CN208690398U - 一种利用煤气高温显热的整体煤气化燃料电池发电系统 - Google Patents

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周贤
彭烁
许世森
钟迪
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Abstract

本实用新型公开一种利用煤气高温显热的整体煤气化燃料电池发电系统，包括废热锅炉、引射器、燃料电池和阴极回热器；利用煤气高温显热直接加热阴极空气，节省了燃料电池内燃料气用于维持操作温度所需的燃料气，避免了煤气高温显热转化为蒸汽，再由汽轮机发电，提高了系统的净发电效率；利用煤气高温显热直接加热阴极空气，减小了阴极回热器体积，避免了煤气冷却过程与蒸汽发电过程的关联，简化了系统流程，易于实现系统的顺序启动。本实用新型在保证设备造价合理的前提下，有效提高IGFC净发电效率，解决了现有技术存在的问题。

Description

一种利用煤气高温显热的整体煤气化燃料电池发电系统
技术领域
本实用新型属于洁净煤发电技术领域，特别涉及一种整体煤气化燃料电池发电系统。
背景技术
煤炭是我国最重要的基础能源，其地位将在未来相当长时期内不会改变。我国的燃煤发电技术经过十多年的努力取得了长足的进步，百万千瓦二次再热超超临界燃煤发电机组的供电煤耗可到达265克/千瓦时，处于国际领先地位，污染物的排放指标持续提高，超低排放污染物控制技术可将燃煤机组主要污染物控制在天然气联合循环发电的排放水平。我国于2012年建成投产了首套25万千瓦规模的整体煤气化联合循环(IGCC)示范电站，其净效率设计为41％，电站实际运行的环保性能可达甚至优于天然气联合循环发电的排放水平，可实现常规污染物的近零排放。
美国环境保护署日前公布发电技术的二氧化碳排放标准为636克CO2/kWh。经过测算，现有技术水平下超超临界燃煤发电机组与IGCC很难达到此碳排放指标。这意味着煤基发电技术仍需进一步提高净效率或者进行二氧化碳捕集。700℃先进超超临界燃煤机组与高参数IGCC可以大幅提高煤基发电技术净效率，但700℃先进超超临界燃煤机组距离实现商业示范还存在瓶颈问题。使用现有技术或近期可行的技术进行二氧化碳捕集不仅将大幅增加设备投资，还会显著降低发电效率。
整体煤气化燃料电池发电系统(IGFC)是将IGCC与高温燃料电池结合的发电系统，其能源转化效率不受卡诺循环效率的限制，能大幅提高煤电效率，易于实现污染物及二氧化碳近零排放，是洁净煤发电技术的一个重要发展方向。
IGFC的煤气化过程通常会产生大量的高温显热，回收这部分高温显热对于提高IGFC的净发电效率至关重要。目前，回收高温显热的办法是主要是采用废热锅炉，产生饱和或过热蒸汽，蒸汽再送至汽轮机发电。此过程涉及煤气高温显热向蒸汽热能的转化，必然造成发电能力损失。在保证设备造价合理的前提下，提高废热锅炉的蒸汽参数是提高IGFC净发电效率的瓶颈问题。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种利用煤气高温显热的整体煤气化燃料电池发电系统，用于提高系统发电效率，以解决上述技术问题。
为了达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
一种利用煤气高温显热的整体煤气化燃料电池发电系统，包括备煤单元、气化炉、废热锅炉、循环气压缩机、第一气气加热器、第二气气加热器、羰基硫水解反应器、脱硫单元、湿化器、引射器、燃料电池、纯氧燃烧器、阴极空气压缩机、阴极回热器、空气透平、余热锅炉、汽轮机、尾气压缩机、氧压机、深冷空分单元和氮压机；
备煤单元的出口连接气化炉的煤粉入口，气化炉顶部的高温粗煤气出口连接废热锅炉的入口；废热锅炉的空气入口连接阴极回热器冷侧空气出口，废热锅炉的空气出口连接燃料电池阴极入口；废热锅炉的粗煤气出口连接循环气压缩机入口和第一气气加热器热侧入口；循环气压缩机出口连接废热锅炉的空气入口；第一气气加热器热侧出入口依次连接第二气气加热器热侧和羰基硫水解反应器，羰基硫水解反应器的出口连接第二气气加热器冷侧入口；第二气气加热器冷侧出口连接脱硫单元；脱硫单元的洁净煤气出口连接湿化器的入口；湿化器的出口连接第一气气加热器冷侧入口，第一气气加热器冷侧出口连接引射器的工作流体入口；
汽轮机中部的中压蒸汽出口连接接引射器的工作流体入口和气化炉；尾气压缩机出口连接引射器的工作流体入口；燃料电池阳极空气出口连接引射器的引射流体入口和纯氧燃烧器入口；连接引射器的出口连接燃料电池阳极空气入口；
氧压机的出口连接气化炉和纯氧燃烧器入口；纯氧燃烧器的出口连接余热锅炉；余热锅炉的尾气出口连接尾气压缩机入口和大气；
阴极空气压缩机的出口连接阴极回热器冷侧入口和深冷空分单元入口；阴极回热器的热侧出口连接空气透平入口，空气透平出口连接余热锅炉入口；深冷空分单元的污氮出口连通大气，纯氧出口连接氧压机入口，纯氮连接氮压机的入口；氮压机的出口连接气化炉入口；余热锅炉的高压过热蒸汽出口连接汽轮机。
进一步的，废热锅炉的粗煤气出口连接除尘单元；除尘单元的煤气出口连接循环气压缩机入口和第一气气加热器热侧入口。
进一步的，气化炉的底部设有排渣口。
进一步的，还包括水处理单元与硫回收单元；
脱硫单元具有废水出口与废气出口；脱硫单元的废水出口与废气出口分别连接水处理单元与硫回收单元。
进一步的，还包括余热回收单元和煤气冷却器；
第二气气加热器冷侧出口依次连接余热回收单元、煤气冷却器和脱硫单元。
进一步的，还包括燃气透平；
纯氧燃烧器的出口通过燃气透平连接余热锅炉。
进一步的，阴极空气压缩机出口与深冷空分单元入口之间设有余热回收换热器。
相对于现有技术，本实用新型具有以下有益效果：
1、本实用新型提供的一种利用煤气高温显热的整体煤气化燃料电池发电系统，利用煤气高温显热直接加热阴极空气，节省了燃料电池内燃料气用于维持操作温度所需的燃料气，避免了煤气高温显热转化为蒸汽，再由汽轮机发电，可将系统净发电效率提高1个百分点以上。
2、本实用新型提供的一种利用煤气高温显热的整体煤气化燃料电池发电系统，利用煤气高温显热直接加热阴极空气，减小了阴极回热器体积，避免了煤气冷却过程与蒸汽发电过程的关联，简化了系统流程，易于实现系统的顺序启动。
附图说明
图1为利用煤气高温显热加热阴极空气的IGFC系统图；
图2为利用煤气高温显热加热阴极空气的常压IGFC系统图；
图3为利用煤气高温显热加热阴极空气与燃料气的IGFC系统图。
具体实施方式
实施例1：利用煤气高温显热加热阴极空气
请参阅图1所示，本实用新型提供一种利用煤气高温显热的整体煤气化燃料电池发电系统，包括备煤单元1、气化炉2、废热锅炉3、除尘单元4、循环气压缩机5、第一气气加热器6、水洗塔7、第二气气加热器8、羰基硫水解反应器9、低温余热回收单元10、煤气冷却器11、脱硫单元12、湿化器13、水处理单元14、硫回收单元15、引射器16、燃料电池17、纯氧燃烧器18、燃气透平19、阴极空气压缩机20、余热回收换热器21、阴极回热器22、空气透平23、余热锅炉24、汽轮机25、尾气压缩机26、氧压机27、深冷空分单元28和氮压机29。
备煤单元1的出口连接气化炉2的煤粉入口，气化炉2顶部的高温粗煤气出口连接废热锅炉3的入口；气化炉2的底部设有排渣口；废热锅炉3的空气入口连接阴极回热器22冷侧空气出口，废热锅炉3的空气出口连接燃料电池17阴极入口；废热锅炉3的粗煤气出口连接除尘单元4。
除尘单元4的煤气出口连接循环气压缩机5入口和第一气气加热器6热侧入口；循环气压缩机5出口连接废热锅炉3的空气入口；第一气气加热器6热侧出入口依次连接水洗塔7、第二气气加热器8热侧和羰基硫水解反应器9，羰基硫水解反应器9的出口连接第二气气加热器8冷侧入口；第二气气加热器8冷侧出口依次连接余热回收单元10、煤气冷却器11和脱硫单元12；脱硫单元12的洁净煤气出口连接湿化器13的入口；脱硫单元12废水出口与废气出口分别连接水处理单元14与硫回收单元15；湿化器13的出口连接第一气气加热器6冷侧入口，第一气气加热器6冷侧出口连接引射器16的工作流体入口。
汽轮机25中部的中压蒸汽出口连接接引射器16的工作流体入口和气化炉2。尾气压缩机26出口连接引射器16的工作流体入口；燃料电池17阳极空气出口连接引射器16的引射流体入口和纯氧燃烧器18入口；连接引射器16的出口连接燃料电池17阳极空气入口。
氧压机27的出口连接气化炉2和纯氧燃烧器18入口；纯氧燃烧器18的出口通过燃气透平19连接余热锅炉24。余热锅炉24的尾气出口连接尾气压缩机26入口和大气。
阴极空气压缩机20的出口连接阴极回热器22冷侧入口和余热回收换热器21入口。阴极回热器22的热侧出口连接空气透平23入口，空气透平23出口连接余热锅炉24入口。余热回收换热器21出口连接深冷空分单元28；深冷空分单元28的污氮出口连通大气，纯氧出口连接氧压机27入口，纯氮送入氮压机29。氮压机29连接气化炉2入口。余热锅炉24的高压过热蒸汽出口连接汽轮机25。
请参阅图1所示，实施例1一种利用煤气高温显热的整体煤气化燃料电池发电系统，该系统流程为：
原煤在备煤单元1中磨煤、干燥后形成干煤粉，由氮压机29出口的高压氮气输送至气化炉2，氧压机27出口的部分纯氧与少量汽轮机25中部抽取的中压蒸汽同时送入气化炉2反应，气化炉2炉底产生炉渣，顶部产生的高温粗煤气与循环气压缩机5出口的低温煤气混合激冷后，送入废热锅炉3；废热锅炉3内放出的热量用于加热从阴极回热器22冷侧出口的空气，加热后的空气送入燃料电池17阴极入口；经过废热锅炉回收余热后的粗煤气送入除尘单元4，经过降温除尘后的一部分煤气循环至循环气压缩机5入口，另一部分煤气进入第一气气加热器6热侧入口，降温后送入水洗塔7，水洗塔7出口煤气送入第二气气加热器8热侧入口，进一步降温后送入羰基硫水解反应器9，随后进入第二气气加热器8冷侧入口，煤气经过复热后，进入低温余热回收单元10，随后进入煤气冷却器11，将煤气降低至脱硫过程所需的温度后，进入脱硫单元12，脱硫单元产生的洁净煤气送入湿化器13加湿后进入第一气气加热器6冷侧，脱硫单元12产生的废水与废气分别进入水处理单元14与硫回收单元15，分别形成固态盐与硫磺；第一气气加热器6冷侧出口煤气与汽轮机25中部抽取的中压蒸汽、尾气压缩机26出口的气体混合后，对煤气中一氧化碳气体形成稀释，送入引射器16，引射燃料电池17阳极出口的部分尾气，引射器16出口的煤气进入燃料电池17阳极，进行反应；燃料电池17阳极出口的其余尾气进入纯氧燃烧器18与氧压机27出口的部分纯氧进行催化燃烧反应，产生的燃烧尾气经过燃气透平19做功后，送入余热锅炉24，燃烧尾气经过降温后分为两股，第一股送入尾气压缩机26入口，第二股直接排入大气；一股空气经过阴极空气压缩机20加压后，一部分送入阴极回热器22冷侧入口，冷侧出口的空气送入废热锅炉3，产生的高温空气送至燃料电池17阴极入口，高温空气在燃料电池17中进行反应后送入阴极回热器22热侧入口，降温后送入空气透平23，驱动空气透平23转动做功后，送入余热锅炉24，回收余热后排入大气；阴极空气压缩机20出口的另一部分空气送入余热回收换热器21，随后送入深冷空分单元28，深冷空分单元28产生的污氮排入大气，产生纯氧送入氧压机27入口，产生的纯氮送入氮压机29入口；余热锅炉24回收燃气透平19与空气透平23排出尾气的余热，产生高压过热蒸汽送入汽轮机25。该系统发出的电能由燃料电池17、燃气透平19、空气透平23、以及汽轮机25产生。
实施例2：利用煤气高温显热加热阴极空气
实施例2与实施例1的区别在于未设置燃气透平19，利用煤气高温显热加热阴极空气。
请参阅图2所示，实施例2一种利用煤气高温显热的整体煤气化燃料电池发电系统，该系统流程为：
原煤在备煤单元1中磨煤、干燥后形成干煤粉，由氮压机29出口的高压氮气输送至气化炉2，氧压机27出口的部分纯氧与少量汽轮机25中部抽取的中压蒸汽同时送入气化炉2反应，气化炉2炉底产生炉渣，顶部产生的高温粗煤气与循环气压缩机5出口的低温煤气混合激冷后，送入废热锅炉3；废热锅炉3内放出的热量用于加热从阴极回热器22冷侧出口的空气，加热后的空气送入燃料电池17阴极入口；经过废热锅炉回收余热后的粗煤气送入除尘单元4，经过降温除尘后的一部分煤气循环至循环气压缩机5入口，另一部分煤气进入第一气气加热器6热侧入口，降温后送入水洗塔7，水洗塔7出口煤气送入第二气气加热器8热侧入口，进一步降温后送入羰基硫水解反应器9，随后进入第二气气加热器8冷侧入口，煤气经过复热后，进入低温余热回收单元10，随后进入煤气冷却器11，将煤气降低至脱硫过程所需的温度后，进入脱硫单元12，脱硫单元产生的洁净煤气送入湿化器13加湿后进入第一气气加热器6冷侧，脱硫单元12产生的废水与废气分别进入水处理单元14与硫回收单元15，分别形成固态盐与硫磺；第一气气加热器6冷侧出口煤气与汽轮机25中部抽取的中压蒸汽、尾气压缩机26出口的气体混合后，对煤气中一氧化碳气体形成稀释，送入引射器16，引射燃料电池17阳极出口的部分尾气，引射器16出口的煤气进入燃料电池17阳极，进行反应；燃料电池17阳极出口的其余尾气进入纯氧燃烧器18与深冷空分单元28出口的部分纯氧进行催化燃烧反应，产生的燃烧尾气送入余热锅炉24，燃烧尾气经过降温后分为两股，第一股送入尾气压缩机26入口，第二股直接排入大气；一股空气经过阴极空气压缩机20加压后，一部分送入阴极回热器22冷侧入口，冷侧出口的空气送入废热锅炉3，产生的高温空气送至燃料电池17阴极入口，高温空气在燃料电池17中进行反应后送入阴极回热器22热侧入口，降温后送入空气透平23，驱动空气透平23转动做功后，送入余热锅炉24，回收余热后排入大气；阴极空气压缩机20出口的另一部分空气送入余热回收换热器21，随后送入深冷空分单元28，深冷空分单元28产生的污氮排入大气，产生纯氧一部分送入氧压机27入口，另一部分送入纯氧燃烧器18，产生的纯氮送入氮压机29入口；余热锅炉24回收纯氧燃烧器18与空气透平23排出尾气的余热，产生高压过热蒸汽送入汽轮机25。该系统发出的电能由燃料电池17、空气透平23、以及汽轮机25产生。
实施例3：利用煤气高温显热加热阴极空气与燃料气
实施例3与实施例1的区别在于利用煤气高温显热加热阴极空气与燃料气。
请参阅图3所示，实施例3一种利用煤气高温显热的整体煤气化燃料电池发电系统，该系统流程为：
原煤在备煤单元1中磨煤、干燥后形成干煤粉，由氮压机29出口的高压氮气输送至气化炉2，氧压机27出口的部分纯氧与少量汽轮机25中部抽取的中压蒸汽同时送入气化炉2反应，气化炉2炉底产生炉渣，顶部产生的高温粗煤气与循环气压缩机5出口的低温煤气混合激冷后，送入废热锅炉3；废热锅炉3内放出的热量用于加热从阴极回热器22冷侧出口的空气，加热后的空气送入燃料电池17阴极入口；经过废热锅炉回收余热后的粗煤气送入除尘单元4，经过降温除尘后的一部分煤气循环至循环气压缩机5入口，另一部分煤气进入第一气气加热器6热侧入口，降温后送入水洗塔7，水洗塔7出口煤气送入第二气气加热器8热侧入口，进一步降温后送入羰基硫水解反应器9，随后进入第二气气加热器8冷侧入口，煤气经过复热后，进入低温余热回收单元10，随后进入煤气冷却器11，将煤气降低至脱硫过程所需的温度后，进入脱硫单元12，脱硫单元产生的洁净煤气送入湿化器13加湿后进入第一气气加热器6冷侧，脱硫单元12产生的废水与废气分别进入水处理单元14与硫回收单元15，分别形成固态盐与硫磺；第一气气加热器6冷侧出口煤气送入废锅锅炉3加热后，与汽轮机25中部抽取的中压蒸汽、尾气压缩机26出口的气体混合后，对煤气中一氧化碳气体形成稀释，送入引射器16，引射燃料电池17阳极出口的部分尾气，引射器16出口的煤气进入燃料电池17阳极，进行反应；燃料电池17阳极出口的其余尾气进入纯氧燃烧器18与氧压机27出口的部分纯氧进行催化燃烧反应，产生的燃烧尾气经过燃气透平19做功后，送入余热锅炉24，燃烧尾气经过降温后分为两股，第一股送入尾气压缩机26入口，第二股直接排入大气；一股空气经过阴极空气压缩机20加压后，一部分送入阴极回热器22冷侧入口，冷侧出口的空气送入废热锅炉3，产生的高温空气送至燃料电池17阴极入口，高温空气在燃料电池17中进行反应后送入阴极回热器22热侧入口，降温后送入空气透平23，驱动空气透平23转动做功后，送入余热锅炉24，回收余热后排入大气；阴极空气压缩机20出口的另一部分空气送入余热回收换热器21，随后送入深冷空分单元28，深冷空分单元28产生的污氮排入大气，产生纯氧送入氧压机27入口，产生的纯氮送入氮压机29入口；余热锅炉24回收燃气透平19与空气透平23排出尾气的余热，产生高压过热蒸汽送入汽轮机25。该系统发出的电能由燃料电池17、燃气透平19、空气透平23、以及汽轮机25产生。

Claims (7)

1.一种利用煤气高温显热的整体煤气化燃料电池发电系统，其特征在于，包括备煤单元(1)、气化炉(2)、废热锅炉(3)、循环气压缩机(5)、第一气气加热器(6)、第二气气加热器(8)、羰基硫水解反应器(9)、脱硫单元(12)、湿化器(13)、引射器(16)、燃料电池(17)、纯氧燃烧器(18)、阴极空气压缩机(20)、阴极回热器(22)、空气透平(23)、余热锅炉(24)、汽轮机(25)、尾气压缩机(26)、氧压机(27)、深冷空分单元(28)和氮压机(29)；
备煤单元(1)的出口连接气化炉(2)的煤粉入口，气化炉(2)顶部的高温粗煤气出口连接废热锅炉(3)的入口；废热锅炉(3)的空气入口连接阴极回热器(22)冷侧空气出口，废热锅炉(3)的空气出口连接燃料电池(17)阴极入口；废热锅炉(3)的粗煤气出口连接循环气压缩机(5)入口和第一气气加热器(6)热侧入口；循环气压缩机(5)出口连接废热锅炉(3)的空气入口；第一气气加热器(6)热侧出入口依次连接第二气气加热器(8)热侧和羰基硫水解反应器(9)，羰基硫水解反应器(9)的出口连接第二气气加热器(8)冷侧入口；第二气气加热器(8)冷侧出口连接脱硫单元(12)；脱硫单元(12)的洁净煤气出口连接湿化器(13)的入口；湿化器(13)的出口连接第一气气加热器(6)冷侧入口，第一气气加热器(6)冷侧出口连接引射器(16)的工作流体入口；
汽轮机(25)中部的中压蒸汽出口连接接引射器(16)的工作流体入口和气化炉(2)；尾气压缩机(26)出口连接引射器(16)的工作流体入口；燃料电池(17)阳极空气出口连接引射器(16)的引射流体入口和纯氧燃烧器(18)入口；连接引射器(16)的出口连接燃料电池(17)阳极空气入口；
氧压机(27)的出口连接气化炉(2)和纯氧燃烧器(18)入口；纯氧燃烧器(18)的出口连接余热锅炉(24)；余热锅炉(24)的尾气出口连接尾气压缩机(26)入口和大气；
阴极空气压缩机(20)的出口连接阴极回热器(22)冷侧入口和深冷空分单元(28)入口；阴极回热器(22)的热侧出口连接空气透平(23)入口，空气透平(23)出口连接余热锅炉(24)入口；深冷空分单元(28)的污氮出口连通大气，纯氧出口连接氧压机(27)入口，纯氮连接氮压机(29)的入口；氮压机(29)的出口连接气化炉(2)入口；余热锅炉(24)的高压过热蒸汽出口连接汽轮机(25)。
2.根据权利要求1所述的一种利用煤气高温显热的整体煤气化燃料电池发电系统，其特征在于，废热锅炉(3)的粗煤气出口连接除尘单元(4)；除尘单元(4)的煤气出口连接循环气压缩机(5)入口和第一气气加热器(6)热侧入口。
3.根据权利要求1所述的一种利用煤气高温显热的整体煤气化燃料电池发电系统，其特征在于，气化炉(2)的底部设有排渣口。
4.根据权利要求1所述的一种利用煤气高温显热的整体煤气化燃料电池发电系统，其特征在于，还包括水处理单元(14)与硫回收单元(15)；
脱硫单元(12)具有废水出口与废气出口；脱硫单元(12)的废水出口与废气出口分别连接水处理单元(14)与硫回收单元(15)。
5.根据权利要求1所述的一种利用煤气高温显热的整体煤气化燃料电池发电系统，其特征在于，还包括余热回收单元(10)和煤气冷却器(11)；
第二气气加热器(8)冷侧出口依次连接余热回收单元(10)、煤气冷却器(11)和脱硫单元(12)。
6.根据权利要求1所述的一种利用煤气高温显热的整体煤气化燃料电池发电系统，其特征在于，还包括燃气透平(19)；
纯氧燃烧器(18)的出口通过燃气透平(19)连接余热锅炉(24)。
7.根据权利要求1所述的一种利用煤气高温显热的整体煤气化燃料电池发电系统，其特征在于，阴极空气压缩机(20)出口与深冷空分单元(28)入口之间设有余热回收换热器(21)。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN110410289A (zh) * 2019-07-24 2019-11-05 中国科学院电工研究所 利用太阳能供热和高温热化学储热的sofc-gt联合发电系统

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CN110410289A (zh) * 2019-07-24 2019-11-05 中国科学院电工研究所 利用太阳能供热和高温热化学储热的sofc-gt联合发电系统

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