CN117239195A - 一种co2零排放的sofc热电联供系统及其运行方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种CO2零排放的固体氧化物燃料电池(简称SOFC)热电联供系统及其运行方法，该系统以天然气/甲烷/焦炉煤气等为燃料，包括SOFC电堆、风机、空气预热器、空气加热器、蒸汽发生器、重整器、燃料加热器、燃烧器、冷凝器、水泵、脱硫器等；系统运行时SOFC电堆出口的阳极尾气换热后与氧气混合、燃烧，产生的高温烟气在空气预热器、蒸汽发生器中冷却后产生液态冷凝水和高纯CO2；其中高纯CO2可直接捕集后实现零排放，冷凝水通过水泵进入蒸汽发生器中，生成的高温水蒸气与天然气混合后经过重整、加热后进入到SOFC电堆发电；该系统实现了CO2的零排放、无需依赖外部供水，系统切实可行、成本低、稳定性高、对环境适应性强。
Description
技术领域
本发明涉及固体氧化物燃料电池技术领域，具体涉及一种CO2零排放的SOFC热电联供系统及其运行方法。
背景技术
固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC)是一种不经过燃烧过程直接以电化学反应方式将燃料(如天然气、H2、合成气、沼气、甲醇等)的化学能直接转化为电能的高效发电装置。相对于传统发电技术，SOFC发电系统具有燃料来源广、发电效率高、无NOx排放、可实现CO2集中排放等优点。SOFC系统作为一种高效、环保的新型发电设备，在住宅、酒店、医院、学校、办公楼宇、小区、数据中心、通讯基站等民工商业用户分布式电源领域具有广泛应用前景，是实现“碳中和”、“碳达峰”的重要技术手段。
SOFC发电系统主要包括SOFC电堆、燃料系统、空气系统、水处理系统、尾气处理系统、电力传输系统、控制系统等子系统。燃料经过加热、预处理后进入到电堆中，空气经过加热后进入到电堆中，阳极燃料在电堆阳极发生电化学反应。由于SOFC电堆是由多层电池片叠加而成，燃料和空气进入到电堆中的每一层电池片时并非完全均匀分配，在电化学反应过程中，每一层电池片上的燃料从入口处到出口处浓度不断降低，造成电池片进出口温度的不均匀、电流密度的不均匀，为了减小这些不均匀对SOFC电堆的影响、延长电堆使用寿命，通常SOFC电堆的燃料利用率控制在80％以内，即电堆阳极出口尾气中仍含有一部分可燃气体；另一方面，燃料和空气在进入到电堆前都需要换热升温，需要一定的高温热源，且电堆出口阳极尾气中含有CO和H2等可燃物不能直接排放，常规的SOFC系统将电堆出口的阳极尾气和阴极尾气在燃烧器内混合后燃烧，将高温烟气用于燃料、空气的加热。由于电堆出口的阴极尾气中含有过量的O2和大量的N2，阳极尾气和阴极尾气在燃烧器中混合然后，燃烧的高温烟气经换热降温、冷凝后，这部分N2和O2在仍保留在高温烟气中，无法从SOFC的烟气中高效、便捷的捕集CO2。此外，常规的SOFC系统在额定运行时需要大量的外部供水为重整器、电堆的重整反应提供水蒸气，增加了系统的复杂程度、降低了系统稳定性。
因此，在保证SOFC系统高效稳定运行的同时，为实现SOFC系统烟气中CO2的完全捕集、零排放，使SOFC系统摆脱对外部供水的依赖，需要对常规的SOFC系统的工艺架构进行进一步的优化。
发明内容
为解决常规固体氧化物燃料电池发电系统烟气中的CO2无法直接捕集、系统额定运行时对外部供水的依赖，本发明提供如下技术方案：
本发明的第一目的在于提供一种CO2零排放的SOFC热电联供系统及其运行方法，该系统以天然气/甲烷/焦炉煤气等为燃料通过SOFC发电，包括SOFC电堆、风机、空气预热器、空气加热器、蒸汽发生器、重整器、燃料加热器、燃烧器、冷凝器、水泵、脱硫器、管路、阀门、气体流量控制器等；系统运行时SOFC电堆出口的阳极尾气经降温后与氧气混合进入到燃烧器中燃烧，产生的高温烟气分成两部分，一部分进入空气预热器加热风机出口的常温空气、一部分进入蒸汽发生器加热液态水产生高温蒸汽；蒸汽发生器出口的烟气经冷凝后产生的液态水通过水泵进入到蒸汽发生器中，经过高温烟气的加热产生水蒸气，再与天然气混合后进入到重整器中发生催化反应，重整后的燃料进入SOFC电堆发电；另一方面，蒸汽发生器、空气预热器出口的烟气混合后经冷凝后分离出液态水，得到了高纯度的CO2；SOFC电堆出口的高温阴极尾气进入到空气加热器将空气加热到SOFC电堆出口所需温度，降温后的阴极尾气进入到余热回收系统。
该系统以天然气/甲烷/焦炉煤气等含碳的可燃气体为燃料，燃料经过脱硫器脱硫后与蒸汽发生器出口的高温水蒸气充分混合，一同进入重整器中发生重整反应去除燃料中的乙烷、丙烷、丁烷等高碳烃，同时部分甲烷发生重整反应生成CO、CO2及H2，重整器出口的燃料进入燃料加热器与SOFC电堆出口阳极尾气换热，燃料被加热到650-700℃后送入SOFC电堆阳极入口，在SOFC电堆内发生电化学反应。
所述重整器为填充床式绝热式重整器，重整器与周围其他高温部件存在辐射换热，系统额定运行时重整器的出口温度在400-500℃、重整器出口无乙烷、丙烷、丁烷等高碳烃。
所述SOFC电堆出口阳极尾气进入到燃料加热器中与新鲜燃料换热，阳极尾气温度降低后进入到燃烧器内与适量的氧气混合并完全燃烧，燃烧器出口高温烟气中只包含CO2、H2O和微量的O2；高温烟气分成两部分，一部分进入蒸汽发生器将液态水加热成为高温水蒸气，另一部分进入空气预热器将风机出口的常温空气加热到合适的温度，两股高温烟气降温后重新汇合进入到冷凝器。
所述燃烧器出口的高温烟气经过换热降温、汇合后进入到冷凝器，烟气被循环冷却液冷凝后产生液态冷凝水和高纯度的常温CO2；其中，高纯度的CO2可直接捕集，一部分冷凝水排出系统，另一部分冷凝水由水泵送去蒸汽发生器产生高温蒸汽、参与重整反应，实现水的循环利用。
所述风机出口的常温空气先进入到空气预热器中，被燃烧器出口的一部分高温烟气加热，再进入到空气加热器，被SOFC电堆出口的高温阴极尾气加热；空气加热器出口的高温阴极尾气送去余热回收。
所述燃烧器内有点火装置、燃烧器出口管路分成2路支管，一路通向空气预热器、一路通向蒸汽发生器，支路上的比例调节阀可以控制两条支路中高温烟气的流量；燃烧器入口氧气管路上有气体流量控制器，可以调节进入燃烧器内的氧气，以实现燃料的充分燃烧；
本发明的第二目的在于提供一种CO2零排放的SOFC热电联供系统及其运行方法，该方法包括如下步骤：SOFC系统从常温启动逐渐升温的过程中，当SOFC电堆温度低于某温度、重整器内催化剂床层温度低于某温度时，系统只通入燃料气体，燃料气体经脱硫器、重整器、燃料加热器后进入SOFC电堆，从SOFC电堆阳极出口进入到燃烧器中，氧气流量控制器与燃烧器内的点火器，可以实现燃料在燃烧器内的充分、稳定燃烧，调节燃烧器出口高温烟气管路上2条支路的比例调节阀，使得所有高温烟气进入到空气预热器；系统继续通入燃料气，当SOFC电堆温度高于某温度时，调节燃烧器出口高温烟气管路上2条支路的比例调节阀，使得一部分高温烟气进入到蒸汽发生器，然后向系统内通入去离子水，燃料、水蒸气在重整器内发生重整反应后进入SOFC电堆，防止重整器、SOFC电堆内积碳；当系统在额定运行条件下运行时，系统停止通入去离子水，完全采用高温烟气降温后的冷凝水，摆脱对外部供水的依赖。
与现有技术相比，本发明的优点在于：一种CO2零排放的SOFC热电联供系统，①该系统采用少量的O2将SOFC电堆出口阳极尾气充分燃烧，产生的高温烟气经换热、冷凝后得到的高纯度CO2可直接用于CO2捕集，实现了CO2的零排放；②液态冷凝水可用于SOFC系统的蒸汽发生器，使得SOFC系统在额定运行阶段不再依赖于外部的供水，提高了系统的稳定性、环境适应性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为一种CO2零排放的SOFC热电联供系统的整体结构示意图；
其中：1、SOFC电堆；2、风机；3、空气预热器；4、空气加热器；5、蒸汽发生器；6、重整器；7、燃料加热器；8、燃烧器；9、冷凝器；10、水泵；11、脱硫器；12、管路；13、阀门；14、气体流量控制器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例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的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
下面将结合附图来描述本发明的具体实施方式：
如图1所示，一种CO2零排放的SOFC热电联供系统及其运行方法，该系统以天然气/甲烷/焦炉煤气等为燃料通过SOFC电堆1发电，包括SOFC电堆1、风机2、空气预热器3、空气加热器4、蒸汽发生器5、重整器6、燃料加热器7、燃烧器8、冷凝器9、水泵10、脱硫器11、管路12、阀门13、气体流量控制器14等；系统运行时SOFC电堆1出口的阳极尾气经降温后与氧气混合进入到燃烧器8中燃烧，产生的高温烟气分成两部分，一部分进入空气预热器3加热风机2出口的常温空气、一部分进入蒸汽发生器5加热液态水产生高温蒸汽；蒸汽发生器5出口的烟气经冷凝后产生的液态水通过水泵10进入到蒸汽发生器5中，经过高温烟气的加热产生水蒸气，再与天然气混合后进入到重整器6中发生催化反应，重整后的燃料进入SOFC电堆1发电；另一方面，蒸汽发生器5、空气预热器3出口的烟气混合后经冷凝后分离出液态水，得到了高纯度的CO2；SOFC电堆1出口的高温阴极尾气进入到空气加热器4将空气加热到SOFC电堆1出口所需温度，降温后的阴极尾气进入到余热回收系统。
该系统以天然气/甲烷/焦炉煤气等含碳的可燃气体为燃料，燃料经过脱硫器11脱硫后与蒸汽发生器5出口的高温水蒸气充分混合，一同进入重整器6中发生重整反应去除燃料中的乙烷、丙烷、丁烷等高碳烃，同时部分甲烷发生重整反应生成CO、CO2及H2，重整器6出口的燃料进入燃料加热器7与SOFC电堆1出口阳极尾气换热，燃料被加热到650-700℃后送入SOFC电堆阳极入口，在SOFC电堆1内发生电化学反应。
所述重整器6为填充床式绝热式重整器，重整器6与周围其他高温部件存在辐射换热，系统额定运行时重整器6的出口温度在400-500℃、重整器6出口无乙烷、丙烷、丁烷等高碳烃。
所述SOFC电堆1出口阳极尾气进入到燃料加热器7中与新鲜燃料换热，阳极尾气温度降低后进入到燃烧器8内与适量的氧气混合并完全燃烧，燃烧器8出口高温烟气中只包含CO2、H2O和微量的O2；高温烟气分成两部分，一部分进入蒸汽发生器5将液态水加热成为高温水蒸气，另一部分进入空气预热器3将风机2出口的常温空气加热到合适的温度，两股高温烟气降温后重新汇合进入到冷凝器9。
所述燃烧器8出口的高温烟气经过换热降温、汇合后进入到冷凝器9，烟气被循环冷却液冷凝后产生液态冷凝水和高纯度的常温CO2；其中，高纯度的CO2可直接捕集，一部分冷凝水排出系统，另一部分冷凝水由水泵送去蒸汽发生器5产生高温蒸汽、参与重整反应，实现水的循环利用。
所述风机2出口的常温空气先进入到空气预热器3中，被燃烧器8出口的一部分高温烟气加热，再进入到空气加热器4，被SOFC电堆1出口的高温阴极尾气加热；空气加热器4出口的高温阴极尾气送去余热回收。
所述燃烧器8内有点火装置、燃烧器8出口管路12分成2路支管，一路通向空气预热器3、一路通向蒸汽发生器5，支路上的比例调节阀13可以控制两条支路中高温烟气的流量；燃烧器8入口氧气管路上有气体流量控制器14，可以调节进入燃烧器8内的氧气，以实现燃料的充分燃烧；
本发明的第二目的在于提供一种CO2零排放的SOFC热电联供系统及其运行方法，该方法包括如下步骤：SOFC系统从常温启动逐渐升温的过程中，当SOFC电堆1温度低于某温度、重整器6内催化剂床层温度低于某温度时，系统只通入燃料气体，燃料气体经脱硫器11、重整器6、燃料加热器7后进入SOFC电堆1，从SOFC电堆阳极出口进入到燃烧器8中，氧气流量控制器14与燃烧器8内的点火器，可以实现燃料在燃烧器8内的充分、稳定燃烧，调节燃烧器8出口高温烟气管路12上2条支路的比例调节阀13，使得所有高温烟气进入到空气预热器3；系统继续通入燃料气，当SOFC电堆1温度高于某温度时，调节燃烧器8出口高温烟气管路12上2条支路的比例调节阀13，使得一部分高温烟气进入到蒸汽发生器5，然后向系统内通入去离子水，燃料、水蒸气在重整器内发生重整反应后进入SOFC电堆1，防止重整器6、SOFC电堆1内积碳；当系统在额定运行条件下运行时，系统停止通入去离子水，完全采用高温烟气降温后的冷凝水，摆脱对外部供水的依赖。
与现有技术相比，本发明的优点在于：一种CO2零排放的SOFC热电联供系统，①采用少量的O2将SOFC电堆1出口阳极尾气充分燃烧，产生的高温烟气经换热、冷凝后得到的高纯度CO2可直接用于CO2捕集，实现了CO2的零排放；②液态冷凝水可用于SOFC系统的蒸汽发生器5，使得SOFC系统在额定运行阶段不再依赖于外部的供水，提高了系统的稳定性和环境适应性。
Claims (8)
1.一种CO2零排放的SOFC热电联供系统及其运行方法，该系统以天然气/甲烷/焦炉煤气等为燃料通过SOFC发电，包括SOFC电堆、风机、空气预热器、空气加热器、蒸汽发生器、重整器、燃料加热器、燃烧器、冷凝器、水泵、脱硫器、管路、阀门、气体流量控制器等；系统运行时SOFC电堆出口的阳极尾气经降温后与氧气混合进入到燃烧器中燃烧，产生的高温烟气分成两部分，一部分进入空气预热器加热风机出口的常温空气、一部分进入蒸汽发生器加热液态水产生高温蒸汽；蒸汽发生器出口的烟气经冷凝后产生的液态水通过水泵进入到蒸汽发生器中，经过高温烟气的加热产生水蒸气，再与天然气混合后进入到重整器中发生催化反应，重整后的燃料进入SOFC电堆发电；另一方面，蒸汽发生器、空气预热器出口的烟气混合后经冷凝后分离出液态水，得到了高纯度的CO2；SOFC电堆出口的高温阴极尾气进入到空气加热器将空气加热到SOFC电堆出口所需温度，降温后的阴极尾气进入到余热回收系统。
2.根据权利要求1所述的一种CO2零排放的SOFC热电联供系统，其特征在于，该系统以天然气/甲烷/焦炉煤气等含碳的可燃气体为燃料，燃料经过脱硫器脱硫后与蒸汽发生器出口的高温水蒸气充分混合，一同进入重整器中发生重整反应去除燃料中的乙烷、丙烷、丁烷等高碳烃，同时部分甲烷发生重整反应生成CO、CO2及H2，重整器出口的燃料进入燃料加热器与SOFC电堆出口阳极尾气换热，燃料被加热到650-700℃后送入SOFC电堆阳极入口，在SOFC电堆内发生电化学反应。
3.根据权利要求1所述的一种CO2零排放的SOFC热电联供系统，其特征在于，所述重整器为填充床式绝热式重整器，重整器与周围其他高温部件存在辐射换热，系统额定运行时重整器的出口温度在400-500℃、重整器出口无乙烷、丙烷、丁烷等高碳烃。
4.根据权利要求1所述的一种CO2零排放的SOFC热电联供系统，其特征在于，所述SOFC电堆出口阳极尾气进入到燃料加热器中与新鲜燃料换热，阳极尾气温度降低后进入到燃烧器内与适量的氧气混合并完全燃烧，燃烧器出口高温烟气中只包含CO2、H2O和微量的O2；高温烟气分成两部分，一部分进入蒸汽发生器将液态水加热成为高温水蒸气，另一部分进入空气预热器将风机出口的常温空气加热到合适的温度，两股高温烟气降温后重新汇合进入到冷凝器。
5.根据权利要求1所述的一种CO2零排放的SOFC热电联供系统，其特征在于，所述燃烧器出口的高温烟气经过换热降温、汇合后进入到冷凝器，烟气被循环冷却液冷凝后产生液态冷凝水和高纯度的常温CO2；其中，高纯度的CO2可直接捕集，一部分冷凝水排出系统，另一部分冷凝水由水泵送去蒸汽发生器产生高温蒸汽、参与重整反应，实现水的循环利用。
6.根据权利要求1所述的一种CO2零排放的SOFC热电联供系统，其特征在于，所述风机出口的常温空气先进入到空气预热器中，被燃烧器出口的一部分高温烟气加热，再进入到空气加热器，被SOFC电堆出口的高温阴极尾气加热；空气加热器出口的高温阴极尾气送去余热回收。
7.根据权利要求1所述的一种CO2零排放的SOFC热电联供系统，其特征在于，所述燃烧器内有点火装置、燃烧器出口管路分成2路支管，一路通向空气预热器、一路通向蒸汽发生器，支路上的比例调节阀可以控制两条支路中高温烟气的流量；燃烧器入口氧气管路上有气体流量控制器，可以调节进入燃烧器内的氧气，以实现燃料的充分燃烧。
8.权利要求1-7任一项所述的一种CO2零排放的SOFC热电联供系统的运行方法，包括如下步骤：SOFC系统从常温启动逐渐升温的过程中，当SOFC电堆温度低于某温度、重整器内催化剂床层温度低于某温度时，系统只通入燃料气体，燃料气体经脱硫器、重整器、燃料加热器后进入SOFC电堆，从SOFC电堆阳极出口进入到燃烧器中，氧气流量控制器与燃烧器内的点火器，可以实现燃料在燃烧器内的充分、稳定燃烧，调节燃烧器出口高温烟气管路上2条支路的比例调节阀，使得所有高温烟气进入到空气加热器；系统继续通入燃料气，当SOFC电堆温度高于某温度时，调节燃烧器出口高温烟气管路上2条支路的比例调节阀，使得一部分高温烟气进入到蒸汽发生器，然后向系统内通入去离子水，燃料、水蒸气在重整器内发生重整反应后进入SOFC电堆，防止重整器、SOFC电堆内积碳；当系统在额定运行条件下运行时，系统停止通入去离子水，完全采用高温烟气降温后的冷凝水，摆脱对外部供水的依赖；该系统采用少量的氧气将SOFC电堆出口阳极尾气充分燃烧，产生的高温烟气经换热、冷凝后得到的高纯度CO2可直接用于CO2捕集，实现了CO2的零排放，液态冷凝水可用于SOFC系统的蒸汽发生器，使得SOFC系统在额定运行阶段不再依赖于外部的供水，提高了系统的稳定性和环境适应性。
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