CO近零排放的煤气化燃料电池发电系统集成示范研究进展课件

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1、单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2020/11/30,#,CO,2,近零排放的煤气,化燃料电池发电（,IGFC,）,系,统集成示,范研究进展,国家重点研发计划项目,(2017YFB0601900),CO2近零排放的煤气化燃料电池发电（IGFC）国家重点研发计,一,、背景及意义,二,、系统技术开发,三、试验基地建设,四、,主要挑战与计划,汇报内容,一、背景及意义汇报内容,亿吨油当量,煤炭,石油,天然气,核电,水电,其他可再生能源,我国,CO,2,年排放量已居世界第一，签署,巴黎协定,，承诺碳排放在,2030,年左右达到峰值,“,十三五”控制温室

2、气体排放工作方案,提出大型发电集团单位供电,CO,2,排放控制在,550g/kWh,；美国将煤电,CO,2,排放控制在,636g/kWh,，,目前我国煤电,CO,2,排放为,890g/kWh,，燃煤发电技术将会遇到前所未有的困境,煤电在我国能源结构中,的基础,地位,在相当长时期内不会改变，,现有煤电技术面临着,提高效率难、近零排放难,、,减排,CO,2,难的瓶颈，,煤气化发电技术,能够,突破这三大瓶颈,【,资料来源：,2050,年世界与中国能源展望,，中石油经济技术研究院，,2016,年,7,月,】,煤气化发电技术,一、背景及意义,亿吨油当量煤炭石油天然气核电水电其他可再生能源我国CO2年排,

3、整体煤气化联合循环（,IGCC,）,是目前已被验证的能够大型化的煤气化发电技术，可以实现污染物的近零排放,IGFC,是将,IGCC,与,高温燃料电池,相结合的发电系统,，,可大幅,提高煤气化发电效率,，,降低,CO,2,捕集成本,，,实现,CO,2,及污染物近零排放,，,是煤炭发电的根本性变革技术,整体煤气化燃料电池发电,IGFC,I,ntegrated,G,asification,F,uel,C,ell,一、背景及意义,整体煤气化联合循环（IGCC）是目前已被验证的能够大型化的煤,工作温度,:,600-800,工作压力,:,常压或中压,理,论电效率,：,83%,空气,合成气,发电同时实现,C

4、O2,富集,高温燃料电池发电原理：,一、背景及意义,工作温度:600-800空气合成气发电同时实现CO2富集,IGFC,IGFC,实现了煤基发电由物理发电向化学发电的技术跨越，突破卡诺循环效率限制，发电效率从目前的,4045%,提高到,5075%,化学能,热能,机械能,电能,燃料电池发电：,化学能,电能,传统热机发电,：,一、背景及意义,IGFCIGFC实现了煤基发电由物理发电向化学发电的技术跨越,一、背景及意义,根据美国能源部评估，,IGFC,技术规模化应用后，可以大幅提高煤电效率，降低,CO2,和污染物排放，大幅降低水耗,一、背景及意义根据美国能源部评估，IGFC技术规模化应用后，,燃煤发

5、电,IGFC,1999,年，美国能源部成立固态能源转化联盟（,SECA,），开发百兆瓦级,IGFC,2003,年，美国在,Wabash river IGCC,电站示范了兆瓦级,IGFC,发电系统,2015,年日本制定了,IGFC,发展规划，目标是到,2025,年发电效率达到,55%,日本,2030,年火力发电规划（日本经济产业省，,2015,）,美、日、欧均长期持续投入巨资进行,IGFC,技术研发和应用示范,美国,SECA,计划（,NETL,）,250-500MW IGFC,一、背景及意义,燃煤发电IGFC1999年，美国能源部成立固态能源转化联盟（,一、背景及意义,目前，国外,IGFC,的关

6、键技术高温燃料电池已进入小规模商业化应用阶段，主要用于医院、数据中心、楼宇等分布式供电，使用天然气作为原料，净发电效率达到,60%,以上，使用寿命达到,4,万小时,以上，设备安全可靠，累计装机规模达到,100MW,以上；,美国,BE,公司,250kW,天然气高温燃料电池,系统,韩国,59MW,天然,气,燃料电池发,电,站,一、背景及意义 目前，国外IGFC的关键技术高温燃料电池已进,由于国外公司长期对我国,技术封锁,，我国高温燃料电池技术远落后于发达国家；,目前，我国高度重视,IGFC,技术发展，,中国战略性新兴产业发展报告,和,能源技术创新,“,十三五”规划,均将,IGFC,列为战略性能源新

7、技术，目标是,2020,年完成兆瓦级,IGFC,发电示范项目,CO,2,近零排放的,IGFC,开发与示范列入国家能源发展规划,2016-2020,年，开展,IGFC-CC,复合发电系统研究,一、背景及意义,由于国外公司长期对我国技术封锁，我国高温燃料电池技术远落后,二,、系统,技,术开发,示范系统流程：,示范系统主要包括合成气精脱硫、高温燃料电池、尾气纯氧燃烧和热量回收等单元,二、系统技术开发示范系统流程：示范系统主要包括合成气精脱硫、,500 kW,燃料电池发电系统拓扑结构设计,MW,th,级系统设计,变压器,100kW,级发电单元,交流母线,二,、系统技术开发,500 kW燃料电池发电系统

8、拓扑结构设计MWth 级系统设计,参考美国,DOE,报告，利用,Aspen,建立,IGFC,系统模拟模型，主要物料和组分模拟相对误差小于,2%,建立了,SOFC,和,MCFC,系统模型，可研究分析不同合成气组分对电堆发电效率的影响规律,SOFC,系统模型,MCFC,系统模型,二,、系统技术开发,-,工艺系统设计,参考美国DOE报告，利用Aspen建立IGFC系统模拟模型，,参数,单位,工况,1,工况,2,工况,3,燃料流量,Nm,3,/h,2.3,2.3,2.3,操作温度,750,750,750,操作压力,MPa,0.1,0.1,0.1,总燃料利用率,%,86.1,88.2,91.9,空气流量

9、,Nm,3,/h,46.6,55.8,64.1,发电功率,kW,4.07,3.95,3.96,发电效率,%,55.9,54.3,54.1,不同工况下,5kW,级合成气,SOFC,发电系统性能分析,二,、系统技术开发,-,工艺系统设计,参数单位工况1工况2工况 3燃料流量Nm3/h2.32.32,对,国内外主要的高温燃料电池企业调研和技术交流，包括,Bloom Energy,GE,FCE,Atrex Energy,苏州华清、,宁波索福人、潮州三环等，完成美国主要高温燃料电池企业和研发机构（,Stanford University,MIT University,University of Sout

10、h Carolina,等）现场考察和交流。,二,、系统技术开发,-,关键设备评测,对国内外主要的高温燃料电池企业调研和技术交流，包括Bloom,SOFC,和,MCFC,电堆,20 kW MCFC,电堆,(,华能,),1kW SOFC,电堆,(,苏州华清,),1.5kW SOFC,电堆,(,三环,),二,、,系统技术开发,-,关键设备评测,SOFC 和MCFC 电堆20 kW MCFC 电堆(华能,P&ID for 41kW,测试平台,第,1,批电堆测试系统,(2017),其它电堆测试系统,电堆测试,(2017),1 kW,级电堆测试平台建设,二,、,系统技术开发,-,关键设备评测,P&ID f

11、or 41kW 测试平台第1批电堆测试系统(2,平板式气体直燃烧嘴,尾气燃烧器调研与评测,：燃料电池发电尾气热值低，仅有,1.2-1.7 MJ/Nm,3,，,稳定燃烧困难。与中国矿业大学（北京）、浙江大学、中科院广州能源所、山东理工等进行技术交流，并开展一些验证试验,多孔介质燃烧,燃烧方式,过氧量,是否预热,燃烧温度,对水要求,富氧燃烧,中,是,高,中,多孔介,质,燃烧,低,否,中,低,蓄热燃烧,中,否,中,低,催化燃烧,低,是,低,高,二,、,系统技术开发,-,关键设备评测,平板式气体直燃烧嘴尾气燃烧器调研与评测：燃料电池发电尾气热值,高温换热器调研与设计,：燃料电池阴极和阳极尾气温度约,8

12、00,，需要与进料换热回收热量。通过与国内外主要的换热器厂商考察和交流，最后筛选,了一些在,高温换热器领域有一定经验的厂商准备进行合,作。,板式换热器,热侧温度分布,冷侧温度分布,二,、,系统技术开发,-,关键设备评测,高温换热器调研与设计：燃料电池阴极和阳极尾气温度约800，,多堆热箱设计,气体管道高温绝缘,(700800,以上,),高温接头,气体均匀分布,合成气燃料电池发电过程放热量比天然气大,1,倍，热管理难度大,二,、,系统技术开发,-,系统集成设计,多堆热箱设计合成气燃料电池发电过程放热量比天然气大1倍，热管,5kW,模块示意图,二,、,系统技术开发,-,系统集成设计,20kW,模块

13、示意图,5kW模块示意图二、系统技术开发-系统集成设计20kW模块示,MW,th,IGFC,系统示范,:,位于神华宁煤,400,万吨煤制油厂区内，用地面积约,5000 m2,现场配套条件,：,合成气：,H,2,61%,，,CO 38%,氢气,:H,2,99.5%,沼气,:CH,4,75%,，,CO,2,24%,公,用工程,:,氧气，氮气，水电汽等,三、试验基地建设,MWth IGFC 系统示范:位于神华宁煤400万吨煤制,三、试验基地建设,国家能源集团,IGFC,试验基地效果图,三、试验基地建设国家能源集团IGFC试验基地效果图,试验基地建设已在宁东管委会备案，,2018,年,8,月份开始施工

14、建设，目前混凝土厂房已经封顶，年底前完成主要建设工作，明年初具备使用条件,三、试验基地建设,试验基地建设已在宁东管委会备案，2018年8月份开始施工建设,主要挑战,电堆来源,稳定性，一致性，单堆功率，产能等,系统集成,多堆热箱,:,气体均匀分布,高温绝缘，等,热量回收,:,耐高温,(700-800,以上,),，合成气发电放热量大,CO,2,捕集,:,低热值气体纯氧燃烧,(1.2-1.7 MJ/Nm,3,),系统控制,:,工艺控制和电力控制协调,系统适应性,：适应不同来源、不同种类电堆（,SOFC,和,MCFC,）,四,、,主要挑战与计划,主要挑战四、主要挑战与计划,下一步计划,2018-201

15、9,510 kW(4,个电堆,),级合成气,SOFC,发电系统及,CO,2,捕集验证,2019-2020,20100,kW(4,个或更多电堆）级,IGFC,发电系统及,CO,2,捕集验证,2020-2021,500 kW(5*100 kW),级,IGFC,发电系统及,CO,2,捕集验证,四、,主要挑战与计划,下一步计划四、主要挑战与计划,致 谢,感谢科技部高技术中心、项目牵头单位国家能源集团和项目负责人彭院士对,本工,作的指导和支持！,感谢项目参与单位,神神,华宁煤集,团,、,华,新能源公,司的,大力支持,！,致 谢感谢科技部高技术中心、项目牵头单位国家能源集团和项,四、问题讨论,Thanks for your time,！,四、问题讨论Thanks for your time！,