[发明专利]燃烧焦炉煤气的高效燃料电池联合循环工艺系统有效
申请号: | 201310269160.1 | 申请日: | 2013-07-01 |
公开(公告)号: | CN104282924A | 公开(公告)日: | 2015-01-14 |
发明(设计)人: | 赵洪滨;刘畅;江婷 | 申请(专利权)人: | 中国石油大学(北京) |
主分类号: | H01M8/04 | 分类号: | H01M8/04;F02C6/18 |
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地址: | 102249*** | 国省代码: | 北京;11 |
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摘要: | |||
搜索关键词: | 燃烧 焦炉煤气 高效 燃料电池 联合 循环 工艺 系统 | ||
技术领域
本发明属于热力设备及其系统技术领域,特别是以煤炭焦化为基础的化工技术及综合能源供需领域。
背景技术
(1)COG合理利用技术
虽然石油、天然气已经成为当今能源供应的最主要形式,但因其储量与利用模式所限,使得煤炭的能源地位仍十分重要,煤炭在一定时间及区域内仍主导着能源行业的发展与供给产业链。与此同时,钢铁作为重工业的血液,在传统工业中必然占据相当重要的地位,而钢铁的冶炼业需要煤炭产业的支持与供应。所以,煤炭、钢铁工业仍是工业用能、耗能与产能的主要行业。中国是世界上第一焦炭生产大国,近十年来国内的焦炭生产量约占世界总产量的36%,近十五年来,中国焦炭出口量超过了世界总出口量的一半。炼焦过程每产出1吨焦炭,就伴随着430m3的焦炉煤气生成。COG的产生一般来源于煤炭加工工业和钢铁工业的上游产业,且一般均作为中间过程的副产气体生成。然而常规的焦化工业以及煤气化产业通常将COG明燃或放散,将COG进行有效的回收并综合利用的数量十分有限,这不仅浪费了大量的能源,同时也会给环境带来一定的负担。仅山西省每年白白烧掉的焦炉煤气就达300亿m3以上,相当于西气东输年输气量的2倍多。COG作为其中间副产燃气,具有取用方便、用量可控的特点。其与传统气体燃料天然气相比虽热值偏低,但生产成本较低,且其净化除杂过程可伴随产生多种化工产品。由于COG是一种含有多种气体成分的混合燃气,其用途也较为广泛,可以提取纯氢,用于高科技燃料领域;也可制取甲醇、尿素等化工产品,同时还可合成氨、二甲醚、还原铁以生产海绵铁等。考虑到COG的有效回收利用仍需一定的技术推广,相关产业链的建立和完善也需要一段时间的市场磨合,因此在现阶段只能实现COG的厂内自用或外卖待用。COG作为燃料气体直接供热力机械燃烧使用,可以使其带有的化学能释放出来,从而转化为热能以驱动功热转换设备运行,从而产生机械能,进而转换为更高品位的电能供通用的耗电工作机使用。
我国的钢铁行业及焦化工业依托煤炭行业的先天资源优势已成为战略性的重要产业;焦化工业能耗高、用能数量与种类繁多、节能降耗成为迫切需要,而焦化工业副产燃气COG的数量及能量巨大,使我国当前COG的使用现状已无法适应节能、低碳及能量梯级利用的能源主导理念。若将COG实现合理利用,可很大程度上解决或缓解以钢铁行业为主导的能源工业用能紧张的严峻形势,因此发展COG的合理利用技术,小至焦化行业本身,大至整个能源行业均具有十分重要的意义。
(2)氢能利用及燃料电池技术
燃料电池工作原理类似普通电池,通过电子的得失而产生电流。以氢氧燃料电池为例,其在阴极侧的电解质界面附近,空气中的氧气吸收电子被还原成氧离子,氧离子在电位差和氧浓度差驱动下,通过电解质移至阳极。氧离子通过电解质后在阳极与氢气发生电化学反应,生成水并放出电子。电子通过外电路移动至阴极,产生电流。燃料电池只需要有源源不断的燃料与氧化剂供给就可以连续运行,因此可以说电池是储能装置,而燃料电池是能量转化装置。大多数的传统能量转化设备,如燃气轮机、汽轮机、内燃机等是将燃料的化学能通过燃烧转化为热能,然后转化为机械能,最后转化为电能。但是燃料电池通过电化学反应直接将燃料的化学能转化为可以利用的电能和热能,不受卡诺循环的限制,因此比传统能量转化设备更高效。SOFC的高温排气(650°C-1000°C)有很大的余热利用价值,混合发电系统可以充分利用尾气,提高燃料利用率,降低污染物NOx和CO的排放。近几年来,随着SOFC的技术进步,SOFC的联合装置也得到了迅速发展。根据燃料电池和燃气轮机两个子系统的布置方法不同,SOFC-GT联合系统分为两类:顶层循环方式和底层循环方式。其顶层循环式的系统相当于利用加压燃料电池取代燃烧室向燃气轮机输入燃气,而底层循环式系统中燃料电池的样机排气通过一个换热器加热燃气轮机所需的高温高压气体。顶层循环式联合系统要求燃料电池在一定的压力下运行,从SOFC流出的未完全燃烧的气体在燃烧室中进一步燃烧然后驱动透平做功,透平的排气可以回收用来预热SOFC入口气体。而底层循环中,燃料与SOFC阴极出口气体换热后进入阳极,反应后的排气包括可燃气体进入燃烧室与空气混合燃烧,提高温度加热透平入口空气,然后作为阴极氧化剂进入SOFC参加电化学反应。SOFC可以在常压下工作,也可以在加压下工作,适当压力下工作可提高燃料利用效率,但会损害电池寿命。所以底层循环联合系统通常是在常压下工作。底层循环系统具有结构简单、投资低的特点,但相比之下,底层循环的发电效率偏低。
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