CN104157891A - 回收co2的煤气化加压熔融碳酸盐燃料电池复合动力系统 - Google Patents

回收co2的煤气化加压熔融碳酸盐燃料电池复合动力系统 Download PDF

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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，特别涉及一种回收CO2的煤气化加压熔融碳酸盐燃料电池复合动力系统。本发明主要由深冷空分单元、煤气化及净化单元、熔融碳酸盐燃料电池、余热锅炉及汽轮机系统以及CO2回收单元组成，采用煤合成气为燃料电池提供燃料，并回收排气中的CO2。其中，MCFC的后燃室采用富氧燃烧，其产物只有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MCFC高温排气中的余热，并低能耗地捕集了系统排气中的CO2。

Description

回收CO2的煤气化加压熔融碳酸盐燃料电池复合动力系统
技术领域
本发明属于熔融碳酸盐燃料电池(Molten carbonate fuel cell,简称MCFC)复合动力发电技术领域，特别涉及一种回收CO2的煤气化加压熔融碳酸盐燃料电池复合动力系统。
背景技术
目前，由于动力系统CO2排放导致的温室效应越来越严重，因而，CO2的捕获、封存以及利用成为目前国内外研究的热点。IGCC电站被誉为世界上最洁净的燃煤电站，当前研究的针对IGCC电站的CO2捕获技术主要有燃烧前捕获、富氧燃烧及燃烧后捕获，但每一种技术都会对系统效率有一定程度的惩罚。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，因此具有很高的能量转换效率。且MCFC的高温排气温度适合透平、余热锅炉及汽轮机系统进行余热及功回收，因此可以组成回收CO2的高效能量系统。本发明提出回收CO2的煤气化加压熔融碳酸盐燃料电池复合动力系统方案，在实现CO2回收的同时仍具有较高的发电效率。
发明内容
本发明提出了一种回收CO2的煤气化加压熔融碳酸盐燃料电池复合动力系统，该系统集成熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、煤气化单元、净化单元、余热锅炉及汽轮机单元以及CO2回收单元，以实现低能耗回收CO2，并保持系统的高效性。
本发明采用的技术方案为：
深冷空分单元的氮气出口与氮气膨胀机连接，氧气出口与第三分离器连接；第三分离器的出口端分为两路，一路依次与第一氧压机、气化炉、煤气冷却器、除尘单元、酸气脱除单元以及煤气膨胀机串联，然后接入第一混合器的一个入口，另一路与第二氧压机串联后接入后燃室；
混合器的出口连接到MCFC电池堆的阳极入口；MCFC电池堆的阳极出口连接到第一分离器的入口，第一分离器的出口分为两路，一路接回第一混合器的入口，另一路进至后燃室的入口；
空气压缩机的出口连接到第二混合器的入口，第二混合器的出口连接到MCFC电池堆的阴极入口，MCFC电池堆的阴极出口与排气透平串联后连接到余热锅炉及汽轮机单元，排气透平的出口排气进入余热锅炉及汽轮机单元进行余热回收；
后燃室的出口连接到第二分离器的入口，第二分离器的出口端分为两路，一路进入第二混合器，另一路与燃气透平串联后连接到余热锅炉及汽轮机单元的入口端；余热锅炉及汽轮机单元的出口依次与冷凝器、二氧化碳压缩液化单元串联；
余热锅炉及汽轮机单元的水出口接入煤气冷却器，换热后成为高压蒸汽通过蒸汽管道接回余热锅炉及汽轮机单元。
所述的MCFC电池堆的输出端与直流/交流转换器相连，输出电能。
所述燃气透平与第一发电机连接，并驱动其发电。
所述余热锅炉及汽轮机系统与第二发电机连接，并驱动其发电。
所述排气透平与第三发电机连接，并驱动其发电。
所述煤气膨胀机与第四发电机连接，并驱动其发电。
所述氮气膨胀机与第五发电机连接，并驱动其发电。
本发明的有益效果为：
本发明系统将煤气化后的净煤气作为燃料通入熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)的阳极，阳极出口的未完全反应的燃料气一部分再回注到阳极入口，一部分进入后燃室与空分单元分离出的纯氧进行燃烧，得到的燃烧产物主要成分是CO2和H2O，避免了空气中大量的N2对CO2的掺混，便于分离，使捕集CO2的总能耗降低。一方面，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，因此具有很高的能量转换效率。另一方面，MCFC的高温排气温度适合透平、余热锅炉及汽轮机系统进行余热回收，因此可以组成回收CO2的高效能量系统通过能量的梯级利用提高整个系统的效率。
附图说明
图1为本发明所述回收CO2的煤气化加压熔融碳酸盐燃料电池复合动力系统示意图。
图中标号：
1-深冷空分单元；2-气化炉；3-煤气冷却器；4-除尘单元；5-酸气脱除单元；6-第二氧压机；7-第一氧压机；8-氮气膨胀机；9-煤气膨胀机；10-气压机；11-第一混合器；12-第二混合器；13-MCFC电池堆；14-排气透平；15-第一分离器；16-后燃室；17-第二分离器；18-燃气透平；19-余热锅炉及汽轮机单元；20-冷凝器；21-二氧化碳压缩液化单元；22-直流/交流转换器；23-第一发电机；24-第二发电机；25-第三发电机；26-第四发电机；27-第五发电机；28-第三分离器。
具体实施方式
本发明提供了一种回收CO2的煤气化加压熔融碳酸盐燃料电池复合动力系统，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。
本发明的流程如图1所示：经深冷空分单元1分离出的氧气经第三分离器28分为两路，一路经第二氧压机6压缩后进入后燃室16参与纯氧燃烧，另一路经第一氧压机7压缩后进入气化炉2与煤、水进行煤气化反应，合成的粗煤气依次经过煤气冷却器3、除尘单元4、酸气脱除单元5后生成净煤气，净煤气经煤气膨胀机9膨胀做功并驱动第四发电机26发电后，进入第一混合器11；MCFC电池堆13阳极出口的排气经第一分离器15分为两路，一路回注至第一混合器11与净煤气混合后通入MCFC电池堆13的阳极入口，另一路进入后燃室16进行纯氧燃烧，其燃烧产物只有CO2和水蒸汽；后燃室16的排气经第二分离器17分为两路，一路与压缩后的空气经第二混合器12混合后进入MCFC电池堆13的阴极，另一路经燃气透平18膨胀做功，并由第一发电机23发电输出，然后进入余热锅炉及汽轮机单元19回收余热从而产生蒸汽驱动汽轮机做功，并由第二发电机24发电输出；低温燃烧排气在冷凝器20中冷凝出水，得到干燥高纯度的CO2气体，经二氧化碳压缩液化单元21压缩液化后进行储存；MCFC电池堆13的阴极排气经排气透平14膨胀做功，并由第三发电机25发电输出，然后进入余热锅炉及汽轮机单元19回收余热产生蒸汽驱动汽轮机做功，并驱动第二发电机24发电，其低温排气直接排入大气。MCFC电池堆13内部发生电化学反应，并经直流/交流转换器22输出电能。深冷空分单元1分离出的氮气经氮气膨胀机8膨胀做功，并由第五发电机27发电输出。煤气冷却器3释放的热量用于将余热锅炉及汽轮机单元19中的高压给水加热成为蒸汽。
下面结合算例，对本发明的效果做一下说明。
系统初始条件：
系统假设及条件见下表1及表2。燃料煤的元素分析：C56.04％，H3.63％，O10.58％，N0.58％，S0.55％，灰分17.51％，水分11.11％。煤的低位热值为20780kJ/kg。
表1系统初始条件
表2MCFC电池堆初始条件
电池工作温度 650℃ 蒸汽/碳比 3.5
电池工作压力 0.7MPa MCFC热损失 2％
电池堆活化面积 133890m2 后燃室效率 100％
直交流转换效率 95％ MCFC压力损失 0
燃料利用率 90％ 二氧化碳利用率 85％
计算结果如表3所示：
表3计算结果
由表3可知，当碳捕获率为80.16％时，回收CO2的煤气化加压熔融碳酸盐燃料电池复合动力系统效率为48.38％，仍然具有较高的效率，远高于传统的采用燃烧前回收CO2的IGCC系统，显示出本发明系统达到了预期的有益效果。

Claims (7)

1.回收CO2的煤气化加压熔融碳酸盐燃料电池复合动力系统，其特征在于：
深冷空分单元(1)的氮气出口与氮气膨胀机(8)连接，氧气出口与第三分离器(28)连接；第三分离器(28)的出口端分为两路，一路依次与第一氧压机(7)、气化炉(2)、煤气冷却器(3)、除尘单元(4)、酸气脱除单元(5)以及煤气膨胀机(9)串联，然后接入第一混合器(11)的一个入口，另一路与第二氧压机(6)串联后接入后燃室(16)；
混合器(11)的出口连接到MCFC电池堆(13)的阳极入口；MCFC电池堆(13)的阳极出口连接到第一分离器(15)的入口，第一分离器(15)的出口分为两路，一路接回第一混合器(11)的入口，另一路进至后燃室(16)的入口；
空气压缩机(10)的出口连接到第二混合器(12)的入口，第二混合器(12)的出口连接到MCFC电池堆(13)的阴极入口，MCFC电池堆(13)的阴极出口与排气透平(14)串联后连接到余热锅炉及汽轮机单元(19)；
后燃室(16)的出口连接到第二分离器(17)的入口，第二分离器(17)的出口端分为两路，一路进入第二混合器(12)，另一路与燃气透平(18)串联后连接到余热锅炉及汽轮机单元(19)的入口端；余热锅炉及汽轮机单元(19)的出口依次与冷凝器(20)、二氧化碳压缩液化单元(21)串联；
余热锅炉及汽轮机单元(19)的水出口接入煤气冷却器(3)，换热后成为高压蒸汽通过蒸汽管道接回余热锅炉及汽轮机单元(19)。
2.根据权利要求1所述的回收CO2的煤气化加压熔融碳酸盐燃料电池复合动力系统，其特征在于：所述的MCFC电池堆(13)的输出端与直流/交流转换器(22)相连，输出电能。
3.根据权利要求1所述的回收CO2的煤气化加压熔融碳酸盐燃料电池复合动力系统，其特征在于：所述燃气透平(18)与第一发电机(23)连接，并驱动其发电。
4.根据权利要求1所述的回收CO2的煤气化加压熔融碳酸盐燃料电池复合动力系统，其特征在于：所述余热锅炉及汽轮机系统(19)与第二发电机(24)连接，并驱动其发电。
5.根据权利要求1所述的回收CO2的煤气化加压熔融碳酸盐燃料电池复合动力系统，其特征在于：所述排气透平(14)与第三发电机(25)连接，并驱动其发电。
6.根据权利要求1所述的回收CO2的煤气化加压熔融碳酸盐燃料电池复合动力系统，其特征在于：所述煤气膨胀机(9)与第四发电机(26)连接，并驱动其发电。
7.根据权利要求1所述的回收CO2的煤气化加压熔融碳酸盐燃料电池复合动力系统，其特征在于：所述氮气膨胀机(8)与第五发电机(27)连接，并驱动其发电。
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