[發明專利]集成OTM的加壓CO2零排放SOFC/GT/AT/ST復合動力系統

有效

• 申請號: 201210007215.7
• 申請日: 2012-01-11
• 公開（公告）號: CN102569859A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發明（設計）人: 段立強;黃科薪;楊勇平
• 申請（專利權）人: 華北電力大學
• 主分類號: H01M8/06
• 分類號: H01M8/06;F01D15/10
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 張文寶

技術領域

本發明屬于加壓CO₂零排放固體氧化物燃料電池復合動力發電技術領域，特別涉及一種集成OTM的加壓CO₂零排放SOFC/GT/AT/ST復合動力系統。

背景技術

固體氧化物燃料電池利用電化學過程直接產電，不受卡諾定理的制約，具有較高的效率，并且其排氣具有很高溫度，在加壓的條件下可與燃氣透平，余熱鍋爐和蒸汽輪機組成一個高效的發電系統。并且由于其獨特的機理：燃料和空氣不直接混合，避免了N₂對CO₂的摻混，這為提高能源動力系統效率和降低排放提供了便利條件。OTM的工作溫度通常為700-1000℃，電池堆陰極排氣能直接達到其工作條件，可以低成本低能耗生產純氧，滿足后燃室燃燒需求。綜合利用以上兩項集成技術可同時實現系統高效率及CO₂零排放。本發明的集成方案是在上述技術背景下提出的。

發明內容

本發明以不回收CO₂的SOFC(固體氧化物燃料電池)/GT(燃氣透平)/ST(蒸汽輪機)復合動力系統為基準系統，集成氧離子傳輸膜(OTM)、高溫空氣透平(AT)及CO₂回收單元，以解決傳統發電系統的低效率和大量污染氣排放的問題，避免了傳統動力系統回收CO₂時N₂對CO₂的摻混稀釋，大大地降低了分離回收CO₂過程的能耗，系統總效率也能保持在較高的水平。

本發明采用的技術方案為：

空氣壓縮機依次與第一換熱器、第二換熱器串聯后接入SOFC電池堆的陰極；燃料壓縮機依次與第三換熱器、第四換熱器、預重整器串聯后接入SOFC電池堆的陽極；SOFC電池堆的陽極排氣分為兩路：一路接入預重整器進行循環，另一路接入后燃室燃燒；SOFC電池堆輸出端與直流/交流轉換器連接；

SOFC電池堆的陰極排氣接入OTM模塊的入口，OTM模塊的純氧出口依次與第三換熱器、冷卻器、帶中間冷卻器的空氣壓縮機串聯后接入后燃室；OTM模塊的貧氧出口與空氣透平、第一換熱器、第四換熱器串聯后接入余熱鍋爐及汽輪機系統；余熱鍋爐及汽輪機系統的排氣與冷凝器串聯后分兩路，一路通過二氧化碳壓縮機接入后燃室，另一路接入帶中間冷卻器的二氧化碳壓縮機，制備液態CO₂；

后燃室的排氣依次與燃氣透平、第二換熱器串聯后接入余熱鍋爐及汽輪機系統，進行余熱回收。

所述OTM模塊及其單元由兩級壓縮機、冷卻器、氣-氣熱交換器、氧離子傳輸膜組串聯組成；氧離子傳輸膜為只滲透氧氣的致密、選擇性滲透膜，以達到分離提取純氧的效果；OTM模塊的工作溫度通常為700℃-1000℃。

所述氧離子傳輸膜的膜兩側氧氣壓力差是OTM模塊分離氧氣的驅動力，進料側的氧氣分壓力要高于滲透側的氧氣分壓力。

所述CO₂回收單元由冷凝器、帶中間冷卻器的四級二氧化碳壓縮機(22)、冷卻器串聯組成，低溫燃燒尾氣通過冷凝器析出水，得到干燥高純度的CO₂氣體，再通過四級間冷壓縮機壓縮液化。

所述余熱鍋爐及汽輪機系統與第一發電機連接，并驅動其發電。

所述燃氣透平與第二發電機連接，并驅動其發電。

所述空氣透平與第三發電機連接，并驅動其發電。

本發明的有益效果為：

本系統通過OTM對SOFC的陰極排氣分離，得到純氧送入后燃室與陽極排氣燃燒，燃燒產物的主要成分是CO₂和H₂O，從而避免了N₂對CO₂的摻混，便于分離，減少了壓縮機的功耗，使捕集CO₂的總能耗降低，同時通過回收分離氧氣后高溫高壓的貧氧空氣的功和熱，系統的效率懲罰得到一定的補償，這樣系統即實現高效率又解決了大量污染氣排放的問題。

附圖說明

圖1為不回收CO₂的SOFC/GT/ST復合動力系統結構示意圖，為基準系統。

圖2為本發明所述的集成OTM的加壓CO₂零排放SOFC/GT/AT/ST復合動力系統的結構示意圖。

圖中標號：