專利名稱：一種利用燃?xì)廨啓C(jī)排煙余熱發(fā)電的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種發(fā)電裝置，尤其是一種利用燃?xì)廨啓C(jī)排煙余熱發(fā)電的裝置。
背景技術(shù)：
燃?xì)廨啓C(jī)是近幾十年來發(fā)展起來的一種熱功轉(zhuǎn)化設(shè)備，自從1939年瑞士 BBC公司 研制出世界第一臺4000kW的發(fā)電燃?xì)廨啓C(jī)后，尤其是近些年來液體和氣體燃料的廣泛使 用，燃?xì)廨啓C(jī)得到較快發(fā)展。燃?xì)廨啓C(jī)已經(jīng)有60多年的發(fā)展歷史，其性能、效率和技術(shù)水平 有了很大提高。基于經(jīng)濟(jì)發(fā)展的戰(zhàn)略和國際競爭的需求，許多國家將先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)作 為本國科技優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域的重點(diǎn)。20世紀(jì)80年代，燃?xì)廨啓C(jī)工程界提出了高熱效率和燃 料適用性是能源經(jīng)濟(jì)中的兩個(gè)關(guān)鍵。因現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)具有污染小、氣體適應(yīng)性強(qiáng)、啟動快、 功率大等突出優(yōu)點(diǎn)而在發(fā)電、航空、艦船、軍用以及機(jī)械驅(qū)動等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。目前燃 氣輪機(jī)的尾部余熱的利用過程中，常常接余熱鍋爐，產(chǎn)生一定品位的蒸汽，用于燃?xì)庹羝?lián) 合循環(huán)，從而在一定程度上提高了系統(tǒng)的發(fā)電效率。然而，由于燃?xì)廨啓C(jī)尾部煙氣溫度的限 制，余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽大多處于中壓或次高壓的狀況，從而造成蒸汽側(cè)循環(huán)的熱轉(zhuǎn)功效 率不高。目前，燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)的系統(tǒng)熱轉(zhuǎn)功效率通常在55% 60%之間。另外，燃?xì)廨?機(jī)的尾部煙氣還常常用于溴化鋰吸收式制冷，取得一部分冷量。上述這些燃?xì)廨啓C(jī)尾部煙 氣余熱的利用過程，只是涉及到熱能之間的轉(zhuǎn)換，沒有提高燃?xì)廨啓C(jī)尾部煙氣余熱的品位， 從而不能夠大幅度提高尾部余熱下游的循環(huán)效率。燃料電池是一種直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能高效地轉(zhuǎn)化為電能的發(fā) 電裝置，由于燃料電池在工作過程中不涉及燃燒，僅僅通過電化學(xué)反應(yīng)生成水，因而不受卡 諾循環(huán)的限制，其能量轉(zhuǎn)化效率明顯提高，而且在能量轉(zhuǎn)換過程中，污染物的排放很少。根 據(jù)使用電解質(zhì)種類的不同，燃料電池可以分為堿性燃料電池(AFC)、質(zhì)子交換膜燃料電池 (PEMFC)、磷酸鹽酸性燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)和固體氧化物燃料電 池(SOFC)。通常MCFC和SOFC為高溫燃料電池，在這兩種燃料電池中，一般采用天然氣內(nèi)部 重整制得氫氣，與空氣中的氧氣發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)輸出電能。因此，設(shè)計(jì)一種利用燃?xì)廨啓C(jī)尾部煙氣余熱發(fā)電的裝置，是目前需要解決的技術(shù) 問題。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種利用燃?xì)廨啓C(jī)尾部煙氣余熱發(fā)電的
裝置本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題的技術(shù)方案是—種利用燃?xì)廨啓C(jī)排煙余熱發(fā)電的裝置，由重整反應(yīng)器、提純裝置、升壓裝置和燃 料電池組成，重整反應(yīng)器、提純裝置、升壓裝置和燃料電池通過管道依次相連，將重整反應(yīng) 器的供熱管道與燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)的燃?xì)馔钙降呐艧煿艿肋B接，燃料電池通過管道與燃?xì)廨啺l(fā) 電機(jī)的空氣壓氣機(jī)連通。[0008]本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題的技術(shù)方案還可以是本實(shí)用新型的燃料電池的廢氣排放口通過管道與燃?xì)廨啓C(jī)中的燃燒室相連。本實(shí)用新型所述的燃料電池為堿性燃料電池(AFC)、質(zhì)子交換膜燃料電池 (PEMFC)、磷酸鹽酸性燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)或固體氧化物燃料電 池(SOFC)。本實(shí)用新型的原理是利用燃?xì)廨啓C(jī)的排煙余熱進(jìn)行甲醇重整制取氫氣，并將所得 氫氣用于燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，改進(jìn)了燃?xì)廨啓C(jī)排煙余熱的傳統(tǒng)利用方式，有效降低了甲醇 制氫的能量消耗，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能的目的。本實(shí)用新型是這樣實(shí)現(xiàn)的從燃?xì)廨啓C(jī)的燃?xì)馔钙匠鰜淼呐艧熯M(jìn)入重整反應(yīng)器， 向重整反應(yīng)器中加入摩爾比為1. 5 2 :1的水和甲醇，在催化劑的作用下水與甲醇吸收燃 氣輪機(jī)的排煙余熱進(jìn)行熱化學(xué)反應(yīng)[CH3OH (g) +H2O (g) — 3H2+C02 ΔΗ=50. 7kJ/mol]，反 應(yīng)后的合成氣(主要含有吐與CO2)通過提純裝置分離后即得純度為80 90%的氫氣。然 后將純度較高的氫氣經(jīng)過升壓裝置升壓后進(jìn)入燃料電池，另從燃?xì)廨啓C(jī)的空氣壓氣機(jī)出口 分離出一定量的空氣進(jìn)入燃料電池，空氣中的氧氣與純度較高的氫氣在燃料電池中進(jìn)行反 應(yīng)，輸出電能。燃料電池的未反應(yīng)氣和燃料電池產(chǎn)生的部分水蒸汽共同進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室 中。前述方法所用的催化劑最好是重量比例為5 14 3 10 4 13的CiuZnO 禾口 A1203。重整反應(yīng)器中水與甲醇的反應(yīng)溫度為150°C 300°C，反應(yīng)壓力為Ibar lObar。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型利用燃?xì)廨啓C(jī)的排煙余熱進(jìn)行甲醇重整制取氫氣， 并將所得氫氣用于燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，利用熱化學(xué)反應(yīng)將燃?xì)廨啓C(jī)的排煙余熱進(jìn)行品位提 升并轉(zhuǎn)化到反應(yīng)合成氣中，改進(jìn)了利用燃?xì)廨啓C(jī)排煙余熱產(chǎn)生蒸汽的傳統(tǒng)利用方式，為甲 醇制氫提供了新的思路，有效降低了甲醇制氫的能量消耗。同時(shí)本實(shí)用新型高效利用了燃 料電池系統(tǒng)中的未反應(yīng)氣，降低了燃?xì)廨啓C(jī)氮氧化物的排放及燃料消耗，提高了系統(tǒng)的燃 料利用率和發(fā)電效率，實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的節(jié)能目的。

圖1是實(shí)用新型的系統(tǒng)示意圖。
具體實(shí)施方式
一種利用燃?xì)廨啓C(jī)排煙余熱發(fā)電的裝置，由重整反應(yīng)器1、提純裝置2、升壓裝置3 和燃料電池4組成，重整反應(yīng)器1、提純裝置2、升壓裝置3和燃料電池4通過管道依次相 連，將重整反應(yīng)器1的供熱管道與燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)8的燃?xì)馔钙?的排煙管道連接，燃料電池 4通過管道與燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)的空氣壓氣機(jī)5連通。燃料電池4的廢氣排放口通過管道與燃 氣輪機(jī)中的燃燒室6相連。所述的燃料電池4為堿性燃料電池(AFC)、質(zhì)子交換膜燃料電池 (PEMFC)、磷酸鹽酸性燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)或固體氧化物燃料電 池(SOFC)。實(shí)施例1 利用燃?xì)廨啓C(jī)排煙余熱的方法為從燃?xì)廨啓C(jī)的燃?xì)馔钙?出來的排煙(500°C)進(jìn)入重整反應(yīng)器1，向重整反應(yīng)器1中加入摩爾比為1.8 1的水和甲醇(25°C)，在 重量比例為6 3 4的Cu/Zn0/Al203催化作用下水與甲醇吸收燃?xì)廨啓C(jī)的排煙余熱進(jìn)行 熱化學(xué)反應(yīng)CH3OH (g)+H20 (g)—3H2+C02，反應(yīng)溫度為260°C，反應(yīng)壓力為^ar，反應(yīng)后排 煙溫度降為180°C，生成的主要含有H2與(X)2的合成氣(260°C )通過PSA提純裝置2分離后 得到純度約為90%的氫氣。所得氫氣經(jīng)升壓裝置3升壓至壓力為6bar 7bar后進(jìn)入固體 氧化物燃料電池(S0FC)4，另從燃?xì)廨啓C(jī)的空氣壓氣機(jī)5出口分離出一定量的空氣(280°C) 進(jìn)入固體氧化物燃料電池4，空氣中的氧氣與純度為90%的氫氣在燃料電池4中(800°C 1000°C)進(jìn)行反應(yīng)，輸出一定的電能，發(fā)電效率(HHV)在65%左右。燃料電池4的未反應(yīng)氣 和燃料電池4產(chǎn)生的部分水蒸汽共同進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室6中循環(huán)利用。按照上述方法利用燃?xì)廨啓C(jī)排煙余熱所用的裝置(見圖1)，包括重整反應(yīng)器1、 PSA提純裝置2、升壓裝置3和固體氧化物燃料電池4，重整反應(yīng)器1與燃?xì)廨啓C(jī)中燃?xì)馔钙?7的排煙管道相連，重整反應(yīng)器1、PSA提純裝置2、升壓裝置3和固體氧化物燃料電池4之 間通過管道依次相連，且燃?xì)廨啓C(jī)中的空氣壓氣機(jī)5與固體氧化物燃料電池4通過管道相 連，固體氧化物燃料電池4與燃?xì)廨啓C(jī)中的燃燒室6通過管道相連。包括利用燃?xì)廨啓C(jī)排煙余熱所用裝置的發(fā)電系統(tǒng)，由空氣壓氣機(jī)5、燃燒室6、燃 氣透平7和發(fā)電機(jī)8組成的燃?xì)廨啓C(jī)和重整反應(yīng)器1、PSA提純裝置2、升壓裝置3、固體氧 化物燃料電池4構(gòu)成，重整反應(yīng)器1與燃?xì)廨啓C(jī)中燃?xì)馔钙?的排煙管道相連，重整反應(yīng)器 1、PSA提純裝置2、升壓裝置3和固體氧化物燃料電池4之間通過管道依次相連，且燃?xì)廨?機(jī)中的空氣壓氣機(jī)5通過管道與固體氧化物燃料電池4相連，固體氧化物燃料電池4通過 管道與燃?xì)廨啓C(jī)中的燃燒室6相連。該發(fā)電系統(tǒng)中，燃?xì)廨啓C(jī)中發(fā)電機(jī)8的發(fā)電效率為35% 左右，燃料電池4的發(fā)電效率為65%左右，總發(fā)電效率為67%，比常規(guī)的燃?xì)廨啓C(jī)與燃料電池 集成系統(tǒng)發(fā)電效率約提高了 12%。實(shí)施例2 從燃?xì)廨啓C(jī)的燃?xì)馔钙?出來的排煙(480°C)進(jìn)入重整反應(yīng)器1，向重 整反應(yīng)器1中加入摩爾比為1.5 1的水和甲醇(25°C)，在重量比例為14 10 13的Cu/ &ι0/Α1203催化作用下水與甲醇吸收燃?xì)廨啓C(jī)的排煙余熱進(jìn)行熱化學(xué)反應(yīng)=CH3OH (g)+H20 (g) — 3H2+C02，反應(yīng)溫度為200°C，反應(yīng)壓力為lObar，反應(yīng)后排煙溫度降為160°C，生成的 主要含有壓與(X)2的合成氣(200°C )通過PSA提純裝置2分離后得到純度為85%的氫氣。 所得氫氣經(jīng)升壓裝置3升壓至壓力為6bar 7bar后進(jìn)入熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC) 4， 另從燃?xì)廨啓C(jī)的空氣壓氣機(jī)5出口分離出一定量的空氣(260°C )進(jìn)入熔融碳酸鹽燃料電池 4，空氣中的氧氣與純度為85%的氫氣在燃料電池4中(600°C 700°C )進(jìn)行反應(yīng)，輸出一定 的電能，發(fā)電效率(HHV)在60%左右。燃料電池4的未反應(yīng)氣和燃料電池4產(chǎn)生的部分水 蒸汽共同進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室6中循環(huán)利用。按照上述方法利用燃?xì)廨啓C(jī)排煙余熱所用的裝置(見圖1)同實(shí)施例1，其中所述 燃料電池4為熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)。包括利用燃?xì)廨啓C(jī)排煙余熱所用裝置的發(fā)電系統(tǒng)，由空氣壓氣機(jī)5、燃燒室6、燃 氣透平7和發(fā)電機(jī)8組成的燃?xì)廨啓C(jī)和重整反應(yīng)器1、PSA提純裝置2、升壓裝置3、熔融碳 酸鹽燃料電池4構(gòu)成，重整反應(yīng)器1與燃?xì)廨啓C(jī)中燃?xì)馔钙?的排煙管道相連，重整反應(yīng)器 1、PSA提純裝置2、升壓裝置3和熔融碳酸鹽燃料電池4之間通過管道依次相連，且燃?xì)廨?機(jī)中的空氣壓氣機(jī)5通過管道與熔融碳酸鹽燃料電池4相連，熔融碳酸鹽燃料電池4通過管道與燃?xì)廨啓C(jī)中的燃燒室6相連。該發(fā)電系統(tǒng)中，燃?xì)廨啓C(jī)中發(fā)電機(jī)8的發(fā)電效率為35% 左右，燃料電池4的發(fā)電效率為60%左右，總發(fā)電效率為63%，比常規(guī)的燃?xì)廨啓C(jī)與燃料電池 集成系統(tǒng)發(fā)電效率約提高了 8%。實(shí)施例3 利用燃?xì)廨啓C(jī)排煙余熱的方法為從燃?xì)廨啓C(jī)的燃?xì)馔钙?出來的排煙 (520°C)進(jìn)入重整反應(yīng)器1，向重整反應(yīng)器1中加入摩爾比為2 1的水和甲醇(25°C)，在 重量比例為9 4 5的Cu/Zn0/Al203催化作用下水與甲醇吸收燃?xì)廨啓C(jī)的排煙余熱進(jìn)行 熱化學(xué)反應(yīng)=CH3OH (g)+H20 (g)— 3H2+C02，反應(yīng)溫度為150°C 200°C，反應(yīng)壓力為6bar 8bar,反應(yīng)后排煙溫度降為200°C，生成的主要含有H2與(X)2的合成氣(180°C )通過提純裝 置2分離后得到純度為80%的氫氣。所得氫氣可進(jìn)入燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，也可儲存用于加 S站。按照上述方法利用燃?xì)廨啓C(jī)排煙余熱的裝置，包括重整反應(yīng)器1和提純裝置2，重 整反應(yīng)器1與燃?xì)廨啓C(jī)中燃?xì)馔钙?的排煙管道相連，提純裝置2與重整反應(yīng)器1之間通 過管道相連；提純裝置2通過管道與加壓裝置和燃料電池發(fā)電系統(tǒng)相連或者與氫氣儲存罐 相連接，作為加氫站的燃料來源。
權(quán)利要求1.一種利用燃?xì)廨啓C(jī)排煙余熱發(fā)電的裝置，由重整反應(yīng)器(1)、提純裝置(2)、升壓裝 置(3)和燃料電池(4)組成，重整反應(yīng)器(1)、提純裝置(2)、升壓裝置(3)和燃料電池(4)通 過管道依次相連，其特征在于將重整反應(yīng)器(1)的供熱管道與燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)(8)的燃?xì)馔?平(7)的排煙管道連接，燃料電池(4)通過管道與燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)的空氣壓氣機(jī)(5)連通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用燃?xì)廨啓C(jī)排煙余熱發(fā)電的裝置，其特征在于燃料 電池(4 )的廢氣排放口通過管道與燃?xì)廨啓C(jī)中的燃燒室(6 )相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種利用燃?xì)廨啓C(jī)排煙余熱發(fā)電的裝置，其特征在于 所述的燃料電池(4)為堿性燃料電池(AFC)、質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)、磷酸鹽酸性燃 料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)或固體氧化物燃料電池(SOFC)。
專利摘要本實(shí)用新型公開一種利用燃?xì)廨啓C(jī)排煙余熱發(fā)電的裝置，由重整反應(yīng)器、提純裝置、升壓裝置和燃料電池組成，重整反應(yīng)器、提純裝置、升壓裝置和燃料電池通過管道依次相連，將重整反應(yīng)器的供熱管道與燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)的燃?xì)馔钙降呐艧煿艿肋B接，燃料電池通過管道與燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)的空氣壓氣機(jī)連通。本實(shí)用新型利用燃?xì)廨啓C(jī)的排煙余熱進(jìn)行甲醇重整制取氫氣，并將所得氫氣用于燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，利用熱化學(xué)反應(yīng)將燃?xì)廨啓C(jī)的排煙余熱進(jìn)行品位提升并轉(zhuǎn)化到反應(yīng)合成氣中，有效降低了甲醇制氫的能量消耗。同時(shí)本實(shí)用新型高效利用了燃料電池系統(tǒng)中的未反應(yīng)氣，降低了燃?xì)廨啓C(jī)氮氧化物的排放及燃料消耗，提高了系統(tǒng)的燃料利用率和發(fā)電效率。
文檔編號F01K27/02GK201902241SQ20102067675
公開日2011年7月20日 申請日期2010年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月23日
發(fā)明者宿建峰, 贠小銀, 黃勃 申請人:河北新能電力集團(tuán)有限公司