CN111200138A - 一种基于燃料电池联合发电的弛放气利用系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于燃料电池联合发电的弛放气利用系统及方法，包括固体氧化物燃料电池发电子系统和超临界二氧化碳循环发电子系统，固体氧化物燃料电池发电子系统，包括预热器、空气压缩机、空气预热器、固体氧化物燃料电池、逆变器、燃烧室和余热锅炉，超临界二氧化碳循环发电子系统，包括透平、回热器、预冷器、压缩机和发电机。固体氧化物燃料电池发电子系统将弛放气中可燃气体的化学能中的吉布斯自由能部分转换成电能，未反应的可燃气体燃烧后通过超临界二氧化碳布雷顿循环进行发电，尾气用于预热弛放气和空气，该系统可以实现对弛放气的高效利用。

Description

一种基于燃料电池联合发电的弛放气利用系统及方法
技术领域
本发明涉及弛放气利用技术领域，特别涉及一种基于燃料电池联合发电的弛放气利用系统及方法。
背景技术
弛放气，是化工生产中不参与反应的气体或因品位过低不能利用，在化工设备或管道中积聚而产生的气体。由于弛放气影响设备的传热效果、影响反应速度和进度、降低生产效率等，弛放气必须定期排放。弛放气中一般含有化工生产的原料气，大多数为可燃气体，弛放气的处理方式一般有三种，一种是利用变压吸附或者膜分离，提取弛放气中的原料气成分，提取后继续进行化工生产，工艺复杂，第二种是直接作为燃料气燃烧后生产蒸汽等，效率较低，第三种是处理后放空。
固体氧化物燃料电池，对燃料的适应性强，能在多种燃料包括碳基燃料的情况下运行，能提供高品质余热，实现热电联产，燃料利用率高，能量利用率高达80％左右。
目前尚未有利用固体氧化物燃料电池实现对驰放气高效利用的报道。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于燃料电池联合发电的弛放气利用系统及方法，该系统及方法能实现弛放气的高效利用。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于燃料电池联合发电的弛放气利用系统，包括固体氧化物燃料电池发电子系统和超临界二氧化碳循环发电子系统；
所述的固体氧化物燃料电池发电子系统包括预热器1和空气压缩机2，所述的预热器1冷侧出口与固体氧化物燃料电池4的阳极入口相连通，固体氧化物燃料电池4的阳极出口与燃烧室6相连通，空气压缩机2的出口与空气预热器3的冷侧入口相连通，空气预热器3的冷侧出口与固体氧化物燃料电池4的阴极入口相连通进入，固体氧化物燃料电池4的阴极出口与燃烧室6相连通，燃烧室6的出口与余热锅炉7热侧入口相连通，余热锅炉7热侧出口与预热器1的热侧入口相连通，预热器1的热侧出口与空气预热器3的热侧入口相连通，固体氧化物燃料电池4的阳极电极和阴极电极与逆变器5相连通；
所述的超临界二氧化碳循环发电子系统包括透平8，余热锅炉7的冷侧出口与透平8的入口相连通，透平8的出口与回热器9热侧入口相连通，回热器9热侧出口与预冷器10的热侧入口相连通，预冷器10的热侧出口与压缩机11入口相连通，压缩机11出口与回热器9的冷侧入口相连通，回热器9的冷侧出口与余热锅炉7的冷侧入口相连通，透平8通过联轴器与压缩机11和发电机12相连。
所述的预热器1冷侧出口与燃烧室6的入口相连通。
所述的预冷器10的冷却介质为循环冷却水。
所述的进入空气压缩机2的空气相对于进入预热器1的弛放气是过量的。
所述的透平8通过联轴器拖动压缩机11和发电机12旋转，压缩机11压缩二氧化碳，发电机12输出电力。
一种基于燃料电池联合发电的弛放气利用的方法，包括以下步骤；
弛放气经过预热器1的冷侧预热后，进入固体氧化物燃料电池4的阳极，空气经过空气压缩机2加压和空气预热器3的预热后，进入固体氧化物燃料电池4的阴极，弛放气和空气在固体氧化物燃料电池4中反应，反应后的气体进入燃烧室6燃烧，如果反应后的弛放气中可燃气体含量太低，不足以支持燃烧，一部分驰放气从预热器1的冷侧后直接进入燃烧器6，保证燃烧器6中可以稳定燃烧，固体氧化物燃料电池4的阴极电极和阳极电极输出电力到逆变器5，燃烧后的烟气进入余热锅炉7的热侧，加热冷侧的二氧化碳，换热后的烟气进入预热器1预热弛放气，之后进入空气预热器3预热空气，之后去尾气处理；
余热锅炉7冷侧的二氧化碳经过加热后，进入透平8，推动透平8旋转做功，做功后的二氧化碳进入回热器9的热侧，与冷侧的二氧化碳换热后，进入预冷器10的热侧进一步冷却，冷却后的二氧化碳进入压缩机11进行加压，加压后的二氧化碳进入回热器9的冷侧，与热侧的二氧化碳换热，经过加热后的二氧化碳进入余热锅炉7的冷侧进一步加热，加热后的二氧化碳进入透平8，完成循环。
所述的弛放气经过预热器1预热到500℃，空气经过空气压缩机2加压到5MPa，经过空气预热器3预热到500℃。
本发明的有益效果：
本发明所述的基于燃料电池联合发电的弛放气利用系统及方法在具体操作时，由于固体氧化物燃料电池是通过电化学反应把弛放气中可燃气体的化学能中的吉布斯自由能部分转换成电能，不受卡诺循环效应的限制，因此效率高；弛放气中未反应的可燃气体燃烧后，通过超临界二氧化碳布雷顿循环进行发电，可燃气体不足时，可以从预热器冷侧后引弛放气到燃烧室，保证燃烧，尾气用于预热弛放气和空气，弛放气得到了充分的利用。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
其中，1为预热器、2为空气压缩机、3为空气预热器、4为固体氧化物燃料电池、5为逆变器、6为燃烧室、7为余热锅炉、8为透平、9位回热器、10为预冷器、11为压缩机、12为发电机。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，合成甲醇弛放气，压力5MPa，温度50℃，含有氢气和甲烷等可燃气体，经过预热器1预热到500℃，进入固体氧化物燃料电池4的阳极，空气经过空气压缩机2加压到5MPa，经过空气预热器3预热到500℃，进入固体氧化物燃料电池4的阴极，弛放气和空气在固体氧化物燃料电池4中发生反应，阳极电极和阴极电极将电力输送个逆变器5，反应后的弛放气中还有一定量的可燃气体，反应后的空气中还有一定量的氧气，反应后的弛放气和空气进入燃烧室6内，弛放气在燃烧室6内燃烧放热，如果反应后的弛放气中可燃气体含量太低，不足以支持燃烧，一部分驰放气从预热器1的冷侧后直接进入燃烧器6，保证燃烧器6中可以稳定燃烧，燃烧后的烟气进入余热锅炉7的热侧，加热冷侧的二氧化碳，换热后的烟气进入预热器1预热弛放气，预热弛放气后，进入空气预热器3预热空气，之后去尾气处理。
余热锅炉7冷侧的二氧化碳经过加热后，进入透平8，推动透平8旋转做功，透平8通过联轴器拖动压缩机11和发电机12旋转，压缩机11压缩二氧化碳，发电机12输出电力，做功后的二氧化碳进入回热器9的热侧，与冷侧的二氧化碳换热，热侧的二氧化碳进入预冷器10的热侧，进一步冷却，与冷侧的循环冷却水换热，冷却后的二氧化碳进入压缩机11进行加压，加压后的二氧化碳进入回热器9的冷侧，与热侧的二氧化碳换热，经过加热后的二氧化碳进入余热锅炉7的冷侧进一步加热，加热后的二氧化碳进入透平8，完成循环。透平8通过联轴器拖动压缩机11和发电机12旋转，压缩机11压缩二氧化碳，发电机12输出电力。

Claims (7)

1.一种基于燃料电池联合发电的弛放气利用系统，其特征在于，包括固体氧化物燃料电池发电子系统和超临界二氧化碳循环发电子系统；
所述的固体氧化物燃料电池发电子系统包括预热器(1)和空气压缩机(2)，所述的预热器(1)冷侧出口与固体氧化物燃料电池(4)的阳极入口相连通，固体氧化物燃料电池(4)的阳极出口与燃烧室(6)相连通，空气压缩机(2)的出口与空气预热器(3)的冷侧入口相连通，空气预热器(3)的冷侧出口与固体氧化物燃料电池(4)的阴极入口相连通进入，固体氧化物燃料电池(4)的阴极出口与燃烧室(6)相连通，燃烧室(6)的出口与余热锅炉(7)热侧入口相连通，余热锅炉(7)热侧出口与预热器(1)的热侧入口相连通，预热器(1)的热侧出口与空气预热器(3)的热侧入口相连通，固体氧化物燃料电池(4)的阳极电极和阴极电极与逆变器(5)相连通；
所述的超临界二氧化碳循环发电子系统包括透平(8)，余热锅炉(7)的冷侧出口与透平(8)的入口相连通，透平(8)的出口与回热器(9)热侧入口相连通，回热器(9)热侧出口与预冷器(10)的热侧入口相连通，预冷器(10)的热侧出口与压缩机(11)入口相连通，压缩机(11)出口与回热器(9)的冷侧入口相连通，回热器(9)的冷侧出口与余热锅炉(7)的冷侧入口相连通，透平(8)通过联轴器与压缩机(11)和发电机(12)相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于燃料电池联合发电的弛放气利用系统，其特征在于，所述的预热器(1)冷侧出口与燃烧室(6)的入口相连通。
3.根据权利要求1所述的一种基于燃料电池联合发电的弛放气利用系统，其特征在于，所述的预冷器(10)的冷却介质为循环冷却水。
4.根据权利要求1所述的一种基于燃料电池联合发电的弛放气利用系统，其特征在于，所述的进入空气压缩机(2)的空气相对于进入预热器(1)的弛放气是过量的。
5.根据权利要求1所述的一种基于燃料电池联合发电的弛放气利用系统，其特征在于，所述的透平(8)通过联轴器拖动压缩机(11)和发电机(12)旋转，压缩机(11)压缩二氧化碳，发电机(12)输出电力。
6.一种基于燃料电池联合发电的弛放气利用的方法，其特征在于，包括以下步骤；
弛放气经过预热器(1)的冷侧预热后，进入固体氧化物燃料电池(4)的阳极，空气经过空气压缩机(2)加压和空气预热器(3)的预热后，进入固体氧化物燃料电池(4)的阴极，弛放气和空气在固体氧化物燃料电池(4)中反应，反应后的气体进入燃烧室(6)燃烧，如果反应后的弛放气中可燃气体含量太低，不足以支持燃烧，一部分驰放气从预热器(1)的冷侧后直接进入燃烧器(6)，保证燃烧器(6)中可以稳定燃烧，固体氧化物燃料电池(4)的阴极电极和阳极电极输出电力到逆变器(5)，燃烧后的烟气进入余热锅炉(7)的热侧，加热冷侧的二氧化碳，换热后的烟气进入预热器(1)预热弛放气，之后进入空气预热器(3)预热空气，之后去尾气处理；
余热锅炉(7)冷侧的二氧化碳经过加热后，进入透平(8)，推动透平(8)旋转做功，做功后的二氧化碳进入回热器(9)的热侧，与冷侧的二氧化碳换热后，进入预冷器(10)的热侧进一步冷却，冷却后的二氧化碳进入压缩机(11)进行加压，加压后的二氧化碳进入回热器(9)的冷侧，与热侧的二氧化碳换热，经过加热后的二氧化碳进入余热锅炉(7)的冷侧进一步加热，加热后的二氧化碳进入透平(8)，完成循环。
7.根据权利要求6所述的一种基于燃料电池联合发电的弛放气利用的方法，其特征在于，所述的弛放气经过预热器(1)预热到500℃，空气经过空气压缩机(2)加压到5MPa，经过空气预热器(3)预热到500℃。
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