CN108321416B - Co2近零排放的整体煤气化燃料电池发电系统及方法 - Google Patents

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Abstract

CO2近零排放的整体煤气化燃料电池系统及方法，本发明在基于高温燃料电池的煤气化燃料电池发电系统中实现了CO2捕集，能够使得系统的CO2的排放量降低95％以上，大大提高了煤气化燃料电池发电系统的环保特性，同时通过阳极出口气体的回收，提高系统的燃料利用率和发电效率，发电效率达到50％以上，从而能够实现煤炭资源的清洁高效低碳利用。

Description

CO2近零排放的整体煤气化燃料电池发电系统及方法
技术领域
本发明属于发电技术领域，尤其涉及一种CO2近零排放的整体煤气化燃料电池系统及方法。
背景技术
煤制合成气是一种低成本的煤炭清洁高效利用的方式，合成气进一步通过燃料电池高效发电，可以实现清洁高效灵活的煤基发电多联产，是煤基发电的根本性变革，成为21世纪各国竞相研究的热点。
在整体煤气化联合循环发电(IGCC)的基础上发展的煤气化燃料电池发电技术(IGFC)，可实现煤基发电由单纯热力循环发电向电化学和热力循环复合发电的技术跨越，大幅提高煤电效率，在高效发电的同时能够实现污染物近零排放和负荷快速响应，被视作未来最有发展前景的近零排放煤气化发电技术。
燃料电池中的高温燃料电池，包括熔融碳酸盐燃料电池(Molten Carbonate FuelCell,MCFC)和固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)。对于MCFC，由于需要CO2和空气中的氧气作为氧化剂，CO2和氧气在MCFC阴极催化转化为CO3 2－，CO3 2－通过电解质层到达阳极与H2和CO反应生成水和CO2，这一过程能够利用燃煤电厂烟气中的CO2，将CO2浓缩达到CO2富集而捕获的目的。对于SOFC，阴极采用空气，阳极采用碳氢燃料，实现了燃料和氧化剂的分离，在阳极可实现CO2的富集。因此，在IGFC系统的基础上进一步实现CO2捕集，有利于推动低碳经济的发展。在我国当前能源新形势下，发展高效、低碳、清洁、灵活的IGFC发电技术对保障我国能源安全与促进燃煤发电行业的可持续发展具有非常重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种CO2近零排放的整体煤气化燃料电池发电系统及方法，本发明在基于高温燃料电池的IGFC中实现了CO2捕集，能够使得系统的CO2的排放量降低95％以上，大大提高了IGFC系统的环保特性，同时通过阳极出口气体的回收，提高系统的燃料利用率和发电效率，发电效率达到50％以上，从而能够实现煤炭资源的清洁高效低碳利用。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种CO2近零排放的整体煤气化燃料电池发电系统，包括空分装置1，空分装置1的入口通入空气，空分装置的第一氮气出口接煤粉输送装置2的氮气入口，空分装置1的第二氮气出口接氮气储存装置3，空分装置1的氧气出口接气化炉4的氧气入口；煤粉输送装置2的煤粉入口通入煤粉，煤粉输送装置2的出口接气化炉4的煤粉入口；气化炉4的蒸汽入口接分离器5的第一蒸汽出口，气化炉4的合成气出口连接余热回收装置6的合成气入口；余热回收装置6的给水入口通入水，余热回收装置6的蒸汽出口接分离器5的蒸汽入口，余热回收装置6的合成气出口接除尘装置7的入口；除尘装置7的出口接脱硫装置8的入口；脱硫装置8的出口接射流器9的合成气第一入口；射流器9的出口接CO2提纯装置10的入口，射流器9的H2和CO入口接凝汽器12的出口；CO2提纯装置10的H2、CO和CH出口接燃料加湿器11的H2和CO入口，CO2提纯装置10的CO2出口接分离器13，CO2提纯装置10的废气出口对外排出废气；燃料加湿器11的蒸汽入口接分离器5的第二蒸汽出口，燃料加湿器11的出口接第一换热器14的低温气体入口；第一换热器14的低温气体出口接高温燃料电池15的阳极入口；高温燃料电池15的阳极出口接第二换热器16的高温气体入口，第二换热器16的高温气体出口接凝汽器12的入口；风机17的空气入口通入空气，风机17的出口接混合器18的第一入口；分离器13的第一出口接混合器18的第二入口，分离器13的第二出口接压缩液化装置19的入口，压缩液化装置19的出口输出液态CO2；混合器18的出口接第三换热器20的低温气体入口，第三换热器20的低温气体出口接第二换热器16的低温气体入口，第二换热器16的低温气体出口接高温燃料电池15的阴极入口，高温燃料电池15的阴极出口接第一换热器14的高温气体入口，第一换热器14的高温气体出口接第三换热器20的高温气体入口，第三换热器20的高温气体出口对外排除废气；高温燃料电池15内发生电化学反应产生直流电，直流电输入到DC/AC转换器21，DC/AC转换器21对外输出交流电。
所述空分装置1通过深冷法将空气中的氧气和氮气进行分离，氧气被输送至气化炉4中。
所述煤粉输送装置2，采用N2作为输送气体，通过升压锁斗将煤粉输送到气化炉4中。
所述气化炉4内反应生成合成气，合成气主要成为是H2、H2O、CO、CO2、CH4、N2、H2S和COS。
所述余热回收装置6通过废热锅炉回收合成气中的热量，并制取蒸汽。
所述除尘装置7采用陶瓷过滤器，脱除合成气中的颗粒物，使得矿尘含量小于10mg/Nm3。
所述脱硫装置8采用低温甲醇洗法或NHD法，使得出口处H2S和COS含量小于1ppm。
所述CO2提纯装置10，采用变压吸附法、MDEA法、低温甲醇洗法或者深冷法，分离合成气中的CO2，CO2的浓度高于99％，分离合成气中的H2、CO和CH4，剩余气体作为废气排除系统，废气中的主要成分为N2。
所述燃料加湿器11，采用蒸汽混合法，将余热回收装置6产生的部分蒸汽与H2、CO和CH4进行混合，提高燃料其中H2O的含量，使得H2O的摩尔含量>10％。
所述高温燃料电池15由阳极、阴极和电解质隔膜组成，阴极和阳极分别在电解质隔膜两侧，燃料和氧化剂分别通入到阳极和阴极腔室中，并发生电化学反应，产生电能和热量，电池工作温度在600℃～1000℃，电池的规模通过多个电池堆串并联放大。
本发明在基于高温燃料电池的IGFC中实现了燃烧前CO2捕集，能够使得系统的CO2的排放量降低95％以上，大大提高了IGFC系统的环保特性，同时通过阳极出口气体的回收，提高系统的燃料利用率和发电效率，发电效率达到50％以上，从而能够实现煤炭资源的清洁高效利用。
附图说明
图1是本发明一种可实现燃烧前CO2捕集的整体煤气化燃料电池系统的示意图。
1-空分装置，2-煤粉输送装置，3-氮气储存装置，4-气化炉，5-分离器，6-余热回收装置，7-除尘装置，8-脱硫装置，9-射流器，10-CO2提纯装置，11-燃料加湿器，12-凝气器，13-分离器，14-第一换热器，15-高温燃料电池，16-第二换热器，17-风机，18-混合器，19-压缩液化装置，20-第三换热器，21-DC/AC转换器
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
实施案例1
如图1所示，煤、蒸汽、氧气和氮气通入气化炉4产生合成气，合成气的温度为1200℃，组分为CO≈67％，H2≈25％，CO2≈7％，其余组分为N2、H2S、COS、CH4杂质气；合成气首先经过余热回收装置6换热，温度降低至200℃以下，然后通入除尘装置7，使得颗粒物成分低于10mg/Nm3；接着通入到脱硫装置8中，使得H2S和COS浓度低于1ppm；再通入射流器9中；CO2提纯装置10通过深冷法将CO2的浓度提高到99％以上，N2的浓度提高到95％以上，其余的气体作为H2、CO和CH4燃料气；高浓度CO2气体经过分离器13分成两股气体，80％的CO2气体通入到压缩液化装置19成为液态CO2，另外20％的CO2通入到混合器18中；H2、CO和CH4燃料气经过燃料加湿器11，使得气体中H2O摩尔含量>10％，然后经过第一换热器14使得燃料气温度升至500℃然后通入到熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)15的阳极，发生电化学反应H2+CO3 2-＝H2O+CO2+e2-，CO+CO3 2-＝2CO2+e2-，以及化学反应CO+H2O＝CO2+H2，CH4+H2O＝CO+3H2，阳极出口的气体(H2、CO、H2O、CO2)通入到第二换热器16中，然后经过凝汽器12脱除其中的水分，剩余的气体(H2、CO、CO2)通过射流器9中；与此同时，空气通过风机17加压至0.2MPa，然后进入混合器18中，接着经过第三换热器20和第二换热器16提高空气的温度至600℃以上，然后通入熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)15阴极腔室，在阴极处发生电化学反应O2+2CO2+4e-＝2CO3 2-，燃料和氧化剂在熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)15内发生电化学反应并产生直流电，经过DC/AC转换器21转化为交流电。
实施案例2
如图1所示，煤、蒸汽、氧气和氮气通入气化炉4产生合成气，合成气的温度为1200℃，组分为CO≈67％，H2≈25％，CO2≈7％，其余组分为N2、H2S、COS、CH4杂质气；合成气首先经过余热回收装置6换热，温度降低至200℃以下，然后通入除尘装置7，使得颗粒物成分低于10mg/Nm3；接着通入到脱硫装置8中，使得H2S和COS浓度低于1ppm；再通入射流器9中；CO2提纯装置10通过深冷法将CO2的浓度提高到99％以上，N2的浓度提高到95％以上，其余的气体作为H2、CO和CH4燃料气；高浓度CO2气体经过分离器13分成两股气体，100％的CO2气体通入到压缩液化装置19成为液态CO2，0％的CO2通入到混合器18中；H2、CO和CH4燃料气经过燃料加湿器11，使得气体中H2O摩尔含量>10％，然后经过第一换热器14使得燃料气温度升至600℃然后通入到固体氧化物燃料电池(SOFC)15的阳极，发生电化学反应H2+O2-＝H2O+e2-，CO+O2-＝CO2+e2-，以及化学反应CO+H2O＝CO2+H2，CH4+H2O＝CO+3H2，阳极出口的气体(H2、CO、H2O、CO2)通入到第二换热器16中，然后经过凝汽器12脱除其中的水分，剩余的气体(H2、CO、CO2)通过射流器9中；与此同时，空气通过风机17加压至0.2MPa，然后进入混合器18中，接着经过第三换热器20和第二换热器16提高空气的温度至600℃以上，然后通入固体氧化物燃料电池(SOFC)15阴极腔室，在阴极处发生电化学反应O2+4e-＝2O2-，燃料和氧化剂在固体氧化物燃料电池(SOFC)15内发生电化学反应并产生直流电，经过DC/AC转换器21转化为交流电。

Claims (9)

1.一种CO2近零排放的整体煤气化燃料电池发电系统，其特征在于：包括空分装置(1)，空分装置(1)的入口通入空气，空分装置的第一氮气出口接煤粉输送装置(2)的氮气入口，空分装置(1)的第二氮气出口接氮气储存装置(3)，空分装置(1)的氧气出口接气化炉(4)的氧气入口；煤粉输送装置(2)的煤粉入口通入煤粉，煤粉输送装置(2)的出口接气化炉(4)的煤粉入口；气化炉(4)的蒸汽入口接第一分离器(5)的第一蒸汽出口，气化炉(4)的合成气出口连接余热回收装置(6)的合成气入口；余热回收装置(6)的给水入口通入水，余热回收装置(6)的蒸汽出口接第一分离器(5)的蒸汽入口，余热回收装置(6)的合成气出口接除尘装置(7)的入口；除尘装置(7)的出口接脱硫装置(8)的入口；脱硫装置(8)的出口接射流器(9)的合成气第一入口；射流器(9)的出口接CO2提纯装置(10)的入口，射流器(9)的H2和CO入口接凝汽器(12)的出口；CO2提纯装置(10)的H2、CO和CH出口接燃料加湿器(11)的H2和CO入口，CO2提纯装置(10)的CO2出口接第二分离器(13)，CO2提纯装置(10)的废气出口对外排出废气；燃料加湿器(11)的蒸汽入口接第一分离器(5)的第二蒸汽出口，燃料加湿器(11)的出口接第一换热器(14)的低温气体入口；第一换热器(14)的低温气体出口接高温燃料电池(15)的阳极入口；高温燃料电池(15)的阳极出口接第二换热器(16)的高温气体入口，第二换热器(16)的高温气体出口接凝汽器(12)的入口；风机(17)的空气入口通入空气，风机(17)的出口接混合器(18)的第一入口；第二分离器(13)的第一出口接混合器(18)的第二入口，第二分离器(13)的第二出口接压缩液化装置(19)的入口，压缩液化装置(19)的出口输出液态CO2；混合器(18)的出口接第三换热器(20)的低温气体入口，第三换热器(20)的低温气体出口接第二换热器(16)的低温气体入口，第二换热器(16)的低温气体出口接高温燃料电池(15)的阴极入口，高温燃料电池(15)的阴极出口接第一换热器(14)的高温气体入口，第一换热器(14)的高温气体出口接第三换热器(20)的高温气体入口，第三换热器(20)的高温气体出口对外排除废气；高温燃料电池(15)内发生电化学反应产生直流电，直流电输入到DC/AC转换器(21)，DC/AC转换器(21)对外输出交流电；
所述空分装置(1)通过深冷法将空气中的氧气和氮气进行分离，氧气被输送至气化炉(4)中；所述煤粉输送装置(2)采用N2作为输送气体，通过升压锁斗将煤粉输送到气化炉(4)中。
2.根据权利要求1所述的CO2近零排放的整体煤气化燃料电池发电系统，其特征在于：所述气化炉(4)内反应生成合成气，合成气主要成为是H2、H2O、CO、CO2、CH4、N2、H2S和COS。
3.根据权利要求1所述的CO2近零排放的整体煤气化燃料电池发电系统，其特征在于：所述余热回收装置(6)通过废热锅炉回收合成气中的热量，并制取蒸汽。
4.根据权利要求1所述的CO2近零排放的整体煤气化燃料电池发电系统，其特征在于：所述除尘装置(7)采用陶瓷过滤器，脱除合成气中的颗粒物，使得矿尘含量小于10mg/Nm3。
5.根据权利要求1所述的CO2近零排放的整体煤气化燃料电池发电系统，其特征在于：所述脱硫装置(8)采用低温甲醇洗法或NHD法，使得出口处H2S和COS含量小于1ppm。
6.根据权利要求1所述的CO2近零排放的整体煤气化燃料电池发电系统，其特征在于：所述CO2提纯装置(10)，采用变压吸附法、MDEA法、低温甲醇洗法或者深冷法，分离合成气中的CO2，CO2的浓度高于99％，分离合成气中的H2、CO和CH4，剩余气体作为废气排除系统，废气中的主要成分为N2。
7.根据权利要求1所述的CO2近零排放的整体煤气化燃料电池发电系统，其特征在于：所述燃料加湿器(11)采用蒸汽混合法，将余热回收装置(6)产生的部分蒸汽与H2、CO和CH4进行混合，提高燃料其中H2O的含量，使得H2O的摩尔含量>10％。
8.根据权利要求1所述的CO2近零排放的整体煤气化燃料电池发电系统，其特征在于：所述高温燃料电池(15)由阳极、阴极和电解质隔膜组成，阴极和阳极分别在电解质隔膜两侧，燃料和氧化剂分别通入到阳极和阴极腔室中，并发生电化学反应，产生电能和热量，电池工作温度在650℃，电池的规模通过多个电池堆串并联放大。
9.权利要求1至8任一项所述的CO2近零排放的整体煤气化燃料电池发电系统的发电方法，其特征在于：煤、蒸汽、氧气和氮气通入气化炉(4)产生合成气，合成气的温度为1200℃，组分为CO＝67％，H2＝25％，CO2＝7％，其余组分为N2、H2S、COS、CH4杂质气；合成气首先经过余热回收装置(6)换热，温度降低至200℃以下，然后通入除尘装置(7)，使得颗粒物成分低于10mg/Nm3；接着通入到脱硫装置(8)中，使得H2S和COS浓度低于1ppm；再通入射流器(9)中；CO2提纯装置(10)通过深冷法将CO2的浓度提高到99％以上，N2的浓度提高到95％以上，其余的气体作为H2、CO和CH4燃料气；高浓度CO2气体经过第二分离器(13)分成两股气体，80％的CO2气体通入到压缩液化装置(19)成为液态CO2，另外20％的CO2通入到混合器(18)中；H2、CO和CH4燃料气经过燃料加湿器(11)，使得气体中H2O摩尔含量>10％，然后经过第一换热器(14)使得燃料气温度升至500℃然后通入到高温燃料电池(15)的阳极，发生电化学反应H2+CO3 2-＝H2O+CO2+e2-，CO+CO3 2-＝2CO2+e2-，以及化学反应CO+H2O＝CO2+H2，CH4+H2O＝CO+3H2，阳极出口的气体H2、CO、H2O和CO2通入到第二换热器(16)中，然后经过凝汽器(12)脱除其中的水分，剩余的气体H2、CO和CO2通过射流器(9)中；与此同时，空气通过风机(17)加压至0.2MPa，然后进入混合器(18)中，接着经过第三换热器(20)和第二换热器(16)提高空气的温度至600℃以上，然后通入高温燃料电池(15)阴极腔室，在阴极处发生电化学反应O2+2CO2+4e-＝CO3 2-，燃料和氧化剂在高温燃料电池(15)内发生电化学反应并产生直流电，经过DC/AC转换器(21)转化为交流电。
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