煤气化两级高温燃料电池发电系统

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技术领域：\n本发明涉及一种发电系统，尤其涉及一种以地下煤气为燃料的两级高温 燃料电池蒸汽轮机联合发电系统，属于能源利用技术领域。\n背景技术：\n为了保护环境和提高能源利用效率，世界各国急需发展新型的发电技术。 燃料电池技术最有希望以集中和分散电源的形式进入电力市场。它是将燃料的 化学能直接转化为电能，而不受卡诺循环的限制。其中，熔融碳酸盐燃料电池 (Molten Carbonate Fuel Cell；MCFC)具有高效、低污染等优点，极大地受到 人们关注。\n目前中国的煤炭主要用于发电，火力发电的效率只有40％，而且污染环 境。大规模的火力发电还存在资源运输和战争破坏等问题。随着新能源的大量 应用，分布式发电方式将得到迅速发展，MW级的分布式发电系统会得到广泛 的应用。它一方面可以满足小型企业的用电需求，另一方面可以降低地震、战 争等灾害对社会造成的冲击。\n国外已经公布了一些燃料电池发电系统，大多数是以天然气为燃料，采用 燃料电池和燃气轮机组成联合循环方式发电(Wei He.Numerical analysis of molten carbonate fuel cell systems.International Journal of Energy Research，1997， 21：69-76.)。但一方面由于燃气轮机的造价昂贵，且发展中国家没有这方面的 技术，很难推广；另一方面，由于该种循环发电方式要求系统要达到一定的压 力，因此对燃料电池性能的要求较高。\n发明内容：\n本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种煤气化两级高温燃料 电池发电系统，进一步提高燃料电池联合循环发电技术的可行性，降低系统 的技术难度，可以在有地下煤气田的地区作为小型电站，或帮助化工厂等单 位提高能源使用效率。\n为实现这样的目的，本发明的技术方案中，提出了以地下煤气为燃料的 二级高温燃料电池蒸汽轮机联合发电系统，联合发电系统由二级高温燃料电 池、余热锅炉、蒸汽轮机、发电机、换热器等设备构成，电能由燃料电池和 发电机联合提供，系统除发电外，还可以为外界提供一定量的热水。\n本发明的发电系统主要分为熔融碳酸盐燃料电池和辅助发电系统两部 分，燃料电池利用氢、一氧化碳和空气发生电化学反应，产生电能，辅助发 电系统利用余热锅炉和蒸汽轮机产生电能。\n燃料被分成两路供给系统，一路经过燃料电池阳极后面和余热锅炉余热 后被送到燃料电池阳极入口，另一路和燃料电池阳极排气混合后送到余热锅 炉燃烧。燃料电池所需的氧化剂经过两个阴极排气换热器和余热锅炉预热后， 被送到燃料电池阴极入口，在燃料电池内部发生电化学反应，并产生电能和 热量。在二级燃料电池阳极排气换热器出口端连接一个脱硫装置，脱硫装置 的另一端连接到余热锅炉。二级燃料电池的阳极出口依次连接一个换热器和 用来生产热水的热水器，热水器的出口端连到余热锅炉的炉膛，用于进一步 提高燃料利用率。与发电机同轴连接的蒸汽轮机一端连接炉膛的蒸汽加热管， 另一端连到凝汽器，再经凝结水泵连接到余热锅炉内的蒸汽加热管。\n一级燃料电池阴极出口连接一个换热器，其出口阴极排气经过换热器降 温后送到二级燃料电池继续参加电化学反应。二级燃料电池阴极出口连接一 个换热器，用于回收热能。被加热的阴极气体被送到余热锅炉加热后进入一 级燃料电池阴极入口。\n系统工作时，首先将燃料气体送入换热器升温，然后到脱硫装置脱硫，脱 硫后的燃料经过余热锅炉加热后送到燃料电池的阳极进行发电，阳极排气经过 两极换热器降温，再经过一个热水器制取热水，冷却后的燃料电池阳极排气和 部分原始燃料一同送入余热锅炉燃烧，燃烧的热量用来加热水产生高温高压蒸 汽，锅炉产生的蒸汽推动蒸汽轮机运转，带动发电机产生电能。\n另外，一定量的空气和CO2经空气压缩机压缩后，送入燃料电池阴极出口 的换热器被加热，将加热后的阴极混合气体送到燃料电池阴极，阴极排气首先 经过两极换热器降温后，再送到脱碳器，脱CO2后的阴极排气直接排到大气中。\n最后，将燃料电池和发电机产生的电能送到用户。\n本发明与现有技术相比，具有明显的进步和有益效果。本发明采用了两 个MW级燃料电池，通过两级换热器对燃料剂和氧化剂进行预热，实现了能 量的梯级利用；未被燃料电池利用的部分燃料和部分原始燃料混合，提高发 热量后，送到余热锅炉燃烧，通过辅助发电设备，进一步提高能源转化效率。\n本发明采用熔融碳酸盐燃料电池和蒸汽轮机联合循环发电的方式，可以直 接利用地下煤气或化工厂排放的废气，有效提高了能源利用率，减少了温室气 体的排放。\n附图说明：\n图1为本发明的系统结构示意图。\n图1中，1为AC/DC转换器，2为一级燃料电池，3为燃料压缩机，4、5、 7为换热器，6为空气压缩机，8为热水换热器，9为脱硫装置，10为余热锅 炉，11为烟囱，12为凝结水泵，13为凝汽器，14为蒸汽轮机，15为发电机， 16为热水换热器，17为二级燃料电池阴极出口换热器，18为给水泵，19为 脱碳器，20为二级燃料电池。\n具体实施方式：\n为更好地理解本发明的技术方案，以下结合附图作进一步描述。\n本发明的系统结构如图1所示。一级燃料电池2阳极出口端连接换热器4 入口，换热器4的出口连接二级燃料电池20阳极入口，二级燃料电池20阳极 出口依次连接换热器7和热水换热器8，热水换热器8接到余热锅炉10。一级 燃料电池2阴极出口端连接换热器5入口，换热器5的出口连接二级燃料电池 20阴极入口，二级燃料电池20阴极出口依次连接换热器17和热水换热器16， 热水换热器16接到脱碳器19。燃料压缩机3的出口分别连接余热锅炉燃烧和 换热器4的入口端，换热器4的出口端被连接到换热器7的入口端，换热器7 的出口端接有脱硫装置9，脱硫装置9的出口接到余热锅炉10的预热装置， 余热锅炉预热装置的出口连接到一级燃料电池阳极入口。空气压缩机6的出 口接有换热器5，换热器5的出口连接二级燃料电池阴极出口换热器17的入 口，换热器17出口连接到余热锅炉10内的预热装置，余热锅炉10内的预热 装置出口接到一级燃料电池阴极入口端。给水泵18分别经热水换热器8、16， 连接到热水用户。与发电机15同轴连接的蒸汽轮机14一头连接余热锅炉10 的蒸汽加热管，另一头连到凝汽器13，再经凝结水泵12连接到余热锅炉10 内的蒸汽加热管。\n工作时，燃料气体分别经过两极换热器升温，并经过脱硫装置9净化后， 进入余热锅炉10继续加热，加热后的燃料送到一级燃料电池2的阳极进行发 电，阳极排气经换热器4降温，再到二级燃料电池发电。二级燃料电池阳极 排气中的热能被换热器7进一步利用，未参加电化学反应的燃料和部分原始 燃料被送到余热锅炉中燃烧，产生的热量被进一步利用发电。热水换热器8、 16中产生的热水可以为用户提供热水。\n煤气化两级燃料电池发电系统的优点在于每级的高温排气都能被充分利 用，减少燃料剂和氧化剂在余热锅炉的吸热量，有利于提高整个系统的能源 利用效率，且可以缩小燃料电池电堆体积。另外，由于发电系统由两级燃料 电池构成，因此系统的变负荷能力强。