集成燃料电池与超临界二氧化碳循环的分布式供能系统及方法与流程

本发明属于分布式供能系统
技术领域：
，特别涉及一种集成固体氧化物燃料电池与超临界二氧化碳循环的分布式供能系统及方法。
背景技术：
：目前，超临界co2布雷顿循环在核能、太阳能等发电上的应用得到了广泛研究。这是由于超临界co2在临界点附近密度较大，可减小压缩功，且以超临界co2为工质的压缩机、透平机等动力系统设备结构紧凑，占地面积小，可降低投资成本。超临界co2循环在循环最高温度为500～850℃时可达到较高的循环热效率，循环性能明显高于商业化的蒸汽动力循环，因此将超临界co2循环应用于分布式供能系统具有广阔的应用前景。然而，核反应堆、聚光式高温太阳能等高温热源虽然与超临界co2循环能够进行良好的温度匹配，但核电站、聚光式太阳能场的占地面积较大，且核电站具有一定的危险性，因此将上述高温热源用于分布式能源为超临界co2循环供热受到一定的限制。如何为超临界co2循环提供稳定的高温热源，且不受环境、占地面积等因素的限制是实现该系统能广泛应用于分布式供能的前提。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种集成燃料电池与超临界二氧化碳循环的分布式供能系统及方法，以解决上述技术题。该系统以固体氧化物燃料电池的高温尾气作为超临界co2循环的热源，并实现能量的梯级利用，进一步提高能源的综合利用率。为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：集成燃料电池与超临界二氧化碳循环的分布式供能系统，包括相互连接的固体氧化物燃料电池子系统和超临界co2循环子系统；所述集成燃料电池与超临界二氧化碳循环的分布式供能系统利用固体氧化物燃料电池子系统排放的尾气作为超临界co2循环子系的稳定高温热源和低温热源。进一步的，固体氧化物燃料电池子系统包括空气压缩机、燃料压缩机、混合器、预重整器、固体氧化物燃料电池、逆变器、燃烧室、空气高温回热器和空气低温回热器；燃料压缩机的出口连接混合器的第一入口，混合器的出口连接预重整器的入口，预重整器的出口连接固体氧化物燃料电池的阳极入口，固体氧化物燃料电池的阳极出口分成两路，一路连接混合器的第二入口，另一路连接燃烧室的第一入口；空气压缩机的出口连接co2干冷器的低温侧入口，co2干冷器的低温侧出口连接空气低温回热器的低温侧入口；空气低温回热器的低温侧出口连接空气高温回热器的低温侧入口，空气高温回热器的低温侧出口连接固体氧化物燃料电池的阴极入口，固体氧化物燃料电池的阴极出口连接燃烧室的第二入口；超临界co2循环子系统包括co2压缩机、co2低温回热器、co2高温回热器、co2高温加热器、co2透平、发电机、co2干冷器和co2水冷器；燃烧室的出口连接co2高温加热器的高温侧入口，co2高温加热器的高温侧出口连接空气高温回热器的高温侧入口，空气高温回热器的高温侧出口连接co2低温回热器的高温侧入口，co2低温回热器的高温侧出口依次连接空气低温回热器的高温侧和余热回收装置；co2压缩机的出口连接co2低温回热器的低温侧入口，co2低温回热器的低温侧出口连接co2高温回热器低温侧入口，co2高温回热器低温侧出口连接co2高温加热器的低温侧入口，co2高温加热器的低温侧出口连接co2透平的入口，co2透平的输出轴连接发电机，co2透平的出口依次连接co2高温回热器高温侧、co2低温回热器的另一高温侧、co2干冷器的高温侧和co2水冷器，co2水冷器的出口连接co2压缩机的入口。进一步的，燃料经燃料压缩机压缩后，在混合器中与阳极循环气混合后进入预重整器中进行预重整，然后进入固体氧化物燃料电池阳极；同时空气经空气压缩机压缩后，进入co2干冷器对co2进行预冷，然后依次经过空气低温回热器、空气高温回热器的低温侧进行换热，之后进入固体氧化物燃料电池阴极；燃料与空气在固体氧化物燃料电池中发生反应产生电能，经逆变器转换后向外供电；一部分阳极尾气作为循环气，循环至混合器中与新鲜燃料混合，另一部分阳极尾气与阴极尾气进入燃烧室，使阳极未发生反应的燃料进行完全燃烧并产生高温尾气；高温尾气进入co2高温加热器高温侧，作为超临界co2循环的高温热源，将低温侧的co2加热至所需透平进口温度，之后经过空气高温回热器的高温侧将空气加热至所需温度，然后经过co2低温回热器的高温侧，作为超临界co2循环的低温热源为其供热，再经过空气低温回热器的高温侧对空气进行加热，最后进入余热回收装置对其进行余热回收。进一步的，超临界co2经co2压缩机压缩后，进入co2低温回热器的低温侧，与从co2高温回热器高温侧流出的co2以及从空气高温回热器高温侧流出的尾气进行换热；从co2低温回热器低温侧流出的co2进入co2高温回热器低温侧，与从co2透平流出的co2进行换热；从co2高温回热器低温侧流出的co2流经co2高温加热器的低温侧，被燃烧室排出的尾气加热至所需透平进口温度，然后进入co2透平中膨胀做功，带动发电机进行发电；由co2透平流出的co2依次经过co2高温回热器高温侧和co2低温回热器的另一高温侧，将热量传递给低温侧的co2；由co2低温回热器另一高温侧流出的co2进入co2干冷器中预冷，然后进入水冷器中，冷却至临界点附近的状态，进行下一循环。进一步的，从co2高温回热器高温侧流出的co2和从空气高温回热器高温侧流出的尾气同时对由co2压缩机流出的co2进行加热。进一步的，由co2低温回热器另一高温侧流出的co2先后被干冷和水冷，其中：在co2干冷器中，固体氧化物燃料电池子系统所需的空气作为干冷剂，co2在冷却的同时将空气进行预热；co2低温回热器另一高温侧流出的co2经过co2干冷器干冷后进入co2水冷器进行水冷。进一步的，空气经空气压缩机压缩后，依次经过co2干冷器、空气低温回热器、空气高温回热器，进行3次加热后进入固体氧化物燃料电池的阴极。进一步的，控制固体氧化物燃料电池阳极循环气进入混合器的比例，为燃料的预重整提供水蒸气及热量，预重整器不与外界换热。进一步的，余热回收装置为跨临界co2循环、溴化锂吸收式制冷机组、氨水吸收式制冷机组或套缸水换热装置；固体氧化物燃料电池子系统所用燃料为天然气、氢气、沼气或生物质气。集成燃料电池与超临界二氧化碳循环的分布式供能方法，包括：燃料经燃料压缩机压缩后，在混合器中与阳极循环气混合后进入预重整器中进行预重整，然后进入固体氧化物燃料电池阳极；同时空气经空气压缩机压缩后，进入co2干冷器对co2进行预冷，然后依次经过空气低温回热器、空气高温回热器的低温侧进行换热，之后进入固体氧化物燃料电池阴极；燃料与空气在固体氧化物燃料电池中发生反应产生电能，经逆变器转换后向外供电；一部分阳极尾气作为循环气，循环至混合器中与新鲜燃料混合，另一部分阳极尾气与阴极尾气进入燃烧室，使阳极未发生反应的燃料进行完全燃烧并产生高温尾气；高温尾气进入co2高温加热器高温侧，作为超临界co2循环的高温热源，将低温侧的co2加热至所需透平进口温度，之后经过空气高温回热器的高温侧将空气加热至所需温度，然后经过co2低温回热器的高温侧，作为超临界co2循环的低温热源为其供热，再经过空气低温回热器的高温侧对空气进行加热，最后进入余热回收装置进行余热回收；同时，处于临界点附近状态的超临界co2经co2压缩机压缩后，进入co2低温回热器的低温侧，与从co2高温回热器高温侧流出的co2以及从空气高温回热器高温侧流出的尾气进行换热；从co2低温回热器低温侧流出的co2进入co2高温回热器低温侧，与从co2透平流出的co2进行换热；从co2高温回热器低温侧流出的co2流经co2高温加热器的低温侧，被燃烧室排出的尾气加热至所需透平进口温度，然后进入co2透平中膨胀做功，带动发电机进行发电；由co2透平流出的co2依次经过co2高温回热器高温侧和co2低温回热器的另一高温侧，将热量传递给低温侧的co2；由co2低温回热器另一高温侧流出的co2进入co2干冷器中预冷，然后进入水冷器中，冷却至临界点附近的状态，进行下一循环。相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：固体氧化物燃料电池具有结构紧凑、污染排放少、发电效率高、可使用多种燃料等优点，被广泛应用于混合发电系统。由于固体氧化燃料电池反应温度高(600～1000℃)，不受卡诺循环对热机效率的限制，其发电效率可达60％以上，未反应的燃料在燃烧室完全燃烧后，排出的尾气可高达1000℃以上。本发明将固体氧化物燃料电池与超临界co2循环相结合，组成sofc-sco2系统，对燃料电池排放的尾气进行梯级利用，使其作为超临界co2循环的稳定高温热源和低温热源，并解决了超临界co2循环回热器过程中的夹点问题，进一步提高系统的发电效率，且系统整体结构紧凑、占地面积小，便于维护管理，十分适用于分布式供能。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：图1为本系统的工艺流程示意图。符号说明：1.空气压缩机、2.co2干冷器、3.空气低温回热器、4.co2低温回热器、5.co2高温回热器、6.co2高温加热器、7.co2透平、8.发电机、9.燃烧室、10.固体氧化物燃料电池、11.逆变器、12.空气高温回热器、13.预重整器、14.混合器、15.燃料压缩机、16.余热回收装置、17.co2透平、18.co2水冷器。具体实施方式下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本申请所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。请参阅图1所述，本发明提供一种集成燃料电池与超临界二氧化碳循环的分布式供能系统，由固体氧化物燃料电池子系统和超临界co2循环子系统组成。固体氧化物燃料电池子系统包括空气压缩机1、燃料压缩机15、混合器14、预重整器13、固体氧化物燃料电池10、逆变器11、燃烧室9、空气高温回热器12和空气低温回热器3。燃料压缩机15的出口连接混合器14的第一入口，混合器14的出口连接预重整器13的入口，预重整器13的出口连接固体氧化物燃料电池10的阳极入口，固体氧化物燃料电池10的阳极出口分成两路，一路连接混合器14的第二入口，另一路连接燃烧室9的第一入口；空气压缩机1的出口连接co2干冷器2的低温侧入口，co2干冷器2的低温侧出口连接空气低温回热器3的低温侧入口，空气低温回热器3的低温侧出口连接空气高温回热器12的低温侧入口，空气高温回热器12的低温侧出口连接固体氧化物燃料电池10的阴极入口，固体氧化物燃料电池10的阴极出口连接燃烧室9的第二入口。燃料经燃料压缩机15压缩后，在混合器14中与阳极循环气混合后进入预重整器13中进行预重整，然后进入固体氧化物燃料电池10阳极；同时空气经空气压缩机1压缩后，进入co2干冷器2对co2进行预冷，然后依次经过空气低温回热器3、空气高温回热器12的低温侧进行换热，之后进入固体氧化物燃料电池10阴极；燃料与空气在固体氧化物燃料电池10中发生反应产生电能，经逆变器11转换后向外供电；一部分阳极尾气作为循环气，循环至混合器14中与新鲜燃料混合，另一部分阳极尾气与阴极尾气进入燃烧室9，使阳极未发生反应的燃料进行完全燃烧并产生高温尾气；高温尾气进入co2高温加热器6高温侧，作为超临界co2循环的高温热源，将低温侧的co2加热至所需透平进口温度，之后经过空气高温回热器12的高温侧将空气加热至所需温度，然后经过co2低温回热器4的高温侧，作为超临界co2循环的低温热源为其供热，再经过空气低温回热器3的高温侧对空气进行加热，最后进入余热回收装置16对其进行余热回收。超临界co2循环子系统包括co2压缩机17、co2低温回热器4、co2高温回热器5、co2高温加热器6、co2透平7、发电机8、co2干冷器2和co2水冷器18。燃烧室9的出口连接co2高温加热器6的高温侧入口，co2高温加热器6的高温侧出口连接空气高温回热器12的高温侧入口，空气高温回热器12的高温侧出口连接co2低温回热器4的高温侧入口，co2低温回热器4的高温侧出口依次连接空气低温回热器3的高温侧和余热回收装置16。co2压缩机17的出口连接co2低温回热器4的低温侧入口，co2低温回热器4的低温侧出口连接co2高温回热器5低温侧入口，co2高温回热器5低温侧出口连接co2高温加热器6的低温侧入口，co2高温加热器6的低温侧出口连接co2透平7的入口，co2透平7的输出轴连接发电机8，co2透平7的出口依次连接co2高温回热器5高温侧、co2低温回热器4的另一高温侧、co2干冷器2的高温侧和co2水冷器18，co2水冷器18的出口连接co2压缩机17的入口。处于临界点附近状态的超临界co2经co2压缩机17压缩后，进入co2低温回热器4的低温侧，与从co2高温回热器5高温侧流出的co2以及从空气高温回热器12高温侧流出的尾气进行换热；从co2低温回热器4低温侧流出的co2进入co2高温回热器5低温侧，与从co2透平7流出的co2进行换热；从co2高温回热器5低温侧流出的co2流经co2高温加热器6的低温侧，被燃烧室9排出的尾气加热至所需透平进口温度，然后进入co2透平7中膨胀做功，带动发电机8进行发电；由co2透平7流出的co2依次经过co2高温回热器5高温侧和co2低温回热器4的另一高温侧，将热量传递给低温侧的co2；由co2低温回热器4另一高温侧流出的co2进入co2干冷器2中预冷，然后进入水冷器18中，冷却至临界点附近的状态，进行下一循环。优选的，在低温回热器4中实现两股热流体同时对一股冷流体进行加热，即从co2高温回热器5高温侧流出的co2和从空气高温回热器12高温侧流出的尾气同时对由co2压缩机17流出的co2进行加热。优选的，由co2低温回热器4另一高温侧流出的co2先后被干冷和水冷，其中在co2干冷器2中，固体氧化物燃料电池子系统所需的空气作为干冷剂，co2在冷却的同时将空气进行预热。优选的，空气经压缩后，依次经过co2干冷器2、空气低温回热器3、空气高温回热器12，进行3次加热。优选的，根据所需汽碳比控制固体氧化物燃料电池10阳极循环气进入混合器14的比例，为燃料的预重整提供水蒸气及热量，预重整器13不与外界换热。优选的，余热回收装置16包括但不限于跨临界co2循环、溴化锂吸收式制冷机组、氨水吸收式制冷机组、及套缸水换热装置。优选的，固体氧化物燃料电池子系统所用燃料包括但不限于天然气、氢气、沼气及生物质气。本发明一种集成燃料电池与超临界二氧化碳循环的分布式供能系统的工作流程为：燃料经燃料压缩机15压缩后，在混合器14中与阳极循环气混合后进入预重整器13中进行预重整，然后进入固体氧化物燃料电池10阳极；同时空气经空气压缩机1压缩后，进入co2干冷器2对co2进行预冷，然后依次经过空气低温回热器3、空气高温回热器12的低温侧进行换热，之后进入固体氧化物燃料电池10阴极；燃料与空气在固体氧化物燃料电池10中发生反应产生电能，经逆变器11转换后向外供电；一部分阳极尾气作为循环气，循环至混合器14中与新鲜燃料混合，另一部分阳极尾气与阴极尾气进入燃烧室9，使阳极未发生反应的燃料进行完全燃烧并产生高温尾气；高温尾气进入co2高温加热器6高温侧，作为超临界co2循环的高温热源，将低温侧的co2加热至所需透平进口温度，之后经过空气高温回热器12的高温侧将空气加热至所需温度，然后经过co2低温回热器4的高温侧，作为超临界co2循环的低温热源为其供热，再经过空气低温回热器3的高温侧对空气进行加热，最后进入余热回收装置16对其进行余热回收。同时，处于临界点附近状态的超临界co2经co2压缩机17压缩后，进入co2低温回热器4的低温侧，与从co2高温回热器5高温侧流出的co2以及从空气高温回热器12高温侧流出的尾气进行换热；从co2低温回热器4低温侧流出的co2进入co2高温回热器5低温侧，与从co2透平7流出的co2进行换热；从co2高温回热器5低温侧流出的co2流经co2高温加热器6的低温侧，被燃烧室9排出的尾气加热至所需透平进口温度，然后进入co2透平7中膨胀做功，带动发电机8进行发电；由co2透平7流出的co2依次经过co2高温回热器5高温侧和co2低温回热器4的另一高温侧，将热量传递给低温侧的co2；由co2低温回热器4另一高温侧流出的co2进入co2干冷器2中预冷，然后进入水冷器18中，冷却至临界点附近的状态，进行下一循环。集成燃料电池与超临界二氧化碳循环的分布式供能系统模拟的初始条件与模拟结果分别如表1和表2所示。表1系统模拟初始条件表2系统模拟结果参数数值参数数值sofc工作电压(v)0.67系统净发电量(kw)237.23sofc工作温度(℃)931sofc发电效率50.69％sofc发电量(kw)169.53系统净发效率70.93％co2透平发电量(kw)86.11系统能源综合利用率89.76％通过上述实施例可见，本发明将固体氧化物燃料电池与超临界co2循环相结合，组成sofc-sco2系统，以固体氧化物燃料电池的高温尾气作为超临界co2循环的热源，并实现能量的梯级利用，可进一步提高能源的利用率，系统的净发电效率可达70.93％，系统能源综合利用率可达89.76％。以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。当前第1页12