一种整体煤气化固体氧化物燃料电池发电系统及工艺的制作方法

本发明属于固体氧化物燃料电池技术领域，尤其涉及一种整体煤气化固体氧化物燃料电池发电系统及工艺。

背景技术：

燃料电池发电技术是一种直接将燃料的化学能转化为电能的发电装置，根据燃料电池工作温度，分为高温燃料电池和低温燃料电池，其中高温燃料电池包括固体氧化物燃料电池和熔融碳酸盐燃料电池，低温燃料电池包括质子交换膜燃料电池等。与传统燃煤发电技术不同，燃料电池是采用电化学催化，将燃料中的化学能直接转化为电能，过程中无热力学循环，不受热机卡诺循环效率限制，因而发电效率较高。目前燃料电池发电效率在45～65％，远远超过常规燃煤电厂(35％左右)以及先进的燃气－蒸汽联合循环(45％左右)的发电效率，目前燃料电池技术在煤清洁利用领域的应用已得到了工业发达国家的高度重视。

整体煤气化燃料电池(integratedgasificationfuelcell，igfc)发电系统是煤气化技术与燃料电池发电技术相结合的新一代先进的发电技术，发电系统由三大部分系统构成，即煤气化系统、煤气净化系统以及燃料电池发电系统。igfc发电系统把高效、清洁、废物利用、多联产和节水等特点有机地结合起来，既提高了发电效率，又解决了环境污染的问题，被认为是21世纪最有发展前途的煤炭清洁发电技术。

目前针对igfc系统的研究仍处于发展示范阶段。

专利cn201410608387.9公开了一种整体煤气化熔融碳酸盐燃料电池发电系统，该系统采用煤气化技术与熔融碳酸盐燃料电池发电和空气透平发电相结合，发电效率可达50％以上。融碳酸盐燃料电池(moltencarbonatefuelcell，简称mcfc)，工作温度为600～700℃，其电解质是熔融态li2co3及k2co3混合物，高温条件下液体电解质的管理较困难，长期操作过程中，电解质腐蚀和泄露现象严重，降低了熔融碳酸盐燃料电池的使用寿命。根据熔融碳酸盐燃料电池工作原理，co2必须循环工作，即从阳极排出的co2要用经过催化除h2的处理后，再按一定的比例与空气混合送入阴极，co2的循环增加了熔融碳酸盐燃料电池系统结构和控制的复杂性。且以空气为工作介质的空气透平发电效率较低，不利于高温燃料电池系统热量的回收利用。

固体氧化物燃料电池(solidoxidefuelcell，简称sofc)，也是一种高温燃料电池，工作温度在700～1000℃。与熔融碳酸盐燃料电池相比，固体氧化物燃料电池具有以下特点：(1)、采用陶瓷材料作为电解质、阴极和阳极的材料，具有全固态结构，避免了电解质的腐蚀及泄露问题；(2)、煤气化制备的合成气(主要成分co和h2)可以直接作为燃料，无需进行一氧化碳变换和脱二氧化碳工序；(3)、工作温度和排气温度更高，有更多的余热可供利用；(4)、杂质的容许度更高，更适合与煤气化技术相结合应用。因此固体氧化物燃料电池被普遍认为将在未来得到广泛应用。

技术实现要素：

鉴于整体煤气化燃料电池现有技术存在的问题，本发明提供一种整体煤气化固体氧化物燃料电池发电系统，该系统采用煤气化制备的合成气为燃料，采用固体氧化物燃料电池发电，除发电外还可以输出一定量的热水，实现热电联产，该发电系统避免了熔融碳酸盐燃料电池电解质的腐蚀和泄露问题，提高了系统热量利用率。

本发明的一种整体煤气化固体氧化物燃料电池发电系统，其包括将空气中的氧气和氮气进行分离的空分装置、使煤和氧气发生煤气化反应生成合成气的具有氧气入口和煤入口的气化炉、对合成气进行净化处理的合成气净化装置、固体氧化物燃料电池、对阳极尾气进行气液分离的气液分离器、使阳极尾气与阴极尾气反应产热并为氧气提供热量的催化燃烧器和用于热量交换的第一、第二、第三和第四换热器，

其中，所述空分装置的气体入口与空气输入管道连接，空分装置的氧气输出管道分为两个支管，一个支管连接于气化炉的氧气入口，气化炉的合成气输出管道连接于第一换热器的高温气体入口，第一换热器的高温气体出口通过管道连接合成气净化装置，出合成气净化装置后连接于第一换热器的低温气体入口，第一换热器的低温气体出口经管道连接于第二换热器的低温气体入口，第二换热器的低温气体出口经管道连接于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尾气输出管道连接于第二换热器的高温气体入口，第二换热器的高温气体出口经管道连接于气液分离器的气体入口，气液分离器的气体出口经管道连接于催化燃烧器的阳极尾气入口，

从空分装置的氧气输出管道分出的另一支管连接于催化燃烧器的氧气入口，催化燃烧器的氧气输出管道连接于第三换热器的低温气体入口，第三换热器的低温气体出口经管道连接于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尾气出口连接第三换热器的高温气体入口，第三换热器的高温气体出口通过管道经第四换热器之后返回连接于催化燃烧器的阴极尾气入口。

进一步地，所述合成气净化装置包括通过输气管道依次连接的颗粒物脱除装置、脱硫装置和汞脱除装置。

优选地，所述颗粒物脱除装置为袋式除尘器或电除尘器，脱除合成气中的颗粒物，使得颗粒物含量小于200mg/nm³。

脱硫装置优选是采用低温甲醇法或nhd法的装置，使得出口处总硫含量小于1ppm。汞脱除装置优选采用活性炭法脱除合成气中的汞，使得出口气体中汞含量低于0.03mg/nm³。

进一步地，所述第一换热器为实现合成气与净化气热交换的板式换热器，第二换热器为固体氧化物燃料电池阳极尾气与净化气进行热交换的板式换热器，第三换热器为固体氧化物燃料电池阴极尾气与氧气进行热交换的板式换热器。

进一步地，所述第四换热器的高温气体入口连接于第三换热器的高温气体出口，第四换热器的低温液体入口连接于冷水管，优选为管壳式换热器。

进一步地，所述固体氧化物燃料电池由阳极、阴极和电解质组成，阳极和阴极分别在电解质的两侧，电解质、阴极和阳极的材料均为陶瓷，具有全固态结构，避免了电解质的腐蚀及泄露问题。合成气和氧气在固体氧化物燃料电池中发生电化学反应，输出电能，燃料电池工作温度在700-1000℃。

进一步地，所述气化炉设有固体煤入口。

进一步地，所述气液分离器还设有热水出口。

空分装置中优选深冷法实现氮气与氧气的分离。

在气化炉内，煤和氧气发生煤气化反应生成的合成气的主要成分为h2、h2o、co、co2、ch4、h2s等。

本发明进一步涉及一种整体煤气化固体氧化物燃料电池发电工艺，包括如下步骤：

(1)空气通入空分装置，在空分装置内氧气与氮气分离，氧气通过空分装置的氧气输出管道分为两股，一股进入气化炉和煤发生煤气化反应生成合成气，从气化炉输出的合成气温度为800-900℃，进一步830-880℃，合成气组分为co：30～70v％，h2：5～30v％，co2：5～15v％，h2o：0～15v％，ch4：0～5v％、h2s：0～8v％，合成气经第一换热器的高温气体入口进入第一换热器换热后，温度降低至100℃以下，例如50-100℃，然后从第一换热器的高温气体出口输出后进入颗粒物脱除装置(例如袋式除尘器或电除尘器)，使得颗粒物含量低于200mg/nm³，优选低于100mg/nm³；再通入脱硫装置(优选使用低温甲醇法或nhd法)，使得总硫浓度低于1ppm，优选低于0.5ppm；再通入汞脱除装置(例如使用活性炭)脱除合成气中的汞，使气体中汞含量低于0.3mg/nm³，优选低于0.1mg/nm³，净化后的合成气再返回经第一换热器的低温气体入口进入第一换热器，与高温未净化的合成气进行热交换升温(例如至450-550℃，进一步约500℃)，再经第二换热器的低温气体入口进入第二换热器与固体氧化物燃料电池的阳极尾气进行换热(例如升温至600-800℃，进一步650-750℃，例如约700℃)，然后进入燃料电池的阳极，

与此同时，从空分装置氧气输出管道分出的另一股氧气经催化燃烧器的低温气体入口进入催化燃烧器获得固体氧化物燃料电池阳极尾气与阴极尾气燃烧的热量升温至400-500℃，例如约450℃，然后经第三换热器的低温气体入口进入第三换热器与燃料电池的阴极尾气进行热交换，升温至600-800℃，进一步650-750℃，例如约700℃后进入燃料电池的阴极，

(2)合成气与氧气在固体氧化物燃料电池内发生化学反应，输出电能，从固体氧化物燃料电池的阳极输出的阳极尾气温度为800-900℃，进一步约850℃，经第二换热器的高温气体入口进入第二换热器与净化后的合成气换热降温(例如至约100℃以下，进一步约50-100℃)后进入气液分离器，在气液分离器内阳极尾气分离出的热水作为产品输出，分离出的气相中的co和h2经气液分离器的气体出口进入催化燃烧器，燃料电池阴极尾气温度为800-900℃，进一步约850℃，经第三换热器的高温气体入口进入第三换热器预热氧气后，经第四换热器的高温气体入口进入第四换热器加热由冷水管进入的冷水，然后经催化燃烧器的阴极尾气入口进入催化燃烧器与阳极尾气燃烧获得的热量与空分装置来的氧气进行热交换，实现热量回收。

其中，引入气化炉的氧气的量与煤的量的比例是300～1000nm³氧气/吨干煤，进入气化炉的氧气与进入催化燃烧器的氧气的比例范围是1:30～1:10，进一步例如1:20～1:15，进入阳极的合成气与进入阴极的氧气体积比是1:5～1:15，进一步例如1:8～1:12。

本发明的有益效果：

(1)采用固体氧化物燃料电池作为发电单元，该燃料电池采用陶瓷材料作为电解质、阴极和阳极的材料，具有全固态结构，避免了采用熔融碳酸盐燃料电池电解质的腐蚀及泄露问题；

(2)净化后的合成气可以直接作为固体氧化物燃料电池的燃料，省去了水汽变换装置、脱碳装置及催化剂等，节省了投资；

(3)利用催化燃烧器将燃料电池阳极尾气和阴极尾气燃烧回收热量，提高系统热效率；

(4)利用换热器充分回收气化炉出口合成气、燃料电池阳极尾气和阴极尾气的热量给燃料电池进口合成气和氧气加热，节约了能源消耗，提高系统热效率。

附图说明

图1为本发明的一种整体煤气化固体氧化物燃料电池发电系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。

本发明的一种整体煤气化固体氧化物燃料电池发电系统，其包括将空气中的氧气和氮气进行分离的空分装置1、使得煤和氧气发生煤气化反应生成合成气的具有氧气入口和煤入口的气化炉2、对合成气进行净化处理的合成气净化装置、固体氧化物燃料电池7、对阳极尾气进行气液分离的气液分离器9、使阳极尾气与阴极尾气反应产热并为氧气提供热量的催化燃烧器10和用于热量交换的第一、第二、第三和第四换热器3、8、11、12，所述空分装置1的气体入口与空气输入管道连接，空分装置1的氧气输出管道分为两个支管，一个支管连接于气化炉2的氧气入口，气化炉2的合成气输出管道连接于第一换热器的高温气体入口，第一换热器3的高温气体出口通过管道连接合成气净化装置，出合成气净化装置后返回连接于第一换热器3的低温气体入口，第一换热器3的低温气体出口经管道连接于第二换热器的低温气体入口，第二换热器8的低温气体出口经管道连接于固体氧化物燃料电池7的阳极入口，固体氧化物燃料电池7的阳极尾气输出管道连接于第二换热器8的高温气体入口，第二换热器8的高温气体出口经管道连接于气液分离器9的气体入口，气液分离器9的气体出口经管道连接于催化燃烧器10的阳极尾气入口，

从空分装置1的氧气输出管道分出的另一支管连接于催化燃烧器10的氧气入口，催化燃烧器10的氧气输出管道连接于第三换热器11的低温气体入口，第三换热器11的低温气体出口经管道连接于固体氧化物燃料电池7的阴极入口，固体氧化物燃料电池7的阴极尾气出口连接第三换热器11的高温气体入口，第三换热器11的高温气体出口通过管道经第四换热器12之后返回连接于催化燃烧器10的阴极尾气入口。

进一步地，所述合成气净化装置包括通过输气管道依次连接的颗粒物脱除装置4、脱硫装置5和汞脱除装置6，

优选地，所述颗粒物脱除装置4为袋式除尘器或电除尘器，脱除合成气中的颗粒物。

进一步地，所述第一换热器3为实现合成气与净化气热交换的板式换热器，第二换热器8为固体氧化物燃料电池7阳极尾气与净化气进行热交换的板式换热器，第三换热器11为固体氧化物燃料电池7阴极尾气与氧气进行热交换的板式换热器。

进一步地，所述第四换热器12的高温气体入口连接于第三换热器11的高温气体出口，第四换热器12的低温液体入口连接于冷水管，优选为管壳式换热器。

进一步地，所述固体氧化物燃料电池7由阳极、阴极和电解质组成，阳极和阴极分别在电解质的两侧，电解质、阴极和阳极的材料均为陶瓷，具有全固态结构，避免了电解质的腐蚀及泄露问题。合成气和氧气在固体氧化物燃料电池7中发生电化学反应，输出电能，燃料电池工作温度在700-1000℃。

进一步地，所述气化炉2设有固体煤入口。

进一步地，所述气液分离器9还设有热水出口。

本发明进一步提供了上述系统一种整体煤气化固体氧化物燃料电池发电工艺，包括如下步骤：

(1)空气通入空分装置1，在空分装置1内氧气与氮气分离，氧气通过空分装置1的氧气输出管道分为两股，一股进入气化炉2和煤发生煤气化反应生成合成气，从气化炉2输出的合成气温度为800-900℃，合成气组分为co：30～70v％，h2：5～30v％，co2：5～15v％，h2o：0～15v％，ch4：0～5v％、h2s：0～8v％。合成气经第一换热器3的高温气体入口进入第一换热器3换热后，温度降低至100℃以下，然后从第一换热器3的高温气体出口输出后进入电除尘装置4，使得颗粒物含量低于200mg/nm³；再通入脱硫装置5采用低温甲醇法，使得总硫浓度低于1ppm；再通入汞脱除装置6，采用活性炭脱除合成气中的汞，使气体中汞含量低于0.3mg/nm³，净化后的合成气再返回经第一换热器3的低温气体入口进入第一换热器3，与高温未净化的合成气进行热交换升温至450-550℃，再经第二换热器8的低温气体入口进入第二换热器8与固体氧化物燃料电池7的阳极尾气进行换热，升温至650-750℃后进入燃料电池的阳极，

与此同时，从空分装置1氧气输出管道分出的另一股氧气经催化燃烧器10的低温气体入口进入催化燃烧器10获得固体氧化物燃料电池7阳极尾气与阴极尾气燃烧的热量升温至400-500℃，然后经第三换热器11的低温气体入口进入第三换热器11与燃料电池的阴极尾气进行热交换，升温至650-750℃后进入燃料电池的阴极，

(2)合成气与氧气在固体氧化物燃料电池7内发生化学反应，输出电能，从固体氧化物燃料电池7的阳极输出的阳极尾气温度为800-900℃，经第二换热器8的高温气体入口进入第二换热器8与净化后的合成气换热降温至100℃以下后进入气液分离器9，在气液分离器9内阳极尾气分离出的热水作为产品输出，分离出的气相中的co和h2经气液分离器9的气体出口进入催化燃烧器10。燃料电池阴极尾气温度为800-900℃，经第三换热器11的高温气体入口进入第三换热器11预热氧气后，经第四换热器12的高温气体入口进入第四换热器12加热由冷水管进入的冷水，然后经催化燃烧器10的阴极尾气入口进入催化燃烧器10与阳极尾气燃烧获得的热量与空分装置1来的氧气进行热交换，实现热量回收。

实施例1

41750nm³/min流量的空气通入空分装置1，在空分装置1内氧气与氮气分离，氧气通过空分装置1的氧气输出管道分为两股，一股以350nm³/min流量进入气化炉2和0.6t/min煤发生煤气化反应生成合成气，从气化炉2输出的合成气温度为约850℃，合成气组分为co：65v％，h2：24v％，co2：8v％，h2o：2.5v％，ch4：0.3v％、h2s：0.2v％1000nm³/min流量的合成气经第一换热器3的高温气体入口进入第一换热器3换热后，温度降低至约100℃，然后从第一换热器3的高温气体出口输出后进入电除尘装置4，使得颗粒物含量低于100mg/nm³；再通入脱硫装置5采用低温甲醇法，使得总硫浓度低于0.5ppm；再通入汞脱除装置6，采用活性炭脱除合成气中的汞，使气体中汞含量低于0.1mg/nm³，净化后的合成气再返回经第一换热器3的低温气体入口进入第一换热器3，与高温未净化的合成气进行热交换升温至约550℃，再经第二换热器8的低温气体入口进入第二换热器8与固体氧化物燃料电池7的阳极尾气进行换热，升温至约700℃后进入燃料电池的阳极，

与此同时，从空分装置1氧气输出管道分出的另一股氧气以8000nm³/min流量经催化燃烧器10的低温气体入口进入催化燃烧器10获得固体氧化物燃料电池7阳极尾气与阴极尾气燃烧的热量升温至约450℃，然后经第三换热器11的低温气体入口进入第三换热器11与燃料电池的阴极尾气进行热交换，升温至700℃后进入燃料电池的阴极，

(2)1000nm³/min合成气与8000nm³/min氧气在固体氧化物燃料电池7内发生化学反应，输出电能，从固体氧化物燃料电池7的阳极输出的阳极尾气温度为850℃，经第二换热器8的高温气体入口进入第二换热器8与净化后的合成气换热降温至80℃后进入气液分离器9，在气液分离器9内阳极尾气分离出的热水作为产品输出，分离出的气相中的co和h2经气液分离器9的气体出口进入催化燃烧器10。燃料电池阴极尾气温度为850℃，经第三换热器11的高温气体入口进入第三换热器11预热氧气后，经第四换热器12的高温气体入口进入第四换热器12加热由冷水管进入的冷水，然后经催化燃烧器10的阴极尾气入口进入催化燃烧器10与阳极尾气燃烧获得的热量与空分装置1来的氧气进行热交换，实现热量回收。