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主办单位:煤炭科学研究总院出版传媒集团、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

基于固体氧化物燃料电池的煤层气发电关键运行参数确定

2020-09-16

  发电是煤层气的主要利用方式之一。相比内燃机发电,固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell,SOFC),是一种电化学发电装置,具有燃料适应性广、发电效率高、模块化组装、高温余热利用、活动部件少、全固态运行等优势。作为一种分布式发电技术,SOFC 尤其适合煤层气单井产量较低的气源特点。

  

  尽管煤层气SOFC 发电已有较多研究,但在发电系统层面的研究仍不多见。适应煤层气发电的SOFC 系统流程、关键运行参数的选取等信息仍比较缺乏,存在研究上的空白。

  

  中国石油勘探开发研究院新能源研究所赵永明博士等在化工流程模拟软件Aspen Plus 环境中,构建了以煤层气为燃料的SOFC 发电系统流程,研究了30%和91%煤层气浓度下水碳比、电流密度、空气预热温度等参数对系统性能的影响。

  

  SOFC 系统流程模型

  

  整个系统大致可分为:燃料与空气供应子系统,包括燃料压缩机、空气压缩机、空气预热器等;燃料预处理子系统,包括混合器、重整器;燃料电池系统,包括SOFC 电堆;尾气处理系统,包括后燃器、尾气余热换热器等。

  

  研究发现:

  

  1.低浓度煤层气,有利于抑制重整器的积碳产生,可采用更低的水碳比。低浓度的煤层气,会导致SOFC 的发电效率、功率密度、放电电压等较大幅度的降低。使用低浓度煤层气时,应适当降低SOFC 的电流密度,以减小各项电化学损失。

  

  2. 使用30%浓度煤层气时,SOFC 系统运行于水碳比1.0,电流密度0.16 A/cm2,净效率为38.7%,与燃气内燃机的效率接近;使用91%浓度煤层气时,SOFC 系统运行于水碳比2.0,电流密度0.26 A/cm2,发电效率53.2%,比燃气内燃机高13.4 个百分点,效率优势突出。当煤层气浓度大于约30%时,SOFC 相比燃气内燃机才具有效率优势;随着煤层气浓度的提高,SOFC 的发电效率优势将逐步扩大。

  

  3. 在排放方面,使用30%浓度煤层气时,SOFC 系统的CO2 排放量与燃气内燃机接近;使用91%浓度煤层气时,可使CO2 的排放量相比燃气内燃机降低23%。受引入大量冷却空气的影响,SOFC 系统的NOx排放是燃气内燃机的2 倍。


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  责任编辑:宫在芹
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