一种将煤气化与SOFC-HAT集成一体的混合动力发电系统

一种将煤气化与sofc-hat集成一体的混合动力发电系统
技术领域
1.本发明涉及发电系统领域，具体涉及一种将煤气化与sofc-hat集成一体的混合动力发电系统。


背景技术：

2.由于石油和天然气需求的增加，化石资源的枯竭，严重的全球变暖，发电及其相关的环境影响已成为全世界的重要问题。如今，电力主要由常规发电技术提供，传统发电技术依靠化石燃料燃烧，除其他有害排放物外，还产生烟尘和含硫化合物。人们普遍认为，化石燃料的燃烧会导致全球变暖和局部空气污染。迫切需要高效的能源系统和新的能源转化过程。
3.作为传统发电系统的新兴替代品-固体氧化物燃料电池(sofc)，它提供了更高的电效率和更低的排放潜力。固体氧化物燃料电池(sofc)的电解质由固态的完全致密的氧化物金属(通常是氧化钇(y2o3)稳定的氧化锆(zro2)或ysz)组成。sofc的阳极通常由镍金属陶瓷制成，例如ni-ysz，而阴极由掺有锰酸镧(lamno3)的锶(sr)制成。sofc中的所有组件都是实体结构，这一事实使得可以构造任何几何形状电池。且sofc主要通过电化学反应氧化燃料的燃料电池也不需要任何形式的nox控制。
4.结合我国能源现状，煤炭仍是可预见的未来支持经济发展的主要能源。尽管目前大多数涉及天然气混合动力装置已被采用，但重要的国际项目仍侧重于开发与煤气化装置集成的混合动力循环(例如，美国能源部的futuregen vision21项目)。


技术实现要素：

5.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种将燃料处理，发电和排放控制技术集合到混合动力系统中，弥补在系统布局和热能梯级利用方面不足的将煤气化(integrated gasification)与固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cells)和湿空气透平(humid air turbine)集成一体的混合动力发电系统。
6.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
7.发明人了解到，固体氧化物燃料电池(sofc)的工作温度范围为600-1000℃，离开sofc的气流的温度非常适合先进的涡轮机械所需的涡轮入口温度(tit)，这使其可以与其他常规热循环结合使用以提高热效率。在燃料电池和燃气轮机(具有简单，回热，或再热循环)形成的热力学系统(sofc-gt)中，sofc来代替燃烧器来氧化燃料，发电并产生热气流，该热气流用于涡轮机发电。sofc可以在加压或常压条件下工作，并通过热交换器与燃气轮机循环进行热交换。
8.为了进一步提高系统效率，使用集成的固体氧化物燃料电池(sofc)和先进的热力学循环技术的协同效应，可以显着提高集成系统的效率，因此被视为使用化石燃料的同时，实现高效率和低排放的关键技术。sofc混合系统的集成策略通常由应用需求决定。在大多数情况下，在这些混合动力系统的设计中首先要考虑效率和排放。
9.hat循环作为21世纪先进动力循环之一，充分利用系统的各种余热和废热，更好的体现系统能量梯级利用原则。且hat循环不需要任何形式的nox控制，因为燃烧空气中存在大量的水蒸气，可最大程度地减少热nox的形成。以上使得sofc-hat联合循环有望在降低环境负荷的情况下实现高能效。
10.将煤炭或生物质资源气化产生合成气，并且在供应到动力块之前从合成气中去除了污染物，将这些燃料与发电系统“整合”在一起，被视为实现vision21st目标的关键技术。
11.本发明将煤气化以产生合成气，并在将气体供应到动力块之前从合成气中除去污染物，通过煤气化系统将化石燃料与发电系统“整合”在一起，使动力循环燃料选择灵活。集成的sofc-hat混合系统有效的从后冷却器和经济器中回收低品位热能，达到热能梯级利用的目的，提升了集成循环的系统效率，具体方案如下：
12.一种将煤气化与sofc-hat集成一体的混合动力发电系统，该系统包括依次循环连接的：
13.粗合成气纯化单元，用于将煤气化产物纯化形成合成气；
14.合成气分离单元，用于分离获取合成气中的氢气；
15.sofc-hat联合单元，具体包括用于产生电能的固体氧化物燃料电池子单元和用于能量回收的湿空气透平子单元；
16.所述的粗合成气纯化单元包括合成气冷却器，该合成气冷却器的进气口与生成粗合成气的煤气化单元相连；所述的固体氧化物燃料电池子单元包括sofc电池堆，所述的合成气分离单元的氢气出口与sofc电池堆的阳极相连；所述的湿空气透平子单元包括湿化器，该湿化器的出水口与合成气冷却器的进水口通过回收水管相连，湿化器的出气口与sofc电池堆的阴极相连。
17.进一步地，所述的粗合成气纯化单元包括依次连接的：
18.合成气冷却器，用于将粗合成气中热量回收；
19.合成气净化器，用于去除粗合成气中的颗粒和硫污染物，比如羰基硫，硫化氢和其他污染物；
20.重整器，用于粗合成气的气体转化，生成合成气。
21.进一步地，所述的合成气冷却器还设有蒸汽出口，该蒸汽出口与重整器连接。高品质回收的热量用于产生蒸汽，中低温余热回收后用于加热进入湿化器的循环水。
22.进一步地，所述的煤气化单元包括依次相连的空气分离装置和气化炉。
23.进一步地，所述的固体氧化物燃料电池子单元包括依次连接的：
24.sofc电池堆，用于产生电能；
25.燃烧室，用于燃烧sofc电池堆剩余的尾气；
26.涡轮，用于将燃烧室产生的热能转化为机械能；
27.回热器，用于预热通往sofc电池堆的湿热空气，并冷却燃烧室产生的尾气；
28.冷凝器，用于进一步冷却燃烧室产生的尾气；
29.烟囱，用于排出燃烧室产生的尾气；
30.回热器的加热出气口与sofc电池堆的阴极相连，回热器的加热进气口与湿化器的出气口相连。所述的冷凝器也有用于冷却的冷却水供给。
31.进一步地，所述的湿空气透平子单元包括依次连接的：
32.压气机，用于提供压缩空气；
33.后冷器，用于冷却压缩空气并回收热量；
34.湿化器，用于增湿并加热空气；
35.后冷器的出气口与湿化器底部的进气口相连；所述的压气机与涡轮相连；湿化器的出水口与冷凝器的出水口均与回收水管相连。
36.进一步地，所述的回收水管与后冷器的进水口相连，后冷器的出水口于湿化器的进水口相连。
37.进一步地，所述的回收水管上设有用于与补充水混合的混合器。
38.进一步地，所述的合成气分离单元包括用于分离氢气和二氧化碳的膜分离装置。
39.进一步地，该膜分离装置的氢气出口与sofc电池堆的阳极相连，膜分离装置的二氧化碳出口与气体捕集和封存装置相连。
40.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
41.(1)本发明结合我国能源资源现状，由煤炭或者生物质等燃料发电的气化(ig)集成系统有望在未来减少能源使用和能源生产对环境的影响；
42.(2)本发明在中央发电和分布式发电过程中，在燃料电池前进行二氧化碳捕获和储存，是控制温室效应的有效手段；
43.(3)本发明中，sofc与先进动力循环结合的混合动力系统，充分考虑了涡轮机排气的热回收，更好的能量梯级利用，优化热量回收并最大化效率。燃料电池主要通过电化学反应氧化燃料，后燃烧室湿空气中存在的大量水蒸气，使得sofc-hat联合循环不需要任何形式的nox控制。
44.(4)本发明中，混合动力系统将燃料处理，发电和排放控制技术集合到该方案，在使用化石燃料时实现更高的效率和更低的排放量(与vision 21st目标保持一致)，且为分布式发电(dg)提供了优势。sofc和燃气轮机的集成作为分布式发电的具有吸引力的替代方案，提供了一种主电源解决策略，该方案可以通过提高效率，可靠性和环境影响的方式来扩大电网。
附图说明
45.图1为实施例中混合动力发电系统原理示意图；
46.图中标号所示：空气分离装置1、气化炉2、合成气冷却器3、合成气净化器4、重整器5、膜分离装置6、sofc电池堆7、压气机8、后冷器9、湿化器10、回热器11、燃烧室12、涡轮13、混合器14、冷凝器15、烟囱16。
具体实施方式
47.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
48.实施例
49.一种将煤气化与sofc-hat集成一体的混合动力发电系统，如图1，该系统包括依次循环连接的：粗合成气纯化单元，用于将煤气化产物纯化形成合成气；合成气分离单元，用
于分离获取合成气中的氢气；sofc-hat联合单元，具体包括用于产生电能的固体氧化物燃料电池子单元和用于能量回收的湿空气透平子单元；
50.粗合成气纯化单元包括合成气冷却器3，该合成气冷却器3的进气口与生成粗合成气的煤气化单元相连；固体氧化物燃料电池子单元包括sofc电池堆7，合成气分离单元的氢气出口与sofc电池堆7的阳极相连；湿空气透平子单元包括湿化器10，该湿化器10的出水口与合成气冷却器3的进水口通过回收水管相连，湿化器10的出气口与sofc电池堆7的阴极相连。
51.粗合成气纯化单元包括依次连接的：合成气冷却器3，用于将粗合成气中热量回收；合成气净化器4，用于去除粗合成气中的颗粒和硫污染物，比如羰基硫cos，硫化氢h2s和其他污染物；重整器5，用于粗合成气的气体转化，生成合成气。合成气冷却器3还设有蒸汽出口，该蒸汽出口与重整器5连接。高品质回收的热量用于产生蒸汽，中低温余热回收后用于加热进入湿化器10的循环水。
52.煤气化单元包括依次相连的空气分离装置1和气化炉2。
53.固体氧化物燃料电池子单元包括依次连接的：sofc电池堆7，用于产生电能；燃烧室12，用于燃烧sofc电池堆7剩余的尾气；涡轮13，用于将燃烧室12产生的热能转化为机械能；回热器11，用于预热通往sofc电池堆7的湿热空气，并冷却燃烧室12产生的尾气；冷凝器15，用于进一步冷却燃烧室12产生的尾气；烟囱16，用于排出燃烧室12产生的尾气；回热器11的加热出气口与sofc电池堆7的阴极相连，回热器11的加热进气口与湿化器10的出气口相连。冷凝器15也有用于冷却的冷却水供给。
54.湿空气透平子单元包括依次连接的：压气机8，用于提供压缩空气；后冷器9，用于冷却压缩空气并回收热量；湿化器10，用于增湿并加热空气；后冷器9的出气口与湿化器10底部的进气口相连；压气机8与涡轮13相连；湿化器10的出水口与冷凝器15的出水口均与回收水管相连。回收水管与后冷器9的进水口相连，后冷器9的出水口于湿化器10的进水口相连。回收水管上设有用于与补充水混合的混合器14。
55.合成气分离单元包括用于分离氢气和二氧化碳的膜分离装置6。该膜分离装置6的氢气出口与sofc电池堆7的阳极相连，膜分离装置6的二氧化碳出口与气体捕集和封存装置相连。
56.该系统通过气化系统将化石燃料与发电系统“整合”在一起，使动力循环燃料选择灵活。sofc-hat联合循环优化热量回收并最大化效率，本发明将燃料处理，发电和排放控制技术集合到混合动力系统中，弥补在系统布局和热能梯级利用方面的不足。
57.本实施例中，空气分离装置1产生的纯氧与煤粉输送到气化炉2中，煤中的可燃成分被部分氧化，气化的产物主要包括一氧化碳(co)，氢气(h2)和少量的碳渣，碳被完全氧化会产生co2以及少量的甲烷。气化炉2为发电厂提供粗合成气，粗合成气的主要成分有h2、co、co2、h2o、ch4、h2s、cos、n2、ar、nh3+hcn。煤气化过程在高温下进行，粗合成气具有较高的显热，粗合成气进入合成气冷却器3，该合成气冷却器3实质上是一系列热交换器。依据“温度对口，梯级利用”的原则对合成气进行热量回收可以有效的提高整个系统的效率。
58.高品质回收的热量用于产生蒸汽，中低温余热回收后用于加热进入湿化器10的循环水。离开合成器冷却器3的粗合成气再进入合成气净化器4，通过一系列清洁装置进行处理，依次除去颗粒，羰基硫(cos)，硫化氢(h2s)硫和其他污染物。净化后的合成气与蒸汽被
送至重整器5发生置换反应，蒸汽重整主要涉及的气体转化：ch4+h2o
→
co+3h2；co+h2o
→
co2+h2，重整后的合成气通过膜分离装置6分离后h2的纯度很高，几乎不含其它气体接近纯氢，送至sofc电池堆7的阳极参与反应，对另一部分气流进行co2捕获或封存。
59.sofc-hat联合单元结合了空气的加湿功能。离开压气机8的空气首先在后冷器9中冷却，然后引入湿化器10，在此处与热水逆流接触，使得一部分水蒸发到空气流中。离开湿化器10的水，通过循环从后冷器9、合成气冷却器3和冷凝器15中回收中低温余热。加湿的空气在回热器11中进行了预热后作为氧化剂提供给sofc电池堆7。添加到空气中的水蒸气会进一步吸收电池中电化学反应释放的热量。来自电池的由贫空气和贫燃料组成的排气被提供给燃烧器12，该燃烧器12实际上可以是sofc系统或燃气轮机的一部分。燃烧室12排出的废气进入涡轮机13做功，涡轮机13的排气供给热回收单元预热湿空气和循环水，最后由烟囱16排入大气。
60.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。