[发明专利]基于SOFC/GT和膜分离技术的低碳排放功冷联供系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于SOFC/GT和膜分离技术的低碳排放功冷联供系统。

背景技术

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种新型的高温电化学发电装置，因不受卡诺循环限制而具有电效率高、污染物排放低、余热利用价值高等优点，具有非常广阔的发展应用前景。由SOFC和燃气轮机(GT)构成的SOFC/GT混合发电系统被认为是实现Vision21计划目标的最关键技术。由于现有SOFC/GT系统的排气温度较高，可通过中低温余热回收其排气余热而构建联合循环系统，从而实现能量的综合梯级利用。在现有的中低温余热回收技术中，以氨水为工质的功冷联供系统能够根据用户的实际需要，通过调节氨水浓度来实现电能和冷量的可调节供应而受到广泛关注，但是现有功冷联供技术未能实现低碳排放。气体膜分离技术由于具有高效、节能、环保、操作简单、易于控制等优点而被广泛应用，已成为当今最重要的分离技术之一。其中，由陶瓷相与碳酸盐相组成的CO₂分离膜的工作温度为400～900℃，具有很高的CO₂渗透通量及CO₂选择性。因此，通过系统集成上述技术可同时实现系统能量的高效梯级利用和低碳排放。

中国专利申请201410313453X公开了一种基于分馏冷凝氨动力/制冷循环和SOFC/GT的联供系统，它涉及一种SOFC/GT和中低温余热回收系统，以传统的SOFC/GT混合发电系统为基准系统，通过引入基于分馏冷凝子系统的氨动力/制冷复合循环为其底循环，得到了一个新的高效节能功冷联供系统。但是，该专利申请未能实现CO₂的捕集、液化与封存，在低碳减排方面有待改进。

发明内容

本发明的目的是以两级SOFC/GT复合动力系统为基准系统，通过引入二氧化碳膜分离装置和氨动力/制冷复合循环为底循环而构成一个低碳排放的功冷联供系统，解决目前没有一种设计或系统能实现高效梯级功冷联供和低碳排放的问题。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于SOFC/GT和膜分离技术的低碳排放功冷联供系统，包括：

空气压气机与第一预热器串联后接入第一SOFC的阴极；

燃料压气机与第一混合器相连接，水泵与第六预热器、第二预热器串联后接入第一混合器，第一混合器相继与第三预热器、第五预热器相连后接入第一SOFC的阳极；

第一SOFC电池堆的输出端与第一直流/交流换流器相连接；第一SOFC的阴极排气接入第二SOFC的阴极，第一SOFC的阳极排气接入膜法分离氢装置；

膜法分离氢装置分离出的H₂相继经第三预热器冷却、氢气压气机升压和第四预热器升温后接入第二SOFC的阳极；

第二SOFC的阴极排气和阳极排气接入后燃烧室，第二SOFC电池堆的输出端与第二直流/交流换流器相连接；

膜法分离氢装置排出的分离H₂后的气体接入膜分离二氧化碳装置，膜分离二氧化碳装置分离出的CO₂经第六预热器放热后接入带冷却器的二氧化碳压缩机，制备液态CO₂，实现低碳减排；

膜分离二氧化碳装置排出的分离CO₂后的气体接入后燃烧室，后燃烧室的高温排气分两路：一路与第一预热器和第二预热器串联后接入第二混合器，另一路与第四预热器和第五预热器串联后接入第二混合器；第二混合器依次与燃气轮机相连。这是因为相比于先膨胀做功后预热方案而言，采用先预热后膨胀做功的方案，能够使第一SOFC的进气温度提高，从而减小第一SOFC的进出口温差，延长第一SOFC的运行寿命。

第二混合器依次与燃气轮机、过热器、再沸器和烟气回热器相连接，进行余热回收；

液化天然气相继与带中间冷却器的二氧化碳压缩机和冷量储存器串联后接入燃料压气机。利用液化天然气的低温实现CO₂的液化和冷量储存。

带顶部冷凝器的精馏塔相继与过冷器、第一节流阀和蒸发器串联后接入吸收器；带顶部冷凝器的精馏塔底部串联再沸器、第一回热器和第二节流阀后分成两路：一路接入第三混合器，另一路接入吸收器；吸收器相继与第一泵、第一回热器、过热器和透平串联后接入第三混合器；第三混合器依次串联第二回热器、冷凝器、第二泵和烟气回热器后接入带顶部冷凝器的精馏塔。