一种基于煤层气余热利用的高温固体氧化物燃料电池冷热电联供系统及方法

本发明涉及煤层气利用的，具体涉及一种基于煤层气余热利用的高温固体氧化物燃料电池冷热电联供系统及方法。

背景技术：

1、煤层气俗称“瓦斯”，其主要成分是甲烷，通常伴生于煤矿中，在煤化过程中被吸附在煤层上。煤层气富含化学能，是一种很有前途的发电来源。在全球变暖和能源危机带给人类巨大挑战的背景下，加大对煤层气的开采利用对于世界具有多重重要意义。首先是能够将煤矿瓦斯爆炸的事故风险降低，将难以利用的煤层气变废为宝；其次是能够有效减少能源消费(特别是发电过程)中的碳排放，降低环境污染；最后是能够补充能源缺口，保障能源的接续发展。

2、固体氧化物燃料电池是一种将燃料中所含化学能直接转化为电能的新型能量转换装置，具有燃料适应性广、发电效率高、模块化组装、高温余热利用、活动部件少、全固态运行等优势。作为一种分布式发电技术，固体氧化物燃料电池可实现冷、热、电一体化输出，在节约能源和缓解环境问题方面发挥着重要作用，也为煤层气的高效利用提供了一种新型发电技术。

3、为此申请人进行了有益的探索和尝试，找到了解决上述问题的办法，下面将要介绍的方案便是这种背景下产生的。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决传统煤层气的低效利用方式以及高温固体氧化物燃料电池单独使用时造成的能源和余热浪费问题，提供一种基于煤层气余热利用的高温固体氧化物燃料电池冷热电联供系统及方法，利用燃料电池电堆反应过程中产生的热量和尾气冷却产生的低品位余热作为驱动力，驱动子系统进行发电、制冷以及制热功能。另外对于复杂的能源转化系统而言，利用较高品质的热源，通过合适的耦合方式，可以满足系统中其他部位的热负荷。燃烧器出口尾气的废热被用于预热进口空气，充分利用了燃料电池运行过程中产生的余热，极大的提高了能源综合利用效率。

2、本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

3、一种基于煤层气余热利用的高温固体氧化物燃料电池冷热电联供系统，包括含有阴极和阳极的高温固体氧化物燃料电池，其特征在于，还包括通过管路连通的燃料供给系统、空气供给系统、跨临界二氧化碳循环发电系统、溴化锂吸收式制冷循环系统、氨蒸气压缩式制冷循环及热水供给系统。

4、燃料供给系统包括通过管路连通的煤层气压缩机、第一混合器、预重整器、第一分流器，煤层气经煤层气压缩机压缩后，且经预热后进入预重整器，其中，高温固体氧化物燃料电池阳极接收经过预重整器处理的煤层气与预加热后的空气发生化学反应，运行产生电能和热能。

5、空气供给系统包括通过管路连通的空气压缩机、与高温固体氧化物燃料电池阴极连通的空气输送管道，以及，设置在空气压缩机与高温固体氧化物燃料电池阴极之间的第一余热换热器；空气经空气压缩机后依次流经第一余热换热器、高温固体氧化物燃料电池阴极。

6、系统运行产生电能和热能时，一方面，从高温固体氧化物燃料电池阳极出来的气体进入第一分流器后分成阳极第一路分流、阳极第二路分流，阳极第一路分流一路返回连通第一混合器、煤层气压缩机、冷却器、预重整器，依次循环；阳极第二路分流与第二冷却器出来的气体进入第二混合器后混合并进入燃烧器进行燃烧。

7、另一方面，来自环境中的空气经过空气压缩机以及第一余热换热器预热后进入高温固体氧化物燃料电池阴极并通过分支管路分流为阴极第一路分流和阴极第二路分流，阴极第一路分流空气进入高温固体氧化物燃料电池阳极发生化学反应最终经燃烧器进行燃烧反应，阴极第二路分流空气进入第二冷却器吸收燃料电池电堆阳极反应放出的热量。

8、跨临界二氧化碳循环发电系统包括通过管路连通第一余热换热器的第二余热换热器以及透平、第一回热器、第一冷凝器；其中，高温尾气以及经压缩且预热完的空气混合形成低品位余热工质经由第二余热换热器加热后驱动透平运转产生电量；一方面，流经透平的工质经第一回热器加热进入到第二余热换热器，另一方面，工质从第一回热器流出经第一冷凝器流回至第一回热器，以循环驱动跨临界二氧化碳循环发电系统持续运作。

9、溴化锂吸收式制冷循环系统包括通过管路连通第二余热换热器且装有溴化锂稀溶液的发生器，一方面，溴化锂稀溶液在发生器中被加热浓缩产生水蒸气，水蒸气通过管路依次流经第二冷凝器、第一节流阀，最后进入第一蒸发器进行吸热对空气进行冷却，第一蒸发器中产生的水蒸气通过管路进入吸收器；另一方面，发生器底部流出的溴化锂浓溶液通过管路依次连通第二回热器、第二节流阀最后也进入吸收器，此时，溴化锂浓溶液与第一蒸发器流出的水蒸汽在吸收器形成溴化锂稀溶液并流至第二回热器、发生器中以此完成溴化锂吸收式制冷的循环系统。

10、氨蒸气压缩式制冷循环及热水供给系统包括通过管路连通氨压缩器、第三冷凝器、第四冷凝器、第三节流阀、第二蒸发器，一方面，氨气被氨压缩器压缩成高温气体后依次进入第三冷凝器、第四冷凝器、第三节流阀以及第二蒸发器，最后回流至氨压缩器完成制冷循环，其中第四冷凝器冷凝放出的热量可对常温水加热，再通过管路连通热水加热器进行加热达到所需的热水温度；另一方面，该系统还包括第三混合器，第三混合器通过管路连通发生器并接收来自发生器出来的高温尾气作为热水加热器的供热源对水进行加热后进入第二分流器被分成两路，一路排放至大气环境中，另外一路被经过第三冷凝器释放出的热量进行加热，被加热的尾气温度升高重新回流至第三混合器与从发生器出来的尾气进行混合加热，依次进行循环。

11、较佳地，燃烧器中发生的反应为绝热反应。

12、较佳地，该系统所涉及到的管路为钢管或硅胶管。

13、较佳地，该系统还包括第一输送泵、第二输送泵；所述第一输送泵安装在连通第一凝器与第一回热器的管路之间，所述第二输送泵安装在连通吸收器与第二回热器的管路之间。

14、其中，本发明还涉及一种基于煤层气余热利用的高温固体氧化物燃料电池冷热电联方法，适用于一种基于煤层气余热利用的高温固体氧化物燃料电池冷热电联供系统，包括以下步骤：

15、步骤1：煤层气被煤层气压缩机压缩到压力为3.282bar后与由第一分流器分流出来的产物进行混合，经过冷却后进入预重整器中进行蒸汽重整和水煤气变换反应，得到氢气。

16、步骤2，空气经过空气压缩机以及第一余热换热器预热后达到高温固体氧化物燃料电池堆阴极入口温度727℃，进入高温固体氧化物燃料电池堆阴极反应分离得到氧气，燃料和氧气在高温固体氧化物燃料电池堆的阳极中进行电化学氧化还原反应产生电能。

17、步骤3，一部分未发生反应的高温固体氧化物燃料电池堆阴极气体对高温固体氧化物燃料电池堆阳极进行冷却后与高温固体氧化物燃料电池堆阳极反应产物中未被回流的气体经第二混合器混合后进入燃烧器进行燃烧得到高温尾气。

18、步骤4，从燃烧器出来的高温尾气通过第一余热换热器将空气预热后，依次通过第二余热换热器、发生器以及热水加热器加热驱动跨临界二氧化碳发电系统、溴化锂吸收式制冷系统及热水供给系统后排放至大气环境中。

19、较佳地，步骤1中煤层气的进料组成为90％的ch4和10％的co2。

20、较佳地，步骤1中从阳极尾气流经第一混合器换热、第一冷却器冷凝放热到预重整器，预重整后的气体温度升温至500-600℃之间。

21、较佳地，步骤2中高温固体氧化物燃料电池阳极的操作温度为920-1000℃。

22、较佳地，步骤3中高温固体氧化物燃料电池堆阴极空气分流使进入阳极的气体与未进入阳极的气体质量比为1：4。

23、较佳地，高温固体氧化物燃料电池阳极进口燃料的水碳比为2：1。

24、较佳地，高温固体氧化物燃料电池空气利用率为20％。

25、较佳地，空气的组分包括21％的o2和79％的n2。

26、较佳地，第二余热换热器的热流出口温度为200℃，发生器的热流出口温度为150℃，排放至大气中的尾气温度为65℃，热水加热器将常温水从25℃被加热至60℃。

27、相对于现有技术，本发明有如下有益效果：

28、(1)本发明一种基于煤层气余热利用的高温固体氧化物燃料电池冷热电联供系统，可以实现以煤层气作为燃料的分布式发电的功能，可以被放置在煤层气源周围，具有较高的实用与推广价值。

29、(2)本发明一种基于煤层气余热利用的高温固体氧化物燃料电池冷热电联供系统，充分利用了固体燃料电池运行过程中产生的余热，通过耦合子系统从电堆带走热量驱动跨临界二氧化碳发电系统产生电能、溴化锂吸收式制冷系统产生冷能、氨蒸气压缩式制冷系统产生冷能并最终通过余热提供生活热水，提高系统的能量综合利用效率。

30、(3)本发明一种基于煤层气余热利用的高温固体氧化物燃料电池冷热电联供系统，通过阳极回流反应产物来提供重整反应需要的水，进一步减少了另外提供水的能耗。

31、(4)来自于固体燃料电池电堆的高品位热量被用于对固体燃料电池中的阴极进料进行预热，起到了余热利用的作用，且后续工艺系统高温尾气逐级利用，大大提升了系统的整体能源利用效率。