CN114300707B - 一种集成生物质气化和燃料电池的综合能源系统 - Google Patents
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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
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Ⅰ;AH2-空气预热器Ⅱ;AH3-空气预热器Ⅲ;C1-二氧化碳压缩机Ⅰ;C2-二氧化碳压缩机Ⅱ;C3-二氧化碳压缩机Ⅲ;C4-二氧化碳压缩机Ⅳ;COND1-冷凝器Ⅰ;COND2-冷凝器Ⅱ;COND3-冷凝器Ⅲ;COOL-冷却器;CPH-二氧化碳预热器;CT-二氧化碳储液罐;E1-引射器Ⅰ;E2-引射器Ⅱ;EVA1-蒸发器Ⅰ;EVA2-蒸发器Ⅱ;FC-燃料压缩机;HE-热水换热器;HRVG1-二氧化碳锅炉Ⅰ;HRVG2-二氧化碳锅炉Ⅱ;GAS-高温气化炉;GC1-中间冷却器Ⅰ;GC2-中间冷却器Ⅱ;GC3-中间冷却器Ⅲ;GC4-中间冷却器Ⅳ;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Ⅰ;S2-气液分离器Ⅱ;S3-气液分离器Ⅲ;S4-气液分离器Ⅳ;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Ⅰ;T2-透平Ⅱ;TV1-节流阀Ⅰ;TV2-节流阀Ⅱ;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;
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。
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ⅠHRVG1,透平ⅠIT1,回热器RE,引射器ⅡE2,冷凝器ⅡCOND2,二氧化碳泵P2。外部喷射式制冷循环EJRC包括冷凝器ⅢCOND3,节流阀ⅡTV2和蒸发器ⅡEVA2。内部喷射式制冷循环IJRC包括引射器ⅠE1,冷凝器ⅠCOND1,节流阀ⅠTV1,蒸发器ⅠEVA1,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ⅡHRVG2,透平ⅡT2,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ⅠT1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ⅢCOND3冷凝为液体,接着通过节流阀ⅡTV2节流降压送至蒸发器ⅡEVA2,低压低温流体36在蒸发器ⅡEVA2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ⅡCOND2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ⅠHRVG1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ⅠE1的引射流,它与被引射流67在引射器ⅠE1中混合,之后被冷凝器ⅠCOND1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ⅠT1的二氧化碳工质32加热,最后送至引射器ⅠE1;另一路65则通过节流阀ⅠTV1节流降压后送至蒸发器ⅠEVA1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ⅡAH2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ⅢAH3和二氧化碳锅炉ⅡHRVG2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ⅠS1将水一次分离,其余气体进入压缩机ⅠC1压缩,然后送至中间冷却器ⅠGC1冷却,然后依次通过气液分离器ⅡS2,压缩机ⅡC2,中间冷却器ⅡGC2,气液分离器ⅢS3,压缩机ⅢC3,中间冷却器ⅢGC3,气液分离器ⅣS4,压缩机ⅣC4,中间冷却器ⅣGC4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ⅠAH1,二氧化碳预热器CPH,二氧化碳锅炉ⅠHRVG1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ⅡT2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ⅡHRVG2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 (7)
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;
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;
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;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;
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。
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,所述固体氧化物燃料电池系统的阳极设置有阳极烟气回路。
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,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。
4.如权利要求3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。
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阴极设置有阴极烟气回路。
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。
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。
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PB01 | Publication | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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