CO_2近零排放固体氧化物燃料电池冷热电联供系统的性能分析

为了提高SOFC联供系统的综合利用效率和降低CO_2捕集能耗,提出一种基于SOFC循环的CO_2近零排放冷热电联供系统。建立了系统数学模型,给出了设计工况下各点的热力参数值,分析了燃料利用率、空燃比、燃料电池入口温度与工作压力变化对系统性能的影响。结果显示,在设计工况下,SOFC发电效率、联供系统净发电效率和一次能源利用率分别为51.59%、53.84%和72.01%,与没有CO_2捕集的联供系统相比,净发电量降低了3.66%,一次能源利用率降低了2.05%。变参数研究结果显示,随着工作压力的增加,SOFC的发电效率增大,而系统净发电效率和一次能源利用率减小;另外,增加空燃比会降低SOFC发电效率、系统净发电效率和一次能源利用率,所以在保证SOFC在正常工作情况下应选择较小的空燃比。在燃料利用率和阴极入口温度变化中,SOFC的输出功率和输出电压先增加后减少,而阳极入口温度变化对SOFC性能影响较小。     

我国电站燃煤锅炉CO_2排放状况及减排措施

我国燃煤发电的CO2年排放量逐年增加,同时CO2年减排量也逐年提高,因此CO2排放强度逐年降低。统计表明,1949～2010年我国燃煤发电累计CO2排放量约397.79亿t,CO2减排量约6.437亿t,占CO2排放量的1.62%。目前,燃煤发电CO2排放强度已由原来的3 301g/(kW.h)降到973g/(kW.h),下降了70.52%;对应GDP产值的CO2排放强度从8.091t/万元降到0.835t/万元,下降了89.68%。建议推行发电企业竞价上网,进一步降低CO2排放强度。     

供能方式对钙基吸收剂循环煅烧/碳酸化法捕集CO2热力性能的影响

控制和减缓化石能源燃烧所排放的 CO2对于缓解全球气候变暖具有重要意义。以某超超临界1000 MW火力发电机组为例,建立了钙基吸收剂循环煅烧/碳酸化法捕集CO2的系统流程,基于Aspen Plus软件得到了系统的热力性能,分析了太阳能集热和煤富氧燃烧驱动 CaCO3煅烧反应对系统热力性能的影响。结果表明,与煤富氧燃烧方案相比,太阳能集热方案增加了发电功率,发电标准煤耗率降低1/3,但其发电热效率降低3.8个百分点;太阳能集热方案的等效太阳能热发电效率为28.36%,高于塔式太阳能热发电的峰值效率;提升太阳能集热方案性能的关键是提高集热器场的能量利用效率ηsol-avi,当ηsol-avi高于75%时,太阳能集热方案比煤富氧燃烧方案发电热效率高。所得结论为低能耗减排CO2、高效利用太阳能提供了新途径。     

GE能源集团帮助中国煤炭行业达成减少温室气体目标

作为中国努力减少其煤矿中富含甲烷的温室气体排放的重要举措,川煤集团正在安装两台绿色创想认证的GE能源集团颜巴赫燃气内燃机,充分利用煤层气发电供煤矿开采使用。     

CO2零排放的SOFC复合动力系统分析

基于Aspen-Plus软件建立了SOFC电池堆的模型,设计了不回收CO2的SOFC复合动力系统,针对系统特点,提出了CO2零排放的SOFC复合动力系统,对这两种系统的性能进行了详细的比较和分析。CO2零排放系统利用纯氧燃烧方式得到的燃烧产物只有CO2和水蒸气,通过冷凝得到高浓度的CO2。与带CO2脱除的常规电厂相比,极大地降低了回收CO2的能耗。通过对主要参数(燃料利用率、蒸汽/碳比、运行压力等)进行优化,详细分析了各主要参数对系统性能的影响。本文研究成果将为进一步研究高效的CO2零排放SOFC复合动力系统提供有益的参考。     

SNCR脱硝及添加CO对其特性的影响

在管式炉上模拟烟气气氛下实验研究了650~950℃范围内选择性非催化还原(SNCR)技术的脱硝特性及添加CO对其脱硝特性的影响,分析了相关反应机理。结果表明:不添加CO时,SNCR最佳脱硝温度为900℃;反应器尾部N_2O和NO_2排放质量浓度均随反应温度的增加,先增大后减小,在850℃时N_2O和NO_2排放质量浓度达到峰值,高温可降低氨逃逸量;反应温度低于700℃,增大氨氮摩尔比对脱硝效率、N_2O与NO_2排放质量浓度没有影响,而氨逃逸显著增大;反应温度高于800℃,增大氨氮摩尔比,脱硝效率与N_2O排放质量浓度均增大,而NO_2排放质量浓度减小。添加微量CO时,最佳脱硝效率略有增大,最佳脱硝温度、脱硝温度窗口及氨逃逸曲线向低温移动,脱硝温度窗口的下限降低至750℃;N_2O排放温度范围变宽且峰值增大,NO_2排放质量浓度接近于零。增加CO添加量易引起低温下反应器尾部CO逃逸量的增大,应尽量减少CO的添加量。实际应用中,可通过加入微量的CO降低SNCR脱硝温度,减少NO2排放质量浓度及低温时的氨逃逸量等。     

设置富氨蒸气回热器的固体氧化物燃料电池/燃气轮机/卡琳娜联合循环系统的热力性能分析

提出了一种新的SOFC/GT/KCS联合循环发电系统,建立了该系统热力性能的数学模型,根据热力学第一定律和第二定律,利用EES软件仿真模拟对系统进行了能量分析、憥分析,并研究了空气流率、燃料利用率、燃料流率、压气机压比、水蒸气碳比的变化对联合循环热力性能的影响。研究结果表明,在设定工况下,SOFC的发电效率为49.2%,系统总发电效率为67.6%,系统总火用效率为68.16%;系统的各部件中,火用损失较大的部件依次为SOFC、后燃烧室、燃气轮机、预热器3和余热锅炉;当燃料利用率为0.85时联合循环系统的性能最佳;在一定范围内,随着空气流率、燃料流率或水蒸汽碳比的增加,联合循环系统的能量利用效率均降低。     

填料塔中氨水脱除模拟烟气中CO2的实验研究

为缩减燃煤电厂 CO2的排放量,利用氨水在填料塔内喷淋吸收模拟烟气中的 CO2,完成了对 CO2连续脱除的实验研究。分别研究氨水浓度、CO2体积浓度、模拟烟气温度、吸收液pH值、进气口气体流量等因素对CO2脱除效率的影响。实验结果表明： CO2脱除效率随氨水浓度的增大而增大;随 CO2体积浓度的增大而减小;随吸收液pH的减小,CO2脱除效率不断降低;当模拟烟气温度从35~40℃时CO2脱除率逐渐升高,从40~45℃反而降低;进气口气体流量越大,CO2脱除效率越低。与喷淋塔相比,填料塔更能提高脱除效率。     

微型湿空气透平循环性能实验研究

湿空气透平循环是新型动力循环的重要发展方向之一。基于某微型燃气轮机,构建微型湿空气透平(humid airturbine,HAT)循环原型实验系统,研究了满负荷和部分负荷下HAT循环的热力性能和NOx排放性能,分析后冷器对循环性能的影响。结果表明,相比回热循环微燃机,满负荷时微型HAT循环发电功率提高约23%,发电效率提高约18%,且随负荷降低,发电效率的相对增加值提高;各负荷下微型HAT循环NOx排放降低30%以上。同时实验还证实对于微型HAT循环,有、无后冷器时循环热力性能相当。     

O_2/CO_2与O_2/N_2气氛下煤粉燃烧NO排放特性试验研究

针对电厂混煤掺烧实际情况,在沉降炉上,对单煤及其混煤燃烧NO排放特性进行研究,分析过量空气系数a、CO_2质量浓度、燃料比FC/V以及温度对NO排放特性的影响。结果表明:随着a由0.8增至1.4,实验所选煤种NO的排放质量浓度均逐渐升高,CO的排放质量浓度均逐渐降低,且烟气中CO的质量浓度越高,NO的排放质量浓度就越低,煤粉混烧可以改善污染物排放特性;O_2/CO_2下,NO排放质量浓度低于O_2/N_2下NO排放质量浓度,其降低量约为30%~40%;随着CO_2质量浓度由20%增至50%,实验所选煤种NO排放质量浓度均逐渐降低,CO的排放质量浓度均逐渐升高,其变化幅度均不大;随着温度的升高,O_2/CO_2、O_2/N_2下NO排放质量浓度均增高,相同温度、煤种下,O_2/N_2下NO排放质量浓度高于O_2/CO_2下NO排放质量浓度,不同气氛、不同升温段,NO排放质量浓度曲线斜率变化不同;在低、高温下,随FC/V的增大,NO排放质量浓度变化趋势不同;高温下,燃料含氮量越高,则NO排放质量浓度也越高,但转化率下降。     

一种新型化学链制氢与SOFC集成的能量系统

提出了一种化学链制氢(chemical looping hydr-ogen,CLH)与固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel,SOFC)相结合的新型发电系统,并利用?分析法研究了该新型发电循环。在该系统中,氢气由化学链制氢子系统产生,循环材料是FeO和Fe3O4。固体氧化物燃料电池的余热在化学链制氢子系统中被利用,并通过化学链中的还原反应转化为化学能。在?平衡的基础上进行了系统关键参数的分析,并对化学链关键过程进行了研究。同时,由于化学链可以实现CO2无能耗的分离,新系统可以在分离二氧化碳的条件下实现净效率61.2%。?分析法表明,新系统获得高性能的主要原因是废热的梯级利用和高效制氢。结果表明,这种新型的热循环是实现甲烷化学能高效利用同时实现低能耗分离CO2的有效途径。     

O2/CO2气氛下燃煤SO2排放特性的实验研究

在沉降炉实验台上通过在线烟气分析仪考查了燃煤烟气的组成以及燃烧气氛、CO2浓度、温度和燃料/氧气化学当量比对SO2的排放规律。结果表明,相同操作条件下O2/CO2燃烧可获得高达80%左右的CO2浓度,但烟气中CO含量明显高于O2/N2气氛下燃烧时的情况。高浓度CO2的存在使得SO2的排放较常规燃烧方式下有所降低,并且随着气氛中CO2浓度的增加呈递减趋势,但随着燃烧温度的升高,煤粉燃尽程度的增加以及其余含硫物相向SO2的转化使得其排放浓度逐步增加。在2种气氛下,SO2的释放浓度在贫燃料区随燃料/氧气化学当量比f的增加而增加,而在f大于1.2的富燃料区随燃料/氧气化学当量比的增加而降低。     

O2/CO2气氛下燃煤NO排放特性的实验研究

在沉降炉上通过在线烟气分析仪研究了燃烧气氛、CO2浓度、温度及燃料/氧气化学当量比对O2/CO2气氛下燃煤NO排放的影响规律。结果表明,O2/CO2气氛下NO的排放浓度总小于O2/N2气氛下的情况,在无烟气再循环的情况下降幅约为20%~40%。2种气氛下NO的沿程析出均表现出类似的规律,但因煤质而有所不同。随着进气中CO2浓度的增加,NO的排放浓度呈现降低的趋势。与21%O2/ 79%Ar气氛下相比,21%O2/79%CO2气氛下NO排放浓度的降幅在30%~50%。随着温度的增加,2种气氛下NO的排放浓度均增加。随着燃料/氧气化学当量比(f)的增加,NO排放浓度呈现出先增加后降低的趋势,其最大排放浓度均出现在f=0.8左右;在f远大于1的富燃料区,2种气氛下NO的排放浓度基本可以降到一致的水平。     

混合能源直流微电网能源优化管控策略研究

混合能源直流微电网在快速跟踪负载方面具有较大优势,弥补了固体氧化物燃料电池(solidoxidefuelcell,SOFC)直流微电网功率跟踪缓慢的问题。现有能源管控策略重点关注能源分配,对系统效率、运行安全性和燃料亏空方面缺乏相关研究和成熟策略。为此,提出了一种混合能源直流微型电网能源优化管控策略。首先,搭建了混合SOFC直流微电网模型。其次,采用最优操作点(optimal operating points, OOPs)实现最大效率,然后采用平均电流控制模式保证稳定的电力供应。最后,设计了基于SOFC电流的时滞控制算法来避免燃料亏空。实验结果表明,所提出的能源优化管控策略具有时间响应迅速、输出效率高和热特性良好等优势。     

固体氧化物燃料电池的效率分析

固体氧化物燃料电池(SOFC)具有很高的理论能量转换效率,但是目前报道的实际SOFC单体性能远不能达到理论转换效率。从热力学理论及实验数据出发解释了SOFC单体性能远不能达到理论效率的原因,针对电压效率、电流效率和燃料利用率分别提出了相应的改进方法,为SOFC的进一步发展提供理论依据。其中温度对电压效率、电流效率和燃料利用率有重要的影响,提高温度可以提高这三者的值,但是提高温度将降低SOFC的热力学理论效率。     

Hybrid fuel-cell strategies for clean power generation

A hybrid power system consists of a combination of two or more power generation technologies to make best use of their operating characteristics and to obtain efficiencies higher than that could be obtained from a single power source. Since fuel cells directly convert fuel and an oxidant into electricity through an electrochemical process, they produce very low emissions and have higher operating efficiencies. Hence, combining fuel cells with other sources, the efficiency of the combined system can be further increased or extend the duration of the available power to the load as a backup power. In this paper, different types of fuel-cell hybrid systems and their applications are presented. An analysis of the combined cycle operation of a solid oxide fuel cell (SOFC)-microturbine is presented. A strategy for combining the thermophotovoltaic power generation unit and SOFC to obtain the hybrid power system that would have higher efficiency is proposed. The hybrid operation of wind power and solar power system with proton exchange membrane fuel cell is also presented.     

Performance evaluation of SOFC systems using electrochemical partial oxidation of methane

We simulated the performance of systems using a solid oxide fuel cell (SOFC) stack which generates electricity by electrochemical partial oxidation of methane and a conventional steam‐reforming‐type SOFC (SRSOFC) stack. The net thermal efficiency in an atmospheric partial‐oxidation‐type SOFC (POSOFC)‐SRSOFC system was 8% higher than that in an atmospheric SRSOFC system at system outputs of 35 kW or more. The net thermal efficiency of a pressurized POSOFC‐SRSOFC‐gas turbine (GT) system was slightly higher than that of a pressurized SRSOFC‐GT system. © 2004 Wiley Periodicals, Inc. Electr Eng Jpn, 147(4): 11–19, 2004; Published online in Wiley InterScience ( www.interscience.wiley.com ). DOI 10.1002/eej.10314     

对一种利用液化天然气冷能实现零排放的能量系统的评估

该文对一种利用液化天然气（LNG）冷能实现有害气体零排放的能量系统进行了分析。该能量系统由利用LNG冷能的空气分离系统和动力系统两个部分组成。在空气分离系统中，利用LNG冷能作为补充冷量进行空气分离，可以使生产液氧的耗能降低60％-73．5％左右，同时使LNG汽化为天然气（NG）。在动力系统中，NG为燃料，氧气代替空气作为氧化剂。在整个能量系统中，燃烧产物仅仅为二氧化碳和水，其中二氧化碳气体可以通过液氧的冷能进行液化加以回收，从而实现能量系统有害气体的零排放。分析表明，该系统的效率约为37％，低于普通能量系统的效率，但是比同类的不采用LNG冷能的零排放系统的效率高一倍。     

Combined carbon‐dioxide‐capturing high‐performance power generation system using a solid oxide fuel cell operating on pressurized fuel/air

The authors recently proposed a high‐performance combined carbon‐dioxide‐capturing power generation system using a solid oxide fuel cell (SOFC) and a closed‐cycle MHD generator, in which pure oxygen is used as the oxidant. This combined system makes the best use of the advantages of combustion with pure oxygen but fails to prevent the efficiency deterioration caused by high power demand for oxygen production. In the present study, the authors modified this previous system and proposed an improved combined carbon‐dioxide‐capturing power generation system using SOFC/MHD characterized by a higher overall thermal efficiency. In this system, pure oxygen is supplied only to the combustor to reduce the power required for the oxygen production, and pressurized air is used as the oxidant gas in the SOFC. The power saving amounts to about 5% of the thermal input, resulting in a very high total thermal efficiency of 67.53% (HHV) or 74.94% (LHV), which is considered to be the highest possible value of the overall thermal efficiency of carbon‐dioxide‐capturing systems. Advantages of the proposed system suggest that it is advisable to continue further research in this direction. © 2004 Wiley Periodicals, Inc. Electr Eng Jpn, 149(4): 21–30, 2004; Published online in Wiley InterScience ( www.interscience.wiley.com ). DOI 10.1002/eej.20010