集成OTM的加壓CO₂零排放SOFC/GT/AT/ST複合動力系統的製作方法

2023-08-08 13:36:31 1

專利名稱：集成OTM的加壓CO2零排放SOFC/GT/AT/ST複合動力系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於加壓(X)2零排放固體氧化物燃料電池複合動力發電技術領域，特別涉及一種集成OTM的加壓(X)2零排放S0FC/GT/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直接產電，不受卡諾定理的制約，具有較高的效率，並且其排氣具有很高溫度，在加壓的條件下可與燃氣透平，餘熱鍋爐和蒸汽輪機組成一個高效的發電系統。並且由於其獨特的機理燃料和空氣不直接混合，避免了隊對0)2的摻混，這為提高能源動力系統效率和降低排放提供了便利條件。OTM的工作溫度通常為700-100(TC，電池堆陰極排氣能直接達到其工作條件，可以低成本低能耗生產純氧，滿足後燃室燃燒需求。綜合利用以上兩項集成技術可同時實現系統高效率及CO2零排放。本發明的集成方案是在上述技術背景下提出的。

發明內容
本發明以不回收(X)2的SOFC (固體氧化物燃料電池)/GT (燃氣透平)/ST (蒸汽輪機)複合動力系統為基準系統，集成氧離子傳輸膜(0ΤΜ)、高溫空氣透平(AT)及CO2回收單元，以解決傳統發電系統的低效率和大量汙染氣排放的問題，避免了傳統動力系統回收(X)2時N2對(X)2的摻混稀釋，大大地降低了分離回收(X)2過程的能耗，系統總效率也能保持在較高的水平。本發明採用的技術方案為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、第四換熱器、預重整器串聯後接入SOFC電池堆的陽極；SOFC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；SOFC電池堆輸出端與直流/交流轉換器連接；SOFC電池堆的陰極排氣接入OTM模塊的入口，OTM模塊的純氧出口依次與第三換熱器、冷卻器、帶中間冷卻器的空氣壓縮機串聯後接入後燃室；OTM模塊的貧氧出口與空氣透平、第一換熱器、第四換熱器串聯後接入餘熱鍋爐及汽輪機系統；餘熱鍋爐及汽輪機系統的排氣與冷凝器串聯後分兩路，一路通過二氧化碳壓縮機接入後燃室，另一路接入帶中間冷卻器的二氧化碳壓縮機，製備液態(X)2 ；後燃室的排氣依次與燃氣透平、第二換熱器串聯後接入餘熱鍋爐及汽輪機系統，進行餘熱回收。所述OTM模塊及其單元由兩級壓縮機、冷卻器、氣-氣熱交換器、氧離子傳輸膜組串聯組成；氧離子傳輸膜為只滲透氧氣的緻密、選擇性滲透膜，以達到分離提取純氧的效果；OTM模塊的工作溫度通常為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，進料側的氧氣分壓力要高於滲透側的氧氣分壓力。
所述(X)2回收單元由冷凝器、帶中間冷卻器的四級二氧化碳壓縮機0 、冷卻器串聯組成，低溫燃燒尾氣通過冷凝器析出水，得到乾燥高純度的CO2氣體，再通過四級間冷壓縮機壓縮液化。 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。所述燃氣透平與第二發電機連接，並驅動其發電。所述空氣透平與第三發電機連接，並驅動其發電。本發明的有益效果為本系統通過OTM對SOFC的陰極排氣分離，得到純氧送入後燃室與陽極排氣燃燒，燃燒產物的主要成分是(X)2和吐0，從而避免了隊對0)2的摻混，便於分離，減少了壓縮機的功耗，使捕集CO2的總能耗降低，同時通過回收分離氧氣後高溫高壓的貧氧空氣的功和熱，系統的效率懲罰得到一定的補償，這樣系統即實現高效率又解決了大量汙染氣排放的問題。


圖1為不回收(X)2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OTM的加壓(X)2零排放S0FC/GT/AT/ST複合動力系統的結構示意圖。圖中標號1-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-第四換熱器；9-燃料壓縮機；10-餘熱鍋爐及汽輪機系統；11-第一發電機；12-燃氣透平；13-第二發電機；14-0TM模塊，15-空氣透平；16-第三發電機；17-第三換熱器；18-冷卻器；19-帶中間冷卻器的空氣壓縮機；20-冷凝器；21-二氧化碳壓縮機；22-帶中間冷卻器的二氧化碳壓縮機。
具體實施例方式本發明提供了一種集成OTM的加壓(X)2零排放S0FC/GT/AT/ST複合動力系統，下面通過附圖和具體實施方式
對本發明做進一步說明。基準系統結構圖如圖1所示燃料在燃料壓縮機9壓縮經第四換熱器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，空氣在空氣壓縮機1壓縮後，依次流過第一換熱器2、第二換熱器3，進入SOFC電池堆4的陰極在電池堆內與陽極的燃料進行電化學反應，並通過直流/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，另一部分與陰極排氣一起送入後燃室5燃燒，燃燒排氣先經燃氣透平12膨脹驅動第二發電機13發電，再依次通過第二換熱器3、第四換熱器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，由第一發電機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OTM的加壓(X)2零排放S0FC/GT/AT/ST複合動力系統對基準系統的改進在於燃料經燃料壓縮機9壓縮後經第三換熱器17、第四換熱器8換熱進入預重整器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，空氣依次流經空氣壓縮機1、第一換熱器2、第二換熱器3，進入SOFC電池堆4的陰極，在電池堆內與陽極的燃料進行電化學反應，通過直流/交流轉換器6輸出電能。此後SOFC電池堆4的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。陰極排氣不直接送入後燃室5，而是送入OTM模塊14分離提取後燃室所需氧氣。在OTM模塊14中，陰極排氣被分成兩股一股為高溫高壓的貧氧空氣，流經空氣透平15做功並驅動第三發電機16發電，再經第一換熱器2、第四換熱器8與空氣及燃料換熱後送入餘熱鍋爐和汽輪機系統10進行餘熱回收並驅動第一發電機11發電，最後排入大氣中；另一股為高溫低壓純氧，通過第三換熱器17和冷卻器18降溫後送入帶中間冷卻器的空氣壓縮機19加壓，進而供入後燃室5助燃。後燃室5燃燒排氣先經燃氣透平12做功驅動第二發電機13發電，再通過第二換熱器3加熱空氣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，由第一發電機11發電輸出，此後排氣經冷凝器20析出水，得到高純度的(X)2氣體，一部分經二氧化碳壓縮機21壓縮回注後燃室，其餘部分由帶中間冷卻器的二氧化碳壓縮機22壓縮液化並進行存儲。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OTM的加壓CO2零排放S0FC/GT/AT/ST複合動力系統基於相同的假設和相同的參數值。系統假設及條件見下表1。燃料成分CH493.6%，C2H64.9%，C3H8O. 4%，C4H10O. 2%, CO 0.9%。表1系統初始條件
權利要求
1.集成OTM的加壓(X)2零排放S0FC/GT/AT/ST複合動力系統，其特徵在於空氣壓縮機(1)依次與第一換熱器O)、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(17)、第四換熱器(8)、預重整器(7)串聯後接入SOFC電池堆(4)的陽極；SOFC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，另一路接入後燃室( 燃燒；SOFC電池堆(4)的輸出端與直流/交流轉換器(6)連接；SOFC電池堆(4)的陰極排氣接入OTM模塊(14)的入口，OTM模塊(14)的純氧出口依次與第三換熱器(17)、冷卻器(18)、帶中間冷卻器的空氣壓縮機(19)串聯後接入後燃室(5) ；OTM模塊(14)的貧氧出口與空氣透平(15)、第一換熱器O)、第四換熱器(8)串聯後接入餘熱鍋爐及汽輪機系統(10)；餘熱鍋爐及汽輪機系統(10)的排氣接入冷凝器00)串聯後分為兩路，一路通過二氧化碳壓縮機接入後燃室(5)，另一路接入帶中間冷卻器的二氧化碳壓縮機0 ，製備液態CO2 ；後燃室(5)的排氣依次與燃氣透平(12)、第二換熱器(3)串聯後接入餘熱鍋爐及汽輪機系統(10)，進行餘熱回收。
2.根據權利要求1所述的集成OTM的加壓CO2零排放S0FC/GT/AT/ST複合動力系統，其特徵在於所述OTM模塊(14)及其單元由兩級壓縮機、冷卻器、氣-氣熱交換器、氧離子傳輸膜串聯組成；氧離子傳輸膜是只滲透氧氣的緻密、選擇性滲透膜，以達到分離提取純氧的效果；OTM模塊(14)的工作溫度通常為700°C -1000°C。
3.根據權利要求2所述的集成OTM的加壓CO2零排放S0FC/GT/AT/ST複合動力系統，其特徵在於所述氧離子傳輸膜的膜兩側氧氣壓力差是OTM模塊(14)分離氧氣的驅動力，進料側的氧氣分壓力要高於滲透側的氧氣分壓力。
4.根據權利要求1所述的集成OTM的加壓CO2零排放S0FC/GT/AT/ST複合動力系統，其特徵在於所述的(X)2回收單元由冷凝器、帶中間冷卻器的四級二氧化碳壓縮機(22)、冷卻器串聯組成，低溫燃燒尾氣通過冷凝器析出水，得到乾燥高純度的CO2氣體，再通過四級間冷壓縮機壓縮液化。
5.根據權利要求1所述的集成OTM的加壓CO2零排放S0FC/GT/AT/ST複合動力系統，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。
6.根據權利要求1所述的集成OTM的加壓CO2零排放S0FC/GT/AT/ST複合動力系統，其特徵在於所述燃氣透平(1 與第二發電機(1 連接，並驅動其發電。
7.根據權利要求1所述的集成OTM的加壓CO2零排放S0FC/GT/AT/ST複合動力系統，其特徵在於所述空氣透平(15)與第三發電機(16)連接，並驅動其發電。
全文摘要
本發明屬於加壓CO2零排放固體氧化物燃料電池複合動力發電技術領域，特別涉及一種集成OTM的加壓CO2零排放SOFC/GT/AT/ST複合動力系統。本發明以不回收CO2的SOFC/GT/ST複合動力系統為基準系統，集成氧離子傳輸膜(OTM)、高溫空氣透平(AT)及CO2回收單元，得到一個高效節能環保的CO2零排放複合動力系統，系統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便於CO2分離捕集，減少功耗，使得系統在回收CO2後仍具有較高的效率。
文檔編號F01D15/10GK102569859SQ20121000721
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月11日 優先權日2012年1月11日
發明者楊勇平, 段立強, 黃科薪 申請人:華北電力大學