[发明专利]用常压MCFC回收燃气轮机排气中CO2的复合动力系统

说明书

技术领域

本发明属于熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）复合动力发电技术领域，特别涉及一种用常压MCFC回收燃气轮机排气中CO₂实现燃气轮机低CO₂排放的复合动力系统。

背景技术

熔融碳酸盐燃料电池利用电化学过程产电，具有较高的能量转换效率。且MCFC的排气温度较高可由透平、余热锅炉和汽水系统进行余热回收，从而组成一个能量充分梯级利用的高效发电系统。并且本发明在实现燃气轮机低CO₂排放方面具有独特的优势：一方面燃气轮机的高温排气可以提供MCFC阴极电化学反应中按摩尔比为2:1反应的CO₂与O₂，这样就大大减少了燃气轮机排气中CO₂排入大气中的量；另一方面本发明在设计过程中结合了低成本低能耗用来产生纯氧的OTM系统，后燃室的高温排气将燃气轮机排气加热到650℃以后再将OTM加热到工作温度800°C左右，后燃室进行纯氧燃烧最终燃烧产物CO₂和水蒸汽，由于废气中没有了N₂的掺混大大减少了在回收CO₂过程中的能耗，综合以上两个有利条件本发明提出了用熔融碳酸盐燃料电池回收燃气轮机排气中CO₂实现燃气轮机低CO₂排放的复合动力系统。

发明内容

本发明以不回收CO₂的燃气蒸汽联合循环系统为基准系统提出集成方案，将燃气轮机、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、氧离子传输膜（OTM）、高温空气透平（AT）、余热锅炉和蒸汽轮机系统以及CO₂回收单元集成在一起构成燃气轮机低CO₂排放的复合动力系统，解决了传统发电系统的低效率和大量污染气排放的问题，实现低能耗回收CO₂，并保持系统的高效性。

本发明采用的技术方案为：

燃料压缩机和第一空气压缩机分别与燃烧室连接，燃烧室、第一透平、第一换热器、MCFC电池堆的阴极依次连接；第一混合器、冷却器、预重整器、MCFC电池堆的阳极依次连接；

MCFC电池堆的输出端与直流/交流转换器连接；MCFC电池堆的阳极排气端与分离器的入口端连接，MCFC电池堆的阴极排气端与余热锅炉及汽轮机系统的入口端连接；

分离器的出口端分两路，一路与第一混合器的入口端连接，参与循环，另一路依次与后燃室、第二换热器的高温气体侧、余热锅炉及汽轮机系统的入口侧连接；第二空气压缩机依次与换热器的常温气体侧、OTM模块串联；OTM模块的原料侧出口与第二透平串联后接入余热锅炉及汽轮机系统的入口端，OTM模块的渗透侧出口与后燃室连接； 

余热锅炉及汽轮机系统的出口侧与冷凝器以及带中间冷却器的二氧化碳压缩机串联。

所述OTM模块包括原料侧和渗透侧，采用氧离子传输膜分隔；OTM模块的原料侧进气为经加压和加热的空气，渗透侧出气为氧气。渗透侧提供的纯氧是由膜两侧的氧气压力差作用所得到的。

所述带中间冷却器的二氧化碳压缩机由三级压缩机、冷却器串联组成，低温燃烧尾气通过冷凝器析出水，得到干燥高纯度的CO₂气体，再通过三级间冷压缩机压缩液化。

所述第一透平的输出端与第一发电机相连，输出电能。

所述第二透平与第二发电机连接，并驱动其发电。

所述余热锅炉及汽轮机系统与第三发电机连接，并驱动其发电。

本发明的有益效果为：

本发明将燃气轮机的高温排气通入MCFC的阴极，摩尔比为2:1的CO₂与O₂在熔融碳酸盐燃料电池的阴极发生电化学反应，阴极剩余的贫CO₂高温排气在余热锅炉及汽轮机系统中做功进行余热回收，最后排气中只含有极少量的CO₂；另一方面本发明通过OTM对空气2进行分离，将最终得到的纯氧送入MCFC后燃室进行纯氧燃烧，最终得到燃烧产物的主要成分是CO₂和H₂O，避免了空气中大量的N₂对CO₂的掺混稀释，降低了储存回收CO₂的能耗，并且OTM原料侧出口的高温高压贫氧空气还可与余热锅炉汽轮机系统相结合进行余热回收。