回收率的mcfc复合动力系统及运行方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于熔融碳酸盐燃料电池（MCFC)复合动力系统技术领域，特别涉及一种 可调节0) 2回收率的MCFC复合动力系统及运行方法。
【背景技术】
[0002] 温室气体过量排放加剧了温室效应，作为最主要的温室气体，0)2的减排已经引起 了全球的广泛关注。传统的发电方式因为受到卡诺循环的限制，发电效率较低，而且捕集 C0 2会使效率进一步下降。而熔融碳酸盐燃料电池（MCFC)产电是通过电化学反应过程，突破 了卡诺循环效率的限制，并且其排气温度高，易于与其它系统集成，进一步提高系统效率。 同时利用ITM低能耗制得的纯氧可使未反应燃料气体完全燃烧生成0) 2和H 20,易于分离， 可最大程度避免空气中N2对于排气中CO 2的掺混，使CO 2捕集能耗大幅降低。
【发明内容】
[0003] 本发明提供了一种可调节〇)2回收率的MCFC复合动力系统及运行方法，通过将 MCFC阴、阳极排气分流避免排气中C0 2由于1掺混造成分离能耗过高的问题，并利用ITM 制氧能耗低的优势，进一步降低复合动力系统总能耗，减少MCFC复合动力系统因为回收C0 2 所带来的效率惩罚，同时通过增设MCFC阴极排气循环，可实现复合动力系统0)2回收率的 调节。
[0004] 本发明所述的复合动力系统采用的技术方案为：
[0005] 第一路空气管道依次与第三换热器、第四换热器、第二混合器、第二换热器连接 后，接入MCFC电池堆的阴极；第二路空气管道依次与空气压缩机、第一换热器连接后，接入 ITM单元的原料侧，第一换热器设置在后燃室中；燃料管道依次与第一混合器、预重整器连 接后，接入MCFC电池堆的阳极；
[0006] MCFC电池堆的阳极排气口与第一分离器连接，然后分为两路，分别与第一混合器、 后燃室连接；MCFC电池堆的阴极排气口与第二分离器连接，然后分为两路，一路与余热锅 炉及汽轮机系统连接，另一路与第二混合器连接；
[0007] 后燃室的出口与第二换热器连接后，接入第三分离器，然后分为两路，分别与余热 锅炉及汽轮机系统、第二混合器连接；
[0008] ITM单元的原料侧出口依次与空气透平、第四换热器连接后，废气排入大气；ITM 单元的渗透侧出口接回后燃室；
[0009] 余热锅炉及汽轮机系统的排气口依次与第三换热器、冷凝器、三级间冷二氧化碳 压缩机连接；
[0010] MCFC电池堆的输出端通过直流/交流转换器与第一发电机连接。
[0011] 所述ITM单元中氧离子传输膜使用无孔、混合导电、具有电子和离子传导性的陶 瓷膜，其运行温度为900°C ;ITM单元原料侧进气为高温高压空气，出口为贫氧空气，渗透侧 出口为纯氧；ITM单元原料侧与渗透侧氧气分压力比为6. 3。
[0012] 所述三级间冷二氧化碳压缩机由三级压缩机、冷却器串联组成。
[0013] 所述余热锅炉及汽轮机系统与第二发电机连接。
[0014] 所述空气透平与第三发电机连接。
[0015] 本发明提供的一种所述集成ITM可调节0)2回收率的MCFC复合动力系统的运行 方法，其过程为：
[0016] 常温下的燃料在第一混合器中与MCFC电池堆阳极循环回来的部分排气混合预 热，并进入预重整器中发生预重整反应，随后进入MCFC电池堆的阳极提供阳极反应气体； 常温下的第一路空气依次经过第三换热器、第四换热器换热后，在第二混合器中与MCFC电 池堆阴极循环回来的部分排气及后燃室部分排气混合进一步预热，随后经第二换热器加热 到650°C后进入MCFC电池堆阴极提供阴极反应气体；
[0017] MCFC电池堆的阳极排气经第一分离器分成两路：一路进入第一混合器预热燃料 并防止重整过程中积碳，另一路进入后燃室燃烧剩余的未反应气体;MCFC电池堆的阴极排 气经第二分离器分成两路：一路循环回电池堆前的第二混合器中预热空气同时调节系统 C02回收率，另一路进入余热锅炉及汽轮机系统回收余热后排入大气；MCFC电池堆的输出端 驱动第一发电机发电；
[0018] 常温下的第二路空气经空气压缩机压缩后进入后燃室内部的换热器加热到 900°C，随后通入ITM单元原料侧入口，ITM单元原料侧出口的贫氧空气经空气透平膨胀做 功后与第四换热器进行换热，ITM单元渗透侧出口的纯氧进入后燃室；后燃室出口排气与 第二换热器换热降温后经第三分离器分成两路：一路进入第二混合器提供MCFC电池堆阴 极反应气体C0 2，另一路进入余热锅炉及汽轮机系统回收余热，余热锅炉及汽轮机系统尾气 分别经第三换热器换热、冷凝器析出水后进入三级间冷二氧化碳压缩机，制备液态C0 2。
[0019] 所述空气压缩机出口处压力为30atm。
[0020] 本发明的有益效果为：
[0021] 熔融碳酸盐燃料电池（MCFC)产电过程是电化学反应，不受卡诺循环效率的限制， 效率高，利用其高温排气与蒸汽循环集成可进一步提高发电效率；采用制氧能耗低的ITM 产生纯氧使电池未反应气体完全燃烧生成〇) 2和H 20,其中一部分可用于提供电池阴极反应 所需气体，另一部分可经过简单的冷凝析出水分得到高纯C0 2气体用于压缩液化存储；通过 增设MCFC阴极循环可调节整个复合动力系统的0)2回收率。
【附图说明】
[0022] 图1为不回收0)2的MCFC复合动力基准系统结构示意图。
[0023] 图2为本发明所述集成ITM可调节0)2回收率的MCFC复合动力系统结构示意图。
[0024] 图中标号：
[0025] 1-第一混合器；2-预重整器；3-第一分离器；4-MCFC电池堆；5-直流/交流转换 器；6-第一发电机；7-后燃室；8-第一换热器；9-第二分离器；10-第二换热器；11-第三 分离器；12-余热锅炉及汽轮机系统；13-第二发电机；14-第三换热器；15-第四换热器； 16-第二混合器；17-冷凝器；18-三级间冷二氧化碳压缩机；19-空气压缩机；20-ITM单元； 21-空气透平；22-第三发电机。
【具体实施方式】
[0026] 本发明提供了一种可调节0)2回收率的MCFC复合动力系统及运行方法，下面通过 附图和【具体实施方式】对本发明做进一步说明。
[0027] 基准系统为不回收C02系统，其结构图如图1所示。燃料与循环回来的部分阳极排 气在第一混合器1混合后进入预重整器2重整，随后进入MCFC电池堆4的阳极，空气与循 环回来的部分后燃室排气在第二混合器16混合后经第二换热器10预热，随后进入MCFC电 池堆4的阴极，电池堆内部发生电化学反应，通过直流/交流转换器5及第一发电机6输出 电能。此后阳极排气经第一分离器3分成两路：一路循环回第一混合器1预热燃料并防止 重整积碳，另一路和阴极排气一起送入后燃室7燃烧。燃烧排气经过第二换热器10降温后 分成两路：一路循环回第二混合器16预热空气同时提供电池堆阴极反应所需的C0 2，另一 路进入余热锅炉及汽轮机系统12回收余热产生蒸汽推动汽轮机产功，通过第二发电机13 输出电能，最后低温排气直接排入大气。
[0028] 本发明基于基准系统，提出集成ITM可调节0)2回收率的MCFC复合动力系统，结 构图如图2所示。燃料与循环回来的部分阳极排气在第一混合器1