[发明专利]用两级常压MCFC回收燃气轮机排气中CO2的复合动力系统

说明书

技术领域

本发明属于熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）复合动力发电技术领域，特别涉及一种用两级常压MCFC回收燃气轮机排气中CO₂，实现燃气轮机低CO₂排放的复合动力系统。

背景技术

熔融碳酸盐燃料电池利用电化学过程产电，不受卡诺循环的限制具有很高的能量转换效率。且MCFC的高温排气温度适合透平、余热锅炉和汽水系统进行余热回收，因此可以组成分布式能量系统实现能量的梯级利用提高整个系统的效率。本发明在实现燃气轮机更低CO₂排放方面具有独特的优势:一方面由于燃气轮机中的排气中的CO₂与O₂可以按2:1的摩尔比参加MCFC的阴极电化学反应,但是单级的MCFC电池堆回收CO₂的能力有限,采用双级的MCFC电池堆可以有效分离燃气轮机排气中的CO₂,使燃气轮机排气中CO₂的回收率增加。另一方面本发明在设计过程中结合了低能耗产氧的OTM系统，OTM在800℃工作温度下能够将高温高压空气中的纯氧分离出来，纯净的O₂被送到后燃室中与在MCFC阳极中未反应的燃料进行纯氧燃烧，最后得到的高温燃烧产物只有CO₂与H₂O，将H₂O冷却分离后可得到纯净的CO₂，由于没有了N₂的掺混，可以大大减少CO₂的压缩回收能耗。与此同时OTM原料侧出来的贫氧高压高温空气还可以通过透平回收额外的功进一步提高系统效率。综合以上两个有利条件本发明提出了用两级熔融碳酸盐燃料电池回收燃气轮机排气中CO₂实现燃气轮机低CO₂排放的复合动力系统。

发明内容

本发明以不回收CO₂的燃气蒸汽联合循环系统为基准系统提出集成方案，以燃气轮机、两级熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、氧离子传输膜（OTM）、高温空气透平（AT）、余热锅炉和蒸汽轮机系统以及CO₂回收单元集成实现燃气轮机低CO₂排放的复合动力系统，在实现低能耗回收CO₂的同时保持了系统的高效性。

本发明采用的技术方案为：

燃料压缩机和第一空气压缩机分别与燃烧室、第一透平、第一级MCFC电池堆的阴极、第二级MCFC电池堆的阴极依次连接；

混合器、冷却器、预重整器、第一级MCFC电池堆的阳极、第二级MCFC电池堆的阳极、分离器依次连接；

第一级MCFC电池堆的输出端与直流/交流转换器连接；第二级MCFC电池堆的输出端与直流/交流转换器连接；第一级MCFC电池堆以及第二级MCFC电池堆的阳极排气端与分离器的入口端连接，第二级MCFC电池堆的阴极排气端与余热锅炉及汽轮机系统的入口端连接；

分离器的出口端分两路，一路与混合器的入口端连接，参与重整器的重整反应防止发生积碳，另一路依次与后燃室、第二换热器的高温侧、第三换热器的高温侧、余热锅炉及汽轮机系统的入口侧连接；第二空气压缩机依次与第二换热器的低温侧、OTM模块串联；OTM模块的原料侧出口与第二透平、第三换热器串联后接入余热锅炉及汽轮机系统的入口端，OTM模块的渗透侧出口与后燃室连接；

余热锅炉及汽轮机系统的出口侧与冷凝器以及带中间冷却器的二氧化碳压缩机串联。

所述的OTM模块包括原料侧和渗透侧，采用氧离子传输膜分隔；OTM模块的原料侧进气为经加压和加热的高温高压空气，渗透侧出口为氧气，原料侧出口为贫氧空气。

所述的两级MCFC的阴极相连以增加燃气轮机排气中的CO₂有效分离，提高CO₂的碳捕捉率。

所述带中间冷却器的二氧化碳压缩机由三级压缩机、冷却器串联组成。低温燃烧尾气通过冷凝器冷凝后由分离器分离出水，得到干燥高纯度的CO₂气体，再通过三级间冷压缩机压缩液化。

所述的第一级MCFC的输出端与第一直流/交流转换器相连，输出电能。

所述的第二级MCFC的输出端与第二直流/交流转换器相连，输出电能。

所述第一透平的输出端与第一发电机相连，输出电能。

所述第二透平与第二发电机连接，并驱动其发电。

所述余热锅炉及汽轮机系统与第三发电机连接，并驱动其发电。