CN114776441A - Co2共电解结合富氧燃烧发电的综合能源***及联产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种CO2共电解结合富氧燃烧发电的综合能源***及联产方法，该***包括风电或光伏发电***、水电解池、空气分离装置、氨合成模块、富氧燃烧发电模块以及CO2和H2O共电解池。本发明利用风能或太阳能发电驱动空气分离为氮气与氧气、驱动水电解为氢气和氧气，氧气作为化石燃料燃烧的助燃剂，化石燃料燃料发电输出电能，产生的高温烟气可直接通入水电解池进行共电解生成碳氢化合物，碳氢化合物在常温下是液态，便于储运，而且是重要的化工原料。电力来源为风能或太阳能发电，CO2排放减少。氢气与氮气合成氨。实现电与碳氢化合物、氨等联产，CO2高值化资源化利用，从而抵消碳减排成本，有利于化石燃料发电***进行低碳高效改革。
Description
技术领域
本发明属于能源综合应用技术领域，尤其涉及一种CO2共电解结合富氧燃烧发电的综合能源***及联产方法。
背景技术
为减缓温室效应，能源体系正进行绿色低碳转型变革，减少能源***的二氧化碳排放已成为人类社会共识。二氧化碳的捕集、利用及封存技术(CCUS)在能源体系绿色低碳改革中发挥重要作用，尤其是对于火力发电、水泥、钢铁等能源密集型行业，CCUS技术能很好地与现有设备结合，避免基础设施的大规模重建。
然而，CCUS技术需要新投资，同时运行费用高。例如目前火力发电减碳排放的技术主要为将燃烧后的烟气通过化学吸收或物理吸附方法将其中的二氧化碳吸收分离，但由于烟气中二氧化碳体积分数低，这类捕集***庞大，分离解析能耗较高(供电效率降低10-15％)。所以，高昂的碳减排成本给火力发电等领域的低碳清洁改革带来很大困难。
CCUS技术可以通过CO2转化为高附加值原料，来充分利用现代化工高附加值原料的广阔市场来降低碳减排成本。例如，甲酸、甲醇等是重要的化工原材料，具有较高的市场价值，但目前其来源均是化石燃料，属于高碳化学工艺，若能探索甲酸、甲醇新的低碳生产方法，对化工行业的碳减排也能起到一定作用。
整体而言，目前二氧化碳的捕集、利用及封存技术成本较高，为火力发电碳减排带来困难。同时现代化工原料生产过程对化石燃料的依赖性强。
发明内容
本发明的目的在于提供一种CO2共电解结合富氧燃烧发电的综合能源***及联产方法，旨在解决现有技术中的二氧化碳的捕集、利用及封存技术成本较高，为火力发电碳减排带来困难的问题。
本发明是这样实现的，一种CO2共电解结合富氧燃烧发电的综合能源***，包括风电或光伏发电***、水电解池、空气分离装置、氨合成模块、富氧燃烧发电模块以及CO2和H2O共电解池；
所述风电或光伏发电***的电能输出端口输出的电能分为三个支路，分别连接到所述水电解池的电能输入端口、空气分离装置的电能输入端口以及CO2和H2O共电解池的电能输入端口；
所述水电解池的水输入口连接外部水源，其氢气输出端口连接所述氨合成模块的氢气输入端口，其氧气输出端口连接所述富氧燃烧发电模块的氧气输入端口；
所述空气分离装置的氮气输出端口连接所述氨合成模块的氮气输入端口，其氧气输出端口连接所述富氧燃烧发电模块的氧气输入端口；
所述氨合成模块用于将输入的氮气与氢气合成氨，作为***产物之一向外输出；
所述富氧燃烧发电模块的燃料输入口用于输入化石燃料，化石燃料富氧燃烧，化学能转化为机械能再转化为电能，作为***产物之二向外输出；所述富氧燃烧发电模块的尾气输出口输出的高温CO2和H2O气体分成两股，一股流入所述水电解池的热源输入端口，另一股与来自所述水电解池的换热后的尾气汇流后，一同流入所述CO2和H2O共电解池的原料输入端口；
所述CO2和H2O共电解池的水输入口连接外部水源，CO2与H2O发生共电解产生碳氢化合物，作为***产物之三向外输出。
本发明为实现上述目的，还提供了一种CO2共电解结合富氧燃烧发电的联产方法，包括以下步骤：
将风电或光伏发电***产生的电能分别接入水电解池、空气分离装置中；水在水电解池发生电化学反应产生氢气与氧气，空气在空气分离装置中分离产生氮气与氧气；所产生的氧气均汇流进入富氧燃烧发电模块中作为助燃剂；
所述氢气与氮气通入氨合成模块中合成氨，作为产物之一向外输出；
富氧燃烧发电模块中氧气与化石燃料进行富氧燃烧，化学能转化为机械能再转化为电能输出，作为产物之二向外输出；同时产生高温烟气，所述高温烟气的成分包括二氧化碳和水蒸气；
高温烟气分为两股，一股为水电解池提供热量后与另一股汇流成为汇流烟气，所述汇流烟气通入CO2和H2O共电解池进行共电解，电能来自风电或光伏发电***的发电；
在CO2和H2O共电解池中，二氧化碳和水蒸气转化为碳氢化合物，作为产物之三向外输出；CO2和H2O共电解池中外接水源，可调节H2O与CO2比例控制碳氢化合物生成过程。
进一步的，所述氨合成模块中的化学反应为：
所述CO2和H2O共电解池中，当采用氧化锡作为催化剂时，其化学反应为：
CO2+H2O+2e-→HCOO-+OH-
当采用钴酞菁作为催化剂时，其化学反应为：
CO2+5H2O+6e-→CH3OH+6OH-。
进一步的，所述空气分离装置采用低温空气分离技术。
进一步的，所述水电解池采用碱性电解水、质子交换膜电解水或高温固体氧化物电解水技术。
进一步的，通过调节通入所述CO2和H2O共电解池中的H2O的量，来调控发生共电解反应的CO2与H2O的比例，进而控制生成目标产物。
进一步的，所述CO2与H2O发生共电解产生的碳氢化合物为甲醇或甲酸。
本发明与现有技术相比，有益效果在于：
本发明利用风能或太阳能发电驱动空气分离为氮气与氧气、驱动水电解为氢气和氧气，将所产生的氧气作为化石燃料燃烧的助燃剂，天然气及煤炭等化石燃料燃料时，化学能转化为机械能再转化为电能输出，同时产生高温烟气，高温烟气中只有水蒸气和CO2，可直接通入固体氧化物电解池进行共电解生成甲醇、甲酸等碳氢化合物。
由于电力来源为风能或太阳能发电，因此减少了二氧化碳排放。氢气与氮气可合成氨，作为***产物向外输出，产生经济价值。碳氢化合物(如甲醇、甲酸等)在常温下是液态，便于储运，而且是现代化工体系中重要的中间原料，既使得碳氢化合物的生产过程由高碳工艺转化为低碳工艺，同时实现二氧化碳的高值化资源化利用，从而抵消了碳减排付出的高昂成本，有利于化石燃料发电***进行低碳高效改革。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种CO2共电解结合富氧燃烧发电的综合能源***的结构框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个部件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参看图1，示出了本实施例提供的一种CO2共电解结合富氧燃烧发电的综合能源***，包括风电或光伏发电***1、水电解池2、空气分离装置3、氨合成模块4、富氧燃烧发电模块5以及CO2和H2O共电解池6。
风电或光伏发电***1的电能输出端口输出的电能分为三个支路，分别连接到水电解池2的电能输入端口、空气分离装置3的电能输入端口以及CO2和H2O共电解池4的电能输入端口，从而为电解水、空气分离以及共电解提供电能。
水电解池2的水输入口连接外部水源，其氢气输出端口连接氨合成模块4的氢气输入端口，其氧气输出端口连接富氧燃烧发电模块5的氧气输入端口。
空气分离装置3的氮气输出端口连接氨合成模块4的氮气输入端口，其氧气输出端口连接富氧燃烧发电模块5的氧气输入端口。
氨合成模块4用于将输入的氮气与氢气合成氨，作为***产物之一向外输出。
富氧燃烧发电模块5的燃料输入口用于输入化石燃料，化石燃料富氧燃烧，化学能转化为机械能再转化为电能，作为***产物之二向外输出；富氧燃烧发电模块5的尾气输出口输出的高温CO2和H2O气体分成两股，一股流入水电解池2的热源输入端口，另一股与来自水电解池2的换热后的尾气汇流后，一同流入CO2和H2O共电解池6的原料输入端口。
CO2和H2O共电解池6的水输入口连接外部水源，CO2与H2O发生共电解产生碳氢化合物(如甲醇或甲酸)，作为***产物之三向外输出。
应用本实施例的综合能源***的实现联产的操作流程如下：
S1、风电或光伏发电***1产生的电能分别进入水电解池2、空气分离装置3中，水在水电解池2发生电化学反应产生氢气与氧气，空气在空气分离装置3中产生氮气与氧气；所产生的氧气均汇流进入富氧燃烧发电模块5中作为助燃剂。
S2、氢气与氮气流入氨合成模块4合成氨，作为***多联产物之一向外输出。
S3、富氧燃烧发电模块5中氧气与天然气或煤炭等化石燃料进行富氧燃烧，化学能转化为机械能再转化为电能，作为***多联产物之二向外输出；同时产生高温烟气；所述高温烟气的主要成分是二氧化碳和水蒸气。
S4、所述高温烟气分为两股，一股为水电解池提供热量后与另一股汇流成为汇流烟气，所述汇流烟气通入CO2和H2O共电解池6中进行共电解，电能来自风电或光伏发电***1的发电；在所述CO2和H2O共电解池6中，二氧化碳和水蒸气转化为碳氢化合物，作为***多联产物之三向外输出。
其中，上述氨合成模块4中的化学反应为：
上述CO2和H2O共电解池6中，当采用氧化锡作为催化剂时，其化学反应为：
CO2+H2O+2e-→HCOO-+OH-
当采用钴酞菁作为催化剂时，其化学反应为：
CO2+5H2O+6e-→CH3OH+6OH-。
于实际应用中，空气分离装置3可采用低温空气分离技术，水电解池2可采用碱性电解水、质子交换膜电解水或高温固体氧化物电解水技术。
另外，还可通过调节通入CO2和H2O共电解池5中的H2O的量，来调控发生共电解反应的CO2与H2O的比例，进而控制生成目标产物。
综上所述，本实施例利用风能或太阳能发电驱动空气分离为氮气与氧气、驱动水电解为氢气和氧气，将所产生的氧气作为化石燃料燃烧的助燃剂，天然气及煤炭等化石燃料燃料时，化学能转化为机械能再转化为电能输出，同时产生高温烟气，高温烟气中只有水蒸气和CO2，可直接通入固体氧化物电解池进行共电解生成甲醇、甲酸等碳氢化合物。
由于电力来源为风能或太阳能发电，因此减少了二氧化碳排放。氢气与氮气可合成氨，作为***产物向外输出，产生经济价值。甲醇、甲酸等碳氢化合物在常温下是液态，便于储运，而且是现代化工体系中重要的中间原料，既使得碳氢化合物的生产过程由高碳工艺转化为低碳工艺，同时实现二氧化碳的高值化资源化利用，从而抵消了碳减排付出的高昂成本，有利于化石燃料发电***进行低碳高效改革。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种CO2共电解结合富氧燃烧发电的综合能源***，其特征在于，包括风电或光伏发电***、水电解池、空气分离装置、氨合成模块、富氧燃烧发电模块以及CO2和H2O共电解池；
所述风电或光伏发电***的电能输出端口输出的电能分为三个支路，分别连接到所述水电解池的电能输入端口、空气分离装置的电能输入端口以及CO2和H2O共电解池的电能输入端口；
所述水电解池的水输入口连接外部水源，其氢气输出端口连接所述氨合成模块的氢气输入端口，其氧气输出端口连接所述富氧燃烧发电模块的氧气输入端口；
所述空气分离装置的氮气输出端口连接所述氨合成模块的氮气输入端口，其氧气输出端口连接所述富氧燃烧发电模块的氧气输入端口；
所述氨合成模块用于将输入的氮气与氢气合成氨，作为***产物之一向外输出；
所述富氧燃烧发电模块的燃料输入口用于输入化石燃料，化石燃料富氧燃烧，化学能转化为机械能再转化为电能，作为***产物之二向外输出；所述富氧燃烧发电模块的尾气输出口输出的高温CO2和H2O气体分成两股，一股流入所述水电解池的热源输入端口，另一股与来自所述水电解池的换热后的尾气汇流后，一同流入所述CO2和H2O共电解池的原料输入端口；
所述CO2和H2O共电解池的水输入口连接外部水源，CO2与H2O发生共电解产生碳氢化合物，作为***产物之三向外输出。
2.一种CO2共电解结合富氧燃烧发电的联产方法，其特征在于，包括以下步骤：
将风电或光伏发电***产生的电能分别接入水电解池、空气分离装置中；水在水电解池发生电化学反应产生氢气与氧气，空气在空气分离装置中分离产生氮气与氧气；所产生的氧气均汇流进入富氧燃烧发电模块中作为助燃剂；
所述氢气与氮气通入氨合成模块中合成氨，作为产物之一向外输出；
富氧燃烧发电模块中氧气与化石燃料进行富氧燃烧，化学能转化为机械能再转化为电能输出，作为产物之二向外输出；同时产生高温烟气，所述高温烟气的成分包括二氧化碳和水蒸气；
高温烟气分为两股，一股为水电解池提供热量后与另一股汇流成为汇流烟气，所述汇流烟气通入CO2和H2O共电解池进行共电解，电能来自风电或光伏发电***的发电；
在CO2和H2O共电解池中，二氧化碳和水蒸气转化为碳氢化合物，作为产物之三向外输出；CO2和H2O共电解池中外接水源，用于调节H2O与CO2比例控制碳氢化合物生成过程。
3.如权利要求2所述的联产方法，其特征在于，所述氨合成模块中的化学反应为：
所述CO2和H2O共电解池中，当采用氧化锡作为催化剂时，其化学反应为：
CO2+H2O+2e-→HCOO-+OH-
当采用钴酞菁作为催化剂时，其化学反应为：
CO2+5H2O+6e-→CH3OH+6OH-。
4.如权利要求2所述的联产方法，其特征在于，所述空气分离装置采用低温空气分离技术。
5.如权利要求2所述的联产方法，其特征在于，所述水电解池采用碱性电解水、质子交换膜电解水或高温固体氧化物电解水技术。
6.如权利要求2所述的联产方法，其特征在于，通过调节通入所述CO2和H2O共电解池中的H2O的量，来调控发生共电解反应的CO2与H2O的比例，进而控制生成目标产物。
7.如权利要求6所述的联产方法，其特征在于，所述CO2与H2O发生共电解产生的碳氢化合物为甲醇或甲酸。
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