專利名稱：集成OTM陰極排氣產(chǎn)氧的加壓CO₂零排放SOFC/GT/AT/ST復(fù)合動(dòng)力系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于加壓CO2零排放固體氧化物燃料電池復(fù)合動(dòng)力技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種集成OTM陰極排氣產(chǎn)氧的加壓CO2零排放S0FC/GT/AT/ST復(fù)合動(dòng)力系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
固體氧化物燃料電池利用電化學(xué)產(chǎn)電，突破了卡諾定理的限制，具有較高的效率，并且其排氣具有很高溫度，在加壓的條件，可與燃?xì)馔钙?，余熱鍋爐和蒸汽輪機(jī)組成一個(gè)高效的發(fā)電系統(tǒng)。并且由于其獨(dú)特的機(jī)理燃料和空氣不直接混合，避免了 N2對CO2的摻混，這為提高能源動(dòng)力系統(tǒng)效率和降低排放提供了便利條件。OTM的工作溫度通常為700° C-1000° C，電池堆陰極排氣能直接達(dá)到其工作條件，可以低成本低能耗生產(chǎn)純氧，滿足后燃室燃燒需求。綜合利用以上兩項(xiàng)集成技術(shù)可同時(shí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高效率及CO2零排放。本發(fā)明的集成方案是在上述技術(shù)背景下提出的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明以不回收CO2的SOFC (固體氧化物燃料電池)/GT (燃?xì)馔钙?/ST (蒸汽輪機(jī))復(fù)合動(dòng)力系統(tǒng)為基準(zhǔn)系統(tǒng)，集成氧離子傳輸膜(0TM)、高溫空氣透平(AT)及CO2回注/回收單元，以解決傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)的低效率和大量污染氣排放的問題。本發(fā)明采用的技術(shù)方案為空氣壓縮機(jī)依次與第一換熱器、第二換熱器串聯(lián)后接入SOFC電池堆的陰極；燃料壓縮機(jī)依次與第三換熱器、預(yù)重整器串聯(lián)后接入SOFC電池堆的陽極；S0FC電池堆的陽極排氣分為兩路一路接入預(yù)重整器進(jìn)行循環(huán)，另一路接入后燃室燃燒；S0FC電池堆的輸出端與直流/交流轉(zhuǎn)換器連接；SOFC電池堆的陰極排氣接入OTM模塊的原料側(cè)入口，OTM模塊的原料側(cè)出口與空氣透平串聯(lián)后接入余熱鍋爐及汽輪機(jī)系統(tǒng)；OTM模塊的滲透側(cè)出口依次與第四換熱器、第二冷卻器、帶中間冷卻器的氧氣壓縮機(jī)串聯(lián)后接入后燃室；后燃室的出口依次與燃?xì)馔钙?、第二換熱器、第三換熱器、第一換熱器串聯(lián)后接入余熱鍋爐及汽輪機(jī)系統(tǒng)，進(jìn)行余熱回收；余熱鍋爐及汽輪機(jī)系統(tǒng)的系統(tǒng)尾氣與冷凝器串聯(lián)后分兩路，一路通過二氧化碳壓縮機(jī)，并串聯(lián)第四換熱器后接入后燃室，另一路接入帶中間冷卻器的二氧化碳壓縮機(jī)及第一冷卻器，制備液態(tài)CO2。所述OTM模塊的原料側(cè)和滲透側(cè)之間采用氧離子傳輸膜；氧離子傳輸膜為只滲透氧氣的致密、選擇性滲透膜，以達(dá)到分離提取純氧的效果；0TM模塊的工作溫度為700° C
-1000。Co所述氧離子傳輸膜的膜兩側(cè)氧氣壓力差是OTM模塊分離氧氣的驅(qū)動(dòng)力，原料側(cè)的氧氣分壓力高于滲透側(cè)的氧氣分壓力。所述的帶中間冷卻器的二氧化碳壓縮機(jī)由冷凝器、四級壓縮機(jī)、冷卻器串聯(lián)組成，低溫燃燒尾氣通過冷凝器析出水，得到干燥高純度的CO2氣體，再通過四級間冷壓縮機(jī)及冷卻器壓縮液化。所述余熱鍋爐及汽輪機(jī)系統(tǒng)與第一發(fā)電機(jī)連接，并驅(qū)動(dòng)其發(fā)電。 所述燃?xì)馔钙脚c第二發(fā)電機(jī)連接，并驅(qū)動(dòng)其發(fā)電。所述空氣透平與第三發(fā)電機(jī)連接，并驅(qū)動(dòng)其發(fā)電。本發(fā)明的有益效果為本發(fā)明系統(tǒng)通過OTM對SOFC的陰極排氣分離，得到純氧送入后燃室與陽極排氣燃燒，燃燒產(chǎn)物的主要成分是CO2和H2O,從而避免了隊(duì)對0)2的摻混，便于分離，減少了壓縮 機(jī)的功耗，使捕集CO2的總能耗降低，同時(shí)通過回收氧氣分離后剩余高溫高壓的貧氧空氣的功和熱，系統(tǒng)的效率懲罰得到一定的補(bǔ)償，通過滲透側(cè)出口純氧對回注的CO2加熱，提高后燃室溫度，利于增大透平產(chǎn)功，使系統(tǒng)總效率保持在較高的水平，既實(shí)現(xiàn)高效率又解決了大量污染氣排放的問題。


圖I為不回收CO2的S0FC/GT/ST復(fù)合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，為基準(zhǔn)系統(tǒng)。圖2為所述的集成OTM陰極排氣產(chǎn)氧的加壓CO2零排放S0FC/GT/AT/ST復(fù)合動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中標(biāo)號(hào)I-空氣壓縮機(jī)；2_第一換熱器；3_第二換熱器；4_S0FC電池堆；5_后燃室；6_直流/交流轉(zhuǎn)換器；7_預(yù)重整器；8_第三換熱器；9_燃料壓縮機(jī)；10-余熱鍋爐及汽輪機(jī)系統(tǒng)；11-第一發(fā)電機(jī)；12_燃?xì)馔钙剑?3-第二發(fā)電機(jī)；14-0TM模塊，15-空氣透平；16_第三發(fā)電機(jī)；17_第四換熱器；18_ 二氧化碳壓縮機(jī)；19_冷凝器；20_帶中間冷卻器的二氧化碳壓縮機(jī)；21_第一冷卻器；22_第二冷卻器；23_帶中間冷卻器的氧氣壓縮機(jī)。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供了一種集成OTM陰極排氣產(chǎn)氧的加壓CO2零排放S0FC/GT/AT/ST復(fù)合動(dòng)力系統(tǒng)，下面通過附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明做進(jìn)一步說明?；鶞?zhǔn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖I所示燃料在燃料壓縮機(jī)9壓縮經(jīng)第三換熱器8換熱后進(jìn)入預(yù)重整器7與循環(huán)回來的部分陽極排氣混合重整，隨后進(jìn)入SOFC電池堆4的陽極，空氣在空氣壓縮機(jī)I壓縮后，依次流過第一換熱器2、第二換熱器3，進(jìn)入SOFC電池堆4的陰極在電池堆內(nèi)與陽極燃料進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，并通過直流/交流轉(zhuǎn)換器6輸出電能。此后陽極排氣分為兩部分一部分循環(huán)回預(yù)重整器7與加壓預(yù)熱后的燃料混合重整，另一部分與陰極排氣一起送入后燃室5燃燒，燃燒排氣先經(jīng)燃?xì)馔钙?2膨脹驅(qū)動(dòng)第二發(fā)電機(jī)13發(fā)電，再依次通過第二換熱器3、第三換熱器8、第一換熱器2后進(jìn)入余熱鍋爐和汽輪機(jī)系統(tǒng)10生產(chǎn)蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)產(chǎn)功，由第一發(fā)電機(jī)11發(fā)電輸出，最后低溫排氣直接排入大氣。本發(fā)明對基準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，組成CO2零排放系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。集成OTM陰極排氣產(chǎn)氧的加壓CO2零排放S0FC/GT/AT/ST復(fù)合動(dòng)力系統(tǒng)對基準(zhǔn)系統(tǒng)的改進(jìn)在于空氣依次流經(jīng)空氣壓縮機(jī)I、第一換熱器2、第二換熱器3，進(jìn)入SOFC電池堆4的陰極，燃料經(jīng)燃料壓縮機(jī)9壓縮后經(jīng)第三換熱器8換熱進(jìn)入預(yù)重整器7與循環(huán)回來的部分陽極排氣混合重整，隨后進(jìn)入SOFC電池堆4的陽極，在電池堆內(nèi)與陰極的空氣進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，并通過直流/交流轉(zhuǎn)換器6輸出電能。此后SOFC電池堆4的陽極排氣分為兩部分一部分循環(huán)回預(yù)重整器7與加壓預(yù)熱后的燃料混合重整，另一部分送入后燃室5燃燒。陰極排氣不直接送入后燃室5，而是送入OTM模塊14分離提取后燃室所需氧氣。在OTM模塊14中，陰極排氣被分成兩股一股為原料側(cè)出口的高溫高壓貧氧空氣，流經(jīng)空氣透平15做功驅(qū)動(dòng)第三發(fā)電機(jī)16發(fā)電后送入余熱鍋爐和汽輪機(jī)系統(tǒng)10進(jìn)行余熱回收并驅(qū)動(dòng)第一發(fā)電機(jī)發(fā)電，最后排入大氣中；另一股為滲透側(cè)出口的高溫低壓純氧，通過第四換熱器17和第二冷卻器22降溫后送入帶中間冷卻器的氧氣壓縮機(jī)23加壓，進(jìn)而供入后燃室5助燃。后燃室5燃燒排氣先經(jīng)燃?xì)馔钙?2做功驅(qū)動(dòng)第二發(fā)電機(jī)13發(fā)電，再通過第二換熱器3、第三換熱器8、第一換熱器2加熱空氣和燃料，隨后進(jìn)入余熱鍋爐和汽輪機(jī)系統(tǒng)10生產(chǎn)蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)產(chǎn)功，并由第一發(fā)電機(jī)11發(fā)電輸出，此后系統(tǒng)尾氣經(jīng)冷凝器19析出水，得到高純度的CO2氣體，一部分經(jīng)二氧化碳壓縮機(jī)18壓縮并由第四換熱器17加熱后回注后燃室5，其余部分由帶中間冷卻器的二氧化碳壓縮機(jī)20壓縮及第一冷卻器21冷卻液化并進(jìn)行存儲(chǔ)。下面結(jié)合算例，對本發(fā)明的效果做一下說明。 系統(tǒng)初始條件基準(zhǔn)系統(tǒng)和集成OTM陰極排氣產(chǎn)氧的加壓CO2零排放S0FC/GT/AT/ST復(fù)合動(dòng)力系統(tǒng)基于相同的假設(shè)和相同的參數(shù)值。系統(tǒng)假設(shè)及條件見下表I。燃料成分CH4 93. 6%,C2H64. 9%, C3H8 0. 4%, C4H10 0. 2%, CO 0. 9%。表I系統(tǒng)初始條件
權(quán)利要求
1.集成OTM陰極排氣產(chǎn)氧的加壓CO2零排放S0FC/GT/AT/ST復(fù)合動(dòng)力系統(tǒng)，其特征在于 空氣壓縮機(jī)(I)依次與第一換熱器(2 )、第二換熱器(3 )串聯(lián)后接入SOFC電池堆(4 )的陰極；燃料壓縮機(jī)(9)依次與第三換熱器(8)、預(yù)重整器(7)串聯(lián)后接入SOFC電池堆(4)的陽極；S0FC電池堆(4)的陽極排氣分為兩路一路接入預(yù)重整器(7)進(jìn)行循環(huán)，另一路接入后燃室(5)燃燒；S0FC電池堆(4)的輸出端與直流/交流轉(zhuǎn)換器(6)連接； SOFC電池堆(4)的陰極排氣接入OTM模塊(14)的原料側(cè)入口，OTM模塊(14)的原料側(cè)出口與空氣透平(15)串聯(lián)后接入余熱鍋爐及汽輪機(jī)系統(tǒng)(10)；0TM模塊(14)的滲透側(cè)出口依次與第四換熱器(17)、第二冷卻器(22)、帶中間冷卻器的氧氣壓縮機(jī)(23)串聯(lián)后接入后燃室(5);后燃室(5)的出口依次與燃?xì)馔钙?12)、第二換熱器(3)、第三換熱器(8)、第一換熱器(2)串聯(lián)后接入余熱鍋爐及汽輪機(jī)系統(tǒng)(10)，進(jìn)行余熱回收；余熱鍋爐及汽輪機(jī)系統(tǒng)(10)的系統(tǒng)尾氣與冷凝器(19)串聯(lián)后分兩路，一路通過二氧化碳壓縮機(jī)(18)，并串聯(lián)第四換熱器(17)后接入后燃室(5)，另一路接入帶中間冷卻器的二氧化碳壓縮機(jī)(20)及第一冷卻器(21)，制備液態(tài)CO2。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的集成OTM陰極排氣產(chǎn)氧的加壓CO2零排放S0FC/GT/AT/ST復(fù)合動(dòng)力系統(tǒng)，其特征在于所述OTM模塊(14)的原料側(cè)和滲透側(cè)之間采用氧離子傳輸膜；氧離子傳輸膜為只滲透氧氣的致密、選擇性滲透膜，以達(dá)到分離提取純氧的效果；0TM模塊(14)的工作溫度為700° C -1000° C。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的集成OTM陰極排氣產(chǎn)氧的加壓CO2零排放S0FC/GT/AT/ST復(fù)合動(dòng)力系統(tǒng)，其特征在于所述氧離子傳輸膜的膜兩側(cè)氧氣壓力差是OTM模塊(14)分離氧氣的驅(qū)動(dòng)力，原料側(cè)的氧氣分壓力高于滲透側(cè)的氧氣分壓力。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的集成OTM陰極排氣產(chǎn)氧的加壓CO2零排放S0FC/GT/AT/ST復(fù)合動(dòng)力系統(tǒng)，其特征在于所述的帶中間冷卻器的二氧化碳壓縮機(jī)(20)由冷凝器、四級壓縮機(jī)、冷卻器串聯(lián)組成，低溫燃燒尾氣通過冷凝器析出水，得到干燥高純度的CO2氣體，再通過四級間冷壓縮機(jī)及冷卻器壓縮液化。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的集成OTM陰極排氣產(chǎn)氧的加壓CO2零排放S0FC/GT/AT/ST復(fù)合動(dòng)力系統(tǒng)，其特征在于所述余熱鍋爐及汽輪機(jī)系統(tǒng)(10)與第一發(fā)電機(jī)(11)連接，并驅(qū)動(dòng)其發(fā)電。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的集成OTM陰極排氣產(chǎn)氧的加壓CO2零排放S0FC/GT/AT/ST復(fù)合動(dòng)力系統(tǒng)，其特征在于所述燃?xì)馔钙?12)與第二發(fā)電機(jī)(13)連接，并驅(qū)動(dòng)其發(fā)電。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的集成OTM陰極排氣產(chǎn)氧的加壓CO2零排放S0FC/GT/AT/ST復(fù)合動(dòng)力系統(tǒng)，其特征在于所述空氣透平(15)與第三發(fā)電機(jī)(16)連接，并驅(qū)動(dòng)其發(fā)電。
全文摘要
本發(fā)明屬于加壓CO2零排放固體氧化物燃料電池復(fù)合動(dòng)力技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種集成OTM陰極排氣產(chǎn)氧的加壓CO2零排放SOFC/GT/AT/ST復(fù)合動(dòng)力系統(tǒng)。以不回收CO2的SOFC/GT/ST復(fù)合動(dòng)力系統(tǒng)為基準(zhǔn)系統(tǒng)，集成氧離子傳輸膜(OTM)、高溫空氣透平(AT)及CO2回收單元，得到一個(gè)高效節(jié)能環(huán)保的CO2零排放復(fù)合動(dòng)力系統(tǒng)，系統(tǒng)能量得到充分有效的梯級利用，效率高，燃燒排氣只有CO2和H2O便于CO2分離捕集，功耗少，這樣系統(tǒng)在回收CO2后仍保持較高的效率。
文檔編號(hào)F01D15/10GK102966437SQ20121044376
公開日2013年3月13日 申請日期2012年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月8日
發(fā)明者段立強(qiáng), 黃科薪, 楊勇平 申請人:華北電力大學(xué)