ITGE960096A1 - Ciclo di potenza della duplice colla a combustibile di turbina a gas ad accensione indiretta. - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE del brevetto per invenzione industriale avente per titolo: "Ciclo di potenza della duplice cella a combustibile di turbina a gas ad accensione indiretta",
TESTO DELLA DESCRIZIONE
PRECEDENTI DELL'INVENZIONE
La- presente invenzione ha per oggetto in generale una centrale elettrica a cella a combustibile integrata, e più specificatamente una combinazione di cicli in cui un primo ciclo della cella a combustibile completa un ciclo di turbina a gas ad accensione indiretta ed un secondo ciclo della cella a combustibile riscalda il ciclo della turbina a gas in modo che i cicli siano termicamente integrati in una disposizione operativa a tandem. Il governo degli Stati Uniti è titolare di questa invenzione in conseguenza del rapporto fra datore di lavoro e dipendente esistente fra il Ministero dell'Energia degli Stati Uniti e gli inventori.
Le turbine a gas e le celle a combustibile sono meccanismi molto noti usati per la produzione di energia elettrica. I cicli delle turbine a gas e i cicli delle celle a combustibile sono stati precedentemente riscaldati ciascuno con cicli di turbina a vapore per la cogenerazione di energia elettrica. Con cicli che impiegano una cella a combustibile, per pressurizzare l'impianto, sono stati impiegati dei compressori per fornire un flusso di aria pressurizzata al catodo della cella a combustibile. Non è stato tratto pieno profitto dall'aria pressurizzata fino al - brevetto dell'assegnatario 5.449.568 a cui si fa riferimento nel seguito del presente documento, in cui il flusso d'aria è riscaldato con il flusso di scarico da una cella a combustibile di carbonato fuso che riscalda una turbina a gas . La cella a combustibile produce energia elettrica e fornisce flussi di gas caldi usati per generare vapore per un ciclo di riscaldo di turbina a vapore che è accoppiato ad un generatore elettrico adatto.
Una variazione di tale ciclo combinato comprende una cella a combustibile riscaldata con una turbina a gas anziché con il ciclo della turbina a vapore cosicché l'energia termica residua nel flusso di scarico del catodo può essere estratta direttamente nella turbina a gas per la produzione di energia elettrica. Tale impianto è descritto nel Brevetto statunitense dell'assegnatario N. 4.921.765 rilasciato a Gmeindl et al. in data 01 maggio 1990, ed è qui incorporato facendo riferimento allo stesso.
In un'altra variazione di cicli combinati di turbina a gas e cella a combustibile, un ciclo di turbina a gas ad accensione diretta è combinato con un ciclo di cella a combustibile per produrre il flusso di gas caido usato per azionare la turbina a gas e così provvedere alla generazione di energia elettrica sia nel ciclo della turbina a gas che nel ciclo della cella al combustibile.
Se da una parte questi cicli combinati noti precedentemente effettivamente provvedono alla cogenerazione di energia elettrica, questi impianti mostrati inadatti a fornire una cogenerazione di elettricità ad elevate efficienze. La ragione primaria di questo difetto è che le celle a combustibile attualmente disponibili, come le celle a combustibile a carbonato fuso come descritte nel brevetto precedentemente citato dell'assegnatario, possono funzionare solo a pressioni fino a circa sei atmosfere in modo da fornire flussi di gas che azionano la turbina a pressioni inferiori a quelle necessarie per un funzionamento efficiente di una turbina a gas.
In uno sforzo per migliorare l'efficienza di questi tipi di cicli combinati, un ciclo di turbina a gas ad accensione indiretta è stato scaldato con un ciclo di cella a combustibile a carbonato fuso (MCFC) in cui la turbina a gas è azionata a pressione ottimale per una efficiente conversione di potenza. In questa disposizione a ciclo combinato, la turbina a gas è azionata con aria riscaldata indirettamente ad una pressione corretta per un esercizio efficiente della turbina, mentre lo scarico della turbina, che si trova ad una pressione notevolmente inferiore a quella a livello dell'ammissione della turbina a gas, è direttamente utilizzato nel ciclo della cella a combustibile per la reazione elettrochimica. Tale impianto è descritto nel Brevetto statunitense N. 5.449.568 dell'assegnatario rilasciato il 12 settembre 1995 a Micheli et al. ed è incorporato nel presente documento mediante riferimento allo stesso.,
L' impianto della domanda di brevetto alla quale si è fatto riferimento sopra comprende un compressore per fornire un flusso di aria compressa, preriscaldata, alla turbina a gas. L'aria compressa è riscaldata in uno scambiatore di calore indiretto che è alimentato da un flusso di gas riscaldati provenienti da un combustore al quale è inviato combustibile ausiliario insieme con gli scarichi provenienti dalle camera degli elettrodi delle celle a combustibile al carbonato fuso. L'ingresso della camera catodica della cella a combustibile è collegato allo scarico della turbina a gas per ricevere il flusso di aria riscaldata scaricata-dallo -stesso. L'alimentazione principale del combustibile è fornita all'ingresso della camera anodica della cella a combustibile sotto forma di combustibile a idrocarburo gassoso, come gas combustibile o metano. Questo combustibile è internamente sottoposto a "reforming" in idrogeno e CO a livello dell'anodo della cella per effettuare la reazione elettrochimica con il flusso di aria riscaldata fornita al catodo della stessa per la produzione galvanica di energia elettrica. I gas riscaldati in corrispondenza degli scarichi dell'anodo e del catodo sono usati per fornire almeno una parte del calore per il flusso d'aria pressurizzata in arrivo nello scambiatore di calore.
Per produrre sufficiente CO per l'azionamento della MCFC, una parte del flusso di gas caldo dall'anodo è combinata in un idoneo reattore catalitico con il flusso di gas caldi, compresi valori di combustibile residui dall'anodo, per la produzione di biossido di carbonio. Il biossido di carbonio nel flusso di scarico dei gas caldi dal reattore catalitico è separato in un separatore di CO e miscelato con il flusso di aria calda 2 scaricato dalla turbina a gas e inviato alla camera di reazione catodica della cella a combustibile.
Il potere calorifico proveniente dal flusso dei gas riscaldati che sono scaricati dallo scambiatore di calore può essere inoltre utilizzato per la generazione di energia elettrica in vari modi per migliorare ulteriormente l'efficienza dell'impianto. Inoltre, usando i gas di scarico caldi provenienti dalla cella a combustibile per riscaldare parzialmente l'aria compressa nello scambiatore di calore del ciclo della turbina a gas, è fornito circa il 35-40 % del calore necessario per elevare l'aria compressa a livello dell'ammissione ad una idonea temperatura di esercizio della turbina a gas, compresa fra circa 1600° e 2600°F. Questa disposizione riduce in misura considerevole la richiesta di combustibile per riscaldare l'aria di scarico del compressore alla desiderata temperatura di ammissione della turbina a gas.
Nonostante si superino molte limitazioni strutturali con l'impiego di un ciclo di turbina a gas ad accensione indiretta riscaldato con un ciclo di cella a combustibile rispetto ad un ciclo di cella a combustibile riscaldato con un ciclo di turbina a vapore, rimangono delle iniefficienze in questi tipi di cicli combinati in quanto deve essere fornito ulteriore combustibile all'impianto per la fornitura di energia termica e la necessità di un impianto di ricircolo dall'anodo al catodo per produrre il CO necessario per la reazione catodica della cella a combustibile di carbonato fuso. Così, vi è la necessità di un impianti di generazione di energia elettrica integrato a cella a combustibile con integrazione termica perfezionata e più elevate efficienze operative. RIASSUNTO DELL'INVENZIONE
Alla luce della necessità di cui sopra, uno scopo di questa invenzione consiste nel fornire un impianto di generazione di energia elettrica integrato a cella a combustibile perfezionato.
Un altro scopo di questa invenzione consiste nel fornire un impianto di generazione di energia elettrica integrato a cella a combustibile perfezionato che non necessiti di combustibile supplementare per la fornitura di energia termica.
Inoltre, uno scopo di questa invenzione consiste nel fornire un impianto perfezionato di generazione di energia elettrica integrato termicamente come nello scopo di cui sopra in cui un ciclo di turbina è completato con una cella a combustibile di ossido solido (SGFC}--e -riscaldato con una MCFC.
Ancora un altro scopo di questa invenzione consiste nel fornire un impianto perfezionato di generazione di energia elettrica integrato a cella a combustibile come nello scopo di cui sopra in cui il CO necessario per il funzionamento della MCFC è generato nella SOFC che completa il ciclo della turbina e collegato in cascata al catodo della MCFC attraverso l'impianto.
Riassumendo, questa invenzione ha per oggetto un impianto a ciclo combinato a cella a combustibile e turbina a gas che comprende duplici cicli di celle a combustibile combinati con un ciclo di turbina a gas in cui un primo ciclo di cella a combustibile completa il ciclo di turbina ed è usato per produrre CO per un secondo ciclo di cella a combustibile che scalda la turbina ed è azionato a pressione essenzialmente atmosferica. Il primo ciclo di cella a combustibile è azionato ad una pressione compresa fra circa 6 e 15 atm. L'aria compressa è riscaldata in uno scambiatore di calore indiretto ed inviata al primo ciclo di cella a combustibile insieme con un flusso di combustibile pressurizzato. Allo scambiatore di calore è fornito un flusso di gas riscaldati provenienti da un combustore a bassa pressione alimentato dal combustibile in eccesso che defluisce dal secondo ciclo di cella a combustibile. Gli effluenti dal primo ciclo di cella a combustibile sono inviati ad un combustore ad alta pressione in cui è bruciato il combustibile in eccesso per elevare alla temperatura desiderata il flusso di gas pressurizzato diretto alla turbina a gas. Lo scarico della turbina è inviato al combustore a bassa pressione in cui è impiegato per bruciare l'effluente di combustibile in eccesso proveniente dall'anodo del secondo ciclo di cella a combustibile per fornire calore per lo scambiatore di calore indiretto dell'aria in ingresso.
Inoltre, l'energia termica dell'effluente proveniente dal catodo del secondo ciclo di cella a combustibile può essere utilizzata in un generatore di vapore a recupero di calore (HRSG). Il HRSG può essere usato anche per fornire l'acqua necessaria sotto forma di vapore ai cicli delle celle a combustibile per promuovere il "reforming" interno del combustibile a CH in idrogeno.
In una disposizione preferita, una cella a combustibile a ossido solido (SOFC) è posizionato singolarmente e integrato termicamente con l 'impianto per non solo produrre energia in condizioni desiderabili, ma anche per fornire il necessario CO per il funzionamento efficiente della cella a combustibile a valle che è preferibilmente una cella a combustibile di carbonato fuso (MCFC). La MCFC è più efficiente nella conversione del metano in energia elettrica di quanto non siano o la SOFC o la turbina a gas, ma necessita di una sorgente di CO .
Usando programmi di simulazione di impianti accettati, è stato dimostrato che questo ciclo combinato di duplice cella a combustibile e turbina a gas fornisce un impianto termodinamicamente ottimizzato per la produzione di energia elettrica a causa dei subimpianti generatori di energia azionati in serie o in tandem e non in parallelo. In questo caso l'energia non utilizzata proveniente dalla prima unità generatrice, la SOFC, passa in cascata nella seconda unità, la turbina a gas, e la seconda unità è collegata in cascata alla terza, la MCFC. Poiché la SOFC funziona al meglio a circa 2000 °F, si è rivelata ideale per la posizione di completamento, mentre la MCFC funziona in maniera ottimale a circa 1000 °F e quindi come preparatrice della-turbina.
Inoltre, l'efficienza del ciclo di questa disposizione preferita è fortemente accresciuta aggiungendo tutta l'energia termica ottenuta dall'effluente non sottoposto a reazione di idrogeno e monossido di carbonio dai flussi anodici della cella a combustibile al flusso di gas davanti all'ammissione della turbina. Questa disposizione costituisce una forma di recupero, cioè, riciclando questa energia alla turbina, si aumenta la produzione di energia della turbina. In tutti i cicli combinati di MCFC noti, il combustibile non sottoposto a reazione proveniente dall ' anodo è riciclato da un combustore al catodo per fornire il CO necessario . Nonostante questo flussi di ricircolo da anodo a catodo forniscano il CO necessario, essi mancano della capacità di raggiungere un'elevata efficienza poiché i flussi termici si trovano alla temperatura sbagliata per un corretto collegamento in cascata.
Questa disposizione a tandem termico può essere ottimizzata per fornire un'efficienza aumentata al massimo che è stata determinata nell'intervallo compreso fra il 72 e il 74 % (LHV) netto. La dimensione della turbina può essere scelta o per ottimizzare l'efficienza o per ridurre i costi dell'impianto, o per qualunque combinazione intermedia. Le analisi dei sistemi comprendono circa 6 punti percentuali di perdite per calo di pressione, perdite di calore e conversione dell'energia elettrica da CC a CA.
Altri scopi e molti dei vantaggi relativi alla presente invenzione appariranno evidenti agli esperti della tecnica dalla seguente descrizione dettagliata presa congiuntamente al disegno in cui l'unica figura è uno schematico diagramma a blocchi di un impianto integrato di generazione di energia elettrica a duplice cella a combustibile e turbina a gas secondo la presente invenzione.
DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL'INVENZIONE
Come evidenziato in precedenza e mostrato nella figura, i tipi preferiti di celle a combustibile usati nel ciclo combinato a duplice cella a combustibile e turbina a gas ad accensione indiretta della presente invenzione comprendono una cella a combustibile a ossido solido (SOFC) 5 come unità di completamento ed una cella a combustibile a carbonato fuso (NCFC) 7 come unità di riscaldo per la turbina a gas 9. Poiché queste celle a combustibile sono state adeguatamente sviluppate, in questa sede saranno illustrati-sol-o-i-componenti principali di queste celle a combustibile, l'anodo, il catodo e l'elettrolita. Ulteriori informazioni riguardanti i dettagli di questi tipi di celle a combustibile si possono ottenere facendo riferimento al "Fuel Celi Handbook", gennaio 1994 pubblicato da DOE/METC-94-1006. Questo riferimento bibliografico essendo qui incorporato per riferimento allo stesso.
Riferendoci alle illustrazioni della figura, la SOFC 5 comprende due elettrodi porosi il e 13 uniti ad un elettrolita ceramico a ossido solido 15 disposto fra loro per formare una barriera seletivamente permeabile. Il combustibile, sotto forma di idrogeno, è inviato al lato dell'elettrodo anodico 11 della barriera attraverso un canale di flusso del gas anodico 17 mentre un ossidante, in questo caso aria, è inviato al lato dell'elettrodo catodico 13 della stessa attraverso un canale di flusso del gas catodico 19. La maggior parte dei reagenti non può passare attraverso la barriera, ma gli ioni di ossigeno possono fluire attraverso il reticolo dell'ossido solido. Gli elettrodi sono realizzati in materiali porosi metallici elettricamente conduttori o ceramici semiconduttori. Tipicamente, l'elettrodo del combustibile (anodo 11) è realizzato in metallo ceramico nichel- zirconia, o simile, l'elettrodo dell'aria (catodo 13) è realizzato in manganite di lantanio drogata stronzio, o simile, e l'elettrolita di ossido solido 15 è realizzato in zirconia stabilizzata yttria, o simile. Le celle sono tipicamente realizzate in una disposizione cilindrica coassiale ed un certo numero di celle sono collegate elettricamente in serie attraverso un carico 21 per formare una pila. La SOFC è azionata ad una temperatura compresa fra circa 1400° e 2300°F.
Combustibili adatti comprendono idrogeno e idrocarburi semplici come metano CH . In questa domanda, il CH è fornito attraverso la linea di ingresso del combustibile 23 al canale del gas dell'anodo 17 della cella a combustibile ed è sottoposto a "reforming" interno all'interno di questo canale facendo reagire ilCH con acqua (cioè, vapore) in presenza del nichel nell'anodo, che agisce da catalizzatore. Questa reazione fornisce idrogeno per la reazione elettrochimica che produce flussi caldi di gas di reazione a livello dei rispettivi canali di flusso dei gas degli elettrodi. Il CO è prodotto come risultato di questo processo che è inviato al catodo della MCFC come sarà descritto in seguito per fornire la maggior parte del CO suppletivo necessario per il funzionamento della MCFC 7. La parte restante essendo fornita dai combustori presenti nell'impianto. Tipicamente, una MCFC richiede un ossidante contenente un rapporto CO :0 di circa 2:1 per la stechiometria della reazione elettrochimica. Poiché l'aria non ha questo rapporto, si deve aggiungere ulteriore CO alla camera di reazione catodica perché la cella funzioni in maniera efficiente.
Generalmente, la MCFC 7 comprende un elettrodo anodico 24 realizzato in nichel poroso o simile separato da un elettrodo catodico 25 di ossido di nichel poroso o simile mediante un elettrolita fuso 26 costituito da un carbonato di metallo alcalino e miscele dello stesso contenuto all'interno di una matrice di ceramica, normalmente fatta di alluminato di litio (LiAlO ). Le celle MCFC sono generalmente disposte a strati ed una serie di celle è collegata elettricamente in serie attraverso un carico 29 per formare una pila.
Con l'elettrolita riscaldato ad uno stato fuso, un combustibile come l'idrogeno, ottenuto da gas combustibile o metano attraverso "reforming" interno, come precedentemente descritto, a livello dell'anodo subisce una reazione elettrochimica che produce elettricità con ossigeno a livello del catodo. Questa reazione elettrochimica produce anche flussi caldi di gas di reazione a livello dei canali dei gas dell'anodo e del catodo che sono utilizzati nell'impianto a ciclo combinato come sarà descritto. La MCFC è azionata ad una temperatura compresa fra circa 1000° e 1150°F.
La turbina a gas ad accensione indiretta 9 è accoppiata ad un compressore 33 mediante un albero motore 34 e ad un generatore elettrico 36. Il compressore può essere di qualunque tipo adatto in grado di ricevere un flusso d'aria 35 all'ingresso dello stesso e di comprimere questo flusso d'aria ad una pressione compresa fra circa 6 e 25 atmosfere e ad una temperatura compresa fra circa 300° e 800°F. Questo flusso di aria compressa è fatto passare attraverso il condotto 37 in uno scambiatore di calore 39 in cui il flusso di aria compressa è riscaldato indirettamente da un flusso di gas caldo proveniente da un combustore a bassa pressione 41 attraverso un condotto 43 che collega l'uscita del combustore all'entrata dell'elemento di trasferimento del calore dello scambiatore di calore 39. Nonostante i flussi come illustrati nel disegno siano nello stesso verso di corrente, il mezzo di scambio termico è preferibilmente contro corrente o di direzione trasversale. L'aria compressa è riscaldata ad una temperatura compresa fra circa 1500° e 2500°F, preferibilmente intorno a 2000°F . Lo scambiatore di calore 39 può essere di qualunque tipo adatto in grado di riscaldare l'aria compressa al campo di temperature desiderato. Preferibilmente, lo scambiatore di calore 39 è realizzato in metallo per alte temperature e/o materiale ceramico a causa dei requisiti di temperatura relativamente elevata. Il flusso di aria compressa caldo scaricato dallo scambiatore di calore 39 è convogliato attraverso il condotto 45 al canale del gas del catodo 19 della SOFC 5.
Insieme con l'aria riscaldata inviata al canale del gas del catodo 19 della SOFC 5, il combustibile CH è introdotto attraverso una pompa 23 nel canale del gas dell'anodo 17 ad una pressione coerente con la pressione di esercizio della SOFC, in questo caso circa 5-20 atmosfere. Il CH reagisce con l'acqua sotto forma di vapore, che può essere introdotta nel canale in vari modi come sarà descritto in un esempio successivamente nel presente documento, in presenza di un catalizzatore come il nichel presente nella struttura dell'anodo 11 per produrre l'idrogeno necessario alla reazione anodica e il CO .
In alternativa , il combustibile può essere riscaldato facendo passare il f lusso del combustibile attraverso uno scambiatore di calore scaldato dal flusso di scarico dell ' anodo .
L' idrogeno reagisce elettrochimicamente con l ' ossigeno inviato al canale del gas del catodo 19 nel flusso di aria compressa preriscaldato che entra nel canale del catodo. Questa reazione elettrochimica produce sia elettricità che acqua. Alla temperatura di esercizio della cella, compresa fra circa 1400° e 2300°F, l'acqua è rapidamente convertita in vapore che contribuisce al "reforming" del CH all'interno del canale dell'anodo. Inoltre, poiché nè tutto l'H a livello dell'anodo nè tutto l'O a livello del catodo sono fatti reagire, l'eccedenza defluisce dai canali dei gas dell'anodo e del catodo insieme con l'acqua e il CO nel flusso dell'anodo e i rimanenti componenti del flusso d'aria nel flusso del catodo.
Gli effluenti dai canali di flusso dei gas dell'anodo e del catodo 17 e 19, rispettivamente, della SOFC sono convogliati ad un combustore ad alta pressione 47 attraverso i condotti 49 e 51, rispettivamente. Il combustore ad alta pressione che funziona alla pressione di esercizio della SOFC 5 fornisce ulteriore calore al flusso di gas caldo pressurizzato inviato all'ammissione della turbina 9 attraverso il condotto 53 collegato fra l'uscita del combustore 47 e l'ammissione della turbina. Il combustore ad alta pressione può assumere varie forme in cui l'H e CO che non hanno reagito provenienti dal canale anodico 17 della SOFC 5 è combusto in presenza di O proveniente dal canale catodico 19 per riscaldare ulteriormente il flusso di gas caldo. Questo gas caldo ulteriormente riscaldato ad una temperatura compresa fra circa 1800° e 2300 °F, preferibilmente inotrno a 2200°F, è inviato alla turbina 9 ad una pressione compresa fra circa 5 e 20 atmosfere, preferibilmente intorno a 10 atmosfere per azionare la turbina e a sua volta comprimere il flusso d'aria in ingresso e generare elettricità nel generatore 36. La temperatura di esercizio del gas per la turbina può essere variata cambiando la quantità di combustibile inviato all'anodo della SOFC. Può essere necessario aggiungere combustibile eccedente e operare delle riduzioni sull'utilizzazione del combustibile della prima cella a combustibile, fornendo così combustibile in eccesso al combustore ad alta pressione ed elevare la temperatura dei gas provenienti dal combustore e diretti alla turbina a gas. Questo non va necessariamente a grande detrimento dell'efficienza del ciclo poiché la potenza della turbina aumenterà insieme al contributo di efficienza della componente della machina termica al ciclo generale.
Il gas di scarico dalla turbina a gas 9 è ad una temperatura compresa fra circa 600° e 1300 °F, preferibilmente intorno a 1000°F, e a pressione essenzialmente ambiente. Questo gas di scarico dalla turbina è inviato attraverso il condotto 55 al combustore a bassa pressione 41 insieme con lo scarico del canale dell'anodo della MCFC 7 attraverso il condotto 57. L'H e CO proveniente dallo scarico dell'anodo della MCFC è combusto nel combustore a bassa pressione 41 in presenza del restante ossigeno disponibile nel flusso di scarico della turbina 55. Questo combustore a bassa pressione produce un flusso di gas caldo ricco di CO fatto passare in cascata attraverso l'impianto dalla SOFC 5 e dal combustore ad alta pressione 47. Il flusso di gas è ulteriormente scaldato ad una temperatura compresa fra 1100° e 1400°F, ma preferibilmente meno di 1350°F. Questo flusso di gas riscaldato passa nello scambiatore di calore 39 attraverso il condotto 43, come descritto precedentemente, e ne esce attraverso il condotto 59 diretto al canale del gas del catodo 28 della MCFC 7. La temperatura del flusso di gas dallo scambiatore di calore è compresa fra circa 1000° e 1150°F, preferibilmente 1100°F, e ad una pressione compresa fra circa 1 e 3 atmosfere. La temperatura di questo flusso di gas può essere variata variando il combustibile inviato all'anodo 27 della MCFC o variando il perscorso di scambio termico attraverso lo scambiatore di calore 39, come mostra il disegno .
Mentre l'aria riscaldata, arricchita di CO , entra nel canale del gas del catodo 28 della MCFC 7, un combustibile gassoso come gas combustibile o metano è contemporaneamente convogliato nel canale del gas dell'anodo 27 della cella a combustibile attraverso il condotto 61. Questo combustibile gassoso è preferibilmente preriscaldato ad una temperatura generalmente corrispondente a quella del flusso del gas erogato al canale del gas del catodo 28 in modo da assicurare la liquefazione dell'elettrolita di carbonato e che successivamente facilita la continuazione della reazione elettrochimica della cella a combustibile 7. Il preriscaldamento del combustibile alla temperatura di "reforming" può essere realizzato riciclando una parte del flusso di scarico dell'anodo diretto all'ingresso del combustibile dell'anodo attraverso la linea 63.
Con i flussi riscaldati di combustibile'ed il flusso di aria arricchita di CO erogati alla cella a combustibile 7, la reazione elettrochimica procede come descritto nel brevetto dell'assegnatario menzionato precedentemente per generare elergia elettrica producendo nello stesso tempo gas di reazione costituiti principalmente da CO e acqua all'anodo e CO che non ha subito la reazione, acqua e aria viziata al catodo. Tipicamente, questo flusso di gas contiene circa il 14 % di CO , il 3 % di O , e 1'11 % di H O, con N a costituire in misura primaria la parte rimanente. Il rapporto fra CO e O dovrebbe essere maggiore di 2 in tutto il flusso catodico della cella a combustibile. Solo la MCFC è azionata in condizioni di O viziato. Tutto l'approvvigionamento di ossigeno per l'impianto è fornito attraverso il flusso d'aria in ingresso che contiene circa il 23 % di O in peso. Dal 12 al 16 % circa in peso è consumato dalla SOFC 5, mentre solo dall'l al 3 % circa in peso è consumato da ciascuno dei combustori 41 e 47, lasciando un contenuto di O compreso fra il 5 e il 7 % circa in peso nel flusso di gas che entra nel catodo della MCFC 7. Approssimativamente, dal 2 al 3 % in peso di O è consumato nella MCFC, la sciando il 3 % circa in peso nel flusso di scarico dal catodo della MCFC.
Come mostra la figura, i gas di scarico del catodo della MCFC 7, che sono ad una temperatura compresa fra circa 1000° e 1300°F, generalmente circa 150°-200°F superiore alla temperatura del gas e combustibile erogato alla cella a combustibile 7, possono essere scaricati nell'atmosfera, riciclati al combustore a bassa pressione 41, o preferibilmente scaricati dalla cella a combustibile attraverso il condotto 65 in un ciclo di utilizzazione come il ciclo del generatore di vapore a recupero termino (HRSG) 67 mostrano nel disegno. Il flusso di gas caldi 65 è inviato in una caldaia o simile, non mostrata, del HRSG per l'estrazione dell'energia termica residua da questi gas mentre si produce vapore da impiegare in una turbina a vapore 69 per la generazione di energia elettrica mediante un generatore 71. Inoltre, il HRSG può essere usato per fornire acqua, sotto forma di vapore, agli elettrodi del combustibile (anodi) di entrambe le celle a combustibile 5 e 7 attraverso i condotti 73 e 75, rispettivamente, alle temperature di esercizio delle celle separate, come precedentemente descritto per il "reforming" del CH in H .
Impiegando una combinazione di celle a combustibile e turbina a gas riscaldata indirettamente ed il ciclo della turbina a vapore, come descritto precedentemente, le risultanti fonti generatrici di energia elettrica forniscono un aumento dell'efficienza globale del ciclo del 6 % circa rispetto ad ogni combinazione nota di un ciclo di celle a combustibile preceduto o seguito da un ciclo di turbina a gas o da un ciclo di turbina a gas a riscaldamento diretto che impiega un ciclo di cella a combustibile.
In un'altra modifica della presente invenzione, la MCFC 7 può essere azionata ad una pressione intermedia maggiore di quella atmosferica, come nell'ordine di circa due - cinque atmosfere, il flusso di scarico del catodo sarà ad una pressione adeguata ad azionare una turbina a bassa pressione in condizioni pressurizzate. Questo ridurrà le dimensioni ed il costo della MCFC. Lo scarico della turbina a bassa pressione può essere usato per riscaldare l'acqua in una caldaia fino alla temperatura di ebollizione con il vapore generato ad una pressione intermedia della turbina a bassa pressione. Questo trasforma la turbina a gas in un generatore a bassa pressione ed elimina completamente la necessità di un impianto di turbina a vapore successivo alla MCFC. Mentre l'efficienza del ciclo non è elevata come nella forma esecutiva preferita descritta precedentemente, questa impostazione riduce significativamente il bilancio della centrale e serve a ridurre i costi d'impianto.
Si vedrà che il ciclo combinato di un ciclo di turbina a gas ad accensione indiretta completato e preparato da un ciclo di cella a combustibile e che inoltre impiega un ciclo di turbina a vapore insieme forniscono un perfezionamento significativo nella tecnologia a ciclo combinato che opera con un'efficienza relativamente elevata rispetto ai cicli combinati precedentemente conosciuti come sopra descritto. Inoltre, facendo passare in cascata il flusso d'aria attraverso l'impianto senza derivare in parallelo parte dell'aria pressurizzata che aziona la turbina per bruciare l'idrogeno eccedente dalle celle a combustibile, si ottiene maggiore potenza e quindi maggiore efficienza.
Claims (11)
- RIVENDICAZIONI 1. Impianto di generazione di energia elettrica a ciclo combinato a turbina a gas e duplice cella a combustibile, comprendente: una turbina a gas ad avviamento fuori basamento avente un mezzo di ammissione del gas per ricevere un flusso di gas riscaldato e pressurizzato per azionare detta turbina ed un mezzo di scarico del gas per fornire un flusso di gas di scarico dalla stessa; un mezzo a compressore per generare un flusso di aria pressurizzata ad una pressione corrispondente alla pressione di detto flusso di gas pressurizzato di detta turbina,-una prima cella a combustibile in grado di funzionare ad una temperatura e ad una pressione corrispondenti a quelle di detto flusso di gas pressurizzato e comprendente un mezzo a catodo per ricevere detto flusso di aria pressurizzata da detto mezzo a compressore, un mezzo ad anodo per ricevere un primo flusso di combustibile ad una pressione corrispondente alla pressione di detto flusso di gas di azionamento, e mezzi per fare reagire una parte di detto primo flusso di combustibile con detto flusso di aria pressurizzata per produrre energia elettrica e flussi riscaldati di gas del catodo e dell'anodo per inviare detto flusso di gas pressurizzato a detto mezzo di ammissione del gas di detta turbina a gas; e una seconda cella a combustibile in grado di funzionare ad una temperatura e ad una pressione corrispondenti a quelle del flusso di gas di scarico di detta turbina e comprendente un mezzo a catodo per ricevere detto flusso di gas di scarico da detta turbina, un mezzo ad anodo per ricevere un secondo flusso di combustibile, e mezzi per fare reagire una parte di detto secondo flusso di combustibile con detto flusso di gas di scarico da detta turbina per produrre elettricità e flussi separati dell'anodo e del catodo di gas di scarico.
- 2. Impianto di generazione di energia elettrica a ciclo combinato a turbina a gas e duplice cella a combustibile secondo la rivendicazione 1 comprendente inoltre un mezzo combustore ad alta pressione collegato operativamente ai mezzi a catodo e anodo di detta prima cella a combustibile e fra detti mezzi di ammissione del gas di detta turbina a gas per bruciare tutta la parte rimanente di detto primo flusso di combustibile contenuto nel flusso di scarico dell'anodo di detta prima cella a combustibile per riscaldare ulteriormente detto flusso di gas pressurizzato che aziona detta turbina a gas.
- 3. Impianto di generazione di energia elettrica a ciclo combinato a turbina a gas e duplice cella a combustibile secondo la riventicazione 2 in cui detto primo mezzo a cella a combustibile è una cella a combustibile di ossido solido e detto secondo mezzo a cella a combustibile è una cella a combustibile di carbonato fuso e comprendente inoltre un mezzo per lo scambio indiretto del calore per riscaldare detto flusso di aria compressa mediante scambio di calore indiretto con un flusso di gas riscaldati convogliati attraverso un canale riscaldatore dello stesso ad una temperatura corrispondente ad una temperatura di esercizio selezionata di detta cella a combustibile di ossido solido cosicché detto mezzo scambiatore di calore equilibra i requisiti termici di dette prima e seconda cella a combustibile azionate a temperature diverse .
- 4. Impianto di generazione di energia elettrica a ciclo combinato a duplice cella a combustibile secondo la rivendicazione 3 comprendente inoltre un mezzo a combustore a bassa pressione collegato operativamente in modo da ricevere il flusso di gas di scarico da detta turbina ed il flusso di gas di scarico da detto mezzo ad anodo di detta seconda cella a combustibile per bruciare una parte restante di detto secondo flusso di combustibile contenuto nel flusso di scarico dell'anodo di detta seconda cella a combustibile per riscaldare detto flusso di gas di scarico proveniente da detta turbina a gas ed applicare detto flusso di gas di scarico proveniente da detta turbina a detto canale riscaldatore di detto scambiatore di calore per riscaldare detto flusso d'aria pressurizzato e mezzi a condotto collegati fra un'uscita di detto canale riscaldatore di detto scambiatore di calore ed il mezzo a catodo di detto secondo mezzo a cella a combustibile .
- 5 Impianto di generazione di energia elettrica a ciclo combinato a duplice cella a combustibile secondo la rivendicazione 4 in cui detto mezzo a compressore comprende un compressore azionato da detta turbina a gas.
- 6. Impianto di generazione di energia elettrica a ciclo combinato a duplice cella a combustibile secondo la rivendicazione 4 in cui dette prima e seconda cella a combustibile sono del tipo a "reforming” interno del combustibile in cui il "reforming" del gas combustibile è integratocon il mezzo a anodo delle stesse ed in cui detti primo e secondo flusso di gas combustibile sono costituiti da CH .
- 7. Impianto di generazione di energia elettrica a ciclo combinato a duplice cella a combustibile secondo la rivendicazione 6 comprendente inoltre un mezzo di pompaggio per pressurizzare detto primo flusso di gas combustibile applicato all'anodo di detta cella a combustibile di ossido solido ad una pressione corrispondente alla pressione di detto flusso di aria pressurizzata inviato al catodo della stessa.
- 8 Impianto di generazione di energia elettrica a ciclo combinato a duplice cella a combustibile secondo la rivendicazione 7 comprendente inoltre mezzi a condotto di ricircolo per riciclare una parte del flusso di gas di scarico dell'anodo di detta seconda cella a combustibile da miscelare con detto secondo flusso di gas combustibile prima dell'introduzione in detto mezzo ad anodo per riscaldare detto secondo flusso di combustibile fino alla temperatura di "reforming" e mezzi generatori di vapore per applicare vapore al mezzo ad anodo di dette prima e seconda cella a combustìbile alle corrispondenti temperature di esercizio delle stesse per fornire l'acqua necessaria al "reforming" dei flussi di, combustibile nelle stesse.
- 9. Impianto di generazione di energia elettrica a ciclo combinato a duplice cella a combustibile secondo la rivendicazione 8 in cui la prima cella a combustibile è azionata ad una temperatura compresa fra circa 1400° e 2300° F e ad una pressione compresa fra circa 5 e 20 atmosfere, il flusso di gas riscaldato all'ammissione a detta turbina a gas si trova ad una temperatura compresa fra circa 1800° e 2300° F e ad una pressione compresa fra circa 5 e 20 atmosfere, e la seconda cella a combustibile è fatta funzionare ad una temperatura compresa fra circa 1000° e 1150° F e ad una pressione compresa fra circa 1 e 3 atmosfere.
- 10. Impianto di generazione di energia elettrica a ciclo combinato a duplice cella a combustibile secondo la rivendicazione 9 in cui il flusso di gas introdotto nel catodo della- seconda cella a combustibile è arricchito di CO generato nel mezzo ad anodo della prima cella a combustibile e in detti mezzi combustori ad alta e a bassa pressione.
- 11. Impianto di generazione di energia elettrica a ciclo combinato a duplice cella a combustibile secondo la rivendicazione 10 comprendente inoltre un mezzo generatore di energia elettrica a recupero termico collegato operativamente per ricevere il flusso di gas caldo dal mezzo a catodo della seconda cella a combustibile per l'ulteriore generazione di energia elettrica dallo stesso. Ciclo di turbina a gas ad avviamento indiretto completato e preparato con un ciclo di celle a combustibile per la cogenerazione di energia elettrica, comprendente: un mezzo a compressore per fornire un flusso di aria compressa ad un'uscita dello stesso ; un mezzo per lo scambio di calore accoppiato all'uscita del mezzo a compressore per riscaldare detto flusso di aria compressa attraverso scambio termico indiretto con un flusso riscaldato di gas che vi passano attraverso; un primo mezzo a cella a combustibile comprendendo un mezzo ad anodo per ricevere un primo flusso di gas combustibile ed un mezzo a catodo per ricevere il flusso riscaldato di aria compressa che esce da detto scambiatore di calore; un primo mezzo di alimentazione del combustibile accoppiato al mezzo ad anodo di detto primo mezzo a cella a combustibile per inviare un primo flusso di combustibile allo stesso, almeno una parte del primo flusso di combustibile a livello del mezzo ad anodo ed il flusso riscaldato di aria compressa a livello del mezzo a catodo essendo sottoposti ad una reazione elettrochimica all'interno del mezzo a cella a combustibile per produrre un'uscita elettrica generando nello stesso tempo flussi di gas riscaldati a livello del mezzo ad anodo e del mezzo a catodo; un primo mezzo a combustore collegato per ricevere i flussi di gas scaldati da detto mezzo ad anodo e da detto mezzo a catodo di detto primo mezzo a cella a combustibile per bruciare la parte restante di combustibile nel flusso di gas riscaldati proveniente dal mezzo ad anodo del primo mezzo a cella a combustibile per scaldare ulteriormente il flusso di gas pressurizzato che vi passa attraverso fino ad un'uscita dello stesso; un mezzo a turbina a gas avente una presa per il gas pressurizzato ed uno scarico a bassa pressione e comprendente un generatore elettrico così azionato per ricevere detto flusso di gas pressurizzato dall'uscita di detto primo mezzo a combustore a livello di detta ammissione della stessa per azionare detta turbina; un secondo mezzo a cella a combustibile comprendente un mezzo ad anodo ed un mezzo a catodo; un secondo mezzo di alimentazione del combustibile accoppiato al mezzo ad anodo di detto secondo mezzo a cella a combustibile per fornire un secondo flusso di combustibile allo stesso, almeno una parte del secondo flusso di combustibile a livello del mezzo ad anodo di detto secondo mezzo a cella a combustibile subendo una reazione elettrochimica con un flusso di gas reagenti a livello di detto mezzo a catodo di detto secondo mezzo a cella a combustibile per produrre un'uscita elettrica generando nello stesso tempo ulteriori flussi di gas riscaldati a livello del mezzo ad anodo e del mezzo a catodo, rispettivamente, di detto secondo mezzo a cella a combustibile; un secondo mezzo a combustore collegato per ricevere l'ulteriore flusso di gas riscaldati e lo scarico a bassa pressione da detto mezzo a turbina per bruciare la parte restante del combustibile da detto mezzo ad anodo di detto secondo mezzo a cella a combustibile per fornire detto flusso riscaldato di gas a detto scambiatore di calore; e mezzi a condotto per far passare detto flusso riscaldato di gas attraverso detto scambiatore di calore al mezzo a catodo di detto secondo mezzo a cella a combustibile.
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