[发明专利]整体煤气化固体氧化物燃料电池-蒸汽轮机联合发电系统及工艺

说明书

本发明提供一种整体煤气化固体氧化物燃料电池‑蒸汽轮机联合发电系统及工艺，该系统包括通过管道连接的空分装置、气化炉、合成气净化装置、固体氧化物燃料电池、气液分离器、蒸汽锅炉、蒸汽轮机、发电机和换热器，该系统采用煤与氧气反应制备的合成气为原料，采用固体氧化物燃料电池和蒸汽轮机联合发电，同时输出一定量的热水，解决了熔融碳酸盐燃料电池电解质的腐蚀及泄露问题，同时节省投资，节约能源，提高系统的热效率。

技术领域

本发明属于固体氧化物燃料电池技术领域，尤其涉及一种整体煤气化固体氧化物燃料电池-蒸汽轮机联合发电系统及工艺。

背景技术

燃料电池发电技术是一种直接将燃料的化学能转化为电能的发电装置，根据燃料电池工作温度，分为高温燃料电池和低温燃料电池，其中高温燃料电池包括固体氧化物燃料电池和熔融碳酸盐燃料电池，低温燃料电池包括质子交换膜燃料电池等。与传统燃煤发电技术不同，燃料电池是采用电化学催化，将燃料中的化学能直接转化为电能，过程中无热力学循环，不受热机卡诺循环效率限制，因而发电效率较高。高温燃料电池与蒸汽轮机联合发电技术，除了利用燃料电池发电外，还将燃料电池尾气进行燃烧产生蒸汽进而推动蒸汽轮机做功发电，该技术可以进一步提高发电效率和能源利用率。目前燃料电池发电效率约45～65％，燃料电池-蒸汽轮机联合发电效率约55～75％，远远超过常规燃煤电厂(35％左右)以及先进的燃气－蒸汽联合循环(45％左右)的发电效率，目前燃料电池技术在煤清洁利用领域的应用已得到了工业发达国家的高度重视。

整体煤气化燃料电池(Integrated Gasification Fuel Cell，IGFC)发电系统是煤气化技术与燃料电池发电技术相结合的新一代先进的发电技术，发电系统由三大部分系统构成，即煤气化系统、煤气净化系统以及燃料电池发电系统。IGFC发电系统把高效、清洁、废物利用、多联产和节水等特点有机地结合起来，既提高了发电效率，又解决了环境污染的问题，被认为是21世纪最有发展前途的煤炭清洁发电技术。将IGFC与蒸汽轮机结合起来实现联合发电可以进一步提高发电效率和能源利用率。

专利CN201410608387.9公开了一种整体煤气化熔融碳酸盐燃料电池发电系统，该系统采用煤气化技术与熔融碳酸盐燃料电池发电和空气透平发电相结合，发电效率可达50％以上。融碳酸盐燃料电池(Molten Carbonate Fuel Cell，简称MCFC)，工作温度为600～700℃，其电解质是熔融态Li₂CO₃及K₂CO₃混合物，高温条件下液体电解质的管理较困难，长期操作过程中，电解质腐蚀和泄露现象严重，降低了熔融碳酸盐燃料电池的使用寿命。根据熔融碳酸盐燃料电池工作原理，CO₂必须循环工作，即从阳极排出的CO₂要用经过催化除H₂的处理后，再按一定的比例与空气混合送入阴极，CO₂的循环增加了熔融碳酸盐燃料电池系统结构和控制的复杂性。且以空气为工作介质的空气透平发电效率较低，不利于高温燃料电池系统热量的回收利用。

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC)，也是一种高温燃料电池，工作温度在700～1000℃。与熔融碳酸盐燃料电池相比，固体氧化物燃料电池具有以下特点：(1)、采用陶瓷材料作为电解质、阴极和阳极的材料，具有全固态结构，避免了电解质的腐蚀及泄露问题；(2)、煤气化制备的合成气(主要成分CO和H₂)可以直接作为燃料，无需进行一氧化碳变换和脱二氧化碳工序；(3)、工作温度和排气温度更高，有更多的余热可供利用；(4)、杂质的容许度更高，更适合与煤气化技术相结合应用。因此固体氧化物燃料电池以及固体氧化物燃料电池与蒸汽轮机和燃气轮机联用技术被普遍认为将在未来得到广泛应用。

专利CN02111642.3公开了一种以天然气为燃料的固体氧化物燃料电池蒸汽轮机联合发电系统，专利CN201310269160.1公开了一种以焦炉煤气为燃料的固体氧化物燃料电池-蒸汽轮机-溴化锂制冷机组联合冷、热、电联供系统，但天然气和焦炉煤气均不符合中国以煤为主要能源的国情。