Интегрированный цикл газификации топливных элементов

Типы топливных элементов с более низкой температурой, такие как топливный элемент с протонообменной мембраной , топливный элемент с фосфорной кислотой и щелочной топливный элемент , требуют в качестве топлива чистого водорода , обычно получаемого в результате внешнего риформинга природного газа . Однако топливные элементы, работающие при высокой температуре, такие как твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ), не отравляются окисью углерода и диоксидом углерода и фактически могут принимать смеси водорода, оксида углерода, диоксида углерода, пара и метана непосредственно в качестве топлива. из-за их внутренних изменений и способностей к реформированию. ^[1] Это открывает возможность создания эффективных энергетических циклов на основе топливных элементов, потребляющих твердое топливо, такое как уголь и биомасса , в результате газификации которого получается синтез-газ, содержащий в основном водород, окись углерода и метан, который можно очищать и подавать непосредственно в ТОТЭ без добавления стоимость и сложность операций риформинга метана, конверсии водяного газа и отделения водорода, которые в противном случае были бы необходимы для выделения чистого водорода в качестве топлива.Энергетический цикл, основанный на газификации твердого топлива и ТОТЭ, называется циклом интегрированной газификации топливных элементов (IGFC); Электростанция IGFC аналогична с комбинированным циклом с интегрированной газификацией электростанции , но в ней газотурбинный энергоблок заменен энергоблоком на топливных элементах (высокотемпературного типа, например, ТОТЭ). ^[2] Используя преимущества высокой энергоэффективности ТОТЭ и интеграции процессов, можно добиться исключительно высокой эффективности электростанции. Кроме того, ТОТЭ в цикле IGFC могут работать таким образом, чтобы изолировать анодный поток выхлопных газов, богатый диоксидом углерода, что позволяет эффективно улавливать углерод и решать выбросов парниковых газов проблемы при производстве электроэнергии на основе угля .

Конфигурация процесса

Система IGFC сочетает использование ТОТЭ в качестве верхнего цикла с нижним циклом на базе газовой турбины или парогенератора-утилизатора. Типичные основные компоненты системы IGFC, в основе которых лежит модуль ТОТЭ, работающий при атмосферном давлении, обозначены на упрощенной диаграмме цикла.

Топливом системы, как показано на рисунке, является уголь, перерабатываемый в газификаторе в синтез-газ, который затем подается в модуль ТОТЭ после очистки и снижения давления. В этой концепции системы этап снижения давления синтез-газа осуществляется с помощью детандера/генератора , который, таким образом, производит часть общей выработки электроэнергии в цикле. Кислород для процесса газификации угля обеспечивается обычной установкой разделения воздуха , а пар для газификатора поднимается за счет тепла энергосистемы и оборотной воды. Обратите внимание, что модуль ТОТЭ сконфигурирован для разделения потоков анодных и катодных отходящих газов, а анодные отходящие газы, которые содержат некоторое количество электрохимически непрореагировавшего водорода и монооксида углерода, полностью сжигаются в кислородной камере сгорания . Поддержание разделения потоков отходящих газов ограничивает большое содержание атмосферного азота на катодной стороне и упрощает процесс улавливания CO ₂ за счет анодного охлаждения отходящих газов, конденсации водяного пара, осушки CO ₂ и сжатия CO ₂ . Сжатый CO ₂ подходит для использование или хранение углерода (CUS) в зависимости от ситуации. Тепло, рекуперированное при анодном процессе, может быть использовано в энергетическом нижнем цикле, состоящем из парогенератора-утилизатора и паровой турбины. Со стороны катода технологический воздух для электрохимического процесса ТОТЭ и охлаждения модуля подается воздуходувкой; тепло может быть рекуперировано из потока отходящих газов с горячим катодом для предварительного нагрева технологического воздуха по мере необходимости, а также для выработки дополнительной энергии.Благодаря эффективному по своей сути ТОТЭ и использованию рекуперированного тепла выхлопных газов ТОТЭ для выработки дополнительной электроэнергии, система IGFC способна работать с высоким электрическим КПД, который значительно превышает КПД, связанный с обычными пылевидными угольными и интегрированными энергетическими системами с комбинированным циклом газификации. Уровень эффективности IGFC, который считается достижимым на основе сравнительных исследований передовых энергосистем Национальной лабораторией энергетических технологий Министерства энергетики США, показан в таблице, представленной в последующем обсуждении.

Повышение эффективности цикла IGFC возможно за счет работы ТОТЭ под давлением, как показано на схеме IGFC с циклом ТОТЭ под давлением. Этот процесс в основном аналогичен циклу атмосферного давления, но он будет запускать модуль ТОТЭ при повышенном давлении, обеспечивая повышение напряжения ТОТЭ, и заменяет нагнетатель технологического воздуха на катодной стороне воздушным компрессором. Кроме того, в потоке катодных отходящих газов будет установлен детандер/генератор для снижения давления газа и выработки дополнительной энергии (это имеет тенденцию к падению температуры газов настолько, что выработка пара для запуска паровой турбины не является жизнеспособным вариантом). . По желанию, расширительная/генераторная установка также может быть размещена в потоке анодных отходящих газов, сразу после кислородной камеры сгорания и перед рекуперацией тепла отходящих газов.

Варианты газификации для IGFC

На рынке имеется несколько типов газификаторов твердого топлива 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, который обычно называют эффективностью холодного газа. ^[3] Газификаторы также различаются по основным рабочим параметрам – например, температуре процесса, давлению и потреблению кислорода и пара. Для энергетических систем, основанных на интеграции технологий газификации угля и ТОТЭ, эти параметры, особенно эффективность холодного газа и потребность 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 к приложениям энергетических систем на топливных элементах, поскольку они относительно хорошо разработаны и используются в современных конструкциях и приложениях энергетических систем с комбинированным циклом интегрированной газификации. Газификация вовлеченного потока обычно протекает при относительно высоких температурах процесса, требует ввода кислорода с относительно высокими скоростями, ввода пара с низкими или умеренными скоростями и приводит к получению синтез-газа с очень небольшим содержанием метана, обычно менее 1% (об.). Эффективность холодного газа для газификации увлеченного потока 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%, а поток продуктов 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 базе ТОТЭ 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 традиционной 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 монооксиду углерода. . ^[7] Учитывая более низкую рабочую температуру, для каталитической газификации прогнозируется относительно высокий КПД холодного газа, составляющий не менее 90%, и эта характеристика, а также технологическая потребность в меньшем вводе кислорода будут напрямую поддерживать высокоэффективную работу энергосистемы IGFC. Кроме того, внутреннее преобразование значительного содержания метана в синтез-газе внутри модуля ТОТЭ может быть использовано в конструкции для облегчения охлаждения модуля и, таким образом, может привести к снижению паразитной потребности в энергии, связанной с подачей охлаждающего воздуха.Модуль электрогенератора ТОТЭ в системе IGFC предположительно может работать на синтетическом газе, поставляемом любым из доступных традиционных газификаторов угля, и исследования показывают, что электрическая эффективность энергосистемы в диапазоне 45-50% достижима, в зависимости от того, является ли энергосистема использует модули ТОТЭ под атмосферным давлением или под давлением. Однако, в частности, с точки зрения эффективности, предпочтительным подходом к газификации угля является каталитический. При использовании этой технологии прогнозируется эффективность системы IGFC в диапазоне 56-60%, опять же в зависимости от герметизации модуля ТОТЭ. Оценки и сравнения приведены в таблице ниже.

Оценка и сравнение эффективности энергосистемы IGFC
Тип энергосистемы	Оценка эффективности (полезная мощность/уголь HHV) †
пылевидный уголь	28 ^[8]
ИГКС	33 ^[8]
IGFC, традиционная газификация угля
ТОТЭ атмосферного давления	47 ^[2]
ТОТЭ под давлением	50 ^[2]
IGFC, Каталитическая газификация угля
ТОТЭ атмосферного давления	56 ^[2]
ТОТЭ под давлением	60 ^[2]

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

Помимо высокой эффективности энергосистемы, исследования ^[2]^[9] также прогнозируют значительные капитальные затраты на электростанцию системы IGFC, стоимость электроэнергии и преимущества чистого использования воды: электроэнергетические системы IGFC, объединяющие каталитическую газификацию угля с конструкциями модулей ТОТЭ, которые разделяют потоки анодных и катодных отходящих газов и оснащены охлаждением ТОТЭ, усиленным риформингом метана. , будет работать экологически чисто, с очень высоким электрическим КПД, обеспечивая при этом высокий уровень улавливания углерода и требуя низкого чистого потребления воды.

Улавливание углекислого газа в циклах IGFC

Конструкция ТОТЭ и конфигурация процесса IGFC могут значительно упростить улавливание углекислого газа , ^[10] который будет все больше требоваться для снижения выбросов парниковых газов в большинстве процессов использования ископаемого топлива. При обычном сжигании топливо сгорает на воздухе, в результате чего образуются выхлопные газы, содержащие большое количество азота, из которого улавливание потока чистого 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 чего эффективен улавливание чистого потока углекислого газа. Однако в первую очередь возникают большие затраты энергии на разделение воздуха, необходимое для изоляции потока кислорода. Напротив, для функционирования ТОТЭ не требуется ни неэффективного улавливания углерода из выхлопных газов, ни разделения воздуха: единственным необходимым взаимодействием потоков реагентов анода и катода является перенос кислорода со стороны катода (воздух) на сторону анода (топливо). Весь углерод, за исключением незначительного количества атмосферного воздуха, поступающего на катод, попадет в модуль с топливом со стороны анода и должен выйти из анода в виде углекислого газа и угарного газа. Благодаря разработке модуля ТОТЭ для разделения потоков анодных и катодных отходящих газов можно избежать разбавления этого богатого углеродом потока атмосферным азотом со стороны катода, что обеспечивает простое и недорогое разделение и улавливание диоксида углерода на выходе.

См. также

Ссылки

^ Гидди, С.; Бадвал, СПС; Кулкарни, А.; Маннингс, К. (июнь 2012 г.). «Всесторонний обзор технологии топливных элементов с прямым углеродом». Прогресс в области энергетики и науки о горении . 38 (3): 360–399. дои : 10.1016/j.pecs.2012.01.003 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж «Анализ конфигураций установок топливных элементов с комплексной газификацией, DOE/NETL-2011/1482» (PDF) . Национальная лаборатория энергетических технологий. Февраль 2011 года . Проверено 25 августа 2014 г.
^ Хигман, Кристофер; ван дер Бургт, Маартен (2008). Газификация (Второе изд.). Эльзевир, Инк. стр. 28–30 . ISBN 978-0-7506-8528-3 .
^ «Коммерческие газификаторы-типы газификаторов» . Газипедия . Национальная лаборатория энергетических технологий Министерства энергетики США . Проверено 25 августа 2014 г.
^ «Газификаторы с фиксированным (подвижным) слоем – сухозольный газификатор Lurgi» . Газипедия . Национальная лаборатория энергетических технологий Министерства энергетики США . Проверено 25 августа 2014 г.
^ «Промышленные газификаторы-газификаторы с кипящим слоем» . Газипедия . Национальная лаборатория энергетических технологий Министерства энергетики США . Проверено 25 августа 2014 г.
^ «Газификаторы и технологии газификации для специальных применений и альтернативного сырья — каталитическая газификация» . Газипедия . Национальная лаборатория энергетических технологий Министерства энергетики США . Проверено 25 августа 2014 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б «Базовый план затрат и производительности для электростанций, работающих на ископаемом топливе - Том 1, использование каменного угля и природного газа для производства электроэнергии, DOE/NETL-2010/1397» (PDF) . Национальная лаборатория энергетических технологий. Ноябрь 2010 года . Проверено 25 августа 2014 г.
^ Ланцини, Андреа; Крейц, Томас Г.; Мартелли, Эмануэле (11–15 июня 2012 г.). Технико-экономический анализ электростанций на топливных элементах с комплексной газификацией, улавливающих CO ₂ (PDF) . Материалы ASME Turbo Expo 2012. С. 337–347. дои : 10.1115/GT2012-69579 . ISBN 978-0-7918-4469-4 . Архивировано из оригинала (PDF) 14 мая 2014 г. Проверено 25 августа 2014 г.
^ Спаллина, Винченцо; Романо, Маттео К.; Кампанари, Стефано; Лозза, Джованни (24 марта 2011 г.). «Цикл интегрированной газификации топливных элементов на основе ТОТЭ с улавливанием CO ₂ » . Журнал техники газовых турбин и энергетики . 133 (7). дои : 10.1115/1.4002176 . Проверено 25 августа 2014 г.

Внешние ссылки

[1] Гидди, С.; Бадвал, СПС; Кулкарни, А.; Маннингс, К. (июнь 2012 г.). «Всесторонний обзор технологии топливных элементов с прямым углеродом». Прогресс в области энергетики и науки о горении . 38 (3): 360–399. дои : 10.1016/j.pecs.2012.01.003 .

[BAH-2] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж «Анализ конфигураций установок топливных элементов с комплексной газификацией, DOE/NETL-2011/1482» (PDF) . Национальная лаборатория энергетических технологий. Февраль 2011 года . Проверено 25 августа 2014 г.

[3] Хигман, Кристофер; ван дер Бургт, Маартен (2008). Газификация (Второе изд.). Эльзевир, Инк. стр. 28–30 . ISBN 978-0-7506-8528-3 .

[4] «Коммерческие газификаторы-типы газификаторов» . Газипедия . Национальная лаборатория энергетических технологий Министерства энергетики США . Проверено 25 августа 2014 г.

[5] «Газификаторы с фиксированным (подвижным) слоем – сухозольный газификатор Lurgi» . Газипедия . Национальная лаборатория энергетических технологий Министерства энергетики США . Проверено 25 августа 2014 г.

[6] «Промышленные газификаторы-газификаторы с кипящим слоем» . Газипедия . Национальная лаборатория энергетических технологий Министерства энергетики США . Проверено 25 августа 2014 г.

[7] «Газификаторы и технологии газификации для специальных применений и альтернативного сырья — каталитическая газификация» . Газипедия . Национальная лаборатория энергетических технологий Министерства энергетики США . Проверено 25 августа 2014 г.

[BituminousBaseline-8] Перейти обратно: ^а ^б «Базовый план затрат и производительности для электростанций, работающих на ископаемом топливе - Том 1, использование каменного угля и природного газа для производства электроэнергии, DOE/NETL-2010/1397» (PDF) . Национальная лаборатория энергетических технологий. Ноябрь 2010 года . Проверено 25 августа 2014 г.

[9] Ланцини, Андреа; Крейц, Томас Г.; Мартелли, Эмануэле (11–15 июня 2012 г.). Технико-экономический анализ электростанций на топливных элементах с комплексной газификацией, улавливающих CO ₂ (PDF) . Материалы ASME Turbo Expo 2012. С. 337–347. дои : 10.1115/GT2012-69579 . ISBN 978-0-7918-4469-4 . Архивировано из оригинала (PDF) 14 мая 2014 г. Проверено 25 августа 2014 г.

[10] Спаллина, Винченцо; Романо, Маттео К.; Кампанари, Стефано; Лозза, Джованни (24 марта 2011 г.). «Цикл интегрированной газификации топливных элементов на основе ТОТЭ с улавливанием CO ₂ » . Журнал техники газовых турбин и энергетики . 133 (7). дои : 10.1115/1.4002176 . Проверено 25 августа 2014 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]