一种生物质的燃料电池热电联供系统及其发电方法与流程

本发明涉及生物质的综合利用领域，具体涉及将生物质作为燃料电池的原料进行高效发电与供热的领域，尤其涉及一种生物质的燃料电池热电联供系统及其发电方法。

背景技术：

生物质能源是一种清洁的、可再生的碳中性能源，其资源储量大，分布较为广泛，有利于发展分布式的能源供应系统。生物质能源在利用过程中的污染物排放量及二氧化碳排放量较少，生物质资源的高效利用对于目前我国面临的能源、环境问题提供了解决的方案。生物质中富含c、h、o等元素，将其进行气化可以制备富含一氧化碳及氢气的合成气，该合成气不仅可以用于化工合成还可以作为固体氧化物燃料电池(sofc)的燃料进行高效发电与供热。

sofc的燃料适用性广、运行温度高、发电效率高、清洁无污染，可以以生物质气化制得的合成气为燃料进行高效发电与供热。目前生物质气化有些需要纯氧气的供应，从而加大了成本及提高了系统的复杂性，空气气化则会降低有效气组分、合成气热值及sofc的运行电压。

专利cn201710524024.0公开了一种以生物质气化制氢的燃料电池系统及其发电方法，但是在该专利未解决生物质气化产生的焦油使燃料电池失活的问题。sofc的运行温度通常低于1000℃，为了实现系统温度的匹配通常生物质气化的温度也要小于1000℃；由于生物质中挥发分含量较高，当在低于1000℃生物质气化时合成气中不可避免的会存在焦油，焦油的存在会使得燃料电池迅速的积碳失活，因此亟需开发新的燃料电池系统解决生物质发电中焦油的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种生物质的燃料电池热电联供系统及其发电方法，来解决生物质发电中焦油使燃料电池失活的问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种生物质的燃料电池热电联供系统，包括依次连接的生物质供应单元、生物质气化单元和燃料电池，还包括后燃烧室和用于对生物质进行烘焙处理的生物质烘焙单元；所述生物质供应单元连接所述生物质烘焙单元的生物质进口，所述生物质烘焙单元的生物质出口连接所述生物质气化单元的生物质进口；

所述燃料电池热电联供系统处于稳定运行阶段时，所述生物质气化单元的合成气出口连接所述燃料电池的阳极；所述燃料电池的出气口连接所述后燃烧室的进气口，所述后燃烧室的烟气出口分别连接所述生物质气化单元和所述生物质烘焙单元的烟气进口。

可选的，所述生物质气化单元和所述燃料电池之间还连接有合成气净化单元和合成气预热单元；

所述燃料电池热电联供系统处于稳定运行阶段时，所述生物质气化单元的合成气出口连接所述合成气净化单元的合成气进口，所述合成气净化单元的合成气出口连接所述合成气预热单元的合成气进口，所述合成气预热单元的合成气出口连接所述燃料电池的阳极；

所述后燃烧室的烟气出口还连接所述合成气预热单元的烟气进口。

可选的，所述燃料电池热电联供系统还包括前燃烧室；

所述燃料电池热电联供系统处于稳定运行阶段时，所述生物质烘焙单元的挥发分出口和烟气出口均连接所述前燃烧室的进气口；所述前燃烧室的烟气出口连接所述生物质气化单元的烟气进口。

可选的，所述燃料电池热电联供系统还包括生活用水单元以及依次连接的水供应单元、水泵和水气化过热单元；

所述燃料电池热电联供系统处于稳定运行阶段时，所述水气化过热单元的水蒸气出口连接所述生物质气化单元的水蒸气进口；

所述前燃烧的烟气出口还连接所述水气化过热单元的烟气进口；所述水气化过热单元的烟气出口连接所述生活用水单元的烟气进口。

可选的，所述燃料电池热电联供系统还包括依次连接的空压机、空气净化单元和空气预热单元；

所述燃料电池热电联供系统处于稳定运行阶段时，所述空气预热单元的空气出口连接所述燃料电池的阴极；所述后燃烧室的烟气出口还连接所述空气预热单元的烟气进口。

可选的，所述燃料电池热电联供系统处于稳定运行阶段时，所述后燃烧室的烟气出口连接所述生物质气化单元的烟气进口，所述生物质气化单元的烟气出口连接所述合成气预热单元的烟气进口，所述合成气预热单元的烟气出口连接所述空气预热单元的烟气进口，所述空气预热单元的烟气出口连接所述生物质烘焙单元的烟气进口；

所述燃料电池热电联供系统还包括生物质破碎单元和生物质成型单元，所述生物质供应单元连接所述生物质破碎单元，所述生物质破碎单元连接所述生物质成型单元，所述生物质成型单元连接所述生物质烘焙单元的生物质进口。

可选的，所述燃料电池热电联供系统还包括氮气供应单元和氮气预热单元；

所述燃料电池热电联供系统处于启动阶段时，所述氮气供应单元连接所述氮气预热单元的氮气进口，所述氮气预热单元的氮气出口连接所述燃料电池的阳极，以进行预热；所述空气预热单元的空气出口连接所述燃料电池的阴极，以进行预热；

所述生物质成型单元连接所述前燃烧室的生物质进口，所述空气净化单元连接所述前燃烧室的空气进口；所述前燃烧室的烟气出口连接所述氮气预热单元、空气预热单元、生物质气化单元、生物质烘焙单元的烟气进口，以进行预热。

可选的，所述燃料电池热电联供系统处于启动阶段时，所述前燃烧室的烟气出口分别连接所述空气预热单元和生物质气化单元的烟气进口；所述生物质气化单元的烟气出口连接所述生物质烘焙单元的烟气进口，所述生物质烘焙单元的烟气出口连接所述氮气预热单元的烟气进口。

一种如上所述的生物质的燃料电池热电联供系统的发电方法，所述燃料电池热电联供系统处于预定的稳定运行阶段时，所述发电方法包括以下步骤：

将烟气和生物质输送至生物质烘焙单元，利用烟气对生物质进行烘焙处理；

将烟气和烘焙处理后的生物质输送至生物质气化单元中，所述烘焙处理后的生物质发生气化反应，获得合成气；其中，输送至生物质气化单元的烟气用于为所述气化反应提供热量；

将所述合成气输送至燃料电池进行燃烧发电；

将燃料电池的排气输送至后燃烧室进行燃烧，获得烟气。

可选的，所述燃料电池热电联供系统处于启动阶段时，所述发电方法包括以下步骤：

将生物质输送至生物质破碎单元进行破碎处理，将破碎处理后的生物质输送至生物质成型单元进行成型处理；

将空气输送至空压机进行压缩处理，将压缩处理后的空气输送至空气净化单元进行净化处理；

将净化处理后的空气和成型处理后的生物质输送至前燃烧室进行燃烧，获得烟气；

将前燃烧室排放的烟气和净化处理后的空气输送至空气预热单元，利用烟气对净化处理后的空气预热；将预热后的空气输送至燃料电池的阴极；

将前燃烧室排放的烟气输送至生物质气化单元，使生物质气化单元升温；

将生物质气化单元排放的烟气和成型处理后的生物质均输送至生物质烘焙单元，利用烟气对生物质进行烘焙处理，生物质烘焙单元升温；

将生物质烘焙单元排放的烟气输送至氮气预热单元，利用烟气对氮气预热，将预热后氮气输送至燃料电池的阳极；

检测燃料电池、生物质气化单元和生物质烘焙单元的温度，当燃料电池、生物质气化单元和生物质烘焙单元的温度分别达到其预设值时，切换至所述稳定运行阶段；

所述燃料电池热电联供系统处于稳定运行阶段时，所述发电方法具体包括以下步骤：

将生物质输送至生物质破碎单元进行破碎处理，将破碎处理后的生物质输送至生物质成型单元进行成型处理；

将空气预热单元排放的烟气和成型处理后的生物质输送至生物质烘焙单元，利用烟气对生物质进行烘焙处理；将生物质烘焙单元排放的气体输送至前燃烧室进行燃烧，获得烟气；

将工业用水输送至水泵进行压缩处理；将压缩处理后的工业用水和前燃烧室排放的烟气输送至水气化过热单元，利用烟气对压缩处理后的工业用水进行气化过热处理，获得水蒸气；将水气化过热单元排放的烟气输送至生活用水单元与生活用水进行换热；

将前燃烧室和后燃烧室排放的烟气，以及所述水蒸气和烘焙处理后的生物质，均输送至生物质气化单元；水蒸气和烘焙处理后的生物质发生气化反应获得合成气，烟气用于为所述气化反应提供热量；

将合成气输送至合成气净化单元进行净化处理；将净化处理后的合成气以及生物质气化单元排放的烟气输送至合成气预热单元，利用烟气对净化处理后的合成气预热；

将空气输送至空压机进行压缩处理，将压缩处理后的空气输送至空气净化单元进行净化处理；将净化处理后的空气和合成气预热单元排放的输送至空气预热单元，利用烟气对净化处理后的的空气预热；

将预热后的合成气输送至燃料电池的阳极；将预热后的空气输送至燃料电池的阴极；控制燃料电池进行燃烧发电；

将燃料电池燃烧发电过程中排放的气体，输送至所述后燃烧室进行燃烧，获得烟气。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

采用烟气对生物质进行高温烘焙处理，可以脱除挥发分，从而可以减少合成气中焦油的含量。生物质的气化反应过程不需要纯氧气的制备以及空气的供应，简化了系统工艺及成本。采用燃料电池燃烧后产生的高温的烟气作为生物质烘焙单元和生物质气化单元的热量来源，可以简化工艺流程、提高能量利用效率、降低成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的燃料电池热电联供系统的整体结构示意图。

图2为本发明实施例提供的燃料电池热电联供系统处于启动阶段时的物流示意图。

图3为本发明实施例提供的燃料电池热电联供系统处于稳定运行阶段时的物流示意图。

图示说明：11、生物质供应单元；12、生物质破碎单元；13、生物质成型单元；14、生物质烘焙单元；15、生物质气化单元；16、合成气净化单元；17、合成气预热单元；20、燃料电池；31、前燃烧室；32、后燃烧室；41、空压机；42、空气净化单元；43、空气预热单元；51、水供应单元；52、水泵；53、水气化过热单元；54、生活用水单元；61、氮气供应单元；62、氮气预热单元。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。需要说明的是，当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中设置的组件。

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

本实施例提供了一种生物质的燃料电池热电联供系统，包括启动阶段和稳定运行阶段。当燃料电池热电联供系统刚开始启动时，其处于启动阶段；当燃料电池20升温至600-800℃，生物质气化单元15升温至600-1000℃，生物质烘焙单元14升温至300-700℃时，燃料电池热电联供系统从启动阶段切换至稳定运行阶段。

请参考图1和图2，图1为燃料电池热电联供系统的整体结构示意图。图2为燃料电池热电联供系统处于启动阶段时的物流示意图。图2中的实线箭头为燃料电池热电联供系统处于启动阶段和稳定运行阶段时，物流方向。图1中的虚线箭头(----)为燃料电池热电联供系统仅处于启动阶段时，物流方向，在燃料电池热电联供系统处于稳定运行阶段时这部分物料不再输送。

燃料电池热电联供系统包括燃料电池20，以及依次连接的生物质供应单元11、生物质破碎单元12、生物质成型单元13、生物质烘焙单元14和生物质气化单元15。其中，生物质成型单元13连接生物质烘焙单元14的生物质进口，生物质烘焙单元14的生物质出口连接生物质气化单元15的生物质进口。

生物质经过破碎处理后的粒径<6mm，破碎后的生物质经过成型处理后得到粒径<50mm的球状或棒状生物质。

燃料电池热电联供系统还包括依次连接的空压机41、空气净化单元42和空气预热单元43。其中，空气净化单元42连接空气预热单元43的空气进口，空气预热单元43的空气出口连接燃料电池20的阴极。

燃料电池热电联供系统还包括前燃烧室31、氮气供应单元61和氮气预热单元62。

燃料电池热电联供系统处于启动阶段时，氮气供应单元61连接氮气预热单元62的氮气进口，氮气预热单元62的氮气出口连接燃料电池20的阳极。氮气和空气分别经过预热后输送至燃料电池20的阳极和阴极，对燃料电池20进行预热。

生物质成型单元13连接前燃烧室31的生物质进口，空气净化单元42连接前燃烧室31的空气进口。由此，生物质和空气输送至前燃烧室31进行燃烧以获得可以为其他部件提供热量的高温的烟气。

前燃烧室31的烟气出口分别连接空气预热单元43和生物质气化单元15的烟气进口。生物质气化单元15的烟气出口连接生物质烘焙单元14的烟气进口，生物质烘焙单元14的烟气出口连接氮气预热单元62的烟气进口。由此，烟气为空气预热单元43、生物质气化单元15、生物质烘焙单元14和氮气预热单元62提供热量。前燃烧室31的烟气出口处设有除尘件。

空气预热单元43和氮气预热单元62的烟气出口排出的低温的烟气排空。

综上，燃料电池热电联供系统处于启动阶段时，生物质经过破碎处理和成型处理之后进入前燃烧室31和空气一起进行燃烧反应，获得高温的烟气。经过除尘后，高温的烟气分为两路，一路预热生物质气化单元15，一路预热空气。空气经过预热后温度为600-900℃，高温的空气输送至燃料电池20的阴极对燃料电池20预热。。

由生物质气化单元15排出的高温烟气进入生物质烘焙单元14对生物质进行烘焙处理，生物质烘焙单元14温度<700℃。烟气由生物质烘焙单元14排出后对氮气进行预热，预热后的氮气的温度500-700℃，预热后的氮气输送至燃料电池20的阳极对燃料电池20预热。

待燃料电池20升温至600-800℃，生物质气化单元15升温至600-1000℃，生物质烘焙单元14升温至300-700℃时，燃料电池热电联供系统切换至稳定运行阶段。

请参考图1和图3，图3为燃料电池热电联供系统处于稳定运行阶段时的物流示意图。图1和图3中的点段线箭头(·—·—)和点线箭头(……)均表示燃料电池热电联供系统处于稳定运行阶段时，物流方向，在燃料电池热电联供系统处于启动阶段时，这部分物料不输送。其中，点线箭头表示燃料电池热电联供系统处于稳定运行阶段时，烟气的输送方向。

燃料电池热电联供系统还包括后燃烧室32、合成气净化单元16、合成气预热单元17、生活用水单元54以及依次连接的水供应单元51、水泵52和水气化过热单元53。水泵51和空压机41均电连接燃料电池20。

燃料电池热电联供系统处于稳定运行阶段时，生物质气化单元15的合成气出口连接合成气净化单元16的合成气进口，合成气净化单元16的合成气出口连接合成气预热单元17的合成气进口，合成气预热单元17的合成气出口连接燃料电池20的阳极。合成气和空气经过预热后分别输送至燃料电池20的阳极和阴极进行燃烧发电。其中，合成气为包括一氧化碳和氢气的混合气。

燃料电池20的出气口连接后燃烧室32的进气口。由此，将燃料电池20的排气中未反应的气体进行燃烧反应，获得高温的烟气。

后燃烧室32的烟气出口连接生物质气化单元15的烟气进口，生物质气化单元15的烟气出口连接合成气预热单元17的烟气进口，合成气预热单元17的烟气出口连接空气预热单元43的烟气进口，空气预热单元43的烟气出口连接生物质烘焙单元14的烟气进口。由此，后燃烧室32产生的高温的烟气为生物质气化单元15、合成气预热单元17、空气预热单元43和生物质烘焙单元14提供热量。

生物质烘焙单元14的烟气出口和挥发分出口均连接至前燃烧室31。由此，低温的烟气和生物质在烘焙过程中产生的挥发分进行燃烧反应，获得高温的烟气。

前燃烧室31的烟气出口分别连接水气化过热单元53和合成气气化单元的烟气进口。水气化过热单元53的烟气出口连接生活用水单元54的烟气进口。由此，前燃烧室31产生的烟气主要为水气化过热单元53、合成气气化单元和生活用水单元54提供热量，还为合成气预热单元17、空气预热单元43和生物质烘焙单元14提供热量。

生活用水单元54的烟气出口排出的低温的烟气排空。

综上，燃料电池热电联供系统处于稳定运行阶段时，采用高温的烟气对生物质进行烘焙处理，以脱除其中的挥发分、水分等，减少合成气中焦油的含量以及简化后续合成气的净化工艺。生物质烘焙单元14的温度<700℃，进入生物质烘焙单元14的烟气的温度<800℃

水蒸气和经过烘焙处理后的生物质输送至生物质气化单元15，生物质与水蒸气发生气化反应制备得到一氧化碳和氢气为主的合成气。气化反应为吸热反应，热量来自于前燃烧室31和后燃烧室32产生的烟气。生物质气化单元15为固定床反应器系统或流化床反应器系统，生物质气化单元15的温度<1000℃。

合成气经过合成气净化单元16低温的净化后，合成气中硫的含量<1ppm。经过合成气净化单元16后合成气的温度降至室温，因此在进入燃料电池20的阳极前需要通过合成气预热单元17对其进行预热处理，经过预热后合成气温度550-700℃。

合成气进入燃料电池20的阳极经过发电后未反应的合成气输送至后燃烧室32，与燃料电池20的阴极排出的空气发生燃烧反应，后燃烧室32的温度为1000℃-1200℃。

对生物质烘焙后的烟气与生物质烘焙过程产生的挥发分输送至前燃烧室31进行燃烧反应，产生的高温的烟气一部分为生物质的气化供热，另一部分为水的气化过热及生活用水进行供热，根据生物质气化过程的温度变化规律调节进入到生物质气化单元15的此部分烟气的量。经过过热处理后水蒸气的温度>400℃。

本实施例还提供了生物质的燃料电池热电联供系统的发电方法，燃料电池热电联供系统处于启动阶段时，发电方法包括以下步骤：

将生物质输送至生物质破碎单元12进行破碎处理，将破碎处理后的生物质输送至生物质成型单元13进行成型处理；

将空气输送至空压机41进行压缩处理，将压缩处理后的空气输送至空气净化单元42进行净化处理；

将净化处理后的空气和成型处理后的生物质输送至前燃烧室31进行燃烧，获得烟气；

将前燃烧室31排放的烟气和净化处理后的空气输送至空气预热单元43，利用烟气对净化处理后的空气预热；将预热后的空气输送至燃料电池20的阴极；

将前燃烧室31排放的烟气输送至生物质气化单元15，使生物质气化单元15升温；

将生物质气化单元15排放的烟气和成型处理后的生物质均输送至生物质烘焙单元14，利用烟气对生物质进行烘焙处理，生物质烘焙单元14升温；

将生物质烘焙单元14排放的烟气输送至氮气预热单元62，利用烟气对氮气预热，将预热后氮气输送至燃料电池20的阳极；

检测燃料电池20、生物质气化单元15和生物质烘焙单元14的温度，当燃料电池20、生物质气化单元15和生物质烘焙单元14的温度分别达到其预设值时，切换至所述稳定运行阶段。

其中，燃料电池20的温度预设值为600-800℃，、生物质气化单元15的温度预设值为600-1000℃，和生物质烘焙单元14的温度预设值为300-700℃。预热后的空气温度为600-900℃，预热后的氮气的温度500-700℃。

燃料电池热电联供系统处于稳定运行阶段阶段时，发电方法包括以下步骤：

将生物质输送至生物质破碎单元12进行破碎处理，将破碎处理后的生物质输送至生物质成型单元13进行成型处理；

将空气预热单元43排放的烟气和成型处理后的生物质输送至生物质烘焙单元14，利用烟气对生物质进行烘焙处理；将生物质烘焙单元14排放的气体输送至前燃烧室31进行燃烧，获得烟气；

将工业用水输送至水泵52进行压缩处理；将压缩处理后的工业用水和前燃烧室31排放的烟气输送至水气化过热单元53，利用烟气对压缩处理后的工业用水进行气化过热处理，获得水蒸气；将水气化过热单元53排放的烟气输送至生活用水单元54与生活用水进行换热；

将前燃烧室31和后燃烧室32排放的烟气，以及所述水蒸气和烘焙处理后的生物质，均输送至生物质气化单元15；水蒸气和烘焙处理后的生物质发生气化反应获得合成气，烟气用于为所述气化反应提供热量；

将合成气输送至合成气净化单元16进行净化处理；将净化处理后的合成气以及生物质气化单元15排放的烟气输送至合成气预热单元17，利用烟气对净化处理后的合成气预热；

将空气输送至空压机41进行压缩处理，将压缩处理后的空气输送至空气净化单元42进行净化处理；将净化处理后的空气和合成气预热单元17排放的输送至空气预热单元43，利用烟气对净化处理后的的空气预热；

将预热后的合成气输送至燃料电池20的阳极；将预热后的空气输送至燃料电池20的阴极；控制燃料电池进行燃烧发电；

将燃料电池20燃烧发电过程中排放的气体，输送至所述后燃烧室32进行燃烧，获得烟气。

其中，生物质烘焙单元14的温度<700℃，进入生物质烘焙单元14的烟气的温度<800℃，生物质气化单元15的温度<1000℃，预热后合成气的温度550-700℃。燃料电池20的排气进行燃烧反应时温度为1000℃-1200℃。经过过热处理后水蒸气的温度>400℃。

本实施例提供的燃料电池热电联供系统及其发电方法具有以下有益效果：

1、生物质的气化反应过程不需要纯氧气的制备以及空气的供应，简化了系统工艺及成本，采用燃料电池20燃烧后产生的高温的烟气作为气化反应过程的热量来源，并且为其他单元提供热量，可以简化工艺流程、提高能量利用效率、降低成本。

2、采用燃料电池20排出的高温的烟气对净化后的合成气进行预热，可以提高系统能量利用效率。

3、采用高温的烟气对生物质进行高温烘焙处理，可以脱除挥发分，从而可以减少合成气中焦油的含量。

4、生物质为碳中性资源，利用生物质气化制得的合成气作为燃料电池20的燃料进行高效发电可以减少一氧化碳的排放，并且还可以实现热量的高效利用。

5、生物质烘焙处理过程中产生的挥发分中含有大量的可燃组分，将此部分可燃组分燃烧为生物质的气化反应过程及其其他单元供应热量，进一步提高了系统能量利用效率。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。