一种一体化蒸汽发生和过热装置及其运行方法与流程

本发明涉及固体氧化物燃料电池发电，进一步地涉及一种一体化蒸汽发生和过热装置及其运行方法。

背景技术：

1、固体氧化物燃料电池(sofc)发电系统的换热器一般包括燃料气预热器、空气预热器、蒸汽发生器以及水蒸气过热器。其中，蒸汽发生器以及水蒸气过热器的功能是主要是为系统内的重整器提供高温过热(约700℃)的水蒸气。

2、sofc发电系统的蒸汽发生器和水蒸气过热器是较为重要的热管理设备，要求产气稳定，水蒸气流量波动小。水蒸气流量波动超过一定程度时，会导致进入重整器的燃料和水的比例异常，影响重整产物，严重时，甚至会导致重整器或电堆内积碳以及尾气燃烧器熄火等问题，对系统运行的可靠性造成较大威胁。

3、目前，sofc系统的蒸汽发生器及过热器面临的最大问题就是水蒸气流量波动问题，特别是启动阶段。启动阶段，因为系统尾气温度还不够高，常规的做法都是额外设置一个独立的电加热蒸发器a，等系统的高温尾气达到一定温度后，再关闭电加热蒸发器a，完全依靠系统尾气加热。布置方式有串联和并联两种，分别如图1和图2所示。串联布置存在的问题是在关闭电加热蒸发器a后的一段时间，电加热蒸发器a内的水蒸气会迅速冷凝，蒸发出来的水蒸气会大幅减少，甚至有一段时间内可能完全没有水蒸气，直到电加热蒸发器a内完全充满液态水，换热式蒸发器b内气液界面达到平衡，才能获得平稳流量的水蒸气，整个过渡时段可能长达半小时以上；并联的布置方式是等系统的高温尾气达到一定温度后，通过打开和关闭电磁阀来切换管路，从电加热蒸发器a路切到换热式蒸发器b路，这样做的缺点是增加一条管路和几个电磁阀，增加了系统复杂性，并且切换过程中，仍然会出现水蒸气流量波动，只是相对串联的布置方式，过渡时间会短一些。

4、另外可以看出，电加热蒸发器、换热式蒸发器和水蒸气过热器作为3个独立分散的设备，整体占用的体积会较大，在sofc系统里如何尽量减小设备占用体积也是sofc发电系统需要考虑的问题。

技术实现思路

1、针对现有技术中sofc系统内蒸汽发生器和水蒸气过热器在供应过热水蒸气时易出现流量波动，以及独立分散的布置方式造成占用空间大、线路复杂等问题，本发明的目的在于提供一种适用于sofc系统的一体化蒸汽发生和过热装置及其运行方法，将蒸汽发生器和过热器集成一体，利用烟气的高温使水完全蒸发，稳压后再进入过热腔进行进一步加热，获得平稳流量的过热水蒸气，同时集成了辅助电加热片，以弥补烟气热量不足时水完全蒸发所需的热量，待烟气温度升高后关闭辅助电加热片也不会造成流量波动，避免对后续重整产物产生不良影响。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种一体化蒸汽发生和过热装置，包括一体化装置本体，所述一体化装置本体内沿物料流动方向依次设有蒸汽发生区域、稳压腔和蒸汽过热区域；所述一体化装置本体上设有进水口、过热蒸汽出口、烟气入口和烟气出口；所述蒸汽发生区域包括蒸发腔，所述蒸发腔内设有第一换热芯体；所述蒸汽过热区域包括过热腔，所述过热腔内设有第二换热芯体；所述进水口、所述蒸发腔、所述稳压腔、所述过热腔和所述过热蒸汽出口依次连接；所述烟气入口、第二换热芯体的高温流体通道、第一换热芯体的高温流体通道和所述烟气出口依次连接。

4、在一些实施方式中，所述一体化装置本体内还设有一隔板，所述隔板将所述一体化装置本体内部分隔成位于上方的所述蒸汽过热区域和位于下方的所述蒸汽发生区域；所述稳压腔用于连通所述蒸汽过热区域和所述蒸汽发生区域。

5、在一些实施方式中，所述蒸汽发生区域还设有入口缓冲腔，所述入口缓冲腔的入口和出口分别与所述进水口和所述蒸发腔的入口连接；所述蒸汽过热区域还设有过热蒸汽汇合腔，所述过热蒸汽汇合腔的入口和出口分别与所述过热腔的出口和所述过热蒸汽出口连接。

6、在一些实施方式中，所述一体化蒸汽发生和过热装置还包括：辅助电加热片，所述入口缓冲腔和所述稳压腔均设有所述辅助电加热片，用于在烟气温度不足时弥补水完全蒸发所需的热量。

7、在一些实施方式中，所述一体化蒸汽发生和过热装置还包括：雾化喷嘴，所述雾化喷嘴设置在所述进水口处，用于均匀分散进入所述蒸发腔内的水。

8、在一些实施方式中，所述一体化蒸汽发生和过热装置还包括：进水管和过热蒸汽出口管，所述进水管与所述进水口连接，用于向所述一体化装置本体内输送水；所述过热蒸汽出口管与所述过热蒸汽出口连接，用于向外输送过热的水蒸气。

9、在一些实施方式中，所述第一换热芯体为板翅式换热芯体，所述第二换热芯体为列管式换热芯体。

10、在一些实施方式中，所述辅助电加热片为ptc电加热片。

11、本发明还提供了上述一体化蒸汽发生和过热装置的运行方法，包括以下步骤：

12、高温烟气由所述烟气入口进入所述一体化装置本体内，依次流经所述第二换热芯体和所述第一换热芯体，分别为所述过热腔和所述蒸发腔提供热量后经所述烟气出口排出；向所述一体化装置本体内通水，水进入所述蒸发腔时经所述第一换热芯体加热至完全蒸发，经所述稳压腔稳压后进入所述过热腔，经过所述第二换热芯体被进一步加热至过热状态。

13、在一些实施方式中，当所述烟气出口处的温度小于设定温度时，开启辅助电加热片对所述入口缓冲腔和所述稳压腔进行加热，以在烟气温度不足时为水完全蒸发提供所需热量。

14、与现有技术相比，本发明所提供的一体化蒸汽发生和过热装置及其运行方法具有以下有益效果：

15、1、相比现有技术中sofc系统内蒸汽发生器和过热器独立布置，本发明将二者集成一体，高温烟气依次流经第二换热芯体和第一换热芯体，对过热腔和蒸发腔内释放热量，水在蒸发腔内被加热至完全蒸发，稳压后流入过热腔被进一步加热，过热的水蒸气以稳定的流量持续向外输出，避免了水蒸气流量波动，对后续重整产物产生影响；

16、2、本发明设置的入口缓冲腔对进水的水压和流量进行缓冲，使蒸气稳定产生，经稳压腔稳定流量后再进行过热，水蒸气流量基本不会受水泵的流量波动而波动；

17、3、本发明将辅助电加热片集成在入口缓冲腔和稳压腔，在系统启动初期，烟气热量不足时开启辅助电加热片弥补水蒸发所需热量，在烟气热量足够时即可关闭，由于未设置单独的电加热容腔，在关闭辅助电加热片后也不会造成水蒸气流量波动；

18、4、本发明提供的一体化蒸汽发生和过热装置不仅产气稳定，水蒸气流量波动小，还具有体积紧凑、形状规则、节省空间和设备、可靠性高等优点。

技术特征：

1.一种一体化蒸汽发生和过热装置，其特征在于，

2.根据权利要求1所述的一体化蒸汽发生和过热装置，其特征在于，

3.根据权利要求1或2所述的一体化蒸汽发生和过热装置，其特征在于，

4.根据权利要求3所述的一体化蒸汽发生和过热装置，其特征在于，

5.根据权利要求1所述的一体化蒸汽发生和过热装置，其特征在于，

6.根据权利要求1所述的一体化蒸汽发生和过热装置，其特征在于，

7.根据权利要求1所述的一体化蒸汽发生和过热装置，其特征在于，

8.根据权利要求4所述的一体化蒸汽发生和过热装置，其特征在于，

9.如权利要求1-8任一所述的一体化蒸汽发生和过热装置的运行方法，其特征在于，包括以下步骤：

10.根据权利要求8所述的一体化蒸汽发生和过热装置，其特征在于，

技术总结本发明提供了一种一体化蒸汽发生和过热装置及其运行方法，将蒸汽发生器和过热器集成一体，利用烟气的高温使水完全蒸发，稳压后再进入过热腔进行进一步加热，获得平稳流量的过热水蒸气，同时集成了辅助电加热片，以弥补烟气热量不足时水完全蒸发所需的热量，待烟气温度升高后关闭辅助电加热片也不会造成流量波动。而且在该装置内设置的入口缓冲腔和稳压腔也起到稳定水蒸气流量的作用，水蒸气流量不会受水泵的流量波动而波动，避免对后续重整产物产生不良影响。集成一体化的布置方式还节省了安装空间和设备成本。技术研发人员：周耀东,孙春华,王书恒,邓笔财,李海亮,王林涛,杜忠选受保护的技术使用者：上海齐耀动力技术有限公司技术研发日：技术公布日：2024/7/9