一种固体氧化物燃料电池零碳发电系统及发电工艺

1.本发明涉及高温固体氧化物燃料电池发电技术领域，更具体的说是涉及一种高温固体氧化物燃料电池零碳发电系统及发电工艺。


背景技术：

2.以天然气重整制氢的高温固体氧化物燃料电池发电技术中，因未进行脱碳处理，天然气中的“碳”将以二氧化碳的形式排放，无法彻底解决天然气用于高温固体氧化物燃料电池发电的碳排放问题；另外以天然气重整气为高温固体氧化物燃料电池发电原料，会造成燃料电池的积碳污染问题，影响燃料电池的发电效率，劣化燃料电池的催化剂性能，最终降低燃料电池的发电效率和寿命。专利cn109372636a中公开了一种零碳排放的三循环整体煤气化燃料电池发电系统及方法，通过设置三循环发电方法实现了能量的梯级利用，但是该技术装置结构复杂，且需要以煤为原料进行发电，耗费能源。现有技术采用熔融金属熔融金属裂解天然气制氢和“碳”产品，采用分离提纯技术制取氢气，氢气再压缩贮存。天然气熔融金属裂解需要消耗热量，同时，系统存在各种换热设备，目前来看制氢成本较高。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明提供了一种高温固体氧化物燃料电池零碳发电系统及发电工艺，通过将熔融金属裂解天然气制氢工艺和高温固体氧化物燃料电池发电系统工艺相结合，以解决现有技术中的问题。
4.本发明直接以天然气脱硫净化，在催化剂的支持下，对天然气进行熔融金属裂解脱碳，得到“碳”产品的同时，利用分离器将熔融金属裂解混合气中的氢气分离提纯、升温，高温纯氢气直接作为高温固体氧化物燃料电池的发电原料发电。这样一方面减少提纯工艺的能耗，另一方面，直接利用熔融金属裂解高温氢气在高温固体氧化物燃料电池中发电，实现以天然气脱碳制氢，以氢为燃料的高温固化氧化物燃料电池的“零碳”排放发电工艺。同时，以高温燃料电池的高温未反应完的尾气和提纯的氢气为燃料，在燃烧器中燃烧，为整个工艺的空气、天然气、氢气、熔融金属裂解反应器和燃料电池提供热能，达到能量的综合利用的同时，实现整个天然气脱碳、制氢、高温固体氧化物燃料电池发电工艺的“零碳”排放。
5.同时，以高温固体氧化物燃料电池的高温尾气和熔融金属裂解分离的氢气为燃料，在燃烧器中燃烧产生热量，为整个工艺的空气、天然气、氢气、熔融金属裂解反应器提供热能，达到能量的综合利用的同时，实现整个天然气脱碳、制氢、高温固体氧化物燃料电池发电工艺的“零碳”排放。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.一种高温固体氧化物燃料电池零碳发电系统，包括：空气处理单元、天然气处理单元、熔融金属裂解混合气处理单元和熔融金属裂解反应炉；
8.所述空气单元、天然气处理单元和熔融金属裂解混合气单元均与所述熔融金属裂解反应炉连接；
9.其中，所述空气处理单元包括：空气、空气一级预热器、启动电加热器一、空气二级预热器、冷空气旁路阀、高温固体氧化物燃料电池电堆和燃烧器；所述空气依次与所述空气一级预热器、启动电加热器一、空气二级预热器、冷空气旁路阀、高温固体氧化物燃料电池电堆和燃烧器连接；所述燃烧器与所述熔融金属裂解反应炉连接；
10.所述天然气处理单元包括：天然气、脱硫单元、压缩机和天然气预热器；所述天然气依次与所述、脱硫单元、压缩机和天然气预热器连接；所述天然气预热器与所述熔融金属裂解反应炉连接；
11.所述熔融金属裂解混合气处理单元包括：分离器、减压阀、氢气预热器和冷氢气旁路阀；所述分离器依次与所述减压阀、氢气预热器和冷氢气旁路阀连接；所述分离器通过所述空气一级预热器与所述熔融金属裂解反应炉连接；所述分离器还分别与所述燃烧器和所述压缩机连接；所述天然气预热器通过所述氢气预热器与所述空气二级预热器连接；所述冷氢气旁路阀与所述高温固体氧化物燃料电池电堆连接；
12.所述熔融金属裂解反应炉内设置有启动电加热器二。
13.优选的，上述系统还包括：水热换热器；所述水热交换器与所述熔融金属裂解反应炉连接。
14.优选的，上述系统还包括：尾气排放单元；所述尾气排放单元与所述空气二级预热器连接。
15.优选的，所述空气与所述空气一级预热器之间设置有支路一，所述空气通过支路一直接与所述冷空气旁路阀连接。
16.优选的，所述减压阀与所述氢气预热器之间设置有支路二、所述减压阀通过支路二直接与所述冷氢气旁路阀连接。
17.一种固体氧化物燃料电池零碳发电工艺，利用上述固体氧化物燃料电池零碳发电系统进行发电；具体包括以下步骤：
18.(1)空气处理：经过滤后的空气，分为两路，一路进入冷空气旁路阀，用于高温固体氧化物燃料电池电堆的空气调温；另一路进入空气一级预热器吸收热能，加热后的热空气进入启动电加热器一(用于冷启动时对空气进行加热，正常运行后不使用)，经启动电加热器一的空气进入空气二级预热器吸收热能，再加热后的热空气与从冷空气旁路阀进入的冷空气混合实现调温，控制热空气的温度为高温固体氧化物燃料电池电堆所需温度，进入高温固体氧化物燃料电池电堆反应，高温固体氧化物燃料电池电堆产生的电能输出供用户使用，燃料电池反应后阳极的热空气尾气进入燃烧器参与燃烧，其热能和所余氧气得到进一步的利用；另外，启动电加热器一用于预热整个发电系统，发电系统正常工作后，启动电加热器一不工作；
19.(2)天然气处理：天然气经脱硫单元脱硫处理后，经压缩机提升压力成为高压天然气，高压天然气经天然气预热器吸收来自氢气燃烧器提供热能成为高压高温天然气，高压高温天然气进入熔融金属裂解反应炉，在熔融金属裂解反应炉供热器加热(冷启动时由启动电加热器二提供热能，正常运行后由燃烧器燃烧氢气提供热能)的催化剂中脱碳、熔融金属裂解，天然气脱出的“碳”产品进入水热交换器，变为常温“碳”产品排出，水热交换器出来的热水可供生产、生活使用；
20.(3)熔融金属裂解混合气处理：熔融金属裂解混合气进入空气一级预热器，将热能
交换给空气，降温后的熔融金属裂解混合气进入分离器分解出甲烷和氢气，分离出的甲烷与脱硫后的天然气一并进入熔融金属裂解反应炉中再熔融金属裂解，分离出的氢气分为两路：一路氢气送入燃烧器，作为燃料燃烧为整个系统提供热能，氢气燃烧后的产物为水，尾气中无碳排放，另一路氢气经减压阀减压后，得到低压氢气，低压氢气进入氢气预热器吸热，形成的低压高温氢气与来自冷氢气旁路阀的低压冷氢气混合，得到适于高温固体氧化物燃料电池电堆发电所需温度的低压高温氢气进入高温固体氧化物燃料电池电堆发电，所发电能输出供用户使用，发电后的剩余氢气送入燃烧器作为燃料燃烧为整个系统提供热能，燃烧器高温尾气中无碳排放，经各级热交换器降温后排放。
21.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
22.(1)高温固体氧化物燃料电池发电系统的高温余热可以作为天然气熔融金属裂解脱碳反应的条件，燃料电池高温尾气中未完全反应的氢气进入燃烧器燃烧实现整个系统能量的综合利用，提高了整个工艺能量利用效率。
23.(2)天然气熔融金属裂解后，产生的高纯氢气直接进入固体氧化物燃料电池发电，实现发电系统碳的零排放。
24.(3)天然气脱碳产物经水热交换器产生的热水可以供生产、生活使用，熔融金属裂解混合气中分离出来的甲烷，可以直接返回熔融金属裂解反应炉中进行再熔融金属裂解。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
26.图1为本发明高温固体氧化物燃料电池零碳发电工艺图。
27.其中，图中：
28.1-空气；2-空气一级预热器；3-启动电加热一；4-空气二级预热器；5-冷空气旁路阀；6-高温固体氧化物燃料电池电堆；7-燃烧器；8-熔融金属裂解反应炉；81-启动电加热器二；82-反应炉供热器；9-天然气；10-脱硫单元；11-压缩机；12-天然气预热器；13-分离器；14-减压阀；15-氢气预热器；16-冷氢气旁路阀；17-水热反应器。
具体实施方式
29.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.实施例1
31.一种固体氧化物燃料电池零碳发电系统，包括：空气处理单元、天然气处理单元、熔融金属裂解混合气处理单元和熔融金属裂解反应炉8；
32.所述空气单元、天然气处理单元和熔融金属裂解混合气单元均与所述熔融金属裂解反应炉连接；
33.其中，所述空气处理单元包括：空气1、空气一级预热器2、启动电加热器一3、空气二级预热器4、冷空气旁路阀5、高温固体氧化物燃料电池电堆6和燃烧器7；所述空气1依次与所述空气一级预热器2、启动电加热器一3、空气二级预热器4、冷空气旁路阀5、高温固体氧化物燃料电池电堆6和燃烧器7连接；所述燃烧器7与所述熔融金属裂解反应炉8连接；
34.所述天然气处理单元包括：天然气9、脱硫单元10、压缩机11和天然气预热器12；所述天然气9依次与脱硫单元10、压缩机11和天然气预热器12连接；所述天然气预热器12与所述熔融金属裂解反应炉8连接；
35.所述熔融金属裂解混合气处理单元包括：分离器13、减压阀14、氢气预热器15和冷氢气旁路阀16；所述分离器13依次与所述减压阀14、氢气预热器15和冷氢气旁路阀16连接；所述分离器13通过所述空气一级预热器2与所述熔融金属裂解反应炉8连接；所述分离器13还分别与所述燃烧器7和所述压缩机11连接；所述天然气预热器12通过所述氢气预热器15与所述空气二级预热器4连接；所述冷氢气旁路阀16与所述高温固体氧化物燃料电池电堆6连接。
36.为了进一步优化上述技术方案，上述发电系统还包括：水热换热器17；所述水热交换器17与所述熔融金属裂解反应炉8连接。
37.为了进一步优化上述技术方案，所述空气1与所述空气一级预热器2之间设置有支路一，所述空气1通过支路一直接与所述冷空气旁路阀5连接。
38.为了进一步优化上述技术方案，所述减压阀14与所述氢气预热器15之间设置有支路二、所述减压阀14通过支路二直接与所述冷氢气旁路阀15连接；
39.为了进一步优化上述技术方案，熔融金属裂解反应炉8内设置有气动电加热器二81和反应炉供热器82。
40.实施例2
41.一种固体氧化物燃料电池零碳发电工艺，具体包括以下步骤：
42.(1)空气处理：经过滤后的空,1，分为两路，一路进入冷空气旁路阀5，用于高温固体氧化物燃料电池电堆6用空气调温；另一路进入空气一级预热器2吸收热能，加热后的热空气进入启动电加热器一3(用于冷启动时对空气进行加热，正常运行后不使用)，经启动电加热器一3的空气进入空气二级预热器4吸收热能，再加热后的热空气与从冷空气旁路阀5进入的冷空气混合实现调温，控制热空气的温度为高温固体氧化物燃料电池电堆6所需温度，进入反应，产生的电能输出供用户使用，反应后的热空气尾气进入燃烧器7参与燃烧，热能送入熔融金属裂解反应炉8使用，其热能和所余氧气得到进一步的利用；
43.(2)天然气处理：天然气9经脱硫单元10脱硫处理后，经压缩机11提升压力成为高压天然气，高压天然气经天然气预热器12吸收来自燃烧器7(热能先进入熔融金属裂解反应炉8，然后在进入天热气预热器12)提供热能成为高压高温天然气，高压高温天然气进入熔融金属裂解反应炉8，在熔融金属裂解反应炉供热器82加热(冷启动时由启动电加热器二提供热能，正常运行后由燃烧器7燃烧氢气提供热能)的催化剂中脱碳、熔融金属裂解，天然气脱出的高温“碳”产品进入水热交换器17，变为常温“碳”产品排出，水热交换器17出来的热水可供生产、生活使用；
44.(3)熔融金属裂解混合气处理：熔融金属裂解混合气进入空气一级预热器2，将热能交换给空气，降温后的熔融金属裂解混合气进入分离器13分解出甲烷和氢气，分离出的
甲烷与脱硫后的天然气一并进入熔融金属裂解反应炉8中再熔融金属裂解，分离出的氢气分为两路：一路氢气送入燃烧器7，作为燃料燃烧为整个系统提供热能，氢气燃烧后的产物为水，尾气中无碳排放，另一路氢气经减压阀14减压后，得到低压氢气，低压氢气进入氢气预热器15吸热，形成的低压高温氢气与来自冷氢气旁路阀16的低压冷氢气混合，得到适于高温固体氧化物燃料电池电堆6发电所需温度的低压高温氢气进入高温固体氧化物燃料电池电堆6发电，所发电能输出供用户使用，发电后的剩余氢气送入燃烧器7作为燃料燃烧为整个系统提供热能，燃烧器7高温尾气中无碳排放，经各级热交换器降温后排放。
45.本发明中，天然气经脱硫、熔融金属裂解工艺，产生的高纯氢气进入高温固体氧化物燃料电池发电，实现天然气的“零碳”发电。高温固体氧化物燃料电池发电系统的高温余热用于天然气熔融金属裂解，燃料电池发电尾气进入燃烧器与氢气一起再燃烧，实现氢气和空气余热再利用，提高能量综合利用效率。本发明可以解决天然气熔融金属裂解制氢和脱碳所需要的高温催化条件，产生的高温氢气无需压缩存储、降温，可直接进入固体氧化物燃料电池用于发电燃料，无需额外的能耗，两者相结合在工艺流程上具有紧凑、高效，实现天然气发电“零碳”排放。
46.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
47.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。