CN104377375B - 一种整体煤气化熔融碳酸盐燃料电池发电系统 - Google Patents
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Abstract
一种整体煤气化熔融碳酸盐燃料电池发电系统，包括空分装置，空分装置的出口接气化炉入口，气化炉出口通过高温换热器、颗粒物脱除装置、脱硫装置、汞脱除装置、水汽变换装置连接余热回收器后再连接熔融碳酸盐燃料电池阳极入口，熔融碳酸盐燃料电池输出通过DC/AC转换器接交流电网或电器，从气化炉出来的合成气经过高温换热器、回收热量，再经过煤气净化后通入高温熔融碳酸盐燃料电池；而空气首先通过压缩机增压，在高温换热器和低温换热器加热后推动透平发电，充分利用热量转化为电能，本发明提高系统热量利用率和系统效率。
Description
技术领域
本发明属于熔融碳酸盐燃料电池技术领域，尤其涉及一种整体煤气化熔融碳酸盐燃料电池发电系统。
背景技术
熔融碳酸盐燃料电池(Molten Carbonate Fuel Cell,MCFC)具有发电效率高、污染排放低以及燃料适应性广等多方面优点。在发电站、军事以及航空航天等领域有着广阔的应用前景。熔融碳酸盐燃料电池在650℃的高温条件下运行，电池堆产生的废气可以与小型燃气轮机组成联合循环，进一步回收热量，系统发电效率达到50％以上，远远高于火力发电厂。由于具有噪音和污染物的排放量很低的优点，熔融碳酸盐燃料电池作为分布式电源可安放于办公大楼、医院等附近供电。
熔融碳酸盐燃料电池的燃料比较灵活，可以用合成煤气、天然气、富氢气体、化工厂含碳或氢的驰放气作为燃料，对煤等化石燃料的依存度不高。熔融碳酸盐燃料电池与煤气化技术相结合，构建整体煤气化燃料电池(Integrated Gasification Fuel Cell,IGFC)发电系统，不仅使燃料电池发电的容量和效率增加，也可以实现煤炭资源的清洁利用，是21世纪洁净煤发电技术的一个重要方向。
目前针对IGFC系统的研究仍处于发展示范阶段。2001年，美国建成凯姆登前置燃料电池的大型煤气化联合循环电站项目，该发电系统是一个前置熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)的大型煤气化联合循环发电站(IGCC)，但是由于熔融碳酸盐燃料电池需要工作在高压之下，使得电池寿命大大降低。为了提高电池的运行特性，2003年美国肯塔基先进能源与Fuel Cell Energy公司合作，在Wabash river IGCC电站示范IGFC发电系统，MCFC为后置电池系统，功率达到2MW。国内， 上海交通大学也提出了熔融碳酸盐燃料电池燃气轮机顶层循环和底层循环的发电系统，并进一步提出与制热和制冷相结合的冷热电三联供熔融碳酸盐燃料电池系统。但是在已有的研究中，碳酸盐燃料电池系统均作为一个独立的模块，未能考虑到整个系统中热量的有效利用。因此，在保持燃料电池发电效率一定的条件下，进一步提高系统的热利用效率，将能够进一步提高系统效率。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种整体煤气化熔融碳酸盐燃料电池发电系统，提高系统热量利用率和系统效率。
为了达到上述目的，本发明采用的系统方案为：
一种整体煤气化熔融碳酸盐燃料电池发电系统，包括空分装置1，空分装置1的入口通入空气，空分装置1的氧气出口接气化炉2的氧气入口，空分装置1的氮气出口接氮气储存装置，气化炉2的煤入口加入煤，气化炉2的高温气体出口连接至高温换热器3的高温气体入口，高温换热器3的低温气体入口接压缩机13的出口，压缩机13的入口通入空气，高温换热器3的高温气体出口连接颗粒物脱除装置4的入口，高温换热器3的低温气体出口连接低温换热器11的低温气体入口，颗粒物脱除装置4的出口连接脱硫装置5的入口，脱硫装置5的出口连接汞脱除装置6的入口，汞脱除装置6的出口连接水汽变换装置7的入口，水汽变换装置7的出口连接余热回收器10的低温气体入口，余热回收器10的低温气体出口连接熔融碳酸盐燃料电池8阳极入口，余热回收器10的高温气体入口接熔融碳酸盐燃料电池8阴极出口，余热回收器10的高温气体出口为废气，排空，熔融碳酸盐燃料电池8阳极出口连接催化燃烧器9的第一入口，熔融碳酸盐燃料电池8阴极入口连接低温换热器11高温气体出口，熔融碳酸盐燃料电池8输出电能连接DC/AC转换器12的入口，DC/AC转换器12出口接交流电网或电 器，催化燃烧器9出口连接低温换热器11高温气体入口，低温换热器11的低温气体出口接透平14的入口，透平14的出口连接催化燃烧器9的第二入口，发电机15与透平14同轴连接产出电能。
所述空分装置1通过深冷法将空气中的氧气和氮气进行分离，氧气被输送至气化炉2中。
所述气化炉2内反应生成合成气，合成气主要成为是H2、H2O、CO、CO2、CH4、H2S、COS等。
所述高温换热器3、余热回收器10和低温换热器11包括高温气体流道和低温气体流道，高温气体和低温气体被换热片隔开并通过换热片交换热量。
所述颗粒物脱除装置4采用袋式除尘器或电除尘器，脱除合成气中的颗粒物，使得矿尘含量小于200mg/Nm3。
所述脱硫装置5采用低温甲醇法或NHD法，使得出口处H2S、COS含量小于1ppm。
所述汞脱除装置6采用活性炭法脱除合成气中的汞，使得出口气体中汞含量低于0.03mg/Nm3。
所述水汽变换装置7采用催化剂将合成气中的CO与H2O反应生成CO2和H2，使得出口气体中CO比例低于0.5％。
所述熔融碳酸盐燃料电池8由阳极、阴极、电解质隔膜组成，阴极和阳极分别在电解质隔膜两侧，燃料和氧化剂分别通入到阳极和阴极腔室中，并发生电化学反应，产生电能和热量，电池工作温度在650℃，电池的规模通过多个电池堆串并联实现。
所述催化燃烧器9通过催化剂使得气体中的H2与O2发生化学反应生成H2O并释放热量。
所述压缩机13、透平14和发电机15安装到同一根轴上，透平14在高压高温气体的冲击下转动带动压缩机13和发电机15转动，压缩机13增加使得空气的压力由常压增大至1Mpa以上，发电机15则产生电能。
本发明与已有的技术相比，充分地利用了合成气的热量用来加热高压空气，并最终通过透平做功，充分地利用了系统中的热量。与此同时采用发电效率高的高温熔融碳酸盐燃料电池，从而能够实现煤炭资源的清洁高效利用，发电效率可达50％以上，污染物排放大大降低，颗粒物＜4.5mg/Nm3、SO2＜20mg/Nm3、NOx＜30mg/Nm3、Hg<0.003mg/Nm3。
附图说明
附图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图1对本发明做进一步说明。
参照附图1，一种整体煤气化熔融碳酸盐燃料电池发电系统，包括空分装置1，空分装置1的入口通入空气，空分装置1的氧气出口接气化炉2的氧气入口，空分装置1的氮气出口接氮气储存装置，气化炉2的煤入口加入煤，气化炉2的高温气体出口连接至高温换热器3的高温气体入口，高温换热器3的低温气体入口接压缩机13的出口，压缩机13的入口通入空气，高温换热器3的高温气体出口连接颗粒物脱除装置4的入口，高温换热器3的低温气体出口连接低温换热器11的低温气体入口，颗粒物脱除装置4的出口连接脱硫装置5的入口，脱硫装置5的出口连接汞脱除装置6的入口，汞脱除装置6的出口连接水汽变换装置7的入口，水汽变换装置7的出口连接余热回收器10的低温气体入口，余热回收器10的低温气体出口连接熔融碳酸盐燃料电池8阳极入口，余热回收器10的高温气体入口接熔融碳酸盐燃料电池8阴极出口，余热回收器10的高温气体出口为废 气，排空，熔融碳酸盐燃料电池8阳极出口连接催化燃烧器9的第一入口，熔融碳酸盐燃料电池8阴极入口连接低温换热器11高温气体出口，熔融碳酸盐燃料电池8输出电能连接DC/AC转换器12的入口，DC/AC转换器12出口接交流电网或电器，催化燃烧器9出口连接低温换热器11高温气体入口，低温换热器11的低温气体出口接透平14的入口，透平14的出口连接催化燃烧器9的第二入口，发电机15与透平14同轴连接产出电能。
所述空分装置1通过深冷法将空气中的氧气和氮气进行分离，氧气被输送至气化炉2中。
所述气化炉2内反应生成合成气，合成气主要成为是H2、H2O、CO、CO2、CH4、H2S、COS等。
所述高温换热器3、余热回收器10和低温换热器11包括高温气体流道和低温气体流道，高温气体和低温气体被换热片隔开并通过换热片交换热量。
所述颗粒物脱除装置4采用袋式除尘器或电除尘器，脱除合成气中的颗粒物，使得矿尘含量小于200mg/Nm3。
所述脱硫装置5采用低温甲醇法或NHD法，使得出口处H2S、COS含量小于1ppm。
所述汞脱除装置6采用活性炭法脱除合成气中的汞，使得出口气体中汞含量低于0.03mg/Nm3。
所述水汽变换装置7采用催化剂将合成气中的CO与H2O反应生成CO2和H2，使得出口气体中CO比例低于0.5％。
所述熔融碳酸盐燃料电池8由阳极、阴极、电解质隔膜组成，阴极和阳极分别在电解质隔膜两侧，燃料和氧化剂分别通入到阳极和阴极腔室中，并发生电化学反应，产生电能和热量，电池工作温度在650℃，电池的规模通过多个电池堆 串并联实现。
所述催化燃烧器9通过催化剂使得气体中的H2与O2发生化学反应生成H2O并释放热量。
所述压缩机13、透平14和发电机15安装到同一根轴上，透平14在高压高温气体的冲击下转动带动压缩机13和发电机15转动，压缩机13增加使得空气的压力由常压增大至1Mpa以上，发电机15则产生电能。
本发明的工作原理为：煤和氧气通入气化炉2产生合成气，合成气的温度为900℃，组分为CO>40％，H2>30％，CO223％。合成气首先经过高温换热器3换热，温度降低至100℃以下，然后通入电除尘装置4，使得颗粒物成分低于200mg/Nm3；再通入脱硫装置5，使得H2S和COS浓度低于1ppm；再通入汞脱除装置6，使气体中汞含量低于0.3mg/Nm3，接着通过水汽变换装置7将合成气转化为H2和CO2，使得CO比例低于0.5％，然后经过余热回收器10预热燃料气至300℃以上，最后通入到熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)8的阳极，与此同时，空气通过压缩机13至5Mpa，接着经过高温换热器3、低温换热器11提高空气的温度至800℃以上，然后空气通过透平14做功而降温降压，并进一步通入到催化燃烧器9中与熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)8阳极出口气体中未反应的H2发生化学反应放出热量，提高气体温度至900℃以上，然后通过低温换热器11降温后通入熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)8阴极腔室，燃料和氧化剂在熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)8内发生电化学反应，产生直流电，经过DC/AC转化器12转化为交流电。
Claims (7)
1.一种整体煤气化熔融碳酸盐燃料电池发电系统，包括空分装置(1)，其特征在于：空分装置(1)的入口通入空气，空分装置(1)的氧气出口接气化炉(2)的氧气入口，空分装置(1)的氮气出口接氮气储存装置，气化炉(2)的煤入口加入煤，气化炉(2)的高温气体出口连接至高温换热器(3)的高温气体入口，高温换热器(3)的低温气体入口接压缩机(13)的出口，压缩机(13)的入口通入空气，高温换热器(3)的高温气体出口连接颗粒物脱除装置(4)的入口，高温换热器(3)的低温气体出口连接低温换热器(11)的低温气体入口，颗粒物脱除装置(4)的出口连接脱硫装置(5)的入口，脱硫装置(5)的出口连接汞脱除装置(6)的入口，汞脱除装置(6)的出口连接水汽变换装置(7)的入口，水汽变换装置(7)的出口连接余热回收器(10)的低温气体入口，余热回收器(10)的低温气体出口连接熔融碳酸盐燃料电池(8)阳极入口，余热回收器(10)的高温气体入口接熔融碳酸盐燃料电池(8)阴极出口，余热回收器(10)的高温气体出口为废气，排空，熔融碳酸盐燃料电池(8)阳极出口连接催化燃烧器(9)的第一入口，熔融碳酸盐燃料电池(8)阴极入口连接低温换热器(11)高温气体出口，熔融碳酸盐燃料电池(8)输出电能连接DC/AC转换器(12)的入口，DC/AC转换器(12)出口接交流电网或电器，催化燃烧器(9)出口连接低温换热器(11)高温气体入口，低温换热器(11)的低温气体出口接透平(14)的入口，透平(14)的出口连接催化燃烧器(9)的第二入口，发电机(15)与透平(14)同轴连接产出电能；
所述高温换热器(3)、余热回收器(10)和低温换热器(11)包括高温气体流道和低温气体流道，高温气体和低温气体被换热片隔开并通过换热片交换热量。
2.根据权利要求1所述的一种整体煤气化熔融碳酸盐燃料电池发电系统，其特征在于：所述颗粒物脱除装置(4)采用袋式除尘器或电除尘器，脱除合成气中的颗粒物，使得矿尘含量小于200mg/Nm3。
3.根据权利要求1所述的一种整体煤气化熔融碳酸盐燃料电池发电系统，其特征在于：所述脱硫装置(5)采用低温甲醇法或NHD法，使得出口处H2S、COS含量小于1ppm。
4.根据权利要求1所述的一种整体煤气化熔融碳酸盐燃料电池发电系统，其特征在于：所述汞脱除装置(6)采用活性炭法脱除合成气中的汞，使得出口气体中汞含量低于0.03mg/Nm3。
5.根据权利要求1所述的一种整体煤气化熔融碳酸盐燃料电池发电系统，其特征在于：所述水汽变换装置(7)采用催化剂将合成气中的CO与H2O反应生成CO2和H2，使得出口气体中CO比例低于0.5％。
6.根据权利要求1所述的一种整体煤气化熔融碳酸盐燃料电池发电系统，其特征在于：所述熔融碳酸盐燃料电池(8)由阳极、阴极、电解质隔膜组成，阴极和阳极分别在电解质隔膜两侧，燃料和氧化剂分别通入到阳极和阴极腔室中，并发生电化学反应，产生电能和热量，电池工作温度在650℃，电池的规模通过多个电池堆串并联实现。
7.根据权利要求1所述的一种整体煤气化熔融碳酸盐燃料电池发电系统，其特征在于：所述压缩机(13)、透平(14)和发电机(15)安装到同一根轴上，透平(14)在高压高温气体的冲击下转动带动压缩机(13)和发电机(15)转动，压缩机(13)使得空气的压力由常压增大至1Mpa以上，发电机(15)则产生电能。
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