CN114300707A

CN114300707A - 一种集成生物质气化和燃料电池的综合能源系统

Info

Publication number: CN114300707A
Application number: CN202111535240.8A
Authority: CN
Inventors: 于泽庭; 梁文兴
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2021-12-15
Filing date: 2021-12-15
Publication date: 2022-04-08
Anticipated expiration: 2041-12-15
Also published as: CN114300707B

Abstract

本发明属于能源系统技术领域，提供了一种集成生物质气化和燃料电池的综合能源系统，其包括顶循环系统和底循环系统；顶循环系统包括生物质气化系统，其依次通过净化分离装置和空气预热器与固体氧化物燃料电池系统相耦合；底循环系统包括二氧化碳捕集系统、跨临界二氧化碳循环系统和超临界二氧化碳再压缩动力循环系统；二氧化碳捕集系统用于对固体氧化物燃料电池系统的阳极出口气体中的二氧化碳进行捕捉；超临界二氧化碳再压缩动力循环系统通过二氧化碳预热器和二氧化碳锅炉对固体氧化物燃料电池系统的阴、阳极烟气废热进行直接回收；跨临界二氧化碳循环系统通过二氧化碳锅炉和热水换热器对固体氧化物燃料电池系统的阴极烟气废热进一步回收。

Description

一种集成生物质气化和燃料电池的综合能源系统

技术领域

本发明属于能源系统技术领域，尤其涉及一种集成生物质气化和燃料电池的综合能源系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

生物质气化是利用生物质能的主要方法之一，在气化剂的作用下，可产生氢气、甲烷、一氧化碳等合成气。固体氧化物燃料电池可将燃料的化学能直接转化为电能而不受卡诺效率的限制，因而效率较高。另外，固体氧化物燃料电池还具有环境污染少、燃料适应度好等优点。除此之外，固体氧化物燃料电池阴、阳极气体反应不直接接触。发明人发现，现有的生物质气化和燃料电池结合在一起的技术方案中，因燃料电池阳极烟气质量流量远小于燃料电池阴极烟气质量流量，因此现有技术大多并未对阳极烟气废热充分回收利用。

发明内容

为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种集成生物质气化和燃料电池的综合能源系统，其采用阳极出口气体进行纯氧燃烧，可极大提高二氧化碳的浓度，而且将阳极烟气作为超临界二氧化碳再压缩动力循环加热的一个环节，对其废热进行了深度回收，进一步提高了联供系统的热效率，不仅具有功、冷、热多联供和功、冷比可调节的功能，还能实现二氧化碳近零排放。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种集成生物质气化和燃料电池的综合能源系统，其包括顶循环系统和底循环系统；

所述顶循环系统包括生物质气化系统，其依次通过净化分离装置和空气预热器与固体氧化物燃料电池系统相耦合；

所述底循环系统包括二氧化碳捕集系统、跨临界二氧化碳循环系统和超临界二氧化碳再压缩动力循环系统；所述二氧化碳捕集系统用于对固体氧化物燃料电池系统的阳极出口气体中的二氧化碳进行捕捉；所述超临界二氧化碳再压缩动力循环系统通过二氧化碳预热器和二氧化碳锅炉对固体氧化物燃料电池系统的阴、阳极烟气废热进行直接回收；所述跨临界二氧化碳循环系统通过二氧化碳锅炉和热水换热器对固体氧化物燃料电池系统的阴极烟气废热进一步回收。

作为一种实施方式，所述底循环系统还包括外部喷射式制冷循环系统，其通过引射器与跨临界二氧化碳循环系统相耦合，用于通过控制引射器的引射系数来实现功/冷比的调节。

作为一种实施方式，所述跨临界二氧化碳循环系统和外部喷射式制冷循环系统的耦合过程为：

超临界二氧化碳工质经透平对外做功后降为亚临界压力，接着气体通过回热器向内部喷射式制冷循环系统提供热量自身降温后，分成两路，一路被送至冷凝器冷凝为液体，接着节流降压送至蒸发器，最后蒸发后的流体被引射器引入跨临界二氧化碳循环；另一路进入引射器作为引射流，与被引射流混合后被送至冷凝器冷凝，之后被加压至超临界压力后送入二氧化碳锅炉吸收来自烟气的热量后变为超临界二氧化碳工质，从而完成一个循环。

作为一种实施方式，所述底循环系统还包括内部喷射式制冷循环系统，其通过回热器与跨临界二氧化碳循环系统相耦合，用于对烟气废热进行间接回收。

作为一种实施方式，所述固体氧化物燃料电池系统的阳极设置有阳极烟气回路。

作为一种实施方式，在阳极烟气回路中，生物质和空气在生物质气化系统中发生化学反应产生的合成物，再经净化分离装置将杂质和氮气分离，分离后的气体经空气预热器释放热量后，送入燃料压缩机压缩，接着送至混合器与阳极回流气体混合，之后阳极气体被送入固体氧化物燃料电池系统的阳极。

作为一种实施方式，从所述固体氧化物燃料电池系统的阳极出来的气体分成两路，一路通过回流分流器返回混合器；另一路直接送入燃烧室与氧气燃烧，燃烧后的烟气，依次通过燃气轮机预热器、空气预热器和二氧化碳锅炉换热降温后送至二氧化碳捕集系统。

作为一种实施方式，所述固体氧化物燃料电池系统的阴极设置有阴极烟气回路。

作为一种实施方式，在所述阴极烟气回路中，空气依次经过空气预热器加热至固体氧化物燃料电池系统入口温度后送至固体氧化物燃料电池系统的阴极，与阳极气体发生电化学反应后，阴极排气通过燃气轮机预热器被来自燃烧室的气体加热后送至燃气轮机对外做功。

作为一种实施方式，从燃气轮机出来的气体依次通过空气预热器、二氧化碳预热器、二氧化碳锅炉和热水换热器释放热量，最后排入大气。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)该系统将生物质气化系统和固体氧化物燃料电池系统相结合，通过对换热器的合理布置对阳极烟气废热进行充分回收。另外，该系统采用固体氧化物燃料电池阳极出口气体纯氧燃烧的方式，并通过二氧化碳捕集系统(采用四级压缩中间冷却的方式)对二氧化碳进行捕捉，可实现二氧化碳近零排放。

(2)该系统通过对换热器的合理布置对阴极烟气热量进行了梯级回收。

(3)该系统通过跨临界二氧化碳循环系统、超临界二氧化碳再压缩动力循环系统以及换热器对固体氧化物燃料电池的阴、阳极烟气废热进行直接回收。另外，通过回热器引入内部喷射式制冷循环系统对烟气废热进行间接回收，既降低了二氧化碳进入引射器的温度，又可实现部分制冷的功能。

(4)该系统通过引射器，引入外部喷射式制冷循环系统，通过控制引射器的引射系数，可实现功、冷比的调节，从而满足用户对功、冷的不同需求。

(5)超临界二氧化碳再压缩动力循环系统先通过二氧化碳预热器被顶循环系统阴极排气预热，然后通过二氧化碳锅炉被顶循环系统阳极排气加热，从而对烟气废热进行了深度回收。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明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。

图1是本发明实施例的一种集成生物质气化和燃料电池的综合能源系统结构示意图。

其中，AB-燃烧室；AC-空气压缩机；AH1-空气预热器1；AH2-空气预热器2；AH3-空气预热器3；C1-二氧化碳压缩机1；C2-二氧化碳压缩机2；C3-二氧化碳压缩机3；C4-二氧化碳压缩机；COND1-冷凝器1；COND2-冷凝器2；COND3-冷凝器3；COOL-冷却器；CPH-二氧化碳预热器；CT-二氧化碳储液罐；E1-引射器1；E2-引射器2；EVA1-蒸发器1；EVA2-蒸发器2；FC-燃料压缩机；HE-热水换热器；HRVG1-二氧化碳锅炉1；HRVG2-二氧化碳锅炉2；GAS-高温气化炉；GC1-中间冷却器1；GC2-中间冷却器2；GC3-中间冷却器3；GC4-中间冷却器4；GT-燃气轮机；GTP-燃气轮机预热器；HTR-高温回热器；LTR-低温回热器；M-混合器；MC主压缩机；P1-丙烷泵；P2-二氧化碳泵；RC-再压缩机；RE-回热器；S1-气液分离器1；S2-气液分离器2；S3-气液分离器3；S4-气液分离器4；SEP-净化分离装置；SOFC-固体氧化物燃料电池；SP-回流分流器；T1-透平1；T2-透平2；TV1-节流阀1；TV2-节流阀2；WC-水冷凝器；CDCY-二氧化碳捕集系统；EJRC-外部喷射式制冷循环；IJRC-内部喷射式制冷循环；SCRPC-超临界二氧化碳再压缩动力循环；TCPC-跨临界二氧化碳循环。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

参照图1，本实施例提出了一种基于生物质气化和固体氧化物燃料电池的多联供系统。该系统由顶循环系统和底循环系统两部分组成。该系统不仅具有功、冷、热多联供和功、冷比可调节的功能，还能实现二氧化碳近零排放。

其中，所述顶循环系统包括生物质气化系统，其依次通过净化分离装置和空气预热器与固体氧化物燃料电池系统相耦合；

具体地，顶循环系统包括气化炉(GAS)，固体氧化物燃料电池(SOFC)，净化分离装置(SEP)，空气压缩机(AC)，燃料压缩机(FC)，燃气轮机(GT)，混合器(M)，回流分流器(SP)，燃烧室(AB)，燃气轮机预热器(GTP)以及三个空气预热器(AH1,AH2和AH3)。底循环系统由二氧化碳捕集系统(CDCY),跨临界二氧化碳循环(TCPC)，超临界二氧化碳再压缩动力循环(SCRPC)，外部喷射式制冷循环(EJRC)，内部喷射式制冷循环(IJRC)以及热水换热器(HE)组成。二氧化碳捕集系统(CDCY)包括，水冷凝器(WC)，气液分离器(S1,S2,S3和S4)，二氧化碳压缩机(C1,C2,C3和C4)，中间冷却器(GC1,GC2,GC3和GC4)和二氧化碳储液罐(CT)。跨临界二氧化碳循环(TCPC)包括二氧化碳锅炉1(HRVG1)，透平1(T1)，回热器(RE)，引射器2(E2)，冷凝器2(COND2)，二氧化碳泵(P2)。外部喷射式制冷循环(EJRC)包括冷凝器3(COND3),节流阀2(TV2)和蒸发器2(EVA2)。内部喷射式制冷循环(IJRC)包括引射器1(E1)，冷凝器1(COND1)，节流阀1(TV1)，蒸发器1(EVA1)，丙烷泵(P1)。超临界二氧化碳再压缩动力循环(SCRPC)包括二氧化碳锅炉2(HRVG2),透平2(T2)，高温回热器(HTR)，低温回热器(LTR)，主压缩机(MC)，再压缩机(RC)，冷却器(COOL)和二氧化碳预热器(CPH)。

在一些实施例中，所述底循环系统还包括外部喷射式制冷循环系统，其通过引射器与跨临界二氧化碳循环系统相耦合，用于通过控制引射器的引射系数来实现功/冷比的调节。

跨临界二氧化碳循环(TCPC)和外部喷射式制冷循环(EJRC)耦合原理描述：

超临界二氧化碳工质(31)经透平1(T1)对外做功后降为亚临界压力，接着气体(32)通过回热器(RE)向内部喷射式制冷循环(IJRC)提供热量自身降温后，分成两路，一路(34)被送至冷凝器3(COND3)冷凝为液体，接着通过节流阀2(TV2)节流降压送至蒸发器2(EVA2)，低压低温流体(36)在蒸发器2(EVA2)中吸收外部热量达到制冷效果，最后蒸发后的流体(37)被引射器(E2)引入跨临界二氧化碳循环(TCPC)。另一路(38)进入引射器(E2)作为引射流，与被引射流(37)混合后被送至冷凝器2(COND2)冷凝，之后被二氧化碳泵(P2)加压至超临界压力后送入二氧化碳锅炉1(HRVG1)吸收来自烟气(10)的热量后变为超临界二氧化碳工质(31)，从而完成一个循环。

在其他实施例中，所述底循环系统还包括内部喷射式制冷循环系统，其通过回热器与跨临界二氧化碳循环系统相耦合，用于对烟气废热进行间接回收。

内部喷射式制冷循环(IJRC)原理描述：

内部喷射式制冷循环(IJRC)以R600a为工质。高温高压的工质(59)作为引射器1(E1)的引射流，它与被引射流(67)在引射器1(E1)中混合，之后被冷凝器1(COND1)冷凝，接着分成两路，一路(62)经丙烷泵(P1)加压后送至回热器(RE)被来自透平1(T1)的二氧化碳工质(32)加热，最后送至引射器1(E1)；另一路(65)则通过节流阀1(TV1)节流降压后送至蒸发器1(EVA1)吸收外界热量，最后被引射至引射器(E1)。

本系统根据SOFC阴、阳级布置不同，将气体流动过程分成阳极烟气回收回路和阴极烟气回收回路。所述固体氧化物燃料电池系统的阳极设置有阳极烟气回路。

具体地，阳极烟气回收回路：生物质(13)和空气(14)在高温气化炉(GAS)中发生化学反应产生的合成物(15)经净化分离装置(SEP)将杂质和氮气(16)分离，分离后的气体经空气预热器2(AH2)释放热量后，送入燃料压缩机(FC)压缩，接着送至混合器(M)与阳极回流气体(29)混合，之后阳极气体(20)被送入固体氧化物燃料电池(SOFC)阳极。在SOFC中，阳极气体(20)与空气(5)发生电化学反应产生电能。从SOFC阳极出来的气体(21)分成两路，一路(29)通过回流分流器SP返回M；另一路(22)直接送入燃烧室(AB)与氧气(54)燃烧，燃烧后的高温烟气(23)(主要为CO₂和H₂O),依次通过燃气轮机预热器(GTP)，空气预热器3(AH3)和二氧化碳锅炉2(HRVG2)换热降温后送至二氧化碳捕集系统。在二氧化碳捕集系中，气体先被水冷凝器(WC)冷却，接着通过气液分离器1(S1)将水一次分离，其余气体进入压缩机1(C1)压缩，然后送至中间冷却器1(GC1)冷却，然后依次通过气液分离器2(S2)，压缩机2(C2)，中间冷却器2(GC2)，气液分离器3(S3)，压缩机3(C3)，中间冷却器3(GC3)，气液分离器4(S4)，压缩机4(C4)，中间冷却器4(GC4)对气体进行进一步分离、压缩和冷却，最后将高压液化的二氧化碳(28)送入二氧化碳储液罐(CT)进行贮存。

所述固体氧化物燃料电池系统的阴极设置有阴极烟气回路。

具体地，阴极烟气回收回路：空气(1)被空气压缩机压缩后，依次经过空气预热器(AH1,AH2和AH3)加热至SOFC入口温度后送至SOFC阴极，与阳极气体(20)发生电化学反应后，阴极排气(6)通过燃气轮机预热器(GTP)被来自燃烧室的气体(23)加热后送至燃气轮机(GT)对外做功。之后从GT出来的气体(8)依次通过空气预热器1(AH1),二氧化碳预热器(CPH)，二氧化碳锅炉1(HRVG1)和热水换热器(HE)释放热量，最后排入大气。

超临界二氧化碳再压缩动力循环：

处于超临界状态的二氧化碳工质(42)经透平2(T2)膨胀做功后依次进入高温回热器(HTR)，低温回热器(LTR)预冷，遇冷后的流体(45)分成两路，一路(46)经冷却器(COOL)冷却后流入主压缩机(MC)压缩，接着通过低温回热器(LTR)被流体(44)预热，成为低温预热流体(49)。另一路流体(50)则通过再压缩机(RC)压缩，之后与流体(49)汇合成为混合流体(52)，接着流体(52)通过高温回热器(HTR)被流体(43)加热，然后流入二氧化碳预热器(CPH)被顶循环系统阴极排气(9)预热成为流体(41)，最后流体(41)送入二氧化碳锅炉2(HRVG2)被顶循环系统阳极排气(25)加热，变为流体(42)，从而完成一个循环。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种集成生物质气化和燃料电池的综合能源系统，其特征在于，包括顶循环系统和底循环系统；

2.如权利要求1所述的集成生物质气化和燃料电池的综合能源系统，其特征在于，所述底循环系统还包括外部喷射式制冷循环系统，其通过引射器与跨临界二氧化碳循环系统相耦合，用于通过控制引射器的引射系数来实现功/冷比的调节。

3.如权利要求2所述的集成生物质气化和燃料电池的综合能源系统，其特征在于，所述跨临界二氧化碳循环系统和外部喷射式制冷循环系统的耦合过程为：

4.如权利要求1所述的集成生物质气化和燃料电池的综合能源系统，其特征在于，所述底循环系统还包括内部喷射式制冷循环系统，其通过回热器与跨临界二氧化碳循环系统相耦合，用于对烟气废热进行间接回收。

5.如权利要求1所述的集成生物质气化和燃料电池的综合能源系统，其特征在于，所述固体氧化物燃料电池系统的阳极设置有阳极烟气回路。

6.如权利要求5所述的集成生物质气化和燃料电池的综合能源系统，其特征在于，在阳极烟气回路中，生物质和空气在生物质气化系统中发生化学反应产生的合成物，再经净化分离装置将杂质和氮气分离，分离后的气体经空气预热器释放热量后，送入燃料压缩机压缩，接着送至混合器与阳极回流气体混合，之后阳极气体被送入固体氧化物燃料电池系统的阳极。

7.如权利要求6所述的集成生物质气化和燃料电池的综合能源系统，其特征在于，从所述固体氧化物燃料电池系统的阳极出来的气体分成两路，一路通过回流分流器返回混合器；另一路直接送入燃烧室与氧气燃烧，燃烧后的烟气，依次通过燃气轮机预热器、空气预热器和二氧化碳锅炉换热降温后送至二氧化碳捕集系统。

8.如权利要求1所述的集成生物质气化和燃料电池的综合能源系统，其特征在于，所述固体氧化物燃料电池系统的阴极设置有阴极烟气回路。

9.如权利要求8所述的集成生物质气化和燃料电池的综合能源系统，其特征在于，在所述阴极烟气回路中，空气依次经过空气预热器加热至固体氧化物燃料电池系统入口温度后送至固体氧化物燃料电池系统的阴极，与阳极气体发生电化学反应后，阴极排气通过燃气轮机预热器被来自燃烧室的气体加热后送至燃气轮机对外做功。

10.如权利要求9所述的集成生物质气化和燃料电池的综合能源系统，其特征在于，从燃气轮机出来的气体依次通过空气预热器、二氧化碳预热器、二氧化碳锅炉和热水换热器释放热量，最后排入大气。