CN114542223A - 一种发电方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发电方法及系统，涉及发电技术领域，能够提高发电系统的发电效率。上述发电方法包括固体氧化物燃料电池发电步骤和阿拉姆循环发电步骤，阿拉姆循环步骤利用固体氧化物燃料电池发电步骤产生的工艺气体为原料来进行发电。上述发电系统包括固体氧化物燃料电池、气体压缩装置、燃烧装置、第一膨胀发电装置和分离装置，气体压缩装置、燃烧装置、第一膨胀发电装置和分离装置依次连通，并且气体压缩装置的进气口与氧化物燃料电池的工艺气体出口连通；分离装置的出气口与燃烧装置的进气口连通。
Description
技术领域
本发明涉及发电技术领域，尤其涉及一种发电方法及系统。
背景技术
集成气化燃料电池(Integrated Gasification Fuel Cell，缩写为IGFC)系统是一种基于固体燃料和固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，缩写为SOFC)的气化发电的系统。常用的IGFC系统进行发电时，将固体燃料气化以产生合成气，并将合成气输送至固体氧化物燃料电池的阳极，并将空气等含氧气体压缩至固体氧化物燃料电池的阴极，使合成气和含氧气体发生电化学反应来进行发电。发电的过程中，SOFC的阳极排出含有碳化合物的废气经过氧化燃烧，将未反应的碳化合物转化为二氧化碳，并将未反应的H2转化为H2O。
相对于传统的化石燃料发电设备，集成气化燃料电池(IGFC)系统具有更高的电能转化率的同时，污染物的排放也较少，因此，IGFC系统有望在发电领域得到广泛应用。
但是，由于固体燃料电池的单程燃料转换率较低，导致固体氧化物燃料电池排出的出含碳化合物的废气中未反应的燃料气体占比较大。同时，固体氧化物燃料电池排出的含碳化合物的废气氧化燃烧时产生的热量并未得到充分利用，使得集成气化燃料电池(IGFC)系统的发电效率较低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种发电方法和系统，用于提高发电系统的发电效率。
为了实现上述目的，本发明提供了一种发电方法。该发电方法包括：
固体氧化物燃料电池发电步骤，所述固体氧化物燃料电池发电步骤包括：
将燃料气体输送至所述固体氧化物燃料电池的阳极，将含氧气体输送至所述固体氧化物燃料电池的阴极，使所述燃料气体和所述含氧气体发生电化学反应来发电，并排出工艺气体；其中，所述工艺气体包括未反应的燃料气体、未反应的含氧气体和反应后的气体。
阿拉姆循环发电步骤，所述阿拉姆循环发电步骤包括：
工艺气体燃烧操作：压缩所述工艺气体，然后在二氧化碳循环流体的存在下使所述工艺气体燃烧，得到含二氧化碳的燃烧气流。
膨胀发电操作：使所述含有二氧化碳的燃烧气流膨胀发电，得到混合减压气流；
二氧化碳收集循环操作：从所述混合减压气流中分离出二氧化碳，使所述二氧化碳形成所述二氧化碳循环流体，并将所述二氧化碳循环流体输送至所述工艺气体燃烧操作。
与现有技术相比，本发明提供的发电方法中，在固体氧化物燃料电池发电步骤中，能够利用燃料气体作为固体氧化物燃料电池的阳极进行发电，并产生工艺气体，其中工艺气体包括未反应的燃料气体。在阿拉姆循环发电步骤中，能够利用二氧化碳循环流体来输送工艺气体，使得工艺气体能够高效燃烧产生含有二氧化碳的燃烧气体。含有二氧化碳的燃烧气体能够膨胀发电，产生额外的电能，从而能够提高燃料的发电效率。
由此可知，本发明提供的发电方法，能够将固体氧化物燃料电池和阿拉姆循环相结合，阿拉姆循环能够充分利用工艺气体中未反应燃料气体和工艺气体的温度来进行发电，从而可以提高燃料的发电效率。
本发明还提供了一种发电系统。该发电系统包括：固体氧化物燃料电池、气体压缩装置、燃烧装置、第一膨胀发电装置和分离装置，气体压缩装置、燃烧装置、第一膨胀发电装置和分离装置依次连通：
固体氧化物燃料电池具有：燃料气体形成的阳极、含氧气体形成的阴极、阳极和阴极发生电化学反应后的工艺气体、与阳极连接的阳极进料口、与阴极连接的阴极进料口、用于排出工艺气体的工艺气体出口；
气体压缩装置的进气口与工艺气体出口连通；分离装置的出气口与燃烧装置的进气口连通。
与现有技术相比，本发明提供的发电系统的有益效果与上述发电方法的有益效果相同，在此不做赘述。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，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。在附图中：
图1为本申请提供的发电方法的流程图之一；
图2为本申请提供的发电方法的流程图之二；
图3为本申请提供的发电方法的流程图之三；
图4为本申请提供的发电系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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作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。
集成气化燃料电池(Integrated Gasification Fuel Cell，缩写为IGFC)系统是一种基于固体燃料和固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，缩写为SOFC)的气化发电系统。
常用的IGFC系统一般包括气化炉和固体氧化物燃料电池。利用IGFC系统进行发电时，主要包括以下步骤：
将含碳燃料(如：煤)通入至气化炉中发生气化反应，生成合成气，其中合成气包括一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、氢气(H2)和水(H2O)。然后将合成气通入至固体氧化物燃料电池的阳极，并向固体氧化物燃料电池的阴极通入含氧气体，使得合成气与含氧气体发生电化学反应来进行发电。相对于传统的化石燃料发电设备，IGFC系统中SOFC的工作温度较高，因此，SOFC中电化学反应的速度较快，电池的输出功率密度大，使得IGFC系统具有较高的电能转换率。同时，IGFC系统发电的过程中不涉及燃烧，因此，排放物主要为二氧化碳和水，不会产生固体颗粒物或其他酸性气体，因此，IGFC系统的排放物中污染物的含量较低。并且，IGFC系统在发电的过程中的水主要用于与固体燃料发生气化反应，因此，IGFC系统的耗水量也较低。由上可知，IGFC系统有望在发电领域得到广泛的应用。
然而，IGFC系统的固体氧化物燃料电池存在单程燃料转化率较低的问题，同时，固体氧化物燃料电池的出口处的热量并未充分利用，固体氧化物燃料电池排出的含碳化合物的废气氧化燃烧产生的热量也未充分利用，使得IGFC系统中燃料的发电效率较低。
为了提高IGFC系统中燃料的发电效率，相关技术1中，可以将IGFC系统和燃气轮机联合循环(Gas Turbine Combined-cycle，缩写为GTCC)相结合组成发电系统来进行发电，能够将发电系统的发电效率提高至53％。但是，由于GTCC的成本较高，导致将IGFC系统和GTCC相结合组成的发电系统的发电成本较高。
相关技术2中，还通过调整含碳燃料在气化炉中进行气化反应时的气化工艺，使合成气中的甲烷的含量提高，来提高IGFC系统的发电效率。但是，目前能够提高合成气中甲烷含量的气化工艺得到的合成气中会存在可冷凝物或其他杂质，影响固体氧化物燃料电池的正常工作。
或者，相关技术3中，还可以利用固体氧化物燃料电池排出的废气的温度来加热燃料气体和含氧气体，从而提高固体氧化物燃料电池的效率，进而提高IGFC系统的系统效率。但是，利用固体氧化物燃料电池排出的废气的温度来加热燃料气体和含氧气体对固体氧化物燃料电池的效率时，固体氧化物燃料电池的效率提高的幅度较小，而IGFC系统的成本又大大提高，导致IGFC系统的发电成本较高。
相关技术4中，在IGFC系统中的设置多个SOFC，并且上游的SOFC的出气口与下游的SOFC的阳极进气口连通，从而可以提高IGFC系统的燃料转化率。但是，由于IGFC系统需要设置多个SOFC，会导致IGFC系统的占用空间和成本均增大。
实施例一
本发明实施例提供了一种发电方法。参见图1～图3，该发电方法包括步骤500和步骤700(S500和S700)：
S500：固体氧化物燃料电池发电步骤，该固体氧化物燃料电池发电步骤包括：
将燃料气体输送至固体氧化物燃料电池的阳极，将含氧气体输送至固体氧化物燃料电池的阴极，使燃料气体和含氧气体发生电化学反应来发电，同时排出工艺气体；其中，工艺气体包括未反应的燃料气体、未反应的含氧气体和反应后的气体。
应理解，固体氧化物燃料电池包括：燃料气体形成的阳极、含氧气体形成的阴极、阳极和阴极发生电化学反应后的工艺气体、与阳极连通的阳极进料口、与阴极连通的阴极进料口和用于排出工艺气体的工艺气体出口。上述燃料气体通过阳极进料口输送至固体氧化物燃料电池的阳极。上述含氧气体通过阴极进料口输送至固体氧化物燃料电池的阴极。上述工艺气体从工艺气体出口排出固体氧化物燃料电池之外。
上述燃料气体可以根据实际情况进行选择，只要燃料气体能够与氧气发生电化学反应，并生成二氧化碳即可。例如：上述燃料气体可以为天然气、甲烷、高级烃或者煤气化反应产物。
上述含氧气体指的是含有氧气的气体，上述含氧气体中的氧气的含量应能够与燃料气体充分进行电化学反应。如：上述含氧气体可以为空气，当然也可以为纯氧气。并且，为了保证含氧气体与燃料气体发生的电化学反应的效率，可以将含氧气体压缩后通入至固体氧化物燃料电池的阴极。
上述反应后的气体可以根据燃料气体的种类进行确定，一般情况下，上述反应后的气体包括二氧化碳和水。
当上述燃料气体为煤气化反应产物时，由于煤气化反应产物为CO、CO2和H2，因此，燃料气体和含氧气体发生电化学反应时，固体氧化物燃料电池的阳极的反应过程为：
CO+H2O→H2+CO2 (1)；
H2+O2-→H2O+2e- (2)；
CO+O-→CO2+2e- (3)。
同时，固体氧化物燃料电池的阴极的反应过程为：
O2+4e-→2O2- (4)。
由此可知，上述固体氧化物燃料电池中，含氧气体与燃料气体之间的总反应为：
2H2+O2→H2O (5)；
CO+O2→2CO2 (6)。
需要说明的是，燃料气体与含氧气体发生电化学反应，使得固体氧化物燃料电池发电过程中，固体氧化物燃料内的工作温度为650℃～1000℃，因此，固体氧化物燃料电池排出的工艺气体的温度也为650℃～1000℃。
同时，由于固体氧化物燃料电池一般在常压或者低压下运行，因此，固体氧化物燃料电池排出的工艺气体也处于常压或者低压状态。
并且，由于固体氧化物燃料电池的单程转化率较低，因此工艺气体中CO和H2的总体积占工艺气体总体积的10％～50％。
S700：阿拉姆(Allam)循环发电步骤，阿拉姆循环发电步骤包括：
S710：工艺气体燃烧操作，压缩上述工艺气体，然后在二氧化碳循环流体的存在下使工艺气体燃烧，得到含二氧化碳的燃烧气流。也就是说，将工艺气体在超过二氧化碳的临界压力的压力下燃烧。此时，二氧化碳循环流体能够将工艺气体燃烧的温度控制在所需的范围内，从而可以将含有二氧化碳的燃烧气流的温度控制在所需的温度范围内。进而可以增加二氧化碳的燃烧气流中能够转换为电能的能量。
具体的，上述二氧化碳循环流体中的CO2与工艺气体中的C的摩尔比为10～50(优选为10～30)。
可以控制工艺气体燃烧的温度为1300℃～3300℃，那么得到的含二氧化碳的燃烧气流的温度也至少为800℃。含二氧化碳的燃烧气流的压力至少为二氧化碳循环流体压力的90％。
应理解，上述二氧化碳循环流体为超临界二氧化碳循环流，二氧化碳循环流体的温度至少为200℃优选为至少400℃。二氧化碳循环流体的温度压强可以为8MPa～20MPa(优选为12MPa)，密度为200kg/m3。
需要说明的是，压缩后的工艺气体的压强为8Mpa～20Mpa。
S720：膨胀发电操作：使含有二氧化碳的燃烧气流膨胀发电，使得含有二氧化碳的燃烧气流的压力降低，得到混合减压气流。应理解，含有二氧化碳的燃烧气流膨胀发电时，主要通过含有二氧化碳的燃烧气流膨胀的动力做功来驱动发电机进行发电。需要说明的是，含有二氧化碳的燃烧气流的压强与混合减压气流的压强之比小于12(优选为1.5～10。进一步优选为2～8)，并且混合减压气流的压强应为7MPa左右。
S730：二氧化碳收集循环操作，从混合减压气流中分离出二氧化碳，并使二氧化碳形成上述二氧化碳循环流体，并将二氧化碳循环流体输送至工艺气体燃烧操作，使得二氧化碳循环流体能够用于输送工艺气体。
需要说明的是，从混合减压气流中分离出二氧化碳的方法有多种。在本申请实施例中，可以将混合减压气流冷却至水露点的温度，使得混合减压气流中的水和多种次要组分冷凝，形成包含H2SO4、HNO3、HCl和Hg中一种或多种溶液，从而可以从混合减压气流中分离出二氧化碳。
本发明提供的发电方法中，在固体氧化物燃料电池发电步骤中，能够利用燃料气体作为固体氧化物燃料电池的阳极进行发电，并产生工艺气体，其中工艺气体包括未反应的燃料气体。在阿拉姆循环发电步骤中，能够利用二氧化碳循环流体来输送工艺气体，使得工艺气体能够高效燃烧产生含有二氧化碳的燃烧气体。含有二氧化碳的燃烧气体能够膨胀发电，产生额外的电能，从而能够提高燃料的发电效率。
由此可知，本发明提供的发电方法，能够将固体氧化物燃料电池和阿拉姆循环相结合，阿拉姆循环能够充分利用工艺气体中未反应燃料气体和工艺气体的温度来进行发电，从而可以提高燃料的发电效率。
作为一种可能的实现方式，参见图1～图3上述在从混合减压气流中分离出二氧化碳之后，S730公开的二氧化碳收集循环操作还包括：
将分离得到的二氧化碳分为第一路二氧化碳、第二路二氧化碳和第三路二氧化碳。第一路二氧化碳形成二氧化碳循环流体，并将二氧循环流体输送至工艺气体燃烧操作来输送工艺气体，使得工艺气体能够充分燃烧。需要说明的是，第一路二氧化碳中二氧化碳的摩尔浓度与二氧化碳循环流体中二氧化碳的摩尔浓度相等。
将第二路二氧化碳与含有二氧化碳的燃烧气流混合，进行膨胀发电。此时，第二路二氧化碳能够调节含有二氧化碳的燃烧气流的温度，最大限度地增加含有二氧化碳的燃烧气流中能够转化为电能的能量。
将第三路二氧化碳存储，从而能够减少发电过程中的碳排放，使得第三路二氧化碳可以另做他用。例如：第三路二氧化碳能够作为原料生产化肥(如尿素)，也可以作为原料来生产干冰，还可以作为原料来碳酸饮料。具体的，可以将第三路二氧化碳通入至管道内进行存储。
由此可知，本申请实施例提供的发电方法，能够将分离得到的二氧化碳分为三路，使得分离得到的二氧化碳能够保证S720的膨胀发电操作的发电效率，同时还能够将部分二氧化碳存储另作他用，从而可以减少含碳气体的排放。
示例性的，可以将分离后的二氧化碳通入至一个或者多个分离单元来将第分离出的二氧化碳分为第一路二氧化碳、第二路二氧化碳和第三路二氧化碳。
并且，工艺气体中二氧化碳的体积和工艺气体燃烧产生的二氧化碳的体积之和与第三路二氧化碳的体积相等。
示例性的，上述使第一路二氧化碳形成二氧化碳循环流体包括：
将第一路二氧化碳加压至二氧化碳的临界压力，形成二氧化碳循环流体。
而将第一路二氧化碳加压至二氧化碳的临界压力的方式有多种，例如，可以采用泵或者压缩机将第一路二氧化碳进行压缩。
具体的，在将第一路二氧化碳加压至二氧化碳的临界压力之后，使第一路二氧化碳形成二氧化碳循环流体还包括：将第一路二氧化碳与含二氧化碳的燃烧流进行换热，使得第一路二氧化碳的温度升高形成二氧化碳循环流体。同时，使含二氧化碳的燃烧流的温度降低至水蒸气的露点温度，可以使含二氧化碳的燃烧流中的水蒸气冷凝，从而可以将含有二氧化碳的燃烧流中分离出二氧化碳。
示例性的，参见图1～图3在700的固体氧化物燃料电池的发电步骤之前，上述发电方法还包括：
S200：气化步骤
气化步骤包括将含碳燃料进行气化反应，得到燃料气体。
应理解，含碳燃料可以有多种选择。例如：含碳燃料可以为煤、油页岩和焦炭中的至少一种。
含碳燃料在进行气化反应可以在气化炉中进行。先控制气化炉内的温度为800℃～1000℃，压强为5MPa～10MPa，然后将含碳燃料、水和含氧气体一起引入至气化炉中，以水蒸气作为气化剂将含碳燃料中的碳转化为CO、CO2和H2，含碳燃料气化时的主要的反应过程为：
C+O2→CO2 (7)；
C+CO2→CO (8)；
C+H2O→CO+H2 (9)；
CO+H2O→H2+CO2 (10)。
由此可知，利用含碳燃料的气化反应得到含有CO、CO2和H2的燃料气体，使得燃料气体能够通入至固体氧化物燃料电池的阳极，并与含氧气体发生电化学反应，从而可以保证固体氧化物燃料电池的发电效率
同时，使含碳燃料气化能够将含碳燃料清洁、高效地转化为燃料气体，还能够产生附加值较高的芳烃油，实现含碳燃料的清洁高效和综合利用。
而由于S200中的气化步骤中，含碳原料主要在高温和高压的条件下进行气化反应，因此，生成的燃料气体也处于高温高压状态。此时，为了充分利用燃料气体的热量和膨胀时的能量，在S200的气化步骤之后，在S500的固体氧化物燃料电池发电步骤之前，参见图1～图3上述发电方法还包括：
S400：燃料气体发电步骤
燃料气体发电步骤包括：使燃料气体膨胀发电。此时，S400的燃料气体发电步骤能够充分利用S200的气化步骤得到的燃料气体的温度和压强来进行发电，从而可以进一步提高燃料气体的发电效率。
并且，由于通常情况下，含碳燃料并不以碳单质的形成存在，通常会存在各种杂质，因此，含碳燃料气化得到的燃料气体中不仅含有CO、CO2和H2，还存在不能燃烧的颗粒物质、二氧化硫(SO2)、硫化氢(H2S)和羰基硫(COS)等含硫物质和重金属(如Hg)。为了除去燃料气体中的颗粒物质、含硫物质和重金属，参见图1～图3上述发电方法还包括：
S300：净化步骤。
上述净化步骤包括将燃料气体进行净化，以去除燃料气体中的颗粒物质、含硫化合物和重金属。
此时，净化步骤能够去除燃料气体中的颗粒物质、含硫化合物和重金属，从而能够保证燃料气体在S400的燃料气体发电步骤、S500的固体氧化物燃料电池发电步骤和S600的阿拉姆循环发电步骤中能够正常进行发电操作，从而可以保证燃料气体的发电效率。
同时，还能在S730的二氧化碳收集循环操作时，降低从混合减压流体中分离出二氧化碳的难度。
具体的，可以采用热脱硫工艺(warm gas desulfurization processes，缩写为WDP)来对燃料气体进行净化操作。
作为一种实施例，在S200的气化步骤之前，参见图1～图3上述发电方法还包括：
S100：氧气提纯步骤
上述氧气提纯步骤包括：从空气中分离出氧气，并将氧气分为第一路氧气、第二路氧气和第三路氧气，将第一路氧气输送至固体氧化物燃料电池的阴极，从而使得第一路氧气能够与燃料气体充分发生电化学反应，提高固体氧化物燃料电池的发电效率。
将第二路氧气输送至气化步骤与含碳燃料进行气化反应，使得含碳燃料能够充分发生气化反应，提高燃料气体中一氧化碳和氢气的比例。
第三路氧气输送至S710的工艺气体燃烧操作，作为助燃剂促进工艺气体燃烧，从而可以使得工艺气体充分燃烧，保证阿拉姆循环发电步骤的发电效率。
需要说明的是，工艺气体、第三路氧气和二氧化碳循环流体可以分别通入至S710的工艺气体燃烧操作，也可以两两混合或者三个全部混合后进入至S710的工艺气体燃烧操作中。
应理解，从空气中分离出氧气的方法有多种，例如可以利用空气分离单元来从空气中分离出氧气。
具体的，为了进一步提高阿拉姆循环发电步骤的发电效率，可以将第三路氧气加压至7MPa，并加热至30℃～900℃后输送至S710的工艺气体燃烧操作中。并且，为了使工艺气体更加充分地燃烧，上述第三路氧气中氧气的摩尔浓度不小于50％。例如：上述第三路氧气中氧气的摩尔浓度为50％、60％、70％、80％、90％或99.9％。
当然，为了保证第三路氧气加热时的安全性能，可以将第三路氧气与二氧化碳循环流体混合后在进行加压加热。此时，二氧化碳处于临界压力之下，能够稀释氧气，从而可以避免出现单独加热纯氧气时出现氧气直接燃烧的现象。
当然，为了进一步提高工艺气体的燃烧效率，上述第三路氧气中氧气的摩尔浓度为85％至约99.6％。例如：第三路氧气中氧气的摩尔浓度为85％、87％、89％、91％、93％、95％、97％、99％或99.6％。
作为一种可能的实现方式，在S500的固体氧化物燃料电池发电步骤之后，在S700的阿拉姆循环发电步骤之前，上述发电方法还包括：
S600：分路步骤
分路步骤包括：将工艺气体分为第一路工艺气体和第二路工艺气体，将第一路工艺气体输送至S700的阿拉姆循环发电步骤，将第二路工艺作为燃料气体输送至固体氧化物燃料电池的阳极。
此时，第二路工艺气体中未反应的燃料气体再与含氧气体发生电化学反应来发电，能够将燃料电池的燃料利用率从原来单程的75％提升至90％，从而可以提高固体氧化物燃料电池的发电效率。同时，第一路工艺气体能够进入至阿拉姆循环发电步骤进行发电。
同时，为了保证本申请的发电方法的发电效率，一般仅将第二路循环气体的循环路径开放，但是并不作为工艺气体的主要转化机制，工艺气体还是主要作为第一路工艺气体输送至S700的阿拉姆循环发电步骤中。
作为一种实施例，上述工艺气体燃烧时的温度可以根据实际情况进行选择，例如：上述压缩后的工艺气体在500℃～1700℃的温度下燃烧，能够使得工艺气体充分燃烧，并能够提高燃烧得到的含有二氧化碳的燃烧气流中能够转化为电能的能量。例如：上述压缩后的工艺气体在500℃、700℃、900℃、1100℃、1300℃、1500℃或1700℃的温度下燃烧。
具体的，压缩后的工艺气体在700℃～1300℃的温度下燃烧，能够进一步提高燃烧得到的含有二氧化碳的燃烧气流中能够转化为电能的能量。
示例性的，可以通过控制工艺气体与二氧化碳循环流体之间的体积比来控制工艺气体燃烧时的温度。
例如：可以控制工艺气体与二氧化碳循环流体的体积比为5～25，从而可以将工艺气体燃烧时的温度控制在设定的500℃～1700℃的温度内，使得工艺气体燃烧时的温度能够保证工艺气体充分燃烧，从而可以提高膨胀发电操作时的发电效率。
具体的，上述工艺气体与二氧化碳循环流体的体积比可以为5、7、10、15、20或25。
进一步的，上述工艺气体与二氧化碳循环流体的体积比为7～25。
再进一步的，上述工艺气体与二氧化碳循环流体的体积比为15～25。
在一些实施例里面，上述工艺气体与二氧化碳循环流体的体积比为可以为2.5、7.5或12。
具体的，二氧化碳循环流体中二氧化碳的摩尔浓度应不小于90％。例如，上述二氧化碳循环流体中二氧化碳的摩尔浓度可以为91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％、99％、99.1％和99.5％。
进一步的，二氧化碳循环流体中二氧化碳的摩尔浓度应不小于99.1％。如：二氧化碳循环流体中二氧化碳的摩尔浓度可以为99.1％、99.2％、99.3％、99.4％、99.5％、99.6％、99.7％、99.8％或99.9％。
最优选的，上述二氧化碳循环流体中二氧化碳的摩尔浓度应不小于99.9％。
实施例一
本发明提供了一种发电方法。
该发电方法包括：
步骤1，氧气提纯步骤。
利用空气分离单元分离出摩尔浓度不小于50％的氧气，并将氧气分为第一路氧气、第二路氧气和第三路氧气，并将第一路氧气输送至步骤1的固体氧化物燃料电池的负极，将第二路氧气输送至步骤2的气化步骤来与含碳燃料进行气化反应，将第三路氧气输送至步骤7.1的工艺气体燃烧操作，作为助燃剂促进工艺气体燃烧。
步骤2，气化步骤
将煤、第二路氧气和水通入至气化炉进行气化反应，得到燃料气体。
步骤3，净化步骤
采用热脱硫工艺来净化燃料气体，以去除燃料气体中的颗粒物质、含硫化合物和重金属。
步骤4，燃料气体发电步骤
将净化后的燃料气体输送至涡轮机，使得燃料气体膨胀发电。
步骤5，固体氧化物燃料电池发电步骤
将膨胀发电后的燃料气体输送至固体氧化物燃料电池的阳极，将第一路氧气输送至固体氧化物燃料电池的阴极，使燃料气体和含氧气体发生电化学反应来发电，同时排出工艺气体；其中，工艺气体包括未反应的燃料气体、未反应的含氧气体和反应后的气体。
步骤6，分路步骤
将工艺气体分为第一路工艺气体和第二路工艺气体，将第一路工艺气体输送至阿拉姆循环发电步骤，将第二路工艺作为燃料气体输送至固体氧化物燃料电池的阴极。
步骤7，阿拉姆循环发电步骤
步骤7.1，工艺气体燃烧操作：压缩第一路工艺气体，然后在二氧化碳循环流体的存在下使第一路工艺气体燃烧，得到含二氧化碳的燃烧气流；
步骤7.2，膨胀发电操作：使所述含有二氧化碳的燃烧气流膨胀发电，形成混合减压气流；
步骤7.3，二氧化碳收集循环操作：从混合减压气流中分离出二氧化碳，使二氧化碳形成所述二氧化碳循环流体，并将二氧化碳循环流体输送至步骤7.1中。
上述发电方法具有40～60的HHV效率，同时，本发电方法还能够提供可隔离的二氧化碳流体，并且，本发电方法中二氧化碳的捕集率为85％，具有较高的二氧化碳捕集率。
实施方案二
本发明提供了一种发电系统。参见图4，该发电系统包括：固体氧化物燃料电池5、第一气体压缩装置6、燃烧装置9、第一膨胀发电装置4和分离装置11。气体压缩装置主要用于将气体进行压缩以提高气体的压强。燃烧装置9用于使工艺气体燃烧。需要说明的是，上述燃烧装置可以为一个燃烧器，也可以为多个相互串联的燃烧器，只要进入至燃烧装置内的工艺气体能够在较高的燃烧温度下基本上完全燃烧即可。本申请实施例中，上述燃烧装置包括两个串联设置的燃烧器，工艺气体能够在第一个燃烧器中燃烧完成后，再流入至第二个燃烧器中再次燃烧，使得工艺气体具有较高的燃烧效率。第一膨胀发电装置4用于使气体膨胀发电。分离装置11用于分离出气体中的二氧化碳。其中，第一气体压缩装置6、燃烧装置9、第一膨胀发电装置4和分离装置11依次连通。需要说明的是，第一气体压缩装置6、燃烧装置9、第一膨胀发电装置4和分离装置11依次连通指的是第一气体压缩装置6的出气口与燃烧装置9的进气口连通，燃烧装置9的出气口与第一膨胀发电装置4的进气口连通，第一膨胀发电装置4的出气口与分离装置11的进气口连通。
所述固体氧化物燃料电池5具有：燃料气体形成的阳极、含氧气体形成的阴极、阳极和阴极发生电化学反应后的工艺气体、与阳极连接的阳极进料口、与阴极连接的阴极进料口、用于排出工艺气体的工艺气体出口。
第一气体压缩装置6的进气口与工艺气体出口连通；分离装置11的出气口与所述燃烧装置9的进气口连通。
上述发电系统在使用时，先将燃料气体通过阳极进料口输送至固体氧化物燃料电池5的阳极，将含氧气体通过阴极进料口输送至固体氧化物燃料电池5的阴极，使含氧气体与燃料气体发生电化学反应后，从工艺气体出口输出工艺气体。
然后工艺气体通过第一气体压缩装置6的进口进入至第一气体压缩装置6，第一气体压缩装置6将工艺气体压缩后输送至燃烧装置9。
同时向燃烧装置9中输入含氧气体和二氧化碳循环流体，使得工艺气体燃烧产生含有二氧化碳的燃烧气流，并将含有二氧化碳的燃烧气流输送至第一膨胀发电装置4。
含有二氧化碳的燃烧气流在第一膨胀发电装置4中膨胀发电后，形成混合减压气流，并将混合减压气流输送至分离装置11中。
分离装置11中分离出混合减压气流中的二氧化碳，并使混合减压气流形成二氧化碳循环流体输送至燃烧装置9。
与现有技术相比，本发明提供的发电系统的有益效果与上述发电方法的有益效果相同，在此不做赘述。
具体的，上述第一气体压缩装置6可以为泵或者压缩机。
上述第一膨胀发电装置4可以为涡轮机。需要说明的是，上述第一膨胀发电装置4可以为一个涡轮机，也可以为多个相互串联的涡轮机。
而当第一膨胀发电装置4包括多个相互串联的涡轮机时，可通过控制O2与工艺气体的比例，使得上述含二氧化碳的燃烧气流为包含可燃组分的还原性流体。上述可燃组分可以为H2、CO、CH4、H2S、NH3中至少一种。此时，可以在涡轮机的出口处添加一定量的氧气，使得涡轮机的出口流出的含二氧化碳的燃烧气流中的可燃组分燃烧后，含二氧化碳的燃烧气流的温度提升后再进入至下一个涡轮机内，从而可以使含二氧化碳的燃烧气流能够产生更多的动力，提高涡轮机的发电量。
具体的，最后一个涡轮机排出的含二氧化碳的燃烧气流可包含过量的氧气。
分离装置11包括至少一个热交换器组，每个交换器组包括两个热交换器，第一个热交换器的一次侧的进气口与第一膨胀发电装置4的出口连通，第一个热交换器的一次侧的出气口与第二个热交换器的一次侧的进气口连通，第二个热交换器的一次侧的出气口与燃烧装置9的进口连通，第一个热交换器的二次侧和第二个热交换器的二次侧内均通有冷却介质。
需要说明的是，上述第一个热交换器应由耐受温度为至少900℃的高温合金制成。
作为一种实施例，为了使分离出的二氧化碳形成二氧化碳循环流体，上述发电系统还包括能够将二氧化碳压缩至二氧化碳的压强高于二氧化碳的临界压强，使得二氧化碳形成二氧化碳循环流的第二气体压缩装置，气体压缩装置设于第二个换热器的出气口与燃烧装置9的进口之间。
作为另一种实施例，上述第二个热交换器的二次侧的入口与第二个热交换器的一次侧的出口连通，第二个热交换器二次侧的出口与燃烧装置9的入口连通。此时，由于热交换器一次侧的出口处的分离出的二氧化碳的温度较低，因此，可以将二氧化碳作为冷源来与混合减压气流进行换热，使得混合减压气流的温度降低至混合减压气流中的水蒸气冷凝。同时，还能够将二氧化碳加热。当然，也可以在第二个热交换器的出气口与燃烧装置9的入口之间设有加热器，使得从第二换热器的出气口分离出的二氧化碳经过加热器加热后进入至燃烧装置9中。
作为一种可能的实现方式，上述发电系统还包括热回收单元8，热回收单元8的进气口与工艺气体出口连通。此时，固体氧化物燃料电池中部分工艺气体膨胀后进入至热回收单元，对工艺气体中的热量进行回收，从而可以充分利用工艺气体的热量。
作为一种实施例，上述发电系统还包括热回收蒸汽发生器7(heat recover steamgenerator，HRSG)，余热蒸发器与气化炉2、净化单元3和热回收单元8均连通，使得气化炉中部分合成气净化单元中净化后的合成气和全热回收单元中全热回收后的工艺气体能够进入至热回收蒸发器7中进行燃烧，产生额外的热量用作他用，从而可以进一步提高。
示例性的，参见图4，上述发电系统还包括气化炉2，气化炉2的出气口与阳极进料口连通，使得含碳燃料发生气化反应生成的燃料气体能够从阳极进料口进入至固体氧化物燃料电池5的阳极，从而使得燃料气体能够与含氧气体发生电化学反应来发电。
具体的，发电系统还包括第二膨胀发电装置10，第二膨胀发电装置10的进气口与气化炉2的出气口连通，第二膨胀发电装置10出气口与阳极进料口连通。此时，气化炉2中生成的燃料气体能够通入至第二膨胀发电装置10中，利用燃料气体的压强和热量在第二膨胀发电装置10中膨胀发电，从而可以提高发电系统的发电效率。
具体的，上述第二膨胀发电装置10可以为涡轮机。当然，涡轮机的数量可以根据实际情况选择，若涡轮机为多个时，多个涡轮机串联使用。
具体的，参见图4，发电系统还包括净化单元3，净化单元3的进气口与气化炉2的出气口连接，净化单元3的出气口与第二涡轮机的进气口连通，净化单元3用于去除气体中的颗粒物质、含硫化合物和重金属。此时，气化炉2中产生的燃料气体能够进入至净化装置净化后在进入至第二膨胀发电装置10，从而可以保证发电系统的发电效率。
而上述净化单元3的选择有多种，只要能够去除气体中的颗粒物质、含硫化合物和重金属即可。例如：上述净化单元3可以为热脱硫工艺设备。
作为一种实施例，参见图4，上述发电系统还包括空气分离装置111，空气分离装置111用于从空气中分离出氧气。空气分离装置111与气化炉2的进气口连通，从而可以向气化炉2中提供氧气，使得气化炉2中煤的气化反应生成的燃料气体包含更多的一氧化碳和氢气。
空气分离装置111还可与燃烧器的进气口连通，从而可以向燃烧器中提供氧气，使得燃烧器内的工艺气体燃烧更加充分。
空气分离装置111还可以与固体氧化物燃料电池的阴极进料口连通，使得氧气能够通过阴极进料口进入至固体氧化物燃料电池5内，从而促进固体氧化物燃料电池5内的电化学反应的进行。
在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (11)
1.一种发电方法，其特征在于，包括：
固体氧化物燃料电池发电步骤，所述固体氧化物燃料电池发电步骤包括：
将燃料气体输送至所述固体氧化物燃料电池的阳极，将含氧气体输送至所述固体氧化物燃料电池的阴极，使所述燃料气体和所述含氧气体发生电化学反应来发电，同时排出工艺气体；其中，所述工艺气体包括未反应的燃料气体、未反应的含氧气体和反应后的气体；
阿拉姆循环发电步骤，所述阿拉姆循环发电步骤包括：
工艺气体燃烧操作：压缩所述工艺气体，然后在二氧化碳循环流体的存在下使所述工艺气体燃烧，得到含二氧化碳的燃烧气流；
膨胀发电操作：使所述含有二氧化碳的燃烧气流膨胀发电，得到混合减压气流；
二氧化碳收集循环操作：从所述混合减压气流中分离出二氧化碳，使所述二氧化碳形成所述二氧化碳循环流体，并将所述二氧化碳循环流体输送至所述工艺气体燃烧操作。
2.根据权利要求1所述的发电方法，其特征在于，在所述从所述混合减压气流中分离出二氧化碳之后，所述二氧化碳收集循环操作还包括：
将分离得到的所述二氧化碳分为第一路二氧化碳、第二路二氧化碳和第三路二氧化碳，使所述第一路二氧化碳形成所述二氧化碳循环流体，使所述第二路二氧化碳与所述含有二氧化碳的燃烧气流混合后，进行膨胀发电，将所述第三路二氧化碳存储；
优选的，所述工艺气体中二氧化碳的体积和所述工艺气体燃烧产生的二氧化碳的体积之和与所述第三路二氧化碳的体积相等；
优选的，所述使所述第一路二氧化碳形成所述二氧化碳循环流体包括：
将所述第一路二氧化碳加压至而二氧化碳的临界压力，形成所述二氧化碳循环流体；
进一步优选的，在将所述第一路二氧二氧化碳加压至二氧化碳的临界压力之后，所述使所述第一路二氧化碳形成所述二氧化碳循环流体还包括：
将所述第一路二氧化碳与所述含二氧化碳的燃烧流进行换热，使所述第二路二氧化碳的温度升高形成所述二氧化碳循环流体，并使所述含二氧化碳的燃烧流的温度降低至水蒸气的露点温度。
3.根据权利要求2所述的发电方法，其特征在于，在所述固体氧化物燃料电池发电步骤之前，所述发电方法还包括：
气化步骤：将所述含碳燃料进行气化反应，得到所述燃料气体；
优选的，在所述固体氧化物燃料电池发电步骤之前，所述气化步骤之后，所述发电方法还包括：
燃料气体发电步骤：使所述燃料气体膨胀发电；
进一步优选的，在所述气化步骤之后，在所述燃料气体发电步骤之前，所述发电方法还包括：
净化步骤：将所述燃料气体进行净化，以去除所述燃料气体中的颗粒物质、含硫化合物和重金属。
4.根据权利要求3所述的发电方法，其特征在于，在所述气化步骤之前，所述发电方法还包括：
氧气提纯步骤：从空气中分离出氧气，并将所述氧气分为第一路氧气、第二路氧气和第三路氧气，将所述第一路氧气作为含氧气体输送至所述固体氧化物燃料电池的阴极，将第二路氧气输送至所述气化步骤与所述含碳燃料进行气化反应，所述第三路氧气输送至所述工艺气体燃烧操作，作为助燃剂促进所述工艺气体燃烧；
优选的，将所述第三路氧气与部分所述二氧化碳循环流体混合加热后，输送至工艺气体燃烧操作；
优选的，所述第三路氧气中氧气的摩尔浓度不小于50％。
5.根据权利要求1所述的发电方法，其特征在于，在所述固体氧化物燃料电池发电步骤之后，所述阿拉姆循环发电步骤之前，所述发电方法还包括：
分路步骤，将所述工艺气体分为第一路工艺气体和第二路工艺气体，将所述第一路工艺气体输送至所述阿拉姆循环发电步骤，将所述第二路工艺作为燃料气体输送至所述固体氧化物燃料电池的阳极。
6.根据权利要求1所述的发电方法，其特征在于，所述工艺气体燃烧操作中，所述工艺气体在500℃～1700℃的温度下燃烧；
优选的，所述工艺气体在700℃～1300℃的温度下燃烧。
7.根据权利要求1所述的发电方法，其特征在于，所述二氧化碳循环流体中二氧化碳的摩尔浓度不小于90％；和/或，
所述工艺气体与所述二氧化碳循环流体的体积比为5～25；
优选的，所述工艺气体与所述二氧化碳循环流体的体积比为7～25；
还优选的，所述工艺气体与所述二氧化碳循环流体的体积比为15～20。
8.一种发电系统，其特征在于，包括固体氧化物燃料电池、气体压缩装置、燃烧装置、第一膨胀发电装置和分离装置，所述气体压缩装置、燃烧装置、第一膨胀发电装置和分离装置依次连通：
所述固体氧化物燃料电池具有：燃料气体形成的阳极、含氧气体形成的阴极、阳极和阴极发生电化学反应后的工艺气体、与阳极连接的阳极进料口、与阴极连接的阴极进料口、用于排出工艺气体的工艺气体出口；
所述气体压缩装置的进气口与所述工艺气体出口连通；所述分离装置的出气口与所述燃烧装置的进气口连通。
9.根据权利要求8所述的发电系统，其特征在于，所述分离装置的出气口还与所述第一膨胀发电装置的进气口连通。
10.根据权利要求8所述的发电系统，其特征在于，所述发电系统还包括气化炉，所述气化炉的出气口与所述阳极进料口连通；
优选的，所述发电系统还包括第二膨胀发电装置，所述第二膨胀发电装置的进气口与所述气化炉的出气口连通，所述第二膨胀发电装置的出气口与所述阳极进料口连通；
优选的，所述发电系统还包括净化单元，所述净化单元的进气口与所述气化炉的出气口连接，所述净化单元的出气口与所述第二膨胀发电装置的出气口连通，所述净化单元用于去除气体中的颗粒物质、含硫化合物和重金属。
11.根据权利要求8所述的发电系统，所述发电系统还包括空气分离装置，所述空气分离装置用于从所述空气中分离出氧气，所述空气分离装置与所述气化炉的进气口和/或所述燃烧器的进气口和/或所述固体氧化物燃料电池的阴极进料口连通。
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