CN110380092A - 一种熔融碳酸盐燃料电池与钙循环集成系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种熔融碳酸盐燃料电池与钙循环集成系统及方法，包括：合成气单元、原料单元、第一原料预热单元、碳酸化反应单元、第一气固分离器、第二原料预热单元、煅烧炉反应器、第二气固分离器和燃料电池；合成气单元和原料单元的输出口连接第一原料预热单元的入口；第一原料预热单元的出口连接碳酸化反应单元的入口；碳酸化反应单元的出口连接第一气固分离器的入口，第一气固分离器的气体出口连通燃料电池的阳极；甲烷单元的出口、空气单元的出口和第一气固分离器的固体出口连接第二原料预热单元的入口，第二原料预热单元经过煅烧炉反应器连接第二气固分离器的入口，第二气固分离器的气体出口连通燃料电池的阴极。本发明实现了能源的综合利用。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，特别涉及一种熔融碳酸盐燃料电池与钙循环集成系统及方法。
背景技术
随着未来几年石油和煤炭能源成本的增加，化石能源所产生的污染也越来严重，作为一种清洁高效的发电技术：熔融碳酸盐燃料电池(molten carbonate fuel cell，MCFC)，能够将化学能转换为电能，具有不使用贵金属催化剂，燃料来源广等优点，并可与蒸汽轮机设备等组成循环发电系统，使得其应用前景更被看好。
钙循环法在燃煤电厂的应用主要为燃烧工艺和气化工艺，并且通过钙基吸收剂循环煅烧/碳酸化反应捕集二氧化碳，是燃煤电站大规模捕集二氧化碳的方法之一。其中利用钙基吸收剂循环煅烧和加压流化床燃烧过程直接捕集二氧化碳技术相对成熟，但发电效率低下。
熔融碳酸盐燃料电池和钙循环法在现有技术中，均单独使用，一次能源消耗较大，能源利用率低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种熔融碳酸盐燃料电池与钙循环集成系统及方法，以解决上述技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种熔融碳酸盐燃料电池与钙循环集成系统，包括：合成气单元、原料单元、第一原料预热单元、碳酸化反应单元、第一气固分离器、第二原料预热单元、煅烧炉反应器、第二气固分离器和燃料电池；
合成气单元和原料单元的输出口连接第一原料预热单元的入口；第一原料预热单元的出口连接碳酸化反应单元的入口；碳酸化反应单元的出口连接第一气固分离器的入口，第一气固分离器的气体出口连通燃料电池的阳极；
甲烷单元的出口、空气单元的出口和第一气固分离器的固体出口连接第二原料预热单元的入口，第二原料预热单元经过煅烧炉反应器连接第二气固分离器的入口，第二气固分离器的气体出口连通燃料电池的阴极。
进一步的，第二气固分离器的固体出口连接再生吸附剂生成单元。
进一步的，再生吸附剂生成单元的出口连接原料单元。
进一步的，还包括第一回热器和第二回热器；
第一气固分离器的气体出口通过第一回热器连通熔融碳酸盐燃料电池的阳极；
第二气固分离器的气体出口通过第二回热器连通盐燃料电池的阴极。
进一步的，第一气固分离器与第一回热器的热物流侧单元相连接；第二气固分离与第二回热器的热物流侧单元相连接；第一回热器冷物流出口与燃料电池的阳极入口相连接；第二回热器冷物流出口与燃料电池的阴极入口相连接。
进一步的，所述燃料电池为熔融碳酸盐燃料电池。
进一步的，还包括再生吸附剂生成单元，第二气固分离器的固体出口通过再生吸附剂生成单元连接原料单元。
进一步的，第一原料预热单元和第二原料预热单元采用燃烧室；碳酸化反应单元采用流化床反应器。
进一步的，碳酸化反应单元中碳酸化反应温度为800℃，煅烧炉反应器中煅烧温度为850-900℃。
一种熔融碳酸盐燃料电池与钙循环集成系统的工作方法，包括：
合成气单元中的合成气和原料单元中吸附剂材料进入第一原料预热单元中，加热到800℃进入碳酸化反应单元进行碳酸化反应，反应后的气固混合物进入第一气固分离器；第一气固分离器分离出的气体进入盐燃料电池的阳极；
第一气固分离器分离出的固体与甲烷单元输出的甲烷、空气单元输出的空气进入第二预热单元中，加热至850℃-900℃，然后送至煅烧炉反应器中煅烧，煅烧产物送入第二气固分离；第二气固分离器分离出的气体进入盐燃料电池的阴极。
原料预热单元、燃烧单元采用燃烧室；碳酸化反应采用流化床反应器；燃料电池采用熔融碳酸盐燃料电池。生石灰(氧化钙和氧化镁)在碳酸化和煅烧单元形成循环回路，可以循环利用。碳酸化反应温度为800℃，煅烧温度为850-900℃。
相对于现有技术，本发明采用如下技术方案：
采用燃料电池与钙循环系统的集成，钙循环系统可以从煤中生产脱碳能源作为一次能源，并且熔融碳酸盐燃料电池系统可以实现高浓度的二氧化碳的捕获与储存，有助于减缓气候变化，避免了电厂发电效率的损失和一次能源消耗的增加。
熔融碳酸盐燃料电池与钙循环的结合，能够产生高浓度的二氧化碳和从煤中生产脱碳能源作为一次能源。钙循环中使用氧化钙作为固体吸附剂对粗合成气进行脱碳，流出的清洁合成气用作熔融碳酸盐燃料电池的阳极燃料。固体吸附剂的再生燃烧产生的二氧化碳可提供给熔融碳酸盐燃料电池的阴极。
熔融碳酸盐燃料电池与钙循环集成系统，包括燃料电池系统和钙循环系统装置，其入口为合成气和生石灰为原料，利用碳酸化反应分离出燃料电池阳极所需的氢气，产生的碳酸钙等产物进入煅烧反应器，通过加入甲烷和空气加热到煅烧温度，煅烧反应生成并分离出燃料电池阴极需要的氧气、二氧化碳和氮气，使燃料电池进行发电，同时生石灰参与碳酸化反应和煅烧反应的循环中；本发明实现了能源的综合利用。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明一种熔融碳酸盐燃料电池与钙循环集成系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本申请所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
请参阅图1所示，本发明提供一种熔融碳酸盐燃料电池与钙循环集成系统的结构，包括：合成气单元1、原料单元2、第一原料预热单元3、碳酸化反应单元4、第一气固分离器5、第二原料预热单元10、煅烧炉反应器11、第二气固分离器12、再生吸附剂生成单元13、第一回热器6、第二回热器14和熔融碳酸盐燃料电池15。
合成气单元1和原料单元2的输出口连接第一原料预热单元3的入口；第一原料预热单元3的出口连接碳酸化反应单元4的入口；碳酸化反应单元4的出口连接第一气固分离器5的入口，第一气固分离器5的气体出口通过第一回热器6连通熔融碳酸盐燃料电池的阳极。
甲烷单元8的出口、空气单元9的出口和第一气固分离器5的固体出口连接第二原料预热单元10的入口，第二原料预热单元10经过煅烧炉反应器11连接第二气固分离器12的入口，第二气固分离器12的气体出口通过第二回热器14连通熔融碳酸盐燃料电池15的阴极。第二气固分离器12的固体出口通过再生吸附剂生成单元13连接原料单元2。
第一气固分离器5与第一回热器6的热物流侧单元相连接；第二气固分离12与第二回热器14的热物流侧单元相连接。第一回热器6冷物流出口与燃料电池的阳极入口相连接；第二回热器14冷物流出口与燃料电池的阴极入口相连接。
本发明提供一种熔融碳酸盐燃料电池与钙循环集成系统的工作方法：合成气单元1中的合成气(成分为H2、CO、CO2、H2O)和原料单元2中吸附剂材料(Cao和MgO)进入第一原料预热单元3中，加热到800℃进入碳酸化反应单元4，碳酸化反应单元4内此时主要发生了对CO2、H2O的吸附反应及CO的重整，反应后的气固混合物进入第一气固分离器5，分离出的气体以氢气为主，并含有少量的CO、CO2、H2O，分离出的固体主要为CaCO3、MgO、[Ca、Mg]CO3，第一气固分离器5分离出的气体进入熔融碳酸盐燃料电池15的阳极前的第一回热器6，使气体降温到燃料电池反应温度650℃后进入熔融碳酸盐燃料电池15的阳极。
碳酸化反应后的气固分离产生的碳酸钙碳酸镁混合物，与甲烷、空气进入煅烧前的第二预热单元10中，加热至850℃-900℃，送至煅烧炉反应器11中，甲烷与空气的燃烧代替了使用的纯氧，反应为再生吸附剂CaO与MgO，与碳酸化反应的原材料一样。第二气固分离12分离出的气体主要为氧气、二氧化碳、氮气，并进入第二回热器14中，使气体降温到燃料电池阴极反应温度650℃后进入熔融碳酸盐燃料电池15的阴极。第二气固分离12分离出的固体经再生吸附剂生成单元13再生后(再生吸附剂CaO与MgO)进入原料单元2循环使用。
经过回热器处理后的阳极和阴极气体进入熔融碳酸盐燃料电池15中，发生阳极和阴极反应，并产生电能，在熔融碳酸盐燃料电池15阳极侧产生富集的二氧化碳可以进行二氧化碳的捕集和储存，并且参与燃料电池反应的气体可以再次进入碳酸化反应和煅烧反应中，实现能源的综合利用。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。
Claims (10)
1.一种熔融碳酸盐燃料电池与钙循环集成系统，其特征在于，包括：合成气单元(1)、原料单元(2)、第一原料预热单元(3)、碳酸化反应单元(4)、第一气固分离器(5)、第二原料预热单元(10)、煅烧炉反应器(11)、第二气固分离器(12)和燃料电池；
合成气单元(1)和原料单元(2)的输出口连接第一原料预热单元(3)的入口；第一原料预热单元(3)的出口连接碳酸化反应单元(4)的入口；碳酸化反应单元(4)的出口连接第一气固分离器(5)的入口，第一气固分离器(5)的气体出口连通燃料电池的阳极；
甲烷单元(8)的出口、空气单元(9)的出口和第一气固分离器(5)的固体出口连接第二原料预热单元(10)的入口，第二原料预热单元(10)经过煅烧炉反应器(11)连接第二气固分离器(12)的入口，第二气固分离器(12)的气体出口连通燃料电池的阴极。
2.根据权利要求1所述的一种熔融碳酸盐燃料电池与钙循环集成系统，其特征在于，第二气固分离器(12)的固体出口连接再生吸附剂生成单元(13)。
3.根据权利要求2所述的一种熔融碳酸盐燃料电池与钙循环集成系统，其特征在于，再生吸附剂生成单元(13)的出口连接原料单元(2)。
4.根据权利要求1所述的一种熔融碳酸盐燃料电池与钙循环集成系统，其特征在于，还包括第一回热器(6)和第二回热器(14)；
第一气固分离器(5)的气体出口通过第一回热器(6)连通熔融碳酸盐燃料电池的阳极；
第二气固分离器(12)的气体出口通过第二回热器(14)连通盐燃料电池的阴极。
5.根据权利要求4所述的一种熔融碳酸盐燃料电池与钙循环集成系统，其特征在于，第一气固分离器(5)与第一回热器(6)的热物流侧单元相连接；第二气固分离(12)与第二回热器(14)的热物流侧单元相连接；第一回热器(6)冷物流出口与燃料电池的阳极入口相连接；第二回热器(14)冷物流出口与燃料电池的阴极入口相连接。
6.根据权利要求1所述的一种熔融碳酸盐燃料电池与钙循环集成系统，其特征在于，所述燃料电池为熔融碳酸盐燃料电池。
7.根据权利要求1所述的一种熔融碳酸盐燃料电池与钙循环集成系统，其特征在于，还包括再生吸附剂生成单元(13)，第二气固分离器(12)的固体出口通过再生吸附剂生成单元(13)连接原料单元(2)。
8.根据权利要求1所述的一种熔融碳酸盐燃料电池与钙循环集成系统，其特征在于，第一原料预热单元(3)和第二原料预热单元(10)采用燃烧室；碳酸化反应单元(4)采用流化床反应器。
9.根据权利要求1所述的一种熔融碳酸盐燃料电池与钙循环集成系统，其特征在于，碳酸化反应单元(4)中碳酸化反应温度为800℃，煅烧炉反应器(11)中煅烧温度为850-900℃。
10.权利要求1至9中任一项所述的一种熔融碳酸盐燃料电池与钙循环集成系统的工作方法，其特征在于，包括：
合成气单元(1)中的合成气和原料单元(2)中吸附剂材料进入第一原料预热单元(3)中，加热到800℃进入碳酸化反应单元(4)进行碳酸化反应，反应后的气固混合物进入第一气固分离器(5)；第一气固分离器(5)分离出的气体进入盐燃料电池的阳极；
第一气固分离器(5)分离出的固体与甲烷单元(8)输出的甲烷、空气单元(9)输出的空气进入第二预热单元(10)中，加热至850℃-900℃，然后送至煅烧炉反应器(11)中煅烧，煅烧产物送入第二气固分离(12)；第二气固分离(12)分离出的气体进入盐燃料电池的阴极。
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