第38卷第6期阜束電力Vol 38 No 62010年6月East China Electric PowerJun.2010基于合成氣的固體氧化物燃料電池混合發(fā)電系統(tǒng)的壓力特性分析許麗,王玉璋,翁一武(上海交通大學(xué)動(dòng)力機(jī)械及工程國(guó)家教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海200240)摘要:基于合成氣的固體氧化物燃料電池混合循環(huán)( IGFC/CC)是一種清潔高效的煤炭發(fā)電技術(shù)。介紹了基于 Aspen Plus軟件平臺(tái)建立的 IGFC/CC系統(tǒng)模型,對(duì) IGFC/CC系統(tǒng)進(jìn)行模擬及性能分析。分析了SOFC工作壓力(0.3-1.2MPa范圍內(nèi))對(duì)系統(tǒng)發(fā)電效率的影響,給出了高溫SOFC的最優(yōu)工作壓力范圍,認(rèn)為當(dāng)力約為10MPa時(shí)具有最高的發(fā)電效率。關(guān)鍵詞:固體氧化物燃料電池;煤氣化;混合發(fā)電系統(tǒng)基金項(xiàng)目:國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃基金項(xiàng)目(973計(jì)劃)(2007CB210102);上海市科委科技攻關(guān)計(jì)劃(08DZ1200102)作者簡(jiǎn)介:許麗(1984-),女,碩士研究生,主要從事 IGCC/FC多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的研究。中圖分類號(hào):TM911.47文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào):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煤在氣化爐中氣化及后續(xù)設(shè)備凈化處理后產(chǎn)生合成氣通入SOFC進(jìn)行發(fā)電,直接將合成氣的1IGFC/CC系統(tǒng)原理化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能,其過程從根本上改變了傳統(tǒng)1.1IGFC/CC系統(tǒng)概況的固體煤直接燃燒發(fā)電的模式,該過程既不會(huì)產(chǎn)1GFC/CC系統(tǒng)主要由合成氣制備(煤的氣化生污染,又具備高效率?，F(xiàn)研究的高溫固體氧化和煤氣凈化)、高溫SOFC及燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)組物燃料電池混合發(fā)電循環(huán),其循環(huán)熱效率已經(jīng)達(dá)成。到80%,實(shí)現(xiàn)了能源的高效利用。系統(tǒng)的工作流程為:煤和水混合制成水煤漿本文基于大型流程分析軟件 Aspen Plus平和氧氣一起通入到 Texaco氣化爐中進(jìn)行氣化,氣臺(tái),建立了IGFC/CC模型,主要包括合成氣制備、化出來的高溫煤氣經(jīng)過換熱冷卻和凈化后作為高溫SOFC及燃?xì)庹羝?lián)合發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)中SOFC的燃料和空氣同時(shí)通入燃料電池發(fā)生電化合成氣的制備采用水煤漿進(jìn)料的 Texaco氣化爐學(xué)反應(yīng);從燃料電池出來的高溫尾氣通入燃燒室模型口?；诒菊n題組前期開發(fā)的SOFC單電將未反應(yīng)的氣休宗仝桃檔前執(zhí)出口高溫氣體進(jìn)23),組建了SOFC電堆,其工作溫度為900池入后中國(guó)煤化工實(shí)現(xiàn)能量的有1000℃排出的高溫氣體可以和燃機(jī)汽機(jī)構(gòu)成混效梯CNMHG合發(fā)電系統(tǒng)。1.2合成氣的制備0904束電力010,38(6)進(jìn)入SOFC發(fā)電的合成氣制備主要分為兩該模型為了較為清晰的描述高溫SOFC整個(gè)工作步:煤在 Texaco氣化爐的氣化和后續(xù)的煤氣凈過程,將實(shí)際過程中同時(shí)進(jìn)行的置換反應(yīng)和電化化。 Texaco氣化爐采用水煤漿進(jìn)料的方式。原煤學(xué)反應(yīng)分兩步處理:首先凈化后的合成氣和循和水、添加劑、石灰石、氨水等混合制成濃度約環(huán)氣混合通入SHHT模塊進(jìn)行置換反應(yīng),將煤氣65%的水煤漿,經(jīng)高壓煤漿泵加壓后與高壓氧氣中的CO轉(zhuǎn)化為H2,然后通入到燃料電池的陽極經(jīng)燒嘴混合后噴入氣化爐內(nèi)進(jìn)行氣化。衡量氣化模擬電化學(xué)。根據(jù)燃料量(即合成氣量)和燃料爐性能優(yōu)劣的重要指標(biāo):合成氣中有效氣體成分,利用率可計(jì)算出陽極電化學(xué)反應(yīng)需要的氧氣量,冷煤氣效率和碳轉(zhuǎn)化率。表1為研究煤種的特性 CATHODE模塊則實(shí)現(xiàn)將該氧量從加壓后的空氣及氣化過程的工作參數(shù)。具體對(duì) Texaco氣化爐中分離并通入電池陽極,剩余空氣則用于吸收燃?xì)饣^程的建模及分析見文獻(xiàn)[1]。料電池電化學(xué)反應(yīng)釋放的熱量來模擬空氣冷卻燃表1氣化相關(guān)參數(shù)料電池的過程。煤工業(yè)分析%煤元素分析/%氣化爐工作參數(shù)燃料電池出口高溫氣體中仍含有部分未反應(yīng)W3.44‖c13.21進(jìn)煤量/kg·h-14000A59.09‖H69.27臨低位發(fā)熱量/·kg-12900的有效氣體,將它通入到后置燃燒室(BURN)進(jìn)5704.56工作壓力/MPa3步燃燒放熱,燃燒室出口的高溫尾氣驅(qū)動(dòng)燃?xì)鈜6.9N.28氧煤比08透平發(fā)電,從而實(shí)現(xiàn)了能量梯級(jí)利用,有效提高了3.6氧氣濃度98系統(tǒng)的發(fā)電效率。水煤漿濃度氣化爐出口的髙溫煤氣中含有H2S、COS等2SOFO雜質(zhì)氣體,對(duì)后續(xù)SOFC過程產(chǎn)生影響所以出口的煤氣必須經(jīng)過凈化處理。從氣化爐出來的高溫煤氣經(jīng)過廢熱鍋爐和換熱器溫度降到約250℃通過濾式除塵器和旋風(fēng)分離器除去粉塵顆粒,然9≯自自自后利用干法脫硫(例如干法脫硫氧化鐵法)達(dá)到后續(xù)SOFC對(duì)雜質(zhì)的限制量標(biāo)準(zhǔn)。1.3固體氧化物燃料電池模型及性能本文采用本課題組前期開發(fā)的新型平板式固STGE一蒸汽輪機(jī); COM-AIR一空氣壓縮機(jī);CT—燃?xì)馔钙?HEX2一換熱器; CATHODE—燃料電池陰極; ANODE一燃料體氧化物燃料電池2,將多個(gè)單電池相互串并聯(lián)電池陽極;BURN一后置燃燒室;SHFT-置換反應(yīng)器;ML后組成電池堆進(jìn)行發(fā)電?；?Aspen Plus軟件平混合器PLT-分離器臺(tái)對(duì)SOFC的工作流程進(jìn)行模擬和分析。具體工1SoFC/CC系統(tǒng)模型作參數(shù)見表2。表2SOFC工況參數(shù)燃料電池 Nernst電壓E工況參數(shù)Em=E+In[-2 22單電池活化面積m23.0×10-3單電池片數(shù)l13式中E=1.223-2.7645×10T。工作溫度℃1000燃料電池在實(shí)際工作過程中,可能產(chǎn)生活化工作壓力/MP工作電壓V極化濃度極化以及歐姆極化,即實(shí)際工作電壓小系統(tǒng)進(jìn)口空氣溫度℃于 Nernst電壓。進(jìn)口空氣量/kmo·hl0000燃料電池的工作電流平均電流密度/A·m24000燃料利用率=2n2×UxF空氣利用率0.25根據(jù)燃料電池的工作電流和電壓求出其功率SOFC/CC系統(tǒng)模型如圖1所示6,其中虛COLA線框中3個(gè)模塊模擬SOFC的工作過程?？諝饨?jīng)中國(guó)煤化工過壓縮機(jī)加壓后,和燃?xì)馔钙匠隹诘母邷匚矚鈸QCNMHG=0 (4)熱升溫然后進(jìn)入燃料電池的陰極( CATHODE)。燃料電池的發(fā)電量為Q3-Q1,則根據(jù)式(4)許麗等基于合成氣的固體氧化物燃料電池混合發(fā)電系統(tǒng)的壓力特性分析0905可以確定該系統(tǒng)所需空氣量]。在SOFC/CC系統(tǒng)中,影響其性能的主要因素式中n2合成氣中氫氣的摩爾量有:工作壓力、進(jìn)入SOFC中空氣和燃料的初溫燃料電池的工作電流;燃料利用率、空氣利用率等。本文主要討論其中V—燃料電池的工作電壓;一個(gè)重要的因素一壓力對(duì)SOFC性能及系統(tǒng)發(fā)電W_SOFT—燃料電池功率效率的影響。在SOFC系統(tǒng)中,工作壓力的提高Q—電化學(xué)反應(yīng)所釋放能量;可以提高可逆電勢(shì)并同時(shí)降低活化極化與濃度極Q—置換反應(yīng)釋放的熱量;Q2冷卻燃料電池的空氣帶走的熱量;化造成的過電勢(shì)。SOFC在1000℃工作溫度時(shí)Q燃料電池的損失SOFC可逆電位隨燃料電池工作壓力變化的關(guān)F——法拉第常數(shù);系3可以表示為R—通用氣體常數(shù);△v=0.063ln(2)(5)U/燃料利用率可以看出SOFC工作壓力的增大有利于提高2計(jì)算結(jié)果及壓力特性分析電池可逆電位。在電流密度不變的情況下,燃料2.1IGFC/CC仿真結(jié)果電池功率隨著電壓的增大而增大。圖2是SOFC/IGFC/CC的三大發(fā)電部件包括SOFC、燃?xì)釩C系統(tǒng)中SoFC、燃?xì)馔钙狡麢C(jī)、壓氣機(jī)功率隨透平和汽機(jī)。本文以SOFC為主發(fā)電設(shè)備,燃?xì)鈮毫?0.3-1.2MPa)的變化趨勢(shì)。從圖2中可透平和汽機(jī)主要是利用其余熱發(fā)電以提高整個(gè)系以看出隨著SOFC工作壓力的上升SFC功率統(tǒng)的發(fā)電效率。該混合發(fā)電系統(tǒng)中汽機(jī)主蒸汽壓逐漸增大,之后上升速度有所減緩?？梢娫谝欢蜏囟确謩e為13.5MPa和535,再熱蒸汽溫范圍內(nèi)提高壓力可以有效的增大SOFC功率。度為535℃,排氣壓力為0.005MPa,等熵效率為ll00000.85。燃?xì)馔钙降牡褥匦蕿?.85。 IGFC/CC系統(tǒng)的仿真結(jié)果見表3。表3IGFC/CC系統(tǒng)模擬結(jié)果Texaco氣化結(jié)果系統(tǒng)仿真結(jié)果溫度/℃1263冷煤氣效率0.72去Co40.25碳轉(zhuǎn)化率H229.7空壓機(jī)耗功/MWW COMPCO29.16燃?xì)馔钙焦β?MWH2O1839汽機(jī)功率/MW43.9p/MPa濃N21.52soc功率/MW100圖2各部件輸出功率一壓力的關(guān)系HS0|ec功率MWH40.015soFC/CC發(fā)電效率0.74當(dāng)SOFC工作壓力上升燃?xì)馔钙降墓β孰S之FCCC發(fā)電效率增大。但伴隨著燃?xì)馔钙綁罕仍龃?膨脹做功后排從表3的模擬結(jié)果中顯示,該IGFC/CC系統(tǒng)氣溫度降低余熱鍋爐中所得的熱量有所減少,則整體發(fā)電效率約為0.53,其中 SOF/CC聯(lián)合循產(chǎn)生的高溫高壓的蒸汽量減少,導(dǎo)致汽機(jī)的功率下環(huán)的發(fā)電效率達(dá)到0.74,比傳統(tǒng)的IcCC聯(lián)合循降。且燃?xì)馔钙降呐艢鉁囟仁艿綋Q熱器最小換熱環(huán)發(fā)電效率提高了將近十幾個(gè)百分點(diǎn)驗(yàn)證了燃溫差的限制如果燃?xì)馔钙脚艢鉁囟认陆颠^多,則料電池發(fā)電技術(shù)的高效性。在該系統(tǒng)中,氣化爐不能保證進(jìn)入SOFC陰極的空氣溫度從而影響了(冷煤氣效率為072)能量損失較大,如果對(duì)氣化SOFC的性能。同時(shí),SOFC工作壓力增大必將增大爐進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化,冷煤氣效率可以有一定的提高空氣壓縮機(jī)的功耗。所以,SOFC存在一個(gè)合適的空間,有望進(jìn)一步提高 IGFC/CC系統(tǒng)的發(fā)電效工作壓力區(qū)間保證其系統(tǒng)高效的運(yùn)行。率;其次在SOFC的設(shè)計(jì)方面,提高燃料電池的工當(dāng)密一壓力的關(guān)系圖。作壓力以及進(jìn)口燃料和空氣的溫度都有可能提OF中國(guó)煤化工統(tǒng)性能的優(yōu)劣高系統(tǒng)的發(fā)電效率。的最CNMH氣總功率等于2.2壓力對(duì)SOFC/CC系統(tǒng)的影響SOFC、燃?xì)馔钙郊捌麢C(jī)功率的總和減去空氣壓縮06阜束電力機(jī)的功耗。伴隨著壓力從0.3MPa增大到1.2的影響,在一定范圍內(nèi)提高其工作壓力可以提高M(jìn)Pa,總發(fā)功率逐漸上升但速率漸緩,當(dāng)壓力達(dá)到系統(tǒng)的整體發(fā)電效率。該系統(tǒng)中SOFC工作壓力1.2MPa的時(shí)候, SOFC/CC的總功率略呈下降的約為1.0MPa時(shí)系統(tǒng)發(fā)電效率最高。趨勢(shì)?？梢娔Ｐ湍M的結(jié)果與上述分析的結(jié)果較參考文獻(xiàn):為一致[1]許麗,戈士軍,王玉璋等.帶IGCC的多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的氣化爐建模和優(yōu)化[C].200中國(guó)化石能源清潔利用技術(shù)論壇,北京,20[2]王玉璋于建國(guó)惠宇等.新型平板式固體氧化物燃料電池的開發(fā)和性能分析[]動(dòng)力工程,2008,28(6):165000[3]王玉璋惠字,于建國(guó)等.平板式SOFC的N/YSZ陽極上甲烷重整過程實(shí)驗(yàn)研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2009,29(14):104-108[4]張斌李政,倪維斗.煤氣化固體氧化物燃料電池混圖3SOFC/CC總功率一壓力的關(guān)系合聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的分析[]動(dòng)力工程,200,25(3):443隨著SOC工作壓力的提高,在一定范圍內(nèi)( 5] ZHANG6w, COROISET E. DOUGLAS P I. Simulation of系統(tǒng)發(fā)電效率隨之增大。圖4是 IGFC/CC發(fā)電tubular solid fuel cell attack using Aspen PlusTM unit open效率一壓力圖。該SOFC工作壓力在10MPa左tion models[ J]. Energy Conversion Management, 2005;右 SOFC/CC系統(tǒng)發(fā)電效率最高。SOFC工作壓46:181-19力直接影響整個(gè)系統(tǒng)的發(fā)電效率,但是在提高[6]王麗俐.煤加氫氣化及固體氧化物燃料電池?cái)?shù)值模擬SOFC工作壓力的同時(shí),對(duì)裝置的材料以及使用[D].北京:北京交通大學(xué),2007[7 WANG Yuzhang, FUMIHIKO Yoshiba, MAKOTO Kawase壽命提出了更高的要求所以在追求高效率同時(shí)et al. Performance and effective kinetic models of methane需兼顧系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)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]. 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