CN115911458B - 一种利用沼气于固体氧化物燃料电池发电的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种利用沼气于固体氧化物燃料电池发电的装置及方法，该装置包括与固体氧化物燃料电池的阳极气体进口连接的阳极气体输送管道、与固体氧化物燃料电池的阴极气体进口连接的阴极气体输送管道，阳极气体输送管道上沿着阳极气体的输送方向依次设有用于给阳极气体加压的沼气鼓风机、用于脱除硫杂质的脱硫装置、调整气体组成的预重整器、用于加热气体的燃气换热器，阴极气体输送管道上沿着阴极气体的输送方向依次设有用于给阴极气体加压的空气鼓风机、用于加热空气的空气预热器。本发明提供的装置及方法，提高沼气发电效率，高效利用沼气资源。

Description

一种利用沼气于固体氧化物燃料电池发电的装置及方法

技术领域

本发明属于固体氧化物燃料电池领域，具体涉及一种利用沼气于固体氧化物燃料电池发电的装置及方法。

背景技术

沼气是有机物经微生物在隔绝空气(厌氧环境)，和适宜的温度、pH值下发酵产生的一种可燃烧性气体，因其最早发现在沼泽中而得名，沼气属于二次能源，并且是可再生能源。沼气除直接燃烧用于炊事、烘干农副产品、供暖、照明和气焊等外，还可作内燃机的燃料以及生产甲醇、福尔马林、四氯化碳等化工原料。经沼气装置发酵后排出的料液和沉渣，含有较丰富的营养物质，可用作肥料和饲料。

沼气因有机物种类、环境条件、微生物种类等因素的影响，其组成变化较大，目前常规沼气的组成如表1所示。

表1典型沼气组分

沼气的主要成分甲烷是一种理想的气体燃料，它无色无味，与适量空气混合后即可燃烧。纯甲烷的发热值为35900kJ/m³，沼气的发热量约为20800～23600kJ/m³。即1m³沼气完全燃烧后，能产生相当于0.7kg无烟煤提供的热量。与其它燃气相比，其抗爆性能较好，用其发电还具有创效、节能、安全和环保等优点，是一种很好的清洁燃料。

近年来，随着我国经济的发展，对能源的需求越来越大，但我国石油的对外依存度已超 70％，天然气的对外依存度已超40％，对外依存度现状不能满足最基本的能源安全需求。2025年实现可再生能源的发电装机占中国电力总装机比例50％以上。但我国存在着风能、太阳能等本身的间歇性及我国风能、太阳能等资源地域分配不均等问题，所以开发分布式发电技术提高能源利用效率将成为未来新趋势。

固体氧化物燃料电池(SOFC)是新一代清洁高效的发电技术。通过电化学反应，将化学能直接转化为电能。在能量转化过程中，没有燃烧和机械运动，不受卡诺循环限制，能量转化效率较高。SOFC的发电能效率可达50％～70％，并且余热品味高，与热电联产组合发电可使发电效率超过80％。SOFC不光发电效率高，而且其燃料的选择性广泛，天然气、石油气、沼气、氢气、煤制气、甲醇等均可以作为原料。因此，SOFC被认为是一种非常有发展空间的燃料电池。

目前沼气发电主要采用单燃料沼气发电机组和双燃料沼气-柴油发电机组等，但这些传统的发电方式是将化学能转化为热能和机械能进而转化成电能。目前先进国家的燃气轮机发电效率超过40％，国内目前只是略超30％；燃气内燃机发电装置的发电效率30％-50％；蒸汽轮机的发电效率为20％左右。由此可见，内燃机、燃气轮机的发电效率较低造成了能源利用浪费的问题。随着技术的进步，内燃机和燃气轮机的发电效率得到了提高，但其变化的趋势是随着规模的增大先增大后趋于平稳，比较适用于大型电站使用。但大型的集中发电就面临着成本高、占地大和配电损失等问题。而SOFC的输出功率灵活，发电效率高，可达65％以上，非常适用于分布式能源，是未来国家重点发展方向。并且SOFC热电联产组合发电技术的发电效率要比燃气轮机联用高出许多，约在70％～90％。综上所述，从发电效率和输出功率角度考虑，SOFC和SOFC热电联产发电技术是有明显的优势的。

发明内容

针对现有技术中沼气发电存在的问题，本发明提供一种利用沼气于固体氧化物燃料电池发电的装置及方法，提高沼气发电效率，高效利用沼气资源。另外针对沼气重整时所需要的水碳比、温度的提供方法进行了改进。现有的SOFC系统大多采用蒸汽发生器直接调节水碳比，而本发明采用阳极尾气循环的方式，除在开车初始期间利用蒸汽发生器补水外，后续运行将不需要外来水就符合水碳比的需求。另一方面本发明采用辐射的方法对重整器及重整前的气体进行加热，减少了换热器的使用，使设备的体积和成本得到了优化。

根据本发明的第一个实施方案，提供一种利用沼气于固体氧化物燃料电池发电的装置，其包括与固体氧化物燃料电池组的阳极气体进口连接的阳极气体输送管道、与固体氧化物燃料电池组的阴极气体进口连接的阴极气体输送管道，阳极气体输送管道沿着阳极气体的输送方向依次设有用于给阳极气体加压的沼气鼓风机、用于脱除硫杂质的脱硫装置、调整气体组成的预重整器、用于加热气体的燃气换热器，阴极气体输送管道沿着阴极气体的输送方向依次设有用于给阴极气体加压的空气鼓风机、用于加热空气的空气预热器，蒸汽进料管连接预重整器的进口或者水进料管经蒸汽发生器连接预重整器的进口。

进一步地，固体氧化物燃料电池组的阳极尾气输出管道经燃气换热器换热后分为第一支管和第二支管，第一支管与燃烧器的阳极尾气进口连接，第二支管经耐温循环设备后与预重整器的气体进口连接，固体氧化物燃料电池组的阴极尾气输出管道与燃烧器的阴极尾气进口连接，阴极尾气与阳极尾气在燃烧器内燃烧产热，燃烧器的燃烧尾气输出管道依次经空气预热器和尾气热回收器(的高温介质通道)后输出至系统外。

进一步地，燃气换热器为板壳式或板翅式换热器中的一种，优选地，燃气换热器的低温介质通道进口与阳极气体输送管道连接，高温介质通道出口经管道后分别与第一支管、二支管连接。

进一步地，预重整器为管式反应器，例如管内填充催化剂，则阳极气体输送管道与管程进口连接，出预重整器后经燃气换热器连接固体氧化物燃料电池组的阳极进口，通过固体氧化物燃料电池组和燃烧器产生的热量辐射传递来维持预重整的温度。

进一步地，空气预热器为板壳式或板翅式换热器中的一种，燃烧器的燃烧尾气输出管道与空气预热器的高温介质通道进口连接，出空气鼓风机后的阴极气体输送管道与空气预热器的低温介质通道进口连接。

进一步地，尾气热回收器为板壳式或板翅式换热器中的一种，空气预热器高温介质通道出口与尾气热回收器的高温介质通道进口连接，尾气热回收器的低温介质通道进口与生活冷水输入管道连接，低温介质通道出口与生活热水输出管道连接，尾气热回收器回收燃烧尾气的热量用于加热生活用水。

进一步地，耐温循环设备为耐温循环鼓风机或文丘里管中的一种。阳极尾气输出管道的第二支管出耐温循环设备后与出脱硫装置后的阳极气体输送管道汇合后连接重整器的进口；阳极尾气输出管道的第一支管连接燃烧器的进口换热后的部分，这样，一部分阳极尾气经循环设备后与外界来的燃料流混合进入重整器；其余阳极尾气沿管道进入燃烧器燃烧放热。耐温循环设备的作用在于将部分未利用燃料和产生水蒸气循环回重整器，以达到调节重整过程中水碳比的作用，同时提高燃料的利用率且避免重整器中的积碳问题，防止燃料电池热裂。

进一步地，辐射加热部分应用在预重整器和重整前气体加热方面，固体氧化物燃料电池组、燃烧器和预重整器结构呈环状分布，其中，预重整器为弧状体，燃烧器位于预重整器内侧，固体氧化物燃料电池组位于预重整器的外侧，即预重整器及其部分进口管道(即脱硫装置的出口与预重整器的进口之间的阳极气体输送管道中靠近预重整器的进口一侧的管段)位于固体氧化物燃料电池组与燃烧器之间，优选地，固体氧化物燃料电池组与预重整器之间的距离一般是0.2-1.0m，优选0.2m-0.5m，优选0.3m-0.4m，预重整器与燃烧器之间的距离一般是0.2-0.8m，优选0.2m-0.4m，优选0.25m-0.35m；固体氧化物燃料电池组与燃烧器之间距离为0.3-1.2m，优选0.4-0.9m，优选0.55-0.75m。

优选地，预重整器及其部分进口管道的外壁是由吸热效果好的材料(例如金属材料如钢或铜)制成，以达到对热量的收集和传导。

优选地，在固体氧化物燃料电池组、预重整器及部分进口管道、燃烧器整体结构的外部设置一个外罩，优选由绝热材料构成，并且优选为密封状态，用于保温，防止热量向外流失。然后可通过改变各组件间的距离来调节重整温度和气体温度。

脱硫装置、预重整器等可采用本领域已知的那些。

阴极原料气由燃料供给单元提供，沼气经除尘后经鼓风机C101沿管路进入脱硫装置R102，通过常温脱硫得到发电所需的燃料气(硫含量低至0.1ppm以下)。燃料气与从电池阳极出来的一部分阳极尾气(即“循环气”)混合，经过电池(SOFC)和燃烧器(A101)产生的热量辐射预热后进入预重整器，利用电池和燃烧器产生的热量持续为重整提供所需温度(例如400℃-500℃)。预重整后的气体进入燃气换热器，达到例如600℃～750℃后，进入固体氧化物燃料电池组的阳极。

蒸汽发生器是一个可移动的装置，主要作用是开车初期，调节燃料气的水碳比，水碳比太低，会使预重整催化剂产生结焦积碳现象；水碳比过高，可以确保预重整很安全，但是电池工作电压会下降，会加速电池阳极的衰减速率。

根据本发明的第二个实施方案，提供一种利用上述装置进行沼气发电的方法，该方法包括：

(1)沼气经过除尘后由沼气鼓风机加压至3-10kPa(进一步4-8kPa，例如约6kPa)，然后沿管路进入脱硫装置，通过常温脱硫得到发电所需的燃料气(硫含量可低至0.1ppm以下)，燃料气沿管道经来自固体氧化物燃料电池组和/或燃烧器的辐射预热到200-350℃(进一步 250-320℃，例如约300℃)，反应开始时通过蒸汽发生器进给水蒸气，后续通过与循环气(从固体氧化物燃料电池组的阳极输出的一部分阳极尾气，从脱硫装置出来的燃料气与循环气的体积比例可以为0.3-1.5:1，优选0.4-1.2:1)混合，调整水碳比为1.5-3:1(进一步1.8-2.5:1，优选约2:1)，随后进入预重整器重整，由固体氧化物燃料电池组和燃烧器产生的热量经辐射来维持重整温度，温度为350-500℃(进一步420-480℃，例如约450℃)，预重整器内装填催化剂为镍基催化剂，主要成分Ni：16％-19％，La：2％-5％，预重整后的气体利用燃气换热器换热到600-750℃(进一步650-710℃，例如约700℃)后，进入固体氧化物燃料电池组的阳极；

(2)空气经过空气鼓风机压缩3-10kPa(优选6kPa)送入空气预热器，被燃烧器燃烧后的高温气体预热到600-750℃(进一步650-720℃，例如约700℃)后送入固体氧化物燃料电池组的阴极，空气在固体氧化物燃料电池组内部与阳极的燃料气发生电化学反应。空气和预重整器出口气体的体积比是7-12：1，进一步8-11:1，更进一步9-10:1，例如700℃下空气和预重整器出口气体的体积比是9:1。

(3)从固体氧化物燃料电池组的阳极输出的阳极尾气压力约1-5kPa(进一步2-4kPa，例如约3kPa)，温度700-800℃(进一步730-770℃，例如约760℃)，该气体经燃气换热器降温到450-650℃(进一步500-600℃，优选550℃)后分为两部分，20％-60体积％(优选25-55 体积％，30-50体积％，35-45体积％或40体积％)的阳极尾气经耐温循环设备后与燃料气混合，剩余部分阳极尾气与阴极尾气(一般约700-850℃，进一步720-800℃，例如约760℃，压力1-6kPa，例如约3kPa)送入燃烧器燃烧，燃烧器出口温度为700-1000℃(进一步750-900℃，例如约850℃)，从燃烧器输出的燃烧尾气通过空气预热器将热量转移给空气后，温度降至100-200℃(进一步120-180℃，例如约130-150℃)，再经过尾气热回收器将热量回收，温度降至40-60℃(进一步45-55℃，例如约50℃)后由管路导出系统排空。

进一步地，步骤(1)中沼气组成为本领域的一般组成，其组成为CH₄：50-70％，进一步 55-67％或58-65％，例如62％、CO₂：30-45％，进一步33-40％或35-39％，例如约37％、N₂：0.1-2％，进一步0.2-1.5％或0.3-0.8％，例如约0.5％、CO：0.1-2％，进一步0.2-1.5％或0.3-0.8％，例如约0.4％、其它成分：0.01-0.5％，例如约0.1％；单位按mol％计。

进一步地，步骤(1)预重整后的气体组成为CH₄：10.6-25％，进一步12-20％或15-19％，例如约17.37％、H₂：12-26％，进一步15-22％或16-19％，例如17.24％、CO₂：15-30％，进一步18-24％或19-23％，例如约22.77％、N₂：0.15-0.42％，进一步0.20-0.35％或0.21-0.30％，例如约0.21％、CO：0.5-2.3％，进一步0.6-2.0或0.8-1.5％，例如约1.23％、H₂O：30-56％，进一步35-48％或38-43％，例如约41.18％，按mol％计。

进一步地，步骤(3)中阳极尾气组成为CH₄：3.2-4.5％，进一步3.5-4％或3.6-3.9％、H₂： 3.0-5.0％，进一步3.6-4.2％或3.8-4.0％、CO₂：18-32％，进一步20-30％或22-28％、N₂：0.10- 0.40％，进一步0.15-0.2％或0.16-0.19％、CO：1.5-5.0％，进一步2-3％或2.2-2.8％、H₂O：55- 72％，进一步60-70％或62-68％，按mol％计；

阴极尾气组成为O₂：10-27％，进一步15-22％或16-20％，例如约18.82％、N₂：73-90％，进一步75-85％或78-82％，例如约81.18％，按mol％计。

进一步地，步骤(3)中燃烧尾气组成为CO₂：2.0-5.0％，进一步2.2-3.5％或2.5-3％，例如约2.72％、N₂：60-82％，进一步70-80％或72-78％，例如约74.75％、H₂O：3-10.0％，进一步4-6.5％或4.2-6.2％，例如约6.05％、O₂：12-25％，进一步15-20％或16-19％，例如约16.48％，按mol％计。

进一步地，固体氧化物燃料电池组的反应温度为700℃-800℃；固体氧化物燃料电池组的受压能力小，运行环境为低压，固体氧化物燃料电池组的阴极气体、阳极气体入口压力分别为1～5kPa；另外，由于固体氧化燃料电池特殊的设计结构以及运行条件，燃料利用率满足 75％～85％，利用率太高，会使电池阳极处在一个高氧化环境，有损电池阳极的使用寿命；而利用率太低时，会导致发电效率降低，根据系统热平衡设计空燃比20～50。

本申请中，“任选地”表示有或没有进行后续的操作。

本发明的有益效果：

本发明的装置将沼气中富含的CH₄高效、稳定、清洁的利用起来，实现能源高效清洁利用，使资源合理化。同时整个工艺流程简单，降低固定设备的成本，低压的操作条件也降低了对反应器耐压能力的要求，间接降低了投资成本。本发明的补水是系统反应生成的水循环利用，只需要开车初期加入部分后，后期全部是系统内部平衡来实现。本发明采用辐射加热的方法，结构简单、节约空间可以更好的实现热量的回收。

附图说明

图1为本发明的一种利用沼气于固体氧化物燃料电池发电的装置的示意图。

图2为固体氧化物燃料电池组、燃烧器和预重整器的配置图，其中图2(a)为正面图，图 2(b)为俯视图。

附图标记：

L1-阳极气体输送管道，L2--阳极尾气输出管道，L3-第一支管，L4-第二支管，L5-阴极气体输送管道，L6-阴极尾气输出管道，L7-燃烧尾气输出管道，L8-生活冷水输入管道，L9-生活热水输出管道。

C101-沼气鼓风机，R102-脱硫装置，E102-燃气换热器，R101-预重整器，C102-空气鼓风机，SOFC-固体氧化物燃料电池组，C103-耐温循环设备，A101-燃烧器，E101-空气预热器， E103-尾气热回收器，A102-蒸汽发生器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明。

如图1所示，本发明提供一种利用沼气于固体氧化物燃料电池发电的装置，其包括与固体氧化物燃料电池组SOFC的阳极气体进口连接的阳极气体输送管道L1、与固体氧化物燃料电池组的阴极气体进口连接的阴极气体输送管道L5，阳极气体输送管道L1上沿着阳极气体的输送方向依次设有用于给阳极气体加压的沼气鼓风机C101、用于脱除硫杂质的脱硫装置 R102、调整气体组成的预重整器R101、用于加热气体的燃气换热器E102，阴极气体输送管道L5上沿着阴极气体的输送方向依次设有用于给阴极气体加压的空气鼓风机C102、用于加热空气的空气预热器E101。

固体氧化物燃料电池组SOFC的阳极尾气输出管道L2经燃气换热器降温后分为第一支管L3和第二支管L4，第二支管L4经耐温循环设备C103后与预重整器R101的气体进口连接，第一支管L3与燃烧器A101的阳极尾气进口连接，固体氧化物燃料电池组SOFC的阴极尾气输出管道L6与燃烧器A101的阴极尾气进口连接，阴极尾气与阳极尾气(例如阴极尾气与阳极尾气的体积比是在5-7:1，进一步约6:1)在燃烧器A101(例如燃烧温度800-900℃，进一步约850℃)内燃烧产热，燃烧器A101的燃烧尾气输出管道L7依次经空气预热器E101 和尾气热回收器E103后输出至系统外，优选地，第二支管L4经耐温循环设备C103后与阳极气体输送管道L1汇合后连接于预重整器R101的气体进口，蒸汽进料管连接预重整器R101 的进口或者水进料管经蒸汽发生器A102连接预重整器R101的进口。

燃气换热器E102为板壳式或板翅式换热器中的一种，其低温介质通道进口与阳极气体输送管道连接，高温介质通道出口经管道与第一支管L3和第二支管L4连接。

预重整器R101为管式反应器，管内填充催化剂，则阳极气体输送管道与管程进口连接，预重整器后的气体经燃气换热器E102换热后进入固体氧化物燃料电池组SOFC的阳极，通过固体氧化物燃料电池组SOFC和燃烧器A101产生的热量辐射传递来维持预重整的温度。

空气预热器E101为板壳式或板翅式换热器中的一种，燃烧器A101的燃烧尾气输出管道L7与空气预热器E101的高温介质通道进口连接，阴极气体输送管道L5与空气预热器E101 的低温介质通道进口连接。

尾气热回收器E103为板壳式或板翅式换热器中的一种，燃烧器的燃烧尾气输出管道L7 与尾气热回收器E103的高温介质进口连接，尾气热回收器E103的低温介质进口与生活冷水输入管道L8连接，低温介质出口与生活热水输出管道L9连接，尾气热回收器E103回收燃烧尾气的热量用于加热生活用水。

耐温循环设备C103为耐温循环鼓风机或文丘里管的一种，用于将阳极尾气循环到预重整器R101。

如图2所示，固体氧化物燃料电池组SOFC、燃烧器A101和预重整器R101结构呈环状分布，其中，预重整器R101为弧状体，燃烧器A101位于预重整器内侧，固体氧化物燃料电池组SOFC位于预重整器的外侧，即预重整器及其部分进口管道(即脱硫装置的出口与预重整器的进口之间的阳极气体输送管道中靠近预重整器的进口一侧的管段)位于固体氧化物燃料电池组与燃烧器之间，优选地，固体氧化物燃料电池组与预重整器之间的距离一般是0.2m- 0.5m，优选0.3m-0.4m，预重整器与燃烧器之间的距离一般是0.2m-0.4m，优选0.25m-0.35m；固体氧化物燃料电池组与燃烧器之间距离为0.4-0.9m，优选0.55-0.75m；预重整器及其部分进口管道的外壁优选由吸热效果好的材料(例如金属材料如钢或铜)制成，以达到对热量的收集和传导。

在固体氧化物燃料电池组、预重整器及其部分进口管道、燃烧器整体结构的外部设置一个外罩，优选由绝热材料构成，并且优选为密封状态，用于保温，防止热量向外流失。然后可通过改变各组件间的距离来调节重整温度和气体温度。

实施例1

(1)沼气(组成：CH₄：62％、CO₂：37％、N₂：0.5％、CO：0.4％、其它：0.1％；单位采用mol％)，经过除尘后由沼气鼓风机加压6kPa，然后沿管路进入脱硫装置，通过常温脱硫得到发电所需的燃料气(硫含量低至0.1ppm以下)，燃料气沿管道由辐射预热到约300℃，反应开始时通过蒸汽发生器补水至2:1水碳比，后续与循环气(从固体氧化物燃料电池组的阳极输出的部分阳极尾气，从脱硫装置出来的燃料气与循环气的体积比约为0.64:1)混合，随后进入预重整器重整，通过将预重整器及其部分进口管道设置在固体氧化物燃料电池组与燃烧器之间，由固体氧化物燃料电池组和燃烧器产生的辐射热来维持重整温度约450℃，重整器内装填催化剂为镍基催化剂，主要成分Ni：约18％，La：约2％)，预重整后的气体(包括 CH₄：17.37％、H₂：17.24％、CO₂：22.77％、N₂：0.21％、CO：1.23％、H₂O：41.18％)利用燃气换热器加热到约700℃后，进入固体氧化物燃料电池组的阳极；

(2)空气经过空气鼓风机加压6kPa，送入空气预热器，被燃烧器燃烧后的高温气体预热到700℃后送入固体氧化物燃料电池组的阴极，空气在固体氧化物燃料电池组内部与阳极的燃料气发生电化学反应，空气和预重整器出口气体的体积比是约9:1；

(3)从固体氧化物燃料电池组阳极输出的阳极尾气(压力3kPa，温度760℃，包括CH₄： 3.72％、H₂：3.98％、CO₂：27.15％、N₂：0.16％、CO：2.15％、H₂O：62.84％)经燃气换热器降温至550℃后分为两部分，一部分经耐温循环设备后与燃料气混合，另一部分阳极尾气与阴极尾气(包括：O₂：18.82％、N₂：81.18％，阴极尾气压力3kPa，温度760℃)一起送入燃烧器燃烧，燃烧器出口温度850℃，从燃烧器输出的燃烧尾气(包括CO₂：2.72％、N₂：74.72％、H₂O：6.05％、O₂：16.51％)通过空气预热器将热量转移给空气后，温度降至150℃，再经过尾气热回收器将热量回收，温度降至50℃后由管路导出系统排空。

固体氧化物燃料电池组的反应温度为760℃；固体氧化物燃料电池组的阴极气体、阳极气体入口压力分别为4kPa；固体氧化燃料电池的燃料利用率85％，根据系统热平衡设计空燃比40。

实施例2

(1)沼气(组成：CH₄：64.5％、CO₂：34.5％、N₂：0.43％、CO：0.5％、其它：0.07％；单位采用mol％)经过除尘后由沼气鼓风机加压8kPa，然后沿管路进入脱硫装置，通过常温脱硫得到发电所需的燃料气(硫含量低至0.8ppm以下)，燃料气沿管道由辐射预热到约320℃，反应开始时通过蒸汽发生器补水至1.5:1水碳比，后续与循环气(从固体氧化物燃料电池组的阳极输出的部分阳极尾气，从脱硫装置出来的燃料气与循环气的体积比约为0.56:1)混合，随后进入预重整器重整，由固体氧化物燃料电池组和燃烧器产生的辐射热来维持重整温度400℃，重整器内装填催化剂为镍基催化剂，主要成分Ni：17％，La：3％)，通过将预重整器及其部分进口管道设置在固体氧化物燃料电池组与燃烧器之间，预重整后的气体(包括CH₄：19.4％、 H₂：16.71％、CO₂：20.4％、N₂：0.21％、CO：1.20％、H₂O：42.08％)利用燃气换热器加热到约700℃后，进去固体氧化物燃料电池组的阳极；

(2)空气经过空气鼓风机加压8kPa，送入空气预热器，被燃烧器燃烧后的高温气体预热到700℃后送入固体氧化物燃料电池组的阴极，空气在固体氧化物燃料电池组内部与阳极的燃料气发生电化学反应，空气和预重整器出口气体的体积比是约10:1；

(3)从固体氧化物燃料电池组的阳极输出的阳极尾气(压力6kPa，温度760℃，包括CH₄：3.95％、H₂：4.05％、CO₂：26.03％、N₂：0.52％、CO：2.45％、H₂O：63.0％)经燃气换热器降温至570℃后分为两部分，一部分经耐温循环设备后与燃料气混合，另一部分阳极尾气与阴极尾气(包括：O₂：15.56％、N₂：84.44％，阴极尾气压力5kPa，温度760℃)送入燃烧器燃烧，燃烧器出口温度830℃，从燃烧器输出的燃烧尾气(包括CO₂：2.62％、N₂：74.83％、 H₂O：7.05％、O₂：15.50％)通过空气预热器将热量转移给空气后，温度降至130℃，再经过尾气热回收器将热量回收，温度降至45℃后由管路导出系统排空。

固体氧化物燃料电池组的反应温度为760℃；固体氧化物燃料电池组的阴极气体、阳极气体入口压力分别为6kPa；固体氧化燃料电池组的燃料利用率85％，根据系统热平衡设计空燃比35。

本发明沼气SOFC发电工艺可以将沼气中富含的甲烷高效、稳定、清洁的利用；而固体氧化物燃料电池阴极侧的氧化剂直接来自于大气中，无需前处理，工艺简单；此外，阳极尾气的循环利用，大幅度降低了水的消耗，使能源合理利用，实现了“节能”的目的；同时设备的耐压要求较低，也降低了固定设备成本。整个系统对热量进行回收利用，基本做到“零损失”，从而进一步提高燃料利用的整体效率。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，其并非因此限制本发明的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，通过常规的替代或者能够实现相同的功能在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行变化、修改、替换、整合和参数变更均落入本发明的保护范围内。

Claims (22)

1.一种利用沼气于固体氧化物燃料电池发电的装置，其特征在于，其包括与固体氧化物燃料电池组（SOFC）的阳极气体进口连接的阳极气体输送管道（L1）、与固体氧化物燃料电池组的阴极气体进口连接的阴极气体输送管道（L5），阳极气体输送管道（L1）沿着阳极气体的输送方向依次设有用于给阳极气体加压的沼气鼓风机（C101）、用于脱除硫杂质的脱硫装置（R102）、调整气体组成的预重整器（R101）、用于加热气体的燃气换热器（E102），阴极气体输送管道（L5）沿着阴极气体的输送方向依次设有用于给阴极气体加压的空气鼓风机（C102）、用于加热空气的空气预热器（E101），蒸汽进料管连接预重整器（R101）的进口或者水进料管经蒸汽发生器连接预重整器（R101）的进口；固体氧化物燃料电池组（SOFC）的阳极尾气输出管道（L2）经燃气换热器（E102）换热后分为第一支管（L3）和第二支管（L4），第一支管（L3）经耐温循环设备（C103）后与预重整器（R101）的气体进口连接，第二支管（L4）与燃烧器（A101）的阳极尾气进口连接，固体氧化物燃料电池组（SOFC）的阴极尾气输出管道（L6）与燃烧器（A101）的阴极尾气进口连接，阴极尾气与阳极尾气在燃烧器（A101）内燃烧产热，燃烧器（A101）的燃烧尾气输出管道（L7）依次经空气预热器（E101）和尾气热回收器（E103）后输出至系统外，其中燃气换热器（E102）为板壳式或板翅式换热器；

固体氧化物燃料电池组、燃烧器和预重整器结构呈环形分布，其中，预重整器为弧状体，燃烧器位于预重整器内侧，固体氧化物燃料电池组位于预重整器的外侧，即预重整器及其部分进口管道位于固体氧化物燃料电池组与燃烧器之间，

固体氧化物燃料电池组与预重整器之间的距离是0.2m-0.5m，预重整器与燃烧器之间的距离是0.2m-0.4m；固体氧化物燃料电池组与燃烧器之间距离为0.4-0.9m。

2.根据权利要求1所述的利用沼气于固体氧化物燃料电池发电的装置，其特征在于，燃气换热器（E102）的低温介质通道进口与出预重整器（R101）的阳极气体输送管道（L1）连接，高温介质通道出口经管道与第一支管（L3）和第二支管（L4）连接。

3.根据权利要求1所述的利用沼气于固体氧化物燃料电池发电的装置，其特征在于，预重整器（R101）为管式反应器，管内填充催化剂，阳极气体输送管道（L1）与管程进口连接，出预重整器（R101）后经燃气换热器（E102）连接固体氧化物燃料电池组（SOFC）的阳极进口。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的利用沼气于固体氧化物燃料电池发电的装置，其特征在于，空气预热器（E101）为板壳式或板翅式换热器中的一种，燃烧器（A101）的燃烧尾气输出管道（L7）与空气预热器（E101）的高温介质通道进口连接，出空气鼓风机（C102）后的阴极气体输送管道（L5）与空气预热器（E101）的低温介质通道进口连接。

5.根据权利要求1所述的利用沼气于固体氧化物燃料电池发电的装置，其特征在于，尾气热回收器（E103）为板壳式或板翅式换热器中的一种，出空气预热器（E101）后的燃烧尾气输出管道（L7）与尾气热回收器（E103）的高温介质通道进口连接，尾气热回收器（E103）的低温介质通道进口与生活冷水输入管道（L8）连接，低温介质通道出口与生活热水输出管道（L9）连接。

6.根据权利要求1所述的利用沼气于固体氧化物燃料电池发电的装置，其特征在于，耐温循环设备（C103）为耐温循环鼓风机或文丘里管中的一种，阳极尾气输出管道（L2）的第二支管（L4）出耐温循环设备（C103）后与出脱硫装置（R102）后的阳极气体输送管道（L1）汇合后连接重整器（R101）的进口；阳极尾气输出管道（L2）的第一支管（L3）连接燃烧器（A101）的进口。

7.根据权利要求1所述的利用沼气于固体氧化物燃料电池发电的装置，其特征在于，固体氧化物燃料电池组与预重整器之间的距离是0.3m-0.4m，预重整器与燃烧器之间的距离是0.25 m-0.35m；固体氧化物燃料电池组与燃烧器之间距离为0.55-0.75m。

8.根据权利要求1所述的利用沼气于固体氧化物燃料电池发电的装置，其特征在于，预重整器及其部分进口管道的外壁是由易吸热材料制成，以达到对热量的收集和传导。

9.根据权利要求1所述的利用沼气于固体氧化物燃料电池发电的装置，其特征在于，在固体氧化物燃料电池组、预重整器及其部分进口管道、燃烧器整体结构的外部设置一个外罩，由绝热材料构成，并且为密封状态，用于保温，防止热量向外流失。

10.一种利用权利要求1-9中任一项所述装置进行沼气发电的方法，该方法包括：

（1）沼气经除尘后加压，进入脱硫装置脱硫得到发电所需的燃料气，燃料气经来自固体氧化物燃料电池组和/或燃烧器的辐射预热，反应开始时进给水蒸气，后续通过与循环气混合，调整水碳比为1.5-3:1，该循环气为从固体氧化物燃料电池组的阳极输出的一部分阳极尾气，从脱硫装置出来的燃料气与循环气的体积比例为0.3-1.5:1，随后进入预重整器重整，由固体氧化物燃料电池组和燃烧器产生的热量经辐射来维持重整温度，预重整得到的气体加热后进入固体氧化物燃料电池组的阳极；

（2）空气经过空气鼓风机压缩、空气预热器预热后送入固体氧化物燃料电池组的阴极，空气在固体氧化物燃料电池组内部与阳极的燃料气发生电化学反应；

（3）从固体氧化物燃料电池组的阳极输出的阳极尾气经换热后分为两部分，一部分经耐温循环设备后与燃料气混合，另一部分阳极尾气与阴极尾气送入燃烧器燃烧，从燃烧器输出的燃烧尾气依次经空气预热器、尾气热回收器降温后导出系统排空，

其中固体氧化燃料电池的燃料利用率为75%~85%。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，步骤（1）中：从脱硫装置出来的燃料气与循环气的体积比例为0.4-1.2:1；和/或，调整水碳比为1.8-2.5:1。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，步骤（1）中：调整水碳比为2:1。

13.根据权利要求10-12中任一项所述的方法，其特征在于，步骤（1）中：

通过辐射预热将燃料气预热到200-350℃；和/或

从脱硫装置出来的燃料气与循环气的体积比例为0.3-1.5:1；和/或

预重整器内的重整温度为350-500℃；和/或

预重整后的气体包括CH₄：10.6-25%，H₂：12-26%，CO₂：15-30%，N₂：0.15-0.42%，CO：0.5-2.3%，H₂O：30-56%按mol%计。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，步骤（1）中：

通过辐射预热将燃料气预热到300℃；和/或

从脱硫装置出来的燃料气与循环气的体积比例为0.64:1；和/或

预重整器内的重整温度为450℃；和/或

预重整后的气体包括CH₄：12-20%、H₂：15-22%、CO₂：18-24%、N₂：0.20-0.35%、CO：0.6-2.0%、H₂O：35-48%，按mol%计。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，步骤（1）中：

预重整后的气体包括CH₄：15-19%、H₂：16-19%、CO₂：19-23%、N₂：0.21-0.30%、CO：0.8-1.5%、H₂O：38-43%，按mol%计。

16.根据权利要求10-12中任一项所述的方法，其特征在于，步骤（2）中：

空气经空气鼓风机加压3-10 kPa； 和/或

空气经空气预热器预热到600-800℃，随后进入固体氧化物燃料电池组的阴极；和/或

空气和预重整器出口气体的体积比是7-12：1。

17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，步骤（2）中：空气和预重整器出口气体的体积比是8-11:1。

18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，步骤（2）中：空气和预重整器出口气体的体积比是9-10:1。

19.根据权利要求10-12中任一项所述的方法，其特征在于，步骤（3）中：

燃烧器出口温度为700-1000℃；和/或

燃烧尾气经空气预热器降温至100-200℃；和/或

尾气热回收器将燃烧尾气降温至40-60℃；和/或

阳极尾气包括CH₄：3.2-4.5%，H₂：3.0-5.0%，CO₂：18-32%，N₂：0.10-0.40%，CO：1.5-5.0%，H₂O：55-72%； 和/或

阴极尾气包括O₂：10-27%，N₂：73-90 %； 和/或

燃烧尾气包括CO₂：2.0-5.0%，N₂：60-82%，H₂O：3-10.0%，O₂：12-25%。

20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，步骤（3）中：阳极尾气包括CH₄：3.5-4%、H₂：3.6-4.2%、CO₂：20-30%、N₂：0.15-0.2%、CO：2-3%、H₂O：60-70%； 和/或

阴极尾气包括O₂：15-22%、N₂：75-85%； 和/或

燃烧尾气包括CO₂：2.2-3.5%、N₂：70-80%、H₂O：4-6.5%、O₂：15-20%。

21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，步骤（3）中：阳极尾气包括CH₄：3.6-3.9%、H₂：3.8-4.0%、CO₂：22-28%、N₂：0.16-0.19%、CO：2.2-2.8%、H₂O：62-68%； 和/或

阴极尾气包括O₂：16-20%、N₂：78-82%； 和/或

燃烧尾气包括CO₂：2.5-3%、N₂：72-78%、H₂O：4.2-6.2%、O₂：16-19%。

22.根据权利要求10-12中任一项所述的方法，其特征在于， 固体氧化物燃料电池组的阴极气体、阳极气体入口压力分别为1~5kPa。