集成帶吹掃氣OTM供氧的常壓CO₂零排放SOFC/AT/ST複合動力系統的製作方法

2023-05-02 22:29:46 1

專利名稱：集成帶吹掃氣OTM供氧的常壓CO2零排放SOFC/AT/ST複合動力系統的製作方法
集成帶吹掃氣OTM供氧的常壓CO2零排放S0FC/AT/ST複合動力系統技術領域
本發明屬於常壓CO2零排放固體氧化物燃料電池(SOFC)複合動力發電技術領域， 特別涉及一種集成帶吹掃氣OTM供氧的常壓CO2零排放S0FC/AT/ST複合動力系統。
背景技術：
固體氧化物燃料電池利用電化學過程產電，具有較高的能量轉換效率，並且其排氣具有較高的溫度，可由透平、餘熱鍋爐和蒸汽輪機進行餘熱餘功利用，從而組成一個能量充分梯級利用的高效發電系統。並且固體氧化物燃料電池在回收CO2時具有獨特的結構優勢燃料和空氣進行電化學反應時在各自的通道流動並不直接混合，避免了空氣中大量的 N2對CO2的摻混稀釋，這為低能耗高效率回收CO2提供了有利條件。OTM的工作溫度通常為 700° C -1000° C，其可低成本低能耗生產純氧，滿足後燃室純氧燃燒需求。綜合利用以上兩項有利條件，並考慮吹掃氣強化產氧的效果，本發明提出集成帶吹掃氣OTM供氧的常壓 CO2零排放S0FC/AT/ST複合動力系統方案。發明內容
本發明以不回收CO2的S0FC/ST複合動力系統為基礎，提出集成方案集成氧離子傳輸膜(0ΤΜ)、高溫空氣透平(AT)及CO2回收單元組成CO2零排放系統，採用系統的方法解決傳統發電系統的低效率和大量汙染氣排放的問題，實現低能耗回收C02，並保持系統的高效性。
本發明採用的技術方案為
第一空氣壓縮機依次與第一換熱器、第二換熱器串聯後接入SOFC電池堆的陰極； 燃料壓縮機依次與第三換熱器、預重整器串聯後接入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重整器進行循環，另一路接入後燃室燃燒；S0FC電池堆的輸出端與直流/交流轉換器連接；
SOFC電池堆的陰極排氣與第一換熱器串聯後接入餘熱鍋爐及汽輪機系統；
第二空氣壓縮機依次與第四換熱器、第五換熱器、第六換熱器串聯後接入OTM模塊的原料側入口，OTM模塊的原料側出口與空氣透平串聯後接入餘熱鍋爐及汽輪機系統； OTM模塊的滲透側出口與第四換熱器串聯後接入後燃室；後燃室的出口依次與第六換熱器、第五換熱器、第二換熱器串聯後分為兩路一路接入OTM模塊的滲透側入口進行循環， 另一路依次與第三換熱器、餘熱鍋爐及汽輪機系統連接，進行餘熱回收後接入冷凝器，析出水後進入帶中間冷卻器的二氧化碳壓縮機和冷卻器，製備液態CO2 ；
後燃室的燃燒排氣C02、H2O氣體作為吹掃氣，經第六換熱器、第五換熱器、第二換熱器換熱達到OTM模塊的工作溫度後送入OTM模塊滲透側入口對氧氣進行吹掃。
所述OTM模塊的原料側和滲透側之間採用氧離子傳輸膜，OTM模塊的原料側進氣為經加壓和加熱的空氣，出口為貧氧空氣；從原料側滲透到滲透側的氧氣由co2、h2o氣體吹掃；氧離子傳輸膜為只滲透氧氣的緻密、選擇性滲透膜，可達到分離提取純氧的效果；0ΤΜ 模塊的工作溫度為700° C -1000° C。
所述氧離子傳輸膜的膜兩側氧氣壓力差是OTM模塊分離氧氣的驅動力，原料側的氧氣分壓力高於滲透側的氧氣分壓力。
所述帶中間冷卻器的二氧化碳壓縮機由冷凝器、四級壓縮機、冷卻器串聯組成。
所述SOFC電池堆系統輸出端與直流/交流轉換器相連，輸出電能。
所述餘熱鍋爐及汽輪機系統與第一發電機連接，並驅動其發電。
所述空氣透平與第二發電機連接，並驅動其發電。
本發明的有益效果為
本發明系統通過OTM對空氣2分離，經C02、H2O吹掃得到C02、H2O, O2混合氣體送入後燃室供陽極排氣燃燒，燃燒產物的主要成分是CO2和H2O,避免了空氣中大量的N2對CO2 的摻混稀釋，便於分離，使捕集CO2的總能耗降低，並且OTM原料側出口的高溫高壓貧氧空氣可進一步回收功和熱，系統的效率懲罰得到一定的補償，採用C02、H2O吹掃一方面確保了原料側的氧氣分壓力高於滲透側的氧氣分壓力，提高產氧效果，另一方面使混合氣體直接達到了後燃室工作壓力可直接送入，避免跨膜施加大的壓比，這樣系統在回收CO2後仍具有較高效率。


圖1為不回收CO2的S0FC/GT/ST複合動力系統結構示意圖，為基準系統。
圖2為本發明所述的集成帶吹掃氣OTM供氧的常壓CO2零排放S0FC/AT/ST複合動力系統的結構示意圖。
圖3為OTM模塊的結構示意圖。
圖中標號
1-第一空氣壓縮機；2_第一換熱器；3_第二換熱器；4_S0FC電池堆；5_後燃室； 6_直流/交流轉換器；7_預重整器；8_第三換熱器；9_燃料壓縮機；10_餘熱鍋爐及汽輪機系統；11-第一發電機；12-第二空氣壓縮機；13_第四換熱器；14_第五換熱器,15-第六換熱器，16-0TM模塊，17-空氣透平(Air Turbine)，18-第二發電機，19-冷凝器，20-帶中間冷卻器的二氧化碳壓縮機，21-冷卻器。
具體實施方式
本發明提供了一種集成帶吹掃氣OTM供氧的常壓CO2零排放S0FC/AT/ST複合動力系統，下面通過

和具體實施方式
對本發明做進一步說明。
基準系統結構圖如圖1所示空氣I在第一空氣壓縮機I壓縮後，依次流過第一換熱器2、第二換熱器3，進入SO FC電池堆4的陰極，燃料在燃料壓縮機9壓縮經第三換熱器 8換熱後進入預重整器7與循環回來的部分陽極排氣混合重整，隨後進入SOFC電池堆4的陽極，與陰極的空氣進行電化學反應，通過直流/交流轉換器6輸出電能。此後陽極排氣分為兩部分一部分循環回預重整器7與加壓預熱後的燃料混合重整，另一部分和陰極排氣一起送入後燃室5燃燒，燃燒排氣依次通過第二換熱器3、第三換熱器8、第一換熱器2後進入餘熱鍋爐和汽輪機系統10生產蒸汽推動汽輪機產功，由發電機11發電輸出，最後低溫排氣直接排入大氣。
本發明對基準系統進行改進，組成CO2零排放系統，結構圖如圖2所示。集成帶吹掃氣OTM供氧的常壓CO2零排放S0FC/AT/ST複合動力系統對基準系統的改進在於空氣I 依次流經第一空氣壓縮機壓縮1，第一換熱器2、第二換熱器3，進入SOFC電池堆4的陰極， 燃料在燃料壓縮機9壓縮經第三換熱器8換熱後進入預重整器7與循環回來的部分陽極排氣混合重整，隨後進入SOFC電池堆4的陽極，與陰極的空氣進行電化學反應，通過直流/交流轉換器6輸出電能。此後陽極排氣分為兩部分一部分循環回預重整器7與加壓預熱後的燃料混合重整，另一部分送入後燃室5燃燒。陰極排氣不再送入後燃室5，而是經第一換熱器2換熱後送入餘熱鍋爐和汽輪機系統10進行餘熱回收。後燃室所需空氣由空氣2提供空氣2經第二空氣壓縮機12壓縮至4atm，依次與第四換熱器13、第五換熱器14、第六換熱器15換熱，隨後進入OTM模塊16，在此空氣分離成兩股一股是純氧，由高溫的C02、H20 吹掃後經第四換熱器13降溫後送入後燃室5助燃；另一股為高溫高壓的貧氧空氣，經空氣透平17膨脹及餘熱鍋爐及蒸汽系統10回收功和熱。後燃室燃燒排氣依次通過第六換熱器 15、第五換熱器14、第二換熱器3後一部分作為吹掃氣送入OTM模塊16的滲透側對氧氣進行吹掃，一部分與第三換熱器8換熱後進入餘熱鍋爐和汽輪機系統10生產蒸汽推動汽輪機產功，由發電機11發電輸出。餘熱鍋爐出來的低溫燃燒排氣(CO2和H2O)經冷凝器19析出水，由四級間冷壓縮機20和冷卻器21對CO2進行壓縮液化存儲處理。
本發明中OTM模塊16-0TM模塊結構圖如圖3所示，OTM模塊的具體結構為原料側和滲透側。OTM模塊原料側進氣為經加壓加熱後的空氣2，出口為貧氧空氣；滲透側進口由CO2, H2O吹掃，出口為CO2, H20、O2混合氣體。
下面結合算例，對本發明的效果做一下說明。
系統初始條件
基準系統和集成帶吹掃氣OTM供氧的常壓CO2零排放S0FC/AT/ST複合動力系統基於相同的假設和相同的參數值，假設系統中換熱器存在2%的熱損和壓損，並假定空氣的成分為79%的N2, 21%的O20系統參數設定條件見下表I。燃料成分=CH4 93. 6%, C2H6 4. 9%， C3H8 O. 4%, C4H10 O. 2%, CO O. 9%。
表I系統初始條件
權利要求
1.集成帶吹掃氣OTM供氧的常壓CO2零排放S0FC/AT/ST複合動カ系統，其特徵在於 第一空氣壓縮機(I)依次與第一換熱器(2)、第二換熱器(3)串聯後接入SOFC電池堆(4)的陰極；燃料壓縮機(9)依次與第三換熱器(8)、預重整器(7)串聯後接入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重整器(7)進行循環，另ー路接入後燃室(5)燃燒；S0FC電池堆(4)的輸出端與直流/交流轉換器(6)連接； SOFC電池堆(4)的陰極排氣與第一換熱器(2)串聯後接入餘熱鍋爐及汽輪機系統(10)； 第二空氣壓縮機(12)依次與第四換熱器(13)、第五換熱器(14)、第六換熱器(15)串聯後接入OTM模塊(16)的原料側入口，OTM模塊(16)的原料側出口與空氣透平(17)串聯後接入餘熱鍋爐及汽輪機系統(10);0TM模塊(16)的滲透側出口與第四換熱器(13)串聯後接入後燃室(5);後燃室(5)的出ロ依次與第六換熱器(15)、第五換熱器(14)、第二換熱器(3)串聯後分為兩路一路接入OTM模塊(16)的滲透側入口進行循環，另一路依次與第三換熱器(8)、餘熱鍋爐及汽輪機系統(10)連接，進行餘熱回收後接入冷凝器(19)，析出水後進入帶中間冷卻器的ニ氧化碳壓縮機(20)和冷卻器(21)，製備液態CO2 ； 後燃室(5)的燃燒排氣C02、H20氣體作為吹掃氣，經第六換熱器(15)、第五換熱器(14)、第二換熱器(3)換熱達到OTM模塊(16)的工作溫度後送入OTM模塊(16)滲透側入口對氧氣進行吹掃。
2.根據權利要求I所述的集成帶吹掃氣OTM供氧的常壓CO2零排放S0FC/AT/ST複合動カ系統，其特徵在於所述OTM模塊(16)的原料側和滲透側之間採用氧離子傳輸膜，OTM模塊(16)的原料側進氣為經加壓和加熱的空氣，出口為貧氧空氣；從原料側滲透到滲透側的氧氣由C02、H2O氣體吹掃；氧離子傳輸膜為只滲透氧氣的緻密、選擇性滲透膜，可達到分離提取純氧的效果；OTM模塊(16)的工作溫度為700° C -1000° C。
3.根據權利要求2所述的集成帶吹掃氣OTM供氧的常壓CO2零排放S0FC/AT/ST複合動カ系統，其特徵在於所述氧離子傳輸膜的膜兩側氧氣壓カ差是OTM模塊(16)分離氧氣的驅動力，原料側的氧氣分壓力高於滲透側的氧氣分壓力。
4.根據權利要求I所述的集成帶吹掃氣OTM供氧的常壓CO2零排放S0FC/AT/ST複合動カ系統，其特徵在於所述帶中間冷卻器的ニ氧化碳壓縮機(20)由冷凝器、四級壓縮機、冷卻器串聯組成。
5.根據權利要求I所述的集成帶吹掃氣OTM供氧的常壓CO2零排放S0FC/AT/ST複合動カ系統，其特徵在於所述SOFC電池堆系統(4)輸出端與直流/交流轉換器(6)相連，輸出電能。
6.根據權利要求I所述的集成帶吹掃氣OTM供氧的常壓CO2零排放S0FC/AT/ST複合動カ系統，其特徵在於所述餘熱鍋爐及汽輪機系統(10)與第一發電機(11)連接，並驅動其發電。
7.根據權利要求I所述的集成帶吹掃氣OTM供氧的常壓CO2零排放S0FC/AT/ST複合動カ系統，其特徵在幹所述空氣透平(17)與第二發電機(18)連接，並驅動其發電。
全文摘要
本發明屬於常壓CO2零排放的固體氧化物燃料電池(SOFC)複合動力發電技術領域，特別涉及集成帶吹掃氣OTM供氧的常壓CO2零排放SOFC/AT/ST複合動力系統。本發明將SOFC電池堆系統、OTM系統、空氣透平AT、餘熱鍋爐和汽輪機系統、CO2回收系統集成得到一個高效節能環保的CO2零排放複合動力系統。系統能量利用率高，燃燒產物只有CO2和H2O便於CO2分離存儲，功耗少，系統在回收CO2的同時仍具有很高的效率。本發明充分利用了SOFC的高溫排氣餘熱，提高了系統的效率，並大大的降低了分離捕捉CO2的能耗。
文檔編號F01D15/10GK102979622SQ20121044305
公開日2013年3月20日 申請日期2012年11月8日 優先權日2012年11月8日
發明者段立強, 黃科薪, 楊勇平 申請人:華北電力大學