集成太阳能和熔融碳酸盐燃料电池的燃煤复合发电系统

1.本发明属于复合能源发电技术领域，尤其涉及一种集成太阳能和熔融碳酸盐燃料电池的燃煤复合发电系统。


背景技术：

2.火力发电一般是指利用可燃物燃烧时产生的热能来加热水，使水变成高温、高压水蒸气，然后再由水蒸气推动发电机来发电的方式。目前火电系统的效率及煤耗率已达到非常高的水平，由于材料等技术因素的限制，很难进一步提高系统的参数和增大系统容量，节能效果有限。对于风能，太阳能等可再生能源，由于其本身的间歇性需要配备大规模的储能系统才能实现电能的稳定输出。若将不稳定的可再生能源发电与稳定的燃煤发电系统进行集成，则可以同时满足进一步降低火电系统煤耗率和扩大可再生能源发电份额的要求。
3.在熔融碳酸盐燃料电池(mcfc)中，阴极上二氧化碳和氧气与从外电路输送过来的电子结合，生成碳酸根离子；阳极上的燃料则与从电解质隔膜迁移过来的碳酸根离子发生反应，生成二氧化碳和水。因此，mcfc的阴极通过一系列化学反应将燃煤电厂锅炉排烟中的二氧化碳富集到阳极，使二氧化碳浓度提高，降低捕集能耗。其次，mcfc工作温度较高，其排气温度高达650℃，可采用与燃煤机组回热部分进行耦合或增加余热锅炉等方式利用排气余热，使系统效率进一步提高。因此，利用mcfc捕集燃煤电厂锅炉排烟中的二氧化碳，不仅可以减少二氧化碳排放，同时还可以避免传统二氧化碳捕集技术附加能耗较大的问题。
4.将太阳集热场与燃煤发电系统进行集成，利用太阳能替代燃煤发电系统中锅炉部分受热面或回热子系统抽汽的热量，可以使燃煤发电系统的发电煤耗率降低，实现燃煤发电系统的节能减排。此外，由于燃煤发电系统的热惯性较大，可以利用这一特性解决太阳能资源接入电网时，其间歇性和波动性产生的不利影响。相比传统的二氧化碳捕集方式，利用mcfc捕集燃煤发电系统产生的二氧化碳，不仅可以使捕集二氧化碳的能耗降低，而且可以通过利用燃料电池排气的余热方式，获得额外的发电量，从而使整体系统效率升高。
5.如何将熔融碳酸盐燃料电池、太阳集热场集成到传统的火电系统，很多科研工作者进行了大量研究。在专利申请号为cn201510224048.5名为“用熔融碳酸盐燃料电池捕获燃煤电厂co2的系统及方法”的发明专利中，熔融碳酸盐燃料电池的阴极排气在预热完锅炉排烟后，直接排入外界环境，造成了阴极排气的余热浪费；其次熔融碳酸盐燃料电池的阳极排气的余热需要外接余热锅炉、汽轮机、发电机等设备进行利用，系统投资较大，且余热利用的效率较低。在专利申请号为cn201810231411.x名为“一种带蓄能的塔式太阳能光热耦合燃煤发电系统”的专利中，利用太阳能替代燃煤锅炉的部分热负荷，这种集成方式会改变锅炉内部各受热面热负荷，易导致锅炉内部受热面超温等现象，不利于锅炉的安全运行。


技术实现要素：

6.针对目前熔融碳酸盐燃料电池、太阳集热场与传统的火电系统集成时存在的效率、安全问题，本发明提供一种集成太阳能和熔融碳酸盐燃料电池的燃煤复合发电系统，该
系统集成了太阳能和熔融碳酸盐燃料电池，能够显著提高系统循环效率，降低系统煤耗量，且能保证锅炉的运行安全。
7.本发明的技术方案如下：
8.一种集成太阳能和熔融碳酸盐燃料电池的燃煤复合发电系统，其特征在于，该系统包括：
9.燃煤发电系统，其包括锅炉、汽轮机高压缸、汽轮机中压缸、第一换热器、汽轮机低压缸、发电机、凝汽器、凝结水泵、8#加热器、7#加热器、6#加热器、5#加热器、第二换热器、除氧器、给水泵、3#加热器、2#加热器及1#加热器；
10.塔式太阳能集热系统，其包括定日镜场、太阳塔、吸热器、蓄热热罐、蓄热冷罐、第一换热器及第三换热器；
11.以及mcfc捕集二氧化碳系统，其包括烟气处理装置、第一混合器、预热器、熔融碳酸盐燃料电池(mcfc)、直流/交流转换器、第二混合器、预重整器、后燃室、第三换热器、冷凝器、二氧化碳回收单元及第二换热器；
12.所述锅炉的内过热器出口与汽轮机高压缸进口相连，汽轮机高压缸出口与锅炉内再热器进口相连，锅炉内再热器出口与汽轮机中压缸相连，汽轮机中压缸、第一换热器、汽轮机低压缸、凝汽器、凝结水泵依次相连；凝结水泵出口分为两条支路，一条支路为凝结水泵、第二换热器、除氧器依次相连；另一条支路为凝结水泵、8#加热器、7#加热器、6#加热器、5#加热器、除氧器依次相连；除氧器、给水泵、3#加热器、2#加热器、1#加热器、锅炉给水进口依次相连；汽轮机高压缸设有两段抽汽，分别与1#加热器、2#加热器相连；汽轮机中压缸设有两段抽汽，分别与3#加热器、除氧器相连；汽轮机低压缸设有四段抽汽，分别与5#加热器、6#加热器、7#加热器、8#加热器相连；发电机与汽轮机高压缸、汽轮机中压缸、汽轮机低压缸同轴连接；
13.所述定日镜场将太阳能发射到位于太阳塔顶部的吸热器表面，吸热器、蓄热热罐、第一换热器和蓄热冷罐通过管道相连形成回路，蓄热冷罐、第三换热器、蓄热热罐依次连接形成旁路；
14.所述锅炉的排烟出口与烟气处理装置、第一混合器、预热器依次相连，预热器与mcfc阴极入口相连，mcfc阴极出口与预热器、第二换热器依次相连；第二混合器、预重整器、mcfc阳极进口依次相连；
15.所述mcfc的阳极出口排气分两部分，一部分与第二混合器相连，一部分与后燃室相连，后燃室和第三换热器相连，第三换热器出口排气分为两部分，一部分与后燃室相连，一部分与冷凝器、二氧化碳回收单元依次相连，mcfc的输出端与直流/交流转换器相连。
16.进一步的，所述燃煤发电系统、塔式太阳能集热系统和mcfc捕集二氧化碳系统相互耦合连接。
17.进一步的，所有加热器均采用逐级自流疏水方式。
18.本发明同时将塔式太阳能集热系统和mcfc捕集二氧化碳系统，利用太阳能加热汽轮机低压缸进口蒸汽，提高低压缸进口蒸汽温度，能够显著提高系统循环效率，降低系统煤耗量，且对锅炉的运行无不利影响。本发明通过换热器将mcfc阳极排气的余热储存在蓄热系统中，能够省去余热锅炉、汽轮机、发电机等设备，简化了余热利用系统、降低系统建造成本；可同时缩减太阳能集热场的规模，降低太阳能集热系统的建造成本并降低太阳能波动
性对系统的不利影响。
附图说明
19.图1为集成太阳能和熔融碳酸盐燃料电池的燃煤复合发电系统的组成示意图。
20.图中：1
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锅炉，2
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汽轮机高压缸，3
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汽轮机中压缸，4
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第一换热器，5
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汽轮机低压缸，6
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发电机，7
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凝汽器，8
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凝结水泵，9
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8#加热器，10
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7#加热器，11
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6#加热器，12
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5#加热器，13
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第二换热器，14
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除氧器，15
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给水泵，16
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3#加热器，17
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2#加热器，18
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1#加热器，19
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烟气处理装置，20
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第一混合器，21
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预热器，22
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mcfc，23
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直流/交流转换器，24
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第二混合器，25
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预重整器，26
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后燃室，27
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第三换热器，28
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冷凝器，29
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二氧化碳回收单元，30
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定日镜场，31
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太阳塔，32
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吸热器，33
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蓄热热罐，34
‑
蓄热冷罐。
具体实施方式
21.下面结合具体实施例及附图对本发明做进一步详细说明。
22.如图1所示，一种燃煤复合发电系统，包括燃煤发电系统、塔式太阳能集热系统、mcfc捕集二氧化碳系统，三个系统相互耦合连接。
23.燃煤发电系统，其包括锅炉1、汽轮机高压缸2，汽轮机中压缸3，第一换热器4，汽轮机低压缸5，发电机6，凝汽器7，凝结水泵8，8#加热器9、7#加热器10、6#加热器11、5#加热器12，第二换热器13，除氧器14，给水泵15，3#加热器16，2#加热器17及1#加热器18。
24.塔式太阳能集热系统，其包括定日镜场30、太阳塔31、吸热器32、蓄热热罐33、蓄热冷罐34、第一换热器4及第三换热器27。
25.mcfc捕集二氧化碳系统，其包括烟气处理装置19，第一混合器20，预热器21，mcfc(熔融碳酸盐燃料电池)22，直流/交流转换器23，第二混合器24，预重整器25，后燃室26，第三换热器27，冷凝器28，二氧化碳回收单元29及第二换热器13。
26.锅炉1内过热器出口与汽轮机高压缸2的进口相连，汽轮机高压缸2的出口与锅炉内再热器进口相连，锅炉内再热器出口与汽轮机中压缸3相连，汽轮机中压缸3、第一换热器4、汽轮机低压缸5、凝汽器7、凝结水泵8依次相连；凝结水泵8出口分为两条支路，一条支路为凝结水泵8、第二换热器13、除氧器14依次相连；另一条支路为凝结水泵8、8#加热器9、7#加热器10、6#加热器11、5#加热器12、除氧器14依次相连。除氧器14、给水泵15、3#加热器16、2#加热器17、1#加热器18、锅炉给水进口依次相连。汽轮机高压缸2设有两段抽汽，分别与1#加热器18、2#加热器17相连。汽轮机中压缸3设有两段抽汽，分别与3#加热器16、除氧器14相连。汽轮机低压缸5设有四段抽汽，分别与5#加热器12、6#加热器11、7#加热器10、8#加热器9相连。发电机6与汽轮机高压缸2、汽轮机中压缸3、汽轮机低压缸5同轴连接。
27.定日镜场30将太阳能发射到位于太阳塔31顶部的吸热器32表面，吸热器32、蓄热热罐33、第一换热器4和蓄热冷罐34通过管道相连形成回路，蓄热冷罐34、第三换热器27、蓄热热罐33依次连接形成旁路。
28.锅炉1的排烟出口与烟气处理装置19、第一混合器20、预热器21依次相连，预热器21与mcfc22的阴极入口相连，mcfc22的阴极出口与预热器21、第二换热器13依次相连，第二混合器24、预重整器25、mcfc22的阳极进口依次相连。
29.mcfc22的阳极出口排气分两部分，一部分与第二混合器24相连，一部分与后燃室
26相连，后燃室26和第三换热器27相连，第三换热器27的出口排气分为两部分，一部分与后燃室26相连，一部分与冷凝器28、二氧化碳回收单元29依次相连，mcfc22的输出端与直流/交流转换器23相连。
30.本发明集成太阳能和熔融碳酸盐燃料电池的燃煤复合发电系统的工作过程如下：
31.来自锅炉1的过热蒸汽进入汽轮机高压缸2进行膨胀做功后，回到锅炉1中继续进行再热，再热后的再热蒸汽进入汽轮机中压缸3进行膨胀做功。汽轮机中压缸3出口的蒸汽进入第一换热器4，吸收熔融盐释放的热量，温度升高。随后，进入汽轮机低压缸5继续膨胀做功。发电机6在汽轮机高压缸2、汽轮机中压缸3、汽轮机低压缸5的带动下进行发电。汽轮机低压缸5出口的乏汽进入凝汽器7中进行放热、凝结。凝结水经过凝结水泵8升压，一部分依次经过8#加热器9、7#加热器10、6#加热器11、5#加热器12吸收汽轮机低压缸5抽汽热量；另一部分进入第二换热器13，在第二换热器13中吸收mcfc阴极排气释放的热量，温度升高。随后，两部分汇合在一起，依次经过除氧器14、给水泵15、3#加热器16、2#加热器17、1#加热器18回到锅炉1继续吸热，变为过热蒸汽。汽轮机高压缸2设有两段抽汽，分别与1#加热器18、2#加热器17相连。汽轮机中压缸3设有两段抽汽，分别与3#加热器16、除氧器14相连。汽轮机低压缸5设有四段抽汽，分别与5#加热器12、6#加热器11、7#加热器10、8#加热器9相连。
32.在塔式太阳能集热系统中，定日镜场30将太阳能发射到位于太阳塔31顶部的吸热器32的表面。来自蓄热冷罐34的熔融盐经过吸热器32吸热升温后进入蓄热热罐33中储存，根据系统负荷，一部分熔融盐从蓄热热罐33流出，进入第一换热器4中加热汽轮机中压缸3出口的蒸汽，放热后的熔融盐进入蓄热冷罐34中进行储存。此外，为了回收mcfc22阳极排气的热量，部分熔融盐从蓄热冷罐34中流出，进入第三换热器27中回收mcfc22阳极排气的热量后，进入蓄热热罐33中进行储存。
33.来自锅炉1的烟气在烟气处理装置19中经过脱硫、除尘等过程后，进入第一混合器20中与空气混合，随后进入预热器21中被mcfc22阴极排气加热、升温。来自预热器21的烟气，进入mcfc22的阴极。在mcfc22的阴极中，烟气中的二氧化碳发生电化学反应形成碳酸根离子，产生的碳酸根离子进入mcfc22的阳极。反应后的烟气，从mcfc22的阴极出口排出，进入预热器21预热锅炉烟气，最后进入第二换热器13中预热凝结水，换完热后的mcfc22阴极排气排入外界环境中。燃料在第二混合器24中与一部分mcfc22阳极排气混合后，依次进入预重整器25，mcfc22的阳极。在mcfc22的阳极，与碳酸根离子发生电化学反应生成二氧化碳和水。mcfc22的阳极排气分为两部分，一部分进入第二混合器24与燃料混合，另一部分进入后燃室26进行纯氧燃烧，消耗未反应的燃料。后燃室26的排气进入第三换热器27中加热熔融盐。换完热的排气分为两部分，一部分回到后燃室26控制反应温度，另一部分进入冷凝器28冷凝，分离出水，得到高纯度二氧化碳气体。最后进入二氧化碳回收单元29进行回收。直流/交流转换器23与mcfc22相连，输出电能。
34.以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。