专利名称：一种利用燃气轮机排烟余热发电的装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种发电装置，尤其是一种利用燃气轮机排烟余热发电的装置。
背景技术：
燃气轮机是近几十年来发展起来的一种热功转化设备，自从1939年瑞士 BBC公司 研制出世界第一台4000kW的发电燃气轮机后，尤其是近些年来液体和气体燃料的广泛使 用，燃气轮机得到较快发展。燃气轮机已经有60多年的发展历史，其性能、效率和技术水平 有了很大提高。基于经济发展的战略和国际竞争的需求，许多国家将先进燃气轮机技术作 为本国科技优先发展领域的重点。20世纪80年代，燃气轮机工程界提出了高热效率和燃 料适用性是能源经济中的两个关键。因现代燃气轮机具有污染小、气体适应性强、启动快、 功率大等突出优点而在发电、航空、舰船、军用以及机械驱动等领域得到广泛应用。目前燃 气轮机的尾部余热的利用过程中，常常接余热锅炉，产生一定品位的蒸汽，用于燃气蒸汽联 合循环，从而在一定程度上提高了系统的发电效率。然而，由于燃气轮机尾部烟气温度的限 制，余热锅炉产生的蒸汽大多处于中压或次高压的状况，从而造成蒸汽侧循环的热转功效 率不高。目前，燃气蒸汽联合循环的系统热转功效率通常在55% 60%之间。另外，燃气轮 机的尾部烟气还常常用于溴化锂吸收式制冷，取得一部分冷量。上述这些燃气轮机尾部烟 气余热的利用过程，只是涉及到热能之间的转换，没有提高燃气轮机尾部烟气余热的品位， 从而不能够大幅度提高尾部余热下游的循环效率。燃料电池是一种直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效地转化为电能的发 电装置，由于燃料电池在工作过程中不涉及燃烧，仅仅通过电化学反应生成水，因而不受卡 诺循环的限制，其能量转化效率明显提高，而且在能量转换过程中，污染物的排放很少。根 据使用电解质种类的不同，燃料电池可以分为碱性燃料电池(AFC)、质子交换膜燃料电池 (PEMFC)、磷酸盐酸性燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和固体氧化物燃料电 池(SOFC)。通常MCFC和SOFC为高温燃料电池，在这两种燃料电池中，一般采用天然气内部 重整制得氢气，与空气中的氧气发生电化学反应输出电能。因此，设计一种利用燃气轮机尾部烟气余热发电的装置，是目前需要解决的技术 问题。
发明内容本实用新型所要解决的技术问题是提供一种利用燃气轮机尾部烟气余热发电的
装置本实用新型解决其技术问题的技术方案是—种利用燃气轮机排烟余热发电的装置，由重整反应器、提纯装置、升压装置和燃 料电池组成，重整反应器、提纯装置、升压装置和燃料电池通过管道依次相连，将重整反应 器的供热管道与燃气轮发电机的燃气透平的排烟管道连接，燃料电池通过管道与燃气轮发 电机的空气压气机连通。[0008]本实用新型解决其技术问题的技术方案还可以是本实用新型的燃料电池的废气排放口通过管道与燃气轮机中的燃烧室相连。本实用新型所述的燃料电池为碱性燃料电池(AFC)、质子交换膜燃料电池 (PEMFC)、磷酸盐酸性燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)或固体氧化物燃料电 池(SOFC)。本实用新型的原理是利用燃气轮机的排烟余热进行甲醇重整制取氢气，并将所得 氢气用于燃料电池发电系统，改进了燃气轮机排烟余热的传统利用方式，有效降低了甲醇 制氢的能量消耗，实现了节能的目的。本实用新型是这样实现的从燃气轮机的燃气透平出来的排烟进入重整反应器， 向重整反应器中加入摩尔比为1. 5 2 :1的水和甲醇，在催化剂的作用下水与甲醇吸收燃 气轮机的排烟余热进行热化学反应[CH3OH (g) +H2O (g) — 3H2+C02 ΔΗ=50. 7kJ/mol]，反 应后的合成气(主要含有吐与CO2)通过提纯装置分离后即得纯度为80 90%的氢气。然 后将纯度较高的氢气经过升压装置升压后进入燃料电池，另从燃气轮机的空气压气机出口 分离出一定量的空气进入燃料电池，空气中的氧气与纯度较高的氢气在燃料电池中进行反 应，输出电能。燃料电池的未反应气和燃料电池产生的部分水蒸汽共同进入燃气轮机的燃烧室 中。前述方法所用的催化剂最好是重量比例为5 14 3 10 4 13的CiuZnO 禾口 A1203。重整反应器中水与甲醇的反应温度为150°C 300°C，反应压力为Ibar lObar。与现有技术相比，本实用新型利用燃气轮机的排烟余热进行甲醇重整制取氢气， 并将所得氢气用于燃料电池发电系统，利用热化学反应将燃气轮机的排烟余热进行品位提 升并转化到反应合成气中，改进了利用燃气轮机排烟余热产生蒸汽的传统利用方式，为甲 醇制氢提供了新的思路，有效降低了甲醇制氢的能量消耗。同时本实用新型高效利用了燃 料电池系统中的未反应气，降低了燃气轮机氮氧化物的排放及燃料消耗，提高了系统的燃 料利用率和发电效率，实现了相应的节能目的。
图1是实用新型的系统示意图。
具体实施方式
一种利用燃气轮机排烟余热发电的装置，由重整反应器1、提纯装置2、升压装置3 和燃料电池4组成，重整反应器1、提纯装置2、升压装置3和燃料电池4通过管道依次相 连，将重整反应器1的供热管道与燃气轮发电机8的燃气透平7的排烟管道连接，燃料电池 4通过管道与燃气轮发电机的空气压气机5连通。燃料电池4的废气排放口通过管道与燃 气轮机中的燃烧室6相连。所述的燃料电池4为碱性燃料电池(AFC)、质子交换膜燃料电池 (PEMFC)、磷酸盐酸性燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)或固体氧化物燃料电 池(SOFC)。实施例1 利用燃气轮机排烟余热的方法为从燃气轮机的燃气透平7出来的排烟(500°C)进入重整反应器1，向重整反应器1中加入摩尔比为1.8 1的水和甲醇(25°C)，在 重量比例为6 3 4的Cu/Zn0/Al203催化作用下水与甲醇吸收燃气轮机的排烟余热进行 热化学反应CH3OH (g)+H20 (g)—3H2+C02，反应温度为260°C，反应压力为^ar，反应后排 烟温度降为180°C，生成的主要含有H2与(X)2的合成气(260°C )通过PSA提纯装置2分离后 得到纯度约为90%的氢气。所得氢气经升压装置3升压至压力为6bar 7bar后进入固体 氧化物燃料电池(S0FC)4，另从燃气轮机的空气压气机5出口分离出一定量的空气(280°C) 进入固体氧化物燃料电池4，空气中的氧气与纯度为90%的氢气在燃料电池4中(800°C 1000°C)进行反应，输出一定的电能，发电效率(HHV)在65%左右。燃料电池4的未反应气 和燃料电池4产生的部分水蒸汽共同进入燃气轮机的燃烧室6中循环利用。按照上述方法利用燃气轮机排烟余热所用的装置(见图1)，包括重整反应器1、 PSA提纯装置2、升压装置3和固体氧化物燃料电池4，重整反应器1与燃气轮机中燃气透平 7的排烟管道相连，重整反应器1、PSA提纯装置2、升压装置3和固体氧化物燃料电池4之 间通过管道依次相连，且燃气轮机中的空气压气机5与固体氧化物燃料电池4通过管道相 连，固体氧化物燃料电池4与燃气轮机中的燃烧室6通过管道相连。包括利用燃气轮机排烟余热所用装置的发电系统，由空气压气机5、燃烧室6、燃 气透平7和发电机8组成的燃气轮机和重整反应器1、PSA提纯装置2、升压装置3、固体氧 化物燃料电池4构成，重整反应器1与燃气轮机中燃气透平7的排烟管道相连，重整反应器 1、PSA提纯装置2、升压装置3和固体氧化物燃料电池4之间通过管道依次相连，且燃气轮 机中的空气压气机5通过管道与固体氧化物燃料电池4相连，固体氧化物燃料电池4通过 管道与燃气轮机中的燃烧室6相连。该发电系统中，燃气轮机中发电机8的发电效率为35% 左右，燃料电池4的发电效率为65%左右，总发电效率为67%，比常规的燃气轮机与燃料电池 集成系统发电效率约提高了 12%。实施例2 从燃气轮机的燃气透平7出来的排烟(480°C)进入重整反应器1，向重 整反应器1中加入摩尔比为1.5 1的水和甲醇(25°C)，在重量比例为14 10 13的Cu/ &ι0/Α1203催化作用下水与甲醇吸收燃气轮机的排烟余热进行热化学反应=CH3OH (g)+H20 (g) — 3H2+C02，反应温度为200°C，反应压力为lObar，反应后排烟温度降为160°C，生成的 主要含有压与(X)2的合成气(200°C )通过PSA提纯装置2分离后得到纯度为85%的氢气。 所得氢气经升压装置3升压至压力为6bar 7bar后进入熔融碳酸盐燃料电池(MCFC) 4， 另从燃气轮机的空气压气机5出口分离出一定量的空气(260°C )进入熔融碳酸盐燃料电池 4，空气中的氧气与纯度为85%的氢气在燃料电池4中(600°C 700°C )进行反应，输出一定 的电能，发电效率(HHV)在60%左右。燃料电池4的未反应气和燃料电池4产生的部分水 蒸汽共同进入燃气轮机的燃烧室6中循环利用。按照上述方法利用燃气轮机排烟余热所用的装置(见图1)同实施例1，其中所述 燃料电池4为熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)。包括利用燃气轮机排烟余热所用装置的发电系统，由空气压气机5、燃烧室6、燃 气透平7和发电机8组成的燃气轮机和重整反应器1、PSA提纯装置2、升压装置3、熔融碳 酸盐燃料电池4构成，重整反应器1与燃气轮机中燃气透平7的排烟管道相连，重整反应器 1、PSA提纯装置2、升压装置3和熔融碳酸盐燃料电池4之间通过管道依次相连，且燃气轮 机中的空气压气机5通过管道与熔融碳酸盐燃料电池4相连，熔融碳酸盐燃料电池4通过管道与燃气轮机中的燃烧室6相连。该发电系统中，燃气轮机中发电机8的发电效率为35% 左右，燃料电池4的发电效率为60%左右，总发电效率为63%，比常规的燃气轮机与燃料电池 集成系统发电效率约提高了 8%。实施例3 利用燃气轮机排烟余热的方法为从燃气轮机的燃气透平7出来的排烟 (520°C)进入重整反应器1，向重整反应器1中加入摩尔比为2 1的水和甲醇(25°C)，在 重量比例为9 4 5的Cu/Zn0/Al203催化作用下水与甲醇吸收燃气轮机的排烟余热进行 热化学反应=CH3OH (g)+H20 (g)— 3H2+C02，反应温度为150°C 200°C，反应压力为6bar 8bar,反应后排烟温度降为200°C，生成的主要含有H2与(X)2的合成气(180°C )通过提纯装 置2分离后得到纯度为80%的氢气。所得氢气可进入燃料电池发电系统，也可储存用于加 S站。按照上述方法利用燃气轮机排烟余热的装置，包括重整反应器1和提纯装置2，重 整反应器1与燃气轮机中燃气透平7的排烟管道相连，提纯装置2与重整反应器1之间通 过管道相连；提纯装置2通过管道与加压装置和燃料电池发电系统相连或者与氢气储存罐 相连接，作为加氢站的燃料来源。
权利要求1.一种利用燃气轮机排烟余热发电的装置，由重整反应器(1)、提纯装置(2)、升压装 置(3)和燃料电池(4)组成，重整反应器(1)、提纯装置(2)、升压装置(3)和燃料电池(4)通 过管道依次相连，其特征在于将重整反应器(1)的供热管道与燃气轮发电机(8)的燃气透 平(7)的排烟管道连接，燃料电池(4)通过管道与燃气轮发电机的空气压气机(5)连通。
2.根据权利要求1所述的一种利用燃气轮机排烟余热发电的装置，其特征在于燃料 电池(4 )的废气排放口通过管道与燃气轮机中的燃烧室(6 )相连。
3.根据权利要求1或2所述的一种利用燃气轮机排烟余热发电的装置，其特征在于 所述的燃料电池(4)为碱性燃料电池(AFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)、磷酸盐酸性燃 料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)或固体氧化物燃料电池(SOFC)。
专利摘要本实用新型公开一种利用燃气轮机排烟余热发电的装置，由重整反应器、提纯装置、升压装置和燃料电池组成，重整反应器、提纯装置、升压装置和燃料电池通过管道依次相连，将重整反应器的供热管道与燃气轮发电机的燃气透平的排烟管道连接，燃料电池通过管道与燃气轮发电机的空气压气机连通。本实用新型利用燃气轮机的排烟余热进行甲醇重整制取氢气，并将所得氢气用于燃料电池发电系统，利用热化学反应将燃气轮机的排烟余热进行品位提升并转化到反应合成气中，有效降低了甲醇制氢的能量消耗。同时本实用新型高效利用了燃料电池系统中的未反应气，降低了燃气轮机氮氧化物的排放及燃料消耗，提高了系统的燃料利用率和发电效率。
文档编号F01K27/02GK201902241SQ20102067675
公开日2011年7月20日 申请日期2010年12月23日 优先权日2010年12月23日
发明者宿建峰, 贠小银, 黄勃 申请人:河北新能电力集团有限公司