一种基于生物质气化和固体氧化物燃料电池的多联供系统

1.本发明属于金属材料制备技术领域，具体涉及一种基于生物质气化和固体氧化物燃料电池的多联供系统。


背景技术：

2.公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
3.随着社会经济的快速发展，人类正高速大量的消耗煤炭、石油等化石能源。但是，化石能源不可再生，随着消耗量的不断增加，化石能源已逐渐成为一种稀缺能源，开发和使用化石能源的成本日益提高。因此，寻求以可再生能源为燃料的高效、低成本、清洁的能源转换技术成为世界各国迫切需要解决的重大课题。
4.固体氧化物燃料电池是一种将燃料具有的化学能直接转变为电能的高效发电装置，由于其不受卡诺循环的限制，能源转化效率高，且其反应的产物主要为h2o和co2，而h2o无污染，co2的排放也比一般方法低很多，是一种真正意义上的清洁能源。
5.生物质是一种可再生能源，现有已经利用生物质与固体氧化物燃料电池进行发电，但是还没有实现清洁、高效的能源转换。


技术实现要素：

6.针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种基于生物质气化和固体氧化物燃料电池的多联供系统。
7.为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：
8.一种基于生物质气化和固体氧化物燃料电池的多联供系统，包括气化炉和固体氧化物燃料电池、第二空气换热器、第四换热器，固体氧化物燃料电池阳极尾气出口依次与第四换热器、气化炉连接，气化炉设置生物质进口，气化炉的合成气出口与第二空气换热器连接，空气换热器的合成气出口与固体氧化物燃料电池阳极进口连接；
9.固体氧化物燃料电池阴极尾气出口依次与第四换热器、气化炉连接，气化炉的阴极尾气出口依次与超临界二氧化碳再压缩动力循环系统、卡琳娜循环系统连接。
10.本发明涉及一种基于生物质气化和固体氧化物燃料电池的多联供系统，生物质气化系统和固体氧化物燃料电池系统相结合，固体氧化物燃料电池系统阳极排出气体进入到气化系统作为生物质气化提供气化剂，生物质得到的合成气作为固体氧化物燃料电池系统阳极的燃料，实现生物质作为可再生能源的有效利用；同时固体氧化物燃料电池得到的阴极气体废热通过超临界二氧化碳再压缩动力循环系统、卡琳娜循环系统进行有效的利用，提高系统效率；通过第二空气换热器、第四换热器进行废热的充分回收。
11.本发明一个或多个技术方案具有以下有益效果：
12.本发明生物质气化系统和固体氧化物燃料电池系统相结合，实现了生物质可再生
能源的充分利用，同时充分利用固体氧化物燃料电池的化学能转变为电能的高效利用，解决了清洁、高效的能源转换问题。
13.通过对换热器(ah1,ah2,ah3,ah4)的合理布置，实现烟气废热的充分回收利用，更大程度的提高了系统的发电效率和联供效率，同时实现了热量的梯级利用，有利于二氧化碳捕集。
14.sofc阳极尾气排气与氧气燃烧完，分为两部分，一部分尾气作为气化剂送入气化炉与生物质充分反应，此举既实现了阳极尾气排气作为气化剂使用的作用，同时又为气化炉中的反应提供了部分热量。
15.通过将顶循环sofc系统与超临界二氧化碳再压缩动力循环系统、卡琳娜循环系统的结合实现了排气的进一步深度回收利用，使整个系统具有了功、热联供的功能，同时还能实现二氧化碳近零排放，进一步提高整个系统的效率。
附图说明
16.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本技术的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
17.图1为基于生物质气化和固体氧化物燃料电池的多联供系统图；
18.其中，1、空气，2-压缩空气；3-第一预热空气；4-第二预热空气；5-第三预热空气；6-阴极混合气；7-阴极尾气；8-加热阴极尾气；9-第一冷却阴极尾气；10-第二冷却阴极尾气；11-第三冷却阴极尾气；12-第四冷却阴极尾气；13-第一排入大气；14-生物质；15-合成气；16-氮气；17-燃料气体；18-压缩燃料气体；19-预热燃料气体；20-阳极混合气；21-阳极尾气；21a-阳极尾气第一分路；21b-阳极尾气第二分路；22-初烟气；23-降温烟气；24a-第一烟气；24b-第二烟气；25-第一降温烟气；26-第一降压烟气；27-第二排入大气；28-氧气；29-第八流体；30-二氧化碳工质；31-第六流体；32-第三流体；33-第一流体；34-第二流体；35-冷却流体；36-压缩流体；37-低温预热流体；38-第四流体；39-第五流体；40-第七流体；41-第一预热流体；42-第二预热流体；43-高温氨蒸汽；44-富氨蒸汽；45-弱氨溶液；46-低温弱氨溶液；47-低压弱氨溶液；48-混合流体；49-液体碱性溶液；50-高压碱性氨溶液；51-富氨流体；52-外部水；53-加热水；ab-燃烧室；ac-空气压缩机；ah1-第一空气预热器；ah2-第二空气预热器；ah3-第三空气预热器；ah4-第四空气预热器；cool-冷却器；cond-冷凝器；fc-燃料压缩机；gas-气化炉；he-热水换热器；hr-再生器；hrvg1-二氧化碳第一锅炉；hrvg2-二氧化碳第二锅炉；htr-高温回热器；ltr-低温回热器；m1-第一混合器；m2-第二混合器；m3-第三混合器；mc主压缩机；p-泵；pre-溶液预热器；rc-再压缩机；re-回热器；sep1-第一净化分离装置；sep2-第二净化分离装置；sofc-固体氧化物燃料电池；t1-第一透平；t2-第二透平；v-节流阀；；scrpc-超临界二氧化碳再压缩动力循环；ksc-卡琳娜循环。
具体实施方式
19.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
20.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根
据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
21.一种基于生物质气化和固体氧化物燃料电池的多联供系统，包括气化炉和固体氧化物燃料电池、第二空气换热器、第四换热器，固体氧化物燃料电池阳极尾气出口依次与第四换热器、气化炉连接，气化炉设置生物质进口，气化炉的合成气出口与第二空气换热器连接，空气换热器的合成气出口与固体氧化物燃料电池阳极进口连接；
22.固体氧化物燃料电池阴极尾气出口依次与第四换热器、气化炉连接，气化炉的阴极尾气出口依次与超临界二氧化碳再压缩动力循环系统、卡琳娜循环系统连接。
23.固体氧化物燃料电池阳极产生烟气进入到气化炉中提供生物质气化的活化气，生物质在气化剂的作用下，可产生氢气、甲烷、一氧化碳等合成气。所述合成气进入到固体氧化物燃料电池中作为燃料，实现了生物质可再生能源的转化，而且固体氧化物燃料电池的产物主要为h2o和co2，实现了清洁的能源转换。
24.固体氧化物燃料电池阴极排气进入到超临界二氧化碳再压缩动力循环系统、卡琳娜循环系统进行深度利用从而对烟气废热进行了深度回收。
25.第四换热器中，阳极尾气与阴极尾气进行换热，提高阴极尾气的温度，然后阴极尾气进入到气化炉中提供热量，之后阳极尾气进入到第二换热器中与空气换热提高空气的温度。实现对阳极尾气废热的充分回收。
26.在本发明的一些实施方式中，还包括第一净化分离装置和燃料压缩机，气化炉的合成气出口依次与净化分离装置、燃料压缩机连接，燃料压缩机出口与第二空气换热器连接。气化炉排出的合成气经过第一净化分离装置将杂质和氮气分离，然后经过燃料压缩机进行压缩之后送到固体氧化物燃料电池中。
27.在本发明的一些实施方式中，还包括第一空气预热器，第一空气预热器设置空气进口和空气出口，第一空气预热器的空气出口与第二空气预热器连接，气化炉的阴极气体出口与第一空气预热器连接。阴极尾气进入气化炉提供热量后，进入第一空气预热器预热空气。
28.在本发明的一些实施方式中，还包括空气压缩机，空气压缩机设置空气进口和空气出口，空气压缩机的空气出口与第一空气预热器连接。
29.在本发明的一些实施方式中，还包括第三空气预热器，第二空气换热器的空气出口与第三空气预热器连接，第三空气预热器的空气出口与固体氧化物燃料电池阴极进口连接，第四换热器的阳极气体出口与第三空气预热器连接。第一空气预热器提供空气的第一次预热，然后依次进入第二空气预热器、第三空气预热器进行预热，实现了尾气热量的梯级利用。
30.在本发明的一些实施方式中，还包括第一混合器，第三空气预热器、固体氧化物燃料电池的阴极气体出口分别与第一混合器进口连接，第一混合器的出口与固体氧化物燃料电池的阴极进口连接。
31.在本发明的一些实施方式中，还包括燃烧室，固体氧化物燃料电池的阳极气体出口与燃烧室连接，燃烧室的出口与第四预热器连接，燃烧室设置氧气进口。在燃烧室中与氧气进行燃烧，使阳极尾气燃烧后的烟气主要成分为co2和h2o，有利于进入到气化炉为生物质
提供气化的活化气。
32.在本发明的一些实施方式中，还包括第二混合器，第一空气预热器的合成气出口与第二混合器连接，第二混合器的合成气出口与固体氧化物燃料电池的阳极进口连接，固体氧化物燃料电池的阳极出口与第二混合器的进口连接。
33.在本发明的一些实施方式中，超临界二氧化碳再压缩动力循环系统包括二氧化碳第一锅炉，卡琳娜循环系统包括二氧化碳第二锅炉，第一空气预热器的阴极气体出口依次与二氧化碳第一锅炉、二氧化碳第二锅炉连接。
34.在本发明的一些实施方式中，还包括热水换热器，二氧化碳第二锅炉的循环气出口与热水换热器连接，热水换热器设置水进口。
35.卡琳娜循环和超临界二氧化碳再压缩动力循环以及热水换热器依次对阴极排气进行废热的深度回收。阴极尾气先为超临界二氧化碳再压缩动力循环通过括二氧化碳第一锅炉供热，再为卡琳娜循环通过二氧化碳第二锅炉预热，最后供给水热量，实现了阴极尾气废热的梯级回收。
36.在本发明的一些实施方式中，超临界二氧化碳再压缩动力循环系统还包括第一透平、高温回热器、低温回热器、冷却器、主压缩机、再压缩机，二氧化碳第一锅炉的二氧化碳工质出口与第一透平连接，第一透平的二氧化碳工质出口依次与高温回热器、低温回热器连接，低温回热器的二氧化碳工质出口分别与冷却器、再压缩机连接，冷却器的出口与主压缩机连接，主压缩机的出口依次与低温回热器、高温回热器、二氧化碳第一锅炉连接，再压缩机的出口依次与高温回热器、二氧化碳第一锅炉连接。
37.在本发明的一些实施方式中，卡琳娜循环系统还包括第二透平和溶液预热器，第三空气预热器的阳极气体出口依次与第二透平、溶液预热器连接。
38.在本发明的一些实施方式中，卡琳娜循环系统还包括第二净化分离装置、第二透平、第三混合器、冷凝器、再生器，二氧化碳第二锅炉的蒸汽出口与第二净化分离装置连接，第二净化分离装置富氨出口依次与第二透平、第三混合器连接，第二净化分离装置弱氨出口依次与再生器、第三混合器连接，第三混合器出口依次与冷凝器、再生器、溶液预热器、二氧化碳第二锅炉溶液进口连接。
39.实施例1
40.阳极烟气回收回路：生物质(14)和一部分释放热量后的固体氧化物燃料电池(sofc)阴极尾气(co2和h2o)进入到气化炉(gas)中发生化学反应产生的合成气(15)经第一净化分离装置(sep1)将杂质和氮气(16)分离，分离后的燃料气体17送入燃料压缩机(fc)压缩，压缩后的压缩燃料气体18经第二空气预热器(ah2)释放热量后，成为预热燃料气体(19)送至第二混合器(m2)与阳极回流气体(21b)混合，之后阳极混合气(20)被送入固体氧化物燃料电池(sofc)阳极。在sofc中，阳极混合气(20)与阴极混合气(6)发生电化学反应产生电能。从sofc阳极出来的阳极尾气(21)分成两路，阳极尾气第二分路(21b)通过回流返回第二混合器(m2)；阳极尾气第一分路(21a)直接送入燃烧室(ab)与氧气(28)燃烧，燃烧后得到初烟气(22)，初烟气(22)经过第四换热器后成为降温烟气(23)，降温烟气(23)中的第一烟气(24a)(主要为co2和h2o)，通过第三空气预热器(ah3)后成为第一降温烟气(25)，然后通过第二透平(t2)后成为第一降压烟气(26)溶液预热器(pre)换热降温后进行第二排入大气(27)，第二烟气(24b)进入生物质炉中。
41.阴极烟气回收回路：压缩空气(2)经过第一空气预热器(ah1)，然后成第一预热空气3进入第二空气预热器(ah2)，成为第二预热空气4后进入第三空气预热器(ah3)，然后成为第三预热气(5)进入第一混合器(m1)，加热至sofc入口温度后送至sofc阴极，与阳极混合气(20)发生电化学反应后，阴极尾气(7)通过第四换热器(ah4)加热后成为加热阴极尾气(8)送至高温气化炉(gas)释放热量。之后从gas出来的第一冷却阴极尾气(9)依次通过第一空气预热器(ah1)，然后成为第二冷却阴极尾气(10)进入二氧化碳第一锅炉(hrvg1)，然后成为第三冷却阴极尾气(11)进入二氧化碳第二锅炉(hrvg2)，然后成为第四冷却阴极尾气(12)进入热水换热器(he)释放热量，最后进行第一排入大气(13)。热水换热器进入外部水(52)，然后排出加热水(53)
42.超临界二氧化碳再压缩动力循环：
43.处于超临界状态的二氧化碳工质(30)经第一透平(t1)膨胀做功后依次进入高温回热器(htr)，低温回热器(ltr)预冷，遇冷后的第一流体(33)分成两路，第二流体(34)经冷却器(cool)冷却后成为冷却流体(35)流入主压缩机(mc)压缩，接着成为压缩流体(36)通过低温回热器(ltr)被第三流体(32)预热，成为低温预热流体(37)。第四流体(38)则通过再压缩机(rc)压缩，之后与低温预热流体(37)汇合成为混合流体(39)，接着第五流体(39)通过高温回热器(htr)被第六流体(31)加热，然后第七流体(40)流出然后成为第八流体(29)送入二氧化碳第一锅炉(hrvg1)被顶循环第二冷却阴极尾气(10)加热，变为二氧化碳工质(30)，从而完成一个循环。
44.卡琳娜(ksc)循环：
45.泵出口的高压碱性氨溶液(50)首先依次经过再生器(hr)和溶液预热器(pre)中预热，然后进入二氧化碳第二锅炉(hrvg2)吸收顶循环阴极排气释放的热量，并转化为高温氨蒸汽(43)。然后在第二净化分离装置(sep2)中将蒸汽分离为富氨蒸汽(44)和弱氨溶液(45)。富含氨的蒸汽进入第二透平(t2)膨胀做功后成为膨胀富氨流体(51)。弱氨溶液流经再生器释放热量，成为低温弱氨溶液(46)通过节流阀(v)节流至低压成为低压弱氨溶液(47)。之后，两种液体在第三混合器(m3)中混合，成为混合流体(48)然后在冷凝器(cond)中冷凝为低压碱性氨溶液(49)，经过泵(p)的作用后成为高压碱性氨溶液(50)进入再生器，成为第一预热流体(41)经过溶液预热器(pre)成为第二预热流体(42)。
46.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。