CN115466637B - 一种耦合生物质能及太阳能的燃料电池发电系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种耦合生物质能及太阳能的燃料电池发电系统及方法，系统包括回转窑热解炉、循环流化床气化炉、冷凝器、太阳能反应器、燃料电池和CO2分离装置，通过生物质预热解与生物质炭水蒸气气化相结合的方式制备气化合成气，解决合成气中焦油含量高的问题；通过生物质制氢与燃料电池相结合，缓解部分地区电力供应紧张以及燃煤电站低负荷调控造成的电力供应不稳定问题；利用太阳能反应器为合成气催化重整反应提供热能，解决催化重整反应高能耗问题；系统性能优于生物质气化驱动内燃机或燃气轮机系统；整个发电系统无CO2排放；输入能量为可再生能源，实现生物质资源及太阳能高效清洁利用，避免生物质大规模收集及储存，解决燃料电池中的氢源问题。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种耦合生物质能及太阳能的燃料电池发电系统及方法。
背景技术
氢能是一种洁净、高效、无碳的能源，具有来源多样、能量密度大、应用广泛等优点，被认为是21世纪最具发展潜力的能源之一。目前全球的氢能来源主要以化石能源的热化学制氢(约占总产量的96％)和电解水制氢(约占4％)为主。利用化石能源制氢过程中会排放大量的CO2以及NOx、SOx等污染气体，对环境造成严重破坏，而且化石能源属于不可再生能源。电解水制氢具有工艺流程简单、无污染以及氢气纯度高等优点，但其耗电量较大，且对水质要求较高，在经济性方面受到限制。因此，利用可再生清洁能源制取氢气成为未来氢能发展的重要方向。
生物质能是由植物光合作用固定于地球上的太阳能，是地球上唯一的可再生碳源。我国的生物质资源非常丰富，年产量约36亿吨，相当于4.6亿吨标准煤，开发潜力巨大。在整个碳循环过程中，生物质能的碳源没有增加大气中的碳总量，是国际上公认的零碳可再生能源。若与生物能源与碳捕获和储存(BECCS)技术相结合，生物质能将实现负碳排放。因此，基于可再生生物质能源的制氢路线是真正意义上的绿氢技术。
生物质制氢以其节能、清洁等优点逐渐成为当今制氢领域的研究热点。生物质制氢主要分为生物法制氢和热化学法制氢。其中生物法制氢是利用微生物代谢来制取氢气的一项生物工程技术，主要包括厌氧发酵制氢和光合生物制氢。与传统的热化学方法相比，生物制氢具有节能、可再生和不消耗矿物资源等优点。但生物法制氢的反应速率缓慢，产氢效率很低，并且微生物对环境的要求较为苛刻，这是制约生物法制氢的主要因素。生物质热化学法制氢则是通过热化学方法，将生物质原料转化为富氢气体，然后通过分离提纯来制取氢气。热化学法制氢主要包括气化、超临界水气化、生物油重整和生物质热解-蒸汽重整制氢等，经过长期的研究，这些制氢工艺均发展迅速。通过对比现有的生物质制氢技术发现，生物质气化制氢技术是现阶段最具可行性和应用前景的制氢方案之一。
燃料电池被认为是氢能最有效的利用方式，其具有无污染物排放、清洁、能量转化率高等优点，是21世纪最具发展前景的高效清洁发电技术。氢氧燃料电池是燃料电池的一种，其工作时向阳极输入氢气作燃料和还原剂，向阴极输入氧气作氧化剂。氢气和氧气在电极上催化剂的作用下通过电解质产生水，此时阳极上有多余的电子而带负电，阴极上则由于缺少电子而带正电。电路接通后，这一类似于燃烧的反应即可连续运行。该燃料电池具有如下优点：能量转化率较高，超过80％；易持续通入氢气和氧气，产生持续电流；产物主要是水，清洁环保；噪音低；废弃物排放少等。若将生物质能源转化为氢能，并与氢氧燃料电池进行耦合，不仅可以实现生物质能源的高效清洁转化，同时也解决了氢氧燃料电池中的氢源问题。
将生物质气化与燃料电池耦合为一体化系统的技术受到了国内外学者的广泛关注，瑞典、美国及欧洲的研究者采用系统模拟及试验研究的手段率先对该一体化系统进行了研究，发现生物质气化+燃料电池系统的整体效率显著高于生物质气化+燃气轮机系统，而且燃料电池对气化合成气品质的要求也低于燃气轮机。此外，欧洲和美国的一些研究机构也相继建立了生物质气化和燃料电池耦合的示范工程。国内方面，中国科学技术大学和中科院广州能源所以及对生物质气化+燃料电池系统开展了一些理论计算工作。总体而言，生物质气化联合燃料电池循环发电技术的发展依旧缓慢，主要存在生物质气化效率低、焦油处理难、合成气中氢气产量低、合成气催化重整反应能耗高以及燃料电池氢源不稳定等问题。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种耦合生物质能及太阳能的燃料电池发电系统，通过将生物质原料依次进行热解和气化，获得气化合成气；然后利用太阳能反应器对合成气进行催化重整产生富氢气体。通过将清洁可再生的生物质能和太阳能与燃料电池进行耦合，在实现可再生能源(生物质能和太阳能)高效热转化及高值化利用的同时，也解决了燃料电池的氢源问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种耦合生物质能及太阳能的燃料电池发电系统，包括回转窑热解炉、循环流化床气化炉、电除尘器、旋风分离器、冷凝器、空气预热器、太阳能反应器、燃料电池和CO2分离装置，循环流化床气化炉上设有焦油入口、生物质炭入口、水冷壁、第一水蒸气入口、CaO入口以及氧气入口；太阳能反应器上设有合成气入口和第二水蒸气入口，第二水蒸气入口连接蒸汽源，回转窑热解炉的生物质炭出口连接生物质炭入口，回转窑热解炉的热解气出口依次连接电除尘器、冷凝器和焦油入口，循环流化床气化炉的气体出口依次连接旋风分离器、空气预热器、合成气入口、燃料电池的阳极以及CO2分离装置，空气预热器还连接燃料电池的阴极；回转窑热解炉上布置有电加热模块、高温空气入口和高温空气出口，高温空气入口连接空气预热器，高温空气出口连接热用户。
水冷壁两端分别连接水冷壁上集箱和水冷壁下集箱，水冷壁下集箱连接给水系统；水冷壁上集箱的出口连接太阳能反应器的第二水蒸气入口。
循环流化床气化炉中设置高温过热器，高温过热器的入口连接水冷壁上集箱，高温过热器的出口连接太阳能反应器上的第二水蒸气入口。
太阳能反应器为半球形结构，太阳能反应器顶端设置石英窗，富氢气体出口开设在太阳能反应器底端；催化剂床层设置在太阳能反应器的中部；太阳能反应器内侧设置反射镜，石英窗具有透光性，石英窗表面镀有用于减少热损失的低反射率涂层，太阳能反应器外部设有保温层。
CO2分离装置的氢气出口连接燃料电池的阳极入口，CO2分离装置的CO2出口和燃料电池的阴极出口连接燃料电池的阴极入口；燃料电池采用熔融碳酸盐燃料电池MCFC，所述CO2分离装置为变压吸附提纯装置或膜分离装置。
空气预热器上设置氧气进气口和氧气出口，所述氧气进气口连接氧气源，所述氧气出口连接循环流化床气化炉的氧气入口；冷凝器的水蒸气出口连接第一水蒸气入口，冷凝器的热解气出口连接合成气入口，冷凝器的冷凝液出口连接焦油入口。
回转窑热解炉主体为筒状，回转窑热解炉的炉体为具有外翅片强化的金属筒体，回转窑热解炉中物料流向与高温气体流向相反。
旋风分离器底部设置返料器，返料器连通循环流化床气化炉的炉膛，电除尘器的灰尘出口连接循环流化床气化炉的生物质炭入口。
电除尘器的热解气出口和空气预热器的合成气出口均设置引风机。
同时提供一种耦合生物质能及太阳能的燃料电池发电方法，基于本发明所述耦合生物质能及太阳能的燃料电池发电系统，包括以下步骤：破碎及干燥处理的生物质颗粒进入回转窑热解炉在加热条件下热解产生热解气和生物质炭，热解气经过电除尘器除尘净化后，再进入冷凝器冷凝得到净化的热解气和焦油；
水在冷凝器吸收热解气的热量变为水蒸气，所述水蒸气、焦油、加热的氧气、氧化钙、以及生物质炭进入循环流化床气化炉进行气化反应得到合成气和飞灰，对合成气进行气固分离，在气化反应过程中水在水冷壁加热生成水蒸气；飞灰从循环流化床气化炉底部排出；
分离处理后的合成气进入空气预热器加热空气和氧气，换热后的合成气、热解气以及循环流化床气化炉生成的水蒸气进入太阳能反应器在加热和催化条件下进行催化重整反应生成富氢气体；经过空气预热器加热的一部分高温空气进入回转窑热解炉进行换热后再供给热用户；
富氢气体进入燃料电池阳极，经过空气预热器加热的另一部分高温空气进入燃料电池的阴极；燃料电池阳极排出的气体进入CO2分离装置，分离得到CO2和H2；燃料电池为系统及外部供电；回转窑热解炉的反应温度在300～400℃；循环流化床气化炉的反应温度在800～900℃；太阳能反应器的反应温度在400～500℃。
CO2分离装置出口的CO2再与加热后的空气混合进入燃料电池的阴极，H2与富氢气体混合进入燃料电池的阳极。
电除尘器的灰尘出口与生物质炭混合进入循环流化床气化炉参与气化反应；旋风分离器分离出的颗粒物进入循环流化床气化炉参与气化反应。
催化重整反应过程的催化剂为负载过渡金属或其氧化物的碳基催化剂，碳基载体为生物质热解产生的生物质炭经活化处理而来。
在系统开始运行阶段，采用电加热模块对回转窑热解炉进行加热进行热解反应，待系统运行稳定后，采用空气预热器的高温空气对回转窑热解炉进行加热。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
1.本发明通过生物质原料预热解与生物质炭水蒸气气化相结合的方式来制备气化合成气，解决了气化合成气中焦油含量高的问题。通过采用氧气和水蒸气作为气化剂，避免了使用空气作为气化剂时合成气品质低的问题，同时也提高了合成气中的氢气产率，此外，气化炉中CaO的加入有助于吸收气化过程中产生的CO2，降低气化炉中CO2分压，促进气化反应的进行。
2.本发明利用太阳能反应器为合成气的水蒸气催化重整反应提供热能，解决了目前催化重整反应能耗高的问题。
3.本发明的燃料电池发电系统中输入的能量为生物质能和太阳能，均属于可再生能源，在实现生物质资源及太阳能高效清洁利用的同时，也避免了生物质原料大规模收集及储存的费用，同时也解决了氢氧燃料电池中的氢源问题。
4.本发明通过生物质制氢与氢氧燃料电池相结合，可以缓解部分区域电力供应紧张的问题。同时在降低碳排放的背景下，也可以缓解燃煤电站低负荷调控造成的电力供应不稳定问题。
5.本发明的生物质制氢与燃料电池相结合系统具有较高的发电效率，可达50％左右，系统性能显著高于生物质气化驱动内燃机或燃气轮机系统。
6.本发明的燃料电池系统中无CO2气体排放，而且热解产生的生物质炭也可以用作活性炭来吸附一部分碳源，可实现负碳排放。
进一步的，本发明将氢氧燃料电池阳极反应产生的CO2以及未完全反应的H2进行分离，将CO2作为反应物输入至阴极中，可构成一个封闭循环；H2也重新输入至阳极中，形成另一个封闭循环。一方面可以确保燃料电池的稳定连续工作，另一方面也可以减少发电过程中的CO2排放。
附图说明
图1为本发明的耦合生物质能及太阳能的燃料电池发电系统结构示意图。
图2为本发明的冷凝器结构示意图。
图3为本发明的太阳能反应器结构示意图。
图4为本发明的利用过热蒸汽为合成气催化重整反应供能的生物质能耦合燃料电池发电系统结构示意图。
图中所示标号为：1-进料口、2-高温空气出口、3-回转窑热解炉、4-热解气出口、5-电除尘器、6-第一引风机、7-冷凝器、8-水冷壁上集箱、9-循环流化床气化炉、10-旋风分离器、11-空气预热器、12-第二引风机、13-太阳能反应器、14-燃料电池、15-CO2分离装置、16-返料器、17-水冷壁下集箱、18-飞灰出口、19-氧气入口、20-CaO入口、21-第一水蒸气入口、22-水冷壁、23-生物质炭入口、24-焦油入口、25-生物质炭出口、26-高温空气入口、27-高温过热器、701-热解气入口、702-水蒸气出口、703-热解气出口、704-冷却水入口、705-冷凝液出口、131-合成气入口、132-石英窗、133-反射镜、134-第二水蒸气入口、135-保温层、136-富氢气体出口、137-催化剂床层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供的耦合生物质能及太阳能的燃料电池发电系统结构示意图如图1所示，包括回转窑热解炉3、循环流化床气化炉9、电除尘器5、旋风分离器10、冷凝器7、空气预热器11、太阳能反应器13、燃料电池14和CO2分离装置15，其中：回转窑热解炉3用于将生物质原料进行预热解，产生热解气，满足太阳能反应器13的燃料需求，产生生物质炭和焦油，满足循环流化床气化炉9的燃料需求。所述回转窑热解炉3中的炉体为具有翅片强化的金属筒体，可充分利用经空气预热器11加热后高温空气的热能为生物质热解反应提供能量。回转窑热解炉3也配备有电加热模块，在系统运行初始阶段，可采用电加热的方式对生物质原料进行预热解。当系统运行稳定后关闭电加热模块，利用高温空气为生物质热解提供所需的热量。回转窑热解炉3的生物质炭出口25与循环流化床气化炉9的生物质炭入口23相连，回转窑热解炉3的热解气出口4依次与电除尘器5和冷凝器7连接，回转窑热解炉3的高温空气出口2与热用户连接，电除尘器5的粉尘出口连接生物质炭入口23。
循环流化床气化炉9用于生物质炭在氧气和水蒸气等气化剂作用下进行气化反应，利用气化产生的高温将焦油进行热裂解，产生气化合成气，满足太阳能反应器13的燃料需求；循环流化床气化炉9水冷壁22中产生的水蒸气，用以满足太阳能反应器13中催化重整反应的水蒸气需求；同时向循环流化床气化炉9中通入CaO共同参与气化反应，一方面，利用CaO与二氧化碳的碳酸化反应降低合成气中二氧化碳的浓度，并促使气化反应的进行。另一方面，CaO与二氧化碳的反应为放热反应，也可以为气化反应提供一部分热能。所述循环流化床气化炉9的气体出口依次连接旋风分离器10与空气预热器11，空气预热器11的空气出口分别与回转窑热解炉3的高温空气入口26以及燃料电池14的阴极相连，氧气出口与循环流化床气化炉9的氧气入口19相连。所述循环流化床气化炉9的水冷壁上集箱8与太阳能反应器13的第二水蒸气入口134相连，为催化重整反应提供所需的水蒸气。
电除尘器5用于对回转窑热解炉3中产生的热解气进行除尘净化处理，除去热解气中的炭颗粒和飞灰。经过电除尘器5净化的热解气进入冷凝器7中进行冷凝换热，捕集到的炭颗粒和飞灰与生物质炭混合后进入到循环流化床气化炉9中参与气化反应。
循环流化床气化炉9的烟气出口连接旋风分离器10，旋风分离器10的底部出口连通循环流化床气化炉9的炉膛，旋风分离器10用于对循环流化床气化炉9出口的合成气进行气固分离，分离出的高温炭颗粒和飞灰重新进入循环流化床气化炉9中参与气化反应。
参考图2，冷凝器7用于将热解气中的水分和焦油进行冷凝，并将冷凝得到的水分和焦油输送至循环流化床气化炉9中参与气化反应；利用热解气的高温热能产生水蒸气，以满足循环流化床气化炉9中气化反应的水蒸气需求；所述冷凝器7的热解气出口703与太阳能反应器13相连，冷凝器7的水蒸气出口702与循环流化床气化炉9的第一水蒸气入口21相连。另外，冷凝器7的冷凝液出口705与循环流化床气化炉9的焦油入口24相连。
空气预热器11利用气化合成气的高温热能预热空气和氧气，分别满足生物质热解所需热能和生物质炭气化反应所需气化剂的需求；所述空气预热器11为具有内外强化翅片的管式空气预热器，可以将氧气和空气预热至400～450℃。
参考图3，太阳能反应器13聚集太阳能并加热催化剂床层137，用于气化合成气和水蒸气进行催化重整反应，产生富氢气体。所述太阳能反应器13为半球形结构，包括合成气入口131、石英窗132、反射镜133、第二水蒸气入口134、保温层135、富氢气体出口136和催化剂床层137。太阳能反应器13顶端设置石英窗132，太阳能反应器13上部沿着周向开设合成气入口131和第二水蒸气入口134；太阳能反应器13底端开设富氢气体出口136，催化剂床层137设置在太阳能反应器13的中部；太阳能反应器13内侧设置反射镜133，石英窗132具有透光性，其表面镀有用于减少热损失的低反射率涂层。反射镜133可将95％以上的阳光聚集到催化床层中，其外部设有保温层135。催化剂床层137布置于太阳能反应器13内部，通过石英窗132和反射镜133使太阳辐射能够完全进入催化剂床层137中并将床层加热至400～500℃，以满足合成气催化重整反应所需的温度。所述催化剂为负载过渡金属或其氧化物的碳基催化剂，该碳基载体主要由生物质热解产生的生物质炭经活化处理而来。
燃料电池14的阳极入口连接富氢气体出口136，燃料电池14的阳极出口连接CO2分离装置15，燃料电池14的阴极入口连接空气预热器11的出口，燃料电池14的阴极出口连接空气预热器11的出口管道；燃料电池14将富氢气体和氧气的化学能转化为电能，为整个系统以及用户提供电能。燃料电池14的阳极输入为富氢气体，阴极输入为经预热后的空气。所述阳极排气中的CO2和H2经CO2分离装置15进行分离，分离出的H2与富氢气体混合后重新进入到燃料电池14的阳极中，分离出的CO2与阴极排气以及空气混合后重新进入到燃料电池14的阴极中。
CO2分离装置15用于将燃料电池14阳极排气中反应产生的CO2及未完全反应的H2进行分离。所述CO2分离装置15为变压吸附提纯装置或膜分离装置。
回转窑热解炉3的反应温度在300～400℃；循环流化床气化炉9的反应温度在800～900℃；太阳能反应器13的反应温度在400～500℃。
本发明所述发电系统输入的能量为生物质能和太阳能，均属于可再生能源。
实施例1：
参照图1，本系统运行时，首先打开回转窑热解炉3的电加热模块并将温度设置为400℃，待温度升高至目标温度后，将经过破碎及干燥处理的生物质颗粒由进料口1输送至回转窑热解炉3中，所述生物质颗粒含水率低于15wt.％且粒径不大于10mm。生物质颗粒在400℃的温度下热解产生热解气和固体焦炭等产物，热解气的主要成分为H2、CO、CO2、CH4、H2O以及少量的碳氢化合物，同时含有一部分气态焦油；其中热解气经热解气出口4进入到电除尘器5中进行净化处理，除去热解气中少量的炭颗粒和飞灰。经过净化处理的热解气经第一引风机6进入到冷凝器7中进行冷凝换热，将热解气中的水分和焦油进行冷凝，并将冷凝得到的水分和焦油通过焦油入口24输送至循环流化床气化炉9中参与气化反应。冷凝器7中利用热解气的高温热能产生的水蒸气通过管道与循环流化床气化炉9的第一水蒸气入口21相连，为循环流化床气化炉9提供气化反应所需的气化剂。经过净化和冷凝处理的热解气由合成气入口131进入到太阳能反应器13中进行催化重整反应。热解产生的固体焦炭与电除尘器5排出的炭颗粒以及飞灰混合后由生物质炭入口23进入循环流化床气化炉9中，在氧气以及水蒸气等气化剂的作用下进行气化反应，气化产生的合成气主要组分为H2、CO、CO2、CH4、H2O以及少量的氢化物。同时从CaO入口20向循环流化床气化炉9中通入CaO共同参与气化反应，一方面，利用CaO与二氧化碳的碳酸化反应降低合成气中二氧化碳的浓度，并促使气化反应的进行。另一方面，CaO与二氧化碳的反应为放热反应，也可以为气化反应提供一部分热能。
在循环流化床气化炉9中发生的主要反应如下：
(1)C+H2O→CO+H2
(2)CO+H2O→CO2+H2
(3)CH4+H2O→CO+3H2
(4)C+CO2→2CO
(5)C+2H2→CH4
(6)CaO+CO2→CaCO3
气化产生的合成气经过旋风分离器10后进入空气预热器11进行换热，随后经过第二引风机12进入太阳能反应器13中进行催化重整反应，气化反应后残余的飞灰由气化炉底部的飞灰出口18排出。旋风分离器10将分离的未完全反应颗粒及飞灰通过返料器16重新返回至循环流化床气化炉9中参与气化反应。通过空气预热器11将氧气和空气分别加热至400～450℃，经过预热的高温氧气与气化炉底部的氧气入口19相连，为气化反应提供所需的气化剂，将氧气预热至400～450℃可避免气化炉内的温度不会因氧气的进入而显著降低，保证气化炉的稳定运行。经过空气预热器11预热的高温空气通过高温空气入口26进入到回转窑热解炉3中为生物质原料的热解提供所需热量，此时即可关闭回转窑热解炉的电加热模块。回转窑热解炉3的高温空气出口2与热用户连接，为热用户供热。经过净化和冷凝处理的热解气与气化合成气混合后通过合成气入口131进入至太阳能反应器13中，循环流化床气化炉9中水冷壁22产生的水蒸气通过第二水蒸气入口134进入至太阳能反应器13中参与催化重整反应。通过石英窗132和反射镜133使太阳辐射能够完全进入催化剂床层137中并将床层加热至400～500℃，以满足合成气催化重整反应所需的温度。所述催化剂为负载Ni金属的碳基催化剂，该碳基载体主要由生物质热解产生的生物质炭经活化处理而来。合成气在太阳能反应器13中进行水蒸气催化重整反应，产生的富氢气体主要成分为H2、CO2和H2O，其中H2浓度可达90vol.％。
在太阳能反应器13中发生的主要反应如下：
(1)CH4+H2O→CO+3H2
(2)CO+H2O→CO2+H2
本实施例中燃料电池14采用熔融碳酸盐燃料电池MCFC，主要由多孔金属阳极、多孔陶瓷阴极、多孔陶瓷电解质隔膜以及金属极板构成。MCFC的阳极材料采用Ni-Cr合金或Ni-Al合金，阴极材料采用LiCOO2，隔膜材料为LiAiO2，电解质为碱金属Li、K、Na、Cs的碳酸盐混合物。合成气催化重整产生的富氢气体通过太阳能反应器13的富氢气体出口136进入到燃料电池14的阳极，阳极中H2与电解质中的CO3 2-发生氧化反应并将电子输送至外电路。经空气预热器11预热的高温空气进入到燃料电池14的阴极，阴极中O2与CO2反应并捕获电子生成CO3 2-进入到电解质中，随后CO3 2-扩散至阳极再循环利用，阳极中产生的电子通过外电路传送至阴极，构成一个完成的回路。
MCFC的电池反应如下：
(1)阳极反应：2H2+2CO3 2-→2CO2+2H2O+4e-
(2)阴极反应：O2+2CO2+4e-→2CO3 2-
(3)总电池反应：2H2+O2+2CO2(阴极)→2H2O+2CO2(阳极)
由上述电极反应可知，MCFC发电过程的净效应是产生水，其主要利用熔融碳酸盐电解质通过电化学反应将富氢气体的化学能转化为电能。在MCFC中，CO2在阳极为产物、在阴极为反应物。因此，将阳极反应产生的CO2输入阴极中作为反应物，即可构成一个封闭循环，在保证电池连续稳定运行的同时，也可以减少发电过程中CO2的排放。阳极排气包括反应产生的CO2以及未完全反应的H2，利用CO2分离装置15将阳极排气中的CO2和H2进行分离，将CO2与阴极排气以及高温空气混合并输送至阴极中循环利用，H2与富氢气体混合重新输入至阳极中循环利用。
实施例2：
为了解决太阳光强度不足(包括阴天、夜晚等环境)情况下造成的太阳能反应器13无法正常运行的问题，提出了本实施例。参照图4，与实施例1不同的是，本实施例中的水冷壁上集箱8不直接与太阳能反应器13的第二水蒸气入口134连接，而是先与高温过热器27相连，然后高温过热器27再与太阳能反应器13的第二水蒸气入口134连接。通过本实施例，水冷壁22中的饱和蒸汽(约100℃)首先经过高温过热器27，将饱和蒸汽加热至过热蒸汽(约400℃)，然后400℃的过热蒸汽通过管道与太阳能反应器13的第二水蒸气入口134连接；过热蒸汽进入太阳能反应器13后可将催化剂床层137加热至催化重整反应所需温度(约400℃)，而后过热蒸汽与合成气在太阳能反应器13中进行催化重整反应并产生富氢气体。在本实施例中，过热蒸汽一方面为催化重整反应提供热量，一方面可为催化重整反应提供所需的水蒸气。
以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种耦合生物质能及太阳能的燃料电池发电系统，其特征在于，包括回转窑热解炉（3）、循环流化床气化炉（9）、电除尘器（5）、旋风分离器（10）、冷凝器（7）、空气预热器（11）、太阳能反应器（13）、燃料电池（14）和CO2分离装置（15），循环流化床气化炉（9）上设有焦油入口（24）、生物质炭入口（23）、水冷壁（22）、第一水蒸气入口（21）、CaO入口（20）以及氧气入口（19）；太阳能反应器（13）上设有合成气入口（131）和第二水蒸气入口（134），第二水蒸气入口（134）连接蒸汽源，回转窑热解炉（3）的生物质炭出口（25）连接生物质炭入口（23），回转窑热解炉（3）的热解气出口（4）依次连接电除尘器（5）和冷凝器（7），循环流化床气化炉（9）的气体出口依次连接旋风分离器（10）、空气预热器（11）、合成气入口（131）、燃料电池（14）的阳极以及CO2分离装置（15），空气预热器（11）还连接燃料电池（14）的阴极；回转窑热解炉（3）上布置有电加热模块、高温空气入口（26）和高温空气出口（2），高温空气入口（26）连接空气预热器（11），高温空气出口（2）连接热用户；水冷壁（22）两端分别连接水冷壁上集箱（8）和水冷壁下集箱（17），水冷壁下集箱（17）连接给水系统；水冷壁上集箱（8）的出口连接太阳能反应器（13）的第二水蒸气入口（134）；循环流化床气化炉（9）中设置高温过热器（27），高温过热器（27）的入口连接水冷壁上集箱（8），高温过热器（27）的出口连接太阳能反应器（13）上的第二水蒸气入口（134），太阳能反应器（13）聚集太阳能并加热催化剂床层，用于气化合成气和水蒸气进行催化重整反应，产生富氢气体；回转窑热解炉（3）主体为筒状，回转窑热解炉（3）的炉体为具有外翅片强化的金属筒体，回转窑热解炉（3）中物料流向与高温气体流向相反；旋风分离器（10）底部设置返料器（16），返料器（16）连通循环流化床气化炉（9）的炉膛，电除尘器（5）的灰尘出口连接循环流化床气化炉（9）的生物质炭入口；空气预热器（11）上设置氧气进气口和氧气出口，所述氧气进气口连接氧气源，所述氧气出口连接循环流化床气化炉（9）的氧气入口（19）；冷凝器（7）的水蒸气出口（702）连接第一水蒸气入口（21），冷凝器（7）的热解气出口（703）连接合成气入口（131），冷凝器（7）的冷凝液出口（705）连接焦油入口（24），冷凝器（7）用于将热解气中的水分和焦油进行冷凝，并将冷凝得到的水分和焦油输送至循环流化床气化炉（9）中参与气化反应；利用热解气的高温热能产生水蒸气，以满足循环流化床气化炉（9）中气化反应的水蒸气需求。
2.根据权利要求1所述的耦合生物质能及太阳能的燃料电池发电系统，其特征在于，太阳能反应器（13）为半球形结构，太阳能反应器（13）顶端设置石英窗（132），富氢气体出口（136）开设在太阳能反应器（13）底端；催化剂床层（137）设置在太阳能反应器（13）的中部；太阳能反应器（13）内侧设置反射镜（133），石英窗（132）具有透光性，石英窗（132）表面镀有用于减少热损失的低反射率涂层，太阳能反应器（13）外部设有保温层（135）。
3.根据权利要求1所述的耦合生物质能及太阳能的燃料电池发电系统，其特征在于，CO2分离装置（15）的氢气出口连接燃料电池的阳极入口，CO2分离装置（15）的CO2出口和燃料电池（14）的阴极出口连接燃料电池的阴极入口；燃料电池（14）采用熔融碳酸盐燃料电池MCFC，所述CO2分离装置（15）为膜分离装置。
4.根据权利要求1所述的耦合生物质能及太阳能的燃料电池发电系统，其特征在于，电除尘器（5）的热解气出口和空气预热器（11）的合成气出口均设置引风机。
5.一种耦合生物质能及太阳能的燃料电池发电方法，其特征在于，基于权利要求1至4任一项所述耦合生物质能及太阳能的燃料电池发电系统，包括以下步骤：破碎及干燥处理的生物质颗粒进入回转窑热解炉（3）在加热条件下热解产生热解气和生物质炭，热解气经过电除尘器（5）除尘净化后，再进入冷凝器（7）冷凝得到净化的热解气和焦油；
水在冷凝器（7）吸收热解气的热量变为水蒸气，所述水蒸气、焦油、加热的氧气、氧化钙、以及生物质炭进入循环流化床气化炉（9）进行气化反应得到合成气和飞灰，对合成气进行气固分离，在气化反应过程中水在水冷壁（22）加热生成水蒸气；飞灰从循环流化床气化炉（9）底部排出；
分离处理后的合成气进入空气预热器（11）加热空气和氧气，换热后的合成气、热解气以及循环流化床气化炉（9）生成的水蒸气进入太阳能反应器（13）在加热和催化条件下进行催化重整反应生成富氢气体；经过空气预热器（11）加热的一部分高温空气进入回转窑热解炉（3）进行换热后再供给热用户；
富氢气体进入燃料电池（14）阳极，经过空气预热器（11）加热的另一部分高温空气进入燃料电池（14）的阴极；燃料电池阳极排出的气体进入CO2分离装置（15），分离得到CO2和H2；燃料电池（14）为系统及外部供电；回转窑热解炉（3）的反应温度在300~400℃；循环流化床气化炉（9）的反应温度在800~900℃；太阳能反应器（13）的反应温度在400~500℃；在系统开始运行阶段，采用电加热模块对回转窑热解炉（3）进行加热进行热解反应，待系统运行稳定后，采用空气预热器（11）的高温空气对回转窑热解炉（3）进行加热。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，CO2分离装置（15）出口的CO2再与加热后的空气混合进入燃料电池（14）的阴极，H2与富氢气体混合进入燃料电池（14）的阳极。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，电除尘器（5）的灰尘出口与生物质炭混合进入循环流化床气化炉（9）参与气化反应；旋风分离器分离出的颗粒物进入循环流化床气化炉（9）参与气化反应。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，催化重整反应过程的催化剂为负载过渡金属或其氧化物的碳基催化剂，碳基载体为生物质热解产生的生物质炭经活化处理而来。
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