一种生物质气化耦合固体氧化物燃料电池的发电系统的制作方法

1.本实用新型属于生物质能源利用技术领域，具体涉及一种生物质气化耦合固体氧化物燃料电池的发电系统。


背景技术：

2.生物质能是太阳能以化学能形式贮存在生物质中以生物质为载体的能量，成为继煤、石油和天然气之后的“第四大能源”。同时，由于生物质能具有碳中和的特性，转化利用的过程中可以实现二氧化碳近零排放，因此，利用生物质能发电具有广阔的前景。然而，由于生物质能较化石能源而言能量密度较低，导致发电效率较低。目前，对于生物质能发电的产业链还不够完善，发电利用方式尚未明确。
3.固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell，sofc)是一种可直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化为电能的能量转化装置。因其整个发电过程为电化学反应，无需经过燃料燃烧，与其他燃料电池相比，sofc具有功率密度高、燃料适应性强、全固态结构、设备简单等优点，可直接使用氢气、烃类(甲烷)、甲醇等作燃料，而不必使用贵金属作催化剂；避免了中、低温燃料电池的酸碱电解质或熔盐电解质的腐蚀及封接问题。
4.现有技术中已经有将生物气化与固体氧化物燃料电池耦合的发电系统，但是，其并未考虑固体氧化物燃料电池自身材料及运行特点，只考虑系统运行时的系统配置，其会存在固体氧化物燃料电池启动时间长，系统的发电效率有待进一步提高等问题。


技术实现要素：

5.因此，本实用新型要解决的技术问题在于克服现有技术中的生物质气化耦合固体氧化物燃料电池的发电系统存在的启动时间长、系统的发电效率有待进一步提高等缺陷，从而提供一种生物质气化耦合固体氧化物燃料电池的发电系统，该发电系统充分考虑了固体氧化物燃料电池的自身特性，实现了生物质气化与固体氧化物燃料电池的深度耦合，提高了发电效率。
6.为此，本实用新型提供如下技术方案：
7.本实用新型提供一种生物质气化耦合固体氧化物燃料电池的发电系统，包括：
8.原料供应系统，用以实现生物质的粉碎和干燥；
9.生物质气化系统，用以实现生物质的气化反应，利用生物质残渣的热量预热空气，回收生物质气的热量和生物质气的净化；
10.蒸汽发生系统，与生物质气化系统连通，为生物质气化系统提供蒸汽；
11.sofc系统，包括sofc电池，混合重整器，尾部燃烧室，空气预热器，来自生物质气化系统的生物质气通过分气阀与混合重整器和尾部燃烧室的进气口连通，尾部燃烧室的气体出口与混合重整器的进气口连通，混合重整器的气体出口分别与空气预热器的烟气进口和sofc电池的阳极连通，sofc电池的阳极气体出口通过分离器与混合重整器的进气口和尾部
燃烧室的进气口连通，空气预热器的烟气出口与蒸汽发生系统连通，蒸汽发生系统的烟气出口与原料供应系统连通，空气预热器的空气出口通过空气分流器ii与原料供应系统和空气分流器iii连通，空气分流器iii的气体出口分别与sofc电池的阴极进气口和尾部燃烧室的进气口连通，sofc电池的阴极气体出口与尾部燃烧室的进气口连通。
12.可选的，所述原料供应系统包括连通设置的碎料机，干燥台，贮料仓，给料机，所述干燥台的进气口通过烟气空气混合器与蒸汽发生器的烟气出口和空气分流器ii连通，烟气空气混合器的气体出口与干燥台的气体进口连通。
13.可选的，所述生物质气化系统包括生物质气化炉，与给料机连通；生物质气化炉的固体出口与热渣换热器连通，空气风机与热渣换热器的气体进口连通，热渣换热器的气体出口通过空气分流器i分别与生物质气化炉和空气预热器连通，生物质气化炉的气体出口依次与热量回收单元和净化单元连通。
14.可选的，所述热量回收单元包括依次连通设置的余热回收装置，集气管初步冷却装置和深度冷却装置。
15.可选的，本实用新型对预热回收装置和深度冷却装置没有特别限制，例如，所述余热回收装置可以为余热锅炉、换热器、吸收式制冷装置等；所述深度冷却装置可以为两段横管冷却器、立管式冷却器或几种冷却器组合。
16.可选的，所述净化单元包括依次连通设置的深度除尘装置，煤气最终净化装置。
17.可选的，本实用新型对深度除尘装置和煤气最终净化装置没有特别限定，只要能够实现除尘和煤气净化即可，例如，所述深度除尘装置为电除尘、二级除尘装置、三级除尘装置等；所述煤气最终净化装置为硫、萘、水分深度脱除装置，或几种装置的叠加。
18.可选的，所述煤气最终净化装置通过生物质气压缩机，生物质气缓冲罐与分气阀连通。
19.可选的，所述蒸汽发生系统包括连通设置的除氧器，给水泵，蒸汽发生器，蒸汽缓冲罐，蒸汽透平，冷凝器，所述冷凝器与除氧器连通，蒸汽发生器的进气口与空气预热器的烟气出口连通，蒸汽发生器的烟气出口与烟气空气混合器连通，所述蒸汽缓冲罐与生物质气化炉连通。
20.可选的，所述尾部燃烧室与混合重整器之间还设置有燃气透平。
21.可选的，所述sofc系统还包括直流交流转换器，与所述sofc电池相连。
22.本实用新型技术方案，具有如下优点：
23.本实用新型提供的生物质气化耦合固体氧化物燃料电池的发电系统，将生物质气化系统与sofc发电系统相耦合，尤其是sofc系统特定连接关系的设置，可根据系统的不同运行阶段调整物料的走向，从而实现生物质能高效发电，系统发电效率60％-70％。
24.本实用新型提供的生物质气化耦合固体氧化物燃料电池的发电系统，通过尾部燃烧室、混合重整器以及sofc电池之间的特定连接关系设置，能够在短暂停机阶段使得sofc电池处于预热阶段，从而缩短电池再启动时间70％-80％。
25.本实用新型提供的生物质气化耦合固体氧化物燃料电池的发电系统，实现排烟尾气温度梯级利用，利用蒸汽发生器排烟尾气进行生物质干燥，排烟温度可低至60℃以下，充分利用气化潜热，系统热效率提升7％-9％。
26.本实用新型提供的生物质气化耦合固体氧化物燃料电池的发电系统，利用尾气余
热产生的蒸汽，一方面作为生物质气化的气化剂，另一部分发电做功，提升系统电效率5％-10％。
27.本实用新型提供的生物质气化耦合固体氧化物燃料电池的发电系统，充分利用了生物质气化炉出口生物质气热量与热渣热量，系统热效率提高5％-10％。
附图说明
28.为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
29.图1为本实用新型的实施例中提供的一种生物质气化耦合固体氧化物燃料电池的发电系统的结构示意图；
30.附图标记说明：
31.1、碎料机；2、干燥台；3、贮料仓；4、给料机；5、生物质气化炉；6、蒸汽缓冲罐；7、热渣换热器；8、余热回收装置；9、集气管初步冷却装置；10、深度冷却装置；11、深度除尘装置；12、煤气最终净化装置；13、生物质气压缩机；14、生物质气缓冲罐；15、分气阀；16、混合重整器；17、尾部燃烧室；18、空气分流器i；19、空气分流器ii；20、空气分流器iii；21、直流交流转换器；22、燃气透平；23、给水泵；24、蒸汽发生器；25、蒸汽透平；26、空气预热器；27、烟气空气混合器；28、空气风机；29、阳极；30、阴极；31、sofc电池；32、分离器；33、除氧器；34、冷凝器。
具体实施方式
32.下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
33.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
34.此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
35.实施例1
36.本实施例提供一种生物质气化耦合固体氧化物燃料电池的发电系统，如图1所示，包括：
37.原料供应系统，用以实现生物质的粉碎和干燥；
38.具体的，所述原料供应系统可以包括连通设置的碎料机1，干燥台2，贮料仓3，给料机4，所述干燥台2的进气口通过烟气空气混合器27与蒸汽发生系统的烟气出口和空气分流
器ii19连通，烟气空气混合器27的气体出口与干燥台2的气体进口连通。
39.生物质气化系统，用以实现生物质的气化反应，利用生物质残渣的热量预热空气，回收生物质气的热量和生物质气的净化；
40.具体的，所述生物质气化系统包括生物质气化炉5，与给料机4连通；生物质气化炉5的固体出口与热渣换热器7连通，空气风机28与热渣换热器的气体进口连通，热渣换热器7的气体出口通过空气分流器i18分别与生物质气化炉5和空气预热器26连通，生物质气化炉5的气体出口依次与热量回收单元和净化单元连通。
41.蒸汽发生系统，与生物质气化系统连通，为生物质气化系统提供蒸汽；
42.具体的，所述蒸汽发生系统包括连通设置的除氧器33，给水泵23，蒸汽发生器24，蒸汽缓冲罐6，蒸汽透平25，冷凝器34，所述冷凝器34与除氧器33连通，蒸汽发生器24的进气口与空气预热器26的烟气出口连通，蒸汽发生器24的烟气出口与烟气空气混合器27连通，所述蒸汽缓冲罐6还与生物质气化炉5连通。
43.sofc系统，包括sofc电池31，混合重整器16，尾部燃烧室17，空气预热器26，来自生物质气化系统的生物质气通过分气阀15与混合重整器16和尾部燃烧室17的进气口连通，尾部燃烧室17的气体出口与混合重整器16的进气口连通，混合重整器16的气体出口分别与空气预热器26的烟气进口和sofc电池31的阳极29连通，sofc电池31的阳极29气体出口通过分离器32与混合重整器16的进气口和尾部燃烧室17的进气口连通，空气预热器26的烟气出口与蒸汽发生系统连通，蒸汽发生系统的烟气出口与原料供应系统连通，空气预热器26的空气出口通过空气分流器ii 19与原料供应系统和空气分流器iii 20连通，空气分流器iii20的气体出口分别与sofc电池31的阴极30进气口和尾部燃烧室17的进气口连通，sofc电池31的阴极30气体出口与尾部燃烧室17的进气口连通。
44.具体的，所述热量回收单元包可以括依次连通设置的余热回收装置8，集气管初步冷却装置9和深度冷却装置10。
45.可选的，本实用新型对预热回收装置和深度冷却装置没有特别限制，例如，所述余热回收装置可以为余热锅炉、换热器、吸收式制冷装置等；所述深度冷却装置可以为两段横管冷却器、立管式冷却器或几种冷却器组合。
46.具体的，所述净化单元可以包括依次连通设置的深度除尘装置11，煤气最终净化装置12。
47.可选的，本实用新型对深度除尘装置和煤气最终净化装置没有特别限定，只要能够实现除尘和煤气净化即可，例如，所述深度除尘装置为电除尘、二级除尘装置、三级除尘装置等；所述煤气最终净化装置为硫、萘、水分深度脱除装置，或几种装置的叠加。
48.在一些可替换的实施方式中，所述煤气最终净化装置12通过生物质气压缩机13，生物质气缓冲罐14与分气阀15连通。
49.在一些可替换的实施方式中，所述尾部燃烧室17与混合重整器16之间还设置有燃气透平22。
50.在一些可替换的实施方式中，所述sofc系统还包括直流交流转换器21，与所述sofc电池31相连。
51.系统说明，生物质通过碎料机1粉碎成粒径均匀的颗粒后，经干燥台2干燥，干燥气体是蒸汽发生器24换热后的烟气与热空气混合气，干燥后的生物质进入贮料仓3。
52.干燥生物质经过给料机4进入生物质气化炉5，空气经过空气风机28、热渣换热器7及空气分流器i18一部分进入生物质气化炉5与蒸汽缓冲罐6中一部分蒸汽一起作为气化剂，生物质在生物质气化炉内发生气化反应，生物质残渣经热渣换热器7对空气进行预热，本阶段将热渣从200℃冷却到50℃；生物质气化炉5出口反应气温度约为600℃，先经余热回收装置8将反应气冷却到200℃，再经集气管初步冷却装置9冷却到90℃，再经深度冷却装置10冷却到20-30℃左右，再经深度除尘装置11除尘，除尘后进入煤气最终净化装置12，脱除生物质气中的硫和萘，之后经过生物质气压缩机13进入生物质气缓冲罐14内存储，由于后续利用设备为sofc电池，因此对燃料的洁净度要求很高，因此这里不仅回收了余热，还对生物质气进行了深度除尘、脱硫，除萘。
53.生物质气经生物质气压缩机13压缩后经分气阀15选择进入到尾部燃烧室17中或进入混合重整器16中加热重整后进入sofc电池的阳极29，其中启动阶段只进入尾部燃烧室17，正常运行阶段只进入混合重整器16。空气分流器i18出口另一部分空气经空气预热器26预热后通过空气分流器ii19一部分进入空气分流器iii20，另一部分进入烟气空气混合器27。空气分流器iii20可选择一部分进入sofc电池的阴极30，作为sofc电池中电化学反应的氧化剂，另一部分进入尾部燃烧室17与sofc电池的阳极29出口气混合在尾部燃烧室17中燃烧，空气分流器iii20进入sofc电池的阴极30和尾部燃烧室17的空气分流比为70％-90％：30％-10％。sofc电池31内阴极阳极气体发生电化学反应，产生电力后经过直流交流转换器21转换成交流电供电用户使用。混合重整器16中尾部燃烧室17出口气体提供热量后进入空气预热器26换热，分离器32出口气体与分气阀15出口生物质气混合重整。sofc电池的阴极30出口气体进入尾部燃烧室17中，sofc电池的阳极29出口气体经分离器32一部分进入混合重整器16，另一部分进入尾部燃烧室17中。分离器32进入混合重整器16的气体比例为55％-75％。尾部燃烧室17内发生燃烧反应，将阳极29出口部分气体未发生完全电化学反应的其他化学能释放出来，尾部燃烧室17出口高温烟气(约为1200℃)先经燃气透平22做功，温度降至600-700℃，再依次经过混合重整器16(温度降至500℃左右)、空气预热器26(温度降至400℃左右)、蒸汽发生器24(温度降至100℃)、烟气空气混合器27(温度升至200℃)以及干燥台2(温度降至60℃)实现梯级换热后，排向大气。
54.给水泵23将除氧器33出口水增压泵入蒸汽发生器24中，在蒸汽发生器24中吸热后变成水蒸气进入蒸汽缓冲罐6中存储，蒸汽缓冲罐6中蒸汽一部分进入到蒸汽透平25做功，进入蒸汽透平25的蒸汽约为50％-70％，另一部分进入到生物质气化炉5作为气化剂。蒸汽做功后进入冷凝器34中冷凝成凝结水，之后进入除氧器33中，与软化水补水一起在除氧器33中除氧。
55.实际使用时，具体操作方法如下：
56.启动阶段：贮料仓3内的干燥生物质经过给料机4进入生物质气化炉5，空气经过空气风机28、热渣换热器7及空气分流器i18一部分进入生物质气化炉5作为气化剂，生物质在生物质气化炉5内发生气化反应，生物质残渣经热渣换热器7对空气进行预热，本阶段将热渣从200℃冷却到50℃；生物质气化炉5出口反应气温度约为600℃，先经余热回收装置8将反应气冷却到200℃，再经集气管初步冷却装置9冷却到90℃，再经深度冷却装置10冷却到20-30℃左右，再经深度除尘装置11除尘，除尘后进入煤气最终净化装置12，脱除生物质气中的硫和萘，之后进入生物质气缓冲罐14内存储。生物质气经生物质气压缩机13压缩后经
分气阀15全部进入到尾部燃烧室17中，空气分流器i18出口另一部分空气经空气预热器26预热后通过空气分流器ii19进入sofc阴极30，对sofc进行流动加热，而后从sofc阴极30出口进入尾部燃烧室17与生物质气发生燃烧，尾部燃烧室17出口高温烟气依次经过混合重整器16、空气预热器26、蒸汽发生器24、烟气空气混合器27以及干燥台2实现梯级换热后，排向大气。软化水进入除氧器33除氧后，经过给水泵23增压进入蒸汽发生器24中，在蒸汽发生器24中吸热后变成水蒸气进入蒸汽缓冲罐6中存储。
57.正常运行阶段：当sofc内运行温度达到800-1000℃时，系统进入正常运行阶段。生物质经过碎料机1破碎后进入干燥台2，在干燥台2内干燥后进入贮料仓3。干燥台2内烟气空气混合器27出口气体放热，放出排烟尾气中水蒸气气化潜热后排向大气。贮料仓3内的干燥生物质经过给料机4后进入生物质气化炉5，蒸汽缓冲罐6内一部分蒸汽进入生物质气化炉5，作为气化剂与生物质在生物质气化炉5内发生气化反应，反应气经余热回收装置8、集气管初步冷却装置9、深度冷却装置10、深度除尘装置11除尘以及煤气最终净化装置12处理后，进入生物质气缓冲罐14内存储，生物质残渣经热渣换热器7对空气进行预热。空气经过空气风机增压、热渣换热器换热后经空气分流器i全部进入空气预热器26中，空气经空气预热器26预热后通过空气分流器ii19一部分进入空气分流器iii20，另一部分进入烟气空气混合器27，空气分流器iii20中一部分进入sofc阴极30，另一部分进入尾部燃烧室17。空气分流器iii20进入sofc阴极30和尾部燃烧室17的空气分流比为70％-90％：30％-10％。生物质气经生物质气压缩机13压缩后进入生物质气缓冲罐14，经分气阀15全部进入到混合重整器16中，与分离器32出口气体混合重整后进入sofc阳极29，sofc内阴极阳极气体发生电化学反应，产生电力后经过直流交流转换器21转换成交流电供电用户使用。混合重整器16中燃气透平22出口气体提供热量后进入空气预热器26换热，分离器32出口气体与分气阀15出口生物质气混合重整。sofc阴极30出口气体进入尾部燃烧室17中，sofc阳极29出口气体经分离器32一部分进入混合重整器16，另一部分进入尾部燃烧室17中。分离器32进入混合重整器的气体比例为55％-75％。尾部燃烧室17内发生燃烧反应，将阳极29出口部分气体未发生完全电化学反应的其他化学能释放出来，尾部燃烧室17出口高温烟气先经燃气透平22做功，后依次经过混合重整器16、空气预热器26、蒸汽发生器24、烟气空气混合器27以及干燥台2实现梯级换热后，排向大气，排烟尾气温度达到60℃以下，充分放出冷凝热。给水泵23将除氧器33出口水增压泵入蒸汽发生器24中，在蒸汽发生器24中吸热后变成水蒸气进入蒸汽缓冲罐6中存储，蒸汽缓冲罐6中蒸汽，部分进入到蒸汽透平25做功，进入蒸汽透平25的蒸汽约为50％-70％。蒸汽做功后进入冷凝器34中冷凝成凝结水，之后进入除氧器33中，与软化水补水一起在除氧器33中除氧。
58.短暂停机预热阶段：生物质经过碎料机1破碎后进入干燥台2，在干燥台内干燥后进入贮料仓3。贮料仓3内的干燥生物质经过给料机4进入生物质气化炉5，蒸汽由蒸汽缓冲罐6内一部分进入生物质气化炉5，作为气化剂与生物质在生物质气化炉5内发生气化反应，反应气经余热回收装置8、集气管初步冷却装置9、深度冷却装置10、深度除尘装置11除尘以及煤气最终净化装置12处理后，进入生物质气缓冲罐14。生物质残渣经热渣换热器7对空气进行预热。生物质气从经生物质气压缩机13压缩进入生物质气缓冲罐14中，经分气阀15全部进入到尾部燃烧室17中，空气经过空气风机28增压、热渣换热器7换热后经空气分流器i18全部进入空气预热器26中，空气预热器26预热后通过空气分流器ii19一部分进入空气
分流器iii20，另一部分进入烟气空气混合器27，空气分流器iii中的气体全部进入sofc阴极30，对sofc进行流动加热，而后从sofc阴极30出口进入尾部燃烧室17与生物质气发生燃烧，尾部燃烧室17出口高温烟气依次经过燃气透平22、混合重整器16、空气预热器26、蒸汽发生器24、烟气空气混合器27以及干燥台2实现梯级换热后，排向大气。软化水进入除氧器33除氧后，经过给水泵23增压进入蒸汽发生器24中，在蒸汽发生器24中吸热后变成水蒸气进入蒸汽缓冲罐中存储。
59.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。