CN114317031A - 一种实现高效发电与co2捕集的方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种实现高效发电与CO2捕集的方法，生物质与水蒸气在气化反应器中发生反应，气化所需热量由气化系统的燃烧反应器提供；气化产生的合成气进入固体氧化物燃料电池进行发电转化，从燃料电池阳极和阴极排出的尾气进入化学链燃烧系统，阳极尾气与高价态金属氧化物反应生成CO2和水，被还原的低价态金属氧化物在空气反应器和阴极尾气中的氧气反应，重新生成高价态金属氧化物，形成循环；燃料反应器排出富含CO2的烟气，和空气反应器排出尾气并行进入余热锅炉；给水吸收余热锅炉热量，生成高温水蒸气，进入高中低压气缸做功；本发明与生物质热转化结合，实现生物质气化‑发电与CO2捕集协同。
Description
技术领域
本发明涉及一种实现高效发电与CO2捕集的方法与装置，属于生物质流化床气化技术、固体氧化物燃料电池以及化学链燃烧技术领域。
背景技术
近年来，生物质气化技术由于其燃料适应性广、污染小等优点逐渐成为人们提倡的生物质处理方式，另外固体氧化物燃料电池由于其发电效率高、占地面积小等优点成为气化合成气最适配的动力装置，因此生物质气化-固体氧化物燃料电池发电系统在我国小城镇或农村地区有很大的发展前景。
燃料电池阳极排出气体存在不完全燃烧的问题，加入后燃烧室则会导致排放烟气中除CO2以外还含有O2、N2等气体，这些混合成分不利于CO2分离和捕集。在碳中和背景下，迫切需要发展新型高效的碳捕集技术实现发电系统的碳分离和捕集。
发明内容
本发明的目的在于克服现有固体氧化物燃料电池燃料转化率有限的问题，提供了一种实现高效发电与CO2捕集的方法与装置，与生物质热转化结合，实现生物质气化-发电与CO2捕集协同。
为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
第一方面，本发明提供了一种实现高效发电与CO2捕集的方法与装置，包括气化反应器、燃烧反应器、第一空气预热器、等离子体发生器、第一换热器、第二换热器、气体净化装置、固体氧化物燃料电池、燃料反应器、空气反应器、余热锅炉、第二空气预热器、高压缸、中压缸、低压缸、凝汽器；
所述气化反应器溢流槽出口与燃烧反应器相连，所述燃烧反应器烟气出口与第一空气预热器相连，所述气化反应器合成气出口与等离子体发生器入口相连，所述等离子体发生器出口与第一换热器热端进口相连，所述第一换热器热端出口与第二换热器热端进口相连，所述第二换热器热端出口与气体净化装置气体入口相连，所述气体净化装置出口与燃料电池阳极进口相连；
所述燃料电池阴极入口与第二空气预热器空气出口相连，所述燃料电池阳极出口与燃料反应器入口相连，所述燃料电池阴极出口与空气反应器入口相连，所述燃料反应器和空气反应器气体出口与余热锅炉气体入口相连，给水与余热锅炉给水入口相连；
所述余热锅炉气体出口与第二空气预热器热端进口相连，所述余热锅炉给水出口与高压缸入口相连，所述高压缸出口与中压缸入口相连，所述中压缸出口与低压缸入口相连，所述低压缸出口与凝汽器入口相连。
第二方面，本发明提供一种根据上述所述的实现高效发电与CO2捕集的装置的实现方法，包括：
生物质与水蒸气在气化系统的气化反应器中发生反应，部分未完全反应碳和惰性床料进入气化系统的燃烧反应器，空气经第一空气预热器预热后进入燃烧反应器，与未完全反应焦炭发生燃烧反应，释放热量，吸收热量的惰性床料被分离出来，重新落回气化反应器，为气化反应提供热量。
进一步的，还包括：
气化反应器生成的合成气进入等离子体发生器，合成气中的焦油被除去，后分别进入第一换热器和第二换热器，为进入燃料电池的燃气预热，最后进入气体净化装置，除去合成气中的硫氮化合物、灰尘、水分。
进一步的，还包括：
经过净化后的合成气进入燃料电池的阳极，与阴极的空气发生电化学反应，输出电能，从燃料电池阳极和阴极排放的气体进入化学链燃烧系统，阳极尾气在燃料反应器中和高价态金属氧化物反应生成CO2和水，被还原的低价态金属氧化物通过载体进入空气反应器，和阴极尾气中的氧气反应，重新生成高价态金属氧化物后再次进入燃料反应器，形成循环。
进一步的，还包括：
从化学链燃烧系统两个反应器排放的气体进入余热锅炉，给水吸收气体余热生成高温高压蒸汽，后依次进入高压缸、中压缸、低压缸，最后进入凝汽器释放热量，
进一步的，所述高压缸排出的蒸汽重新循环回到余热锅炉，再次加热后再进入中压缸，低压缸排出蒸汽抽出部分进入气化系统作为气化介质，余热锅炉排出的空气反应器尾气进入第二空气预热器，预热进入燃料电池的空气。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
1、将化学链燃烧系统耦合进生物质气化-固体氧化物燃料电池发电系统，利用燃料反应器不与空气直接接触的特点，大大提高了烟气中的CO2浓度，从而免去了CO2分离设备，实现了对排放烟气的CO2捕集，可以直接进行后续的利用；
2、化学链燃烧将燃料电池阳极尾气中不完全燃烧气体充分氧化，通过余热锅炉吸收化学链系统排放气体热量，生成高温高压水蒸气，后进入透平膨胀做功，从而增加了系统的输出电能，实现高效发电；
3、系统抽出部分低压缸排放水蒸气，作为气化介质送入气化系统的气化反应器，避免了借助外来热量生成气化水蒸气，实现了系统的自供热。
附图说明
图1为实现高效发电与CO2捕集的方法的流程示意图。
图中：1、气化反应器；2、燃烧反应器；3、第一空气预热器；4、等离子体发生器；5、第一换热器；6、第二换热器；7、气体净化装置；8、固体氧化物燃料电池；9、燃料反应器；10、空气反应器；11、余热锅炉；12、第二空气预热器；13、高压缸；14、中压缸；15、低压缸；16、凝汽器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
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，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
如图1所示，本实施例介绍一种实现高效发电与CO2捕集的方法与装置，包括：
包括气化反应器1、燃烧反应器2、第一空气预热器3、等离子体发生器4、第一换热器5、第二换热器6、气体净化装置7、固体氧化物燃料电池8、燃料反应器9、空气反应器10、余热锅炉11、第二空气预热器12、高压缸13、中压缸14、低压缸15、凝汽器16。
其中，气化反应器1溢流槽出口与燃烧反应器2相连，燃烧反应器2烟气出口与第一空气预热器3相连，气化反应器1合成气出口与等离子体发生器4入口相连，等离子体发生器4出口与第一换热器5热端进口相连，第一换热器5热端出口与第二换热器6热端进口相连，第二换热器6热端出口与气体净化装置7气体入口相连，气体净化装置7出口与燃料电池8阳极进口相连；
固体氧化物燃料电池8阴极入口与第二空气预热器12空气出口相连，固体氧化物燃料电池8阳极出口与燃料反应器9入口相连，燃料电池8阴极出口与空气反应器10入口相连，燃料反应器9和空气反应器10气体出口与余热锅炉11气体入口相连，给水与余热锅炉11给水入口相连；
余热锅炉11气体出口与第二空气预热器12热端进口相连，余热锅炉11给水出口与高压缸13入口相连，高压缸13出口与中压缸14入口相连，中压缸14出口与低压缸15入口相连，低压缸15出口与凝汽器16入口相连。
实施例2
本实施例提供一种根据实施例1所述的实现高效发电与CO2捕集的装置的实现方法，包括：
生物质与水蒸气在气化系统的气化反应器1中发生反应，部分未完全反应碳和惰性床料进入气化系统的燃烧反应器2，空气经第一空气预热器3预热后进入燃烧反应器2，与未完全反应焦炭发生燃烧反应，释放热量，吸收热量的惰性床料被分离出来，重新落回气化反应器1，为气化反应提供热量。
气化反应器1生成的合成气进入等离子体发生器4，合成气中的焦油被除去，后分别进入第一换热器5和第二换热器6，为进入燃料电池8的燃气预热，最后进入气体净化装置7，除去合成气中的硫氮化合物、灰尘、水分。
经过净化后的合成气进入固体氧化物燃料电池8的阳极，与阴极的空气发生电化学反应，输出电能，从固体氧化物燃料电池8阳极和阴极排放的气体进入化学链燃烧系统，阳极尾气在燃料反应器9中和高价态金属氧化物反应生成CO2和水，被还原的低价态金属氧化物通过载体进入空气反应器10，和阴极尾气中的氧气反应，重新生成高价态金属氧化物后再次进入燃料反应器9，形成循环。
从化学链燃烧系统两个反应器排放的气体进入余热锅炉11，给水吸收气体余热生成高温高压蒸汽，后依次进入高压缸13、中压缸14、低压缸15，最后进入凝汽器16释放热量，其中所述高压缸13排出的蒸汽重新循环回到余热锅炉11，再次加热后再进入中压缸14，低压缸15排出蒸汽抽出部分进入气化系统作为气化介质，余热锅炉11排出的空气反应器10尾气进入第二空气预热器12，预热进入燃料电池8的空气。
其中，化学链燃烧采用金属氧化物作为载氧体，载氧体可以为Fe2O3-Fe3O4或者NiO-Ni等过渡族金属氧化物，其中Fe2O3高价态-Fe3O4低价态，NiO高价态-Ni低价态。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种实现高效发电与CO2捕集的装置，其特征在于，包括：
包括气化反应器(1)、燃烧反应器(2)、第一空气预热器(3)、等离子体发生器(4)、第一换热器(5)、第二换热器(6)、气体净化装置(7)、固体氧化物燃料电池(8)、燃料反应器(9)、空气反应器(10)、余热锅炉(11)、第二空气预热器(12)、高压缸(13)、中压缸(14)、低压缸(15)、凝汽器(16)；
所述气化反应器(1)溢流槽出口与燃烧反应器(2)相连，所述燃烧反应器(2)烟气出口与第一空气预热器(3)相连，所述气化反应器(1)合成气出口与等离子体发生器(4)入口相连，所述等离子体发生器(4)出口与第一换热器(5)热端进口相连，所述第一换热器(5)热端出口与第二换热器(6)热端进口相连，所述第二换热器(6)热端出口与气体净化装置(7)气体入口相连，所述气体净化装置(7)出口与固体氧化物燃料电池(8)阳极进口相连；
所述固体氧化物燃料电池(8)阴极入口与第二空气预热器(12)空气出口相连，所述固体氧化物燃料电池(8)阳极出口与固体氧化物燃料反应器(9)入口相连，所述固体氧化物燃料电池(8)阴极出口与空气反应器(10)入口相连，所述燃料反应器(9)和空气反应器(10)气体出口与余热锅炉(11)气体入口相连，给水与余热锅炉(11)给水入口相连；
所述余热锅炉(11)气体出口与第二空气预热器(12)热端进口相连，所述余热锅炉(11)给水出口与高压缸(13)入口相连，所述高压缸(13)出口与中压缸(14)入口相连，所述中压缸(14)出口与低压缸(15)入口相连，所述低压缸(15)出口与凝汽器(16)入口相连。
2.一种根据权利要求1所述的实现高效发电与CO2捕集的装置的实现方法，其特征在于，包括：
生物质与水蒸气在气化系统的气化反应器(1)中发生反应，部分未完全反应碳和惰性床料进入气化系统的燃烧反应器(2)，空气经第一空气预热器(3)预热后进入燃烧反应器(2)，与未完全反应焦炭发生燃烧反应，释放热量，吸收热量的惰性床料被分离出来，重新落回气化反应器(1)，为气化反应提供热量。
3.根据权利要求2所述的实现方法，其特征在于，还包括：
气化反应器(1)生成的合成气进入等离子体发生器(4)，合成气中的焦油被除去，后分别进入第一换热器(5)和第二换热器(6)，为进入燃料电池(8)的燃气预热，最后进入气体净化装置(7)，除去合成气中的硫氮化合物、灰尘、水分。
4.根据权利要求2所述的实现方法，其特征在于，还包括：
经过净化后的合成气进入固体氧化物燃料电池(8)的阳极，与阴极的空气发生电化学反应，输出电能，从固体氧化物燃料电池(8)阳极和阴极排放的气体进入化学链燃烧系统，阳极尾气在燃料反应器(9)中和高价态金属氧化物反应生成CO2和水，被还原的低价态金属氧化物通过载体进入空气反应器(10)，和阴极尾气中的氧气反应，重新生成高价态金属氧化物后再次进入燃料反应器(9)，形成循环。
5.根据权利要求2所述的实现方法，其特征在于，还包括：
从化学链燃烧系统两个反应器排放的气体进入余热锅炉(11)，给水吸收气体余热生成高温高压蒸汽，后依次进入高压缸(13)、中压缸(14)、低压缸(15)，最后进入凝汽器(16)释放热量。
6.根据权利要求5所述的实现方法，其特征在于，所述高压缸(13)排出的蒸汽重新循环回到余热锅炉(11)，再次加热后再进入中压缸(14)，低压缸(15)排出蒸汽抽出部分进入气化系统作为气化介质，余热锅炉(11)排出的空气反应器(10)尾气进入第二空气预热器(12)，预热进入固体氧化物燃料电池(8)的空气。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20220412 |