发电并捕集二氧化碳的系统及方法

技术领域

本发明涉及固体电池技术领域，尤其涉及一种发电并捕集二氧化碳的系统及方法。

背景技术

目前，在进行发电时，主要以燃煤发电为主。在通过燃烧煤进行发电的过程中，会产生大量的二氧化碳，大量的二氧化碳排放到大气中，容易影响大气的热平衡，加剧气候变暖。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种发电并捕集二氧化碳的系统及方法，以在发电的同时，实现对二氧化碳的捕集。

为达到上述目的，本发明实施例提供了如下技术方案：

本发明实施例的第一方面提供了一种发电并捕集二氧化碳的系统，包括：气化炉，用于将第一燃料转化为合成气。固体氧化物燃料电池，与气化炉连通，用于将合成气转化为电能和第一废气。燃烧器，用于将第二燃料转化为电能和烟道气体。熔融碳酸盐燃料电池，与燃烧器和固体氧化物燃料电池连通，用于将烟道气体和第一废气转化为电能和第二废气。压缩纯化装置，与熔融碳酸盐燃料电池连通，用于对第二废气中的二氧化碳进行捕集。

本发明实施例提供的发电并捕集二氧化碳的系统，通过设置与气化炉连通的固体氧化物燃料电池，设置与燃烧器连通的熔融碳酸盐燃料电池，并将固体氧化物燃料电池与熔融碳酸盐燃料电池连通，可以将主要包括氢气、一氧化碳、水蒸气的第一废气，和主要包括二氧化碳的烟道气体，输送至熔融碳酸盐燃料电池，使第一废气和烟道气体在熔融碳酸盐燃料电池中发生反应，将二氧化碳转移汇聚到熔融碳酸盐燃料电池的一端，得到主要包括二氧化碳的第二废气。这样可以通过与熔融碳酸盐燃料电池连通的压缩纯化装置，对该第二废气进行压缩、纯化，捕集得到第二废气中的二氧化碳。而且，在将合成气进行转化的过程中会产生电能，在将第一废气和烟道气体转化为第二废气的过程中也会产生电能。也就是说，本发明实施例提供的发电并捕集二氧化碳的系统，既能实现发电，又能实现对二氧化碳的捕集。

另外，固体氧化物燃料电池的阳极与熔融碳酸盐燃料电池的阳极连通，可以不将固体氧化物燃料电池的阳极产生的第一废气进行循环，返回至固体氧化物燃料电池继续进行反应，而可以将第一废气作为熔融碳酸盐燃料电池的阳极的燃料来源，输送至熔融碳酸盐燃料电池的阳极，通过其中未完全反应的合成气中的H

在一些实施例中，气化炉与固体氧化物燃料电池的阳极连通。固体氧化物燃料电池的阳极与熔融碳酸盐燃料电池的阳极连通。燃烧器与熔融碳酸盐燃料电池的阴极连通，压缩纯化装置与熔融碳酸盐燃料电池的阳极连通。

在一些实施例中，上述发电并捕集二氧化碳的系统，还包括第一冷凝装置，连接于固体氧化物燃料电池和熔融碳酸盐燃料电池之间，用于对第一废气进行冷凝，去除第一废气中的水和二氧化碳，并将去除水和二氧化碳后的第一废气输送至熔融碳酸盐燃料电池。

在一些实施例中，上述发电并捕集二氧化碳的系统，还包括第二冷凝装置，连接于熔融碳酸盐燃料电池与压缩纯化装置之间，用于对熔融碳酸盐燃料电池产生的第二废气进行冷凝，去除第二废气中的水，并将去除水后的第二废气输送至压缩纯化装置。

在一些实施例中，上述发电并捕集二氧化碳的系统，还包括至少一个第一净化装置，该至少一个第一净化装置连接于气化炉和固体氧化物燃料电池之间，用于对气化炉产生的合成气进行净化，并将净化后的合成气输送至固体氧化物燃料电池。

本发明实施例的第二方面提供了一种发电并捕集二氧化碳的方法，应用于上述实施例提供的发电并捕集二氧化碳的系统，上述发电并捕集二氧化碳的方法包括：将第一燃料加入至发电并捕集二氧化碳的系统的气化炉中，得到合成气。将合成气输送至发电并捕集二氧化碳的系统的固体氧化物燃料电池中进行反应，得到电能和第一废气。将第二燃料加入至发电并捕集二氧化碳的系统的燃烧器，得到电能和烟道气体。将烟道气体和第一废气输送至发电并捕集二氧化碳的系统的熔融碳酸盐燃料电池中进行反应，得到电能和第二废气。将第二废气输送至发电并捕集二氧化碳的系统的压缩纯化装置，对第二废气中的二氧化碳进行压缩、纯化及捕集。

本发明实施例提供的发电并捕集二氧化碳的方法所能实现的有益效果，与上述实施例提供的发电并捕集二氧化碳的系统所能实现的有益效果相同，在此不做赘述。

在一些实施例中，在将合成气输送至固体氧化物燃料电池之前，上述方法还包括：对合成气进行净化。

在一些实施例中，将净化后的合成气输送至固体氧化物燃料电池中后，净化后的合成气中发生反应的气体的体积占全部气体的体积的比例为50％～70％。

在一些实施例中，固体氧化物燃料电池中得到的电能和熔融碳酸盐燃料电池中得到的电能之比为2:5～4:5。

在一些实施例中，在将第一废气输送至熔融碳酸盐燃料电池之前，上述方法还包括：对第一废气进行冷凝，去除第一废气中的水和二氧化碳。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明实施例的一部分，本发明实施例的示意性实施例及其说明用于解释发明实施例，并不构成对本发明实施例的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例提供的一种发电并捕集二氧化碳的系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的另一种发电并捕集二氧化碳的系统的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种发电并捕集二氧化碳的方法的流程示意图；

图4为本发明实施例提供的另一种发电并捕集二氧化碳的方法的流程示意图。

具体实施方式

为便于理解，下面结合说明书附图，对本发明实施例提供的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是所提出的技术方案的一部分实施例，而不是全部的实施例。

请参阅图1，本发明实施例提供了一种发电并捕集二氧化碳的系统，包括气化炉101，与气化炉101连通的固体氧化物燃料电池102，燃烧器201，与燃烧器201连通的熔融碳酸盐燃料电池202，以及与熔融碳酸盐燃料电池202连通的压缩纯化装置203。

其中，气化炉101用于对第一燃料进行煤气化处理，将第一燃料转化为合成气。其中，第一燃料包括含有煤、焦炭或半焦等的固体燃料或天然气，以及含有水蒸气(H

固体氧化物燃料电池102是一种将燃料和氧化剂转化为电能的发电装置，其中燃料可以为天然气或合成气等，氧化剂可以为空气或O

气化炉101与固体氧化物燃料电池102连通，在具体连通时，可以将气化炉101与固体氧化物燃料电池102的阳极连通。这样气化炉101中的合成气可以作为燃料输送至固体氧化物燃料电池102的阳极，该合成气和输送至固体氧化物燃料电池102的阴极中的氧化剂可以发生氧化还原反应产生电能，同时还产生第一废气。在反应的过程中，固体氧化物燃料电池102的阳极发生氧化反应，固体氧化物燃料电池102的阴极发生还原反应。

在利用固体氧化物燃料电池102将燃料转化为电能时，每次输送至固体氧化物燃料电池102中的燃料，只有部分燃料会发生反应，这也就意味着，上述第一废气中不仅包括合成气与氧化剂反应生成的二氧化碳(CO

燃烧器201用于将第二燃料进行燃烧，得到电能和烟道气体。燃烧器201包括超临界煤粉锅炉、液压流化床等发电设备，燃烧器201通常设在燃煤电厂中。其中，第二燃料包括煤以及氧化剂，第二燃料经过燃烧发电后所生成的烟道气体主要包括CO

熔融碳酸盐燃料电池202是一种可以将燃料进行内部重整和转移的燃料电池。熔融碳酸盐燃料电池202和燃烧器201连通，可以是熔融碳酸盐燃料电池202的阴极与燃烧器201连通，这样燃烧器201中产生的烟道气体可以输送至熔融碳酸盐燃料电池202的阴极，使烟道气体中的CO

烟道气体和第一废气在熔融碳酸盐燃料电池202中发生反应，进行重整和转移的过程中，产生了电能和第二废气，第二废气包括熔融碳酸盐燃料电池202的阳极产生的CO

熔融碳酸盐燃料电池202的阴极的反应：2CO

熔融碳酸盐燃料电池202的阳极的反应：H

压缩纯化装置203与熔融碳酸盐燃料电池202连通，具体可以与熔融碳酸盐燃料电池202的阳极连通，这样熔融碳酸盐燃料电池202的阳极产生的第二废气可以输送至压缩纯化装置203进行压缩、纯化，得到第二废气中的CO

本发明实施例提供的发电并捕集二氧化碳的系统，通过设置与气化炉101连通的固体氧化物燃料电池102，设置与燃烧器201连通的熔融碳酸盐燃料电池202，并将固体氧化物燃料电池102与熔融碳酸盐燃料电池202连通，可以将主要包括H

相关技术中，在利用固体氧化物燃料电池进行发电时，通常还会将其阳极产生的废气进行循环，返回至固体氧化物燃料电池内，使第一废气中未发生反应的合成气继续进行反应。在利用熔融碳酸盐燃料电池进行CO

本发明实施例通过将固体氧化物燃料电池102的阳极与熔融碳酸盐燃料电池202的阳极连通，可以不将固体氧化物燃料电池的阳极产生的第一废气进行循环，返回至固体氧化物燃料电池继续进行反应，而可以将第一废气作为熔融碳酸盐燃料电池202的阳极的燃料来源，通过第一废气中未完全反应的合成气中的H

在一些实施例中，请参阅图1，发电并捕集二氧化碳的系统还包括第一冷凝装置104，该第一冷凝装置104连接于固体氧化物燃料电池102和熔融碳酸盐燃料电池202之间，用于对第一废气进行冷凝，去除第一废气中的H

示例性的，第一冷凝装置104中设有第一进气口和第一出气口，第一冷凝装置104通过第一进气口与固体氧化物燃料电池102的阳极连通，并通过第一出气口与熔融碳酸盐燃料电池202的阳极连通，这样固体氧化物燃料电池102产生的第一废气可以通过第一进气口进入第一冷凝装置104，利用第一冷凝装置104对第一废气进行冷凝处理，使H

可以理解的是，在熔融碳酸盐燃料电池202的阳极中，H

在一些实施例中，请参阅图1，发电并捕集二氧化碳的系统还包括第二冷凝装置204，该第二冷凝装置204连接于熔融碳酸盐燃料电池202和压缩纯化装置203之间，用于对熔融碳酸盐燃料电池202产生的第二废气进行冷凝，去除第二废气中的H

需要说明的是，第二冷凝装置204中设有第二进气口和第二出气口，第二冷凝装置204通过第二进气口与熔融碳酸盐燃料电池202的阳极连通，并通过第二出气口与压缩纯化装置203连通。这样可以利用第二冷凝装置204对输送至其中的第二废气进行降温冷却处理，使第二废气中的H

在一些实施例中，请参阅图1，发电并捕集二氧化碳的系统还包括至少一个第一净化装置103，该至少一个第一净化装置103连接于气化炉101和固体氧化物燃料电池102之间，用于对气化炉101产生的合成气进行净化，并将净化后的合成气输送至固体氧化物燃料电池102。可以理解的是，将第一燃料进行煤气化后得到的合成气中，还包括含硫化物及颗粒物等杂质，通过设置第一净化装置103，可以对合成气进行净化，去除合成气中的含硫化物及颗粒物等杂质，得到较为纯净的合成气，这样可以提高合成气中H

上述至少一个第一净化装置103中的每个第一净化装置103中设有进气端和出气端。当至少一个第一净化装置103包括一个第一净化装置103时，该第一净化装置103可以通过进气端与气化炉101连通，通过出气端与固体氧化物燃料电池102的阳极连通。当至少一个第一净化装置103包括多个第一净化装置103时，各第一净化装置103可以采用串联的方式连接于气化炉101和固体氧化物燃料电池102之间，即各第一净化装置103的进气端和出气端顺次连接。各第一净化装置103还可以采用并联的方式连接于气化炉101和固体氧化物燃料电池102之间，即各第一净化装置103的进气端均与气化炉101连通，出气端均与固体氧化物燃料电池102的阳极连通。

在一些实施例中，请参阅图2，发电并捕集二氧化碳的系统还包括第一膨胀装置105，该第一膨胀装置105的一端与第一净化装置103连通，另一端与固体氧化物燃料电池102连通，具体可以与固体氧化物燃料电池102的阳极连通。通过设置第一膨胀装置105，可以在将合成气输送至固体氧化物燃料电池102之前，对合成气进行膨胀处理，降低合成气的气压，使合成气的气压与固体氧化物燃料电池102内的压力基本平衡，避免因两者的压力相差太大形成安全隐患，也就可以提高固体氧化物燃料电池102的使用安全性。可选的，第一膨胀装置105可以为涡轮机。

请继续参阅图2，在另一些实施例中，发电并捕集二氧化碳的系统还包括第二膨胀装置106、第一热回收装置107和第一堆栈装置108，第二膨胀装置106、第一热回收装置107和第一堆栈装置108顺次连通，且第二膨胀装置106还与固体氧化物燃料电池102的阴极连通。第二膨胀装置106可以为涡轮机。输送至固体氧化物燃料电池102的阳极的合成气和输送至固体氧化物燃料电池102的阴极的氧化剂发生氧化还原反应时，还会在固体氧化物燃料电池102的阴极生成混合气体(若氧化剂选用空气，则该混合气体中会含有氮气)，该混合气体具有较高的气压，并携带有大量的热量。利用第二膨胀装置106，可以对固体氧化物燃料电池102阴极生成的混合气体进行膨胀处理，降低混合气体的气压，提高对混合气体进行处理的安全性。利用第一热回收装置107可以对膨胀处理后的混合气体进行热量回收，在对混合气体进行热量回收之后，便可以将混合气体输送至第一堆栈装置108中进行排放，通过对混合气体的热量进行回收，可以避免其散发到大气中，形成大量的热量浪费及对应地域的温度升高，提高热量的利用率，降低发电并捕集二氧化碳的系统的成本。

可以理解的是，燃烧器201通常是设在燃煤电厂中的发电设备，其在燃煤发电的过程中所产生的烟道气体除了包括CO

请参阅图2，在至少一个第二净化装置205和熔融碳酸盐燃料电池202之间，还可以连通有预热装置206。通过设置预热装置206，可以在将烟道气体输送至熔融碳酸盐燃料电池202的阴极之前，对烟道气体进行加热处理，使烟道气体的温度能够与熔融碳酸盐燃料电池202内的温度基本相同，这样能够避免将与熔融碳酸盐燃料电池202内的温度相差较大的烟道气体输送至熔融碳酸盐燃料电池202的阴极时，降低熔融碳酸盐燃料电池202内的温度，影响熔融碳酸盐燃料电池202内的反应速率。

需要说明的是，烟道气体和第一废气在熔融碳酸盐燃料电池202中发生反应的过程中，熔融碳酸盐燃料电池202的阴极处会生成气体，该气体携带有大量的热量。在一些实施例中，发电并捕集二氧化碳的系统还包括顺次连通的第二热回收装置207和第二堆栈装置208，其中，第二热回收装置207还和熔融碳酸盐燃料电池202的阴极连通。利用第二热回收装置207可以对该气体进行热量回收，在进行热量回收后，可以将该气体输送至第二堆栈装置208进行排放，通过对气体的热量进行回收，可以避免其散发到大气中造成大量的热量浪费，提高热量的利用率，降低发电并捕集二氧化碳的系统的成本。

值得一提的是，第一热回收装置207和第二热回收装置207可以为一套热回收装置，第一堆栈装置108和第二堆栈装置208可以为一套堆栈装置。

本发明实施例还提供了一种发电并捕集二氧化碳的方法，应用于上述实施例提供的发电并捕集二氧化碳的系统，请参阅图3～图4，该发电并捕集二氧化碳的方法包括：

S1：将第一燃料加入至发电并捕集二氧化碳的系统的气化炉中，得到合成气。

第一燃料包括含有煤、焦炭或半焦等的固体燃料或天然气，以及含有水蒸气和/或氧气的气化剂，上述固体燃料和气化剂在气化炉中发生煤气化反应，得到合成气，该合成气中主要含有可用于燃烧的H

S2：将合成气输送至发电并捕集二氧化碳的系统的固体氧化物燃料电池中进行反应，得到电能和第一废气。

可以理解的是，第一燃料经过煤气化后得到的合成气中，还会包括有含硫化物和颗粒物等物质。

在一些实施例中，在将合成气输送至固体氧化物燃料电池之前，还包括：对合成气进行净化。通过对合成气进行净化，可以去除合成气中的含硫化物和颗粒物等物质，得到较为纯净的合成气，这样能够使合成气中可用于燃烧的组分的体积占比得到提升，进而可以提高合成气在固体氧化物燃料电池中的单程燃料利用率，提高固体氧化物燃料电池的发电效率。其中，单程燃料利用率指的是在单次反应中，发生反应的燃料与所输送的燃料的体积比。

需要说明的是，气化炉中所生成的合成气的气压会大于固体氧化物燃料电池中的气压，这样在将净化后的合成气输送至固体氧化物燃料电池之前，还包括：对净化后的合成气进行膨胀处理，即降低合成气的气压，使合成气的气压与固体氧化物燃料电池中的气压基本相同。通过对净化后的合成气进行膨胀处理，可以避免合成气的气压与固体氧化物燃料电池中的气压相差较大形成安全隐患，并提高固体氧化物燃料电池的使用安全性。

在对合成气依次进行净化和膨胀处理后，可以将合成气输送至固体氧化物燃料电池的阳极，使合成气与输送至固体氧化物燃料电池的阴极的氧化剂(如O

由于固体氧化物燃料电池中，只有部分的合成气会发生反应，即固体氧化物燃料电池的单程燃料利用率低于100％，这样第一废气中不仅包括氧化还原反应生成的CO

需要说明的是，在固体氧化物燃料电池的阴极处会产生混合气体，该混合气体具有较高的气压，并携带有大量的热量。在一些实施例中，在得到第一废气的过程中，还会对固体氧化物燃料电池的阴极处产生的混合气体进行处理，具体处理过程包括：对混合气体进行膨胀处理，以降低混合气体的气压，然后对膨胀处理后的混合气体进行热量回收处理，之后可以对热量回收的混合气体进行堆栈排放。通过对混合气体进行膨胀处理，可以提高对混合气体进行处理的安全性。通过对混合气体的热量进行回收，可以避免造成大量的热量浪费，降低发电并捕集二氧化碳的方法的过程的成本。

S3：将第二燃料加入至发电并捕集二氧化碳的系统的燃烧器，得到电能和烟道气体。

第二燃料包括煤以及氧化剂，煤和氧化剂在燃烧器内燃烧的过程中，产生电能和烟道气体，其中烟道气体主要包括CO

S4：将烟道气体和第一废气输送至发电并捕集二氧化碳的系统的熔融碳酸盐燃料电池中进行反应，得到电能和第二废气。

需要说明的是，煤和氧化剂在经过燃烧发电后生成的烟道气体中，不仅包括CO

在一些实施例中，在将烟道气体输送至熔融碳酸盐燃料电池之前，还包括：对烟道气体进行净化。通过对烟道气体进行净化，可以去除烟道气体中的含硫化物及颗粒物等物质，得到较为纯净的烟道气体，这样能够提高烟道气体在熔融碳酸盐燃料电池中的反应率。

值得一提的是，在将净化后的烟道气体输送至熔融碳酸盐燃料电池之前，还包括：对净化后的烟道气体进行预热。通过对烟道气体进行预热处理，可以将烟道气体的温度加热至与熔融碳酸盐燃料电池基本相同的温度，这样能够避免将净化后的烟道气体输送至熔融碳酸盐燃料电池时，降低熔融碳酸盐燃料电池内的温度，进而避免影响熔融碳酸盐燃料电池内的反应速率。

需要说明的是，在将烟道气体和第一废气输送至熔融碳酸盐燃料电池时，可以将烟道气体输送至熔融碳酸盐燃料电池的阴极，将第一废气输送到熔融碳酸盐燃料电池的阳极。在将烟道气体输送至熔融碳酸盐燃料电池的阴极的同时，还会在熔融碳酸盐燃料电池的阴极输送氧化剂。将烟道气体、氧化剂和第一废气分别输送至熔融碳酸盐燃料电池对应位置处后，熔融碳酸盐燃料电池中发生反应的过程如下所示：

熔融碳酸盐燃料电池的阴极的反应：2CO

熔融碳酸盐燃料电池的阳极的反应：H

烟道气体中的CO

可以理解的是，在第一废气中所含有的H

在一些实施例中，在将第一废气输送至熔融碳酸盐燃料电池之前，还包括：对第一废气进行冷凝，去除第一废气中的H

S5：将第二废气输送至发电并捕集二氧化碳的系统的压缩纯化装置，对第二废气中的二氧化碳进行压缩、纯化及捕集。

根据上述熔融碳酸盐燃料电池中的反应过程可知，第二废气中还包括有H

在对第二废气进行冷凝后，可以将去除H

需要说明的是，在熔融碳酸盐燃料电池的阴极处还会产生气体，该气体携带有大量的热量。在一些实施例中，在对第二废气进行处理的过程中，还会对固体氧化物燃料电池的阴极处产生的气体进行处理，具体处理过程包括：对该气体进行热量回收处理，之后可以对热量回收的混合气体进行堆栈排放。通过对气体的热量进行回收，可以避免造成大量的热量浪费，提高热量的利用率。

标号“S1”“S2”“S3”“S4”“S5”仅用于描述，而不能理解为对发电并捕集二氧化碳的方法实施步骤的顺序的限制。

可以理解的是，当固体氧化物燃料电池中的单程燃料利用率较高时，即输送至固体氧化物燃料电池的合成气中较大部分的合成气可进行反应，使固体氧化物燃料电池具有较高的发电效率。但这样也会使合成气中未进行反应的合成气的体积比较小，使第一废气中所包含的未反应的合成气的体积比较小，进而使可用于与CO

在一些实施例中，可以对固体氧化物燃料电池中的单程燃料利用率进行设置(例如可以根据固体氧化物燃料电池的VI性能曲线以及控制输送至固体氧化物燃料电池的合成气的流量来实现对固体氧化物燃料电池中的单程燃料利用率的设置)，以使固体氧化物燃料电池能够具有较高的发电效率，同时还使熔融碳酸盐燃料电池具有较高的反应效率。可选的，在将净化后的合成气输送至固体氧化物燃料电池中后，净化后的合成气中发生反应的气体的体积占全部气体的体积的比例为50％～70％，即在固体氧化物燃料电池中的单次反应过程中，每输送100体积份数的净化后的合成气，可以有50～70体积份数的净化后的合成气进行反应，产生电能和第一废气，其中该第一废气中包括未进行反应的30～50体积份数的合成气。第一废气中未进行反应的合成气中的H

在另一些实施例中，固体氧化物燃料电池中得到的电能和熔融碳酸盐燃料电池中得到的电能之比为2:5～4:5。通过设置固体氧化物燃料电池中得到的电能和熔融碳酸盐燃料电池中得到的电能之比，即设置输送至固体氧化物燃料电池中的合成气用于产生电能的体积和输送至熔融碳酸盐燃料电池中的烟道气体用于产生电能的体积之比，并结合固体氧化物燃料电池中发生反应的合成气与全部合成气的体积之比，可以分别控制输送至固体氧化物燃料电池中的合成气的体积以及输送至熔融碳酸盐燃料电池中的烟道气体的体积，使两者相匹配，进而还可以控制分别输送至气化炉的第一燃料和输送至燃烧器的第二燃料的质量比，这样可以更为优化的调控固体氧化物燃料电池和熔融碳酸盐燃料电池中的反应，平衡整体系统的发电效率和CO

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。