一种固体氧化物燃料电池与工艺加热炉的热电联产方法及装置与流程

本发明属于燃料电池发电领域，具体涉及与石油化工加热炉进行热电联产的固体氧化物燃料电池(sofc)发电系统,尤其涉及一种固体氧化物燃料电池与工艺加热炉的热电联产方法及装置。

背景技术：

燃料电池是一种能直接将燃料中的化学能转化为电能的装置。与传统的基于燃烧的火力发电方式相比较，更加清洁高效，而且更能灵活地适用于中、低发电规模的场合。而且燃料电池中的固体氧化物燃料电池(sofc)，由于其能适用于带co组分的合成气，具有转换效率高、全固体结构、适合多种燃料等优点，因此更适合于与其它工业进行耦合应用。

现有的固体氧化物燃料电池(sofc)仅能实现50％左右的发电效率，而离开燃料电池组的乏合成气仍含有相当数量的有效成分，如h2、co、co2以及ch4等，温度仍然有600-750℃左右。离开燃料电池组的乏空气也含有剩余的o2等，温度也有600-750℃左右。如何利用这些剩余的低品位能量，极大地影响着燃料电池发电的经济性，成为了燃料电池大规模应用的制约因素。

炼油、石油化工以及煤化工等行业中，其工艺过程设置有大量的加热炉来加热工艺物料。加热炉以炼厂管网气、天然气、燃料油等为燃料，燃烧后的烟气通过换热方式加热物料。加热炉常常是工艺装置中的高耗能设备，耗能总量一般占到装置总耗能的30％-70％。加热炉的高耗能也使得与加热炉有关的节能技术得到了高度重视，目前，石油化工行业中大中型加热炉的燃料热效率普遍能达到90％-92％。

现状加热炉虽然已经普遍实现了比较高的燃料热效率，但把燃料接近2000℃的理论燃烧温度，用于加热一般只有500℃的工艺介质，从热量的角度来说存在着重大损失。如何把燃料的燃烧能量先用来产生高品位的能量(例如发电)，然后再把剩余的低品位的余热用于加热物料，这样既加热了工艺物料、又产生了高品位的电力能量，这样才发挥了燃料的最大价值。

根据上述思路，石油化工业界曾经尝试过燃气轮机与大型加热炉热电联产的思路，即燃料先在烟气轮机中燃烧发电，排出的烟气则进入工艺加热炉中进一步回收热量。该思路曾经应用于大型乙烯裂解炉、大型常减压加热炉等，实现过比较好的经济效益。但由于燃气轮机的投资高、故障率高、运行切换复杂等原因，这项技术在业界并没有得到普遍的推广使用，在数量众多的中小型加热炉上更是没有任何应用。

技术实现要素：

本发明的目的之一是提供一种固体氧化物燃料电池与工艺加热炉的热电联产方法，其利用固体氧化物燃料电池(sofc)与石油化工加热炉进行热电联产，来实现燃料价值的最大化。

本发明的目的之二在于提供实现上述固体氧化物燃料电池与工艺加热炉的热电联产方法的装置。

作为本发明第一方面的固体氧化物燃料电池与工艺加热炉的热电联产方法，其首先将燃料和氧化介质进入合成气发生器，用以产生固体氧化物燃料电池发电所需要的、以co和h2为主要成分的高温合成气；生成的高温合成气通过换热器与固体氧化物燃料电池电化学反应所需要的电堆空气进行换热，使高温合成气及电堆空气的温度均满足固体氧化物燃料电池发电的需要；换热后的合成气以及电堆空气分成多个支路、分别通往各个固体氧化物燃料电池的入口，进行固体氧化物燃料电池发电；完成发电反应的乏合成气及乏空气分别合并，进入工艺加热炉中进行燃烧、换热，以充分利用乏合成气及乏空气中剩余的化学能及余热。

在本发明的一个优选实施例中，所述的燃料为燃料油、天然气、民用沼气、炼厂管网气、低压瓦斯气、焦炉煤气、荒煤气中的一种或任意两种以上的混合。

在本发明的一个优选实施例中，考虑到硫对燃料电池电极及电解质可能存在的毒害，燃料油、天然气、民用沼气、炼厂管网气、低压瓦斯气、焦炉煤气、荒煤气中的含硫量应给与严格控制。

在本发明的一个优选实施例中，所述的氧化介质为纯氧、富氧或空气。优选为空气，以降低系统的运行成本。

在本发明的一个优选实施例中，合成气发生器出口的高温合成气温度为800-1300℃。具体出口温度的选择，应满足电堆对合成气组分以及温度的要求，以及对空气入口温度的换热要求。

在本发明的一个优选实施例中,所述的部分氧化法合成气发生器出口的高温合成气的主要成分为：h2、co、n2、co2以及剩余的ch4、o2等，具体的组分取决于燃料的组分及合成气发生器的操作温度及压力。其中的n2、co2以及可以通过电堆而不对电堆产生负面影响，而其它组分均可以参与燃料电池发电的电化学反应。

在本发明的一个优选实施例中,根据燃料电池电池组的设置个数，换热后的合成气以及电堆用空气分成所需要的分支管路，分别进入燃料电池组进行发电。发电后的乏合成气以及乏空气分别合并，通往加热炉进一步回收能量。

在本发明的一个优选实施例中,根据燃料电池的性能，进入燃料电池的高温合成气中一定比例的h2、co能参与电化学反应，而剩余的未反应的h2、co、ch4等均可以在加热炉中继续燃烧、继续回收能量。离开燃料电池的乏空气中仍然含有剩余的o2，可以继续在加热炉中作为助燃剂用于燃料燃烧。

在本发明的一个优选实施例中,为了保证加热炉的热负荷能满足工艺装置可能的调节需要，加热炉中另外设置了调节负荷用的燃烧器，采用独立燃料气及空气入口，可以在工艺装置及燃料电池波动情况下，仍能满足加热炉负荷调节的需要。

作为本发明第二方面的固体氧化物燃料电池与工艺加热炉的热电联产装置，由合成气发生器、换热器、若干固体氧化物燃料电池组以及工艺加热炉组成,所述合成气发生器上的燃料入口通过燃料输入管与燃料源连接,所述合成气发生器上的氧化介质入口通过氧化介质输入管与氧化介质源连接,所述合成气发生器的高温合成气出口通过高温合成气输送管与换热器的高温合成气入口连接,所述换热器的电堆空气入口通过电堆空气输入管与空气源连接,所述换热器的合成气出口连接一合成气输出总管,所述换热器的电堆空气输出口连接一电堆空气输出总管；在所述合成气输出总管和所述电堆空气输出总管上分别设置有若干合成气输入支管和若干电堆空气输入支管,每一合成气输入支管和对应的电堆空气输入支管分别与一台固体氧化物燃料电池组的合成气输入口和电堆空气输入口连接,所有的固体氧化物燃料电池组的乏合成气输出口分别通过一根乏合成气输出支管与乏合成气输出总管连接,所有的固体氧化物燃料电池组的乏空气输出口分别通过一根乏空气输出支管与乏空气输出总管连接；所述乏合成气输出总管和所述乏空气输出总管还分别与工艺加热炉的乏合成气输入口、乏空气输入口连接。

在本发明的一个优选实施例中，在所述工艺加热炉上还设置有调节用燃料输入口和调节用燃烧空气输入口，所述调节用燃料输入口通过调节用燃料输入管与燃料源连接，所述调节用燃烧空气输入口通过调节用燃烧空气输入管与空气源连接。

在本发明的一个优选实施例中,所述的合成气发生器为水烃转化炉或者为部分氧化法合成气发生器，优选为部分氧化法合成气发生器。

在本发明的一个优选实施例中,所述的换热器用来使高温合成气与电堆用空气进行换热，使换热后的合成气与电堆用空气的温度能满足电堆入口的要求。换热器可以为板式或管束式，取决于与处理量、换热量有关的具体工艺设计。

综上所述，本发明用固体氧化物燃料电池与石油化工加热炉进行联合，采用了合成气发生器、换热器、燃料电池组、加热炉多项设备的组合，实现了热电联产、提高燃料经济价值的目标。

附图说明

图1是以固体氧化物燃料电池(sofc)与石油化工加热炉进行热电联产的基本工艺流程图。

图2是0.9mw常规加热炉工艺流程图。

图3是0.9mw加热炉与sofc燃料电池热电联产工艺流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式来详细描述本发明。

参见图1，图1是以固体氧化物燃料电池(sofc)与石油化工加热炉进行热电联产的基本工艺流程图。

图1中所示的固体氧化物燃料电池与工艺加热炉的热电联产装置，由合成气发生器10、换热器20、若干固体氧化物燃料电池组30以及工艺加热炉40组成。

合成气发生器10上的燃料入口11通过燃料输入管50与燃料源连接,合成气发生器10上的氧化介质入口12通过氧化介质输入管60与氧化介质源连接,合成气发生器10的高温合成气出口13通过高温合成气输送管70与换热器20的高温合成气入口21连接。

换热器20的电堆空气入口22通过电堆空气输入管80与空气源连接,换热器20的合成气出口23连接一合成气输出总管90,换热器20的电堆空气输出口24连接一电堆空气输出总管90a。

在合成气输出总管90和电堆空气输出总管90a上分别设置有若干合成气输入支管91和若干电堆空气输入支管91a,每一合成气输入支管91和对应的电堆空气输入支管91a分别与一台固体氧化物燃料电池组30的合成气输入口31和电堆空气输入口32连接,所有的固体氧化物燃料电池组30的乏合成气输出口33分别通过一根乏合成气输出支管110与乏合成气输出总管100连接,所有的固体氧化物燃料电池组30的乏空气输出口34分别通过一根乏空气输出支管210与乏空气输出总管200连接；所述乏合成气输出总管100和所述乏空气输出总管200还分别与工艺加热炉40的乏合成气输入口41、乏空气输入口42连接。

利用上述固体氧化物燃料电池与工艺加热炉的热电联产装置进行固体氧化物燃料电池与工艺加热炉的热电联产方法是：首先通过燃料输入管50和氧化介质输入管60将燃料和氧化介质进入合成气发生器10，用以产生固体氧化物电池发电所需要的、以co和h2为主要成分的高温合成气；生成的高温合成气通过高温合成气输送管70输入到换热器20中，与通过电堆空气输入管80输入到换热器20中电池电化学反应所需要的电堆空气进行换热，使高温合成气及电堆空气的温度均满足固体氧化物燃料电池发电的需要；换热后的合成气以及电堆空气分别通过合成气输出总管90和电堆空气输出总管90a以及若干合成气输入支管91和若干电堆空气输入支管91a输入到各个固体氧化物燃料电池组30进行发电。各个固体氧化物燃料电池组30完成发电反应的乏合成气及乏空气分别通过各自的乏合成气输出支管110、乏空气气输出支管210合并后，再通过乏合成气输出总管100和乏空气输出总管200进入工艺加热炉40中进行燃烧、换热，以充分利用乏合成气及乏空气中剩余的化学能及余热。

上述固体氧化物燃料电池与工艺加热炉的热电联产装置使用的燃料为燃料油、天然气、民用沼气、炼厂管网气、低压瓦斯气、焦炉煤气、荒煤气中的一种或任意两种以上的混合。考虑到硫对燃料电池电极及电解质可能存在的毒害，上述燃料油、天然气、民用沼气、炼厂管网气、低压瓦斯气、焦炉煤气、荒煤气中的含硫量应给与严格控制。

上述固体氧化物燃料电池与工艺加热炉的热电联产装置使用的氧化介质为纯氧、富氧或空气。优选为空气，以降低系统的运行成本。

上述固体氧化物燃料电池与工艺加热炉的热电联产装置的合成气发生器10为水烃转化炉或者为部分氧化法合成气发生器，优选为部分氧化法合成气发生器。其出口的高温合成气温度为800-1300℃。具体出口温度的选择，应满足电堆对合成气组分以及温度的要求，以及对空气入口温度的换热要求。

部分氧化法合成气发生器出口的高温合成气的主要成分为：h2、co、n2、co2以及剩余的ch4、o2等，具体的组分取决于燃料的组分及合成气发生器10的操作温度及压力。其中的n2、co2以及可以通过电堆而不对电堆产生负面影响，而其它组分均可以参与燃料电池发电的电化学反应。

根据燃料电池的性能，进入固体氧化物燃料电池组30的高温合成气中一定比例的h2、co能参与电化学反应，而剩余的未反应的h2、co、ch4等均可以在工艺加热炉40中继续燃烧、继续回收能量。离开固体氧化物燃料电池组30的乏空气中仍然含有剩余的o2，可以继续在工艺加热炉40中作为助燃剂用于燃料燃烧。

为了保证加热炉的热负荷能满足工艺装置可能的调节需要，加热炉中另外设置了调节负荷用的燃烧器，采用独立的调节用燃料输入口43和调节用燃烧空气输入口44，调节用燃料输入口43通过调节用燃料输入管300与燃料源连接，调节用燃烧空气输入口44通过调节用燃烧空气输入管400与空气源连接。可以在工艺装置及燃料电池波动情况下，仍能满足加热炉负荷调节的需要。

上述固体氧化物燃料电池与工艺加热炉的热电联产装置的换热器20用来使高温合成气与电堆用空气进行换热，使换热后的合成气与电堆用空气的温度能满足电堆入口的要求。换热器可以为板式或管束式，取决于与处理量、换热量有关的具体工艺设计。

下面结合图2及图3来进一步说明本发明的具体实施方式。

图2是有效热负荷为0.9mw的工艺加热炉40流程图。在假定工艺加热炉40热效率为90％的情况下，工艺加热炉10需要燃烧1.0mw的燃料来实现0.9mw的热量输出。

图3是采用固体氧化物燃料电池组30与0.9mw加热炉热电联产以后的工艺系统流程图。详述如下。

1.4mw的燃料(燃料油或燃料气)，与适量空气一起进入到部分氧化合成气发生器(也就是前述的合成气发生器10)中，产生的温度为800-1300℃的高温合成气再与电堆空气换热，换热后的合成气和电堆空气分别进入固体氧化物燃料电池组30的阴极与阳极进行发电。假定燃料电池系统的总体发电效率为50％，则本系统的发电量为0.7mw。

固体氧化物燃料电池组30出口的乏合成气以及乏空气中，仍携带着其余的50％能量即0.7mw，能量存在的形式为显热(温度为600到750℃)、以及剩余的化学能(如剩余未反应的h2、co、ch4、o2等)。

上述携带着0.7mw能量的乏合成气和乏空气被送入工艺加热炉40的燃烧器中继续燃烧。为了使乏合成气稳定燃烧，并考虑加热炉及时调节热负荷的需要，加热炉另行补充了0.3mw的燃料气，共同满足加热炉稳定运行的要求。

上述加热炉的总输入能量为(0.7+0.3＝)1.0mw，按照加热炉热效率90％计算，加热炉输出有效热量为0.9mw。

图3所述的热电联产系统的总输入能量为(1.4+0.3＝)1.7mw，输出发电量为0.7mw，加热炉的输出有效热量为0.9mw。上述热电联产系统的总体燃料热效率为(0.7+0.9)/1.7＝94.1％。

图3所述的热电联产系统的意义还在于其产生了高附加值的高位能量。与图2所述的常规加热炉系统相比较，在保证加热炉对外输出热量不变的情况下，热电联产系统：

增加的输入能量为：1.7-1.0＝0.7mw；

增加的发电量为0.7mw；

假定燃料天然气的价格为3.0元/m³,电价为0.7元/度，则系统每小时：

增加的支出为0.7*3600/35.53*3.0＝212.8元；

增加的收入为0.7*1000*1.0*0.7＝490元；

即上述附加系统每小时的毛利润为490-212.8＝277.2元。按8400小时计算，0.9mw加热炉热电联产系统每年能实现的毛利润为232.8万元。

上述示例仅是为说明固体氧化物电池与工艺加热炉进行热电联产的工艺原理，而并非是对所有可能存在的工艺方案的穷举。而诸如电堆空气是否经工艺加热炉预热器预热、电堆空气是否经梯级换热优化、工艺加热炉是否设置燃烧空气预热器等等，这些技术细节均在具体实施过程中根据项目情况另行考虑，不构成对本专利的限制。

应当理解，上述示例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于供本领域技术人员了解本发明的内容并据此决策实施。凡根据本发明的技术方案进行局部修改或者局部等效替换、而未脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应包含在本发明的权利要求范围当中。