CN110085893A - 一种基于固体氧化物燃料电池的多联供能源系统及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于固体氧化物燃料电池的多联供能源系统及其工作方法，属于燃料电池发电综合利用领域，具体用于固体氧化物燃料电池尾气的回收利用。本发明包括固体氧化物燃料电池集成设备、尾气冷凝器、中温水罐、高温水罐和蒸汽发生器，其结构特点在于：所述固体氧化物燃料电池集成设备与尾气冷凝器通过系统尾气管道连通，所述固体氧化物燃料电池集成设备与蒸汽发生器通过高温ATO尾气管道连通，所述去水尾气管道与尾气冷凝器连通，所述冷却水管道与尾气冷凝器连通，所述尾气冷凝器与高温水罐通过冷凝水管道连通，所述蒸汽管道与蒸汽发生器连通。提高了固体氧化物燃料电池集成设备的综合能源利用率、经济性和市场竞争力。

Description

一种基于固体氧化物燃料电池的多联供能源系统及其工作 方法
技术领域
本发明涉及一种基于固体氧化物燃料电池的多联供能源系统及其工作方法，属于燃料电池发电综合利用领域，具体用于固体氧化物燃料电池尾气的回收利用。
背景技术
固体氧化物燃料电池集成设备是一种高效清洁的电化学发电设备，因其清洁、高效、无噪音等优点，受到人们的关注。尤其是近年来分布式能源站迅速发展，使得固体氧化物燃料电池有了更广阔的应用空间。固体氧化物燃料电池集成设备的尾气温度较高，一般在100～250°C，但目前基本上是采用排空的方式，造成了能量的巨大浪费。虽然有的专利曾提到通过尾气与水换热的方式回收部分热量，但能获取的产物只有热水，回收的热量品质较低，经济效益不高，使得模式难以推广。有鉴于此，在申请号为201610282126.1的专利文献中公开了一种太阳能多联产能源系统。
综上所述，目前还没有一种固体氧化物燃料电池的能源综合利用系统可以合理，经济，高效的方法去解决固体氧化物燃料电池烟气充分利用的问题。
发明内容
针对目前固体氧化物燃料电池集成设备尾气利用不充分，能源浪费严重的情况，本发明提出了一种基于固体氧化物燃料电池的多联供能源系统及其工作方法，合理、经济、高效地解决固体氧化物燃料电池烟气充分利用的问题。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：该基于固体氧化物燃料电池的多联供能源系统，包括固体氧化物燃料电池集成设备、尾气冷凝器、中温水罐、高温水罐和蒸汽发生器，其结构特点在于：所述固体氧化物燃料电池集成设备、中温水罐、高温水罐和蒸汽发生器均与尾气冷凝器连接，所述固体氧化物燃料电池集成设备和高温水罐均与蒸汽发生器连接。
进一步地，还包括系统尾气管道、高温ATO尾气管道、去水尾气管道、冷却水管道、冷凝水管道和蒸汽管道；所述固体氧化物燃料电池集成设备与尾气冷凝器通过系统尾气管道连通，所述固体氧化物燃料电池集成设备与蒸汽发生器通过高温ATO尾气管道连通，所述去水尾气管道与尾气冷凝器连通，所述冷却水管道与尾气冷凝器连通，所述尾气冷凝器与高温水罐通过冷凝水管道连通，所述蒸汽管道与蒸汽发生器连通。
进一步地，所述中温水罐和高温水罐的外部均设置有保温层。中温水罐和高温水罐及相关管道均需做好保温，减少热量损失。
进一步地，本发明的另一个技术目的在于提供一种基于固体氧化物燃料电池的多联供能源系统的工作方法。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的。
一种基于固体氧化物燃料电池的多联供能源系统的工作方法，其特点在于：所述工作方法如下：固体氧化物燃料电池集成设备的尾气主要成分包括水蒸汽、二氧化碳、过量的空气以及为反应完全的少量的燃料气体，固体氧化物燃料电池集成设备的尾气通入尾气冷凝器后，与冷却水换热后，冷凝成液态水，汇入高温水罐，控制冷凝温度，使得冷凝的水温度升高，尾气冷凝器的冷却水使用自来水，在尾气冷凝器里换热后，冷却水温度升高，流入中温水罐，作为生活热水供应。
进一步地，从固体氧化物燃料电池集成设备的内部通过高温ATO尾气管道流出部分高温ATO尾气，这部分高温ATO尾气不再经过固体氧化物燃料电池集成设备的内部其他换热环节，直接引出为蒸汽发生器提供热源，高温ATO尾气成分与固体氧化物燃料电池集成设备的尾气成分类似，换热后的ATO尾气汇入尾气冷凝器进行回收利用，高温水罐的水在流经蒸汽发生器后，被加热形成蒸汽，蒸汽发生器具有调节性，根据用户要求为其提供所需温度和压力的蒸汽。
进一步地，分离出水蒸汽后的剩余尾气主要成分为二氧化碳和氮气，以及少量的氧气及燃料气体，引入食品储存仓库或农业大棚，或将剩余尾气里的二氧化碳凝华为干冰，充分利用剩余尾气的价值。
进一步地，根据蒸汽流量决定引出的高温ATO尾气，并自动控制系统的耦合关联，及时调整固体氧化物燃料电池的燃料气、空气和水的流量。
进一步地，剩余尾气进入食品储存仓库或农业大棚需进行过滤，减少可沉淀杂质；制造干冰前需根据相关标准进行前处理。
相比现有技术，本发明具有以下优点：该基于固体氧化物燃料电池的多联供能源系统通过增设尾气冷凝器、蒸汽发生器等设备，充分回收尾气中的热量和水，从固体氧化物燃料电池集成设备的内部引出部分高温ATO尾气，为蒸汽发生器提供热源，使得高温水可转化为蒸汽，为用户提供所需参数的蒸汽，符合当前分布式能源站以热定电的原则。
此外，分离水后的尾气可引入食品储存仓库，去水尾气主要成分二氧化碳和氮气化学性能稳定，有利于增强保鲜效果；引入农业大棚，高浓度的二氧化碳有益于增加光合作用，提供农产品产量；去水尾气富含二氧化碳，也可通过降温凝华制成干冰，充分利用尾气的价值，再加上此前产生的热水和蒸汽。
该基于固体氧化物燃料电池的多联供能源系统可为用户提供多种产品供应，满足不同用户需求，极大提高了系统整体的经济效益，且符合国家关于分布式能源建设的政策，具有良好的推广前景。
综合以上几点改进，本发明所描述的一种基于固体氧化物燃料电池的多联供能源系统解决了背景技术中所存在的问题，从而大大提高了固体氧化物燃料电池集成设备的综合能源利用率、经济性和市场竞争力，有利于伴随分布式能源的发展而大规模商业化推广。
附图说明
图1是本发明实施例的基于固体氧化物燃料电池的多联供能源系统的连接关系示意图。
图中：固体氧化物燃料电池集成设备1、尾气冷凝器2、中温水罐3、高温水罐4、蒸汽发生器5、系统尾气管道G1、高温ATO尾气管道G2、去水尾气管道G3、冷却水管道W1、冷凝水管道W2、蒸汽管道W3。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
实施例。
参见图1所示，须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。同时，本说明书中若用引用如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
本实施例中的基于固体氧化物燃料电池的多联供能源系统，包括固体氧化物燃料电池集成设备1、尾气冷凝器2、中温水罐3、高温水罐4和蒸汽发生器5，其特征在于：所述固体氧化物燃料电池集成设备1、中温水罐3、高温水罐4和蒸汽发生器5均与尾气冷凝器2连接，所述固体氧化物燃料电池集成设备1和高温水罐4均与蒸汽发生器5连接，所述中温水罐3和高温水罐4的外部均设置有保温层。
本实施例中，还包括系统尾气管道G1、高温ATO尾气管道G2、去水尾气管道G3、冷却水管道W1、冷凝水管道W2和蒸汽管道W3；所述固体氧化物燃料电池集成设备1与尾气冷凝器2通过系统尾气管道G1连通，所述固体氧化物燃料电池集成设备1与蒸汽发生器5通过高温ATO尾气管道G2连通，所述去水尾气管道G3与尾气冷凝器2连通，所述冷却水管道W1与尾气冷凝器2连通，所述尾气冷凝器2与高温水罐4通过冷凝水管道W2连通，所述蒸汽管道W3与蒸汽发生器5连通。
本实施例中的基于固体氧化物燃料电池的多联供能源系统的工作方法，如下：固体氧化物燃料电池集成设备1的尾气主要成分包括水蒸汽、二氧化碳、过量的空气以及为反应完全的少量的燃料气体，固体氧化物燃料电池集成设备1的尾气通入尾气冷凝器2后，与冷却水换热后，冷凝成液态水，汇入高温水罐4，需控制好冷凝温度，使得冷凝的水温度尽量高，最好90°C以上，便于下一步利用生产蒸汽，尾气冷凝器2的冷却水可使用自来水，在尾气冷凝器2里换热后，冷却水温度升高，流入中温水罐3，可作为生活热水供应。
从固体氧化物燃料电池集成设备1的内部通过高温ATO尾气管道G2流出部分高温ATO尾气，这部分高温ATO尾气不再经过固体氧化物燃料电池集成设备1的内部其他换热环节，直接引出为蒸汽发生器5提供热源，高温ATO尾气成分与固体氧化物燃料电池集成设备1的尾气成分类似，换热后的ATO尾气汇入尾气冷凝器2进行回收利用，高温水罐4的水在流经蒸汽发生器5后，被加热形成蒸汽，蒸汽发生器5具有调节性，根据用户要求为其提供所需温度和压力的蒸汽。
分离出水蒸汽后的剩余尾气主要成分为二氧化碳和氮气，以及少量的氧气及燃料气体，引入食品储存仓库或农业大棚，或将剩余尾气里的二氧化碳凝华为干冰，充分利用剩余尾气的价值。
根据蒸汽流量决定引出的高温ATO尾气，并自动控制系统的耦合关联，及时调整固体氧化物燃料电池的燃料气、空气和水的流量。
剩余尾气进入食品储存仓库或农业大棚需进行过滤，减少可沉淀杂质；制造干冰前需根据相关标准进行前处理。
其中固体氧化物燃料电池集成设备1包括启动燃烧器、阳极尾气氧化器（ANODETAIL GAS OXIDIZER，以下简称ATO）、重整器、电池堆、以及天然气管道、空气管道、水管、尾气管道等固体氧化物燃料电池发电常规组成部分。
固体氧化物燃料电池一般为放热反应，电池堆的阴极尾气、阳极尾气都有较高的温度，两者汇合到ATO进行再度反应再度释放剩余的化学能，因此ATO尾气温度很高，一般在700°～850°C，在固体氧化物燃料电池集成设备1的内部经过几层换热后，温度降至100～250°C排放。
由此可见，固体氧化物燃料电池集成设备1尾气温度仍较高，需进行回收利用，提高能量综合利用率，固体氧化物燃料电池集成设备1尾气主要成分包括水蒸汽、二氧化碳、过量的空气以及为反应完全的少量的燃料气体。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例说明。凡依据本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效变化或者简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。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，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于固体氧化物燃料电池的多联供能源系统，包括固体氧化物燃料电池集成设备（1）、尾气冷凝器（2）、中温水罐（3）、高温水罐（4）和蒸汽发生器（5），其特征在于：所述固体氧化物燃料电池集成设备（1）、中温水罐（3）、高温水罐（4）和蒸汽发生器（5）均与尾气冷凝器（2）连接，所述固体氧化物燃料电池集成设备（1）和高温水罐（4）均与蒸汽发生器（5）连接。
2.根据权利要求1所述的基于固体氧化物燃料电池的多联供能源系统，其特征在于：还包括系统尾气管道（G1）、高温ATO尾气管道（G2）、去水尾气管道（G3）、冷却水管道（W1）、冷凝水管道（W2）和蒸汽管道（W3）；所述固体氧化物燃料电池集成设备（1）与尾气冷凝器（2）通过系统尾气管道（G1）连通，所述固体氧化物燃料电池集成设备（1）与蒸汽发生器（5）通过高温ATO尾气管道（G2）连通，所述去水尾气管道（G3）与尾气冷凝器（2）连通，所述冷却水管道（W1）与尾气冷凝器（2）连通，所述尾气冷凝器（2）与高温水罐（4）通过冷凝水管道（W2）连通，所述蒸汽管道（W3）与蒸汽发生器（5）连通。
3.根据权利要求1所述的基于固体氧化物燃料电池的多联供能源系统，其特征在于：所述中温水罐（3）和高温水罐（4）的外部均设置有保温层。
4.一种如权利要求1-3中任一权利要求所述的基于固体氧化物燃料电池的多联供能源系统的工作方法，其特征在于：所述工作方法如下：固体氧化物燃料电池集成设备（1）的尾气主要成分包括水蒸汽、二氧化碳、过量的空气以及为反应完全的少量的燃料气体，固体氧化物燃料电池集成设备（1）的尾气通入尾气冷凝器（2）后，与冷却水换热后，冷凝成液态水，汇入高温水罐（4），控制冷凝温度，使得冷凝的水温度升高，尾气冷凝器（2）的冷却水使用自来水，在尾气冷凝器（2）里换热后，冷却水温度升高，流入中温水罐（3），作为生活热水供应。
5.根据权利要求4所述的基于固体氧化物燃料电池的多联供能源系统的工作方法，其特征在于：从固体氧化物燃料电池集成设备（1）的内部通过高温ATO尾气管道（G2）流出部分高温ATO尾气，这部分高温ATO尾气不再经过固体氧化物燃料电池集成设备（1）的内部其他换热环节，直接引出为蒸汽发生器（5）提供热源，高温ATO尾气成分与固体氧化物燃料电池集成设备（1）的尾气成分类似，换热后的ATO尾气汇入尾气冷凝器（2）进行回收利用，高温水罐（4）的水在流经蒸汽发生器（5）后，被加热形成蒸汽，蒸汽发生器（5）具有调节性，根据用户要求为其提供所需温度和压力的蒸汽。
6.根据权利要求4所述的基于固体氧化物燃料电池的多联供能源系统的工作方法，其特征在于：分离出水蒸汽后的剩余尾气主要成分为二氧化碳和氮气，以及少量的氧气及燃料气体，引入食品储存仓库或农业大棚，或将剩余尾气里的二氧化碳凝华为干冰，充分利用剩余尾气的价值。
7.根据权利要求4所述的基于固体氧化物燃料电池的多联供能源系统的工作方法，其特征在于：根据蒸汽流量决定引出的高温ATO尾气，并自动控制系统的耦合关联，及时调整固体氧化物燃料电池的燃料气、空气和水的流量。
8.根据权利要求4所述的基于固体氧化物燃料电池的多联供能源系统的工作方法，其特征在于：剩余尾气进入食品储存仓库或农业大棚需进行过滤，减少可沉淀杂质；制造干冰前需根据相关标准进行前处理。
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