CN203932215U - 一种生物质联合循环发电并分离二氧化碳的装置 - Google Patents

一种生物质联合循环发电并分离二氧化碳的装置 Download PDF

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Abstract

本实用新型提供了一种生物质联合循环发电并分离二氧化碳的装置，包括：生物质热解系统，用于制备生物油和生物气；化学链制氢系统，用于分离CO2和制备氢气；固体氧化物燃料电池系统，用于接收化学链制氢系统制备的氢气和欠氧空气，产生电能；燃气轮机系统，接收固体氧化物燃料电池系统未完全反应的气体在燃烧室内燃烧做功发电。本实用新型装置中，生物质进行热解获得生物油和生物气，通入化学链制氢系统分离CO2并制备氢气；化学链制氢系统生成的高温氢气和欠氧空气进入燃料电池反应；高温燃料电池未完全反应的气体通入燃烧室中混合燃烧，燃烧室出口高温气体通过透平膨胀做功，高温乏气余热回收，提高能源利用率。

Description

一种生物质联合循环发电并分离二氧化碳的装置
技术领域
本实用新型属于生物质资源利用、燃料电池联合发电和二氧化碳捕集领域，涉及一种生物质联合循环发电并分离二氧化碳的装置。
背景技术
国家大力提倡能源的高效清洁利用。生物质能是唯一一种可以转化为气体、固体以及液体燃料的、实现化石能源全替代的“多功能型”可再生能源，重点发展可替代石油基液体燃料与化学品的生物质基高端产能源安全，符合我国国家发展重大战略需求。生物质通过热解可以获得生物油和生物气。目前，生物油a通过化学链方法制氢已经得到理论验证和实验验证，其转化效率也比较高。
燃料电池是直接将燃料的化学能直接转化为电能，而不受卡诺循环的限制，其中，固体氧化物燃料电池具有高效、低污染、模块化设计以及没有融盐腐蚀等优点，极大地收到人们的关注。在过去十几年中，燃料电池的研究在技术上有了革命性的突破，并且由于其利用效率高，人们开始研究燃料电池联合循环，希望等到其技术成熟后，能够取代现有火力发电机组，充分发挥它的潜在优势。现今，固体氧化物高温燃料电池SOFC与燃气轮机GT联合循环的技术也取得重大突破。
因此，从现有的背景技术出发，本实用新型旨在通过生物质热解获得生物油和生物气，在通过化学链的方法制备氢气，作为燃料电池联合循环的燃料。整合出这样一种生物质联合循环发电并分离二氧化碳的系统，以实现能源的清洁高效利用。
实用新型内容
技术问题：本实用新型提供一种工艺成本低、装置结构简单，以生物质为原料，同时捕集二氧化碳，提高了发电效率和整体热效率，实现能源高效利用和环境保护的生物质联合循环发电并分离二氧化碳的装置。
技术方案：本实用新型的生物质联合循环发电并分离二氧化碳的装置，包括：生物质热解系统，用于制备生物油和生物气；
化学链制氢系统，用于接收所述生物质热解系统制备的生物油和生物气，分离CO2和制备氢气；
固体氧化物燃料电池系统，用于接收化学链制氢系统中制备的氢气和空气，并在高温下发生化学反应，产生的电能通过外电路送给用户；
燃气轮机系统，用于接收固体氧化物燃料电池系统正极出口的未完全反应的氢气和负极出口的稀氧空气，在燃烧器中进一步混合燃烧，最后进入透平中膨胀做功发电。
本实用新型的装置中，生物质热解系统包括按反应顺序依次连接的热解装置、气固分离器和冷凝装置；
化学链制氢系统包括按载氧体Fe2O3循环反应方向依次连接的燃料反应器、蒸汽反应器和空气反应器；燃料反应器的气体入口与冷凝装置的气体出口连接，燃料反应器的液体入口与冷凝装置的液体出口相连，空气反应器的物料出口与燃料反应器的物料入口相连；
固体氧化物燃料电池系统的负极气体入口与空气反应器的气体出口连接，正极气体入口与蒸汽反应器的气体出口连接；
燃气轮机系统包括按照工质流动方向依次连接的燃烧室、透平、空气加热器和蒸汽加热器，以及与透平同轴联动的发电机和空气压缩机，空气压缩机的排气口与空气加热器的空气入口连接，空气加热器的空气出口与空气反应器的空气入口连接，蒸汽加热器的蒸汽入口与外部蒸汽源连接，蒸汽出口与蒸汽反应器的蒸汽入口连接。
本实用新型装置的优选方案中，生物质热解系统中热解装置的工作温度为500～650℃，固体氧化物燃料电池系统的工作温度在800～1100℃；
化学链制氢系统采用铁基载氧体Fe2O3在燃料反应器中进行还原反应，燃料反应器的工作温度为800～1000℃；蒸汽反应器的工作温度为800～900℃；空气反应器的工作温度为800～1000℃。
应用本实用新型装置进行生物质联合循环发电并分离二氧化碳的流程，包括如下步骤：
首先，生物质在热解装置中热解反应，热解产物依次经过气固分离装置和冷凝装置处理后得到生物油和生物气；生成的生物油和生物气进入化学链制氢系统中进行化学链制氢反应，在燃料反应器中分离CO2，在蒸汽反应器产生氢气，在空气反应器产生温度在800～1000℃的高温欠氧空气；蒸汽反应器生成的氢气进入固体氧化物燃料电池系统的阳极，空气反应器产生的高温欠氧空气进入固体氧化物燃料电池阴极，进行电化学反应产生电能；
固体氧化物燃料电池系统中未完全反应的气体一并进入燃烧室中混合燃烧，产生的高温气体通入透平做功，产生的能量一部分用来驱动发电机发电，一部分驱动空气压缩机，产生的压缩空气进入空气加热器，经透平排出的高温乏气预热后进入空气反应器参与化学链制氢反应，外部蒸汽源进入蒸汽加热器，经透平排出的高温乏气预热后进入蒸汽反应器参与化学链制氢反应。
本实用新型方法的优选方案中，生物质热解系统中热解装置的工作温度为500～650℃，固体氧化物燃料电池系统的工作温度在800～1100℃；
化学链制氢系统采用铁基载氧体Fe2O3在燃料反应器中进行还原反应，燃料反应器的工作温度为800～1000℃；蒸汽反应器的工作温度为800～900℃；空气反应器的工作温度为800～1000℃。
有益效果：实用新型与现有技术相比，具有如下优点：
1、与现有的生物质气化技术相比，本装置中的热解装置在常压下工作，只要将热解装置的工作温度调节至500～650℃，就可以快速热裂解，装置简易，操作简单，可以大大减少工艺成本，适合现场小规模的制备生物油和生物气。而获得的生物油相比于生物质又具有运输方便等特点。
2、本实用新型装置可以在生物质原料产地运行，获得便于储存和运输的生物油和生物气，解决生物质原料不便于运输、储存的问题。同时，生物质的转化过程是通过绿色植物的光合作用将CO2和H2O合成生物质，本实用新型中的装置和方法又实现CO2的捕集，形成CO2的循环排放过程，能有效减少温室气体的排放，满足能源清洁利用的要求。
3、生物质裂解后再通过化学链的方法制氢，从燃料反应器气体出口获得的生成物经过冷却即为纯净的CO2，系统实现了CO2的捕集，避免温室气体的排放。这一点，现有的生物质气化技术是很难实现的，因为气化炉中通入空气后，高温下空气中的氧气就会与生物质发生反应生成CO2，在随后的反应装置中我们都很难分离出纯净的CO2。并且，与传统气化制氢相比，本实用新型的化学链制氢系统中通过水蒸气与FeO以及Fe反应生成氢气，生成物经冷却即为纯净的氢气，无需涉及O2与N2的分离、CO2和H2的分离、H2S和COS污染气体的脱除工艺，减少实现以上工艺所涉及的能源消耗。
4、从生物质热解、化学链制氢到固体氧化物燃料电池、燃气轮机联合循环的过程中，先是生物质热解，然后在燃料反应器中反应，从燃料反应器气体出口获得纯净的CO2，实现的CO2捕集；而后化学链方法制得的高温氢气作为固体氧化物燃料电池联合循环的燃料，用于发电。在本实用新型中，由于化学链制氢系统蒸汽反应器和空气反应器反应温度均在800℃以上，所以从化学链制氢系统中出来的氢气具有800～900℃的温度，欠氧空气具有800～1000℃的温度，满足燃料电池发生电化学反应的要求，保证了燃料电池反应的效率，并没有需要额外耗能对进入燃料电池前的气体加热升温，减少了能源消耗。燃料电池中未完全反应的氢气又会在燃烧室中进一步燃烧，保证燃料的完全燃烧和充分利用。并且，在燃气轮机系统中对膨胀做功后的尾气的热量进行了回收利用，用于加热化学链制氢系统中压缩空气和水蒸气，提高了系统整体的热效率。整个系统中，生物质热解的燃料能源转化率最高可以达到95.5％，采用铁基载氧体的化学链方法制氢的理论效率也可以达到90％以上，固体氧化物燃料电池联合循环的发电效率可以达到60％，把这样的一系列系统整合起来，便可以获得一个能源高效利用的新系统。目前，火力发电效率在45％，固体氧化物燃料电池联合循环可以达到60％，发电效率的提高，使得这种方式发电可以减少15％的燃料使用量，这对燃料的高效利用具有重大的意义。
附图说明
图1是本实用新型生物质联合循环发电并分离二氧化碳的装置的示意图。
图中有：生物质热解系统Ⅰ、化学链制氢系统Ⅱ、固体氧化物燃料电池系统Ⅲ、燃气轮机系统Ⅳ；热解装置1、气固分离器2、冷凝装置3、燃料反应器4、蒸汽反应器5、空气反应器6、燃烧室8、透平9、空气压缩机10、空气加热器11和蒸汽加热器12。
具体实施方式
为了更好地理解本实用新型的技术方案，下面将参照附图对本实用新型进行说明：
本实用新型的系统结构如图1所示，装置包括四个系统：生物质热解系统Ⅰ、化学链制氢系统Ⅱ、固体氧化物燃料电池系统Ⅲ和燃气轮机系统Ⅳ。
联合循环发电以生物质为原料，其中热解装置1的出口与气固分离器2的入口相连，气固分离器2的出口分别于冷凝装置3还有燃料反应器4相连；燃料反应器4的物料出口与蒸汽反应器5的物料入口相连，蒸汽反应器5的物料出口与空气反应器6的物料入口相连，空气反应器6的物料出口与燃料反应器4的物料入口相连；固体氧化物燃料电池系统的负极、正极分别与空气反应器6的气体出口及蒸汽反应器5的气体出口相连接，固体氧化物燃料电池系统的负极和正极出口的气体一同进入燃烧室8；燃烧室8的出口与透平9的入口相连，透平9与发电机还有空气压缩机10同轴联动，透平9的出口与空气加热器11的工质入口相连，空气加热器11的工质出口与蒸汽加热器12的工质入口相连，空气压缩机10的出口与空气加热器11的空气入口相连，空气加热器11的空气出口和空气反应器6的空气入口相连，蒸汽加热器12的蒸汽出口与蒸汽反应器5的蒸汽入口相连。
系统的工作过程：生物质原料从热解装置1的顶部加入，作为热裂解热源的载热体与生物质自混合并加热生物质，当加热到500～650℃后生物质发生快速热裂解反应；热解装置1与气固分离器2相连，热裂解产物经气固分离器2将固体颗粒和油气分离，纯净的油气通入冷凝装置3，经冷凝后的生物油a与生物气b一同进入燃料反应器4，在800～1000℃的工作温度下，氧化铁与生物油a和生物气b发生氧化还原反应，并被还原成高温金属单体铁或氧化亚铁A，且燃料反应器4的气体出口排出CO2和水蒸汽m，将混合气体m冷凝即获得纯净的CO2；燃料反应器4物料出口与蒸汽反应器5物料入口相连接，高温金属单体铁或氧化亚铁A与水蒸气分别被送入蒸汽反应器5，两者充分混合并发生反应，并控制反应温度在800～900℃，生成的四氧化三铁B随物料循环进入到空气反应器6中，而生成的氢气和未完全反应的水蒸气c被送入固体氧化物燃料电池的正极；从蒸汽反应器5随物料流动过来的四氧化三铁B与送入的空气中的氧气在空气反应器6发生氧化反应，反应温度800～1000℃，生成高价金属氧化物C，再被送入到燃料反应器4中，完成物料的循环使用；
空气反应器6中反应后的欠氧空气d从气体出口流入固体氧化物燃料电池的负极，与进入正极的氢气在燃料电池内发生化学反应，反应温度在800～1100℃，在固体氧化物燃料电池出口阳极和阴极反应后的气体混合起来，残留的氢气会在燃烧室8中继续燃烧，经燃烧加热成高温高压气体g；最后，燃烧室8出口的高温气体g通入透平做功，透平产生的能量一部分用来发电，一部分带动空气压缩机10压缩化学链制氢系统Ⅱ空气反应器6的进口空气，而透平出口流出的尾气预热化学链制氢系统Ⅱ空气反应器6进口的压缩空气i和蒸汽反应器5进口的水蒸汽k，回收热量。
本实施例中生物质原料为小于2mm的秸秆颗粒，热解的燃料能源转化率可达70％。化学链制氢系统中载氧体采用Fe2O3，制氢效率大概在70％左右。燃料电池负正极气体入口的温度为900℃，燃料和空气在燃料电池中的利用率为60％和50％，系统工作压力为常压；固体氧化物燃料电池的理论工作电压为0.91V，蒸汽加热器和空气加热器的换热效率为98％，通过燃气透平带动发电机发电，其发电效率为25％；对整个发电系统进行热平衡分析，固体氧化物燃料电池的发电效率为50％，系统整体的热效率为80％(包含余热利用)。
以上仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干可以预期的改进和等同替换，这些对本实用新型权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本实用新型的保护范围。

Claims (2)

1.一种生物质联合循环发电并分离二氧化碳的装置，其特征在于，该装置包括：生物质热解系统(Ⅰ)，用于制备生物油a和生物气b；
化学链制氢系统(Ⅱ)，用于接收所述生物质热解系统(Ⅰ)制备的生物油和生物气，分离CO2和制备氢气；
固体氧化物燃料电池系统(Ⅲ)，用于接收化学链制氢系统(Ⅱ)中制备的氢气和空气，并在高温下发生化学反应，产生的电能通过外电路送给用户；
燃气轮机系统(Ⅳ)，用于接收固体氧化物燃料电池系统(Ⅲ)正极出口的未完全反应的氢气和负极出口的稀氧空气，在燃烧器中进一步混合燃烧，最后进入透平中膨胀做功发电。
2.根据权利要求1所述的生物质联合循环发电并分离二氧化碳的装置，其特征在于：
所述生物质热解系统(Ⅰ)包括按反应顺序依次连接的热解装置(1)、气固分离器(2)和冷凝装置(3)；
所述化学链制氢系统(Ⅱ)包括按载氧体Fe2O3循环反应方向依次连接的燃料反应器(4)、蒸汽反应器(5)和空气反应器(6)；所述燃料反应器(4)的气体入口与冷凝装置(3)的气体出口连接，燃料反应器(4)的液体入口与冷凝装置(3)的液体出口相连，空气反应器(6)的物料出口与燃料反应器(4)的物料入口相连；
所述固体氧化物燃料电池系统(Ⅲ)的负极气体入口与空气反应器(6)的气体出口连接，正极气体入口与蒸汽反应器(5)的气体出口连接；
所述燃气轮机系统(Ⅳ)包括按照工质流动方向依次连接的燃烧室(8)、透平(9)、空气加热器(11)和蒸汽加热器(12)，以及与所述透平(9)同轴联动的发电机(G)和空气压缩机(10)，所述空气压缩机(10)的排气口与空气加热器(11)的空气入口连接，所述空气加热器(11)的空气出口与空气反应器(6)的空气入口连接，蒸汽加热器(12)的蒸汽入口与外部蒸汽源连接，蒸汽出口与蒸汽反应器(5)的蒸汽入口连接。
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