Интегрированный цикл газификации топливных элементов

Типы топливных элементов с более низкой температурой, такие как топливный элемент с протонообменной мембраной , топливный элемент на основе фосфорной кислоты и щелочной топливный элемент , требуют в качестве топлива чистый водород , обычно получаемый путем внешнего риформинга природного газа . Однако топливные элементы, работающие при высокой температуре, такие как твердооксидный топливный элемент (SOFC), не отравляются оксидом углерода и диоксидом углерода и фактически могут принимать водород, оксид углерода, диоксид углерода, пар и смеси метана в качестве топлива напрямую из-за их внутренних возможностей сдвига и риформинга. [1] Это открывает возможность эффективных энергетических циклов на основе топливных элементов, потребляющих твердое топливо, такое как уголь и биомасса , газификация которых приводит к получению синтез-газа, содержащего в основном водород, оксид углерода и метан, который можно очищать и подавать непосредственно в SOFC без дополнительных затрат и сложностей операций по риформингу метана, смещению водяного газа и разделению водорода, которые в противном случае потребовались бы для выделения чистого водорода в качестве топлива. Энергетический цикл, основанный на газификации твердого топлива и SOFC, называется циклом интегрированного газификационного топливного элемента (IGFC); Электростанция IGFC аналогична электростанции комбинированного цикла с интегрированной газификацией , но с газотурбинным энергоблоком, замененным на энергоблок с топливными элементами (высокотемпературного типа, например, SOFC). [2] Используя преимущества изначально высокой энергоэффективности SOFC и интеграции процессов, можно добиться исключительно высокой эффективности электростанции. Кроме того, SOFC в цикле IGFC могут работать таким образом, чтобы изолировать поток анодных выхлопных газов, богатых диоксидом углерода, что позволяет эффективно улавливать углерод для решения проблем выбросов парниковых газов при производстве электроэнергии на основе угля .

Конфигурация процесса

Система IGFC объединяет использование SOFC в качестве верхнего цикла для газовой турбины или парогенератора-утилизатора на основе нижнего цикла. Типичные основные компоненты системы IGFC, в данном случае сосредоточенные на модуле SOFC, работающем при атмосферном давлении, указаны на упрощенной схеме цикла.

Упрощенная технологическая схема интегрированного цикла газификации топливного элемента при атмосферном давлении

Топливом системы, как показано на рисунке, является уголь, преобразованный в синтетический газ с помощью газификатора, который затем подается в модуль SOFC после очистки и снижения давления. Шаг снижения давления синтетического газа выполняется в этой системной концепции с помощью детандера /генератора , который, таким образом, производит часть валовой выработки электроэнергии цикла. Кислород для процесса газификации угля обеспечивается обычной установкой разделения воздуха , а пар для газификатора повышается за счет тепла энергосистемы и оборотной воды. Обратите внимание, что модуль SOFC сконфигурирован для поддержания потоков отходящего газа анода и катода разделенными, а отходящий газ анода, который содержит некоторое количество электрохимически не прореагировавшего водорода и оксида углерода, полностью сжигается в кислородно-сжигательной камере . Поддержание разделения потоков отходящего газа ограничивает большое содержание атмосферного азота на стороне катода и упрощает процесс улавливания CO2 до охлаждения отходящего газа анода, конденсации водяного пара, сушки CO2 и сжатия CO2 . Сжатый CO2 пригоден для утилизации или хранения углерода (CUS) по мере необходимости. Тепло, извлеченное из процесса на стороне анода, может быть использовано циклом выработки электроэнергии, состоящим из парогенератора с рекуперацией тепла и паровой турбины. На стороне катода технологический воздух для электрохимического процесса SOFC и для охлаждения модуля подается воздуходувкой; тепло может быть извлечено из потока отходящего газа горячего катода для предварительного нагрева технологического воздуха по мере необходимости и для выработки дополнительной электроэнергии. Благодаря изначально эффективной системе SOFC и использованию извлеченного тепла отработавших газов SOFC для выработки дополнительной электроэнергии система IGFC способна работать с высокой электрической эффективностью, которая значительно превышает эффективность, связанную с обычными системами комбинированного цикла с пылевидным углем и интегрированной газификацией . Пределы эффективности IGFC, считающиеся достижимыми на основе сравнительных исследований современных энергосистем Национальной энергетической технологической лаборатории Министерства энергетики США, приведены в таблице, представленной в последующем обсуждении.

Упрощенная технологическая схема интегрированного цикла газификации топливного элемента при повышенном давлении

Повышение эффективности цикла IGFC возможно за счет работы SOFC под давлением, как показано на схеме цикла IGFC с SOFC под давлением. Процесс в основном похож на цикл при атмосферном давлении, но он будет работать с модулем SOFC при повышенном давлении, достигая повышения напряжения SOFC, и заменит воздуходувку катодной стороны на воздушный компрессор. Кроме того, в потоке отходящих газов катода будет установлен расширитель/генератор для снижения давления газа и выработки дополнительной мощности (это имеет тенденцию настолько сильно понижать температуру газов, что выработка пара для работы паровой турбины не является жизнеспособным вариантом). По желанию, комплект расширителя/генератора может быть также размещен в потоке отходящих газов анода, сразу за окси-сжигателем и перед рекуперацией тепла отходящих газов.

Варианты газификации для IGFC

Множество типов твердотопливных газификаторов коммерчески доступны для газификации угля, нефтяного кокса и биомассы. Конструкции различаются в зависимости от топлива и предполагаемого применения. В результате они могут различаться по составу производимого синтез-газа и эффективности, с которой они преобразуют энергосодержание угля в энергосодержание синтез-газа - параметр производительности, обычно называемый эффективностью холодного газа. [3] Газификаторы также различаются по своим основным рабочим параметрам - например, температуре процесса, давлению и потребности в кислороде и паре. Для энергосистем, основанных на интеграции технологий газификации угля и SOFC, эти параметры, в частности эффективность холодного газа и потребности в кислороде и паре, будут влиять на эффективность производства электроэнергии.

Газификаторы бывают трех основных типов — с увлеченным потоком, с подвижным слоем и с псевдоожиженным слоем. [4] Газификаторы с увлеченным потоком (например, GE Energy, Shell, E-Gas™, Siemens) могут привлечь ранний интерес для применения в системах электропитания на топливных элементах, поскольку они относительно хорошо разработаны и используются в современных конструкциях и приложениях интегрированных систем комбинированного цикла газификации. Газификация с увлеченным потоком обычно протекает при относительно высоких температурах процесса, требует подачи кислорода с относительно высокой скоростью, подачи пара с низкой или средней скоростью, и производит продукт синтез-газа с очень небольшим содержанием метана, обычно менее 1% (об.). Эффективность холодного газа для газификации с увлеченным потоком обычно находится в диапазоне 80%. Газификатор с подвижным слоем (например, Lurgi) работает при умеренных уровнях температуры и с умеренными требованиями к подаче кислорода и пара. Эффективность холодного газа, достигаемая этим газификатором, выше, около 90%, и его поток продукта синтез-газа будет иметь номинальное содержание метана в диапазоне 4-5% (об.). [5] Газификация в псевдоожиженном слое (например, KBR Transport) протекает с аналогичными характеристиками, но будет демонстрировать несколько более низкое содержание метана в синтез-газе, обычно в диапазоне 2-3% (об.). [6]

Особый интерес для энергетической системы IGFC на основе SOFC представляет каталитическая газификация угля из-за характерно высокого содержания метана в получаемом синтез-газе. Этот процесс получил развитие в 1980-х годах для целей производства синтетического природного газа. По сравнению с обычной газификацией, описанной выше, каталитический газификатор потребует меньшего количества кислорода, будет работать при более низкой температуре процесса и производить поток синтез-газа с более высокой концентрацией метана [15-30% (об.)], в дополнение к водороду и оксиду углерода. [7] При более низкой рабочей температуре для каталитической газификации прогнозируется относительно высокая эффективность холодного газа не менее 90%, и эта характеристика, а также потребность процесса в меньшем количестве кислорода, будут напрямую поддерживать высокоэффективную работу энергетической системы IGFC. Кроме того, внутренняя реформация существенного содержания метана в синтез-газе внутри модуля SOFC может быть использована по конструкции для содействия охлаждению модуля и, таким образом, может привести к снижению паразитного энергопотребления, связанного с подачей охлаждающего воздуха. Модуль генератора электроэнергии SOFC в системе IGFC, вероятно, может работать на синтетическом газе, поставляемом любым из имеющихся обычных угольных газификаторов, и исследования показывают, что электрическая эффективность энергосистемы в диапазоне 45-50% достижима, в зависимости от того, использует ли энергосистема атмосферное давление или герметичные модули SOFC. Однако, с точки зрения эффективности, предпочтительным подходом к газификации угля для этого применения является каталитический. При использовании этой технологии прогнозируется эффективность системы IGFC в диапазоне 56-60%, опять же в зависимости от герметичности модуля SOFC. Оценки и сравнения приведены в таблице ниже.

Оценки и сравнения эффективности энергосистемы IGFC
Тип энергосистемыОценка эффективности (чистая мощность/высшая теплотворная способность угля) †
Угольная пыль28 [8]
IGCC33 [8]
IGFC, традиционная газификация угля
   ТОТЭ при атмосферном давлении47 [2]
   ТОТЭ под давлением50 [2]
IGFC, каталитическая газификация угля
   ТОТЭ при атмосферном давлении56 [2]
   ТОТЭ под давлением60 [2]

† Оценки эффективности включают эффекты паразитных энергетических нагрузок из-за сжатия CO 2 для связывания/хранения углерода.

Помимо высокой эффективности энергосистемы, исследования [2] [9] также прогнозируют значительные капитальные затраты на электростанции системы IGFC, стоимость электроэнергии и преимущества чистого потребления воды: электроэнергетические системы IGFC, объединяющие каталитическую газификацию угля с конструкциями модулей SOFC, которые разделяют потоки отходящих газов анода и катода и оснащены охлаждением SOFC с улучшенной конверсией метана, будут работать чисто с очень высокой электрической эффективностью, обеспечивая при этом высокий уровень улавливания углерода и требуя низкого чистого потребления воды.

Улавливание углекислого газа в циклах IGFC

Конструкция SOFC и конфигурация процесса IGFC могут значительно упростить улавливание диоксида углерода [ 10] , который будет все больше востребован для низких выбросов парниковых газов большинства процессов использования ископаемого топлива. При обычном сжигании топливо сжигается в воздухе, в результате чего выхлопные газы содержат большое количество азота, из которого улавливание чистого потока диоксида углерода (необходимого для хранения углерода в сценариях контроля выбросов парниковых газов) неэффективно. При кислородном сжигании кислород извлекается из воздуха и используется для сжигания топлива, в результате чего выхлопные газы не загрязнены азотом, из которого улавливание чистого потока диоксида углерода эффективно. Однако, в первую очередь, возникают большие энергетические потери на выполнение разделения воздуха, необходимого для изоляции потока кислорода. Напротив, для функционирования SOFC не требуется ни неэффективного улавливания углерода из выхлопных газов, ни разделения воздуха: единственным требуемым взаимодействием потоков реагентов анода и катода является перенос кислорода со стороны катода (воздуха) на сторону анода (топлива). Весь углерод, за исключением незначительного количества в атмосферном воздухе, поступающем на катод, попадет в модуль с топливом на анодной стороне, и он должен выйти из анода в виде углекислого газа и оксида углерода. Благодаря проектированию модуля SOFC для разделения потоков отходящих газов анода и катода, предотвращается разбавление этого богатого углеродом потока атмосферным азотом со стороны катода, что позволяет просто и недорого отделить и захватить углекислый газ ниже по потоку.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Giddey, S.; Badwal, SPS; Kulkarni, A.; Munnings, C. (июнь 2012 г.). «Комплексный обзор технологии прямого углеродного топливного элемента». Progress in Energy and Combustion Science . 38 (3): 360–399 . doi :10.1016/j.pecs.2012.01.003.
  2. ^ abcdef "Анализ конфигураций установок с интегрированной газификацией топливных элементов, DOE/NETL-2011/1482" (PDF) . Национальная лаборатория энергетических технологий. Февраль 2011 г. . Получено 25 августа 2014 г. .
  3. ^ Хигман, Кристофер; ван дер Бургт, Маартен (2008). Газификация (Второе изд.). Elsevier, Inc., стр. 28–30. ISBN 978-0-7506-8528-3.
  4. ^ "Коммерческие газификаторы-Типы газификаторов". Gasifipedia . Национальная лаборатория энергетических технологий, Министерство энергетики США . Получено 25 августа 2014 г.
  5. ^ "Газификаторы с неподвижным (движущимся) слоем - газификатор Lurgi Dry-Ash". Gasifipedia . Национальная лаборатория энергетических технологий, Министерство энергетики США . Получено 25 августа 2014 г. .
  6. ^ "Коммерческие газификаторы-газификаторы с псевдоожиженным слоем". Gasifipedia . Национальная лаборатория энергетических технологий, Министерство энергетики США . Получено 25 августа 2014 г.
  7. ^ "Газификаторы и технология газификации для специальных приложений и альтернативного сырья - каталитическая газификация". Gasifipedia . Национальная лаборатория энергетических технологий, Министерство энергетики США . Получено 25 августа 2014 г.
  8. ^ ab "Базовые показатели затрат и производительности для установок на ископаемых видах топлива - Том 1, Переработка угля и природного газа в электричество, DOE/NETL-2010/1397" (PDF) . Национальная лаборатория энергетических технологий. Ноябрь 2010 г. . Получено 25 августа 2014 г. .
  9. ^ Ланцини, Андреа; Крейц, Томас Г.; Мартелли, Эмануэле (11–15 июня 2012 г.). Технико-экономический анализ электростанций с интегрированной газификацией на топливных элементах, улавливающих CO2 (PDF) . Труды ASME Turbo Expo 2012. стр.  337–347 . doi :10.1115/GT2012-69579. ISBN 978-0-7918-4469-4. Архивировано из оригинала (PDF) 2014-05-14 . Получено 2014-08-25 .
  10. ^ Спаллина, Винченцо; Романо, Маттео К.; Кампанари, Стефано; Лоцца, Джованни (24 марта 2011 г.). «Интегрированный цикл газификации топливных элементов на основе SOFC с улавливанием CO2». Журнал инженерного дела по газовым турбинам и энергетике . 133 (7). doi :10.1115/1.4002176 . Получено 25 августа 2014 г.
  • Департамент энергетики - Национальная лаборатория энергетических технологий Программа твердооксидных топливных элементов Архивировано 2016-04-15 на Wayback Machine
  • Программа газификации Национальной энергетической технологической лаборатории Министерства энергетики
  • Интегрированная система газификации угля на твердооксидных топливных элементах
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Интегрированный_цикл_газификации_топливных_элементов&oldid=1178614499"