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申请/专利权人：华北电力大学

摘要：本发明属于MCFC复合动力系统技术领域，特别涉及一种可调节CO2回收率的MCFC复合动力系统及运行方法。本发明集成ITM代替深冷空分装置产生纯氧，其与电池阳极排气一并送入后燃室进行完全燃烧，产物只有CO2和H2O，随后一部分排气循环至电池阴极提供阴极反应所需的CO2，其余部分通过余热锅炉回收余热，尾气与空气换热冷凝析出水，剩余的CO2采用三级间冷二氧化碳压缩机压缩成液态，电池阴极增设一个循环，通过改变循环气体比例可调节MCFC复合动力系统的CO2回收率。系统充分利用了MCFC的高温排气余热，温度对口，提高系统效率的同时降低了分离捕捉CO2的能耗，节约电能，同时该新系统通过增设的阴极循环可调节CO2回收率。

主权项：可调节CO2回收率的MCFC复合动力系统，其特征如下：第一路空气管道依次与第三换热器14、第四换热器15、第二混合器16、第二换热器10连接后，接入MCFC电池堆4的阴极；第二路空气管道依次与空气压缩机19、第一换热器8连接后，接入ITM单元20的原料侧，第一换热器8设置在后燃室7中；燃料管道依次与第一混合器1、预重整器2连接后，接入MCFC电池堆4的阳极；MCFC电池堆4的阳极排气口与第一分离器3连接，然后分为两路，分别与第一混合器1、后燃室7连接；MCFC电池堆4的阴极排气口与第二分离器9连接，然后分为两路，一路与余热锅炉及汽轮机系统12连接，另一路与第二混合器16连接；后燃室7的出口与第二换热器10连接后，接入第三分离器11，然后分为两路，分别与余热锅炉及汽轮机系统12、第二混合器16连接；ITM单元20的原料侧出口依次与空气透平21、第四换热器15连接后，废气排入大气；ITM单元20的渗透侧出口接回后燃室7；余热锅炉及汽轮机系统12的排气口依次与第三换热器14、冷凝器17、三级间冷二氧化碳压缩机18连接；MCFC电池堆4的输出端通过直流交流转换器5与第一发电机6连接。

全文数据：可调节C〇2回收率的MGFG复合动力系统及运行方法技术领域[0001]本发明属于熔融碳酸盐燃料电池MCFC复合动力系统技术领域，特别涉及一种可调节C02回收率的MCFC复合动力系统及运行方法。背景技术[0002]温室气体过量排放加剧了温室效应，作为最主要的温室气体，C〇2的减排已经引起了全球的广泛关注。传统的发电方式因为受到卡诺循环的限制，发电效率较低，而且捕集C02会使效率进一步下降。而熔融碳酸盐燃料电池MCFC产电是通过电化学反应过程，突破了卡诺循环效率的限制，并且其排气温度高，易于与其它系统集成，进一步提高系统效率。同时利用ITM低能耗制得的纯氧可使未反应燃料气体完全燃烧生成〇2和出0,易于分离，可最大程度避免空气中N2对于排气中C02的掺混，使C02捕集能耗大幅降低。发明内容[0003]本发明提供了一种可调节⑶2回收率的MCFC复合动力系统及运行方法，通过将MCFC阴、阳极排气分流避免排气中C02由于他掺混造成分离能耗过高的问题，并利用ITM制氧能耗低的优势，进一步降低复合动力系统总能耗，减少MCFC复合动力系统因为回收02所带来的效率惩罚，同时通过增设MCFC阴极排气循环，可实现复合动力系统C02回收率的调节。[0004]本发明所述的复合动力系统采用的技术方案为：[0005]第一路空气管道依次与第三换热器、第四换热器、第二混合器、第二换热器连接后，接入MCFC电池堆的阴极;第二路空气管道依次与空气压缩机、第一换热器连接后，接入ITM单元的原料侧，第一换热器设置在后燃室中；燃料管道依次与第一混合器、预重整器连接后，接入MCFC电池堆的阳极；[0006]MCFC电池堆的阳极排气口与第一分离器连接，然后分为两路，分别与第一混合器、后燃室连接;MCFC电池堆的阴极排气口与第二分离器连接，然后分为两路，一路与余热锅炉及汽轮机系统连接，另一路与第二混合器连接；[0007]后燃室的出口与第二换热器连接后，接入第三分离器，然后分为两路，分别与余热锅炉及汽轮机系统、第二混合器连接；[0008]ITM单元的原料侧出口依次与空气透平、第四换热器连接后，废气排入大气；ITM单元的渗透侧出口接回后燃室；[0009]余热锅炉及汽轮机系统的排气口依次与第三换热器、冷凝器、三级间冷二氧化碳压缩机连接；[0010]MCFC电池堆的输出端通过直流交流转换器与第一发电机连接。[0011]所述ITM单元中氧离子传输膜使用无孔、混合导电、具有电子和离子传导性的陶瓷膜，其运行温度为900°C;ITM单元原料侧进气为高温高压空气，出口为贫氧空气，渗透侧出口为纯氧；ITM单元原料侧与渗透侧氧气分压力比为6.3。[0012]所述三级间冷二氧化碳压缩机由三级压缩机、冷却器串联组成。[0013]所述余热锅炉及汽轮机系统与第二发电机连接。[0014]所述空气透平与第三发电机连接。[0015]本发明提供的一种所述集成ITM可调节⑶:^回收率的MCFC复合动力系统的运行方法，其过程为：[0016]常温下的燃料在第一混合器中与MCFC电池堆阳极循环回来的部分排气混合预热，并进入预重整器中发生预重整反应，随后进入MCFC电池堆的阳极提供阳极反应气体;常温下的第一路空气依次经过第三换热器、第四换热器换热后，在第二混合器中与MCFC电池堆阴极循环回来的部分排气及后燃室部分排气混合进一步预热，随后经第二换热器加热到650°C后进入MCFC电池堆阴极提供阴极反应气体；[0017]MCFC电池堆的阳极排气经第一分离器分成两路:一路进入第一混合器预热燃料并防止重整过程中积碳，另一路进入后燃室燃烧剩余的未反应气体;MCFC电池堆的阴极排气经第二分离器分成两路:一路循环回电池堆前的第二混合器中预热空气同时调节系统C02回收率，另一路进入余热锅炉及汽轮机系统回收余热后排入大气;MCFC电池堆的输出端驱动第一发电机发电；[0018]常温下的第二路空气经空气压缩机压缩后进入后燃室内部的换热器加热到900°C，随后通入ITM单元原料侧入口，ITM单元原料侧出口的贫氧空气经空气透平膨胀做功后与第四换热器进行换热，ITM单元渗透侧出口的纯氧进入后燃室;后燃室出口排气与第二换热器换热降温后经第三分离器分成两路:一路进入第二混合器提供MCFC电池堆阴极反应气体C02,另一路进入余热锅炉及汽轮机系统回收余热，余热锅炉及汽轮机系统尾气分别经第三换热器换热、冷凝器析出水后进入三级间冷二氧化碳压缩机，制备液态C02。[0019]所述空气压缩机出口处压力为30atm。[0020]本发明的有益效果为：[0021]熔融碳酸盐燃料电池MCFC产电过程是电化学反应，不受卡诺循环效率的限制，效率高，利用其高温排气与蒸汽循环集成可进一步提高发电效率;采用制氧能耗低的ITM产生纯氧使电池未反应气体完全燃烧生成〇2和出0,其中一部分可用于提供电池阴极反应所需气体，另一部分可经过简单的冷凝析出水分得到高纯C02气体用于压缩液化存储;通过增设MCFC阴极循环可调节整个复合动力系统的C02回收率。附图说明[0022]图1为不回收COd^MCFC复合动力基准系统结构示意图。[0023]图2为本发明所述集成ITM可调节C02回收率的MCFC复合动力系统结构示意图。[0024]图中标号：[0025]1-第一混合器;2-预重整器;3-第一分离器;4-MCFC电池堆；5-直流交流转换器；6_第一发电机;7-后燃室;8-第一换热器;9-第二分离器；10-第二换热器；11-第三分离器；12-余热锅炉及汽轮机系统；13-第二发电机；14-第三换热器；15-第四换热器；16-第二混合器；17-冷凝器；18-三级间冷二氧化碳压缩机；19-空气压缩机;20-ITM单元;21-空气透平；22-第三发电机。具体实施方式[0026]本发明提供了一种可调节⑶2回收率的MCFC复合动力系统及运行方法，下面通过附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。[0027]基准系统为不回收C02系统，其结构图如图1所示。燃料与循环回来的部分阳极排气在第一混合器1混合后进入预重整器2重整，随后进入MCFC电池堆4的阳极，空气与循环回来的部分后燃室排气在第二混合器16混合后经第二换热器10预热，随后进入MCFC电池堆4的阴极，电池堆内部发生电化学反应，通过直流交流转换器5及第一发电机6输出电能。此后阳极排气经第一分离器3分成两路:一路循环回第一混合器1预热燃料并防止重整积碳，另一路和阴极排气一起送入后燃室7燃烧。燃烧排气经过第二换热器10降温后分成两路:一路循环回第二混合器16预热空气同时提供电池堆阴极反应所需的C02,另一路进入余热锅炉及汽轮机系统12回收余热产生蒸汽推动汽轮机产功，通过第二发电机13输出电能，最后低温排气直接排入大气。[0028]本发明基于基准系统，提出集成ITM可调节C02回收率的MCFC复合动力系统，结构图如图2所示。燃料与循环回来的部分阳极排气在第一混合器1混合后进入预重整器2重整，随后进入MCFC电池堆4的阳极，第一路空气①依次经过第三换热器14、第四换热器15预热后，进入第二混合器16与部分后燃室7排气及部分阴极排气混合，随后经过第二换热器10加热后进入MCFC电池堆4的阴极，电池堆内部发生电化学反应，通过直流交流转换器5及第一发电机6输出电能。MCFC电池堆4的阴极排气经第二分离器9分成两路:一路循环回第二混合器16预热空气并调节系统C02回收率，另一路进入余热锅炉及汽轮机系统12回收余热。MCFC电池堆4的阳极排气经第一分离器3分成两路:一路循环回第一混合器1预热燃料并防止重整积碳，另一路进入后燃室7进行燃烧。后燃室7所需氧气由第二路空气②提供，第二路空气②经空气压缩机压缩到30atm后进入后燃室7内部的第一换热器8加热到900°C，随后进入ITM单元20,在此空气分离成两股:一股为渗透侧出口的纯氧压力latm，送入后燃室7助燃;另一股为原料侧出口高温高压的贫氧空气，经空气透平21膨胀带动第三发电机22发电，膨胀后的气体经第四换热器15预热空气后排入大气。后燃室7排气经过第二换热器10降温后由第三分离器11分成两路:一路进入第二混合器16预热空气并提供MCFC电池堆4阴极反应所需C02气体，另一路进入余热锅炉及汽轮机系统12回收余热，其排气经第三换热器14预热低温空气后，通过冷凝器17析出水，得到的高纯度C02气体送入三级间冷二氧化碳压缩机18压缩液化得到液态C02。[0029]下面结合算例，对本发明的效果做进一步说明。[0030]不回收⑶2基准系统与集成ITM可调节⑶:^回收率的MCFC复合动力系统基于相同的假设和相同的参数值。表1列出了系统假设条件及选取参数。[0031]表1系统假设参数[0033]本发明所提集成ITM可调节⑶:^回收率的MCFC复合动力系统可通过改变MCFC阴极排气的循环比调节系统的C02回收率。表2列出了不同循环比下系统对应的C02回收率及净效率。[0034]表2MCFC阴极排气不同循环比下系统的C02回收率及净效率[0036]在本发明所提集成ITM可调节C02回收率的MCFC复合动力系统的⑶2回收率为85%的前提下，将其模拟结果与基准系统进行对比，结果如表3所示。[0037]表3系统结果比较[0038][0039]由表3可以看出，不回收C〇2基准系统净效率为63.36%，当C〇2回收率为85%时，集成ITM可调节C02回收率的MCFC复合动力系统净效率为62.68%，其净效率较相同条件下的不回收C02基准系统仅降低了0.68个百分点，显示出本发明达到了预期的有益效果。

权利要求：1.可调节C02回收率的MCFC复合动力系统，其特征如下:第一路空气管道依次与第三换热器（14、第四换热器（15、第二混合器（16、第二换热器（10连接后，接入MCFC电池堆4的阴极;第二路空气管道依次与空气压缩机（19、第一换热器8连接后，接入ITM单元20的原料侧，第一换热器8设置在后燃室7中；燃料管道依次与第一混合器（1、预重整器⑵连接后，接入MCFC电池堆4的阳极；MCFC电池堆4的阳极排气口与第一分离器3连接，然后分为两路，分别与第一混合器（1、后燃室（7连接;MCFC电池堆4的阴极排气口与第二分离器9连接，然后分为两路，一路与余热锅炉及汽轮机系统（12连接，另一路与第二混合器16连接；后燃室（7的出口与第二换热器（10连接后，接入第三分离器（11，然后分为两路，分别与余热锅炉及汽轮机系统（12、第二混合器16连接；ITM单元20的原料侧出口依次与空气透平21、第四换热器15连接后，废气排入大气；ITM单元20的渗透侧出口接回后燃室7;余热锅炉及汽轮机系统（12的排气口依次与第三换热器（14、冷凝器（17、三级间冷二氧化碳压缩机18连接；MCFC电池堆4的输出端通过直流交流转换器5与第一发电机6连接。2.根据权利要求1所述的可调节C02回收率的MCFC复合动力系统，其特征在于:所述ITM单元20中氧离子传输膜使用无孔、混合导电、具有电子和离子传导性的陶瓷膜，其运行温度为900°C;ITM单元（20原料侧进气为高温高压空气，出口为贫氧空气，渗透侧出口为纯氧；ITM单元20原料侧与渗透侧氧气分压力比为6.3。3.根据权利要求1所述的可调节C02回收率的MCFC复合动力系统，其特征在于:所述三级间冷二氧化碳压缩机18由三级压缩机、冷却器串联组成。4.根据权利要求1所述的可调节C02回收率的MCFC复合动力系统，其特征在于:所述余热锅炉及汽轮机系统（12与第二发电机13连接。5.根据权利要求1所述的可调节C02回收率的MCFC复合动力系统，其特征在于:所述空气透平21与第三发电机22连接。6.-种基于权利要求1-5任一可调节⑶2回收率的MCFC复合动力系统的运行方法，其特征在于，常温下的燃料在第一混合器（1中与MCFC电池堆4阳极循环回来的部分排气混合预热，并进入预重整器2中发生预重整反应，随后进入MCFC电池堆4的阳极提供阳极反应气体;常温下的第一路空气依次经过第三换热器（14、第四换热器（15换热后，在第二混合器（16中与MCFC电池堆4阴极循环回来的部分排气及后燃室7部分排气混合进一步预热，随后经第二换热器10加热到650°C后进入MCFC电池堆4阴极提供阴极反应气体；MCFC电池堆（4的阳极排气经第一分离器3分成两路:一路进入第一混合器（1预热燃料并防止重整过程中积碳，另一路进入后燃室（7燃烧剩余的未反应气体;MCFC电池堆4的阴极排气经第二分离器9分成两路:一路循环回电池堆前的第二混合器（16中预热空气同时调节系统C02回收率，另一路进入余热锅炉及汽轮机系统（12回收余热后排入大气;MCFC电池堆4的输出端驱动第一发电机6发电；常温下的第二路空气经空气压缩机（19压缩后进入后燃室（7内部的换热器8加热到900°C，随后通入ITM单元20原料侧入口，ITM单元20原料侧出口的贫氧空气经空气透平（21膨胀做功后与第四换热器（15进行换热，ITM单元20渗透侧出口的纯氧进入后燃室（7;后燃室（7出口排气与第二换热器（10换热降温后经第三分离器（11分成两路:一路进入第二混合器（16提供MCFC电池堆4阴极反应气体C02,另一路进入余热锅炉及汽轮机系统（12回收余热，余热锅炉及汽轮机系统（12尾气分别经第三换热器（14换热、冷凝器17析出水后进入三级间冷二氧化碳压缩机18，制备液态C02。7.根据权利要求6所述的运行方法，其特征在于，所述空气压缩机（19出口处压力为30atm〇

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