CN114810241A - 集成燃料电池与超临界二氧化碳的水电解三循环发电系统 - Google Patents

集成燃料电池与超临界二氧化碳的水电解三循环发电系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了集成燃料电池与超临界二氧化碳的水电解三循环发电系统，涉及煤基发电技术领域，包括气化室，所述气化室的出口连接有高温换热器，所述高温换热器连接有固体氧化物燃料电池，所述固体氧化物燃料电池连接有余热锅炉，所述余热锅炉连接有余热回收器，所述余热回收器连接有冷凝器；本发明实现了煤的高效、清洁利用，排烟中的CO2通过冷凝过程即可实现CO2分离，不需要为脱碳过程提供大量热量，降低整体的能量损耗，并且避免CO2中的有害杂质排放到空气中，避免对环境造成影响，并且通过采用清洁能源来进行发电工作，并且在发电过程中能够产生足够的电力来供自身使用，从而降低了发电过程中的电力损耗，从而提高了燃煤电厂的发电效率。

Description

集成燃料电池与超临界二氧化碳的水电解三循环发电系统
技术领域
本发明涉及煤基发电技术领域，具体为集成燃料电池与超临界二氧化碳的水电解三循环发电系统。
背景技术
燃煤发电在我国能源结构中占主导地位。但目前，燃煤电厂每发一度电就要排放将近1千克CO2，以及其他污染性气体，随着世界经济的快速发展，在日益严峻的环境和气候的压力下，发展清洁、高效的发电技术已成为各国的共识。
首先现有的燃煤电厂在进行发电时，所产生的CO2直接排放到空气中，从而对环境造成影响，并且在对CO2进行脱碳分离时需要大量的热量，从而增加了整体的能量损耗；
其次现有的燃煤电厂在进行发电的过程中电力损耗较大，从而影响燃煤电厂的发电效率。
为此，我们提出集成燃料电池与超临界二氧化碳的水电解三循环发电系统。
发明内容
本发明的目的在于提供集成燃料电池与超临界二氧化碳的水电解三循环发电系统，以解决上述背景技术中提出的现有的燃煤电厂在进行发电时，所产生的CO2直接排放到空气中，从而对环境造成影响，并且在对CO2进行脱碳分离时需要大量的热量，从而增加了整体的能量损耗；
其次现有的燃煤电厂在进行发电的过程中电力损耗较大，从而影响燃煤电厂的发电效率的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
集成燃料电池与超临界二氧化碳的水电解三循环发电系统，包括:
气化室，所述气化室的出口连接有高温换热器，所述高温换热器连接有固体氧化物燃料电池，所述固体氧化物燃料电池连接有余热锅炉，所述余热锅炉连接有余热回收器，所述余热回收器连接有冷凝器；
所述冷凝器还与余热回收器连接；
所述冷凝器分别连接有水电解装置、压缩机三
所述水电解装置与固体氧化物燃料电池连接；
所述压缩机三连接有低温换热器二，所述低温换热器二连接有压缩机二，所述低温换热器二与高温换热器连接；
所述压缩机二连接有低温换热器一，所述低温换热器一与高温换热器连接；
该系统还包括CO2循环发电子系统。
作为本发明的进一步方案，所述水电解装置由风力发电机和太阳能电池进行供电。
作为本发明的进一步方案，所述高温换热器、固体氧化物燃料电池的阳极、余热锅炉、余热回收器和冷凝器串联并组成回路。
作为本发明的进一步方案，所述CO2循环发电子系统包括发电机主体、透平以及空气分离器；
所述透平与发电机主体同轴设置，所述透平与高温换热器连接；
所述发电机主体连接有压缩机一，所述压缩机一分别与低温换热器一、低温换热器二连接。
作为本发明的进一步方案，所述空气分离器连接有换热器主体，所述换热器主体与余热锅炉连接。
作为本发明的进一步方案，所述高温换热器连接在固体氧化物燃料电池的阳极；
所述水电解装置连接在固体氧化物燃料电池的阴极。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过将煤和超临界水进入气化室，产生合成气，合成气通过高温换热器后，与水电解装置产生的H2、固体氧化物燃料电池的阴极未完全反应的O2和空气预热器来的02一齐进入余热锅炉，混合燃烧；余热锅炉燃烧产生的热量加热水，产生超临界水，供给气化室；余热锅炉燃烧产生的烟气经过余热回收器，对水进行预加热，随后在冷凝器，烟气冷却分离形成水、气态CO2和清洁烟气；冷凝器分离形成的水一部分进入水电解装置，另一部分进入余热回收器，吸收余热锅炉的烟气余热后进入余热锅炉；冷凝器分离形成的不含CO2、灰分、硫、重金属等杂质的清洁烟气排入大气；冷凝器分离形成的气态CO2，通过压缩机三和压缩机二的两级压缩、低温换热器二和低温换热器一的两级冷却，气态CO2形成液态CO2，便于储存和运输，相比较现有的，本发明实现了煤的高效、清洁利用，排烟中的CO2通过冷凝过程即可实现CO2分离，不需要为脱碳过程提供大量热量，降低整体的能量损耗，并且避免CO2中的有害杂质排放到空气中，避免对环境造成影响。
本发明通过风力发电机和太阳能电池为水电解装置供电，水电解装置接受冷凝器的一部分水，将水分解为H2和O2，H2进入余热锅炉，O2进入固体氧化物燃料电池的阴极；固体氧化物燃料电池中，氧气在阴极被催化还原，通过电解质和阳极侧的合成气进行反应，将合成气的化学能直接转换成电能，并生成水和CO2；
其次透平与发电机主体同轴设置，压缩机一出口的CO2通过低温换热器一和低温换热器二吸收气态CO2压缩过程产生的冷却热，通过高温换热器吸收合成气的部分热量，并达到超临界，在透平中膨胀做功，透平旋转并带动发电机主体，向外输出电能，相比较现有的，本发明通过采用清洁能源来进行发电工作，并且在发电过程中能够产生足够的电力来供自身使用，从而降低了发电过程中的电力损耗，从而提高了燃煤电厂的发电效率。
附图说明
图1为集成燃料电池与超临界二氧化碳的水电解三循环发电系统的系统框图。
图中：1、气化室；2、高温换热器；3、固体氧化物燃料电池；4、余热锅炉；5、余热回收器；6、冷凝器；7、风力发电机；8、太阳能电池；9、水电解装置；10、发电机主体；11、透平；12、换热器主体；13、空气分离器；14、压缩机一；15、压缩机二；16、低温换热器一；17、压缩机三；18、低温换热器二。
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做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。
实施例1：
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：集成燃料电池与超临界二氧化碳的水电解三循环发电系统，包括气化室1，气化室1的出口连接有高温换热器2，高温换热器2连接有固体氧化物燃料电池3，高温换热器2连接在固体氧化物燃料电池3的阳极，固体氧化物燃料电池3连接有余热锅炉4，余热锅炉4连接有余热回收器5，余热回收器5连接有冷凝器6；冷凝器6还与余热回收器5连接；冷凝器6分别连接有水电解装置9、压缩机三17水电解装置9与固体氧化物燃料电池3连接；水电解装置9连接在固体氧化物燃料电池3的阴极，压缩机三17连接有低温换热器二18，低温换热器二18连接有压缩机二15，低温换热器二18与高温换热器2连接；压缩机二15连接有低温换热器一16，低温换热器一16与高温换热器2连接；水电解装置9由风力发电机7和太阳能电池8进行供电，高温换热器2、固体氧化物燃料电池3的阳极、余热锅炉4、余热回收器5和冷凝器6串联并组成回路。
具体的，通过将煤和超临界水进入气化室1，产生合成气，合成气通过高温换热器2后，与水电解装置9产生的H2、固体氧化物燃料电池3的阴极未完全反应的O2和空气预热器来的02一齐进入余热锅炉4，混合燃烧；余热锅炉4燃烧产生的热量加热水，产生超临界水，供给气化室1；余热锅炉4燃烧产生的烟气经过余热回收器5，对水进行预加热，随后在冷凝器6，烟气冷却分离形成水、气态CO2和清洁烟气；冷凝器6分离形成的水一部分进入水电解装置9，另一部分进入余热回收器5，吸收余热锅炉4的烟气余热后进入余热锅炉4；冷凝器6分离形成的不含CO2、灰分、硫、重金属等杂质的清洁烟气排入大气；冷凝器6分离形成的气态CO2，通过压缩机三17和压缩机二15的两级压缩、低温换热器二18和低温换热器一16的两级冷却，气态CO2形成液态CO2，便于储存和运输，相比较现有的，本发明实现了煤的高效、清洁利用，排烟中的CO2通过冷凝过程即可实现CO2分离，不需要为脱碳过程提供大量热量，降低整体的能量损耗，并且避免CO2中的有害杂质排放到空气中，避免对环境造成影响。
实施例2：
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：集成燃料电池与超临界二氧化碳的水电解三循环发电系统，该系统还包括CO2循环发电子系统，CO2循环发电子系统包括发电机主体10、透平11以及空气分离器13；透平11与发电机主体10同轴设置，透平11与高温换热器2连接；发电机主体10连接有压缩机一14，压缩机一14分别与低温换热器一16、低温换热器二18连接，空气分离器13连接有换热器主体12，换热器主体12与余热锅炉4连接。
具体的，请参考实施例1，通过风力发电机7和太阳能电池8为水电解装置9供电，水电解装置9接受冷凝器6的一部分水，将水分解为H2和O2，H2进入余热锅炉4，O2进入固体氧化物燃料电池3的阴极；固体氧化物燃料电池3中，氧气在阴极被催化还原，通过电解质和阳极侧的合成气进行反应，将合成气的化学能直接转换成电能，并生成水和CO2；
其次透平11与发电机主体10同轴设置，压缩机一14出口的CO2通过低温换热器一16和低温换热器二18吸收气态CO2压缩过程产生的冷却热，通过高温换热器2吸收合成气的部分热量，并达到超临界，在透平11中膨胀做功，透平11旋转并带动发电机主体10，向外输出电能，相比较现有的，本发明通过采用清洁能源来进行发电工作，并且在发电过程中能够产生足够的电力来供自身使用，从而降低了发电过程中的电力损耗，从而提高了燃煤电厂的发电效率。
综合实施例1、实施例2，CO2的临界温度32℃，临界压力7.38MPa，可在环境温度下，通过水或空气冷却至其临界温度。超临界二氧化碳循环发电系统，以二氧化碳为循环工质，将热能转换为机械能，驱动透平11带动发电机发电，具有清洁、高效、系统尺寸小等特点，是一种极具发展前景的新型发电技术，超临界CO2循环发电系统，可利用的热源温度范围宽，该系统集成了超临界CO2循环技术，可通过吸收合成气的热量和回收CO2多级压缩冷却热，实现了能量的梯级利用，产生额外的电力输出；
燃料电池是一种将燃料的化学能直接转换成电能的化学发电装置。其中固体氧化物燃料电池3，属于高温燃料电池，因其电解质多为固体氧化物而得名，其结构主要包括阴极、阳极和电解质。当向阴极和阳极分别通入氧气和气体燃料时，氧气在阴极被催化还原，形成氧离子，然后通过中间的电解质迁移到阳极，在阳极侧与气体燃料进行反应，生成水、CO2和电子，这些电子通过外部电路传送到阴极侧，参与氧的还原反应，从而形成一个闭合回路，产生电流。
工作原理：对于本发明，在使用时，首先煤和超临界水进入气化室1，产生合成气，合成气通过高温换热器2后，与水电解装置9产生的H2、固体氧化物燃料电池3的阴极未完全反应的O2和空气预热器来的O2一齐进入余热锅炉4，混合燃烧；余热锅炉4燃烧产生的热量加热水，产生超临界水，供给气化室1；余热锅炉4燃烧产生的烟气经过余热回收器5，对水进行预加热，随后在冷凝器6，烟气冷却分离形成水、气态CO2和清洁烟气；冷凝器6分离形成的水一部分进入水电解装置9，另一部分进入余热回收器5，吸收余热锅炉4的烟气余热后进入余热锅炉4；冷凝器6分离形成的不含CO2、灰分、硫、重金属等杂质的清洁烟气排入大气；冷凝器6分离形成的气态CO2，通过压缩机三17和压缩机二15的两级压缩、低温换热器二18和低温换热器一16的两级冷却，气态CO2形成液态CO2，便于储存和运输，本发明实现了煤的高效、清洁利用，排烟中的CO2通过冷凝过程即可实现CO2分离，不需要为脱碳过程提供大量热量，降低整体的能量损耗，并且避免CO2中的有害杂质排放到空气中，避免对环境造成影响；
其次风力发电机7和太阳能电池8为水电解装置9供电，水电解装置9接受冷凝器6的一部分水，将水分解为H2和O2，H2进入余热锅炉4，O2进入固体氧化物燃料电池3的阴极；固体氧化物燃料电池3中，氧气在阴极被催化还原，通过电解质和阳极侧的合成气进行反应，将合成气的化学能直接转换成电能，并生成水和CO2；
透平11与发电机主体10同轴设置；压缩机一14出口的CO2通过低温换热器一16和低温换热器二18吸收气态CO2压缩过程产生的冷却热，通过高温换热器2吸收合成气的部分热量，并达到超临界，在透平11中膨胀做功，透平11旋转并带动发电机主体10，向外输出电能；透平11出口CO2通过空气预热器后将热量传给O2，O2温度升高，CO2温度降低，便于CO2在压缩机一14中的压缩；压缩机一14出口的CO2再进入低温换热器一16和低温换热器二18，如此往复，构成循环，本发明通过采用清洁能源来进行发电工作，并且在发电过程中能够产生足够的电力来供自身使用，从而降低了发电过程中的电力损耗，从而提高了燃煤电厂的发电效率；
最后空气分离器13将空气分解为N2和O2，O2经过换热器主体12被加热，进入余热锅炉4，作为燃烧过程中的氧化剂，水电解装置9制备H2和O2，合成气与O2分别通入固体氧化物燃料电池3的阳极和阴极，在固体氧化物燃料电池3中反应发电；固体氧化物燃料电池3中未完全反应的气体，通入余热锅炉4燃烧，水电解装置9产生的H2和空气分离器13产生的O2进入余热锅炉4，作为补充的燃料和氧化剂。

Claims (6)

1.集成燃料电池与超临界二氧化碳的水电解三循环发电系统，其特征在于，包括：
气化室(1)，所述气化室(1)的出口连接有高温换热器(2)，所述高温换热器(2)连接有固体氧化物燃料电池(3)，所述固体氧化物燃料电池(3)连接有余热锅炉(4)，所述余热锅炉(4)连接有余热回收器(5)，所述余热回收器(5)连接有冷凝器(6)；
所述冷凝器(6)还与余热回收器(5)连接；
所述冷凝器(6)分别连接有水电解装置(9)、压缩机三(17)
所述水电解装置(9)与固体氧化物燃料电池(3)连接；
所述压缩机三(17)连接有低温换热器二(18)，所述低温换热器二(18)连接有压缩机二(15)，所述低温换热器二(18)与高温换热器(2)连接；
所述压缩机二(15)连接有低温换热器一(16)，所述低温换热器一(16)与高温换热器(2)连接；
该系统还包括CO2循环发电子系统。
2.根据权利要求1所述的集成燃料电池与超临界二氧化碳的水电解三循环发电系统，其特征在于，所述水电解装置(9)由风力发电机(7)和太阳能电池(8)进行供电。
3.根据权利要求1所述的集成燃料电池与超临界二氧化碳的水电解三循环发电系统，其特征在于，所述高温换热器(2)、固体氧化物燃料电池(3)的阳极、余热锅炉(4)、余热回收器(5)和冷凝器(6)串联并组成回路。
4.根据权利要求1所述的集成燃料电池与超临界二氧化碳的水电解三循环发电系统，其特征在于，所述CO2循环发电子系统包括发电机主体(10)、透平(11)以及空气分离器(13)；
所述透平(11)与发电机主体(10)同轴设置，所述透平(11)与高温换热器(2)连接；
所述发电机主体(10)连接有压缩机一(14)，所述压缩机一(14)分别与低温换热器一(16)、低温换热器二(18)连接。
5.根据权利要求4所述的集成燃料电池与超临界二氧化碳的水电解三循环发电系统，其特征在于，所述空气分离器(13)连接有换热器主体(12)，所述换热器主体(12)与余热锅炉(4)连接。
6.根据权利要求1所述的集成燃料电池与超临界二氧化碳的水电解三循环发电系统，其特征在于，所述高温换热器(2)连接在固体氧化物燃料电池(3)的阳极；
所述水电解装置(9)连接在固体氧化物燃料电池(3)的阴极。
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