采用超临界CO2底循环的天然气燃料电池发电系统及方法

830 编辑：中冶有色技术网来源：中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司

2023-12-25 14:18:06

权利要求书： 1.一种采用超临界CO2底循环的天然气燃料电池发电系统，其特征在于，包括燃料重整器（1）、燃料电池（2）、阴极空气压缩机（3）、阳极回热器（4）、阴极回热器（5）、空气透平（6）、压缩机（7）、余热锅炉（8）、纯氧燃烧器（9）、CO2燃气透平（12）、回热器（13）和CO2冷却加压装置，其中，燃料重整器（1）上设置有天然气和蒸汽的入口，燃料重整器（1）的出口连接燃料电池（2）的阳极入口，燃料电池（2）的阳极出口连接阳极回热器（4）的热侧入口，阳极回热器（4）的热侧出口经过压缩机（7）连接纯氧燃烧器（9）的入口；

纯氧燃烧器（9）的高温高压气体出口连接CO2燃气透平（12）的入口，CO2燃气透平（12）的燃烧尾气出口连接回热器（13）的热侧入口，回热器（13）的热侧出口连接余热锅炉（8）的入口；同时，纯氧燃烧器（9）的纯氧入口连接纯氧管道；

阴极空气压缩机（3）的出口连接阳极回热器（4）的冷侧入口，阳极回热器（4）的冷侧出口连接阴极回热器（5）的冷侧入口，阴极回热器（5）的冷侧出口连接燃料电池（2）的阴极入口，燃料电池（2）的阴极出口连接阴极回热器（5）的热侧入口，阴极回热器（5）的热侧出口连接空气透平（6）的入口，空气透平（6）的出口连接余热锅炉（8）的入口，余热锅炉（8）上设置有空气排出口；

余热锅炉（8）的高温燃烧尾气出口连接CO2冷却加压装置的入口，CO2冷却加压装置的超临界CO2出口连接回热器（13）的冷侧入口，回热器（13）的冷侧出口连接纯氧燃烧器（9）的入口；该系统通过CO2冷却加压装置将二氧化碳气体转化为超临界态CO2，并将该超临界态CO2作为底循环，与纯氧、燃料电池阳极出口的尾气一起在纯氧燃烧器内进行燃烧反应；

余热锅炉（8）的过热蒸汽出口连接汽轮机（19）的入口，汽轮机（19）的部分蒸汽出口连接燃料重整器（1）的入口；

CO2冷却加压装置包括尾气冷凝器（14）、气水分离器（15）、CO2压缩机（16）、CO2冷凝器（17）和CO2加压泵（18），其中，余热锅炉（8）的燃烧尾气出口连接尾气冷凝器（14）的入口，尾气冷凝器（14）的出口连接气水分离器（15）的入口，气水分离器（15）的顶部气体出口依次连接CO2压缩机（16）、CO2冷凝器（17）和CO2加压泵（18）的入口，CO2加压泵（18）的出口连接回热器（13）的冷侧入口。

2.根据权利要求1所述的一种采用超临界CO2底循环的天然气燃料电池发电系统，其特征在于，阴极空气压缩机（3）的出口还连接有深冷空分单元（10）的入口，深冷空分单元（10）的出口经过氧压机（11）与纯氧管道连接。

3.根据权利要求1所述的一种采用超临界CO2底循环的天然气燃料电池发电系统，其特征在于，CO2冷凝器（17）还连接有液态CO2储罐。

4.根据权利要求1所述的一种采用超临界CO2底循环的天然气燃料电池发电系统，其特征在于，气水分离器（15）的底部设置有凝水出口。

5.一种采用超临界CO2底循环的天然气燃料电池发电方法，其特征在于，基于权利要求1所述的一种采用超临界CO2底循环的天然气燃料电池发电系统，包括以下步骤：天然气与从汽轮机（19）中抽取的一股蒸汽一同送入燃料重整器（1），随后送入燃料电池（2）阳极，作为燃料进行反应；

燃料电池（2）阳极出口的尾气送入阳极回热器（4）热侧入口，随后送入压缩机（7）加压后，送至纯氧燃烧器（9）与纯氧、以及回热器（13）冷侧出口的超临界态CO2进行燃烧反应，产生的高温高压气体送至CO2燃气透平（12）进行做功发电；

之后CO2燃气透平（12）的高温燃烧尾气送入至回热器（13）的热侧入口，再送入余热锅炉（8）继续回收热量；余热锅炉（8）出口的燃烧尾气经过CO2冷却加压装置形成超临界CO2，该超临界CO2送入回热器（13）冷侧入口，如此形成超临界CO2循环；

一股空气经过阴极空气压缩机（3）加压后，送入阳极回热器（4）冷侧入口，随后送入阴极回热器（5）冷侧入口，产生的高温空气送至燃料电池（2）阴极入口，高温空气在燃料电池（2）中进行反应后送入阴极回热器（5）热侧入口，随后送入空气透平（6），做功发电；

空气透平（6）出口空气送入余热锅炉（8），回收余热后排入大气。

6.根据权利要求5所述的一种采用超临界CO2底循环的天然气燃料电池发电方法，其特征在于，余热锅炉（8）出口的燃烧尾气经过尾气冷凝器（14）降温后，送入气水分离器（15），气水分离器（15）的顶部出口气体主要成分为CO2，送入CO2压缩机（16）加压后，再送入CO2冷凝器（17）继续降温，CO2冷凝器（17）出口的液态CO2循环至CO2加压泵（18），经过CO2加压泵（18）进行加压形成超临界态CO2，超临界态CO2送入回热器（13）的冷侧入口，如此形成超临界CO2循环。

说明书：一种采用超临界CO2底循环的天然气燃料电池发电系统及方法技术领域[0001] 本发明属于天然气发电技术领域，具体涉及一种天然气燃料电池发电与超临界CO2循环发电系统及方法。背景技术[0002] 燃料电池发电系统可以通过电化学反应连续地将燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能，其能源转化效率不受卡诺循环效率的限制，能大幅提高发电效率，易于实现污染物及二氧化碳近零排放；燃料电池内没有旋转运动部件，机械损失小，噪音低，且对负载变动的响应速度快，变负荷过程中发电效率波动不大，供电稳定性好。此外，燃料电池还具有体积小，结构简单，维护便利的特点。[0003] 超临界二氧化碳循环发电系统是一种新型发电技术，是以超临界状态的二氧化碳为工质的布雷顿循环系统，其循环过程是：首先，超临界二氧化碳经过压缩机升压；然后，利用换热器将工质等压加热；其次，工质进入热力透平，推动透平做功，透平带动电机发电；最后，工质进入冷却器，恢复到初始状态，再进入压气机形成闭式循环。超临界二氧化碳发电系统具有能量密度大，传热效率高，系统简单等先天优势，可以大幅提高热功转换效率，减小设备体积，具有很高的经济性和应用前景。[0004] 天然气燃料电池发电系统中的尾气的主要成分为CO与H2，以及未转化的CH4，具有较高的热值，通常采用纯氧燃烧的方式，再使用燃气透平、余热锅炉等设备梯级利用尾气热量。这种传统利用方式存在底循环效率较低的问题。发明内容[0005] 本发明提供的一种采用超临界CO2底循环的天然气燃料电池发电系统及方法，解决了在现有的天然气燃料电池发电系统中存在底循环效率较低的问题。[0006] 为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：[0007] 本发明提供的一种采用超临界CO2底循环的天然气燃料电池发电系统，包括燃料重整器、燃料电池、阴极空气压缩机、阳极回热器、送入阴极回热器、空气透平、压缩机、余热锅炉、纯氧燃烧器、CO2燃气透平、回热器和CO2冷却加压装置，其中，[0008] 燃料重整器的出口连接燃料电池的阳极入口，燃料电池的阳极出口连接阳极回热器的热侧入口，阳极回热器的热侧出口经过压缩机连接纯氧燃烧器的入口；[0009] 纯氧燃烧器的高温高压气体出口连接CO2燃气透平的入口，CO2燃气透平的燃烧尾气出口连接回热器的热侧入口，回热器的热侧出口连接余热锅炉的入口，同时，纯氧燃烧器的纯氧入口连接纯氧管道；[0010] 阴极空气压缩机的出口连接阳极回热器的冷侧入口，阳极回热器的冷侧出口连接阴极回热器的冷侧入口，阴极回热器的冷侧出口连接燃料电池的阴极入口，燃料电池的阴极出口连接阴极回热器的热侧入口，阴极回热器的热侧出口连接空气透平的入口，空气透平的出口连接余热锅炉的入口，余热锅炉上设置有空气排出口；[0011] 余热锅炉的高温燃烧尾气出口连接CO2冷却加压装置的入口，CO2冷却加压装置的超临界CO2出口连接回热器的冷侧入口，回热器的冷侧出口连接纯氧燃烧器的入口。[0012] 优选地，阴极空气压缩机的出口还连接有深冷空分单元的入口，深冷空分单元的出口经过氧压机与纯氧管道连接。[0013] 优选地，纯氧燃烧器和回热器之间设置有CO2燃气透平，其中，纯氧燃烧器的高温高压气体出口连接CO2燃气透平的入口，CO2燃气透平的燃烧尾气出口连接回热器的热侧入口。[0014] 优选地，CO2冷却加压装置包括尾气冷凝器、气水分离器、CO2压缩机、CO2冷凝器和CO2加压泵，其中，余热锅炉的燃烧尾气出口连接尾气冷凝器的入口，尾气冷凝器的出口连接气水分离器的入口，气水分离器的顶部气体出口依次连接CO2压缩机、CO2冷凝器和CO2加压泵的入口，CO2加压泵的出口连接回热器的冷侧入口。[0015] 优选地，CO2冷凝器还连接有液态CO2储罐。[0016] 优选地，气水分离器的底部设置有凝水出口。[0017] 一种采用超临界CO2底循环的天然气燃料电池发电方法，基于一种采用超临界CO2底循环的天然气燃料电池发电系统，包括以下步骤：[0018] 天然气和蒸汽一同被送入燃料重整器，随后送入燃料电池阳极，作为燃料进行反应；[0019] 燃料电池阳极出口的尾气送入阳极回热器热侧入口，随后送入压缩机加压后，送至纯氧燃烧器与纯氧、以及回热器冷侧出口的超临界态CO2进行燃烧反应，产生的高温高压气体送至CO2燃气透平进行做功发电；[0020] 之后CO2燃气透平的高温燃烧尾气送入至回热器的热侧入口，再送入余热锅炉继续回收热量；余热锅炉出口的燃烧尾气经过CO2冷却加压装置形成超临界CO2，该超临界CO2送入回热器冷侧入口，如此形成超临界CO2循环；[0021] 一股空气经过阴极空气压缩机加压后，送入阳极回热器冷侧入口，随后送入阴极回热器冷侧入口，产生的高温空气送至燃料电池阴极入口，高温空气在燃料电池中进行反应后送入阴极回热器热侧入口，随后送入空气透平，做功发电；[0022] 空气透平出口空气送入余热锅炉，回收余热后排入大气。[0023] 优选地，余热锅炉出口的燃烧尾气经过尾气冷凝器降温后，送入气水分离器，气水分离器的顶部出口气体主要成分为CO2，送入CO2压缩机加压后，再送入CO2冷凝器继续降温，CO2冷凝器出口的液态CO2循环至CO2加压泵，经过CO2加压泵进行加压形成超临界态CO2，超临界态CO2送入回热器的冷侧入口，如此形成超临界CO2循环。[0024] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：[0025] 本发明提供的一种采用超临界CO2底循环的天然气燃料电池发电系统，在整体天然气燃料电池发电系统的基础上增加CO2的捕集，并利用CO2冷却加压装置将二氧化碳气体转化为超临界态CO2，并将该超临界态CO2作为底循环，与纯氧、燃料电池阳极出口的尾气一起在纯氧燃烧器内进行反应，产生的高温高压气体在二氧化碳燃气透平中做功发电；该结构使得在燃料电池发电高效发电的基础上，进一步提高发电效率；同时，底循环采用超临界二氧化碳循环发电系统，使得系统简单、设备体积大幅减小；本系统同时兼顾了CO2捕集功能，可高效、低成本地实现煤电发电的CO2减排。[0026] 本发明提供的一种采用超临界CO2底循环的天然气燃料电池发电方法，在整体天然气燃料电池发电系统的基础上增加CO2的捕集，并利用CO2冷却加压装置将二氧化碳气体转化为超临界态CO2，并将该超临界态CO2作为底循环，与纯氧、燃料电池阳极出口的尾气一起在纯氧燃烧器内进行反应，产生的高温高压气体在二氧化碳燃气透平中做功发电；该结构使得在燃料电池发电高效发电的基础上，进一步提高发电效率；同时，底循环采用超临界二氧化碳循环发电系统，使得系统简单、设备体积大幅减小；本系统同时兼顾了CO2捕集功能，可高效、低成本地实现煤电发电的CO2减排。附图说明[0027] 图1是本发明涉及的发电系统的结构示意图；[0028] 其中，1、燃料重整器2、燃料电池3、阴极空气压缩机4、阳极回热器5、阴极回热器6、空气透平7、压缩机8、余热锅炉9、纯氧燃烧器10、深冷空分单元11、氧压机12、CO2燃气透平13、回热器14、尾气冷凝器15、气水分离器16、CO2压缩机17、CO2冷凝器18、CO2加压泵19、汽轮机。

具体实施方式[0029] 下面结合附图,对本发明进一步详细说明.[0030] 如图1所示,本发明提供的一种采用超临界CO2底循环的天然气燃料电池发电系统,包括燃料重整器1、燃料电池2、阴极空气压缩机3、阳极回热器4、阴极回热器5、空气透平6、压缩机7、余热锅炉8、纯氧燃烧器9、深冷空分单元10、氧压机11、CO2燃气透平12、回热器

13、尾气冷凝器14、气水分离器15、CO2压缩机16、CO2冷凝器17、CO2加压泵18和汽轮机19，其中，燃料重整器1的出口连接燃料电池2的阳极入口,燃料电池2的阳极尾气出口连接阳极回热器4的热侧入口,阳极回热器4的热侧出口经过压缩机7连接纯氧燃烧器9的入口；纯氧燃烧器9的高温高压气体出口连接CO2燃气透平12的入口；

[0031] 阴极空气压缩机3的出口分为两路，一路连接深冷空分单元10的入口，深冷空分单元10的氧气出口经过氧压机11连接纯氧燃烧器9的入口；另一路连接阳极回热器4的冷侧入口，阳极回热器4的冷侧出口连接阴极回热器5的冷侧入口，阴极回热器5的高温高压气体出口连接燃料电池2的阴极入口；[0032] 燃料电池2的阴极出口连接阴极回热器5的热侧入口，阴极回热器5的热侧出口连接空气透平6的入口，空气透平6的空气出口连接余热锅炉8的入口；[0033] CO2燃气透平12的燃烧尾气出口连接回热器13的热侧入口，回热器13的热侧出口连接余热锅炉8的入口，余热锅炉8的过热蒸汽出口连接汽轮机19的入口，汽轮机19的一部分蒸汽出口连接燃料重整器1的入口；[0034] 余热锅炉8的燃烧尾气出口经过尾气冷凝器14连接气水分离器15的入口，气水分离器15的底部设置有凝水出口，气水分离器15的顶部气体出口经过CO2压缩机16连接CO2冷凝器17的入口，CO2冷凝器17的液态CO2出口分为两路，一路连接液态CO2储罐，另一路经过CO2加压泵18连接回热器13的冷侧入口，回热器13的冷侧出口连接纯氧燃烧器9的入口。[0035] 该系统流程为：[0036] 天然气与从汽轮机19中抽取的一股蒸汽一同送入燃料重整器1，随后送入燃料电池2阳极，作为燃料进行反应。[0037] 燃料电池2阳极出口的尾气送入阳极回热器4热侧入口，随后送入压缩机7加压后，送至纯氧燃烧器9与氧压机11出口的部分纯氧、以及回热器13冷侧出口的超临界态CO2进行燃烧反应，产生的高温高压气体送至CO2燃气透平12，做功发电。[0038] 一股空气经过阴极空气压缩机3加压后，一部分送入阳极回热器4冷侧入口，随后送入阴极回热器5冷侧入口，产生的高温空气送至燃料电池2阴极入口，高温空气在燃料电池2中进行反应后送入阴极回热器5热侧入口，随后送入空气透平6，做功发电，空气透平6出口空气送入余热锅炉8，回收余热后排入大气；[0039] 另一部分送入深冷空分单元10，产生纯氧送入氧压机11入口。[0040] CO2燃气透平12出口的燃烧尾气先送入回热器13热侧入口，再送入余热锅炉8继续回收热量；余热锅炉8产生的过热蒸汽送入汽轮机19，做功发电。[0041] 余热锅炉8出口的燃烧尾气经过尾气冷凝器14降温后，送入气水分离器15。气水分离器15底部出口送出凝水，顶部出口气体主要成分为CO2，送入CO2压缩机16加压后，再送入CO2冷凝器17继续降温，CO2冷凝器17出口为液态CO2，一部分作为产品送出系统，另一部分继续循环至CO2加压泵18，CO2加压泵18出口的超临界态CO2，送入回热器13冷侧入口，如此形成超临界CO2循环。该系统发出的电能由燃料电池2、空气透平6、CO2燃气透平12、以及汽轮机19产生。