一种空气流程高度耦合的整体煤气化燃料电池发电系统的制作方法

本实用新型属于洁净煤发电技术领域，具体涉及一种空气流程高度耦合的整体煤气化燃料电池发电系统。

背景技术：

煤炭是我国最重要的基础能源。整体煤气化燃料电池发电系统igfc是将煤气化发电技术与高温燃料电池结合的发电系统，其能源转化效率不受卡诺循环效率的限制，能大幅提高煤电效率，易于实现污染物及二氧化碳近零排放，是洁净煤发电技术的一个重要发展方向。

igfc系统集成了气化炉、空分、煤气净化、高温燃料电池、燃气轮机、余热锅炉、汽轮机等多个设备。igfc系统流程较长，各设备之间的能量与物料连接关系复杂，科学合理地进行能量与物料耦合，可以进一步提高igfc系统的净发电效率，有望成为净效率最高的煤基发电系统。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种空气流程高度耦合的整体煤气化燃料电池发电系统，用于提供igfc系统的净发电效率。

为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

本实用新型提供的一种空气流程高度耦合的整体煤气化燃料电池发电系统，包括备煤单元、气化炉、废热锅炉、除尘单元、脱硫装置、引射器、燃料电池、燃气轮机燃烧室、燃气轮机压气机、燃气轮机透平、阴极回热器、余热锅炉和汽轮机，其中，备煤单元上设置有原煤入口，备煤单元的干煤粉出口与纯氮管混合连接至气化炉的入口，气化炉上设置有纯氧入口，其顶部设置有高温粗合成气出口，该出口连接废热锅炉的入口，废热锅炉的饱和蒸汽出口连接余热锅炉的入口；

废热锅炉的粗合成气出口连接除尘单元的入口，除尘单元的出口连接脱硫装置的入口，脱硫装置的出口与汽轮机的部分中压蒸汽出口混合连接至引射器的入口，引射燃料电池阳极出口的部分尾气，引射器的合成气出口连接燃料电池的阳极入口；燃料电池的阳极出口连接燃气轮机燃烧室的入口，燃气轮机燃烧室的高温高压气体出口连接燃气轮机透平的入口，燃气轮机透平的出口连接余热锅炉的入口；

燃气轮机压气机上设置有空气入口，燃气轮机压气机的高压气体出口一路连接阴极回热器的冷侧入口，阴极回热器的冷侧出口连接燃料电池的阴极入口，燃料电池的阴极出口连接阴极回热器的热侧入口，阴极回热器的热侧出口与燃气轮机压气机的第二路出口连接混合管，通过混合管连接燃气轮机燃烧室的入口；

余热锅炉的高压过热蒸汽出口连接汽轮机，汽轮机的部分中压蒸汽出口连接气化炉的中压蒸汽入口。

优选地，脱硫装置包括第一气气加热器、水洗塔、第二气气加热器、羰基硫水解反应器、低温余热回收单元、合成气冷却器和脱硫单元，其中，除尘单元的出口连接第一气气加热器的热侧入口，第一气气加热器的热侧出口连接水洗塔的入口，水洗塔的合成气出口连接第二气气加热器的热侧入口，第二气气加热器的热侧出口连接羰基硫水解反应器的入口，羰基硫水解反应器的出口连接第二气气加热器的冷侧入口，第二气气加热器的冷侧出口连接低温余热回收单元的入口，低温余热回收单元的出口连接合成气冷却器的入口，合成气冷却器的出口连接脱硫单元的入口，脱硫单元的出口与汽轮机的部分中压蒸汽出口混合连接至引射器的入口。

优选地，脱硫单元的出口连接有精脱硫单元。

优选地，精脱硫单元的出口连接有湿化器。

优选地，脱硫单元上设置有废水出口和废气出口，其中，废水出口连接有水处理单元；废气出口连接有硫回收单元。

优选地，除尘单元的出口还连接有循环气压缩机，循环气压缩机的出口与汽化炉的高温粗合成气出口激冷后连接至废热锅炉的入口。

优选地，燃气轮机压气机的出口还连接有余热回收换热器，余热回收换热器的出口连接空分单元的入口，空分单元上设置有纯氧出口和纯氮出口，其中，除氧出口连接有氧气压缩机，氧气压缩机的出口连接气化炉的氧气入口；纯氮出口连接有氮气压缩机，氮气压缩机的出口与备煤单元的干煤粉出口混合连接至气化炉的干煤粉入口。

优选地，空分单元上还设置有空气入口，所述空气入口连接有空分主空压机。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型提供的一种空气流程高度耦合的整体煤气化燃料电池发电系统，取消了常规igfc系统中燃料电池的阴极压缩机，进而采用燃气轮机压气机抽气作为燃料电池阴极气体，燃气轮机压气机的压缩效率高于燃料电池阴极压缩机，提高了igfc净发电效率；取消了燃料电池阴极压缩机，减小了空分系统主空压机容量，大幅度降低了igfc系统的厂用电量；由于采用了燃气轮机压气机抽气，降低了燃气轮机发生喘振的风险；由于燃料电池阴极尾气进入燃烧室发生燃烧反应，降低了燃烧反应的氧气浓度和反应区温度，从而降低了燃气轮机的nox原始排放浓度。

进一步的，部分替代了空分系统的主空压机，进而采用燃气轮机压气机抽气作为空分系统所需的压缩空气，燃气轮机压气机的压缩效率高于空分系统主空压机，提高了igfc净发电效率。

附图说明

图1是本实用新型涉及的发电系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型进一步详细说明。

如图1所示，本实用新型提供的一种空气流程高度耦合的整体煤气化燃料电池发电系统，包括备煤单元1、气化炉2、废热锅炉3、除尘单元4、循环气压缩机5、第一气气加热器6、水洗塔7、第二气气加热器8、羰基硫水解反应器9、低温余热回收单元10、合成气冷却器11、脱硫单元12、精脱硫单元13、湿化器14、水处理单元15、硫回收单元16、引射器17、燃料电池18、燃气轮机燃烧室19、燃气轮机压气机20、燃气轮机透平21、阴极回热器22、余热回收换热器23、余热锅炉24、汽轮机25、空分主空压机26、空分单元27、氮气压缩机28和氧气压缩机29，其中，备煤单元1上设置有原煤入口，备煤单元1的干煤粉出口连接气化炉2的入口，气化炉2的底部设置有炉渣出口，气化炉2顶部的高温粗合成气出口与循环气压缩机5的低温合成气出口连接至混合管道，通过混合管道连接废热锅炉3的入口，废热锅炉3的饱和蒸汽出口连接余热锅炉24的入口；废热锅炉3的粗合成气出口连接除尘单元4的入口，除尘单元4的一路出口连接循环气压缩机5的入口，另一路出口连接第一气气加热器6的热侧入口，第一气气加热器6的热侧出口连接水洗塔7的入口，水洗塔7的合成气出口连接第二气气加热器8的热侧入口，第二气气加热器8的热侧出口连接羰基硫水解反应器9的入口，羰基硫水解反应器9的出口连接第二气气加热器8的冷侧入口，第二气气加热器8的冷侧出口连接低温余热回收单元10的入口，低温余热回收单元10的出口连接合成气冷却器11的入口，合成气冷却器11的出口连接脱硫单元12的入口，脱硫单元12的洁净合成气出口连接精脱硫单元13的入口；脱硫单元12上设置有废水出口和废气出口，其中，废水出口连接水处理单元15；废气出口连接硫回收单元16。

精脱硫单元13的出口连接湿化器14的入口，湿化器14的出口连接第一气气加热器6的冷侧入口，第一气气加热器6的冷侧出口与汽轮机25上的中压蒸汽出口连接至混合管路，通过混合管路连接引射器17的入口，引射燃料电池18阳极出口的部分尾气，引射器17的合成气出口连接燃料电池18的阳极入口；燃料电池18的阳极出口连接燃气轮机燃烧室19的入口，燃气轮机燃烧室19的高温高压气体出口连接燃气轮机透平21的入口，燃气轮机透平21的出口连接余热锅炉24的入口，余热锅炉24设置有尾气出口。

燃气轮机压气机20上设置有空气入口，燃气轮机压气机20的高压气体出口分为三路，一路连接阴极回热器22的冷侧入口，阴极回热器22的冷侧出口连接燃料电池18的阴极入口，燃料电池18的阴极出口连接阴极回热器22的热侧入口，阴极回热器22的热侧出口与燃气轮机压气机20的第二路出口连接混合管，通过混合管连接燃气轮机燃烧室19的入口；燃气轮机压气机20的第三路出口连接余热回收换热器23的入口，余热回收换热器23的出口连接空分单元27的入口，空分单元27设置有纯氧出口和纯氮出口，其中，除氧出口连接有氧气压缩机29，氧气压缩机29的出口连接气化炉2的氧气入口；纯氮出口连接有氮气压缩机28，氮气压缩机28的出口与备煤单元1的干煤粉出口混合连接至气化炉2的入口；空分单元27上还设置有空气入口，所述空气入口连接有空分主空压机26。

余热锅炉24的高压过热蒸汽出口连接汽轮机25，汽轮机25的部分中压蒸汽出口连接气化炉2的中压蒸汽入口。

该系统流程为：

原煤在备煤单元1中磨煤、干燥后形成干煤粉，由氮气压缩机28产生的高压纯氮气体输送至气化炉2，氧气压缩机29出口的纯氧与少量汽轮机25中部抽取的中压蒸汽同时送入气化炉2反应，气化炉2炉底产生炉渣，顶部产生的高温粗合成气与循环气压缩机5出口的低温合成气混合激冷后，送入废热锅炉3；废热锅炉3产生饱和蒸汽送入余热锅炉24中进一步加热，经过废热锅炉3回收余热后的粗合成气送入除尘单元4，经过降温除尘后的一部分合成气循环至循环气压缩机5入口，另一部分合成气进入第一气气加热器6热侧入口，降温后送入水洗塔7，水洗塔7出口合成气送入第二气气加热器8热侧入口，进一步降温后送入羰基硫水解反应器9，随后进入第二气气加热器8冷侧入口，合成气经过复热后，进入低温余热回收单元10，随后进入合成气冷却器11，将合成气降低至脱硫过程所需的温度后，进入脱硫单元12，脱硫单元产生的洁净合成气送入精脱硫单元13，随后送入湿化器14加湿后进入第一气气加热器6冷侧，脱硫单元12产生的废水与废气分别进入水处理单元15与硫回收单元16，分别形成固态盐与硫磺；第一气气加热器6冷侧出口合成气与汽轮机25中部抽取的中压蒸汽混合后，对合成气中一氧化碳气体形成稀释后，送入引射器17，引射燃料电池18阳极出口的部分尾气，引射器17出口的合成气进入燃料电池18阳极，进行反应；燃料电池18阳极出口的其余尾气进入燃气轮机燃烧室19进行燃烧反应，产生高温高压气体后，经过燃气轮机透平21做功后，送入余热锅炉24，燃烧尾气经过降温后排入大气。

燃气轮机压气机20将环境空气加压后分为三路，第一路送入阴极回热器22冷侧入口，冷侧出口的高温空气送入燃料电池18阴极入口，在燃料电池18中进行反应后送入阴极回热器22热侧入口，降温后与燃气轮机压气机20出口的第二路空气混合，送至燃气轮机燃烧室19进行燃烧反应；第三路空气送入余热回收换热器23，随后送入空分单元27。空分主空压机26抽取环境空气后与第三路空气混合送入空分单元27。

空分单元27产生高纯度氧气送入氧气压缩机29入口，产生高纯度氮气送入氮气压缩机28入口。

余热锅炉24产生高压过热蒸汽送入汽轮机25。

该系统发出的电能由燃料电池18、燃气轮机透平21、以及汽轮机25产生。

本实用新型由于采取以上系统配置方案，具有以下优点：

1、本实用新型提供的一种空气流程高度耦合的整体煤气化燃料电池发电系统，取消了常规igfc系统中燃料电池的阴极压缩机，进而采用燃气轮机压气机抽气作为燃料电池阴极气体，燃气轮机压气机的压缩效率高于燃料电池阴极压缩机，提高了igfc净发电效率。

2、本实用新型提供的一种空气流程高度耦合的整体煤气化燃料电池发电系统，部分替代了空分系统的主空压机，进而采用燃气轮机压气机抽气作为空分系统所需的压缩空气，燃气轮机压气机的压缩效率高于空分系统主空压机，提高了igfc净发电效率。

3、本实用新型提供的一种空气流程高度耦合的整体煤气化燃料电池发电系统，取消了燃料电池阴极压缩机，减小了空分系统主空压机容量，大幅度降低了igfc系统的厂用电量。

4、本实用新型提供的一种空气流程高度耦合的整体煤气化燃料电池发电系统，由于采用了燃气轮机压气机抽气，降低了燃气轮机发生喘振的风险。

本实用新型提供的一种空气流程高度耦合的整体煤气化燃料电池发电系统，由于燃料电池阴极尾气进入燃烧室发生燃烧反应，降低了燃烧反应的氧气浓度和反应区温度，从而降低了燃气轮机的nox原始排放浓度。