CN216481179U - 利用焦炉煤气与sofc联合供电供暖系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种利用焦炉煤气与SOFC联合供电供暖系统，其包括焦炉、焦炉煤气净化单元、SOFC发电单元、余热发电单元、余热供暖单元、配电网；本方案利用净化后的焦炉煤气成分在SOFC发电单元直接将化学能转换为电能，在固体氧化物燃料电池中未参与反应的燃料成分在燃烧器中继续与氧气结合发生化学反应，将化学能转换为热能，提高了焦炉煤气的利用效率；通过余热发电与余热供暖实现了焦炉煤气的能量梯级利用，提高了资源利用率。

Description

利用焦炉煤气与SOFC联合供电供暖系统

技术领域：

本实用新型涉及利用清洁能源制氢技术领域，特别涉及利用焦炉煤气与SOFC联合供电供暖系统。

背景技术：

燃料电池是一种非燃烧过程的电化学能转换装置，将氢气、天然气或煤气等燃料和氧气的化学能连续不断地转换为电能。与传统电池最大不同之处是燃料电池是发电设备而不是储能设备。按燃料电池电解质种类分，全球燃料电池主要分为碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐型燃料电池、固体氧化物燃料电池(SOFC)、直接甲醇燃料电池和质子交换膜燃料电池。固体氧化物燃料电池的应用前景十分广阔，其使用固态离子导体作为电解质，拥有约60％的转化效率，可以使用多种燃料，例如天然气、沼气、煤气、甲烷等；可用于固定电站、家庭电源、船舶动力、汽车动力、空间宇航和其他许多领域。因采用全固态电池结构，避免了使用液态电解质带来的腐蚀和电解液流失。随着固体氧化物燃料电池技术的进一步突破，预计未来也将得到广泛应用。

中国煤炭资源丰富，品种齐全，在过去的发展时期，中国的煤炭利用以燃烧为主，在加工方面比较薄弱。国外对煤炭的深层次加工的研究较早，技术已趋于成熟。近几年，随着国际能源的日趋紧张，中国煤炭利用也渐渐开始转换到以配煤炼焦为主，回收化学产品为辅的深层次加工上来。

煤炭焦化又称煤炭高温干馏，是以煤为原料，在隔绝空气条件下，加热到950℃左右，经高温干馏产生焦炭，同时获得煤气、煤焦油并回收其它化工产品的一种煤炭转化工艺。粗煤气经回收化学产品和净化后即为净煤气，净煤气中含有54％～59％的H₂,24％～28％的CH₄， 5％～7％的CO。因此,开发焦炉煤气是优质的气体燃料。

鉴于固体氧化物燃料电池较高的燃料转化效率，焦炉煤气作为优质的气体燃料，将焦炉煤气与SOFC发电进行技术耦合，拓宽焦炉煤气利用途径，创新固体氧化物燃料电池的应用场景，通过余热发电与余热供暖回收烟气能量，实现能量的梯级利用，提高能源利用效率。

实用新型内容：

本实用新型的目的在于提供一种利用焦炉煤气与SOFC联合供电供暖系统，直接将焦炉煤气中可燃成分的化学能转换为电能，增加了焦炉煤气的利用途径，提高了焦炉煤气的利用效率；为SOFC发电提供了燃料来源，扩宽了SOFC的应用场景；余热发电与余热供暖实现焦炉煤气的能量梯级利用，提高了资源利用率。

本实用新型由如下技术方案实施：利用焦炉煤气与SOFC联合供电供暖系统，其包括焦炉、焦炉煤气净化单元、SOFC发电单元、余热发电单元、余热供暖单元、配电网；

所述SOFC发电单元包括燃料压缩机、空气压缩机、燃料预热器、空气预热器、固体氧化物燃料电池、燃烧器、逆变器、SOFC发电变压器；

所述燃料压缩机的净煤气出口与所述燃料预热器的净煤气入口相连，所述燃料预热器的净煤气出口与所述固体氧化物燃料电池的燃料进口相连，所述空气压缩机的空气出口与所述空气预热器的空气进口相连，所述空气预热器的空气出口与所述固体氧化物燃料电池的空气进口相连，所述固体氧化物燃料电池的负极气体出口与所述燃烧器的燃料进口相连，所述固体氧化物燃料电池的蒸汽气体出口与所述燃烧器的空气进口相连，所述燃烧器的高温烟气出口与所述燃料预热器的高温烟气进口相连，所述燃料预热器的高温烟气出口与所述空气预热器的高温烟气进口相连；

所述焦炉的粗煤气出口与所述焦炉煤气净化单元的气液分离器的粗煤气进口连通；

所述焦炉煤气净化单元的洗苯塔的净煤气出口与SOFC发电单元的燃料压缩机的净煤气进口连通；

所述SOFC发电单元的空气预热器的高温烟气出口与所述余热发电单元的余热回收蒸汽发生器的高温烟气进口连通；

所述余热发电单元的余热回收蒸汽发生器的烟气出口与所述余热供暖单元的供暖换热器烟气进口连通。

优选的，所述焦炉煤气净化单元包括气液分离器、立式焦油氨水分离器、初冷器、电捕焦油器、煤气鼓风机、预冷器、脱硫塔、煤气预热器、硫铵饱和器、终冷塔和洗苯塔；

所述气液分离器的气体出口与所述初冷器的气体进口相连，所述气液分离器的液体出口与所述立式焦油氨水分离器液体进口相连，所述初冷器的气体出口与所述电捕焦油器的气体进口相连，所述电捕焦油器的气体出口与所述煤气鼓风机的气体进口相连，所述煤气鼓风机的气体出口与所述预冷器的气体进口相连，所述预冷器的气体出口与所述脱硫塔的气体进口相连，所述脱硫塔的气体出口与所述煤气预热器的气体进口相连，所述煤气预热器的气体出口与所述硫铵饱和器的气体进口相连，所述硫铵饱和器的气体出口与所述终冷塔的气体进口相连，所述终冷塔的气体出口与所述洗苯塔的气体进口相连。

优选的，其还包括逆变器和SOFC发电变压器；

所述固体氧化物燃料电池的电力输出端与所述逆变器的电力输入端电连接，所述逆变器的电力输出端与所述SOFC发电变压器的电力输入端电连接。

优选的，所述余热发电单元包括余热回收蒸汽发生器、汽轮机、发电机、冷凝器和余热发电变压器；

所述余热回收蒸汽发生器的蒸汽出口与所述汽轮机的蒸汽进口相连，所述汽轮机蒸汽出口与所述冷凝器的蒸汽进口相连，所述冷凝器的冷凝水出口与所述余热回收蒸汽发生器的冷凝水进口相连。

优选的，其还包括发电机和余热发电变压器，所述发电机的电力输出端与所述余热发电变压器的电力输入端电连接。

优选的，所述余热供暖单元包括供暖换热器和采暖用户；所述供暖换热器与采暖用户通过供暖管网相连。本实用新型的优点：焦炉煤气为SOFC提供了燃料来源，扩宽了SOFC的应用场景；SOFC可以实现焦炉煤气中燃料的化学能直接转换为电能，提高焦炉煤气可燃成分的利用效率；未在SOFC参与反应的可燃成分在燃烧器中将化学能转换为热能，余热发电与余热供暖实现了能量的梯级利用，提高了焦炉煤气的资源利用率。

附图说明：

图1为本实用新型的结构示意图。

附图中各部件的标记如下：焦炉1、焦炉煤气净化单元2、气液分离器2.1、立式焦油氨水分离器2.2、初冷器2.3、电捕焦油器2.4、煤气鼓风机2.5、预冷器2.6、脱硫塔2.7、煤气预热器2.8、硫铵饱和器2.9、终冷塔2.10、洗苯塔2.11、SOFC发电单元3、燃料压缩机3.1、空气压缩机3.2、燃料预热器3.3、空气预热器3.4、固体氧化物燃料电池3.5、燃烧器3.6、逆变器3.7、SOFC发电变压器3.8、余热发电单元4、余热回收蒸汽发生器4.1、汽轮机4.2、发电机4.3、冷凝器4.4、余热发电变压器4.5、余热供暖单元5、供暖换热器5.1、采暖用户5.2、配电网6。

具体实施方式：

如图1所示，本实施例提供利用焦炉煤气与SOFC联合供电供暖系统，其包括焦炉1、焦炉煤气净化单元2、SOFC发电单元3、余热发电单元4、余热供暖单元5和配电网6；

SOFC发电单元3的SOFC发电变压器3.8输出端和余热发电单元 4的余热发电变压器4.5输出端分别与配电网6的输入端电连接；焦炉1的粗煤气出口与焦炉煤气净化单元2的气液分离器2.1粗煤气进口连通；焦炉煤气净化单元2的洗苯塔2.11净煤气出口与SOFC发电单元3的燃料压缩机3.1净煤气进口连通；SOFC发电单元3的空预热器3.4出口与余热发电单元4的回收蒸汽发生器4.1烟气进口连通；余热发电单元4的余热回收蒸汽发生器4.1烟气出口与余热供暖单元5的供暖换热器5.1烟气进口连通。

焦炉煤气净化单元2包括气液分离器2.1、立式焦油氨水分离器 2.2、初冷器2.3、电捕焦油器2.4、煤气鼓风机2.5、预冷器2.6、脱硫塔2.7、煤气预热器2.8、硫铵饱和器2.9、终冷塔2.10和洗苯塔2.11；气液分离器2.1的气体出口与初冷器2.3的气体进口相连，气液分离器2.1的液体出口与立式焦油氨水分离器2.2的液体进口相连，初冷器2.3的气体出口与电捕焦油器2.4的气体进口相连，电捕焦油器2.4的气体出口与煤气鼓风机2.5的气体进口相连，煤气鼓风机2.5的气体出口与预冷器2.6的气体进口相连，预冷器2.6的气体出口与脱硫塔2.7的气体进口相连，脱硫塔2.7的气体出口与煤气预热器2.8的气体进口相连，煤气预热器2.8的气体出口与硫铵饱和器 2.9的气体进口相连，硫铵饱和器2.9的气体出口与终冷塔2.10的气体进口相连，终冷塔2.10的气体出口与洗苯塔2.11的气体进口相连；来自焦化装置焦炉1的粗煤气通过气液分离器2.1实现气液分离，分离出的粗煤气并联进入初冷器2.3进行冷却，分离下来的焦油氨水和焦油渣一起进入立式焦油氨水分离器2.2分离；初冷器2.3分上、中、下三段，煤气从82℃冷却到22℃，经冷却后的煤气并联进入电捕焦油器2.4，最大限度地清除煤气中的焦油雾滴及萘，经电捕后的煤气进入离心鼓风机2.5进行加压，加压后的煤气送往脱硫工序；来自离心鼓风机2.5的粗煤气先进入预冷塔2.6，将45℃的煤气用16℃的制冷循环水冷却至27℃左右，煤气进入脱硫塔2.7的湍球塔2.71 下部与塔顶喷淋下来的脱硫液逆流接触，塔内聚丙烯小球不断湍动从而增大接触面积，提高脱硫效率，而后依次串联进入填料脱硫塔2.72 下部与塔顶喷淋下来的脱硫液逆流接触洗涤后(脱硫液与煤气完全逆流)，煤气中H₂S含量≤50mg/Nm³，煤气经捕雾段2.73除去雾滴后全部送至煤气预热器2.8；来煤气预热器2.8的煤气进入喷淋式硫铵饱和器2.9，煤气与循环母液逆流接触，其中的氨被母液中的硫酸吸收，生成硫酸铵，脱氨后的煤气经除酸后送往终冷塔2.10；来自硫铵饱和器2.9的粗煤气，经终冷塔2.10与上段的循环水和下段的制冷水换热后，将煤气由55℃冷却至25℃左右，由洗苯塔2.11底部入塔，自下而上与塔顶喷淋的循环洗油逆流接触，煤气中的苯被循环洗油吸收，再经过塔的捕雾段除去雾滴后离开洗苯塔2.11。

SOFC发电单元3包括燃料压缩机3.1、空气压缩机3.2、燃料预热器3.3、空气预热器3.4、固体氧化物燃料电池3.5、燃烧器3.6、逆变器3.7、SOFC发电变压器3.8；固体氧化物燃料电池3.5的电力输出端与逆变器3.6的电力输入端电连接，逆变器3.6的电力输出端与述SOFC发电变压器3.7的电力输入端电连接；燃料压缩机3.1的净煤气出口与燃料预热器3.3的净煤气入口相连，燃料预热器3.3的净煤气出口与固体氧化物燃料电池3.5的燃料进口相连，空气压缩机 3.2的空气出口与空气预热器3.4的空气进口相连，空气预热器3.4 的空气出口与固体氧化物燃料电池3.5的空气进口相连，固体氧化物燃料电池3.5的负极气体出口与燃烧器3.6的燃料进口相连，固体氧化物燃料电池3.5的蒸汽气体出口与燃烧器3.6的空气进口相连，燃烧器3.6的高温烟气出口与燃料预热器3.3的高温烟气进口相连，燃料预热器3.3的高温烟气出口与空气预热器3.4的高温烟气进口相连；来自焦炉煤气净化单元2的洗苯塔2.11的净煤气进入燃料压缩机3.1，经加压后的净煤气通过燃料预热器3.3被高温烟气加热至固体氧化物燃料电池3.5燃料入口温度，净煤气送入固体氧化物燃料电池3.5的负极，常温的空气经空气压缩机3.2加压后，在空气预热器 3.4由燃烧器3.6的高温烟气加热到电堆入口温度后输入到固体氧化物燃料电池3.5的正极；固体氧化物燃料电池3.5内发生氧化还原反应产生电能和热能；固体氧化物燃料电池3.5的负极与正极排气(未反应完燃料和空气)进入燃烧器3.6燃烧，燃烧器3.6的排气分别在燃料预热器3.3与空气预热器3.4内将净煤气和空气加热到固体氧化物燃料电池3.5的入口温度。

余热发电单元4包括余热回收蒸汽发生器4.1、汽轮机4.2、发电机4.3、冷凝器4.4、余热发电变压器4.5；余热回收蒸汽发生器 4.1的蒸汽出口与汽轮机4.2的蒸汽进口相连，汽轮机4.2蒸汽出口与冷凝器4.4的蒸汽进口相连，冷凝器4.4的冷凝水出口与余热回收蒸汽发生器4.1的冷凝水进口相连；发电机4.3的电力输出端与余热发电变压器4.5的电力输入端电连接；来自SOFC发电单元3的高温烟气经过燃料预热器3.3与空气预热器3.4预热净煤气与空气后，仍具有较高的温度，这部分余热通过余热回收蒸汽发生器4.1，将冷凝水加热升温产生大量蒸汽带动汽轮机4.2转动，再次输出电能；经过余热回收蒸汽发生器的废气温度大幅降低，并送至余热供暖单元5。

余热供暖单元5包括供暖换热器5.1、采暖用户5.2；供暖换热器5.1与采暖用户5.2通过供暖管网相连，供暖换热器将来自余热发电单元4的排气的热量传递给供暖管网的介质，将介质加热，通过介质的循环将热量输送给采暖用户。

本实用新型利用燃烧器3.6将未参与反应的燃料的化学能转换为热能，利用余热发电单元4将热能转换为机械能并最终转换为电能，利用余热供暖单元5将经过余热发电的剩余热能再次利用，进行采暖，实现了能量的梯级利用，提高了能源利用率。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.利用焦炉煤气与SOFC联合供电供暖系统，其特征在于，其包括焦炉、焦炉煤气净化单元、SOFC发电单元、余热发电单元、余热供暖单元、配电网；

所述SOFC发电单元包括燃料压缩机、空气压缩机、燃料预热器、空气预热器、固体氧化物燃料电池、燃烧器、逆变器、SOFC发电变压器；

所述燃料压缩机的净煤气出口与所述燃料预热器的净煤气入口相连，所述燃料预热器的净煤气出口与所述固体氧化物燃料电池的燃料进口相连，所述空气压缩机的空气出口与所述空气预热器的空气进口相连，所述空气预热器的空气出口与所述固体氧化物燃料电池的空气进口相连，所述固体氧化物燃料电池的负极气体出口与所述燃烧器的燃料进口相连，所述固体氧化物燃料电池的蒸汽气体出口与所述燃烧器的空气进口相连，所述燃烧器的高温烟气出口与所述燃料预热器的高温烟气进口相连，所述燃料预热器的高温烟气出口与所述空气预热器的高温烟气进口相连；

所述焦炉的粗煤气出口与所述焦炉煤气净化单元的气液分离器的粗煤气进口连通；

所述焦炉煤气净化单元的洗苯塔的净煤气出口与SOFC发电单元的燃料压缩机的净煤气进口连通；

所述SOFC发电单元的空气预热器的高温烟气出口与所述余热发电单元的余热回收蒸汽发生器的高温烟气进口连通；

所述余热发电单元的余热回收蒸汽发生器的烟气出口与所述余热供暖单元的供暖换热器烟气进口连通。

2.根据权利要求1所述的利用焦炉煤气与SOFC联合供电供暖系统，其特征在于，所述焦炉煤气净化单元包括气液分离器、立式焦油氨水分离器、初冷器、电捕焦油器、煤气鼓风机、预冷器、脱硫塔、煤气预热器、硫铵饱和器、终冷塔和洗苯塔；

所述气液分离器的气体出口与所述初冷器的气体进口相连，所述气液分离器的液体出口与所述立式焦油氨水分离器液体进口相连，所述初冷器的气体出口与所述电捕焦油器的气体进口相连，所述电捕焦油器的气体出口与所述煤气鼓风机的气体进口相连，所述煤气鼓风机的气体出口与所述预冷器的气体进口相连，所述预冷器的气体出口与所述脱硫塔的气体进口相连，所述脱硫塔的气体出口与所述煤气预热器的气体进口相连，所述煤气预热器的气体出口与所述硫铵饱和器的气体进口相连，所述硫铵饱和器的气体出口与所述终冷塔的气体进口相连，所述终冷塔的气体出口与所述洗苯塔的气体进口相连。

3.根据权利要求1所述的利用焦炉煤气与SOFC联合供电供暖系统，其特征在于，其还包括逆变器和SOFC发电变压器；

所述固体氧化物燃料电池的电力输出端与所述逆变器的电力输入端电连接，所述逆变器的电力输出端与所述SOFC发电变压器的电力输入端电连接。

4.根据权利要求1所述的利用焦炉煤气与SOFC联合供电供暖系统，其特征在于，所述余热发电单元包括余热回收蒸汽发生器、汽轮机、发电机、冷凝器和余热发电变压器；

所述余热回收蒸汽发生器的蒸汽出口与所述汽轮机的蒸汽进口相连，所述汽轮机蒸汽出口与所述冷凝器的蒸汽进口相连，所述冷凝器的冷凝水出口与所述余热回收蒸汽发生器的冷凝水进口相连。

5.根据权利要求4所述的利用焦炉煤气与SOFC联合供电供暖系统，其特征在于，其还包括发电机和余热发电变压器，所述发电机的电力输出端与所述余热发电变压器的电力输入端电连接。

6.根据权利要求1所述的利用焦炉煤气与SOFC联合供电供暖系统，其特征在于，所述余热供暖单元包括供暖换热器和采暖用户；所述供暖换热器与采暖用户通过供暖管网相连。

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