CN113851673B - 一种固体氧化物燃料电池热电联供系统及其运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种固体氧化物燃料电池热电联供系统及其运行方法，包括SOFC电堆、燃料供给系统、空气供给系统、阳极尾气循环系统；该系统采用了阳极尾气循环，搭配燃料预热器，降低了阳极再循环气体的温度，降低了阳极尾气循环泵的选材要求，同时提高了系统发电效率，还省去了水处理系统和水蒸气发生器，避免了给水故障导致的降负荷、停机，提高系统可靠性的同时提高了系统电效率和热效率，省去了燃料预转化反应前的预热器、降低了系统复杂程度和体积。

Description

一种固体氧化物燃料电池热电联供系统及其运行方法
技术领域
本发明涉及固体氧化物燃料电池技术领域，尤其是一种固体氧化物燃料电池热电联供系统及其运行方法。
背景技术
固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC）是一种不经过燃烧过程直接以电化学反应方式将燃料（如天然气、H2、合成气、沼气、甲醇等）的化学能直接转化为电能的高效发电装置。相对于传统发电技术，SOFC发电系统具有燃料来源广、发电效率高、无NOx排放、可实现CO2集中排放等优点。SOFC系统作为一种高效、环保的新型发电设备，在住宅、酒店、医院、学校、办公楼宇、小区、数据中心、通讯基站等民工商业用户分布式电源领域具有广泛应用前景。
常规的以天然气为燃料的SOFC发电系统主要工艺部件包括SOFC电堆、燃料处理系统、空气供应系统、去离子水系统、尾气燃烧系统、换热器系统等。常规的SOFC发电系统采用外重整的SOFC电堆，工作过程中，给水通过去离子水系统和蒸气发生器与脱硫后的燃料混合，经过换热器升温后与进入重整器发生重整反应生成CO和H2等气体，然后进入电堆的阳极侧发生电化学反应，电堆阳极出口未反应完全的阳极尾气进入到燃烧器中，与电堆阴极出口的空气在燃烧器中混合燃烧，产生的高温烟气主要用于为重整反应提供热量、加热进入系统的常温空气、加热去离子水产生水蒸气、加热燃料等。
根据燃料发生重整反应位置的不同，可以将SOFC电堆分成内重整SOFC电堆和外重整SOFC电堆：燃料混合一定比例的水蒸气在700-800℃条件下经外部重整生成CO和H2然后进入电堆参与电化学反应，这种电堆为外重整电堆；而对于内重整电堆，燃料只需混合一定量的水蒸气在400-500℃条件下进行预转化反应，将C2、C3等多碳组分转化成C1和H2，大部分CH4进入电堆在电堆内部发生重整反应生成CO、H2并发生电化学反应。这两种SOFC电堆的发电系统都需要一定比例的水蒸气参与重整反应、预转化反应，为防止燃料反应过程中出现积碳影响反应催化剂、电堆的性能，燃气中要混入过量的水蒸气。水蒸气的参与对给水的稳定性、去离子水系统的稳定性、蒸气发生器的性能均提出了较高的要求，不仅增加了系统的复杂程度、系统体积，也使得系统存在给水中断导致负荷下降、停机等风险。
阳极尾气再循环指的是将SOFC电堆阳极尾气中的一部分混入新鲜的燃料，重新进入SOFC电堆参与电化学反应。阳极尾气再循环的优点是：①充分利用了电堆阳极尾气中未完全反应的可燃气体，有助于提高了系统的发电效率；②充分利用阳极尾气中的水蒸气，参与重整反应或者预转化反应，省去了去离子水系统和蒸气发生器，使系统摆脱了对给水的依赖，提高了系统热效率、降低了系统复杂程度和体积。但由于电堆阳极尾气温度较高，现有的气体循环泵很难满足要求，且系统在启动阶段无法利用阳极尾气中的水蒸气。
SOFC因其高效的发电效率和热效率受到了关注，但受限于关键技术发电效率和热效率仍未能达到预期，系统负载、体积较大，系统的可靠性也有待提高。阳极尾气再循环的应用将有效改善这些问题，是SOFC发电技术的发展方向。
发明内容
为解决常规固体氧化物燃料电池热电联供系统对给水依赖性强、系统复杂、体积大等技术问题，本发明提供如下技术方案：
为了实现以上目的，本发明是通过如下技术方案来实现：
本发明的第一目的在于提供一种固体氧化物燃料电池热电联供系统，包括SOFC电堆、燃料供给系统、空气供给系统、阳极尾气循环系统；
所述燃料供给系统包括脱硫器、启动加湿系统、预转化器、燃料预热器，其中，燃料输入管道与所述脱硫器的入口连接，所述脱硫器的出口经所述启动加湿系统后连接于所述预转化器的入口，所述预转化器的出口与所述燃料预热器的燃料入口连接，所述燃料预热器的燃料出口与所述SOFC电堆的电堆阳极的入口连接；其中所述启动加湿系统包括设置在连通所述脱硫器和所述预转化器的燃料直通管道上的第一阀门、与所述第一阀门并联的启动加湿旁路，所述启动加湿旁路包括第二阀门、第三阀门；所述预转化器的出口端设有烟气流量调节阀；
所述空气供给系统包括鼓风机和空气预热器，所述鼓风机的出口经所述空气预热器后连接于所述SOFC电堆的电堆阴极的入口；
所述阳极尾气循环系统包括阳极尾气循环泵和尾气处理系统，所述电堆阳极的尾气经所述燃料预热器换热后分两支管，一支管与所述阳极尾气循环泵的入口连接，所述阳极尾气循环泵的出口与所述脱硫器的出口连接，另一支管与所述尾气处理系统连接；
所述尾气处理系统包括燃烧器、余热回收换热器，所述电堆阳极的尾气的另一支管经所述燃烧器后又分两支路，一支路经所述预转化器后与所述余热回收换热器的入口连接，另一支路经所述空气预热器后与所述余热回收换热器的入口连接；
还包括所述固体氧化物燃料电池热电联供系统的运行方法：
步骤一：所述固体氧化物燃料电池热电联供系统启动时，关闭所述阳极尾气循环泵、打开所述第二阀门和所述第三阀门、关闭所述第一阀门、调小所述烟气流量调节阀的开度，通入燃料和空气；其中，燃料经所述脱硫器后通过启动加湿器混入适量水蒸气，然后经所述预转化器、所述燃料预热器进入所述电堆阳极，而空气在所述鼓风机作用下经所述空气预热器进入所述电堆阴极；所述电堆阳极出口的燃料气体经所述燃料预热器之后全部与所述电堆阴极出口的空气混合，然后进入所述燃烧器燃烧；而所述燃烧器的高温烟气分成两部分，一部分进入所述空气预热器中加热空气，加热后的空气进入所述电堆阴极加热电堆，另一部分进入所述预转化器，为预转化反应提供热量，且两部分烟气最终混合后经所述余热回收换热器排出系统；
步骤二：所述固体氧化物燃料电池热电联供系统升温阶段，空气与高温烟气换热后进入所述SOFC电堆，所述SOFC电堆的温度逐渐升高，待所述SOFC电堆达到预设温度、电压后，逐步拉载电流、提高燃料进气量，然后打开所述阳极尾气循环泵、关闭所述第二阀门和所述第三阀门、打开所述第一阀门、调整所述烟气流量调节阀开度，逐渐增加所述电堆阳极的尾气循环量、高温烟气进入所述预转化器的流量，系统逐渐达到额定工作状态；
步骤三：所述固体氧化物燃料电池热电联供系统正常工作状态下，关闭所述第二阀门和所述第三阀门、打开所述第一阀门和所述阳极尾气循环泵，脱硫后的燃料与所述电堆阳极的循环尾气混合，之后进入所述预转化器，然后经所述燃料预热器进入所述电堆阳极发生电化学反应；所述电堆阳极的尾气先进入所述燃料预热器换热、降温，然后分成两部分，一部分进入所述燃烧器燃烧、为系统提供热量，另一部分通过所述阳极尾气循环泵与脱硫后的燃料混合。
进一步的，所述启动加湿旁路包括所述启动加湿器、第一旁路管道、第二旁路管道、所述第二阀门、所述第三阀门，所述第一旁路管道上设有所述第二阀门，所述第一旁路管道的一端与所述第一阀门前端的所述燃料直通管道连接，另一端与所述启动加湿器的入口连接，所述第二旁路管道上设有所述第三阀门，所述第二旁路管道的一端与所述启动加湿器的出口连接，另一端与所述第一阀门后端的所述燃料直通管道连接。
进一步的，所述鼓风机的出口还与所述燃烧器的入口通过空气旁路管道连通，所述空气旁路管道上设有空气旁路阀门。
进一步的，所述预转化器为管壳式预转化器，其管内填充有用于发生预转化反应的催化剂。
进一步的，所述脱硫器中设有脱硫剂，所述脱硫剂为常温脱硫剂。
进一步的，当所述燃烧器的内部温度超过预定值时，打开所述空气旁路阀门。
进一步的，当所述固体氧化物燃料电池热电联供系统的用电负荷发生变化时，调整所述烟气流量调节阀的开度。
本发明的有益效果是：
设有阳极尾气循环系统，省去了水处理系统和水蒸气发生器，避免了给水故障导致的降负荷、停机，提高系统可靠性的同时提高了系统电效率和热效率，同时省去了燃料预转化反应前的预热器、降低了系统复杂程度和体积；
燃料预热器中，阳极的高温尾气与燃料换热，有效降低了阳极尾气的温度，降低了阳极尾气循环泵的选材要求；
采用内重整SOFC电堆，系统无需吸热量大、换热面积大的重整器，只需搭配吸热量少、换热面积小的预转化器，减小了系统复杂程度和体积，同时降低了电堆的工作温度、电堆进出口空气和燃料的温度，降低了系统选材和密封要求。
附图说明
图1为本发明的系统示意图；
图中：1、SOFC电堆；2、电堆阴极；3、电堆阳极；4、脱硫器；5、预转化器；6、燃料预热器；7、阳极尾气循环泵；8、燃烧器；9、空气预热器；10、余热回收换热器；11、鼓风机；12、烟气流量调节阀；13、空气旁路阀门；14、第一阀门；15、第二阀门；16、启动加湿器；17、第三阀门。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明做详细描述：
如图1所示，本发明的第一目的在于提供一种固体氧化物燃料电池热电联供系统，包括SOFC电堆1、燃料供给系统、空气供给系统、阳极尾气循环系统；
燃料供给系统包括脱硫器4、启动加湿系统、预转化器5、燃料预热器6，其中，燃料输入管道与脱硫器4的入口连接，脱硫器4的出口经启动加湿系统后连接于预转化器5的入口，预转化器5的出口与燃料预热器6的燃料入口连接，燃料预热器6的燃料出口与SOFC电堆1的电堆阳极3的入口连接；
空气供给系统包括鼓风机11和空气预热器9，鼓风机11的出口经空气预热器9后连接于SOFC电堆1的电堆阴极2的入口；
阳极尾气循环系统包括阳极尾气循环泵7和尾气处理系统，电堆阳极3的尾气经燃料预热器6换热后分两支管，一支管与阳极尾气循环泵7的入口连接，阳极尾气循环泵7的出口与脱硫器4的出口连接，另一支管与尾气处理系统连接；
尾气处理系统包括燃烧器8、余热回收换热器10，其中余热回收换热器10为现有技术，电堆阳极3的尾气的另一支管经燃烧器8后又分两支路，一支路经预转化器5后与余热回收换热器10的入口连接，另一支路经空气预热器9后与余热回收换热器10的入口连接；
正常运行过程中，燃料经过脱硫器4后与阳极尾气循环泵7出口的电堆阳极3的尾气混合，燃料混入水蒸气、温度提升至指定温度后进入预转化器5，燃料在预转化器5内的反应管中发生催化反应，转化为适应SOFC电堆1电化学反应的气体组分，再进入燃料预热器6与电堆阳极3排出的高温阳极尾气发生换热，燃料温度升至指定温度后进入电堆阳极3进行电化学反应；电堆阳极3出口的尾气先进入燃料预热器6换热、降温，然后分成两部分，一部分进入燃烧器8、一部分进入阳极尾气循环泵7实现再循环；进入燃烧器8的阳极尾气燃烧产生的高温烟气分成两部分，一部分进入空气预热器9加热鼓风机11出口的常温空气，一部分进入预转化器5的壳程为预转化反应提供热量，这两部分烟气再次混合后进入余热回收换热器10与水换热后，最终排出系统；常温空气在鼓风机11作用下进入空气预热器9，与高温烟气换热，温度升高到指定温度进入电堆阴极2；该系统可采用天然气、甲烷、沼气等为燃料进行发电和供热。
启动加湿系统包括设置在连通脱硫器4和预转化器5的燃料直通管道上的第一阀门14、与第一阀门14并联的启动加湿旁路；其中，启动加湿旁路包括启动加湿器16、第一旁路管道、第二旁路管道、第二阀门15、第三阀门17，第一旁路管道上设有第二阀门15，第一旁路管道的一端与第一阀门14前端的燃料直通管道连接，另一端与启动加湿器16的入口连接，第二旁路管道上设有第三阀门17，第二旁路管道的一端与启动加湿器16的出口连接，另一端与第一阀门14后端的燃料直通管道连接；在系统启动阶段打开第二阀门15和第三阀门17、关闭第一阀门14和阳极尾气循环泵7，燃气加湿后进入预转化器5；在系统正常工作时关闭第二阀门15和第三阀门17、打开第一阀门14和阳极尾气循环泵7。
电堆阴极2的尾气与经燃料预热器6换热后的一部分的电堆阳极3的尾气混合并进入燃烧器8进行燃烧。电堆阴极2的尾气与电堆阳极3的尾气混合并进入燃烧器8进行燃烧；一定温度的尾气在燃烧器8中升温减少耗能，且尾气的循环利用节省成本以及环保。
鼓风机11的出口还与燃烧器8的入口通过空气旁路管道连通，空气旁路管道上设有空气旁路阀门13；当燃烧器8温度过高时，空气旁路阀门13打开通入常温空气降低燃烧器8的温度，防止烟气温度过高导致电堆入口空气温度过高、预转化器5内反应温度过高，而影响系统的正常运行。
预转化器5为管壳式预转化器5，其管内填充发生预转化反应的催化剂；燃烧器8出口的高温烟气一部分进入预转化器5的壳程、加热管内的催化剂，脱硫后的燃气与阳极再循环尾气混合后进入预转化器5的管程发生预转化反应，转化为适应SOFC电堆1电化学反应的气体组分，避免多碳组分进入SOFC电堆1形成积碳影响电堆工作性能、降低电堆使用寿命。
预转化器5的出口端设有烟气流量调节阀12；当该系统负荷变化导致燃气流量变化、阳极再循环尾气流量变化时，烟气流量调节阀12可以调节进入预转化器5的烟气流量，从而保证预转化反应在最佳温度下进行。
脱硫器4中采用常温脱硫剂；燃料脱硫前无需换热升温，减小了系统复杂程度和体积，且有利于脱硫剂的快速更换。
本发明的第二目的在于提供一种固体氧化物燃料电池热电联供系统的运行方法，其特征在于，包括如下内容：
步骤一：固体氧化物燃料电池热电联供系统启动时，关闭阳极尾气循环泵7、打开第二阀门15和第三阀门17、关闭第一阀门14、调小烟气流量调节阀12的开度，通入燃料和空气；其中，燃料经脱硫器4后通过启动加湿器16混入适量水蒸气，然后经预转化器5、燃料预热器6进入电堆阳极3，而空气在鼓风机11作用下经空气预热器9进入电堆阴极2；电堆阳极3出口的燃料气体经燃料预热器6之后全部与电堆阴极2出口的空气混合，然后进入燃烧器8燃烧；而燃烧器8的高温烟气分成两部分，一部分进入空气预热器9中加热空气，加热后的空气进入电堆阴极2加热SOFC电堆1，另一部分进入预转化器5，为预转化反应提供热量，且两部分烟气最终混合后经余热回收换热器10排出系统；
步骤二：固体氧化物燃料电池热电联供系统升温阶段，空气与高温烟气换热后进入SOFC电堆1，SOFC电堆1的温度逐渐升高，待SOFC电堆1达到指定温度、电压后，逐步拉载电流、提高燃料进气量，然后打开阳极尾气循环泵7、关闭第二阀门15和第三阀门17、打开第一阀门14、调整烟气流量调节阀12开度，逐渐增加电堆阳极3的尾气循环量、高温烟气进入预转化器5的流量，系统逐渐达到额定工作状态，之后即可正常工作；
步骤三：固体氧化物燃料电池热电联供系统正常工作状态下，关闭第二阀门15和第三阀门17、打开第一阀门14和阳极尾气循环泵7，脱硫后的燃料与电堆阳极3的循环尾气混合，之后进入预转化器5，然后经燃料预热器6进入电堆阳极3发生电化学反应；电堆阳极3的尾气先进入燃料预热器6换热、降温，然后分成两部分，一部分进入燃烧器8燃烧、为系统提供热量，另一部分通过阳极尾气循环泵7与脱硫后的燃料混合。
其中，当燃料热值较高，导致电堆阳极3尾气热值增加、燃烧器8的内部温度超过预定值时，打开空气旁路阀门13，通入适量常温空气对燃烧器8进行冷却，从而调整系统内其他换热部件的温度；
其中，当固体氧化物燃料电池热电联供系统的用电负荷发生变化时，改变燃料流量、调整烟气流量调节阀12的开度对系统发电功率进行调整。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此即限制本发明的专利保护范围，凡是运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种固体氧化物燃料电池热电联供系统，其特征在于，包括SOFC电堆、燃料供给系统、空气供给系统、阳极尾气循环系统；
所述燃料供给系统包括脱硫器、启动加湿系统、预转化器、燃料预热器，其中，燃料输入管道与所述脱硫器的入口连接，所述脱硫器的出口经所述启动加湿系统后连接于所述预转化器的入口，所述预转化器的出口与所述燃料预热器的燃料入口连接，所述燃料预热器的燃料出口与所述SOFC电堆的电堆阳极的入口连接；其中所述启动加湿系统包括设置在连通所述脱硫器和所述预转化器的燃料直通管道上的第一阀门、与所述第一阀门并联的启动加湿旁路，所述启动加湿旁路包括第二阀门、第三阀门；所述预转化器的出口端设有烟气流量调节阀；
所述空气供给系统包括鼓风机和空气预热器，所述鼓风机的出口经所述空气预热器后连接于所述SOFC电堆的电堆阴极的入口；
所述阳极尾气循环系统包括阳极尾气循环泵和尾气处理系统，所述电堆阳极的尾气经所述燃料预热器换热后分两支管，一支管与所述阳极尾气循环泵的入口连接，所述阳极尾气循环泵的出口与所述脱硫器的出口连接，另一支管与所述尾气处理系统连接；
所述尾气处理系统包括燃烧器、余热回收换热器，所述电堆阳极的尾气的另一支管经所述燃烧器后又分两支路，一支路经所述预转化器后与所述余热回收换热器的入口连接，另一支路经所述空气预热器后与所述余热回收换热器的入口连接；
还包括所述固体氧化物燃料电池热电联供系统的运行方法：
步骤一：所述固体氧化物燃料电池热电联供系统启动时，关闭所述阳极尾气循环泵、打开所述第二阀门和所述第三阀门、关闭所述第一阀门、调小所述烟气流量调节阀的开度，通入燃料和空气；其中，燃料经所述脱硫器后通过启动加湿器混入适量水蒸气，然后经所述预转化器、所述燃料预热器进入所述电堆阳极，而空气在所述鼓风机作用下经所述空气预热器进入所述电堆阴极；所述电堆阳极出口的燃料气体经所述燃料预热器之后全部与所述电堆阴极出口的空气混合，然后进入所述燃烧器燃烧；而所述燃烧器的高温烟气分成两部分，一部分进入所述空气预热器中加热空气，加热后的空气进入所述电堆阴极加热电堆，另一部分进入所述预转化器，为预转化反应提供热量，且两部分烟气最终混合后经所述余热回收换热器排出系统；
步骤二：所述固体氧化物燃料电池热电联供系统升温阶段，空气与高温烟气换热后进入所述SOFC电堆，所述SOFC电堆的温度逐渐升高，待所述SOFC电堆达到预设温度、电压后，逐步拉载电流、提高燃料进气量，然后打开所述阳极尾气循环泵、关闭所述第二阀门和所述第三阀门、打开所述第一阀门、调整所述烟气流量调节阀开度，逐渐增加所述电堆阳极的尾气循环量、高温烟气进入所述预转化器的流量，系统逐渐达到额定工作状态；
步骤三：所述固体氧化物燃料电池热电联供系统正常工作状态下，关闭所述第二阀门和所述第三阀门、打开所述第一阀门和所述阳极尾气循环泵，脱硫后的燃料与所述电堆阳极的循环尾气混合，之后进入所述预转化器，然后经所述燃料预热器进入所述电堆阳极发生电化学反应；所述电堆阳极的尾气先进入所述燃料预热器换热、降温，然后分成两部分，一部分进入所述燃烧器燃烧、为系统提供热量，另一部分通过所述阳极尾气循环泵与脱硫后的燃料混合。
2.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池热电联供系统，其特征在于，所述启动加湿旁路包括所述启动加湿器、第一旁路管道、第二旁路管道、所述第二阀门、所述第三阀门，所述第一旁路管道上设有所述第二阀门，所述第一旁路管道的一端与所述第一阀门前端的所述燃料直通管道连接，另一端与所述启动加湿器的入口连接，所述第二旁路管道上设有所述第三阀门，所述第二旁路管道的一端与所述启动加湿器的出口连接，另一端与所述第一阀门后端的所述燃料直通管道连接。
3.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池热电联供系统，其特征在于，所述鼓风机的出口还与所述燃烧器的入口通过空气旁路管道连通，所述空气旁路管道上设有空气旁路阀门。
4.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池热电联供系统，其特征在于，所述预转化器为管壳式预转化器，其管内填充有用于发生预转化反应的催化剂。
5.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池热电联供系统，其特征在于，所述脱硫器中设有脱硫剂，所述脱硫剂为常温脱硫剂。
6.根据权利要求3所述的固体氧化物燃料电池热电联供系统，其特征在于，当所述燃烧器的内部温度超过预定值时，打开所述空气旁路阀门。
7.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池热电联供系统，其特征在于，当所述固体氧化物燃料电池热电联供系统的用电负荷发生变化时，调整所述烟气流量调节阀的开度。
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