CN108428919B - 一种基于直接碳燃料电池的混合发电系统及方法 - Google Patents

一种基于直接碳燃料电池的混合发电系统及方法 Download PDF

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Abstract

一种基于直接碳燃料电池的混合发电系统及方法，该系统包括粉碎装置、送料装置、气固分离器、风机、直接碳燃料电池、两个换热器、催化燃烧器、透平、压气机和发电机；本发明还公开了该系统的发电方法；可直接利用煤炭或生物质等固体碳基燃料，实现高效清洁发电；实现了直接碳燃料电池与透平机械的耦合发电，能够提高系统的发电效率达到60％以上。

Description

一种基于直接碳燃料电池的混合发电系统及方法
技术领域
本发明属于发电技术领域，尤其涉及一种基于直接碳燃料电池的混合发电系统及方法。
背景技术
随着国民经济的迅速增长，对能源的需求日益旺盛，能源短缺以及化石能源所产生的环境污染问题日益尖锐。我国是一个煤炭大国，煤炭是我国最主要的一次能源，煤炭的基础地位在很长一段时间内不会发生改变，煤基发电也将是我国电力供给的主要组成部分。清洁、高效、绿色、低碳是煤电一直以来的发展方向。
直接碳燃料电池是一种直接将煤炭、生物质等固体含碳燃料的化学能通过电化学反应直接转化为电能的发电技术，因无热力学循环从而超越了热机的卡诺循环效率限制，发电效率可以达到50％～60％，热电转化效率可达85％～90％。而且由于工作温度在600℃-1000℃，且空气与燃料被分隔开来，从而能够大大降低NOx、SOx等污染物的排放，而且燃料腔室能够输出高浓度的CO2从而能够大大降低CO2捕集的成本。正因为清洁、高效、低碳的突出优势，直接碳燃料电池成为当前研发的热电，在未来煤基分布式发电领域具有广阔的应用前景。
目前，国际上正在开发的直接碳燃料电池，根据电解质的不同可以主要有以下两类：熔融碳酸盐直接碳燃料电池(Molten Carbonate Direct Carbon Fuel Cell,MC-DCFC)以及固体氧化物直接燃料电池(Solid Oxide Direct Carbon Fuel Cell,SO-DCFC)。由于直接碳燃料电池具有高品质的尾气余热，熔融碳酸盐直接碳燃料电池和固体氧化物直接碳燃料电池均可构建热电联产系统，并且具有负荷响应快的特点，能够工作在以热定电和以电定热两种工作模式下。而为了能够充分利用高温燃料电池的高品质余热，通过与燃气轮机技术相结合，进一步提高直接碳燃料电池系统的发电效率，提高煤基发电效率。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种基于直接碳燃料电池的混合发电系统及方法，可直接利用煤炭或生物质等固体碳基燃料，实现高效清洁发电；实现了直接碳燃料电池与透平机械的耦合发电，能够提高系统的发电效率达到60％以上。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于直接碳燃料电池的混合发电系统，包括粉碎装置1，粉碎装置1的入口连接煤炭或生物质，粉碎装置1的出口连接送料装置2的第一燃料入口；送料装置2的第二燃料入口连接气固分离器5的碳燃料出口，送料装置2的气体入口连接风机4的气体出口，送料装置2的出口连接直接碳燃料电池3的阳极入口；直接碳燃料电池3的阳极出口连接气固分离器5的入口；气固分离器5的气体出口连接第一换热器6的高温气体入口；第一换热器6的高温气体出口连接分离器7的入口；分离器7的第一出口连接风机4的入口，分离器7的第二出口连接催化燃烧器8的燃料入口；空气通入压气机10的入口，压气机10的出口连接第一换热器6的低温气体入口，第一换热器6的低温气体出口连接第二换热器9的低温气体入口，第二换热器9的低温气体出口连接透平11的入口，透平11的出口连接催化燃烧器8的空气入口；催化燃烧器8的出口连接直接碳燃料电池3的阴极入口，直接碳燃料电池3的阴极出口连接第二换热器9的高温气体入口，第二换热器9的高温气体出口对外排出废气；直接碳燃料电池3输出电能连接DC/AC转换器12，DC/AC转换器12对外输出交流电能；透平11连接发电机13，带动发电机13转动，发电机13对外输出交流电能。
所述粉碎装置1采用磨煤机或者生物质粉碎造粒机，将煤炭或者生物质制成粉末颗粒物。
所述送料装置2采用气体送料装置，通过气体将煤粉或者生物质粉末送入到直接碳燃料电池3的阳极。
所述直接碳燃料电池3由阴极腔室、阴极、阳极腔室、阳极和电解质组成；采用熔融碳酸盐直接碳燃料电池MC-DCFC发电技术或固体氧化物直接碳燃料电池SO-DCFC发电技术，MC-DCFC和SO-DCFC以煤炭或生物质作为燃料，以空气作为氧化剂进行电化学发电，发电效率达60％以上。
所述气固分离器5采用旋风分离的方法，将气体与固体进行分离，分离率达到99％以上。
所述催化燃烧器8通过催化剂使得气体中的CO与O2发生化学反应生成CO2并释放热量。
所述压气机10、透平11和发电机13，被安装到同一根轴上，透平11在高压高温气体的冲击下转动带动压气机10和发电机13转动，压气机11增加使得空气的压力由常压增大至1Mpa以上，发电机13则产生电能。
所述混合系统的发电方法，煤炭或生物质通过粉碎装置1被磨成煤粉颗粒，通过送料装置2输送到直接碳燃料电池3的阳极；在直接碳燃料电池阳极，发生电化学反应，生成阳极尾气；阳极尾气进入气固分离器5，其中的固体碳燃料与气体进行分离，固体碳燃料返回送料装置2；气体进入换热器6换热降温至300℃以下，然后经过分离器7，20％摩尔百分比的气体被送入到风机4中增压到0.2MPa，80％摩尔百分比的气体被送入到催化燃烧器8中；经过风机4增加的气体送入到送料装置2中；
与此同时，空气通过压气机10增压至5Mpa，接着经过第一换热器6、第二换热器9提高空气的温度，然后空气通过透平11做功而降温降压，并进一步通入到催化燃烧器8中与未反应的气体发生化学反应放出热量，提高气体温度，然后通入到直接碳燃料电池3的阴极腔室；碳燃料和氧化剂在直接碳燃料电池3内发生电化学反应，产生直流电，经过DC/AC转换器12转化为交流电；透平11带动发电机13转动，发电机13对外输出交流电。
本发明所提出的基于直接碳燃料电池的混合系统具有以下优点：
(1)可直接利用煤炭或生物质等固体碳基燃料，实现高效清洁发电。
(2)实现了直接碳燃料电池与透平机械的耦合发电，能够提高系统的发电效率达到60％以上。
附图说明
图1是本发明一种基于直接碳燃料电池的混合发电系统的示意图。
1-粉碎装置，2-送料装置，3-直接碳燃料电池，4-风机，5-气固分离器，6-第一换热器；7-分离器，8-催化燃烧器，9-第二换热器，10-压气机，11-透平，12-DC/AC转换器，13-发电机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
实施案例1
煤炭通过粉碎装置1被磨成粒径小于100μm的煤粉颗粒，通过送料装置2输送到熔融碳酸盐直接碳燃料电池3的阳极。在熔融碳酸盐直接碳燃料电池阳极，工作温度为650℃，发生电化学反应C+2CO3 2-＝3CO2+4e-，C+CO2＝2CO，CO+CO3 2-＝2CO2+2e-，生成组分为C、CO和CO2的阳极尾气，气体(CO和CO2)中CO2比例达到80％(摩尔百分比)以上，温度为700℃。阳极尾气进入气固分离器5，其中的固体碳燃料与气体(CO和CO2)进行分离，固体碳燃料返回送料装置2。气体(CO和CO2)进入第一换热器6换热降温至300℃以下，然后经过分离器7，20％(摩尔百分比)的气体被送入到风机4中增压到0.2MPa，80％(摩尔百分比)的气体被送入到催化燃烧器8中。经过风机4增加的气体送入到送料装置2中。
与此同时，空气通过压气机10增压至5Mpa，接着经过第一换热器6、第二换热器9提高空气的温度至700℃以上，然后空气通过透平11做功而降温降压，并进一步通入到催化燃烧器8中与气体(CO和CO2)中未反应的CO发生化学反应放出热量，2CO+O2＝2CO2，提高气体温度至550℃以上，然后通入到熔融碳酸盐直接碳燃料电池3的阴极腔室。碳燃料和氧化剂在熔融碳酸盐直接碳燃料电池3内发生电化学反应，产生直流电，经过DC/AC转换器12转化为交流电。透平11带动发电机13转动，发电机13对外输出交流电。
实施案例2
生物质通过粉碎装置1被磨成粒径小于200μm的煤粉颗粒，通过送料装置2输送到固体氧化物直接碳燃料电池3的阳极。在固体氧化物直接碳燃料电池阳极，工作温度为800℃，发生电化学反应C+2O2-＝CO2+4e-，C+CO2＝2CO，CO+O2-＝2CO2+2e-，CO+H2O＝H2+CO2，生成组分为C、CO、H2、H2O和CO2的阳极尾气，气体(H2、CO、H2O和CO2)中CO2比例达到70％(摩尔百分比)以上，温度为900℃。阳极尾气进入气固分离器5，其中的固体碳燃料与气体(H2、CO、H2O和CO2)进行分离，固体碳燃料返回送料装置2。气体(H2、CO、H2O和CO2)进入第一换热器6换热降温至300℃以下，然后经过分离器7，20％(摩尔百分比)的气体被送入到风机4中增压到0.2MPa，80％(摩尔百分比)的气体被送入到催化燃烧器8中。经过风机4增加的气体送入到送料装置2中。
与此同时，空气通过压气机10增压至5Mpa，接着经过第一换热器6、第二换热器9提高空气的温度至850℃以上，然后空气通过透平11做功而降温降压，并进一步通入到催化燃烧器8中与气体(H2、CO、H2O和CO2)中未反应的H2和CO发生化学反应放出热量，2H2+O2＝2H2O，2CO+O2＝2CO2，提高气体温度至650℃以上，然后通入到固体氧化物直接碳燃料电池3的阴极腔室。碳燃料和氧化剂在固体氧化物直接碳燃料电池3内发生电化学反应，产生直流电，经过DC/AC转换器12转化为交流电。透平11带动发电机13转动，发电机13对外输出交流电。

Claims (6)

1.一种基于直接碳燃料电池的混合发电系统，其特征在于：包括粉碎装置(1)，粉碎装置(1)的入口连接煤炭或生物质，粉碎装置(1)的出口连接送料装置(2)的第一燃料入口；送料装置(2)的第二燃料入口连接气固分离器(5)的碳燃料出口，送料装置(2)的气体入口连接风机(4)的气体出口，送料装置(2)的出口连接直接碳燃料电池(3)的阳极入口；直接碳燃料电池(3)的阳极出口连接气固分离器(5)的入口；气固分离器(5)的气体出口连接第一换热器(6)的高温气体入口；第一换热器(6)的高温气体出口连接分离器(7)的入口；分离器(7)的第一出口连接风机(4)的入口，分离器(7)的第二出口连接催化燃烧器(8)的燃料入口；空气通入压气机(10)的入口，压气机(10)的出口连接第一换热器(6)的低温气体入口，第一换热器(6)的低温气体出口连接第二换热器(9)的低温气体入口，第二换热器(9)的低温气体出口连接透平(11)的入口，透平(11)的出口连接催化燃烧器(8)的空气入口；催化燃烧器(8)的出口连接直接碳燃料电池(3)的阴极入口，直接碳燃料电池(3)的阴极出口连接第二换热器(9)的高温气体入口，第二换热器(9)的高温气体出口对外排出废气；直接碳燃料电池(3)输出电能连接DC/AC转换器(12)，DC/AC转换器(12)对外输出交流电能；透平(11)连接发电机(13)，带动发电机(13)转动，发电机(13)对外输出交流电能；
所述粉碎装置(1)采用磨煤机或者生物质粉碎造粒机，将煤炭或者生物质制成粉末颗粒物；
所述送料装置(2)采用气体送料装置，通过气体将煤粉或者生物质粉末送入到直接碳燃料电池(3)的阳极。
2.根据权利要求1所述的一种基于直接碳燃料电池的混合发电系统，其特征在于：所述直接碳燃料电池(3)由阴极腔室、阴极、阳极腔室、阳极和电解质组成；采用熔融碳酸盐直接碳燃料电池MC-DCFC发电技术或固体氧化物直接碳燃料电池SO-DCFC发电技术，MC-DCFC和SO-DCFC以煤炭或生物质作为燃料，以空气作为氧化剂进行电化学发电，发电效率达60％以上。
3.根据权利要求1所述的一种基于直接碳燃料电池的混合发电系统，其特征在于：所述气固分离器(5)采用旋风分离的方法，将气体与固体进行分离，分离率达到99％以上。
4.根据权利要求1所述的一种基于直接碳燃料电池的混合发电系统，其特征在于：所述催化燃烧器(8)通过催化剂使得气体中的CO与O2发生化学反应生成CO2并释放热量。
5.根据权利要求1所述的一种基于直接碳燃料电池的混合发电系统，其特征在于：所述压气机(10)、透平(11)和发电机(13)，被安装到同一根轴上，透平(11)在高压高温气体的冲击下转动带动压气机(10)和发电机(13)转动，压气机(10)增压使得空气的压力由常压增大至1Mpa以上，发电机(13)则产生电能。
6.权利要求1至5任一项所述的一种基于直接碳燃料电池的混合发电系统的发电方法，其特征在于：煤炭或生物质通过粉碎装置(1)被磨成煤粉颗粒，通过送料装置(2)输送到直接碳燃料电池(3)的阳极；在直接碳燃料电池阳极，发生电化学反应，生成阳极尾气；阳极尾气进入气固分离器(5)，其中的固体碳燃料与气体进行分离，固体碳燃料返回送料装置(2)；气体进入第一换热器(6)换热降温至300℃以下，然后经过分离器(7)，20％摩尔百分比的气体被送入到风机(4)中增压到0.2MPa，80％摩尔百分比的气体被送入到催化燃烧器(8)中；经过风机(4)增压的气体送入到送料装置(2)中；
与此同时，空气通过压气机(10)增压至5Mpa，接着经过第一换热器(6)、第二换热器(9)提高空气的温度，然后空气通过透平(11)做功而降温降压，并进一步通入到催化燃烧器(8)中与未反应的气体发生化学反应放出热量，提高气体温度，然后通入到直接碳燃料电池(3)的阴极腔室；碳燃料和氧化剂在直接碳燃料电池(3)内发生电化学反应，产生直流电，经过DC/AC转换器(12)转化为交流电；透平(11)带动发电机(13)转动，发电机(13)对外输出交流电。
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