CN113594522A - 一种熔融碳酸盐燃料电池发电系统 - Google Patents

一种熔融碳酸盐燃料电池发电系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供的熔融碳酸盐燃料电池发电系统，属于发电技术领域，包括：电池堆组；末级电池堆的阴极入口与电池堆组的阴极出口连接；产气管路；回收循环管路；本发明的熔融碳酸盐燃料电池发电系统，采用胺法吸收的方式实现了燃料电池堆阳极尾气中H2的回收发电，以及CO2循环利用以补充煤气中CO2的不足，并且充分利用了CO变换反应放热、燃料电池和催化燃烧器中产生的高温气体的热量，与胺法吸收过程的热量需求相平衡，使得熔融碳酸盐燃料电池系统发电效率大于50％，大大提高了系统的环保特性和经济性。

Description

一种熔融碳酸盐燃料电池发电系统
技术领域
本发明涉及发电技术领域，具体涉及一种熔融碳酸盐燃料电池发电系统。
背景技术
熔融碳酸盐燃料电池是一种工作于650℃的高温燃料电池，具有不需要贵金属作催化剂、燃料来源广、噪音低、污染物基本达到近零排放、发电效率高、可实现热电联供等优点，适合于百千瓦级至兆瓦级分布式电站或固定电站，具有良好的发展前景。
熔融碳酸盐燃料电池的结构可以分为阴极、电解质以及阳极三部分，其中电解质为熔融的碳酸盐。在工作时，阴极中通入空气和CO2，在阴极的电极处发生反应
Figure BDA0003202909630000011
产生碳酸根离子；碳酸根离子穿过电解质，到达阳极电极处；在阳极电极处H2与碳酸根离子发生电化学反应
Figure BDA0003202909630000012
生成H2O和CO2，与此同时，电子从阳极通过外电路到达阴极，并对外做电功。从熔融碳酸盐燃料电池的发电原理可以看出，熔融碳酸盐燃料电池工作时会在阴极消耗CO2，阴极产生的碳酸根离子会迁移至阳极与阳极燃料发生电化学反应释放CO2并产生电能，熔融碳酸盐燃料电池中CO2的迁移与富集对于减少温室气体(主要是CO2)的排放具有重要的环保意义。
天然气、甲醇、煤气等燃料通过重整反应将含碳燃料转化为H2和CO2后的气体中H2的含量大大高于CO2含量，熔融碳酸盐燃料电池阳极需要的H2和阴极需要的CO2的比例为1:1，因此，含碳燃料的重整气中H2和CO2不能完全满足熔融碳酸盐燃料电池的需求；同时，阳极的燃料氢气约70％左右参与了电极反应产生电能，剩余的氢气会随阳极尾气流出，大部分系统会采用燃料电池阴极和阳极气体混合催化燃烧的方式将H2完全燃烧，剩余的CO2循环至阴极，但是H2的直接催化燃烧导致燃料利用率低和系统效率低的问题。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的含碳燃料的重整气中H2和CO2不能完全满足熔融碳酸盐燃料电池的需求的缺陷，从而提供一种熔融碳酸盐燃料电池发电系统。
为解决上述技术问题，本发明提供的一种熔融碳酸盐燃料电池发电系统，包括：
电池堆组；
末级电池堆，阴极入口与电池堆组的阴极出口连接；
产气管路，包括依次连接的产气组件、第一分离装置和解析装置；所述第一分离装置的第一出口与所述电池堆组的阳极入口连接，第二出口与所述解析装置的进口连接，所述解析装置的出口与所述电池堆组的阴极入口连接；
回收循环管路，包括第二分离装置；所述第二分离装置的进口与所述电池堆组的阳极出口连接；所述第二分离装置的第一出口与末级电池堆的阳极入口连接，第二出口与所述解析装置的进口连接。
作为优选方案，还包括：
催化燃烧装置，出口与末级电池堆的阳极出口、阴极出口均连通；所述催化燃烧装置的出口与大气连通。
作为优选方案，所述产气组件包括依次连接的第一换热器、重整器和等温反应器；所述第一换热器的内部具有高温管路和低温管路；
第一换热器的低温管路的进口适于与燃料气储存装置的出口连接，第一换热器的低温管路的出口与所述重整器的进口连接；所述重整器的出口与第一换热器的高温管路的进口连接，所述第一换热器的高温管路的出口与等温反应器的进口连接，等温反应器的出口与第一分离装置连接。
作为优选方案，在所述产气组件和所述第一分离装置之间依次连接有再生重沸器、变换水冷器和脱硫装置；
所述再生重沸器具有可以相互交换热量的高热管路和低热管路；
所述等温反应器的出口与再生重沸器的高热管路的进口连接，再生重沸器的高热管路的出口与变换水冷器的进口连接；所述变换水冷器的出口与脱硫装置的进口连接，脱硫装置的出口与第一分离装置的进口连接。
作为优选方案，所述第一分离装置为变换器吸收塔；所述解析装置为解吸塔；所述第二分离装置为低压吸收塔；所述变换气吸收塔与所述解吸塔之间设置有贫富液换热器；
所述贫富液换热器具有贫液管路和富液管路；
所述变换气吸收塔的第一出口与所述电池堆组的阳极进口连接，所述变换气吸收塔的第二出口与贫富液换热管路的富液管路的进口连接，贫富液换热管路的富液管路的出口与解吸塔的第一进口连接，解吸塔的第一出口与电池堆组的阴极入口连接。
作为优选方案，所述解吸塔的第二出口与贫富液换热管路的贫液管路的进口连接，贫富液换热器的贫液管路的出口与变换气吸收塔的第二进口、低压吸收塔的第二进口均连接。
作为优选方案，所述贫富液换热器的贫液管路上设置有贫液泵；所述贫富液换热器的富液管路上设置有富液泵。
作为优选方案，所述低压吸收塔和所述变换气吸收塔中的吸收液为胺液。
作为优选方案，还包括：
第二换热器，具有高温管路和低温管路；第二换热器的高温管路的进口与电池堆的阳极出口连接，第二换热器的高温管路的出口与低压吸收塔的第一进口连接；第二换热器的低温管路的进口与低压吸收塔的第二出口连接，第二换热器的低温管路的出口与末级电池堆的阳极入口连接。
作为优选方案，还包括：
第三换热器，一端与催化燃烧器进行连通。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的熔融碳酸盐燃料电池发电系统，包括：电池堆组、末级电池堆、产气管路和回收循环管路；通过回收循环管路的设置，将电池堆组的阳极出口产生的二氧化碳通过回收循环管路进入到电池堆组的阴极入口，在电池堆组内发生反应，解决了含碳燃料中的重整气中的H2和CO2不能完全满足熔融碳酸盐燃料电池的需求的缺陷，同时，使得阳极出口的CO2重复使用，而没有直接排放，具有重要的环保意义。
2.本发明提供的熔融碳酸盐燃料电池发电系统，采用胺法吸收CO2，实现CO2和H2分离的方式，在回收和分离过程中不发生气体的排放，能够完全进入燃料电池堆循环，且能够避免回收的CO2中含有少量的H2时，发生反应发生的安全问题。
3.本发明提供的熔融碳酸盐燃料电池发电系统，回路循环管路能够实现进一步回收未反应的H2，进而进入下一级燃料电池发电产生电能，利于整个系统燃料利用率和发电效率的提升。
综上所述，本方案中的熔融碳酸盐燃料电池系统，采用胺法吸收的方式实现了燃料电池堆阳极尾气中H2的回收发电，以及CO2循环利用以补充煤气中CO2的不足，并且充分利用了CO变换反应放热、燃料电池和催化燃烧器中产生的高温气体的热量，与胺法吸收过程的热量需求相平衡，使得熔融碳酸盐燃料电池系统发电效率大于50％，大大提高了系统的环保特性和经济性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的熔融碳酸盐燃料电池发电系统的示意图。
附图标记说明：
1、第一换热器；2、重整器；3、等温变换反应器；4、变换水冷器；5、脱硫装置；6、变换气吸收塔；7、解吸塔；8、贫富液换热器；9、贫液泵；10、低压吸收塔；11、富液泵；12、溶液槽；13、再生重沸器；14、电池堆组；15、末级电池堆；16、第二换热器；17、催化燃烧器；18、第三换热器；19、尾气压缩机。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
本实施例提供的熔融碳酸盐燃料电池发电系统，包括电池堆组，电池堆组具有阳极入口、阴极入口、阳极出口和阴极出口；其中，在内部发生以下反应：
阴极发生反应，
Figure BDA0003202909630000061
阳极发生反应，
Figure BDA0003202909630000062
如图1所示，第一换热器1内设置有两条通道，即高温管路和低温管路；低温管路的进口与燃料气的储存装置连接，出口与重整器2的进口连接；高温管路的进口与重整器2的出口连接，高温管路的出口与等温反应器的进口连接；
等温变换反应器3分为两级，第一级的等温变换反应器3的进口接第一换热器1的高温管路的出口，第二级的等温反应器出口接再生重沸器13；
燃料气可以是天然气、甲醇和煤气中的一种或几种；第一换热器1可以将燃料气加热到重整器2的入口需要的温度；在反应的过程中，在重整器2中在通入水蒸汽，将水蒸汽和燃料气中的CO重整后进入到等温变换反应器3中反应，将水蒸汽和燃料气转换成H2和CO2；
再生重沸器13具有高热管路和低热管路，第二级的等温反应器的出口与再生重沸器13的高温管路的进口连接，再生重沸器13的高温管路的出口与变换水冷器4的进口进行连接，变换水冷器4的出口与脱硫装置5的进口进行连接，脱硫装置5的出口与变换气吸收塔6进行连接；
再生重沸器13能够将等温变换反应器3的出口的气体的热量进行回收利用，产生的热水或蒸汽用于加热解吸塔7内的溶液；变换水冷器4能够将反应得到的气体的温度进一步降低，使得气体中的水蒸汽凝结，并且发生汽水分离，使得得到的氢气和二氧化碳气体更加的纯净；之后，气体进入到脱硫装置5中，能够将气体中的少量H2S脱除至ppm级。
变换气吸收塔6设置有两个进口，两个出口，能够利用胺液完全吸收变换气中的CO2，将CO2和H2分离，H2可以继续循环应用；变换气吸收塔6的第一进口与脱硫装置5的出口连接，此时，进入到到变换气吸收塔6中的为CO2和H2，气体在变换气吸收塔经过的过程中，胺液将气体中的CO2吸收，剩余的H2通过变换气吸收塔的第一出口进入到电池堆组14的阳极入口，吸收有CO2的胺液形成富液，经过变换气吸收塔的第二出口进入到贫富液换热器8。
所述贫富液换热器8具有贫液管路和富液管路；
变换气吸收塔的第二出口与贫富液换热器8的富液管路的进口连接，贫富液换热器8的富液管路的出口与解吸塔7的进口连接；解吸塔7能够将胺液吸收的CO2全部解吸为气态，CO2可以继续循环应用；解吸出来的CO2通过解吸塔7的第一出口进入到电池堆组14的阴极入口；解吸出CO2后的胺液形成贫液，经过解吸塔7的第二出口进入到贫富液换热器8的贫液管路的进口中，在贫富液换热器8内换热降温后之后，胺液通过贫富液换热器8的贫液管路的出口、变换器吸收塔的第二进口进入到变换气吸收塔6内；
解吸塔7上还设置有第二进口和第三出口；分别与再生重沸器13的低热管路的进口和出口连接。
所述贫富液换热器8，能够利用贫液的热量加热富液，将低温的富液温度升高到解吸塔7入口温度。在贫富换热器中的贫液管路和富液管路中分别设置有贫液泵9和富液泵11；所述贫液泵9，能够将解吸CO2后的贫液升压打入变换气吸收塔6和低压吸收塔10的中部向下喷淋吸收CO2。所述富液泵11，能够将低压吸收塔10和变换气吸收塔6底部的富液加压并换热后打入解吸塔7入口。
在贫液管路上还连接有溶液槽12；溶液槽12内有不含有二氧化碳的胺液，随时对胺液进行补充。
电池堆组14的阳极出口的产物有产生的CO2和未反应完的H2，电池堆的阳极出口与第二换热器16连接；第二换热器16具有高温管路和低温管路；第二换热器16的高温管路的进口与电池堆的阳极出口连接，第二换热器16的高温管路的出口与尾气压缩机19的进口连接，通过低压吸收塔10的第一进口进入到低压吸收塔10中；尾气压缩机19将该阳极尾气进一步增压后，以利于在低压吸收塔10内CO2吸收以及与H2分离。
进入到低压吸收塔10的CO2和H2，经过低压吸收塔10后，CO2被胺液吸收，实现CO2和H2分离；分离后的H2经过低压吸收塔10的第一出口、第二换热器16的低温管路后进入到末级电池堆15的阳极入口内；参与末级电池堆15的阳极反应。
低压吸收塔10内吸收了二氧化碳的胺液通过设置在低压吸收塔10底部的第二出口经过富液泵11加压，流经贫富换热器的富液管路后进入到解吸塔7，并且进入解吸塔7的循环中。
末级电池堆15也具有阴极入口、阳极入口、阴极出口和阳极出口；且和电池堆组14发生相同的反应；
末级电池堆15中阴极出口和阳极出口中的气体进入到催化燃烧器17中，催化燃烧器17能够将末级电池堆15中未反应的H2和O2充分氧化燃烧，反应后的产物经过第三换热器18后，回收能量和热量产生热水或蒸汽。
实施案例：
来自界外的燃料气的压力为2.8MPa(G)，经过换热器升温至300℃，然后通入到重整器2中与水蒸汽发生反应，生成CO2和H2的混合气体，出重整器22的反应气温度为430℃，通过原料气预热将温度降至320度，再进入变换反应器，反应后气体出变换反应器的温度为270度，之后经过水冷器气液分离后温度为40℃，进入到脱硫装置5进行活性炭吸附脱硫，然后再进入吸收塔，变换合成气在吸收塔内进行H2和CO2的分离，H2由变换气吸收塔顶流出并降压至0.2MPa进入MCFC电池堆组14的阳极部分，CO2被吸收塔的胺液吸收后由变换气吸收塔6的塔底进入贫富液换热器8中加热到80℃后，进入解吸塔7中部向下喷淋受热将吸收的CO2解吸，不含CO2的胺液120℃形成贫液由解吸塔7底流出，在贫富液换热器8内换热降温后进入贫液泵9加压后流入变换气吸收塔6继续吸收CO2。
解吸出的CO2由解吸塔7顶部流出进入MCFC电池堆组14的阴极部分，与氧气一起进入MCFC电池堆阴极参与电化学反应产生电能。在MCFC电池堆组14的阴极部分约70％的CO2和O2反应生成的碳酸根在电解质层中移动到阳极与阳极约70％的H2反应生成H2O和CO2，阳极尾气中含有未反应的30％的H2以及70％的CO2，阳极尾气在600℃时经第二换热器16换热降温后进入低压吸收塔10中继续回收H2，回收的H2进入末级电池堆15，电池堆组14的阴极尾气可直接进入末级电池堆15参与反应，最终流出末级MCFC的阳极的H2含量大大降低，提高了H2燃料利用率。末级MCFC电池堆的阳极和阴极尾气可混合进入催化燃烧反应器回收剩余的少量H2的能量，催化燃烧产物仅含H2O和少量CO2，回收热量降温到120℃排放到大气中。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种熔融碳酸盐燃料电池发电系统，其特征在于，包括：
电池堆组(14)；
末级电池堆(15)，阴极入口与电池堆组(14)的阴极出口连接；
产气管路，包括依次连接的产气组件、第一分离装置和解析装置；所述第一分离装置的第一出口与所述电池堆组(14)的阳极入口连接，第二出口与所述解析装置的进口连接，所述解析装置的出口与所述电池堆组(14)的阴极入口连接；
回收循环管路，包括第二分离装置；所述第二分离装置的进口与所述电池堆组(14)的阳极出口连接；所述第二分离装置的第一出口与末级电池堆(15)的阳极入口连接，第二出口与所述解析装置的进口连接。
2.根据权利要求1所述的熔融碳酸盐燃料电池发电系统，其特征在于，还包括：
催化燃烧装置，出口与末级电池堆(15)的阳极出口、阴极出口均连通；所述催化燃烧装置的出口与大气连通。
3.根据权利要求1所述的熔融碳酸盐燃料电池发电系统，其特征在于，所述产气组件包括依次连接的第一换热器(1)、重整器(2)和等温变换反应器(3)；所述第一换热器(1)的内部具有高温管路和低温管路；
第一换热器(1)的低温管路的进口适于与燃料气储存装置的出口连接，第一换热器(1)的低温管路的出口与所述重整器(2)的进口连接；所述重整器(2)的出口与第一换热器(1)的高温管路的进口连接，所述第一换热器(1)的高温管路的出口与等温变换反应器(3)的进口连接，等温变换反应器(3)的出口与第一分离装置连接。
4.根据权利要求3所述的熔融碳酸盐燃料电池发电系统，其特征在于，在所述产气组件和所述第一分离装置之间依次连接有再生重沸器(13)、变换水冷器(4)和脱硫装置(5)；
所述再生重沸器(13)具有可以相互交换热量的高热管路和低热管路；
所述等温变换反应器的出口与再生重沸器(13)的高热管路的进口连接，再生重沸器(13)的高热管路的出口与变换水冷器(4)的进口连接；所述变换水冷器(4)的出口与脱硫装置(5)的进口连接，脱硫装置(5)的出口与第一分离装置的进口连接。
5.根据权利要求4所述的熔融碳酸盐燃料电池发电系统，其特征在于，所述第一分离装置为变换气吸收塔；所述解析装置为解吸塔(7)；所述第二分离装置为低压吸收塔(10)；所述变换气吸收塔与所述解吸塔(7)之间设置有贫富液换热器(8)；
所述贫富液换热器(8)具有贫液管路和富液管路；
所述变换气吸收塔的第一出口与所述电池堆组(14)的阳极进口连接，所述变换气吸收塔的第二出口与贫富液换热管路的富液管路的进口连接，贫富液换热管路的富液管路的出口与解吸塔(7)的第一进口连接，解吸塔(7)的第一出口与电池堆组(14)的阴极入口连接。
6.根据权利要求5所述的熔融碳酸盐燃料电池发电系统，其特征在于，所述解吸塔(7)的第二出口与贫富液换热管路的贫液管路的进口连接，贫富液换热器(8)的贫液管路的出口与变换气吸收塔(6)的第二进口、低压吸收塔(10)的第二进口均连接。
7.根据权利要求6所述的熔融碳酸盐燃料电池发电系统，其特征在于，所述贫富液换热器(8)的贫液管路上设置有贫液泵(9)；所述贫富液换热器(8)的富液管路上设置有富液泵(11)。
8.根据权利要求5所述的熔融碳酸盐燃料电池发电系统，其特征在于，所述低压吸收塔(10)和所述变换气吸收塔中的吸收液为胺液。
9.根据权利要求1所述的熔融碳酸盐燃料电池发电系统，其特征在于，还包括：
第二换热器(16)，具有高温管路和低温管路；第二换热器(16)的高温管路的进口与电池堆的阳极出口连接，第二换热器(16)的高温管路的出口与低压吸收塔(10)的第一进口连接；第二换热器(16)的低温管路的进口与低压吸收塔(10)的第二出口连接，第二换热器(16)的低温管路的出口与末级电池堆(15)的阳极入口连接。
10.根据权利要求2所述的熔融碳酸盐燃料电池发电系统，其特征在于，还包括：
第三换热器(18)，一端与催化燃烧器(17)进行连通。
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