CN109301283B - 一种带co2捕集的整体煤气化燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种带CO2捕集的整体煤气化燃料电池发电系统，利用气化炉将煤粉、氧气、二氧化碳和蒸汽生成合成气，之后利用除尘装置、水汽变换装置、脱硫装置进行除尘提纯，得到含有H2、CO和CH4的合成气，再利用燃料加湿器提高合成气中水的含量，之后利用第一换热器提高合成气的温度，之后将该合成气输入高温燃料电池的阳极作为燃料使用，同时，将空分装置和纯氧燃烧器中的氧气通入高温燃料电池的阴极，燃料和氧化剂进行电化学反应产生直流电并输出；本发明通过采用氧气作为燃料电池阴极的氧化剂，提高了燃料电池堆的性能，降低了燃烧后捕集CO2的能耗，发电效率可以达到50％以上，从而能够实现煤炭资源的清洁高效低碳利用。

Description

一种带CO2捕集的整体煤气化燃料电池系统
技术领域
本发明属于发电技术领域，尤其涉及一种带CO2捕集的整体煤气化燃料电池系统。
背景技术
煤炭是我国最重要的一次能源，煤炭在我国能源结构中的基础地位在相当长时期内不会改变。近年来，随着我国能源形势日益严峻及环保压力持续加大，对降低二氧化碳排放、清洁高效利用煤炭资源的需求越来越迫切，煤炭清洁高效利用技术创新是我国《能源技术革命创新行动计划（2016-2030）》的重要内容。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。
高温燃料电池包括：熔融碳酸盐燃料电池（Molten Carbonate Fuel Cell, 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。
发明内容
本发明的目的在于提供一种带CO2捕集的整体煤气化燃料电池发电系统，解决了现有的CO2捕集能耗高、效率低的问题。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明提供的一种带CO2捕集的整体煤气化燃料电池发电系统，包括空分装置、煤粉输送装置、气化炉、余热回收装置、除尘装置、水汽变换装置、脱硫装置、燃料加湿器、高温燃料电池、纯氧燃烧器、换热器、气液分离罐和CO2提纯装置，其中，空分装置的入口接入空气，空分装置上的第一氧气出口与气化炉的氧气入口连接；
煤粉输送装置上的CO2入口接入CO2，煤粉输送装置的煤粉入口通入煤粉，煤粉输送装置的出口与气化炉上的煤粉入口；
气化炉的合成气出口连接余热回收装置的合成气入口，余热回收装置上的第一蒸汽出口接气化炉的蒸汽入口；
余热回收装置的合成气出口依次接除尘装置、水汽变换装置、脱硫装置、燃料加湿器、换热器和高温燃料电池的阳极，高温燃料电池阳极的尾气与纯氧燃烧器的燃料入口连接，高温燃料电池对外输出电能；
纯氧燃烧器的气体出口接高温燃料电池的阴极入口，高温燃料电池的阴极出口接换热器的热流入口，换热器的热流出口通过气液分离罐接CO2提纯装置，CO2提纯装置的CO2出口接煤粉输送装置上的CO2入口；
余热回收装置上的第二蒸汽出口与燃料加湿器上的蒸汽入口连接；空分装置上的第二氧气出口通入高温燃料电池的阴极；空分装置上的第三氧气出口通入纯氧燃烧器中。
优选地，高温燃料电池由阳极、阴极、电解质隔膜组成，阴极和阳极布置在电解质隔膜的两侧。
优选地，CO2提纯装置采用变压吸附法或者MDEA法进行合成气的分离，其中，分离后的CO2出口通过分离器与空分装置连接，分离后的杂质气出口通过分离器与高温燃料电池的阴极连接。
优选地，纯氧燃烧器与高温燃料电池的阴极之间设置有第二混合器；空气与空分装置之间设置有第一混合器。
优选地，空分装置与气化炉之间设置有第一分离器。
优选地，余热回收装置的蒸汽出口设置有第二分离器；第二分离器上的第二蒸汽出口和燃料加湿器之间设置有第三分离器。
优选地，第一换热器与气液分离罐之间设置有第二换热器。
优选地，所述气液分离罐采用重力沉降法将气体和液体进行分离。
优选地，所述空分装置通过深冷法将空气中的氧气和氮气进行分离。
优选地，所述除尘装置采用陶瓷过滤器，脱除合成气中的颗粒物，其中，合成气中的矿尘含量小于10 mg/Nm3；所述水汽变换装置出口的气体中CO的浓度小于10%。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提高的一种带CO2捕集的整体煤气化燃料电池发电系统，利用气化炉将煤粉、氧气、二氧化碳和蒸汽生成合成气，之后利用除尘装置、水汽变换装置、脱硫装置进行除尘提纯，得到含有H2、CO和CH4的合成气，再利用燃料加湿器提高合成气中水的含量，之后利用第一换热器提高合成气的温度，之后将该合成气输入高温燃料电池的阳极作为燃料使用，同时，将空分装置和纯氧燃烧器中的氧气通入高温燃料电池的阴极，燃料和氧化剂进行电化学反应产生直流电并输出，同时，将阴极产生的尾气通过提纯装置进行提纯，提纯后的二氧化碳通过煤粉输送装置作为输送气体使用，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，同时通过采用氧气作为燃料电池阴极的氧化剂，提高了燃料电池堆的性能，降低了燃烧后捕集CO2的能耗，发电效率可以达到50%以上，并且可以实现热量的回收利用，综合效率可以达到80%以上，从而能够实现煤炭资源的清洁高效低碳利用。
附图说明
图1是本发明涉及的系统结构示意图；
其中，1、空分装置 2、第一分离器 3、煤粉输送装置 4、气化炉 5、第二分离器 6、余热回收装置 7、除尘装置 8、水汽变换装置 9、脱硫装置 10、燃料加热器 11、第三分离器12、第一换热器 13、高温燃料电池 14、纯氧燃烧器 15、第二混合器 16、第二换热器 17、气液分离罐 18、CO2提纯装置 19、第四分离器 20、第五分离器 21、第一混合器。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，本发明提供的一种带CO2捕集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的入口接混合器21的出口，空分装置1的氮气出口接氮气储存罐22的入口，空气装置1的氧气出口接分离器2的入口。分离器2的第一出口接气化炉4的氧气入口，分离器2的第二出口接混合器15的第一入口，分离器2的第三出口接纯氧燃烧器14的第一氧气入口。煤粉输送装置3的煤粉入口通入煤粉，煤粉输送装置3的CO2入口接分离器19的第二出口，煤粉输送装置3的出口接气化炉煤粉入口。气化炉4的蒸汽入口接分离器5的第一出口，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。分离器5的第二出口接分离器11的入口。除尘装置7的出口接水汽变换装置8的入口。水汽变换装置8的出口脱硫器9的入口。脱硫器9的出口接燃料加湿器10的第一入口。分离器11的第一蒸汽出口对外输出蒸汽，分离器11的第二蒸汽出口接燃料加湿器10的蒸汽入口。燃料加湿器10的出口接换热器12的冷流入口。换热器12的冷流出口接高温燃料电池13的阳极入口。高温燃料电池13的阳极出口接纯氧燃烧器14的燃料入口。纯氧燃烧器14的出口接混合器15的第二入口。混合器15的第三入口接分离器20的第一出口，混合器15的出口接高温燃料电池13的阴极入口，高温燃料电池的阴极出口接换热器12的热流入口，高温燃料电池对外输出电能。换热器12的热流出口接换热器16热流入口，换热器16的热流出口接气液分离罐17的入口。换热器16的冷流入口通入水，换热器16的冷流出口对外输出蒸汽。气液分离罐17的水出口对外排除水，气液分离罐17的气体出口接CO2提纯装置18的入口。CO2提纯装置18的CO2出口接分离器19的入口，CO2提纯装置18的杂质气出口接分离器20的入口。分离器19的第一出口对外输出高纯度CO2，纯度达到99%以上。分离器20的第一出口接混合器15的第三入口，分离器20的第二出口接混合器21的第二入口。混合器21的第一入口通入空气。
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。
所述煤粉输送装置3，采用CO2作为输送气体，通过升压锁斗将煤粉输送到气化炉中。
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。
所述水汽变换装置8，采用催化剂将合成气中的CO与H2O反应生成CO2和H2，使得出口气体中CO比例低于10%。
所述脱硫装置9采用低温甲醇洗法或NHD法，使得出口处H2S和COS总含量小于1ppm。
所述燃料加湿器10，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13，包括熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池两种，高温燃料电池13由阳极、阴极、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。
所述纯氧燃烧器14，高温燃料电池的阳极尾气中的H2和CO与O2发生燃烧反应生成H2O和CO2并释放热量。
所述气液分离罐17，采用重力沉降的方法将气体和液体进行分离。
所述CO2提纯装置18，采用变压吸附法或者MDEA法，分离合成气中的CO2，CO2的浓度高于99%，其余的杂质气（O2、N2、CO2、H2O）通入到分离器20中。
所述换热器12、换热器16，采用板式换热器将热流体的部分热量传递给冷流体。
所述分离器2、分离器5、分离器11，能够将一股气体分离成两股及以上同组分的气体。
所述混合器15、混合器21，将多股不同气体进行充分混合成为一股气体。
所述氮气储存罐22，通过加压将N2储存于罐中。
实施案例1
煤、蒸汽、氧气和CO2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等杂质气。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10 mg/Nm3；接着通入到水汽变换装置8，将气体中CO的浓度降低到10%以下；接着通入到脱硫装置9，使得H2S和COS浓度低于1 ppm；再通入燃料加湿器10中，同时余热回收装置6产生的部分蒸汽也通入到燃料加湿器中，使得合成气中H2O的含量大于10%。合成气经过换热器12升温到500℃以上，然后通入到熔融碳酸盐燃料电池13的阳极中，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，阳极出口的尾气（H2、CO、CH4、H2O、CO2、N2）通入纯氧燃烧器14中。向纯氧燃烧器14中通入氧气，阳极尾气在纯氧燃烧器中发生H2、CO和CH4的燃烧反应，完全转化为H2O和CO2。将纯氧燃烧器4的尾气、25%CO2提纯装置18的尾气以及部分氧气进行充分混合，保证氧气的含量大于21%，然后通入到熔融碳酸盐燃料电池13的阴极中，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13内发生电化学反应并产生直流电。熔融碳酸盐燃料电池13的阴极尾气通过换热器16降温至400℃以下，再通过换热器16降温至100℃以下，然后经过气液分离罐17将冷凝后的水进行分离。经过气液分离罐17后得到的富含高浓度CO2的气体进一步通过CO2提纯装置18采用PSA的方法将CO2的浓度提高到99%以上，其余的杂质气（O2/N2/CO2/H2O）经过分离器20将25%的气体输送回熔融碳酸盐燃料电池的阴极，其余75%的气体经过混合器21与空气进行混合后通入到空分装置1中。CO2提纯装置18输出的高温CO2一部分作为煤粉输送装置3的输送气，其余部分提供给外界。
实施案例2
煤、蒸汽、氧气和CO2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等杂质气。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10 mg/Nm3；接着通入到水汽变换装置8，将气体中CO的浓度降低到10%以下；接着通入到脱硫装置9，使得H2S和COS浓度低于1 ppm；再通入燃料加湿器10中，同时余热回收装置6产生的部分蒸汽也通入到燃料加湿器中，使得合成气中H2O的含量大于10%。合成气经过换热器12升温到600℃以上，然后通入到固体氧化物燃料电池13的阳极中，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，阳极出口的尾气（H2、CO、CH4、H2O、CO2、N2）通入纯氧燃烧器14中。向纯氧燃烧器14中通入氧气，阳极尾气在纯氧燃烧器中发生H2、CO和CH4的燃烧反应，完全转化为H2O和CO2。将纯氧燃烧器4的尾气、20%CO2提纯装置18的尾气以及部分氧气进行充分混合，保证氧气的含量大于21%，然后通入到固体氧化物燃料电池13的阴极中，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13内发生电化学反应并产生直流电。固体氧化物燃料电池13的阴极尾气通过换热器16降温至450℃以下，再通过换热器16降温至100℃以下，然后经过气液分离罐17将冷凝后的水进行分离。经过气液分离罐17后得到的富含高浓度CO2的气体进一步通过CO2提纯装置18采用MDEA的方法将CO2的浓度提高到99%以上，其余的杂质气（O2/N2/CO2/H2O）经过分离器20将20%的气体输送回熔融碳酸盐燃料电池的阴极，其余75%的气体经过混合器21与空气进行混合后通入到空分装置1中。CO2提纯装置18输出的高温CO2一部分作为煤粉输送装置3的输送气，其余部分提供给外界。

Claims (9)

1.一种带CO2捕集的整体煤气化燃料电池系统，其特征在于，包括空分装置（1）、煤粉输送装置（3）、气化炉（4）、余热回收装置（6）、除尘装置（7）、水汽变换装置（8）、脱硫装置（9）、燃料加湿器（10）、高温燃料电池（13）、纯氧燃烧器（14）、第一换热器（12）、气液分离罐（17）和CO2提纯装置（18），其中，空分装置（1）的入口接入空气，空分装置（1）上的第一氧气出口与气化炉（4）的氧气入口连接；
煤粉输送装置（3）上的CO2入口接入CO2，煤粉输送装置（3）的煤粉入口通入煤粉，煤粉输送装置（3）的出口与气化炉（4）上的煤粉入口；
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）上的第一蒸汽出口接气化炉（4）的蒸汽入口；
余热回收装置（6）的合成气出口依次接除尘装置（7）、水汽变换装置（8）、脱硫装置（9）、燃料加湿器（10）、第一换热器（12）和高温燃料电池（13）的阳极，高温燃料电池（13）阳极的尾气与纯氧燃烧器（14）的燃料入口连接，高温燃料电池（13）对外输出电能；
纯氧燃烧器（14）的气体出口接高温燃料电池（13）的阴极入口，高温燃料电池（13）的阴极出口接第一换热器（12）的热流入口，第一换热器（12）的热流出口通过气液分离罐（17）接CO2提纯装置（18），CO2提纯装置（18）的CO2出口接煤粉输送装置（3）上的CO2入口；
余热回收装置（6）上的第二蒸汽出口与燃料加湿器（10）上的蒸汽入口连接；空分装置（1）上的第二氧气出口通入高温燃料电池（13）的阴极；空分装置（1）上的第三氧气出口通入纯氧燃烧器（14）中；
CO2提纯装置（18）采用变压吸附法或者MDEA法进行合成气的分离，其中，分离后的CO2出口通过第四分离器（19）与空分装置（1）连接，分离后的杂质气出口通过第五分离器（20）与高温燃料电池（13）的阴极连接。
2.根据权利要求1所述的一种带CO2捕集的整体煤气化燃料电池系统，其特征在于，高温燃料电池（13）由阳极、阴极、电解质隔膜组成，阴极和阳极布置在电解质隔膜的两侧。
3.根据权利要求1所述的一种带CO2捕集的整体煤气化燃料电池系统，其特征在于，纯氧燃烧器（14）与高温燃料电池（13）的阴极之间设置有第二混合器（15）；空气与空分装置（1）之间设置有第一混合器（21）。
4.根据权利要求1所述的一种带CO2捕集的整体煤气化燃料电池系统，其特征在于，空分装置（1）与气化炉（4）之间设置有第一分离器（2）。
5.根据权利要求1所述的一种带CO2捕集的整体煤气化燃料电池系统，其特征在于，余热回收装置（6）的蒸汽出口设置有第二分离器（5）；第二分离器（5）上的第二蒸汽出口和燃料加湿器（10）之间设置有第三分离器（11）。
6.根据权利要求1所述的一种带CO2捕集的整体煤气化燃料电池系统，其特征在于，第一换热器（12）与气液分离罐（17）之间设置有第二换热器（16）。
7.根据权利要求1所述的一种带CO2捕集的整体煤气化燃料电池系统，其特征在于，所述气液分离罐（17）采用重力沉降法将气体和液体进行分离。
8.根据权利要求1所述的一种带CO2捕集的整体煤气化燃料电池系统，其特征在于，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。
9.根据权利要求1所述的一种带CO2捕集的整体煤气化燃料电池系统，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，其中，合成气中的矿尘含量小于10mg/Nm3；所述水汽变换装置（8）出口的气体中CO的浓度小于10%。
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