固体氧化物燃料电池复合系统及使用方法与流程

文档序号:16590007发布日期:2019-01-14 19:01阅读:191来源:国知局
固体氧化物燃料电池复合系统及使用方法与流程

本发明属于燃料电池发电系统技术领域,特别是涉及一种固体氧化物燃料电池复合系统及使用方法。



背景技术:

固体氧化物燃料电池(sofc)发电系统是将燃料中的化学能转化为电能的发电装置。sofc可选择的燃料较为广泛,工业氢气、天然气、城市煤气、甲醇、酒精、柴油和一些生物燃料等都可以直接或经过简单处理后应用于sofc发电系统当中,因而,sofc被公认为是搭接氢能社会的桥梁。sofc的另一突出优点在于其效率较高,其电效率可达55%,若实现热电联产,其效率可达80%以上,高于任何一种传统的发电机或其它类型的燃料电池。

sofc能否实现较高的发电效率与其燃料利用率(fuelutilizationrate)的大小有直接关系,即一定进口条件下燃料利用率的大小决定了燃料电池发电效率的大小(燃料利用率越低,电堆阳极尾气中可燃成分的含量越高)。因此,高燃料利用率是评价sofc商业化的重要指标之一。通常用于提高sofc发电系统的燃料利用率的方法主要为:(1)提高单电池或电堆的性能;(2)降低电堆的供气量。上述方法(1)在燃料电池技术达到一定水平的现有条件下,继续提高单电池或电堆的性能其实现的难度较大,而方法(2)则会导致sofc单电池由于供气不足,阳极局部出现氧化还原循环而发生失效、损坏。

为了充分利用阳极尾气的能量,目前sofc发电系统采用如下几种方式对阳极尾气的能量进行利用:(1)将阳极尾气进行热交换和冷凝后排空;(2)将阳极尾气进行热交换和冷凝后通入燃烧器;(3)将部分阳极尾气回收通入重整器。然而以上方式也有各自的问题与难点,方式(1)仅利用了阳极尾气的热能,而无视了阳极尾气中可燃成分的化学能;方式(2)虽然不仅回收了阳极尾气的热能,但阳极尾气中可燃成分的化学能是通过燃烧转化为热能,而未能充分转化为电能;方式(3)虽然可以回收阳极尾气的热能,并部分回收了阳极尾气中可燃成分的化学能并将其用于电化学反应,但仍有部分可燃成分被排出,且该方式对回用泵、阀门等的耐高温性要求很高,不容易实现。因而,以上方法要么只利用了阳极尾气的热量,要么将仅部分利用了阳极尾气中可燃成分的化学能,从能量品位角度来说仍未充分高效地利用燃料的化学能。

因此,本领域尚缺乏一种能同时提高系统燃料利用率并且能从能量的品位角度充分利用燃料的化学能的方法,如何提供一种固体氧化物燃料电池复合系统及使用方法以解决现有技术中的上述问题实属必要。



技术实现要素:

鉴于以上所述现有技术的缺点,本发明的目的在于提供一种固体氧化物燃料电池复合系统及使用方法,用于解决现有技术中系统燃料利用率低、阳极尾气中能量难以充分有效利用等问题。

为实现上述目的及其他相关目的,本发明提供一种固体氧化物燃料电池复合系统,所述固体氧化物燃料电池复合系统包括发电系统及二氧化碳捕集系统,其中:

所述发电系统包括重整器、电池堆、汽化器以及燃烧器,其中:

所述重整器的重整器第一输入端与燃料供气装置相连通,重整器第二输入端与所述汽化器相连通,重整器第一输出端与所述电池堆相连通,所述重整器内部基于所述供气装置中的燃料气以及所述汽化器中的水蒸气进行重整反应,且所述重整内部反应后的气体自所述重整器第一输出端输出至所述电池堆的阳极入口;

所述燃烧器的燃烧器第一输入端与所述燃料供气装置相连通,燃烧器第二输入端与空气相连通,所述燃烧器内部基于所述供气装置中的所述燃料气、回收的可燃成分以及自所述燃烧器第二输入端输入的空气进行反应并产生热能;

所述二氧化碳捕集系统包括捕集系统入口及捕集系统出口,其中,所述捕集系统入口与所述发电系统中所述电池堆的阳极出口相连通,所述捕集系统出口选自于与所述燃烧器相连通、与所述重整器相连通以及直接排空中的至少一种。

作为本发明的一种可选方案,所述燃烧器还包括燃烧器第一输出端,所述燃烧器第一输出端依次经由所述重整器、所述汽化器与所述捕集系统入口相连通,以将所述燃烧器中产生的燃烧尾气输入至所述二氧化碳捕集系统中。

作为本发明的一种可选方案,所述二氧化碳捕集系统包括二氧化碳吸收塔,所述二氧化碳吸收塔包括吸收塔供气口及吸收塔排气口,其中,所述吸收塔供气口作为所述捕集系统入口,所述吸收塔排气口作为所述捕集系统出口。

作为本发明的一种可选方案,所述二氧化碳吸收塔自下而上依次包括吸收塔塔底、吸收塔填料层及吸收塔喷淋装置,且所述吸收塔供气口设置于所述填料层的下方,其中,所述吸收塔喷淋装置用于喷洒二氧化碳吸收贫液,所述吸收塔塔底容纳所述二氧化碳吸收贫液吸收二氧化碳后形成的二氧化碳富液。

作为本发明的一种可选方案,所述二氧化碳吸收塔还包括吸收塔换热装置,所述吸收塔换热装置设置于所述吸收塔塔底的底部,所述吸收塔换热装置将所述二氧化碳吸收贫液吸收二氧化碳时产生的热量输出。

作为本发明的一种可选方案,所述二氧化碳捕集系统还包括二氧化碳吸收液再生塔,所述二氧化碳吸收液再生塔包括吸收富液入口及吸收贫液出口,所述二氧化碳吸收塔还包括吸收贫液入口及吸收富液出口,其中,所述二氧化碳吸收液再生塔的吸收贫液出口与所述二氧化碳吸收塔的吸收贫液入口相连通,所述二氧化碳吸收塔的吸收富液出口与所述二氧化碳吸收液再生塔的吸收富液入口相连通。

作为本发明的一种可选方案,所述二氧化碳吸收液再生塔自下而上依次包括再生塔塔底、再生塔填料层及再生塔喷淋装置,所述再生塔塔底容纳所述二氧化碳吸收富液再生后得到的所述二氧化碳吸收贫液,所述二氧化碳吸收液再生塔的所述吸收富液入口与所述再生塔喷淋装置相连接,所述二氧化碳吸收液再生塔的所述吸收贫液出口与所述再生塔塔底相连通。

作为本发明的一种可选方案,所述二氧化碳吸收塔与所述二氧化碳吸收液再生塔之间还设置有吸收液换热装置,所述吸收液换热装置设置于所述吸收富液出口与所述吸收富液入口及所述吸收贫液出口及所述吸收贫液入口之间的管路上,以使得自所述二氧化碳吸收塔输出的所述吸收富液与自所述二氧化碳吸收液再生塔输出的所述吸收贫液进行热量交换。

作为本发明的一种可选方案,所述二氧化碳捕集系统还包括再沸器,所述再沸器的再沸器入口与经过所述再生塔填料层后输出的液体相连通,所述再沸器加热所述二氧化碳吸收液再生塔中的所述吸收贫液,以产生大量的水蒸气进行气提,并保持所述二氧化碳吸收液再生塔中的温度。

作为本发明的一种可选方案,所述发电系统中所述电池堆的所述阳极出口通过进气管道与所述再沸器相连接,且自所述阳极出口输出的阳极尾气经过所述再沸器之后经过管道进入所述二氧化碳捕集系统的所述捕集系统入口。

作为本发明的一种可选方案,所述重整器与所述电池堆和所述再沸器之间的所述进气管道相连通,其中,所述阳极出口中输出的所述阳极尾气经由所述重整器及所述再沸器进入所述捕集系统入口。

作为本发明的一种可选方案,所述二氧化碳捕集系统还包括水蒸气冷凝换热器,所述二氧化碳吸收液再生塔包括再生塔排气口,所述再生塔排气口与所述水蒸气冷凝换热器的冷凝换热器入口相连接。

作为本发明的一种可选方案,所述二氧化碳捕集系统还包括气液分离器,其中,所述气液分离器的分离器入口与所述水蒸气冷凝换热器的冷凝换热器出口相连通。

作为本发明的一种可选方案,所述固体氧化物燃料电池复合系统还包括供水管道,以向所述重整器提供重整反应所需的水,其中,所述供水管道与所述气液分离器的分离器出口以及所述发电系统中的所述汽化器的汽化器入口相连通,且所述供水管道经由所述水蒸气冷凝换热器,以吸收所述水蒸气冷凝换热器的冷凝热。

作为本发明的一种可选方案,所述发电系统还包括至少一台阳极预热器,所述阳极预热器的作用方式包括:所述阳极预热器连通设置于所述汽化器与所述重整器之间,其中,所述汽化器中的所述水蒸气经由所述阳极预热器输入至所述重整器,所述供气装置中的所述燃料气经由所述阳极预热器输入至所述重整器,或者,所述阳极预热器的数量包括两台,分别设置于所述燃料供气装置与所述重整器之间和所述汽化器与所述重整器之间,分别对所述燃料供气装置及所述汽化器中输出至所述重整器中的气体进行预热。

作为本发明的一种可选方案,所述发电系统还包括阴极预热器,所述阴极预热器与所述电池堆的阴极入口相连通,空气经由所述阴极预热器进入所述阴极入口;所述电池堆的阴极出口还经由所述阴极预热器与所述燃烧器相连通。

作为本发明的一种可选方案,所述发电系统还包括空气供给设备,所述空气供给设备分别与所述燃烧器、所述阳极预热器以及所述阴极预热器相连通,以将空气分别输入至所述燃烧器、所述阳极预热器以及所述阴极预热器。

作为本发明的一种可选方案,所述阳极预热器与风机相连通,以将空气经由所述阳极预热器输入至所述重整器,使得所述重整器中进行氧化反应(其中,自热重整包括水蒸汽重整和氧化反应重整)反应,所述氧化反应的反应式包括:

ch4(g)+3/2o2(g)→co(g)+2h2o(g)δh2980=-519kj/mol(2);也可以是:

ch4(g)+2o2(g)→co2(g)+2h2o(g)δh2980=-802kj/mol(1)或

ch4(g)+o2(g)→co2(g)+2h2(g)δh2980=-322kj/mol(1)

作为本发明的一种可选方案,控制进入所述重整器中的所述燃料气、所述水蒸气以及所述空气的流量的方式包括:控制所述重整器中的水碳比介于0-3之间,氧碳比介于0-2之间。

作为本发明的一种可选方案,所述重整器上还设置有还原气体输入管路,所述还原气体输入管路依次向所述重整器以及所述电池堆中通入还原气体,以还原所述重整器中的催化剂及所述电池堆中的单电池的阳极材料。

作为本发明的一种可选方案,所述二氧化碳捕集系统的所述捕集系统出口与所述发电系统之间的管路上还设置有气泵。

本发明还提供一种固体氧化物燃料电池复合系统的使用方法,所述使用方法包括步骤:提供如上述方案中任意一项所述的固体氧化物燃料电池复合系统,并向所述供气装置中通入所述燃料气,以将所述燃料气的化学能转化为电能,并至少回收生成产物中的二氧化碳。

如上所述,本发明的固体氧化物燃料电池复合系统及使用方法,具有以下有益效果:

本发明的固体氧化物燃料电池复合系统不仅分离电池堆阳极尾气中的可燃成分与燃烧生成物co2及水,从而实现可燃成分的充分回收利用,同时通过充分利用燃料气高品位的热能来驱动,在低能耗甚至零能耗的基础上,还可以实现二氧化碳的捕集回收,从而使整个利用化石燃料的sofc发电系统不仅达成高效发电的目的,还能实现二氧化碳近零排放的目的。

附图说明

图1显示为本发明提供的固体氧化物燃料电池复合系统的系统结构示意图。

图2显示为本发明实施例中提供的固体氧化物燃料电池复合系统的具体结构示意图。

元件标号说明

100发电系统

101重整器

101a重整器第一输入端

101b重整器第二输入端

101c重整器第一输出端

101d重整器第三输入端

102电池堆

102a阳极入口

102b阳极出口

102c阴极入口

102d阴极出口

103汽化器

104燃烧器

104a燃烧器第一输入端

104b燃烧器第二输入端

104c燃烧器第三输入端

105阳极预热器

106阴极预热器

107空气供给设备

200二氧化碳捕集系统

200a捕集系统入口

200b捕集系统出口

300供气装置

201二氧化碳吸收塔

2011吸收塔喷淋装置

2012吸收塔填料层

2013吸收塔塔底

2014吸收塔换热装置

201a吸收贫液入口

201b吸收富液出口

202二氧化碳吸收液再生塔

2021再生塔喷淋装置

2022再生塔填料层

2023再生塔塔底

202a吸收富液入口

202b吸收贫液出口

202c再生塔排气口

205水蒸气冷凝换热器

205a冷凝换热器入口

205b冷凝换热器出口

206气液分离器

206a分离器入口

206b分离器出口

207供水管道

208气泵

209冷凝水通道

401-411调节阀

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图2。需要说明的是,本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想,虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制,其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变,且其组件布局形态也可能更为复杂。

如图1及图2所示,本发明提供一种固体氧化物燃料电池复合系统,所述固体氧化物燃料电池复合系统包括发电系统100及二氧化碳捕集系统200,其中:

所述发电系统100将通入系统的燃料气中的化学能通过电化学反应转化为电能,包括重整器101、电池堆102、汽化器103以及燃烧器104,其中:

所述重整器101至少包括重整器第一输入端101a、重整器第二输入端101b以及重整器第一输出端101c,其中,所述重整器101的重整器第一输入端101a与燃料供气装置300相连通,并可以进一步通过调节阀402及流量计进行流量的调节,重整器第二输入端101b与所述汽化器103相连通,重整器第一输出端101c与所述电池堆102相连通,进一步与所述电池堆102的阳极入口102a相连通,所述重整器101内部基于所述燃料供气装置300中的燃料气以及所述汽化器103中的水蒸气进行重整反应,且所述重整101内部反应后的气体输出至所述电池堆102的阳极入口102a;

所述燃烧器104至少包括燃烧器第一输入端104a、燃烧器第二输入端104b,所述燃烧器104的燃烧器第一输入端104a与所述燃料供气装置300相连通,并可以进一步通过调节阀401及流量计进行流量的调节,燃烧器第二输入端104b与空气相连通,可以是风机带动空气进入,且优选可以进一步在风机与所述燃烧器之间设置调节阀404及流量计进行空气流量的控制,所述燃烧器104内部基于所述供气装置300中的所述燃料气以及自所述燃烧器第二输入端104b输入的空气进行反应并产生热能;

所述二氧化碳捕集系统200包括捕集系统入口200a及捕集系统出口200b,其中,所述捕集系统入口200a与所述发电系统中所述电池堆102的阳极出口102b相连通,所述捕集系统出口200b选自于与所述发电系统中的所述重整器101相连通,或者所述捕集系统出口200b与所述发电系统中的所述燃烧器104相连通,或者所述捕集系统出口200b中的尾气直接排空,或者上述方式中的任意两种及以上,其中,可以是通过管路直接排空。在一优选的示例中,选择所述捕集系统出口与所述发电系统中的所述燃烧器及所述重整器中的至少一者相连通,从而在所述发电系统中实现所述二氧化碳捕集系统的中尾气的回收利用。

具体的,本发明提供一种对电池堆阳极尾气可以进行回收利用的固体氧化物燃料电池复合系统(sofc发电系统),包括发电系统100及二氧化碳捕集系统200,其中,本发明中的相连接及相连通可以是通过本领域技术人员所熟知的方案得以实施的管路连接等,其中:

对于所述发电系统100,可以将通入发电系统的来自于所述燃料供气装置300中的燃料气中的化学能通过电化学反应转化为电能,其中,所述燃料气工业氢气、天然气、城市煤气、甲醇、酒精、柴油和一些生物燃料等,并不局限于此,本示例中选择为甲烷(ch4)。所述发电系统100至少包括重整器101、电池堆102、汽化器103以及燃烧器104。

对于所述重整器101,通过管路分别与所述燃料供气装置300、所述汽化器103以及所述电池堆102的阳极入口102a相连通,另外,在一可选示例中,所述重整器第一输入端101a以及所述重整器第二输入端101b可以是共用的同一个输入端口,如图2所示。在所述重整器101中,可以进行重整反应,以燃料气为原料天然气ch4进行重整反应为例,其可以采用现有技术来实现,其通常的反应温度区间在300℃~600℃左右,所述重整器101中进行的重整过程包括反应式(3)、(4)的ch4(天然气)水蒸气重整反应以及反应式(5)的co变换反应:

甲烷水蒸气重整反应:

ch4(g)+h2o(g)→co(g)+3h2(g)δh2980=206kj/mol(3)

ch4(g)+2h2o(g)→co2(g)+4h2(g)δh2980=165kj/mol(4)

co变换反应:

co(g)+h2o(g)→co2(g)+h2(g)δh2980=-41kj/mol(5)

当然,所述重整器101中通入其他燃料气时,众所周知,可以进行其他重整反应,并不以此为限。对于所述重整器101的重整器第一输出端101c,出口气体包括co、h2、co2以及ch4、h2o等未反应完全的气体,上述气体经高温管路到达所述电池堆102,经由所述电池堆的阳极入口102a到达电池堆中的阳极,以进行电池堆中的电化学反应。

作为一示例,所述重整器101还可以与空气相连通,从而将空气输入至所述重整器中,如通过管路相连通,使得所述重整器中进行氧化反应,所述氧化反应的反应式包括:

甲烷部分氧化反应:

ch4(g)+3/2o2(g)→co(g)+2h2o(g)δh2980=-519kj/mol(2)

当然,所述氧化反应的反应式还可以是:

ch4(g)+2o2(g)→co2(g)+2h2o(g)δh2980=-802kj/mol(1);或

ch4(g)+o2(g)→co2(g)+2h2(g)δh2980=-322kj/mol(1)

具体的,在一示例中,所述重整器101中除了进行上述重整反应之外,还进行所述氧化反应,其中,进行所述氧化反应可以在启动过程中弥补重整器101能量不足的情况以及加快热区c的升温速度,此时,可通入一定量的ch4和空气,在一优选示例中,控制进入所述重整器101中的气体流量,ch4、h2o与空气的流量按如下比例控制:水碳比(水蒸气和ch4的摩尔比)控制在0-3之间,氧碳比(o2和ch4的摩尔比)控制在0-2之间,这里,水碳比指的是整个所述重整器中,含水与含碳的摩尔之比大于0小于等于3,含氧与含碳的摩尔之比大于0小于等于2,在一示例中,可以是固定进口的所述燃料气的流量,然后根据燃料气流量来调节水蒸气、空气的流量。其中,电池堆102、重整器101以及连接重整器和电池堆的若干管路及对电池堆和重整器起支撑和绝热作用的外壳称之为热区c。

其中,在sofc发电系统启动阶段,根据进口物质及重整器的温度等条件,在一示例中,所述重整器101中进行的重整过程包括反应式(3)、(4)的ch4(天然气)水蒸气重整反应、反应式(1)和(2)中至少一种的ch4(天然气)的氧化反应,以及反应式(5)的co变换反应,进行上述反应式(1)和(2)中至少一种的ch4(天然气)的氧化反应,从而弥补重整器101的能量不足的情况,并加快热区c的升温速度,ch4在重整器101内与水蒸气和氧气发生重整反应,生成h2、co、co2以及未反应的ch4、h2o与n2的混合气体,上述气体组成重整器出口气体。

作为示例,所述重整器101内部反应所需要的热量来源于所述重整器101内部的重整反应产生的热量、所述燃烧器104中的燃烧烟气热量以及所述电池堆102中的电化学反应放热中的至少一种。

具体的,对于所述重整器101进行反应的能量来源,可以来自于所述燃烧器104中的燃烧烟气显热,还可以是所述电池堆102中的电化学反应放热,另外,在所述重整器中通过空气进行氧化反应的情况下,还包括来自于所述氧化反应产生的热量。

对于所述电池堆102,包括阳极入口102a,其阳极经由所述阳极入口102a通入阳极反应气体,另外,在一示例中,所述电池堆102还包括阴极入口102c以及阴极出口102d,其中,空气可以经由管路进入所述阴极入口102c并到达所述电池堆102的阴极,以进行电池堆中的电化学反应。

对于所述汽化器103,所述汽化器103将水汽化后通过管路输入至所述重整器101中,其中,所述汽化器中的水可以通过外部供给,也可以利用所述二氧化碳捕集系统中的冷凝水。

作为示例,所述汽化器103内部反应所需要的热量来源于所述二氧化碳捕集系统中的水蒸汽冷凝换热器的冷凝热、所述燃烧器104中的燃烧烟气热量、所述电池堆102中的阳极尾气余热以及所述电池堆102中的阴极尾气余热中的至少一种。

具体的,对于所述汽化器103中需要的热量的来源,可以是所述燃烧器104中的燃烧烟气余热,还可以是所述电池堆102中的所述阳极出口的阳极尾气的预热,或者是所述电池堆102中的所述阴极出口的阴极尾气的余热,另外,当所述二氧化碳捕集系统200中含有水蒸汽冷凝换热器时,还可以是来自水蒸汽冷凝换热器的冷凝热。

对于所述燃烧器104,所述燃烧器104通过管路与所述燃料供气装置300以及空气相连通,所述燃烧器104内部基于所述供气装置300中的所述燃料气以及输入的空气进行反应并产生热能,所述燃烧器104启动之后,燃料供气装置300中的所述燃料气(如ch4)的化学能会持续转变为热能,并将燃烧器300的热量的一部分(如一级烟气的热量)传递给热区c,使热区c温度持续升至目标温度,所述燃烧器104的另一部分热量(如二级烟气的热量)持续加热所述汽化器103,使其温度持续升至目标温度。其中,在一示例中燃烧器104中,ch4的压力和流量由压力表和流量计来控制,空气流量由风机和流量计控制。

另外,对于所述二氧化碳捕集系统200,所述二氧化碳捕集系统200可以捕集所述电池堆的所述阳极出口102b中的阳极尾气中的几乎全部的二氧化碳,并将被吸收完二氧化碳后电池堆100阳极尾气的剩余气体(如h2、co、ch4)自所述捕集系统出口200b送至重整器101、送至燃烧器104中或直接排空中的至少一种,优选自所述捕集系统出口200b送至重整器101以及送至燃烧器104中的至少一种,在一优选示例中,至少自所述捕集系统出口200b送至所述燃烧器,以充分利用可燃成分的化学能。其中,在一示例中,所述捕集系统出口200b中的气体可以只输入至所述重整器101中,也可以只输入至所述燃烧器104中,还可以同时输入至所述重整器101及所述燃烧器104中,在一优选示例中,同时输入至所述重整器101及所述燃烧器104中,且输入至所述燃烧器104中的流量占所述捕集系统出口200b的流量的20%-100%,优选地,在所述重整器及所述电池堆中的至少一者中的温度小于稳定工作的目标温度的条件下,输入至所述燃烧器104中的流量的比例大于50%。即本示例中,所述二氧化碳捕集系统连接于sofc发电系统的电池堆及燃烧器,接收电池堆的阳极尾气(全部)及燃烧器的部分燃烧尾气,并捕集其中的二氧化碳,然后根据sofc发电系统对能量及能量品位的需求,将吸收完二氧化碳后的剩余气体分别送至重整器、燃烧器,以充分回收利用可燃成分的化学能。

还需要说明的,在本发明的方案中,sofc发电系统中,所述燃料供气装置300中的所述燃料气,如ch4(天然气),从天然气管道中经过脱硫处理直接进入sofc发电系统进气管路内。其中,在热区c的升温过程中,可根据实际升温速率与稳定工作的目标温度,调整进入所述燃烧器104中的燃料气(如ch4)与空气的流量。另外,在一示例中,在热区c的温度达到目标温度后,持续向所述重整器101和所述电池堆102内通入h2,用以将重整器内催化剂和电池堆内sofc单电池的阳极中的氧化镍还原为金属ni,进一步,待所述重整器101内催化剂和电池堆102内sofc阳极的氧化镍被充分还原后,向所述汽化器103内通入一定量的水,并关闭h2,水经过汽化器转化为水蒸气,并进入到重整器101内(或者在热区c的温度达到目标温度后,直接向所述重整器101中通入少量的、一定比例的ch4与水蒸气)。

另外,在一可选示例中,当sofc发电系统进入稳定运行过程时,由于所述电池堆102中进行的电化学反应过程所放出的能量已接近/足以实现热区c的温度恒定,此时所述燃烧器104可不需要燃烧ch4,即,所述供气装置300停止向所述燃烧器104中通入所述燃料气,所述燃烧器部分自所述二氧化碳捕集系统200通入的阳极尾气,此时所述燃烧器104燃烧,一方面,将阳极尾气中的可燃尾气充分燃烧;另一方面,释放可燃成分的化学能,弥补系统内bop系统对能量的总量及品位需求,这里,bop系统是指包括汽化器、阳极预热器、阴极预热器、重整器、燃烧器等的系统。

作为示例,所述燃烧器104还包括燃烧器第一输出端104d,所述燃烧器第一输出端104d依次经由所述重整器101、所述汽化器103与所述捕集系统入口200a相连通,以将所述燃烧器104中产生的燃烧尾气输入至所述二氧化碳捕集系统200中。

具体的,该示例中,所述燃烧器104中的燃烧尾气可以进一步回收利用,且所述燃烧器104的燃烧尾气中的二氧化碳可以部分或全部被所述二氧化碳捕集系统200捕集,所述燃烧尾气可以与所述捕集系统入口200a连通,以进一步减少排放燃烧尾气中的二氧化碳。还可以在所述汽化器103与所述捕集系统入口200a之间的管路上设置调节阀411,从而实现将所述燃烧器104输出的燃烧尾气输出至二氧化碳捕集系统200中的控制。当然,所述燃烧器第一输出端104d输出的燃烧尾气还可以与其他的余热利用设备相连通,以实现能量的回收利用。

作为示例,所述二氧化碳捕集系统200包括二氧化碳吸收塔201,所述二氧化碳吸收塔201包括吸收塔供气口及吸收塔排气口,其中,所述吸收塔供气口作为所述捕集系统入口200a,所述吸收塔排气口作为所述捕集系统出口200b。

具体的,在所述二氧化碳捕集系统中,设置二氧化碳吸收塔201,用于吸收、捕集电池堆的阳极尾气中全部的二氧化碳,其中,自所述吸收塔供气口,即所述二氧化碳捕集系统的所述捕集系统入口200a中,通入所述电池堆102反应后的阳极尾气,该阳极尾气在所述二氧化碳吸收塔201中被充分吸收,在一示例中,可以采用二氧化碳吸收液进行阳极尾气中二氧化碳的吸收,再将充分吸收后的剩余尾气,即所述二氧化碳吸收塔中的尾气自所述吸收塔排气口,即所述捕集系统出口200b排出,优选所述吸收塔排气口设置于所述二氧化碳吸收塔201顶部,在一示例中,当所述燃料气选择为ch4时,所述捕集系统出口200b,用于排出阳极尾气被吸收完二氧化碳后的剩余气体(如h2、co、ch4),并将所述剩余气体分别送至所述燃烧器104及/或所述重整器101中(根据系统各部件对能量的需求选择)。

在一示例中,所述二氧化碳吸收塔201自下而上依次包括吸收塔塔底2013、吸收塔填料层2012及吸收塔喷淋装置2011,且所述吸收塔供气口200a设置于所述吸收塔填料层2012的下方,其中,所述吸收塔喷淋装置2011用于喷洒二氧化碳吸收贫液,所述吸收塔塔底2013容纳所述二氧化碳吸收贫液吸收二氧化碳后形成的二氧化碳富液。

具体的,在一示例中,所述二氧化碳吸收塔201至少包括三部分,即,吸收塔塔底2013、吸收塔填料层2012以及吸收塔喷淋装置2011,其中,所述吸收塔塔底2013用于容纳吸收富液,所述吸收富液是指吸收了二氧化碳的二氧化碳吸收液,所述吸收塔填料层2012设置在所述二氧化碳吸收塔201内的中部位置,其作用在于使二氧化碳吸收液(所述吸收贫液,即尚未进行二氧化碳吸收的吸收液)与进入所述二氧化碳吸收塔内的气体(如电池堆的所述阳极尾气)有更大的接触表面;所述吸收塔填料层的填料可根据工艺需求选取相应的材料(如陶瓷、金属或塑料等)与尺寸规格(如比表面积为155、250、500等)。另外,所述吸收塔喷淋装置2011,设置在所述吸收塔填料层2012之上,用于均匀喷洒二氧化碳吸收贫液(也即二氧化碳吸收液)。另外,在一可选示例中,所述吸收塔供气口设置于所述吸收塔填料层2012的下方,进一步优选设置在所述吸收塔塔底2013的上方,用于向吸收塔内提供来自电池堆阳极尾气及燃烧器尾气中的二氧化碳气体。

其中,在所述二氧化碳吸收塔201内,二氧化碳吸收贫液从上至下淋下,气体自下而上流动,二氧化碳吸收液与进入吸收塔内的阳极尾气接触,并吸收其中的二氧化碳。另外,所述二氧化碳吸收液为碳酸钾、三氧化二砷、一乙醇胺、二乙醇胺、甲基二乙醇胺、氨基乙酸、碳酸丙烯酯和聚乙二醇二甲醚其中之一或者上述各物质中至少两者的混合物的水溶液。需要说明的,本发明所称的吸收贫液及吸收富液,是指,吸收过二氧化碳的二氧化碳吸收液可以成为所述吸收富液,尚未吸收过二氧化碳的或者所述吸收富液进行过再生的,可以再进行二氧化碳吸收的二氧化碳吸收液可以称为所述吸收贫液。

作为示例,所述二氧化碳吸收塔201还包括吸收塔换热装置2014,所述吸收塔换热装置2014设置于所述吸收塔塔底2013的底部,用于将所述二氧化碳吸收贫液吸收二氧化碳时产生的热量输出。具体的,所述换热装置2014可以是一换热器,在所述二氧化碳吸收塔201底部设有换热器,可以将吸收二氧化碳时产生的热量输出、给用户供热,提高热能利用率。

作为一示例,所述二氧化碳捕集系统200还包括二氧化碳吸收液再生塔202,所述二氧化碳吸收液再生塔202包括吸收富液入口202a及吸收贫液出口202b,所述二氧化碳吸收塔201还包括吸收贫液入口201a及吸收富液出口201b,其中,所述二氧化碳吸收液再生塔202与所述二氧化碳吸收塔201相连接,所述二氧化碳吸收液再生塔202的吸收贫液出口202b与所述二氧化碳吸收塔201的吸收贫液入口201a相连通,所述二氧化碳吸收液再生塔202的吸收富液入口202a与所述二氧化碳吸收塔201的吸收富液出口201b相连通。

具体的,在该示例中,还提供一与所述二氧化碳吸收塔201相连接的所述二氧化碳吸收液再生塔202,所述二氧化碳吸收液再生塔202可以接收所述二氧化碳吸收塔201中吸收二氧化碳后的吸收富液,并使吸收富液可以充分再生,从而将再生后变成的所述吸收贫液继续供给所述二氧化碳吸收塔201使用。进一步,当所述二氧化碳吸收塔201中包括所述吸收塔喷淋装置2011以及所述吸收塔塔底2013的情况下,所述二氧化碳吸收塔201的吸收贫液入口201a与所述吸收塔喷淋装置2011相连通,所述二氧化碳吸收塔201的吸收富液出口201b与所述吸收塔塔底2013相连通。

在一示例中,所述二氧化碳吸收液再生塔202自下而上依次包括再生塔塔底2023、再生塔填料层2022及再生塔喷淋装置2021,所述再生塔塔底2023容纳所述二氧化碳吸收富液再生后得到的所述二氧化碳吸收贫液,其中,所述二氧化碳吸收液再生塔202的所述吸收富液入口202a与所述再生塔喷淋装置2021相连接,所述二氧化碳吸收液再生塔202的所述吸收贫液出口202b与所述再生塔塔底2023相连通。

具体的,在一示例中,所述二氧化碳吸收液再生塔202至少包括三部分,即再生塔塔底2023、再生塔填料层2022及再生塔喷淋装置2021,其中,所述再生塔喷淋装置2021连接于所述二氧化碳吸收塔201底部的吸收富液出口;在所述二氧化碳吸收液再生塔202的中部设有所述再生塔填料层2022,用于使吸收富液可以充分再生;所述二氧化碳吸收液再生塔202底部为吸收塔塔底2023,用于容纳再生后的吸收贫液,所述吸收贫液由于经过再生,吸收贫液含有的二氧化碳浓度大大降低,通过管道将再生塔塔底2023和二氧化碳吸收塔的所述吸收塔喷淋装置2013连接,将吸收贫液送至二氧化碳吸收塔201中,可再次用于吸收二氧化碳。

作为示例,所述二氧化碳吸收塔201与所述二氧化碳吸收液再生塔202之间还设置有吸收液换热装置203,所述吸收液换热装置203设置于所述吸收富液出口201b与所述吸收富液入口202a及所述吸收贫液出口202b及所述吸收贫液入口202a之间的管路上,以使得自所述二氧化碳吸收塔201输出的的所述吸收富液与自所述二氧化碳吸收液再生塔202输出的所述吸收贫液进行热量交换。

具体的,如图2所示,在所述二氧化碳吸收塔201与所述二氧化碳吸收液再生塔202之间设置有吸收液换热装置203,可以是换热器,用于使从二氧化碳吸收液再生塔202的塔底输出的二氧化碳吸收液和从二氧化碳吸收塔201塔底输出的二氧化碳吸收液进行换热,从而减少二氧化碳吸收液再生时所需的热量。

作为一示例,所述二氧化碳捕集系统200还包括再沸器204,所述再沸器204的再沸器入口204a与经过所述再生塔填料层2022后输出的液体相连通,所述再沸器204加热所述二氧化碳吸收液再生塔中的所述吸收贫液,以产生大量的水蒸气进行气提,并保持所述二氧化碳吸收液再生塔202中的温度。

具体的,在该示例中,在所述二氧化碳吸收液再生塔202的底部设置一再沸器204,用于加热再生塔塔底2023内的吸收溶液,以产生大量的水蒸气用于气提,并保持二氧化碳吸收液再生塔202内的温度,从而使二氧化碳吸收液在高温下得到再生,在一示例中,所述再沸器204的入口与所述再生塔填料层2022下方且所述再生塔塔底2023上方的位置相连通,所述再沸器204的出口与设置于再生塔塔底的所述吸收贫液出口202b相连通。

作为示例,所述发电系统中所述电池堆102的所述阳极出口102b通过进气管道并经由所述再沸器204与所述二氧化碳捕集系统200的所述捕集系统入口200a相连通,即所述进气管道与所述再沸器相204连接,且自所述阳极出口102b输出的阳极尾气经过所述再沸器204之后经过管道进入所述二氧化碳捕集系统200的所述捕集系统入口200a。

具体的,在该示例中,如图2所示,所述电池堆102中的阳极尾气首先经由所述再沸器204,再通过管路进入所述捕集系统入口200a,当存在所述二氧化碳吸收塔时,经过所述再沸器204的阳极尾气进入所述二氧化碳吸收塔201的吸收塔进气口,从而可以进一步保证所述电池堆102中产生的阳极尾气的能量的利用,可为再沸器提供能量,实现能量的梯级利用。

另外,在一示例中,所述再沸器204所需要的热源来自于所述燃烧器104中的燃烧烟气显热、所述电池堆102中的电化学反应放热、所述电池堆102中的阳极尾气余热以及所述电池堆102的阴极尾气余热(出于画图简洁的目的,图中仅将阳极尾气通入到再沸器中,实际上根据需要,阴极尾气也可以先通入阴极预热器后再进入再沸器进行换热)中的至少一种,即所述再沸器204中加热的热量来源可以是上述四者当中的任意一者,也可以是上述四者中的任意三者的组合或任意两者的组合或者是上述四者均提供热量,这样,天然气的化学能所转化的热能最终通过换热装置2014输出,保证能量的利用。

进一步,在一可选示例中,所述重整器101与所述电池堆102及所述再沸器204之间的所述进气管道相连通,其中,所述阳极出口102b中输出的阳极尾气经由所述重整器101及所述再沸器204进入所述捕集系统入口200。

具体的,在一可选的示例中,当所述阳极出口102b通过进气管道并经由所述再沸器204与所述捕集系统入口200a相连通时,还设置一条经由所述重整器101的管路,即所述阳极出口输出的阳极尾气可以进入所述重整器101中,可以为重整器101中的反应提供热量,在所述重整器中进行反应后,再将所述重整器101输出的尾气汇入到所述再沸器204的入口进入所述再沸器204中。还可以在所述电池堆阳极出口与所述重整器之间的管路上设置调节阀403,从而可以实现对进入到所述重整器中尾气的调控。其中,对于自所述阳极出口102b引出的管路,可以根据不同部件对温度的不同需求来布置管路的,最终实现能量的梯级利用,因总能量是不变的,在这个过程中根据不同部件对能量的温度要求,能量的总量需求采取串联/前后、并联/分流的方式供能,例如,阳极尾气的温度约有600~700℃,根据复合系统的各个部件对不同温度的能量需求,通过管道向不同的部件供热,如重整系统需500℃的热量,预热器需200~300℃的热量,再沸器需~200℃的热量,汽化器需~150℃的热量,那么阳极尾气的管路流程根据温度由高向低排布,也就是从电池堆阳极→重整器→预热器→再沸器→汽化器,当然,也可考虑在相同温度区间采用并联通道向不同设备同时供热,依实际需求设置。

作为示例,所述二氧化碳捕集系统200还包括水蒸气冷凝换热器205,所述二氧化碳吸收液再生塔202包括再生塔排气口202c,所述再生塔排气口202c与所述水蒸气冷凝换热器205的冷凝换热器入口205a相连接。

具体的,在一示例中,所述二氧化碳吸收液再生塔202包括再生塔排气口202c,所述再生塔排气口202c优选设置在所述二氧化碳吸收液再生塔202的顶部,所述再生塔排气口202c连接于所述水蒸气冷凝换热器205,其中,通过管道将二氧化碳吸收塔201底部的吸收富液输送至二氧化碳吸收液再生塔202进行吸收液的再生,进行再生后,形成气体和液体两相,其中,该气体的主要成分为二氧化碳和水蒸气,从所述再生塔排气口202c输出,并供应给水蒸气冷凝换热器205。

作为示例,所述二氧化碳捕集系统200还包括气液分离器206,其中,所述气液分离器206的分离器入口206a与所述水蒸气冷凝换热器205的冷凝换热器出口205b相连通。

具体的,在一示例中,所述二氧化碳捕集系统200还包括一气液分离器206,其中,所述水蒸气冷凝换热器205可以冷却二氧化碳和水蒸气的混合气体,使混合气体中的水蒸气冷凝为液态水,所述气液分离器206通过管道连接于所述的水蒸气冷凝换热器205,用于分离来自水蒸气冷凝换热器205的液态水和二氧化碳气体,形成的液态水储存在所述气液分离器206中,分离出的二氧化碳气体被输出,可根据需要进行回收。

进一步,在一示例中,所述固体氧化物燃料电池复合系统还包括供水管道207,以向所述重整器提供重整反应所需的水,其中,所述供水管道207与所述气液分离器206的分离器出口206b以及所述发电系统100中的所述汽化器103的汽化器入口103a相连通,且所述供水管道207经由所述水蒸气冷凝换热器205以吸收所述水蒸气冷凝换热器205的产热。

具体的,在一示例中,还设置一供水管道207,其中,所述供水管道207与所述汽化器103的入口相连通,为所述汽化器103中提供水,进一步,在一可选示例中,所述供水管道207与所述气液分离器206的分离器出口206b相连通,所述气液分离器206分离的水可以进一步回收至所述发电系统100的所述汽化器103中进一步被利用,另外,还可以通过在所述气液分离器206与所述供水管道207之间的管路上设置调节阀409及流量计,通过调节阀409控制冷却水的流通流量。另外,优选地,所述供水管道207还经由所述水蒸气冷凝换热器205,在所述水蒸气冷凝换热器205内设有部分所述供水管道207,即部分所述供水管道207会经过所述水蒸气冷凝换热器205,该部分所述供水管道可以是水蒸气冷凝冷却盘管,所述冷却盘管内流动有换热介质,其吸收混合气体的冷凝热后作为热源向外部供热。另外,如图2所示,在所述水蒸气冷凝换热器205上还设置一冷凝水通道209,所述冷凝水通道209可以提供冷凝水,从而防止水蒸气不能充分被冷凝,另外,是否能仅用汽液分离器中的冷凝水来对co2和水蒸气的混合物进行降温,使水蒸气冷凝为水,主要取决于供水管道207中水的流量与温度,从而可以依据所述供水管道207中的水的流量与温度控制是否开启冷凝水通道209。

另外,在所述供水管道207上还可以设置水泵,优选设置在所述水蒸气冷凝换热器205与所述汽化器103之间的管路上,从而有利于满足所述汽化器103的供给。在所述供水管道的入口位置可以设置流量计及调节阀410,从而控制进入的水的流量。

作为示例,所述发电系统100还包括至少一台阳极预热器105,所述阳极预热器的作用方式包括:所述阳极预热器105连通设置于所述汽化器103与所述重整器101之间,其中,所述汽化器103中的所述水蒸气经由所述阳极预热器105被加热升温后输入至所述重整器101,所述供气装置300中的所述燃料气经由所述阳极预热器105被加热升温后输入至所述重整器101;或者,所述阳极预热器105的数量包括两台,分别设置于所述燃料供气装置300与所述重整器101之间和所述汽化器103与所述重整器101之间,分别对所述燃料供气装置300及所述汽化器103中输出至所述重整器101中的气体进行预热。

具体的,在一示例中,所述发电系统100还包括阳极预热器105,在一优选示例中,进入所述重整器101中的气体经过所述阳极预热器105进行预热,当需要向所述重整器101中通入空气时,可以是风机带动空气首先进入所述阳极预热器105,经预热后再进入所述重整器101中,进一步,可以在风机与所述阳极预热器105之间设置调节阀406,通过调节阀控制进入重整器中的空气的流量,另外,进入所述重整器中的燃料气体可以在所述阳极预热器中与水蒸汽进行混合,空气在重整器内与燃料气混合,混合之后的气体进入所述重整器中,从而有利于提高所述重整器中工作的稳定性。

作为示例,所述发电系统100还包括阴极预热器106,所述阴极预热器106与所述电池堆102的阴极入口102c相连通,空气经由所述阴极预热器106被加热升温进入所述阴极入口102c。

作为示例,所述电池堆102的阴极出口102d还经由所述阴极预热器106与所述燃烧器104相连通。

具体的,在一示例中,在所述发电系统100中设置阴极预热器106,所述阴极预热器106可以为进入电池堆102阴极的气体加热,如设置在风机和所述电池堆102之间,风机带动空气进入所述电池堆的阴极,进一步,可以在风机与所述电池堆102之间设置调节阀405及流量计,通过调节阀控制进入重整器中的空气的流量。

另外,在一优选示例中,还经所述电池堆102的阴极出口102d与所述燃烧器104相连通,以将所述电池堆102的阴极尾气输入至燃烧器进行回收利用,进一步优选地,所述阴极尾气经由所述阴极预热器106进行加热后输入至所述燃烧器104中进行利用。

作为示例,所述发电系统100还包括空气供给设备107,所述空气供给设备可以是风机,所述空气供给设备107分别与所述燃烧器104、所述阳极预热器105以及所述阴极预热器106相连通,以将空气分别输入至所述燃烧器104、所述阳极预热器105以及所述阴极预热器106。

具体的,该示例中,在所述发电系统100中还设置一空气供给设备107,如所述空气供给设备可以是风机,所述空气供给设备107可以供整个所述发电系统100中需要空气的地方使用,即多个需要空气的部件共用所述空气供给设备107,从而可以简化系统的复杂性,节约系统所占空间,另外,所述空气供给设备107与所述燃烧器104之间还可以设置调节阀404及流量计,从而可以调整空气的进入流量。

作为示例,所述二氧化碳捕集系统200的所述捕集系统出口200b与所述发电系统100之间的管路上还设置有气泵208,进一步还设置有流量计。

具体的,所述二氧化碳捕集系统200的所述捕集系统出口200b与所述发电系统100之间的管路,在一示例中,可以是在二氧化碳捕集系统的捕集系统出口200b与所述重整器101以及所述捕集系统出口200b与所述燃烧器104之间的管路上,即,可以是在靠近所述捕集系统出口200b的位置设置所述气泵208,再在所述气泵208之后,将管路分别连通至所述重整器101及所述燃烧器104,再在所述气泵208与所述燃烧器104的管路上设置调节阀408及流量计,在所述气泵208与所述重整器101的管路上设置调节阀407,通过调节阀的开闭控制气体流量,其中,所述气泵208保证了阳极尾气的循环流动,提供了循环动力。

需要进一步说明的是,本发明通过燃烧器燃烧燃料气(如ch4)所产生的一级烟气提供热量,供热区c升温启动和恒温维持,燃烧器燃烧ch4所产生的二级烟气提供热量供阳极预热器和汽化器等,使得阳极还原、气体预热以及水蒸气汽化。重整器和电池堆启动后,通过对阳极尾气中可燃成分的回收利用,大幅度提高sofc发电系统的燃料利用率。由于对燃料化学能的充分利用,一方面,燃烧器所需燃烧的ch4的量会大幅度下降,甚至仅靠燃烧部分阳极尾气中的可燃成分即可维持sofc发电系统热区的恒温;另一方面,充分利用稍低于电池堆、重整器的温度的高品位余热能,来驱动实现二氧化碳的捕集过程。在这过程中,化学能所转化来的反应热并未被耗费掉,只是转化为品位降低的低温热能,该低温热能的温度高于供热温度,因而通过回收该低温热能进行供热可以实现低能耗、甚至零能耗二氧化碳捕集。同时,由于电化学反应产物气体的水蒸气露点很高,因而系统尾气的水蒸气潜热、生成水可以完全回收,整个系统的效率可大幅度提高,且耗水量可以接近于零。

另外,本发明还提供一种固体氧化物燃料电池复合系统的使用方法,所述使用方法包括步骤:提供如上述方案中任一项所述的固体氧化物燃料电池复合系统,并向所述供气装置中通入所述燃料气,以将所述燃料气的化学能转化为电能,并至少回收生成产物中的二氧化碳。

具体的,本发明还提供一种固体氧化物燃料电池复合系统的使用方法,在一示例中,以所述燃料气为ch4(天然气)为例,在所述发电系统100中,ch4(天然气)自所述供气装置300从天然气管道中经过脱硫处理直接进入sofc发电系统进气管路内;

在所述发电系统100启动时,可以通过压力表和流量计来分别控制进入所述燃烧器104的ch4流量,其中,在所述燃烧器104中,通过压力表、燃料调节阀303以及流量计来控制进入的ch4的流量,同时通过风机、空气调节阀401和流量计控制空气的流量,使燃烧器稳定燃烧;当所述燃烧器104启动后,所述燃料气(ch4)的化学能会持续转变为热能,通过烟气在烟气通道内的流动来加热所述重整器101、所述阳极预热器105、所述阴极预热器106和所述汽化器103,使之达到目标温度,还可为所述二氧化碳捕集系统提供能量,其中,在热区c的升温过程中,可根据实际升温速率与稳定工作的目标温度,调整进入所述燃烧器中的ch4与空气的流量。

在上述部件达到稳定工作的目标温度后,在一示例中,持续向所述重整器101通入h2,然后h2通过管路也进入到所述电池堆102内,目的是在高温条件下将重整器101内催化剂和电池堆102内sofc单电池的阳极中的氧化镍还原为金属ni。待重整器101内催化剂和电池堆102内sofc阳极的氧化镍被充分还原后,向所述汽化器103内通入一定量的水,并关闭h2,水经过所述汽化器103转化为水蒸气,水蒸气进入到重整器101内,打开燃料调节阀402,按照反应需求的一定的水碳比向重整器导入ch4,另一方面,通过所述风机107、空气调节阀405和流量计控制一定流量的空气进入所述阴极预热器106,并进一步进入到所述电池堆102的阴极,被加热的所述重整器101的出口气(如co、h2、co2以及ch4、h2o)、空气分别进入电池堆102的阳极与阴极,加热电池堆102,使电池堆也达到目标温度。

其中,在一优选示例中,在上述热区c启动的过程中,为了弥补所述重整器101能量不足的情况以及加快热区c的升温速度不足升温情况,此时,可经过所述阳极预热器105向重整器内通入一定量的空气,通过ch4的部分氧化反应来提供能量,进行上述反应式(1)和(2)。其中,在一优选示例中,所述重整器101中,ch4、h2o与空气的流量按如下比例调整:水碳比控制在0~2之间,氧碳比控制在0~1之间,所述重整器101中进行的重整过程包括反应式(3)、(4)的ch4(天然气)水蒸气重整反应、反应式(1)、(2)ch4(天然气)的氧化反应以及反应式(5)的co变换反应;其中,ch4在重整器101内与水蒸气和氧气发生重整反应,生成h2、co、co2以及未反应的ch4、h2o与n2的混合气体,上述气体组成该示例中所述重整器101的出口气体。通常重整器内的反应温度区间在300~600℃左右,在一示例中,等热区c温度满足目标温度后,逐渐减少通入阳极预热器105内的空气,直至根据需要完全关闭流入阳极预热器105的空气通道。

进一步,重整器101出口气体经高温管路到达电池堆,电池堆,102的阴极气体(空气)经风机和流量计后进入阴极预热器,并被预热至200~500℃后进入电池堆102,待阴、阳极气体均进入电池堆后,在600~1000℃条件下发生电化学反应,将化学能转化为电能对用户供电。另外,经过电池堆102的阴极尾气进入余热回收系统后排空,阴极尾气的热能可用来预热阴极入口气体、阳极入口气体、加热水以形成水蒸气等,根据余热的温度条件还可应用于二氧化碳捕集装系统。根据系统对能量及能量品位的需求,可先后经过重整器101、再沸器204以提供高品位的热能,然后通过捕集系统入口200b进入二氧化碳捕集系统中的二氧化碳吸收塔201,用于吸收、捕集电池堆的阳极尾气中全部的二氧化碳。

另外,在一优选示例中,从所述电池堆102阴阳极出口102d出来的阴阳极尾气最终全部进入所述燃烧器104,在控制系统的控制下,与燃烧器进口ch4、空气混合燃烧,放出热量来进一步加热整个sofc发电系统。

经过上述步骤,待所述电池堆102温度达到目标温度后(通常在700~1000℃范围内),进入所述电池堆102阳极的重整器101出口气体与进入所述电池堆102阴极的空气在电池堆102内发生电化学反应,把燃料的化学能转化为电能,且随着燃料利用率的提高,所转化的电能也逐渐提高;另外随着通入的燃料气体流量的增加伴随着电化学反应所产生的热量也逐渐增大,所述能量不仅能维持电池堆102正常工作的温度外,还可用于加热重整器等其它部件。在一示例中,所述电池堆102的高温的阳极尾气气体首先进入所述重整器101,将高温能量传递给重整反应物,促进重整反应进行。此时,重整器中进行的重整过程包括ch4(天然气)水蒸气重整反应以及co变换反应;而重整器101出口气体包括co、h2、co2以及ch4、h2o等未反应完全的气体,经高温管路到达电池堆100,其中,sofc正常稳定运行时,所述重整器101的能量需求来自于阳极尾气所带来的高温热量、燃烧器104燃烧ch4的产热以及电池堆102电化学反应放出的高温热量,此时,所述重整器101、所述燃烧器104与所述电池堆102可在结构上形成一个整体,以促进传热作用。

当sofc发电系统进入稳定运行过程时,由于所述电池堆102中进行的电化学反应过程所放出的能量已接近/足以实现热区c的温度恒定,此时燃烧器104可不需要燃烧ch4,燃烧部分通入的阳极尾气以及阴极尾气,其中,阴极尾气中含有部分未反应的氧气,其比例正好对应于阳极尾气的可燃成分,即空燃比正合适,因此将阴极尾气通入燃烧器,其目的是充分利用阴极尾气的高温能量,此时燃烧器的燃烧,不仅将阳极尾气中的可燃尾气充分燃烧,还进一步释放可燃成分的化学能,弥补系统内bop系统对能量的总量及品位需求。

在一示例中,当sofc发电系统进入稳定运行过程时,所述电池堆102的所述阳极尾气可根据需要调整分别进入重整器101及二氧化碳捕集系统200的所述再沸器204的流量,如可通过调节阀403控制进入到所述重整器101中的流量,在该示例中,所述阳极尾气首先进入重整器200,将最高品位的能量传递给重整反应,然后进入二氧化碳捕集系统再沸器204,将次一级的能量传递给再沸器204,另外,所述再沸器204的热源还可以采用sofc发电系统的所述燃烧器104的燃烧烟气显热、所述电池堆102的电化学过程中的放热,从而用于加热二氧化碳吸收液再生塔塔底202内的吸收溶液,以产生大量的水蒸气用于气提,并保持二氧化碳吸收液再生塔202内的温度,从而使二氧化碳吸收液在高温下得到再生。在一示例中,再沸器采用sofc发电系统的燃烧烟气显热、电池堆电化学过程中的放热、以及阴阳极尾气的余热提供热源进行加热,这样,天然气的化学能所转化的热能最终通过换热器2014输出。

另外,从所述再沸器204出来的阳极尾气进入二氧化碳吸收塔201的捕集系统入口200a(吸收塔供气口),在二氧化碳吸收塔201内完成co2及水的脱除后,从捕集系统出口200b(吸收塔排气口)出来,进一步,在所述气泵208和流量计的控制下,将剩余气体输送到所述发电系统100中,在一示例中,根据sofc发电系统(即所述发电系统100)的能量需求,在所述燃烧器104阳极尾气进口调节阀408、所述重整器101阳极尾气进口调节阀407以及流量计的共同作用下,分别调节进入燃烧器104、阳极预热器105的阳极尾气流量。在一示例中,被输入阳极预热器进而进入重整器的阳极尾气比例一般为0~90%,较佳地为0~80%,按阳极尾气的总体积计。

在sofc发电系统稳定运行条件下,由于通过所述二氧化碳捕集系统200也基于所述水蒸气冷凝换热器205及所述气液分离器206完成了对所述阳极尾气中的生成水的冷凝回收,因而此时所述重整器101中重整反应所需的水蒸气也可循环利用回收的冷凝水,冷凝水通过水泵来供给sofc发电系统,通过吸收二氧化碳捕集系统中的低温热,如在所述水蒸气冷凝换热器205中通过冷却盘管的方式进行低温热吸收,其中,这里的吸收冷凝热的目的,是尽量先提升冷凝水的温度,以减少在汽化器中的热量需求,进一步,由于受冷凝水的温度、流量限制,若果不能靠充分吸热而使再生塔出口的尾气(co2+水蒸气)充分冷却,可以通过所述冷却水通道209进一步进行冷却,并在汽化器103中吸收sofc发电系统中的低温热,被蒸发为水蒸气,在阳极预热器105中与燃料混合后,最终进入重整器101。

在sofc发电系统稳定运行条件下,经过电池堆102的阴极尾气可通过管路进入阴极预热器106,根据sofc发电系统对能量的需求,结合重整器101、阳极预热器105、汽化器103,通过预热阴极入口气体、阳极入口气体、加热水以形成水蒸气等实现余热回收,根据余热的温度条件还可应用于二氧化碳捕集装置,最后排空至系统外。另外,在sofc发电系统稳定运行条件下,燃料化学能除了转化为电能外,转化为热能的部分,一部分通过重整反应再次在sofc系统内得到应用,另一部分热能在二氧化碳捕集系统200中作为驱动力,实现二氧化碳的捕集过程,在这过程中,化学能所转化来的反应热并未被耗费掉,只是转化为品位降低的低温热能,该低温热能的温度高于民用供暖系统的供热温度,仍可以通过换热器2014向外供热。

需要进一步说明的是,本发明通过燃烧器燃烧燃料气(如ch4)所产生的一级烟气提供热量,供热区升温启动和恒温维持,燃烧器燃烧ch4所产生的二级烟气提供热量供阳极预热器和汽化器,使得阳极还原、气体预热以及水蒸气汽化。重整器和电池堆启动后,通过对阳极尾气中可燃成分的回收利用,大幅度提高sofc发电系统的燃料利用率。由于对燃料化学能的充分利用,一方面,燃烧器所需燃烧的ch4的量会大幅度下降,甚至仅靠燃烧部分阳极尾气中的可燃成分即可维持sofc发电系统热区的恒温;另一方面,充分利用稍低于电池堆、重整器的温度的高品位余热能,来驱动实现二氧化碳的捕集过程。在这过程中,化学能所转化来的反应热并未被耗费掉,只是转化为品位降低的低温热能,该低温热能的温度高于民用供暖系统的供热温度,因而通过回收该低温热能进行供热可以实现低能耗、甚至零能耗二氧化碳捕集。同时,由于电化学反应产物气体的水蒸气露点很高,因而系统尾气的水蒸气潜热、生成水可以完全回收,整个系统的效率可大幅度提高,且耗水量可以接近于零。

综上所述,本发明提供一种固体氧化物燃料电池复合系统及使用方法,所述固体氧化物燃料电池复合系统包括发电系统及二氧化碳捕集系统,其中:所述发电系统包括重整器、电池堆、汽化器以及燃烧器,其中:所述重整器的重整器第一输入端与供气装置相连通,重整器第二输入端与所述汽化器相连通,重整器第一输出端与所述电池堆相连通,所述重整器内部基于所述供气装置中的燃料气以及所述汽化器中的水蒸气进行重整反应,且所述重整内部反应后的气体输出至所述电池堆的阳极入口;所述燃烧器的燃烧器第一输入端与所述供气装置相连通,燃烧器第二输入端与空气相连通,所述燃烧器内部基于所述供气装置中的所述燃料气以及自所述燃烧器第二输入端输入的空气进行反应并产生热能;所述二氧化碳捕集系统包括捕集系统入口及捕集系统出口,其中,所述捕集系统入口与所述发电系统中所述电池堆的阳极出口相连通,所述捕集系统出口与所述发电系统中的所述重整器及所述燃烧器中的至少一者相连通。通过上述方案,本发明的固体氧化物燃料电池复合系统不仅通过分离电池堆阳极尾气中的可燃成分与燃烧生成物co2及水,从而实现可燃成分的充分回收利用;同时通过充分利用燃料气高品位的热能来驱动,在低能耗甚至零能耗的基础上,还可以实现二氧化碳的捕集回收;从而使整个利用化石燃料的sofc发电系统不仅达成高效发电的目的,还能实现二氧化碳近零排放的目的。所以,本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效,而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下,对上述实施例进行修饰或改变。因此,举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变,仍应由本发明的权利要求所涵盖。

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