[其他]综合化发电设备及操作该设备的方法

说明书

本发明涉及一种综合发电设备，这种设备包括一个用熔融状态的碳酸盐，如碳酸钠和碳酸钾等作电解质的熔融碳酸盐型燃料室，一个燃气涡轮发电机和一个蒸汽涡轮发电机，另外还涉及这种设备及操作方法。

用熔融状态，温度为600°～700℃的碳酸盐如碳酸钠和碳酸钾等的燃料室被称作熔融碳酸盐型燃料室。熔融碳酸盐燃料室工作温度很高，因而反应能活泼地进行而不需要昂贵的催化剂如铂等。在熔融碳酸盐型燃料室中，氢气或含氢气体被当作气体燃料通到阳极上，空气与二氧化碳的混合气体被通到阴极。空气与二氧化碳的混合气体在阴极接受电子，以碳酸盐离子的形式进入电解质。另一方面，氢气在阳极与电解质中的碳酸盐离子反应，形成二氧化碳气体和水并放出电子。结果，熔融碳酸盐型燃料室在阴极消耗二氧化碳，在阳极生成二氧化碳和水。所以，在熔融碳酸盐型燃料室中，当气体燃料的利用率（阳极处实际消耗的气体燃料量/（通到阳极的气体燃料量）增加时，气体燃料被在阳极处形成的二氧化碳和水稀释，同时，随着燃料室中反应的进行，气体燃料被进一步消耗，所以，气体燃料中参加反应的气体成分的浓度明显下降，因而在给定电流密度情况下降低燃料室的输出电压从而降低热效率。换句话说，随着气体燃料利用率的增加，燃料室净效率下降。燃料室净效率定义为：〔燃料室输出（KW）×860〕/（阳极处实际消耗气体燃料的反应热），所以，随着气体燃料利用率的增加，燃料室的气体燃料效率下降。

燃料室标称效率定义为〔燃料室输出（KW）×860〕/（通到阳极的气体燃料的反应热），它可由下式得到：（燃料室净效率）×（气体燃料的利用率），它可由下式得到：（燃料室净效率）×（气体燃料的利用率）。所以，要增加燃料室发电设备的热效率，必须发展燃料室净效率随气体燃料利用率增加降低较小的燃料室，并发展具有以燃料室中的相对于低气体燃料利用率的较高的综合热回收为基础的较高热效率的综合发电设备。

已知燃料室的热效率随气体燃料压力的增加而增加。现在广泛应用的，通往阳极的气体燃料是一种主要由氢和一氧化碳组成的重整气体，它是通过在重整炉内，6到10公斤/平方厘米的压力下重整天然气而得到的，随后又经一热交换器加热到约600℃。

图1给出一种现在实际中应用的燃气轮机联合设备（燃气轮机+蒸汽轮机）的构造。

燃气轮机29由压缩机30，燃烧器32和涡轮机31组成，在其中空气流23被压缩机30压缩，气体燃料1和压缩空气一起在燃烧器32中燃烧。已燃气体被通到涡轮机31，把热能转化为机械能，去驱动发电机33发出电力。在现在实际应用的涡轮机31的入口处，已燃气体的温度高达1，000°～1，100℃，随后从涡轮机31排出的废气的温度高达500°～550℃，所以，废气可被用来在余热回收锅炉36中产生蒸汽26，然后成为温度非常低的排出气被排到大气中。蒸汽26的气压可供选择以确定最佳蒸汽循环，通常在40～70公斤/平方厘米范围内。蒸汽26被通到一个蒸汽轮机，与燃气轮机29一起共同驱动发电机33发出电力。

蒸汽轮机34排出的蒸汽在冷凝器35中用冷却水36，如海水等冷却，然后作为锅炉给水27注入余热回收锅炉36以形成一循环系统。

图1给出的例子中，蒸汽轮机34和燃气轮机29驱动它们共同的发电机发电，但是蒸汽轮机34和燃气轮机29也可驱动各自的发电机。以蒸汽轮机34放出的蒸汽38被注入燃烧器32，以减少NO_X的含量，一般可以气体燃料4流速的两倍的速度注入。普通温度F的气体燃料4被通到燃烧器32中，在1000℃～1100℃温度F燃烧。在有对NO_X的严格的环境控制的国家，可在余热回收锅炉36中加一除NO_X装置。

在常规的采用燃料室的综合发电设备中，阴极废气被用作涡轮机驱动气体，但是阴极废气温度为700°到750℃，低于通到现在使用的涡轮机的气体的温度并降低了涡轮机的热效率。另外，涡轮机废气的温度低到300°～400℃，余热回收锅炉中用这种涡轮机废气产生的蒸汽也不足以驱动蒸汽轮机。

日本专利申请公开第61-39459号提出，在管道中装有燃烧器，该管道用来把阴极废气通到压缩并传输空气到燃料室阴极的涡轮增压器中的膨胀涡轮机中，部分阳极废气被通到燃料器并与作为已燃空气的阴极废气一起燃烧。从燃烧器出来的高温已燃气体被通到膨胀涡轮机，从而增加整个设备的热效率。在这种熔融碳酸盐型燃料室中，有必要回收CO₂到阴极，所述已燃气体的一部分被分离出来，压缩并加到通向阴极的空气中。