CN218934568U - 一种燃气发电耦合soec零碳排系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及燃气发电耦合SOEC零碳排系统，所述燃气发电耦合SOEC零碳排系统包括燃气轮机发电模块和固体氧化物电解模块。空气与燃气在所述燃气轮机发电模块中燃烧产生电力并汇入电网中并排放出尾气；所述电网用于为所述固体氧化物电解模块供电，所述燃气轮机发电模块与所述固体氧化物电解模块之间通过管路连通，所述燃气轮机发电模块产生的所述尾气和水蒸气混合后通过所述管路进入至所述固体氧化物电解模块电解产生氢气和一氧化碳。所述燃气发电耦合SOEC零碳排系统，实现了利用电网廉价波谷电力，将燃气发电副产的高温水蒸气和二氧化碳尾气耦合固体氧化物共电解池，生产氢气和一氧化碳合成气的零碳排过程。
Description
技术领域
本实用新型属于燃气发电尾气回收领域，尤其涉及一种燃气发电耦合SOEC零碳排系统。
背景技术
固体氧化物电解池(SOEC)是一种能在中高温下将热能和电能高效环保地直接转化为燃料中化学能的全固态化学电解装置。SOEC的一个很重要的应用领域是高温电解水制取氢气，此外相比其他电解水技术，SOEC具有独特优点，可以将二氧化碳和水共电解生成氢气和一氧化碳合成气。利用SOEC高温共电解的突出优点，当电解所需要的电能和热能由可再生能源或先进核能提供时，该处理二氧化碳的模式清洁、节能、高效，符合当今社会零碳的技术需求。
目前燃气电厂为了进一步提高发电效率，一般采用燃气和蒸汽联合循环发电，在发电过程中副产高温水蒸气用于蒸汽循环发电，然而燃气燃烧产生的二氧化碳亟需处理和利用。在可再生能源资源丰富或电网廉价波谷电价应用场景下，如何减小尾气的排放是本领域亟待解决的问题。
实用新型内容
针对上述问题，本实用新型的目的是提供一种一种燃气发电耦合SOEC零碳排系统，实现了利用电网廉价波谷电力，将燃气发电副产的二氧化碳尾气耦合固体氧化物电解池，生产氢气和一氧化碳合成气的零碳排工艺过程，减小尾气的排放。
为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案：
本实用新型提供一种燃气发电耦合SOEC零碳排系统，包括：
燃气轮机发电模块，空气与燃气在所述燃气轮机发电模块中燃烧产生电力汇入电网中并排放出尾气；
固体氧化物电解模块，所述电网用于为所述固体氧化物电解模块供电，所述燃气轮机发电模块与所述固体氧化物电解模块之间通过管路连通，所述燃气轮机发电模块产生的所述尾气和水蒸气混合后通过所述管路进入至所述固体氧化物电解模块电解产生氢气和一氧化碳。
进一步的，所述燃气轮机发电模块包括：
燃气压缩机、空气压缩机、燃气加热器、空气加热器和燃气轮机，所述燃气压缩机与所述燃气加热器之间通过管路连接，所述燃气加热器与所述燃气轮机之间通过管路连接，所述空气压缩机与所述空气加热器之间通过管路连接，所述空气加热器与所述燃气轮机之间通过管路连接；
所述固体氧化物电解模块电解产生的氢气和一氧化碳作为燃气进入至所述燃气压缩机增压后进入至所述燃气加热器加热，加热后的燃气进入至所述燃气轮机内；
空气进入至所述空气压缩机增压后进入至所述空气加热器加热，加热后的空气进入至所述燃气轮机内与加热后的燃气燃烧推动所述燃气轮机产生电力，所述电力并入电网中，燃烧产生的尾气进入至所述固体氧化物电解模块电解。
进一步的，还包括蒸汽轮机发电模块，水蒸气进入至所述蒸汽轮机发电模块产生电力并汇入电网中，所述水蒸气发电模块排出的水蒸汽副产物与所述尾气混合后进入至所述固体氧化物电解模块电解产生氢气和一氧化碳。
进一步的，所述蒸汽轮机发电模块包括：
水泵，所述蒸汽轮机发电模块发电后排出的水蒸气副产物与外界水进入至所述水泵内混合增压；
水蒸气加热器，所述水蒸气加热器与所述水泵之间通过管路连接，所述尾气和增压后的水和水蒸气副产物进入至所述水蒸气加热器内进行换热，水和水蒸气副产物受热形成高温水蒸气；
水蒸气分配器，所述水蒸气分配器与所述水蒸气加热器之间通过管路连接，所述水蒸气分配器用于将所述高温水蒸气分配为两股，其中一股用于供蒸汽轮机循环发电，另一股高温水蒸汽与所述尾气混合后进入至所述固体氧化物电解模块电解产生氢气和一氧化碳；
蒸汽轮机，所述蒸汽轮机与所述水蒸气分配器之间通过管路连接，一股所述水蒸气进入至所述蒸汽轮机循环发电产生电力，所述电力并入至所述电网中，所述蒸汽轮机发电模块发电后排出的水蒸气与外界水混合后进入至所述水蒸气分配器分配为两股所述水蒸气。
进一步的，所述固体氧化物电解模块包括：
阴极换热器、阳极换热器、固体氧化物电解池和SOEC空气风机；
所述阴极换热器与所述水蒸气分配器和燃气轮机之间通过管路连接，另一股所述高温水蒸气与所述尾气混合后进入至所述阴极换热器内进行加热后进入至所述固体氧化物电解池阴极内产生氢气和一氧化碳；
空气经过所述SOEC空气风机压缩增压后进入至所述阳极换热器加热，加热后的空气进入至所述固体氧化物电解池的阳极内产生氧气。
进一步的，所述燃气轮机与所述空气加热器、燃气加热器和水蒸气加热器之间依次通过管路连接，所述燃气轮机产生的尾气依次经过所述空气加热器、燃气加热器和水蒸气加热器进行充分换热后与所述另一股所述高温水蒸气混合后进入至所述阴极换热器进行加热后进入至所述固体氧化物电解池阴极内电解产生氢气和一氧化碳。
进一步的，还包括二氧化碳提纯分离器和二氧化碳风机，所述蒸汽加热器、二氧化碳提纯分离器与所述二氧化碳风机之间依次通过管路连接，所述燃气轮机发电模块产生的尾气经过所述蒸汽加热器换热后进入至所述二氧化碳提纯分离器提纯，提纯后再通过所述二氧化碳风机抽送至与所述另一股所述高温水蒸汽混合后进入至所述阴极加热器加热。
进一步的，电解产生的氧气与阳极的空气形成富氧SOEC出口空气，所述固体氧化物电解池的阳极与所述燃气轮机之间通过管路连通，所述富氧SOEC出口空气与空气汇合进入至所述燃气轮机内用于供所述燃气轮机发电。
进一步的，还包括合成气提纯净化器，所述固体氧化物电解池的阴极与所述阴极换热器、合成气提纯净化器和燃气轮机之间依次通过管路连接，电解产生的氢气和一氧化碳依次经过所述阴极换热器换热后以及所述合成气提纯净化器净化后作为燃气进入至所述燃气轮机内发电和/或作为合成气产品向外输出。
本实用新型由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
(1)本实用新型将燃气联合循环发电副产的高温水蒸气和二氧化碳尾气，利用固体氧化物电解池共电解为一氧化碳、氢气和氧气，相比传统工艺进一步提升水蒸气的利用价值，同时将二氧化碳变废为宝是生成高附加值产品。
(2)本实用新型采用可再生能源电力或者电网廉价的波谷电力为固体氧化物电解池提供能量，将波动电力或低价电力转化为可以长期稳定储存的化学能，实现能量的高效储存。
(3)本实用新型固体氧化物电解池模块通过电化学反应生成一氧化碳、氢气和富氧空气，产生的合成气既可以作为产品输出界外，也可以与燃料混合进一步燃烧发电，此外富氧空气进入燃气发电系统，进一步提升燃料利用效率，提高发电效率。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本实用新型的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：
图1是本实用新型实施例提供的燃气发电耦合SOEC零碳排系统的结构示意图；
附图中各标记表示如下：
1-燃气压缩机；2-燃气加热器；3-燃气发电机；4-空气压缩机；5-空气加热器；6-水蒸气加热器；7-水泵；8-水蒸气分配器；9-蒸汽发电机；10-阴极换热器；11-SOEC电解池；12-SOEC空气风机；13-阴极换热器；14-合成气提纯净化器；15-二氧化碳提纯分离器；16-二氧化碳风机。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本实用新型的示例性实施方式。虽然附图中显示了本实用新型的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本实用新型而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本实用新型，并且能够将本实用新型的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本实用新型的实施例提供了一种燃气发电耦合SOEC零碳排系统，所述燃气发电耦合SOEC零碳排系统包括燃气轮机发电模块、蒸汽轮机发电模块和固体氧化物电解模块。空气与燃气在所述燃气轮机发电模块中燃烧产生电力并汇入电网中；水蒸气进入至所述蒸汽轮机发电模块中产生电力并汇入所述电网中；所述电网用于为所述固体氧化物电解模块供电，所述燃气轮机发电模块产生的尾气与水蒸气混合后进入至所述固体氧化物电解模块电解产生氢气和一氧化碳。所述燃气发电耦合SOEC零碳排系统，实现了利用电网廉价波谷电力，将燃气发电副产的高温水蒸气和二氧化碳尾气耦合固体氧化物共电解池，生产氢气和一氧化碳合成气的零碳排工艺过程。
实施例1
本实用新型的实施例1提供了一种燃气发电耦合SOEC零碳排系统，所述燃气发电耦合SOEC零碳排系统包括燃气轮机发电模块、蒸汽轮机发电模块和固体氧化物电解模块。空气与燃气在所述燃气轮机发电模块中燃烧产生电力并汇入电网中；水蒸气进入至所述蒸汽轮机发电模块中产生电力并汇入所述电网中；所述电网用于为所述固体氧化物电解模块供电，所述燃气轮机发电模块产生的尾气与水蒸气混合后进入至所述固体氧化物电解模块电解产生氢气和一氧化碳。燃气发电耦合SOEC零碳排系统，实现了利用电网廉价波谷电力，将燃气发电副产的高温水蒸气和二氧化碳尾气耦合固体氧化物共电解池，生产氢气和一氧化碳合成气的零碳排工艺过程。
所述燃气轮机发电模块包括燃气压缩机1、空气压缩机4、燃气加热器2、空气加热器5和燃气轮机3，所述燃气压缩机1与所述燃气加热器2连接，所述燃气加热器2与所述燃气轮机3连接，所述空气压缩机4与所述空气加热器5连接，所述空气加热器5与所述燃气轮机3连接；
燃气进入至所述燃气压缩机1增压后进入至所述燃气加热器2加热，加热后的燃气进入至所述燃气轮机3内；
空气进入至所述空气压缩机4增压后进入至所述空气加热器5加热，加热后的空气进入至所述燃气轮机3内与加热后的燃气燃烧推动所述燃气轮机3产生电力，所述电力并入电网中。
所述蒸汽轮机发电模块包括水泵7、水蒸气加热器6、水蒸气分配器8和蒸汽轮机9。所述水泵7用于对水和蒸汽轮机排出的副产水蒸汽进行增压；所述水蒸气加热器6与所述水泵7连接，所述尾气进入至所述水蒸气加热器6与增压后的水和蒸汽轮机排出的副产水蒸汽进行换热；所述水蒸气分配器8与所述水蒸气加热器6连接，所述水蒸气分配器8用于将换热后的水蒸气分配为两股，其中一股用于供蒸汽轮机9发电，另一股用于供固体氧化物电解池11电解产生氧气和氢气；所述蒸汽轮机9与所述水蒸气分配器连接，一股所述水蒸气进入至所述蒸汽轮机9发电产生电力，所述电力并入至所述电网中，所述蒸汽轮机发电模块发电后排出的水蒸气与外界水混合后进入至所述水蒸气分配器8分配为两股所述水蒸气。
所述固体氧化物电解模块包括阴极换热器10、阳极换热器13、固体氧化物电解池11和SOEC空气风机12；所述阴极换热器10与所述水蒸气分配器8连接，另一股所述水蒸气进入至所述阴极换热器10内进行加热后进入至所述固体氧化物电解池11阴极内；空气经过所述SOEC空气风机12压缩增压后进入至所述阳极换热器13加热，加热后的空气进入至所述固体氧化物电解池11的阳极内；另一股所述水蒸气与空气在所述固体氧化物电解池11内发生电解反应生产氢气、一氧化碳和氧气。
所述燃气轮机发电模块产生的尾气依次经过所述空气加热器5、燃气加热器2和/或水蒸气加热器6进行充分换热后与所述另一股水蒸气混合后进入至所述阴极换热器10进行加热后进入至所述固体氧化物电解池11阴极内电解产生氢气和一氧化碳。
所述的燃气发电耦合SOEC零碳排系统还包括二氧化碳提纯分离器15和二氧化碳风机16，所述燃气轮机发电模块产生的尾气经过所述蒸汽加热器6换热后进入至所述二氧化碳提纯分离器15提纯，提纯后再通过所述二氧化碳风机14抽送至与所述另一股水蒸汽混合后进入至所述阴极加热器10加热。
电解产生的氧气与阳极的空气形成富氧SOEC出口空气，所述富氧SOEC出口空气与燃气轮机3发电所需的空气汇合进入至所述燃气轮机3内用于供所述燃气轮机3发电。
所述的燃气发电耦合SOEC零碳排系统还包括合成气提纯净化器14，电解产生的氢气和一氧化碳依次经过所述阴极换热器10换热后以及所述合成气提纯净化器14净化后作为燃气进入至所述燃气轮机3内发电和/或作为合成气产品向外输出。
上述燃气发电耦合SOEC零碳排工艺过程为：
首先来自界外的燃气经过燃气压缩机1增压后进入燃气加热器2被加热到一定温度后进入燃气发电机3，空气经过空气压缩机4增压后，进入空气加热器5被加热到一定温度后进入燃气轮机3。在燃气轮机3内被预热的燃气和空气通过燃烧推动燃气轮机产生电力并汇入电网中。与此同时，燃气轮机3产生的含有二氧化碳的高温尾气先后通过空气加热器5、燃气加热器2和水蒸气加热器6进行充分换热后，进入二氧化碳提纯分离器15，对二氧化碳的高温尾气进行提纯和分离，得到纯度较高的二氧化碳，然后利用二氧化碳风机增压后进入固体氧化物电解池电堆阴极中。来自界外净化后的水经过水泵7增压，然后再水蒸气换热器6中被加热后进入水蒸气分配器8，按照一定比例将水蒸气分为两股，一股直接进入蒸汽发电机9进行发电，发电后水蒸气与外界水混合后继续水泵增压实现部分水蒸气的循环发电。
来自水蒸气分配器8的另外一股水蒸气进入阴极换热器10进行加热后与提纯后的二氧化碳混合进入固体氧化物电解池11电堆阴极中。来自界外的电解池电堆所需要的的空气经过风机12进行加压后，在阳极换热器中被加热然后进入电解池阳极。来自可再生能源电力为固体氧化物共电解池模块供电，在电解池阴极水蒸气和二氧化碳被电解均获得电子生成H2、一氧化碳和O2-，O2-通过电解质层传递到电解池阳极，在电解池阳极O2-失去电子生成O2，生成的O2被阳极中的空气带出电解池，富含氧气的SOEC出口空气与燃机发电所需的空气汇合，进入燃机中进一步提升燃料燃烧的效率。通过固体氧化物电解池模块得到氢气和一氧化碳通过合成气提纯净化器14得到高纯度合成气，生成合成气一方面可以与燃料汇合实现燃气轮机掺氢燃烧，另一方面可以作为合成气产品直接输出界外。
所述燃气发电耦合SOEC零碳排系统，实现了利用电网廉价波谷电力，将燃气发电副产的高温水蒸气和二氧化碳尾气耦合固体氧化物共电解池，生产氢气和一氧化碳合成气的零碳排工艺过程。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种燃气发电耦合SOEC零碳排系统，其特征在于，包括：
燃气轮机发电模块，空气与燃气在所述燃气轮机发电模块中燃烧产生电力汇入电网中并排放出尾气；
固体氧化物电解模块，所述电网用于为所述固体氧化物电解模块供电，所述燃气轮机发电模块与所述固体氧化物电解模块之间通过管路连通，所述燃气轮机发电模块产生的所述尾气和水蒸气混合后通过所述管路进入至所述固体氧化物电解模块电解产生氢气和一氧化碳。
2.根据权利要求1所述的燃气发电耦合SOEC零碳排系统，其特征在于，所述燃气轮机发电模块包括：
燃气压缩机、空气压缩机、燃气加热器、空气加热器和燃气轮机，所述燃气压缩机与所述燃气加热器之间通过管路连接，所述燃气加热器与所述燃气轮机之间通过管路连接，所述空气压缩机与所述空气加热器之间通过管路连接，所述空气加热器与所述燃气轮机之间通过管路连接；
所述固体氧化物电解模块电解产生的氢气和一氧化碳作为燃气进入至所述燃气压缩机增压后进入至所述燃气加热器加热，加热后的燃气进入至所述燃气轮机内；
空气进入至所述空气压缩机增压后进入至所述空气加热器加热，加热后的空气进入至所述燃气轮机内与加热后的燃气燃烧推动所述燃气轮机产生电力，所述电力并入电网中，燃烧产生的尾气进入至所述固体氧化物电解模块电解。
3.根据权利要求2所述的燃气发电耦合SOEC零碳排系统，其特征在于，还包括蒸汽轮机发电模块，水蒸气进入至所述蒸汽轮机发电模块产生电力并汇入电网中，所述水蒸气发电模块排出的水蒸汽副产物与所述尾气混合后进入至所述固体氧化物电解模块电解产生氢气和一氧化碳。
4.根据权利要求3所述的燃气发电耦合SOEC零碳排系统，其特征在于，所述蒸汽轮机发电模块包括：
水泵，所述蒸汽轮机发电模块发电后排出的水蒸气副产物与外界水进入至所述水泵内混合增压；
水蒸气加热器，所述水蒸气加热器与所述水泵之间通过管路连接，所述尾气和增压后的水和水蒸气副产物进入至所述水蒸气加热器内进行换热，水和水蒸气副产物受热形成高温水蒸气；
水蒸气分配器，所述水蒸气分配器与所述水蒸气加热器之间通过管路连接，所述水蒸气分配器用于将所述高温水蒸气分配为两股，其中一股用于供蒸汽轮机循环发电，另一股高温水蒸汽与所述尾气混合后进入至所述固体氧化物电解模块电解产生氢气和一氧化碳；
蒸汽轮机，所述蒸汽轮机与所述水蒸气分配器之间通过管路连接，一股所述水蒸气进入至所述蒸汽轮机循环发电产生电力，所述电力并入至所述电网中，所述蒸汽轮机发电模块发电后排出的水蒸气与外界水混合后进入至所述水蒸气分配器分配为两股所述水蒸气。
5.根据权利要求4所述的燃气发电耦合SOEC零碳排系统，其特征在于，所述固体氧化物电解模块包括：
阴极换热器、阳极换热器、固体氧化物电解池和SOEC空气风机；
所述阴极换热器与所述水蒸气分配器和燃气轮机之间通过管路连接，另一股所述高温水蒸气与所述尾气混合后进入至所述阴极换热器内进行加热后进入至所述固体氧化物电解池阴极内产生氢气和一氧化碳；
空气经过所述SOEC空气风机压缩增压后进入至所述阳极换热器加热，加热后的空气进入至所述固体氧化物电解池的阳极内产生氧气。
6.根据权利要求5所述的燃气发电耦合SOEC零碳排系统，其特征在于，所述燃气轮机与所述空气加热器、燃气加热器和水蒸气加热器之间依次通过管路连接，所述燃气轮机产生的尾气依次经过所述空气加热器、燃气加热器和水蒸气加热器进行充分换热后与所述另一股所述高温水蒸气混合后进入至所述阴极换热器进行加热后进入至所述固体氧化物电解池阴极内电解产生氢气和一氧化碳。
7.根据权利要求6所述的燃气发电耦合SOEC零碳排系统，其特征在于，还包括二氧化碳提纯分离器和二氧化碳风机，所述水蒸气加热器、二氧化碳提纯分离器与所述二氧化碳风机之间依次通过管路连接，所述燃气轮机发电模块产生的尾气经过所述水蒸气加热器换热后进入至所述二氧化碳提纯分离器提纯，提纯后再通过所述二氧化碳风机抽送至与所述另一股所述高温水蒸汽混合后进入至所述阴极换热器加热。
8.根据权利要求7所述的燃气发电耦合SOEC零碳排系统，其特征在于，电解产生的氧气与阳极的空气形成富氧SOEC出口空气，所述固体氧化物电解池的阳极与所述燃气轮机之间通过管路连通，所述富氧SOEC出口空气与空气汇合进入至所述燃气轮机内用于供所述燃气轮机发电。
9.根据权利要求8所述的燃气发电耦合SOEC零碳排系统，其特征在于，还包括合成气提纯净化器，所述固体氧化物电解池的阴极与所述阴极换热器、合成气提纯净化器和燃气轮机之间依次通过管路连接，电解产生的氢气和一氧化碳依次经过所述阴极换热器换热后以及所述合成气提纯净化器净化后作为燃气进入至所述燃气轮机内发电和/或作为合成气产品向外输出。
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| GR01 | Patent grant | ||
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