压比 | 15.4 | 燃气轮机功率 | 273.5MW |
| 燃料/空气入口温度 | 15℃ | 直交流转换效率 | 92% |
| OTM空气利用率 | 60% | 发电机效率 | 99% |
| OTM工作温度 | 800℃ | 汽轮机中压缸效率 | 92% |
| 压气机绝热效率 | 87% | 汽轮机低压缸效率 | 91% |
| 压气机机械效率 | 98% | 汽轮机高压缸效率 | 89% |
表2两级MCFC模拟结果
| 参数 | 单位 | 第一级MCFC | 第二级MCFC |
| 阴极进口CO2 | % | 3.9 | 1.6 |
| 阴极出口CO2 | % | 1.6 | 0.8 |
| MCFC运行温度 | ℃ | 660 | 617.2 |
| MCFC电流密度 | A/m2 | 1500 | 1200 |
| MCFC电压 | V | 0.66 | 0.6 |
| MCFC活化面积 | m2 | 69850 | 29100 |
| MCFC输出功 | MW | 63.32 | 19.2 |
| MCFC效率 | % | 49.66 | 44.16 |
表3复合系统的模拟结果与基本系统比较
表4双级MCFC回收CO2后多股废热在余热锅炉中做功后的成分及含量
由表3可知，当结合了OTM且采用两级MCFC电池堆回收燃气轮机排气中的CO2时，采用三级常温冷却压缩方法回收CO2后复合系统的净效率达到54.32%比不回收CO2的基准系统效率（55.42%）仅仅降低了1个百分点。同时发现在基准系统的基础上，新系统燃气轮机排气中CO2的含量可由原来的3.9%（见表2第一级MCFC阴极进口CO2浓度）降到0.8%（见表4燃气轮机排气经余热锅炉后成分），这样大大减少了燃气轮机中CO2的排放量。由于集成了能够提供纯氧的OTM模块，由表4可知MCFC的阳极排气中只有CO2和H2O,没有了N2的掺混，只需简单地冷凝分离，就可以得到纯净的CO2减少了压缩回收过程中的能耗，本发明可以使系统碳捕获率达到83.79%，捕获单位质量CO2能耗仅仅0.89MJ/kg，达到了低能耗捕捉燃气轮机排气中CO2的目的。
Claims (9)
1.用两级常压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）、第一级MCFC电池堆（9）的阴极、第二级MCFC电池堆（11）的阴极依次连接；
混合器（6）、冷却器（7）、预重整器（8）、第一级MCFC电池堆（9）的阳极、第二级MCFC电池堆（11）的阳极、分离器（13）依次连接；
第一级MCFC电池堆（9）的输出端与直流/交流转换器（10）连接；第二级MCFC电池堆（11）的输出端与直流/交流转换器（12）连接；第一级MCFC电池堆（9）以及第二级MCFC电池堆（11）的阳极排气端与分离器（13）的入口端连接，第二级MCFC电池堆（11）的阴极排气端与余热锅炉及汽轮机系统（21）的入口端连接；
分离器（13）的出口端分两路，一路与混合器（6）的入口端连接，另一路依次与后燃室（14）、第二换热器（16）的高温侧、第三换热器（20）的高温侧、余热锅炉及汽轮机系统（21）的入口侧连接；第二空气压缩机（15）依次与第二换热器（16）的低温气体侧、OTM模块（17）串联；OTM模块（17）的原料侧出口与第二透平（18）、第三换热器（20）串联后接入余热锅炉及汽轮机系统（21）的入口端，OTM模块（17）的渗透侧出口与后燃室（14）连接；
余热锅炉及汽轮机系统（21）的出口侧与冷凝器（23）、以及带中间冷却器的二氧化碳压缩机（24）串联。
2.根据权利要求1所述的用两级常压MCFC回收燃气轮机排气中CO2的复合动力系统，其特征在于：所述的OTM模块（17）包括原料侧和渗透侧，采用氧离子传输膜分隔；OTM模块（17）的原料侧进气为经加压和加热的高温高压空气，渗透侧出口为氧气，原料侧出口为贫氧空气。
3.根据权利要求1所述的用两级常压MCFC回收燃气轮机排气中CO2的复合动力系统，其特征在于：所述的两级MCFC的阴极相连以增加燃气轮机排气中CO2的有效分离与捕获，提高CO2的碳捕捉率。
4.根据权利要求1所述的用两级常压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（24）由三级压缩机、冷却器串联组成；低温燃烧尾气通过冷凝器（23）冷凝后分离出水，得到干燥高纯度的CO2气体，再通过三级间冷压缩机（24）压缩液化。
5.根据权利要求1所述的用两级常压MCFC回收燃气轮机排气中CO2的复合动力系统，其特征在于：所述的第一级MCFC电池堆（9）的输出端与第一直流/交流转换器（10）相连，输出电能。
6.根据权利要求1所述的用两级常压MCFC回收燃气轮机排气中CO2的复合动力系统，其特征在于：所述的第二级MCFC电池堆（11）的输出端与第二直流/交流转换器（12）相连，输出电能。
7.根据权利要求1所述的用两级常压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（5）相连，输出电能。
8.根据权利要求1所述的用两级常压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（18）与第二发电机（19）连接，并驱动其发电。
9.根据权利要求1所述的用两级常压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（21）与第三发电机（22）连接，并驱动其发电。
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- 2013-08-21 CN CN201310367604.5A patent/CN103410614B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (6)
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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