基于合成气的固体氧化物燃料电池混合发电系统的压力特性分析

第38卷第6期阜束電力Vol 38 No 62010年6月East China Electric PowerJun.2010基于合成气的固体氧化物燃料电池混合发电系统的压力特性分析许丽,王玉璋,翁一武(上海交通大学动力机械及工程国家教育部重点实验室,上海200240)摘要:基于合成气的固体氧化物燃料电池混合循环( IGFC/CC)是一种清洁高效的煤炭发电技术。介绍了基于 Aspen Plus软件平台建立的 IGFC/CC系统模型,对 IGFC/CC系统进行模拟及性能分析。分析了SOFC工作压力(0.3-1.2MPa范围内)对系统发电效率的影响,给出了高温SOFC的最优工作压力范围,认为当力约为10MPa时具有最高的发电效率。关键词:固体氧化物燃料电池;煤气化;混合发电系统基金项目:国家重点基础研究发展规划基金项目(973计划)(2007CB210102);上海市科委科技攻关计划(08DZ1200102)作者简介:许丽(1984-),女,硕士研究生,主要从事 IGCC/FC多联产系统的研究。中图分类号:TM911.47文献标志码:A文章编号:10019529(2010)060903404Analysis of Pressure Characteristics of SOFC Hybrid Power Generation System Based on SyngasXU L, WANG Yu-zhang, WENG Yi-wuKey Laboratory of Power Machinery and Engineering of Education Ministry, Shanghai Jiaotong Univ, Shanghai 200240, ChinaAbstract: The composite cycle (IGFC/CC)of the solid oxide fuel cell( SOFC) based on syngas is a clean and effi-cient coal power generation technology. The model of the IGFC/CC system was presented based on Aspen Plus soft-ware platform. The simulation and performance analysis were conducted. The influence of the working pressure( inthe range of 0. 3-1 2 MPa)of the SOFC on the efficiency of the system was analyzed; the optimal range of the work-ing pressure of the high-temperature SOFC was given, indicating that the generation efficiency was highest at the pres-sure of about 1.0 MPaKey words: SOFC; coal gasification; composite power generation system煤在气化炉中气化及后续设备净化处理后产生合成气通入SOFC进行发电,直接将合成气的1IGFC/CC系统原理化学能转化为电能,其过程从根本上改变了传统1.1IGFC/CC系统概况的固体煤直接燃烧发电的模式,该过程既不会产1GFC/CC系统主要由合成气制备(煤的气化生污染,又具备高效率。现研究的高温固体氧化和煤气净化)、高温SOFC及燃气蒸汽联合循环组物燃料电池混合发电循环,其循环热效率已经达成。到80%,实现了能源的高效利用。系统的工作流程为:煤和水混合制成水煤浆本文基于大型流程分析软件 Aspen Plus平和氧气一起通入到 Texaco气化炉中进行气化,气台,建立了IGFC/CC模型,主要包括合成气制备、化出来的高温煤气经过换热冷却和净化后作为高温SOFC及燃气蒸汽联合发电系统。该系统中SOFC的燃料和空气同时通入燃料电池发生电化合成气的制备采用水煤浆进料的 Texaco气化炉学反应;从燃料电池出来的高温尾气通入燃烧室模型口。基于本课题组前期开发的SOFC单电将未反应的气休宗仝桃档前执出口高温气体进23),组建了SOFC电堆,其工作温度为900池入后中国煤化工实现能量的有1000℃排出的高温气体可以和燃机汽机构成混效梯CNMHG合发电系统。1.2合成气的制备0904束電力010,38(6)进入SOFC发电的合成气制备主要分为两该模型为了较为清晰的描述高温SOFC整个工作步:煤在 Texaco气化炉的气化和后续的煤气净过程,将实际过程中同时进行的置换反应和电化化。 Texaco气化炉采用水煤浆进料的方式。原煤学反应分两步处理:首先净化后的合成气和循和水、添加剂、石灰石、氨水等混合制成浓度约环气混合通入SHHT模块进行置换反应,将煤气65%的水煤浆,经高压煤浆泵加压后与高压氧气中的CO转化为H2,然后通入到燃料电池的阳极经烧嘴混合后喷入气化炉内进行气化。衡量气化模拟电化学。根据燃料量(即合成气量)和燃料炉性能优劣的重要指标:合成气中有效气体成分,利用率可计算出阳极电化学反应需要的氧气量,冷煤气效率和碳转化率。表1为研究煤种的特性 CATHODE模块则实现将该氧量从加压后的空气及气化过程的工作参数。具体对 Texaco气化炉中分离并通入电池阳极,剩余空气则用于吸收燃气化过程的建模及分析见文献[1]。料电池电化学反应释放的热量来模拟空气冷却燃表1气化相关参数料电池的过程。煤工业分析%煤元素分析/%气化炉工作参数燃料电池出口高温气体中仍含有部分未反应W3.44‖c13.21进煤量/kg·h-14000A59.09‖H69.27临低位发热量/·kg-12900的有效气体,将它通入到后置燃烧室(BURN)进5704.56工作压力/MPa3步燃烧放热,燃烧室出口的高温尾气驱动燃气v6.9N.28氧煤比08透平发电,从而实现了能量梯级利用,有效提高了3.6氧气浓度98系统的发电效率。水煤浆浓度气化炉出口的髙温煤气中含有H2S、COS等2SOFO杂质气体,对后续SOFC过程产生影响所以出口的煤气必须经过净化处理。从气化炉出来的高温煤气经过废热锅炉和换热器温度降到约250℃通过滤式除尘器和旋风分离器除去粉尘颗粒,然9≯自自自后利用干法脱硫(例如干法脱硫氧化铁法)达到后续SOFC对杂质的限制量标准。1.3固体氧化物燃料电池模型及性能本文采用本课题组前期开发的新型平板式固STGE一蒸汽轮机; COM-AIR一空气压缩机;CT—燃气透平;HEX2一换热器; CATHODE—燃料电池阴极; ANODE一燃料体氧化物燃料电池2,将多个单电池相互串并联电池阳极;BURN一后置燃烧室;SHFT-置换反应器;ML后组成电池堆进行发电。基于 Aspen Plus软件平混合器PLT-分离器台对SOFC的工作流程进行模拟和分析。具体工1SoFC/CC系统模型作参数见表2。表2SOFC工况参数燃料电池 Nernst电压E工况参数Em=E+In[-2 22单电池活化面积m23.0×10-3单电池片数l13式中E=1.223-2.7645×10T。工作温度℃1000燃料电池在实际工作过程中,可能产生活化工作压力/MP工作电压V极化浓度极化以及欧姆极化,即实际工作电压小系统进口空气温度℃于 Nernst电压。进口空气量/kmo·hl0000燃料电池的工作电流平均电流密度/A·m24000燃料利用率=2n2×UxF空气利用率0.25根据燃料电池的工作电流和电压求出其功率SOFC/CC系统模型如图1所示6,其中虚COLA线框中3个模块模拟SOFC的工作过程。空气经中国煤化工过压缩机加压后,和燃气透平出口的高温尾气换CNMHG=0 (4)热升温然后进入燃料电池的阴极( CATHODE)。燃料电池的发电量为Q3-Q1,则根据式(4)许丽等基于合成气的固体氧化物燃料电池混合发电系统的压力特性分析0905可以确定该系统所需空气量]。在SOFC/CC系统中,影响其性能的主要因素式中n2合成气中氢气的摩尔量有:工作压力、进入SOFC中空气和燃料的初温燃料电池的工作电流;燃料利用率、空气利用率等。本文主要讨论其中V—燃料电池的工作电压;一个重要的因素一压力对SOFC性能及系统发电W_SOFT—燃料电池功率效率的影响。在SOFC系统中,工作压力的提高Q—电化学反应所释放能量;可以提高可逆电势并同时降低活化极化与浓度极Q—置换反应释放的热量;Q2冷却燃料电池的空气带走的热量;化造成的过电势。SOFC在1000℃工作温度时Q燃料电池的损失SOFC可逆电位随燃料电池工作压力变化的关F——法拉第常数;系3可以表示为R—通用气体常数;△v=0.063ln(2)(5)U/燃料利用率可以看出SOFC工作压力的增大有利于提高2计算结果及压力特性分析电池可逆电位。在电流密度不变的情况下,燃料2.1IGFC/CC仿真结果电池功率随着电压的增大而增大。图2是SOFC/IGFC/CC的三大发电部件包括SOFC、燃气CC系统中SoFC、燃气透平汽机、压气机功率随透平和汽机。本文以SOFC为主发电设备,燃气压力(0.3-1.2MPa)的变化趋势。从图2中可透平和汽机主要是利用其余热发电以提高整个系以看出随着SOFC工作压力的上升SFC功率统的发电效率。该混合发电系统中汽机主蒸汽压逐渐增大,之后上升速度有所减缓。可见在一定力和温度分别为13.5MPa和535,再热蒸汽温范围内提高压力可以有效的增大SOFC功率。度为535℃,排气压力为0.005MPa,等熵效率为ll00000.85。燃气透平的等熵效率为0.85。 IGFC/CC系统的仿真结果见表3。表3IGFC/CC系统模拟结果Texaco气化结果系统仿真结果温度/℃1263冷煤气效率0.72去Co40.25碳转化率H229.7空压机耗功/MWW COMPCO29.16燃气透平功率/MWH2O1839汽机功率/MW43.9p/MPa浓N21.52soc功率/MW100图2各部件输出功率一压力的关系HS0|ec功率MWH40.015soFC/CC发电效率0.74当SOFC工作压力上升燃气透平的功率随之FCCC发电效率增大。但伴随着燃气透平压比增大,膨胀做功后排从表3的模拟结果中显示,该IGFC/CC系统气温度降低余热锅炉中所得的热量有所减少,则整体发电效率约为0.53,其中 SOF/CC联合循产生的高温高压的蒸汽量减少,导致汽机的功率下环的发电效率达到0.74,比传统的IcCC联合循降。且燃气透平的排气温度受到换热器最小换热环发电效率提高了将近十几个百分点验证了燃温差的限制如果燃气透平排气温度下降过多,则料电池发电技术的高效性。在该系统中,气化炉不能保证进入SOFC阴极的空气温度从而影响了(冷煤气效率为072)能量损失较大,如果对气化SOFC的性能。同时,SOFC工作压力增大必将增大炉进行改进优化,冷煤气效率可以有一定的提高空气压缩机的功耗。所以,SOFC存在一个合适的空间,有望进一步提高 IGFC/CC系统的发电效工作压力区间保证其系统高效的运行。率;其次在SOFC的设计方面,提高燃料电池的工当密一压力的关系图。作压力以及进口燃料和空气的温度都有可能提OF中国煤化工统性能的优劣高系统的发电效率。的最CNMH气总功率等于2.2压力对SOFC/CC系统的影响SOFC、燃气透平及汽机功率的总和减去空气压缩06阜束電力机的功耗。伴随着压力从0.3MPa增大到1.2的影响,在一定范围内提高其工作压力可以提高MPa,总发功率逐渐上升但速率渐缓,当压力达到系统的整体发电效率。该系统中SOFC工作压力1.2MPa的时候, SOFC/CC的总功率略呈下降的约为1.0MPa时系统发电效率最高。趋势。可见模型模拟的结果与上述分析的结果较参考文献:为一致[1]许丽,戈士军,王玉璋等.带IGCC的多联产系统的气化炉建模和优化[C].200中国化石能源清洁利用技术论坛,北京,20[2]王玉璋于建国惠宇等.新型平板式固体氧化物燃料电池的开发和性能分析[]动力工程,2008,28(6):165000[3]王玉璋惠字,于建国等.平板式SOFC的N/YSZ阳极上甲烷重整过程实验研究[J].中国电机工程学报,2009,29(14):104-108[4]张斌李政,倪维斗.煤气化固体氧化物燃料电池混图3SOFC/CC总功率一压力的关系合联合循环系统的分析[]动力工程,200,25(3):443随着SOC工作压力的提高,在一定范围内( 5] ZHANG6w, COROISET E. DOUGLAS P I. Simulation of系统发电效率随之增大。图4是 IGFC/CC发电tubular solid fuel cell attack using Aspen PlusTM unit open效率一压力图。该SOFC工作压力在10MPa左tion models[ J]. Energy Conversion Management, 2005;右 SOFC/CC系统发电效率最高。SOFC工作压46:181-19力直接影响整个系统的发电效率,但是在提高[6]王丽俐.煤加氢气化及固体氧化物燃料电池数值模拟SOFC工作压力的同时,对装置的材料以及使用[D].北京:北京交通大学,2007[7 WANG Yuzhang, FUMIHIKO Yoshiba, MAKOTO Kawase寿命提出了更高的要求所以在追求高效率同时et al. Performance and effective kinetic models of methane需兼顾系统的经济性和安全性。steam reforming over Ni/YSZ anode of planar SOFC[J]. Int.unal of Hydrogen Energy, 2009, 34(9): 3885-3893[8] WANG Yuzhang, FUMIHIKO Yoehiba, TAKAO Watanabeet al. Numerical analysis of electrochemical characteristicand heat/species transport for planar porous-electrode -suppor-ted SOFC[J]. Journal of Power Sources, 2007, 170(1):101-110[9]卢立宁固体氧化物燃料电池联合发电系统性能计算与优化研究[D].大连:大连理工大学,2004p/MPa[10]张海燕钟志强蒋安众,等.燃煤的燃料电池联合循环发图4IGFC/CC发电效率一压力的关系电系统拟定和热效率分析[冂]锅炉技术,2001,32(2):73结论[11] TANAKA K, WEN C, YAMADA K. Design and evaluationof combined cycle system with solid oxide fuel cell and gas(1) IGFC/CC系统的整体发电效率约53%,turbine[门].Fue,200079):l493-1507比常规的ICCC循环高出十几个百分点[12] MOTAHAR S, ALEMRAJABI A A. Exergy based perform-(2)该系统中气化炉的能量损失较大,进一ance analysis of a solid oxide fuel cell and steam injected gas步提高气化炉的冷煤气效率是提高其整体发电效turbine hybrid power system[ J ]. Hydrogen Energy, 200934):23962407率的关键收稿日期:2010403-19(3)SOFC工作压力对该系统的性能有较大本文编辑:杨林青1中国煤化工过牌牌容酸球就牌时投褐提要式形式的图表名人份式则小考文款