CN108649246A

CN108649246A - 燃料水解气化发电装置及发电效率预测方法

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Publication number: CN108649246A
Application number: CN201810460720.4A
Authority: CN
Inventors: 张凯; 张艺萱; 李进
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-05-15
Filing date: 2018-05-15
Publication date: 2018-10-12

Abstract

本发明涉及一种发电装置及效率预测方法，属于新能源技术领域，具体是涉及一种燃料水解气化发电装置及发电效率预测方法。包括：重整器，用于接收燃料并将所述燃料重整为碳氢气体；电力转换装置，用于将所述碳氢气体的化学能转换为电能并将产生的废气送入换热器；换热器，与所述重整器相连，用于将从所述废气中分离出的热量送至所述重整器中以参与所述燃料的重整过程。因此，本发明具有如下优点：采用全新的能量转换模型及预测方法，能量转换效率高，转换效率预测准确,公式简单好用。

Description

燃料水解气化发电装置及发电效率预测方法

技术领域

本发明涉及一种发电装置及效率预测方法，属于新能源技术领域，具体是涉及一种燃料水解气化发电装置及发电效率预测方法。

背景技术

燃料电池(Fuel Cell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池，电就被奇妙地生产出来。它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。但是，它需要电极和电解质以及氧化还原反应才能发电。

按其工作温度的不同，把碱性燃料电池(AFC，工作温度为100℃)、固体高分子型质子膜燃料电池(PEMFC，也称为质子膜燃料电池，工作温度为100℃以内)和磷酸型燃料电池(PAFC，工作温度为200℃)称为低温燃料电池；把熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC，工作温度为650℃)和固体氧化型燃料电池(SOFC，工作温度为700-900℃)称为高温燃料电池。

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)是一种将化石燃料中的化学能直接转换为电能的电化学装置，其中没有燃烧过程和机械运动，从而使其具有高效率(最高可达85％)、零污染、无噪音等特点。

在固体氧化物燃料电池的阳极一侧持续通入燃料气，例如：氢气(H2)、甲烷(CH4)、城市煤气等，具有催化作用的阳极表面吸附燃料气体，并通过阳极的多孔结构扩散到阳极与电解质的界面。在阴极一侧持续通人氧气或空气，具有多孔结构的阴极表面吸附氧，由于阴极本身的催化作用，使得O2得到电子变为O2-，在化学势的作用下，O2-进入起电解质作用的固体氧离子导体，由于浓度梯度引起扩散，最终到达固体电解质与阳极的界面，与燃料气体发生反应，失去的电子通过外电路回到阴极。

传统发电系统一般都采用燃机，包括蒸气机、内燃机、蒸汽轮机、燃气轮机、斯特林发动机等等。计算这类发动机的能量转换效率要用到卡诺公式：

η_c＝1-T₂/T₁

例如：普通蒸汽轮机用227℃(500k)的高温水蒸气发电，排出127℃(400k)的低温水蒸气，可简化计算系统发电效率的上限为1-400/500＝20％。

超临界蒸汽轮机用427℃(700k)的高温水蒸气发电，排出127℃(400k)的低温水蒸气，则系统发电效率的上限为1-400/700＝43％。

超超临界蒸气轮机用627℃(800k)的超超高温水蒸气发电，排出127℃(400k)的低温水蒸气，则系统发电效率的上限为1-400/800＝50％。

卡诺公式对于发电系统的工程设计有重大的基础指导意义，它给出了系统发电效率的上限，指明了系统优化和改进的方向。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的能量转换效率低，能量转预测不准确的技术问题，提供了一种燃料水解气化发电装置及发电效率预测方法。该装置及方法采用全新的能量转换模型及预测方法，能量转换效率高，转换效率预测准确。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种燃料水解气化发电装置，包括：

重整器，用于接收燃料并将所述燃料重整为碳氢气体；

电力转换装置，用于将所述碳氢气体的化学能转换为电能并将产生的废气送入换热器；

换热器，与所述重整器相连，用于将从所述废气中分离出的热量送至所述重整器中以参与所述燃料的重整过程。

在本发明的至少一个实施例中，所述燃料包括：甲烷、丙烷、辛烷、正十八烷、甲醇、乙醇、淀粉、煤炭中的一种或多种。

在本发明的至少一个实施例中，所述电力转换装置为SOFC电堆和/或燃气轮机。

一种上述装置的发电效率预测方法，包括：

放大系数计算步骤，用于根据燃料和水的化学反应式计算出重整后的碳氢气热量与重整前的输入能量的比值，即放大系数L；

发电效率计算步骤，用于根据电力转换装置转换后的电能和输入能量计算发电效率η_m。

全系统效率计算步骤，用于根据所述放大系数L和所述发电效率η_m计算全系统效率η_s。

在本发明的至少一个实施例中，所述全系统效率计算步骤基于下式计算系统效率η_s：

η_s＝L*η_m。

因此，本发明具有如下优点：采用全新的能量转换模型及预测方法，能量转换效率高，转换效率预测准确。

附图说明

附图1-2是传统发电方式的原理图；

附图3-4是本发明甲烷燃烧的工作流程图；

附图5-6是发明采用碳燃烧的工作流程图；

附图7-12是本发明采用丙烷、辛烷、正十八烷、甲醇、乙醇、淀粉燃烧的工作流程图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

SOFC(固体氧化物燃料电池)发电是一种不同于卡诺循环的全新的发电方式，在固体氧化物电解质的作用下，燃料(一般是一氧化碳和氢气)的化学能直接转换为电能，同时放出热能。由于SOFC的工作温度高达700-900℃，其排出的高温废热易于利用，可以用于燃料的预热和水解反应,甚至可以直接生产超临界水蒸汽。目前华工科技大学燃料电池研究中心的李箭教授团队已经研制出5KW级的SOFC电堆，用CO和H₂的混合气体发电时，其能量转换效率已经达到46％以上。

理论上所有碳氢化合物都可以水解为CO和H₂，供SOFC电堆直接发电。最容易水解的燃料是甲烷。以下我们用甲烷水解的理想模型来研究SOFC发电全系统效率的科学规律。

全系统能量变换可以简单表述为图3所示的模型。图中系统输入的燃料为1mol甲烷，其初始化学能为890.31KJ(25℃)。当甲烷和水蒸气混合通过重整器时，会发生化学反应：

CH₄+H₂O＝CO+3H₂

按1mol甲烷和1mol水完全反应测算，则等式左侧的燃烧热为890.31KJ，等式右侧燃烧热为283+285.8*3＝1140.4KJ

两侧燃烧热之比1140.4:890.3＝1.281:1

也就是说通过重整器吸热化学反应后，燃料的化学能增加了28.1％。输入890.31KJ化学能和250.1KJ热能，输出为1140.4KJ化学能。

设定电堆模块(module)的发电效率η_m＝50％,则1140.4KJ化学能中有570.2KJ转换成电能，另外570.2KJ转换成热能。这些热能中的250.1KJ会反馈到重整器作为吸热反应的输入能量。

此时全系统(system)的发电效率η_s＝570.2/890.31＝64.05％

此例中，η_s＝1.281*η_m

甲烷的水解还有另一种化学反应：

CH₄+2H₂O＝CO₂+4H₂

这时的系统效率模型见图4，此例中，η_s＝571.6/890.31＝64.2％

η_s＝1.284*η_m

比较图3和图4，发现计算出来的全系统效率差别不大。图4的化学反应需要更多的水蒸气，可以利用水的潜热在低温区吸收更多的废热，更便于换热效率的提升。取图2的结果为甲烷的标准模型：

理想情况下，对于SOFC发电系统，其全系统发电效率η_s和电堆模块发电效率η_m两者之间的关系满足等式：

η_s＝L*η_m式1

当SOFC的燃料为甲烷时，系数L为1.284。用该模型计算常见烷烃、烯烃、芳香烃的放大系数都在1.28至1.40之间。甲醇为1.18。乙醇为1.255。所有碳水化合物的放大系数为1.195。

本实施例预测方法在煤炭发电中的应用

当前全球发电最常用的燃料是煤炭，我们来研究煤炭的本实施例放大系数，用超临界水蒸煤炭，主要化学反应是两种：

C+H₂O＝CO+H₂C+2H₂O＝CO₂+2H₂

两种反应的化学能差异小于0.5％，可以忽略差异。用后一种反应来构建本实施例算法模型，全系统效率模型见图5。η_s＝285.8/393.5＝72.63％

用碳水解做燃料时，η_S＝1.453*η_m本实施例放大系数L＝1.453

本实施例公式和本实施例放大系数揭示了SOFC提升能源利用效率的独特规律。由于本实施例放大系数的存在，同样一片效率为50％的燃料电池，使用的原始燃料由天然气改为煤炭时，系统效率将由64.05％提升到72.63％。

如果能将电池单片的效率每提升1％，则甲烷全系统效率会提升1.268％；煤炭全系统效率会提升1.453％。

当然，全系统效率不可能突破100％，除非重整器从外界吸取额外的高温热能转化为化学能继而转化为电能。

本实施例算法模型及公式对燃气轮机发电系统优化的应用

传统发电设备中大部分燃机的尾气温度较低，难于通过自然热传导为重整器提供充足的热能。燃气轮机的尾气温度较高，虽然低于SOFC的900℃，但也可以达到500-600℃，可以用来制取超临界水蒸汽。如果用燃气轮机替代SOFC电堆，套用本实施例算法模型，形成图6

此例中全系统的发电效率为51.36％，比燃气轮机组的40％有大幅提高。

目前SOFC还处于实验研究阶段，尚未实现大规模工业量产。但作为一项具有极高能量转换效率的新能源技术，值得引起行业同仁的关注。

本实施例算法模型和本实施例公式类似于卡诺循环模型，精确计算出了SOFC发电系统的最高发电效率，为SOFC发电系统的设计和优化指明了方向。

展望未来，SOFC技术一旦与有机物和煤炭水解技术联机，理论上可以将煤炭发电的效率从约30-40％提升至70％以上，同时大幅降低粉尘、硫化物等污染物排放。电煤效率有可能提升约一倍，电煤消耗有可能下降约一半。

如果该系统用于船舶或车辆，将使我国乃至全球燃油消耗降低大约一半，同时大幅降低污染物排放。这将为缓解我国乃至全人类的能源短缺问题做出巨大贡献。

下面继续以不同燃料为例，来说明不同燃料在本发明实施例中的应用。

丙烷

全系统能量转换可以表述为图7所示的本实施例能量转换模型。

图7中系统输入的燃料为1mol丙烷，其初始化学能为2217KJ。当丙烷和水蒸气混合通过重整器时，会发生吸热化学反应，其主要反应方式为：

C₃H₈+6H₂O＝3CO₂+10H₂

按1mol丙烷和6mol水完全反应测算，则等式左侧的燃烧热为2217KJ，等式右侧燃烧热为285.8*10＝2858KJ

两侧燃烧热之比2858:2217＝1.289:1

也就是说通过重整器吸热发生完全化学反应后，燃料的化学能增加了28.9％。输入2217KJ化学能和641KJ热能，输出为2858KJ化学能。

设电堆模块(module)的发电效率η_m＝50％,则输入电堆的2858KJ化学能中有1429KJ转换成电能，另外1429KJ转换成热能。这些热能中的641KJ会反馈到重整器作为吸热反应的输入能量。

此时全系统(system)的发电效率η_s＝1429/2217＝64.46％

当SOFC用丙烷水解作燃料时，ZK效率公式为：η_s＝1.289*η_m

放大系数L为1.289

辛烷(汽油)

汽油的主要成份是含碳原子5个到12个的烷烃。可以用含8个碳原子的辛烷来模拟测算汽油的燃料特性。

全系统能量转换可以表述为图8所示的本实施例能量转换模型。

图8中系统输入的燃料为1mol辛烷，其初始化学能为5445KJ。当辛烷和水蒸气混合通过重整器时，会发生吸热化学反应，其主要反应方式为：

C₈H₁₈+16H₂O＝8CO₂+25H₂

按1mol辛烷和16mol水完全反应测算，则等式左侧的燃烧热为5445KJ，等式右侧燃烧热为285.8*25＝7145KJ

两侧燃烧热之比7145:5445＝1.312:1

也就是说通过重整器吸热发生完全化学反应后，燃料的化学能增加了31.2％。输入5445KJ化学能和1700KJ热能，输出为7145KJ化学能。

设电堆模块(module)的发电效率η_m＝50％,则输入电堆的7145KJ化学能中有3573KJ转换成电能，另外3573KJ转换成热能。这些热能中的1700KJ会反馈到重整器作为吸热反应的输入能量。

此时全系统(system)的发电效率η_s＝3573/5445＝65.61％

当SOFC用辛烷(汽油)水解作燃料时，ZK效率公式为：η_s＝1.312*η_m

放大系数L为1.312

正十八烷(柴油)

柴油的主要成份是含碳原子10个到22个的烷烃。可以用含18个碳原子的正十八烷来模拟测算柴油的燃料特性。

全系统能量转换可以表述为图9所示的本实施例能量转换模型。

图9中系统输入的燃料为1mol正十八烷，其初始化学能为5445KJ。当正十八烷和水蒸气混合通过重整器时，会发生吸热化学反应，其主要反应方式为：

C₁₈H₃₈+36H₂O＝18CO₂+55H₂

按1mol正十八烷和36mol水完全反应测算，则等式左侧的燃烧热为12099KJ，等式右侧燃烧热为285.8*55＝15719KJ

两侧燃烧热之比15719:12099＝1.299:1

也就是说通过重整器吸热发生完全化学反应后，燃料的化学能增加了29.9％。输入12099KJ化学能和3620KJ热能，输出为15719KJ化学能。

设电堆模块(module)的发电效率η_m＝50％,则输入电堆的15719KJ化学能中有7860KJ转换成电能，另外7860KJ转换成热能。这些热能中的3620KJ会反馈到重整器作为吸热反应的输入能量。

此时全系统(system)的发电效率η_S＝7860/12099＝64.96％

当SOFC用正十八烷(柴油)水解作燃料时，ZK效率公式为：η_S＝1.299*η_m

放大系数L为1.299

甲醇

甲醇一般由煤炭廉价制取，比柴油便宜，适合作SOFC的燃料。

全系统能量转换可以表述为图10所示的本实施例能量转换模型。

图10中系统输入的燃料为1mol甲醇，其初始化学能为726.6KJ。当甲醇和水蒸气混合通过重整器时，会发生吸热化学反应，其主要反应方式为：

CH₃OH+H₂O＝CO₂+3H₂

按1mol甲醇和1mol水完全反应测算，则等式左侧的燃烧热为726.6KJ，等式右侧燃烧热为285.8*3＝857.4KJ

两侧燃烧热之比857.4:726.6＝1.180:1

也就是说通过重整器吸热发生完全化学反应后，燃料的化学能增加了18.0％。输入726.6KJ化学能和130.9KJ热能，输出为857.4KJ化学能。

设电堆模块(module)的发电效率η_m＝50％,则输入电堆的857.4KJ化学能中有7428.7KJ转换成电能，另外428.7KJ转换成热能。这些热能中的130.9KJ会反馈到重整器作为吸热反应的输入能量。

此时全系统(system)的发电效率η_s＝428.7/726.6＝59.00％

当SOFC用甲醇水解作燃料时，ZK效率公式为：η_s＝1.180*η_m

放大系数L为1.180

乙醇

乙醇一般由陈化粮廉价制取，适合作SOFC的燃料。

全系统能量转换可以表述为图11所示的本实施例能量转换模型。

图11中系统输入的燃料为1mol乙醇，其初始化学能为1366.8KJ。当乙醇和水蒸气混合通过重整器时，会发生吸热化学反应，其主要反应方式为：

C₂H₅OH+3H₂O＝2CO₂+6H₂

按1mol乙醇和3mol水完全反应测算，则等式左侧的燃烧热为1366.8KJ，等式右侧燃烧热为285.8*6＝1714.8KJ

两侧燃烧热之比1714.8:1366.8＝1.255:1

也就是说通过重整器吸热发生完全化学反应后，燃料的化学能增加了25.5％。输入1366.8KJ化学能和348KJ热能，输出为1714.8KJ化学能。

设电堆模块(module)的发电效率η_m＝50％,则输入电堆的1714.8KJ化学能中有857.4KJ转换成电能，另外857.4KJ转换成热能。这些热能中的348KJ会反馈到重整器作为吸热反应的输入能量。

此时全系统(system)的发电效率η_s＝857.4/1366.8＝62.73％

当SOFC用乙醇水解作燃料时，ZK效率公式为：η_s＝1.255*η_m

放大系数L为1.255。

淀粉

淀粉一般由陈化粮廉价制取，适合作SOFC的燃料。用葡萄糖模拟淀粉的燃烧特性。

全系统能量转换可以表述为图12所示的本实施例能量转换模型。

图12中系统输入的燃料为1mol葡萄糖，其初始化学能为2870KJ。当葡萄糖和水蒸气混合通过重整器时，会发生吸热化学反应，其主要反应方式为：

C₆H₁₂O₆+6H₂O＝6CO₂+12H₂

按1mol葡萄糖和6mol水完全反应测算，则等式左侧的燃烧热为2870KJ，等式右侧燃烧热为285.8*12＝3429.6KJ

两侧燃烧热之比3429.6:2870＝1.195:1

也就是说通过重整器吸热发生完全化学反应后，燃料的化学能增加了19.5％。输入2870KJ化学能和559.6KJ热能，输出为3429.6KJ化学能。

设电堆模块(module)的发电效率η_m＝50％,则输入电堆的3429.6KJ化学能中有1714.8KJ转换成电能，另外1714.8KJ转换成热能。这些热能中的559.6KJ会反馈到重整器作为吸热反应的输入能量。

此时全系统(system)的发电效率η_s＝1714.8/2870＝59.75％

当SOFC用乙醇水解作燃料时，ZK效率公式为：η_s＝1.195*η_m

放大系数L为1.195

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims

1.一种燃料水解气化发电装置，其特征在于，包括：

重整器，用于接收燃料并将所述燃料重整为碳氢气体；

2.根据权利要求1所述的一种燃料水解气化发电装置，其特征在于，所述燃料包括：甲烷、丙烷、辛烷、正十八烷、甲醇、乙醇、淀粉、煤炭中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的一种燃料水解气化发电装置，其特征在于，所述电力转换装置为SOFC电堆和/或燃气轮机。

4.一种发电效率预测方法，其特征在于，包括：

5.根据权利要求4所述的发电效率预测方法，其特征在于，所述全系统效率计算步骤基于下式计算系统效率η_s：

η_s＝L*η_m。