一种室温阳极尾气循环SOFC发电系统及其运行方法与流程

本发明涉及固体氧化物燃料电池，具体涉及一种室温阳极尾气循环固体氧化物燃料电池发电系统及其运行方法。

背景技术：

1、固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell，简称sofc)是一种不经过燃烧过程直接以电化学反应方式将燃料的化学能直接转化为电能的高效发电装置，在分布式电源领域具有广泛应用前景。

2、常规的以天然气为燃料的sofc发电系统主要包括sofc电堆、燃料处理系统、空气供应系统、去离子水(水蒸汽)系统、尾气燃烧系统、换热系统等。其中，燃料处理系统包括常温脱硫器、重整器(预重整器)及燃料预热器，天然气经常温脱硫器脱硫后，与去离子水(水蒸汽)系统产生的高温水蒸气混合，进入重整器(预重整器)发生催化重整反应，产生满足sofc电堆组分要求的燃料。常规的以天然气为燃料的sofc发电系统非常依赖于去离子水(水蒸汽)系统，一旦发生水源中断、水泵故障、水质不满足要求、流量不满足要求等情况，都会引起重整器(预重整器)、sofc电堆的故障；此外，由于城市天然气管网中的燃气组分波动，天然气的热值波动有可能高达10-15％，常规的sofc发电系统在额定发电状态下sofc电堆的燃料利用率在70-85％，当天然气的热值在某个时间段内下降了10％-15％，sofc电堆实际的燃料利用率可能超过95％，电堆内部部分区域存在着欠燃料、电流密度和温度差异过大等现象，加速了sofc电堆的衰减；另一方面，如果天然气的热值在某个时间段内上升了10-15％，多余的可燃组分进入到燃烧器中燃烧可能引起燃烧器、换热器超温，对电堆造成热冲击、影响电堆寿命。

3、为解决以上问题，可采用阳极尾气循环工艺，将sofc电堆阳极尾气中的一部分与系统入口的新鲜天然气混合重新进入燃料处理系统、送入sofc电堆参与电化学反应。阳极尾气循环的优点是：①充分利用了电堆阳极尾气中未完全反应的可燃组分，有助于提高系统发电效率，高循环比有效降低了sofc系统对天然气热值波动的敏感性；②循环利用阳极尾气中的水蒸气，参与重整(预重整)反应，使系统在额定发电条件下摆脱了对给水的依赖，提高了系统热效率、降低了系统复杂程度和体积。但是，由于电堆阳极尾气温度高，现有技术可靠、工作寿命长的气体循环风机工作温度普遍在100℃以下，很难兼顾阳极尾气循环和水蒸气的循环，这是限制阳极尾气循环sofc发电系统工程化的最主要因素。

4、因此，优化阳极尾气循环工艺架构、降低阳极尾气循环风机的工作温度、解决好低温条件下阳极循环尾气中水蒸气的循环利用等问题，开发出室温阳极尾气循环sofc发电系统将成为sofc发电技术的发展方向。

技术实现思路

1、为解决常规尾气循环固体氧化物燃料电池发电系统对高温阳极循环风机的依赖、系统复杂、成本高、可靠性低等技术问题，本发明提供如下技术方案：

2、本发明的第一目的在于提供一种室温阳极尾气循环sofc发电系统及其运行方法，该系统主要包括sofc电堆、燃料预热器、蒸汽发生器、二级空气预热器、预重整器、汽水分离器、常温脱硫器、室温阳极尾气循环风机、鼓风机、去离子水装置、去离子水泵、燃烧器和相关管道、阀门、分离器、混合器、保温材料等。该系统采用室温阳极尾气循环工艺，利用二级空气预热器、汽水分离器、室温阳极尾气循环风机实现了sofc电堆出口阳极尾气的室温循环利用，有效降低了阳极尾气循环风机的工作温度，扩大了阳极尾气循环风机的选材范围、提高了阳极尾气循环风机的可靠性、提升了系统稳定性、降低了系统成本；另一方面，配合去离子水泵、蒸汽发生器实现了阳极循环尾气中水蒸气的循环利用，使系统在额定运行工况下摆脱了对外界供水的依赖，提高了系统的稳定性；此外，特殊的系统架构设计，在满足sofc系统内各部件工作温度、热量需求的前提下最大限度的利用了高温烟气中的热量，提高了系统电效率和热效率；相对于常规的sofc发电系统，该系统简单、可靠性高、具有很高的可操作性。

3、优选的，所述系统采用室温阳极尾气循环工艺，sofc电堆阳极出口的高温阳极尾气经电堆阳极出口气体管道上的分离器分离，一部分进入燃烧器进行燃烧，为系统其它部件提供热量，另一部分在室温阳极尾气循环风机的作用下进入到二级空气预热器中的低温段，与二级空气预热器中的常温空气换热，电堆阳极尾气降低至接近室温并产生冷凝水，接近室温的电堆阳极尾气在室温阳极尾气循环风机的作用下与脱硫后的室温天然气混合，混合后的燃料再与系统中新产生的高温水蒸气混合，一同进入预重整器，然后经高温烟气加热后进入到sofc电堆阳极进行发电，从而实现阳极尾气的循环利用，室温阳极尾气循环工艺有效降低了阳极尾气循环风机的工作温度，提高了阳极循环工艺的可行性，从而降低了系统成本，提高了sofc系统的电效率和热效率；另一方面阳极尾气循环降低了sofc电堆对于天然气热值波动的敏感性，有助于延长sofc电堆使用寿命。

4、优选的，所述一部分高温阳极循环尾气经二级空气预热器低温段的常温空气冷却后产生冷凝水，冷凝水在汽水分离器中分离后进入到去离子装置，去离子水在去离子水泵的作用下进入到蒸汽发生器，被高温烟气加热后产生高温水蒸气，高温水蒸气经管道与脱硫后的天然气、室温阳极尾气循环风机出口的电堆阳极循环尾气充分混合，再进入到预重整器中进行预重整反应。

5、优选的，所述高温水蒸气管道、高温水蒸气与脱硫后的天然气及循环的阳极尾气的混合器、预重整器入口的气体管道均在sofc系统的热区内，受热区其他高温部件的辐射加热，有效防止了水蒸气的降温、冷凝，同时确保了预重整器入口混合气体的温度不低于450℃，保证了预重整反应的顺利进行。

6、优选的，所述预重整器采用填充床式催化反应器，预重整器内填充ni基预重整催化剂，预重整器入口的混合燃料(含脱硫后的天然气、水蒸气、循环阳极尾气)不低于450℃，混合燃料在预重整催化剂的催化作用下天然气中的乙烷、丙烷、丁烷等高碳烃与水蒸气发生重整反应，产生甲烷、co、co2等，预重整器出口的混合燃料中乙烷、丙烷、丁烷等高碳烃的含量降至0.1ppm以下，以满足sofc电堆的要求；预重整器在sofc热区内，通过表面与其他高温部件进行辐射换热，以保证预重整反应的效果。

7、优选的，所述sofc电堆阳极出口的一部分高温阳极尾气和阴极出口的全部高温空气进入到所述燃烧器中混合、燃烧，产生的高温烟气依次进入燃料预热器、蒸汽发生器、二级空气预热器，最终进入烟气余热回收系统。

8、优选的，所述去离子水泵具有计量功能，通过控制水泵的转速可以控制进入到蒸汽发生器中的去离子水的流量；此外，所述汽水分离器设置了补水口，sofc系统从室温启动至满负荷发电的过程中sofc电堆阳极出口的循环阳极尾气中不含水蒸气或者水蒸气的量不能满足sofc系统的正常运行，则需通过汽水分离器上的补水口补充去离子水，通过控制去离子水泵转速精准控制蒸汽发生器出口的水蒸气量，以满足sofc系统的正常运行。

9、优选的，所述二级空气预热器包含高温段和低温段，低温段有高温循环阳极尾气入口、循环阳极尾气出口、室温空气入口，高温段有高温烟气入口、烟气出口、高温空气出口；高温循环阳极尾气进入二级空气换热器的低温段，与常温空气换热后降温至接近室温并产生冷凝水，常温空气吸热升温后进入到二级空气预热器的高温段与高温烟气进行换热，空气被加热至目标温度然后进入到sofc电堆阴极参与电化学反应。

10、优选的，所述进入到蒸汽发生器的去离子水与高温烟气换热后产生的高温水蒸气，其温度应能确保高温水蒸气与脱硫后的常温天然气、接近室温的循环阳极尾气混合后温度不低于450℃，以到达预重整器入口燃料温度要求；

11、本发明的第二目的在于提供一种室温阳极尾气循环sofc发电系统的运行方法，其特征在于：①系统启动时，关闭室温阳极尾气循环风机、关闭去离子水泵，向系统燃气管道内通入一定流量的天然气，启动鼓风机向系统内供入一定流量的空气，脱硫后的天然气与空气分别在燃料预热器、二级空气预热器中被燃烧器出口的高温烟气加热，然后进入sofc电堆，通过控制系统入口的天然气流量、空气流量来调节燃烧器出口烟气的流量和温度，以控制进入sofc电堆入口的燃料、空气温度，从而控制好sofc电堆的升温速率；②当sofc电堆温度以设定的温升速率升至目标温度时，通过汽水分离器上的补水口向其注入去离子水，打开去离子水泵，通过调节去离子水泵的转速控制好高温水蒸气的量，以满足sofc系统的需求；打开室温阳极尾气循环风机，调整进入sofc系统的天然气流量、空气流量，以满足sofc电堆的温升需求；③当sofc电堆温度以设定的温升速率升至新的目标温度、天然气流量、空气流量及系统各点温度达到目标值时，sofc系统开始发电，发电功率逐渐增加至额定功率；期间，发电功率达到某特定值时，停止向汽水分离器中补充去离子水；④sofc发电系统以额定功率发电运行过程中，根据各点的温度值调整天然气、空气的流量，以保证sofc系统的安全、稳定运行；⑤需要降低sofc系统的发电负荷时先降低发电功率、然后改变天然气流量、空气流量等；需要提高sofc系统的发电负荷时先改变天然气流量、空气流量，然后提高发电功率；⑥sofc发电系统停止发电、按照一定的降温速率降低至室温的过程与sofc发电系统发电、升温的相关操作过程相反。

12、与现有技术相比，本发明的优点在于：室温阳极尾气循环sofc发电系统，①采用室温阳极尾气循环工艺，sofc电堆阳极出口的高温阳极循环尾气在二级空气预热器中被大量的常温空气冷却，阳极循环尾气降温至接近室温然后进入室温阳极尾气循环风机，该工艺有效降低了阳极尾气循环风机的工作温度，扩大了阳极尾气循环风机的选材范围、提高了阳极尾气循环风机的可靠性、提升了系统稳定性、降低了系统成本；②采用汽水分离器将二级空气预热器出口的接近室温的阳极循环尾气和冷凝水分离，冷凝水经去离子装置处理后在去离子水泵的作用下进入蒸汽发生器重新变为高温水蒸气，满足了预重整器、sofc电堆的需求，实现了阳极尾气中水蒸气的循环利用，使系统在额定运行工况下摆脱了对外界供水的依赖，提高了系统的稳定性；③充分考虑sofc发电系统中各部件的工作特性，燃烧器出口的高温烟气依次进入燃料预热器、蒸汽发生器、二级空气预热器，在满足燃料预热器、蒸汽发生器、二级空气预热器的工作温度、热量需求的前提下最大限度的利用了高温烟气中的余热，提高了系统电效率和热效率，系统相对简单、可行性高。