CN104196582A - 基于mcfc电化学法捕集igcc系统中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，特别涉及一种基于MCFC电化学法捕集整体煤气化联合循环系统中CO2的复合动力系统。所述复合动力系统由深冷空分单元、煤气化及净化单元、燃气轮机、熔融碳酸盐燃料电池、余热锅炉及汽轮机单元、CO2回收单元组成，实现IGCC系统低CO2排放。MCFC的后燃室采用富氧燃烧，其产物只有CO2和水蒸汽，可以实现低能耗回收CO2；本发明充分利用MCFC电化学法低能耗聚碳的优势，从而使IGCC系统在回收CO2的同时仍保持较高的效率。

Description

基于MCFC电化学法捕集IGCC系统中CO2的复合动力系统
技术领域
本发明属于熔融碳酸盐燃料电池(Molten Carbonate Fuel Cell,MCFC)复合动力发电技术领域，特别涉及一种基于MCFC电化学法捕集IGCC(IntegratedGasification Combined Cycle,IGCC)系统中CO2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，具有较高的能量转化效率。且MCFC的排气温度较高，可利用余热锅炉和汽轮机系统进行余热及功回收，从而实现能量的高效利用。IGCC电站因其高效环保的特性，被誉为世界上最清洁的燃煤发电技术，本发明在实现IGCC低CO2排放方面具有独特优势：一方面IGCC中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，这样就大幅度减少了IGCC系统中排入大气的CO2的量；另一方面空分单元分离出的氧气进入后燃室进行纯氧燃烧，其燃烧产物只有CO2和水蒸气，可大大减少回收CO2的能耗。综合以上两个有利条件，本发明提出了基于MCFC电化学法捕集IGCC系统中CO2以实现低CO2排放的复合动力系统，并且使系统在回收CO2的同时仍保持较高的效率。
发明内容
本发明提供了一种基于MCFC电化学法捕集IGCC系统中CO2的复合动力系统，集成了熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、煤气化单元、净化单元、燃气轮机、余热锅炉及汽轮机单元、CO2回收单元，能够实现低能耗回收CO2，并使系统以较高的发电效率运行。
本发明采用的技术方案为：
深冷空分单元的氧气出口与第一分离器入口连接，第一分离器的出口端分为两路，一路与第一氧压机串联后接入气化炉，再依次与煤气冷却器、除尘单元、酸气脱除单元、煤气膨胀机串联后接入燃气轮机的燃烧室，另一路与第二氧压机串联后接入后燃室；
深冷空分单元的氮气出口与氮压机串联后进入燃气轮机的燃烧室，用于控制燃烧室的温度；
空压机出口的高压空气分为两路，一路进入燃烧室参与燃烧，另一路进入燃气透平用于冷却透平叶片温度；
燃气透平出口接入MCFC电池堆的阴极，MCFC电池堆的阴极出口与余热锅炉及汽轮机单元连接；MCFC电池堆的阳极排气端与第二分离器的入口端连接，第二分离器的出口端分两路，一路与混合器的入口端连接，再通过串联预重整器接入MCFC电池堆的阳极入口，另一路接入后燃室；
后燃室的出口与余热锅炉及汽轮机单元连接，余热锅炉及汽轮机单元的出口端与第三分离器连接后分为两路，一路接入后燃室用于控制其出口温度，另一路依次串联冷凝器和二氧化碳压缩液化单元；
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。
所述燃气透平的输出端与第一发电机相连，输出电能。
所述MCFC电池堆的输出端与直流/交流转换器连接。
所述余热锅炉及汽轮机单元与第二发电机连接，并驱动其发电。
所述煤气膨胀机与第三发电机连接，并驱动其发电。
本发明的有益效果为：
本发明将IGCC中燃气轮机的高温排气通入MCFC的阴极，烟气中CO2与O2按2:1的摩尔比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单元中进行余热及功的回收；另一方面，空分单元分离出的氧气部分进入MCFC后燃室进行纯氧燃烧，其燃烧产物的主要成分是CO2和水蒸气，从而避免了空气中大量的N2对CO2的掺混稀释，从而实现低能耗回收CO2。
综上所述，本发明的IGCC系统与熔融碳酸盐燃料电池集成，在实现低CO2排放的同时，还增加了系统的净功率，保持了系统的高效率。
附图说明
图1为本发明所述基于MCFC电化学法捕集IGCC系统中CO2的复合动力系统流程示意图。
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-煤气膨胀机；7-空压机；8-燃烧室；9-燃气透平；10-第一分离器；11-第一氧压机；12-氮压机；13-第二氧压机；14-混合器；15-预重整器；16-MCFC电池堆；17-直流/交流转换器；18-第二分离器；19-后燃室；20-余热锅炉及汽轮机单元；21-第三分离器；22-冷凝器；23-二氧化碳压缩液化单元；24-第二发电机；25-第一发电机；26-第三发电机。
具体实施方式
本发明提供了一种基于MCFC电化学法捕集IGCC系统中CO2的复合动力系统，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：空气在经深冷空分单元1后，分离出的氧气经第一分离器10后分为两路，一路经第二氧压机13压缩后进入后燃室19，另一路经第一氧压机11压缩后进入气化炉2中与煤、水进行气化反应，再依次经过煤气冷却器3、除尘单元4、酸气脱除单元5后，生成的净煤气进入煤气膨胀机6膨胀做功驱动第三发电机26发电，做功后的净煤气再进入燃气轮机的燃烧室8燃烧，燃烧排气经过燃气透平9膨胀驱动第一发电机25发电。深冷空分单元1分离出的氮气经氮压机12压缩后进入燃气轮机的燃烧室8用于控制其温度；空压机7出口的高压空气分为两路，一路进入燃烧室8参与燃烧，另一路进入燃气透平9用于冷却透平叶片温度。燃气透平9出口的烟气进入MCFC电池堆16的阴极，烟气中的CO2与O2按2:1的摩尔比在MCFC电池堆16的阴极发生电化学反应形成碳酸根离子并转移到电池堆阳极，这样就减少了燃气轮机排气中CO2的量。将MCFC电池堆16阴极的剩余排气通过余热锅炉及汽轮机单元20回收余热后直接排入大气。MCFC电池堆16阳极出口的排气通过第二分离器18分为两路，一路与燃料经混合器14混合后进入预重整器15并在其中重整混合，然后再次进入MCFC电池堆16的阳极，与阴极生成的碳酸根离子发生电化学反应，并通过直流/交流转换器17输出电能；另一路则进入后燃室19与深冷空分单元1分离出的氧气进行纯氧燃烧，其燃烧产物只有CO2和水蒸汽。后燃室19出口的烟气经余热锅炉及汽轮机单元20回收余热，并通过第二发电机24输出电能，低温烟气经第三分离器21分为两路，一路返回后燃室19用于控制其温度，另一路进入冷凝器22析出其中的水分，得到干燥高纯度的CO2气体，进入二氧化碳压缩液化单元23对CO2进行压缩液化。其中煤气冷却器3释放的热量用于将余热锅炉及汽轮机单元20中的高压给水加热成为高压饱和蒸汽。
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。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；燃料成分：CH4100％。
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 1atm MCFC热损失 2％
电池堆活化面积 101224m2 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 80％ 二氧化碳利用率 85％
计算结果如表3所示：
表3计算结果比较
由表3可知，当CO2捕获率为88.14％时，基于MCFC电化学法捕集IGCC系统中CO2的复合动力系统效率能够达到47.16％，能够实现低能耗捕获IGCC排气中CO2的预期目的。

Claims (5)

1.基于MCFC电化学法捕集IGCC系统中CO2的复合动力系统，其特征在于：
深冷空分单元(1)的氧气出口与第一分离器(10)入口连接，第一分离器(10)的出口端分为两路，一路与第一氧压机(11)串联后接入气化炉(2)，再依次与煤气冷却器(3)、除尘单元(4)、酸气脱除单元(5)、煤气膨胀机(6)串联后接入燃气轮机的燃烧室(8)，另一路与第二氧压机(13)串联后接入后燃室(19)；
深冷空分单元(1)的氮气出口与氮压机(12)串联后进入燃气轮机的燃烧室(8)；
空压机(7)出口的高压空气分为两路，一路进入燃烧室(8)参与燃烧，另一路进入燃气透平(9)用于冷却透平叶片温度；
燃气透平(9)出口接入MCFC电池堆(16)的阴极，MCFC电池堆(16)的阴极出口与余热锅炉及汽轮机单元(20)连接；MCFC电池堆(16)的阳极排气端与第二分离器(18)的入口端连接，第二分离器(18)的出口端分两路，一路与混合器(14)的入口端连接，再通过串联预重整器(15)接入MCFC电池堆(16)的阳极入口，另一路接入后燃室(19)；
后燃室(19)的出口与余热锅炉及汽轮机单元(20)连接，余热锅炉及汽轮机单元(20)的出口端与第三分离器(21)连接后分为两路，一路接入后燃室(19)用于控制其出口温度，另一路依次串联冷凝器(22)和二氧化碳压缩液化单元(23)；
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所述的基于MCFC电化学法捕集IGCC系统中CO2的复合动力系统，其特征在于：所述燃气透平(9)的输出端与第一发电机(25)相连，输出电能。
3.根据权利要求1所述的基于MCFC电化学法捕集IGCC系统中CO2的复合动力系统，其特征在于：所述MCFC电池堆(16)的输出端与直流/交流转换器(17)连接。
4.根据权利要求1所述的基于MCFC电化学法捕集IGCC系统中CO2的复合动力系统，其特征在于：所述余热锅炉及汽轮机单元(20)与第二发电机(24)连接，并驱动其发电。
5.根据权利要求1所述的基于MCFC电化学法捕集IGCC系统中CO2的复合动力系统，其特征在于：所述煤气膨胀机(6)与第三发电机(26)连接，并驱动其发电。
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