一种基于生物质高效利用负碳排放发电系统及方法

本发明涉及生物质发电，具体涉及一种基于生物质高效利用负碳排放发电系统及方法。

背景技术：

1、全球变暖和能源危机给人类的生存和发展带来了巨大挑战。大量温室气体，尤其是二氧化碳的排放使得温室效应急剧加剧。减少发电过程中的碳排放，提高能源转换效率以及可再生能源高效利用被认为是解决这一问题的有效手段。与太阳能、风能等可再生能源相比生物质能具有连续发电的优势。与燃烧、发酵、热解等传统生物质高效利用方式相比，气化具有污染物排放低、合成气体积大、转化效率高等优点，受到了全世界研究者的广泛关注。在生物质气利用场景中，与其他原动机相比，固体氧化物燃料电池展现出高发电效率和低污染性等特点。此外，固体氧化物电解池还具有燃料适应性强，电解效率高的特点，这为实现高效碳捕集提供了可能。

2、发明人发现，现有的固体氧化物燃料电池/固体氧化物电解池/生物质气化技术一体化方案中，因固体氧化物电解池耗能高，因此，系统发电效率还有待提高，此外由于烟气中二氧化碳浓度低，所需捕捉能耗高，而现有技术大多都未对二氧化碳进行捕捉。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于生物质高效利用负碳排放发电系统和方法，以解决现有生物质发电系统发电效率低、二氧化碳捕捉能耗高的问题。

2、本发明的技术方案如下：

3、在本发明的第一方面，一种基于生物质高效利用负碳排放发电系统，包括生物质气化装置、固体氧化物燃料电池和固体氧化物电解池；

4、其中，所述生物质气化装置为固体氧化物燃料电池提供阳极原料，所述固体氧化物电解池的阴极电解产物作为固体氧化物燃料电池阳极原料的补充；

5、固体氧化物电解池的阳极电解产物分为三部分，分别作为生物质气化原料、氧化剂和氧气存储；所述固体氧化物燃料电池的阳极产物与氧化剂燃烧做功后，一部分提供给生物质气化装置作为原料，另一部分提供给固体氧化物电解池作为电解原料。

6、在本发明的一些实施方式中，所述生物质气化装置的原料入口分别与第一分流器、第二分流器以及生物质源相连，生物质气化装置的合成气出口依次连接第二空气加热器、合成压缩机和第一混合器。

7、在本发明的一些实施方式中，水源依次经过水泵、水加热器、第二混合器与第一混合器相连，所述第一混合器的出口与固体氧化物燃料电池的阳极原料入口相连。

8、在本发明的一些实施方式中，所述第二混合器的入口还与固体氧化物电解池的阴极产物出口相连。

9、在本发明的一些实施方式中，空气经过空气压缩机、第一空气加热器、第二空气加热器、第三空气加热器与固体氧化物燃料电池的阴极原料入口相连。

10、在本发明的一些实施方式中，所述固体氧化物燃料电池的阴极产物出口依次连接空气轮机、第一空气加热器、水加热器。

11、在本发明的一些实施方式中，所述固体氧化物燃料电池的阳极产物出口依次连接燃烧室、燃气轮机、第一分流器，所述第一分流器的一个出口与生物质气化装置相连，另一个出口经过第三空气加热器与固体氧化物电解池的原料入口相连。

12、在本发明的一些实施方式中，所述固体氧化物电解池的阳极电解产物出口与第二分流器相连，所述第二分流器上设置三个出口，分别连接生物质气化装置、燃烧室、氧气存储装置。

13、在本发明的一些实施方式中，所述固体氧化物电解池的电力由固体氧化物燃料电池提供。

14、在本发明的第二方面，提供了一种基于生物质高效利用负碳排放发电方法，包括：固体氧化物燃料电池在发电提供电力的同时，将自身产生的高温烟气一部分通过生物质气化装置回收，另一部分烟气则作为固体氧化物电解池的高温原料；同时，固体氧化物电解池将电解产物供给固体氧化物燃料电池，其中阴极电解产物作为固体氧化物燃料电池的电化学反应补充原料，阳极电解产物作为固体氧化物燃料电池富氧燃烧和生物质气化的原料。

15、本发明一个或多个技术方案具有以下有益效果：

16、本发明提供的系统基于能量梯级利用的原理将生物质气化-固体氧化物燃料电池(bg-sofc)发电系统和固体氧化物电解池(soec)共电解系统高度集成。bg-sofc发电系统提供电力的同时，将自身产生的部分高温烟气(co2+h2o)通过气化装置回收，另一部分烟气则作为soec共电解系统的高温原料；同时，soec共电解系统将电解产物(主要包含co+h2+o2)供给bg-sofc发电系统，其中co+h2作为sofc电化学反应补充原料，o2作为bg-sofc发电系统富氧燃烧和生物质气化的原料。通过bg-sofc发电系统和soec共电解系统的协调控制，该系统除可实现高效率发电外，还能对烟气中co2+h2o以及其包含的能量充分回收，进而实现整个系统的负碳排放。该系统及以此为基础的改进型可以在生物质发电领域发挥重要作用。

17、本发明的系统通过设置的空气轮机和燃气轮机可以将固体氧化物燃料电池的阴极产物和阳极产物转化为机械功使用，通过设置的多个空气加热器和水加热器，实现将固体氧化物燃料电池的阴极产物和阳极产物的热能进行回收利用；固体氧化物电解池的电能来源于固体氧化物燃料电池，无需提供额外的电能；该系统能够实现系统中各种能量的充分回收利用，在保证高效率发电的同时实现整个系统的负碳排放。

技术特征：

1.一种基于生物质高效利用负碳排放发电系统，其特征在于，包括生物质气化装置、固体氧化物燃料电池和固体氧化物电解池；

2.如权利要求1所述的基于生物质高效利用负碳排放发电系统，其特征在于，所述生物质气化装置的原料入口分别与第一分流器、第二分流器以及生物质源相连，生物质气化装置的合成气出口依次连接第二空气加热器、合成压缩机和第一混合器。

3.如权利要求2所述的基于生物质高效利用负碳排放发电系统，其特征在于，水源依次经过水泵、水加热器、第二混合器与第一混合器相连，所述第一混合器的出口与固体氧化物燃料电池的阳极原料入口相连。

4.如权利要求2所述的基于生物质高效利用负碳排放发电系统，其特征在于，所述第二混合器的入口还与固体氧化物电解池的阴极产物出口相连。

5.如权利要求1所述的基于生物质高效利用负碳排放发电系统，其特征在于，空气经过空气压缩机、第一空气加热器、第二空气加热器、第三空气加热器与固体氧化物燃料电池的阴极原料入口相连。

6.如权利要求1所述的基于生物质高效利用负碳排放发电系统，其特征在于，所述固体氧化物燃料电池的阴极产物出口依次连接空气轮机、第一空气加热器、水加热器。

7.如权利要求1所述的基于生物质高效利用负碳排放发电系统，其特征在于，所述固体氧化物燃料电池的阳极产物出口依次连接燃烧室、燃气轮机、第一分流器，所述第一分流器的一个出口与生物质气化装置相连，另一个出口经过第三空气加热器与固体氧化物电解池的原料入口相连。

8.如权利要求1所述的基于生物质高效利用负碳排放发电系统，其特征在于，所述固体氧化物电解池的阳极电解产物出口与第二分流器相连，所述第二分流器上设置三个出口，分别连接生物质气化装置、燃烧室、氧气存储装置。

9.如权利要求1所述的基于生物质高效利用负碳排放发电系统，其特征在于，所述固体氧化物电解池的电力由固体氧化物燃料电池提供。

10.一种基于生物质高效利用负碳排放发电方法，采用权利要求1-9任一项所述的发电系统来实现，其特征在于，包括：固体氧化物燃料电池在发电提供电力的同时，将自身产生的高温烟气一部分通过生物质气化装置回收，另一部分烟气则作为固体氧化物电解池的高温原料；同时，固体氧化物电解池将电解产物供给固体氧化物燃料电池，其中阴极电解产物作为固体氧化物燃料电池的电化学反应补充原料，阳极电解产物作为固体氧化物燃料电池富氧燃烧和生物质气化的原料。

技术总结
本发明公开了一种基于生物质高效利用负碳排放发电系统及方法，所述系统包括生物质气化装置、固体氧化物燃料电池和固体氧化物电解池；固体氧化物电解池的阳极电解产物分为三部分，分别作为生物质气化原料、氧化剂和氧气存储；所述固体氧化物燃料电池的阳极产物与氧化剂燃烧做功后，一部分提供给生物质气化装置作为原料，另一部分提供给固体氧化物电解池作为电解原料；本发明通过BG‑SOFC发电系统和SOEC共电解系统的协调控制，该系统除可实现高效率发电外，还能对烟气中CO<subgt;2</subgt;和H<subgt;2</subgt;O以及其包含的能量充分回收，进而实现整个系统的负碳排放。

技术研发人员：韩吉田,梁文兴,葛艺,朱万超,杨金文
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13