[发明专利]集成OTM阴极排气产氧的加压CO2零排放SOFC/GT/AT/ST复合动力系统

说明书

技术领域

本发明属于加压CO₂零排放固体氧化物燃料电池复合动力技术领域，特别涉及一种集成OTM阴极排气产氧的加压CO₂零排放SOFC/GT/AT/ST复合动力系统。

背景技术

固体氧化物燃料电池利用电化学产电，突破了卡诺定理的限制，具有较高的效率，并且其排气具有很高温度，在加压的条件，可与燃气透平，余热锅炉和蒸汽轮机组成一个高效的发电系统。并且由于其独特的机理：燃料和空气不直接混合，避免了N₂对CO₂的掺混，这为提高能源动力系统效率和降低排放提供了便利条件。OTM的工作温度通常为700°C -1000°C，电池堆阴极排气能直接达到其工作条件，可以低成本低能耗生产纯氧，满足后燃室燃烧需求。综合利用以上两项集成技术可同时实现系统高效率及CO₂零排放。本发明的集成方案是在上述技术背景下提出的。

发明内容

本发明以不回收CO₂的SOFC（固体氧化物燃料电池）/GT（燃气透平）/ST（蒸汽轮机）复合动力系统为基准系统，集成氧离子传输膜（OTM）、高温空气透平（AT）及CO₂回注/回收单元，以解决传统发电系统的低效率和大量污染气排放的问题。

本发明采用的技术方案为：

空气压缩机依次与第一换热器、第二换热器串联后接入SOFC电池堆的阴极；燃料压缩机依次与第三换热器、预重整器串联后接入SOFC电池堆的阳极；SOFC电池堆的阳极排气分为两路：一路接入预重整器进行循环，另一路接入后燃室燃烧；SOFC电池堆的输出端与直流/交流转换器连接；

SOFC电池堆的阴极排气接入OTM模块的原料侧入口，OTM模块的原料侧出口与空气透平串联后接入余热锅炉及汽轮机系统；OTM模块的渗透侧出口依次与第四换热器、第二冷却器、带中间冷却器的氧气压缩机串联后接入后燃室；后燃室的出口依次与燃气透平、第二换热器、第三换热器、第一换热器串联后接入余热锅炉及汽轮机系统，进行余热回收；余热锅炉及汽轮机系统的系统尾气与冷凝器串联后分两路，一路通过二氧化碳压缩机，并串联第四换热器后接入后燃室，另一路接入带中间冷却器的二氧化碳压缩机及第一冷却器，制备液态CO₂。

所述OTM模块的原料侧和渗透侧之间采用氧离子传输膜；氧离子传输膜为只渗透氧气的致密、选择性渗透膜，以达到分离提取纯氧的效果；OTM模块的工作温度为700°C -1000°C。

所述氧离子传输膜的膜两侧氧气压力差是OTM模块分离氧气的驱动力，原料侧的氧气分压力高于渗透侧的氧气分压力。

所述的带中间冷却器的二氧化碳压缩机由冷凝器、四级压缩机、冷却器串联组成，低温燃烧尾气通过冷凝器析出水，得到干燥高纯度的CO₂气体，再通过四级间冷压缩机及冷却器压缩液化。

所述余热锅炉及汽轮机系统与第一发电机连接，并驱动其发电。

所述燃气透平与第二发电机连接，并驱动其发电。

所述空气透平与第三发电机连接，并驱动其发电。

本发明的有益效果为：

本发明系统通过OTM对SOFC的阴极排气分离，得到纯氧送入后燃室与阳极排气燃烧，燃烧产物的主要成分是CO₂和H₂O，从而避免了N₂对CO₂的掺混，便于分离，减少了压缩机的功耗，使捕集CO₂的总能耗降低，同时通过回收氧气分离后剩余高温高压的贫氧空气的功和热，系统的效率惩罚得到一定的补偿，通过渗透侧出口纯氧对回注的CO₂加热，提高后燃室温度，利于增大透平产功，使系统总效率保持在较高的水平，既实现高效率又解决了大量污染气排放的问题。

附图说明

图1为不回收CO₂的SOFC/GT/ST复合动力系统结构示意图，为基准系统。

图2为所述的集成OTM阴极排气产氧的加压CO₂零排放SOFC/GT/AT/ST复合动力系统的结构示意图。

图中标号：