CN115324671A - 燃气-蒸汽联合循环发电耦合电解水的高温碳捕集与原位转化利用***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了燃气‑蒸汽联合循环发电耦合电解水的高温碳捕集与原位转化利用***及方法，包括联合循环发电机组子***、碳捕集与原位转化子***以及电解水子***。碳捕集与原位转化子***将联合循环发电机组子***的燃机发电组排出的高温含碳烟气进行碳捕集并进行原位转化获得目标化工产品，高温脱碳烟气和产品气分别回余热锅炉，推动汽轮发电组发电；碳转化过程所需氢气由电解水***提供；电解水子***的电能利用发电厂谷电或绿电进行，电解水产生的氧气为燃机发电组提供富氧燃烧气氛。本发明耦合了电解水的高温碳捕集与原位转化***与燃气‑蒸汽联合循环发电机组进行过程耦合和能量集成，通过全流程能量耦合与优化，有望保持电厂现有产电能效前提下，实现颠覆性负碳技术。
Description
技术领域
本发明属于二氧化碳捕集和转化利用技术领域，涉及高温二氧化碳捕集和原位转化利用，具体涉及一种燃气-蒸汽联合循环发电耦合电解水的高温碳捕集与原位转化利用***及方法。
背景技术
电力是能源行业最大的碳排放来源，占全球能源相关碳排放量近40％。鉴于我国能源结构特征，电力行业仍将以化石燃料火力发电为主体。因此，碳捕集、利用与封存(CCUS)技术将成为促进电力行业化石能源低碳利用不可缺失的重要手段之一。火力发电中燃气-蒸汽联合循环技术通过能量的梯级利用大幅度提升了能源利用和发电效率，被认为是一种未来清洁高效的化石燃料综合利用技术。该技术以燃气轮机、余热锅炉和蒸汽轮机为主设备，燃气轮机点火加热推动燃气透平转动，高温烟气(550℃-610℃)经燃气透平扩散段进入余热锅炉，加热锅炉给水后产生高温高压蒸汽推动蒸汽轮机，进一步提升热效率，余热锅炉经热交换后的烟气(90℃左右)排入大气。该过程由于烟气处理量大和二氧化碳(CO2)分压低(<5vol％)，使得分离过程的能耗和捕集成本大幅上升。
现有针对火力发电大规模CO2捕集技术主要采用溶剂吸收法，高温烟气须经过冷却至低温(<50℃)才能被吸收，存在较大热量损失，加之溶剂的高成本和高再生能耗，使得燃煤电厂额外能耗增加(供电效率降低10-15％)。其次捕集下来的CO2的出口问题，及其配套的CO2压缩、输送等引发高额成本问题也制约火力电厂大规模采用CCUS实现碳中和。
将CO2高值化利用是一种实现人工碳循环的方式，同时可以抵消部分捕集成本，产生一定经济效益。但由于CO2在热力学上极为稳定，需要提供大量氢源和输入额外能量(高温条件)才能转化为高附加值化学品(如甲烷和合成气等)，使得大规模的CO2资源化利用也面临成本高和能耗大的问题。由于传统低温碳捕集和高温碳转化过程往往温度不匹配，如何将碳捕集过程和碳转化进行过程耦合成为CCUS的关键问题。
基于联合循环发电机组燃气轮机排放的高温烟气本身具有的热能和电厂谷电以及可再生电力大规模电解水提供高纯绿氢，研究一种低成本和低能耗耦合电解水的高温碳捕集与原位转化技术与燃气-蒸汽联合循环机组的集成技术具有重要意义。该技术的研发可从源头消除CO2的产生，利用烟气热能实现人工碳循环，减少CCUS所需的高能耗，将CO2转化为具有附加值的产品，解决电力行业低碳发展的瓶颈问题。
发明内容
本发明针对燃气-蒸汽联合循环发电***将燃气轮机排出的高温烟气(550–650℃)通入余热锅炉带动蒸汽轮机发电，最后排放含碳烟气(90–110℃)中CO2浓度低难处理的问题，提供了一种耦合电解水的高温碳捕集与原位转化利用***和方法，从生产源头建立电厂低碳化发电的新模式。
将燃气轮机排出的高温烟气进行碳捕集，同时将捕集的碳作为资源原位转化获得目标化工产品，形成人工化学碳循环；或为化工行业提供原料，进行产业间协同碳中和。碳转化过程所需氢气由电解水***提供，电解过程利用电厂谷电或绿电作为电源，提高电厂的调峰能力，电解水产生的氧气可为燃气轮机提供富氧燃烧气氛。因此，耦合了电解水的高温碳捕集与原位转化***与燃气-蒸汽联合循环发电机组进行过程耦合和能量集成，通过全流程能量耦合与优化，有望保持电厂现有产电能效前提下，实现颠覆性负碳技术。
本发明的第一方面，提供了一种燃气-蒸汽联合循环发电耦合电解水的高温碳捕集与原位转化利用***，具有如下技术特征：包括联合循环发电机组子***、碳捕集与原位转化子***以及电解水子***。
联合循环发电机组子***包括燃机发电组和汽轮发电组：燃机发电组包括压缩机、燃烧室、燃气透平、燃机发电机以及换热器；汽轮发电组包括余热锅炉、蒸汽轮机、汽轮发电机、凝汽器、气体输送单元以及循环泵。
燃机发电组中，压缩机、燃烧室、燃气透平依次连接构成布雷顿循环单元，带动燃机发电机发电；余热锅炉、蒸汽轮机、凝汽器与循环泵依次循环连接构成朗肯循环单元，带动汽轮发电机发电。
碳捕集与原位转化子***嵌入在布雷顿循环单元与朗肯循环单元之间，即燃机发电组燃气透平出口与汽轮发电组余热锅炉入口之间，包括进气控制单元、吸附与转化反应塔、检测控制***、水汽分离器与气体输送单元。
进气控制单元包括烟气、氢气、氮气进气程序控制装置；吸附与转化反应塔至少为并列设置的两个，包括反应器和内部换热单元，反应器为固定床、流化床或移动床，内设置有吸附/催化双功能材料，通过高温烟气与氢气切换，实现CO2捕集与原位转化连续化运行；检测控制***包括各类传感器、仪表、控制器等，实时监测各项参数，控制反应流程处于正常范围内；水汽分离器包括冷凝器，将汽体冷凝成水；气体输送单元包括管道以及安装在管道上的各式阀门。
电解水子***包括水电解池以及分别与电解池的阳极和阴极连接的氧气储罐与氢气储罐；所述氧气储罐通过阀门与压缩机连接，所述氢气储罐通过阀门与吸附与转化反应塔连接。
本发明的第二方面，提供了采用上述***进行高温碳捕集与原位转化利用的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)联合循环发电机组子***燃气轮机产生的高温含碳烟气在碳捕集与原位转化子***中，CO2被吸附/催化双功能材料吸附，并在由电解水子***产生的氢气参与下被原位催化加氢转化为目标化工产品；
(2)步骤(1)产生的高温脱碳烟气、高温产品气分别在余热锅炉中发生热交换，推动汽轮发电机发电；热交换后的低温脱碳烟气直接排空，低温目标化工产品作为化工生产原料存储或作为燃气发电的燃料，冷凝后的水为电解水子***提供水源；
(3)联合循环发电机组子***为电解水子***提供电能，电解产生的氧气为联合循环发电机组子***燃烧室燃料燃烧提供富氧环境。
优选的，步骤(1)具体包括如下步骤：
根据碳捕集与原位转化过程所需反应温度，高温含碳烟气经过换热器换热降温后或直接进入吸附与转化反应塔中，CO2被吸附/催化双功能材料吸附捕集，并在捕集过程中控制反应温度；在当前反应塔吸附饱和后，切换至其它并联的反应塔继续进行碳捕集，同时对当前反应塔进行氮气吹扫后，通入预热后氢气将吸附的CO2进行原位催化转化，得到目标化工产品，并联设置的反应塔依次进行吸附、吹扫与原位加氢转化。
其中，碳捕集与原位转化子***采用的吸附/催化双功能材料，吸附活性组分为碱金属氧化物，催化活性组分为双金属催化剂。
高温碳捕集技术主要基于的反应为碱金属氧化物、碱土金属氧化物及其碳酸盐之间发生的碳酸化和脱碳化的循环，如方程式1-4。主要碱金属为钙系吸附剂和镁系吸附剂。
CaO+CO2＝CaCO3, ΔH298K＝-178kJ/mol (1)
MgO+CO2＝MgCO3, ΔH298K＝-101kJ/mol (2)
Na2O+CO2＝Na2CO3 ΔH298K＝-322kJ/mol (3)
K2O+CO2＝K2CO3 ΔH298K＝-348kJ/mol (4)
捕集过程中控制反应温度的方式如下：对于放热反应，需要经过吸附与转化反应塔内部的换热单元将热量导出；对于吸热反应，将燃气经过燃烧式加热器后产生的900-1100℃高温烟气，通入吸附与转化反应塔夹套中为碳转化反应补热。
原位CO2催化加氢还原主要基于的反应为逆水煤气反应(RWGS)，甲烷化反应，加氢制甲醇和加氢制烯烃等(如方程式5-7)。
CO2+H2＝CO+H2O, ΔH298K＝+41kJ/mol (5)
CO2+4H2＝CH4+2H2O ΔH298K＝-63kJ/mol (6)
CO2+H2＝CH3OH+H2O ΔH298K＝-49.5kJ/mol (7)
nCO2+(3n+1)H2＝CnH2n+1+2nH2O ΔH298K＝-128kJ/mol (8)
原位CO2催化加氢还原主要催化剂为镍系双金属、铁系双金属、铜系双金属、铂、钌、铑、锆等贵金属催化剂。
原位CO2催化加氢转化的目标产品可以是但不限于甲烷，合成气，低碳醇，烯烃和轻质燃料等。
优选的，步骤(2)包括如下步骤：
吸附与转化反应塔中产生的高温脱碳烟气和高温产品气分别通入余热锅炉换热将热量传递给水蒸气，推动汽轮发电组发电；低温脱碳烟气直接排空，而低温产品气经水气分离器脱水后进入储罐，其中，能作为燃气发电的燃料产品气通入燃烧室进行燃烧利用，形成人工碳循环，其它产品供化工高附加值利用；水气分离器汽器产生的水通过循环泵通入电解池中进行电解。
步骤(3)包括如下步骤：
利用联合循环发电子***调峰后的冗余谷电或绿电输入电解池进行水电解，产生氧气与氢气经管道分别输送至氧气储罐与氢气储罐中；氧气储罐中的氧气与空气混合，通过压缩机压缩后，与燃料一同通入燃烧室中进行富氧燃烧，推动燃机发电机发电。
本发明的有益保障及效果：
1、本发明提供的燃气-蒸汽联合循环发电耦合电解水的碳捕集与原位转化利用***，以联合循环发电机组为基础，将原本独立的联合循环发电***、碳捕集过程和碳转化利用***、电解水***进行集成整合为一个有机整体，实现能量高效利用和原料的循环利用，在保持电厂现有产电能效前提下，实现低能耗的高温烟气CO2捕集与高值化利用。
2、相比于传统的火力电厂碳捕集过程，本发明的方法充分利用联合循环发电中燃气机组排出的高温烟气热量和吸附过程反应热，直接将捕获的CO2原位转化，实现能量的高效利用，避免了常温CO2捕集需要将高温烟气降温、反应转化过程又需要升温的矛盾，大幅度降低了能源消耗，实现高温烟气的能源利用。
3、本发明提供的方法在实现了捕集的CO2原位加氢转化附加值产品，同一反应器进行碳捕集与转化过程，避免了气体压缩和管道运输等过程，流程相对简单，减少设备投资，同时产生的化工品可以直接进入燃气机组作为燃料或作为下游化工生产原料，产生一定的经济价值，实现人工碳循环，从而减少化石燃料的使用。
4、本发明通过利用联合循环发电的谷电或绿电为电解水制氢提供电能，增强电厂的调峰能力。电解水为CO2原位转化提供氢源，同时产生的氧气代替燃气轮机通入的部分空气，提高了燃气机组中氧气含量，有利于提升燃气轮机燃烧效率。同时原位转化加氢过程产生的水，又可送回电解水子***作为原料，实现水的循环利用。
附图说明
图1是本发明燃气-蒸汽联合循环发电耦合电解水的碳捕集与原位转化技术流程框图。
图2为燃气-蒸汽联合循环发电耦合电解水的高温碳捕集与原位转化甲烷***工艺流程示意图。
其中，燃烧室F-1；余热锅炉F-2；空气压缩机C-1；燃气透平M-1；蒸汽轮机M-2；电解池M-3；换热器E-1、E-3；凝汽器E-2、E-4；循环泵P-1、P-2；甲烷储罐S-1；氢气储罐S-2；氧气储罐S-3；吸附与转化反应塔T-1、T-2；二通阀V-1～2、V-9～12；三通阀V-3～V-7；四通阀V-8。
图3为燃气-蒸汽联合循环发电耦合电解水的高温碳捕集与原位转化合成气******工艺流程示意图。
其中，燃烧室F-1；余热锅炉F-2；燃烧式加热器F-3；空气压缩机C-1；燃气透平M-1；蒸汽轮机M-2；电解池M-3；换热器E-1、E-3、凝汽器E-2、E-4；循环泵P-1、P-2；合成气储罐S-1；氢气储罐S-2；氧气储罐S-3；吸附与转化反应塔T-1、T-2；二通阀V-1、V-3、V-7、V-11、V-13～15；三通阀V-2、V-4、V-5～6、V-8～9、V-12；四通阀V-10。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
根据图1，基于燃气-蒸汽联合循环发电机组的耦合电解水的高温碳捕集与原位转化***100包括：联合循环发电机组子***1、碳捕集与原位转化子***2以及电解水子***3。
结合图1和图3，联合循环发电机组子***1包括燃机发电组和汽轮发电组：燃机发电组包括压缩机、燃烧室、燃气透平、燃机发电机以及换热器；汽轮发电组包括余热锅炉、蒸汽轮机、汽轮发电机、凝汽器、气体输送单元以及循环泵。
燃料和氧气进入燃气轮机压缩燃烧后发电，产生的高温烟气在燃气透平输出，经碳捕集与原位转化子***2高温吸附和转化后，分别得到的高温烟气和产品气进入余热锅炉对水蒸气加热，推动汽轮发电机发电，热交换后的低温脱碳烟气直接排空，低温产品气中甲烷等轻质燃料回燃气发电组中燃烧室燃烧，合成气、低碳醇、烯烃等进入储气罐供化工应用。电解水子***3产生的氧气进入空气压缩机后，提供富氧环境提高燃机效率。
对于碳捕集与原位转化子***2，包括进气控制单元、吸附与转化反应塔、检测控制***、水汽分离器与气体输送单元。
进气控制单元包括烟气、氢气、氮气进气程序控制装置；吸附与转化反应塔至少为并列设置的两个，包括反应器和内部换热单元，反应器为固定床、流化床或移动床，内设置有吸附/催化双功能材料，通过高温烟气与氢气切换，实现CO2捕集与原位转化连续化运行；检测控制***包括各类传感器、仪表、控制器等，实时监测各项参数，控制反应流程处于正常范围内；水汽分离器包括冷凝器，将汽体冷凝成水；气体输送单元包括管道以及安装在管道上的各式阀门。
从联合循环发电机组子***1燃气透平输出的高温烟气、从电解水子***3氢气储罐输出的氢气、从氮气储罐输出的氮气分别进入进气控制单元，经预热器热交换，程序进入吸附和转化反应塔；分别得到的高温脱碳烟气和高温产品气从吸附和转化反应塔输出，进入联合循环发电机组子***1余热锅炉进行热交换。
对于电解水子***3，其包括水电解池以及分别与电解池的阳极和阴极连接的氧气储罐与氢气储罐；所述氧气储罐通过阀门与压缩机连接，所述氢气储罐通过阀门与吸附与转化反应塔连接。
联合循环发电子***1调峰后的冗余电能给电解池提供电能。阳极产生的氧气从氧气罐输出，至联合循环发电机组子***1燃气轮机空气压缩机，为燃料燃烧提供富氧环境。阴极产生的氢气从氢气罐输出，至碳捕集与原位转化子***2进气***，将捕集的CO2原位加氢转化为目标产品。转化过程产生的水经水汽分离器冷凝，进入电解池电解水。
原位CO2催化加氢还原主要基于的反应为逆水煤气反应(RWGS)，甲烷化反应，加氢制甲醇和加氢制烯烃等。下分别以甲烷化反应和逆水煤气反应(RWGS)反应为例，分别对耦合电解水的高温碳捕集与原位转化甲烷与燃气-蒸汽联合循环发电的集成的具体过程进行详细描述。该两个反应也恰好分别属于放热反应和吸热反应，也同时对反应过程中的温度控制方式进行展示。
实施例1基于甲烷化反应的耦合电解水的高温碳捕集与原位转化甲烷与燃气-蒸汽联合循环发电的集成
参见图2。本实施例中，将高温碳捕集与原位转化甲烷子***与电解水子***耦合，再与燃气-蒸汽联合循环发电子***集成。首先利用联合循环发电子***调峰后的冗余电能输入电解池M-3进行水电解，产生氧气与氢气经管道分别输送至氧气储罐S-3与氢气储罐S-2中。打开二通阀V-12，氧气储罐S-3中的氧气与空气混合，通过压气机C-1压缩后，与燃料(甲烷)一同通入燃烧室F-1中产生高温高压烟气，推动燃气透平M-1做功，带动燃机发电机发电，排出的高温含碳烟气约600℃。
随后打开二通阀V-11，高温含碳烟气经过换热器E-3进行换热，温度降低为400℃，随后进入碳捕集与转化子***。吸附与转化反应塔T-1、T-2中装填镁系吸附/镍系双金属催化双功能材料。打开三通阀V-7进入吸附与转化反应塔T-1进行碳捕集，吸附过程发生的化学反应过程如反应方程2，由于吸附过程放热，吸附过程通过反应塔内部的换热单元将热量及时排出，控制吸附与转化反应塔温度在350-450℃之间，脱碳后的烟气温度升高至500℃。当吸附与转化反应塔T-1吸附饱和之后，打开三通阀V-7将高温烟气通入吸附与转化反应塔T-2中进行碳捕集。同时，打开二通阀V-9，通过控制四通阀V-8将氮气通入吸附与转化反应塔T-1中吹扫5分钟。随后四通阀V-8切换至氢气，将储罐S-2中的氢气通过换热器E-3进行预热后，通入吸附与转化反应塔T-1，将吸附的CO2催化转化为甲烷，同时吸附剂获得再生，此过程发生的CO2甲烷化反应如反应方程6所示，为放热反应，需要经过吸附与转化反应塔内部的换热单元将热量导出，控制反应器温度为350-450℃之间。完成转化反应之后准备进入下一个碳捕集阶段。两吸附与转化反应塔T-1、T-2并联运行，并通过控制三通阀V-7、四通阀V-8进行碳捕集、碳利用过程的切换，通过控制四通阀V-8实现碳捕集向碳转化过程切换间的氮气吹扫。由于吸附与反应塔中发生的反应皆为放热反应，因此在碳捕集与原位转化子***过程中不需要额外补充热量，利用高温烟气热量预热氢气，同时将放热的反应热充分利用。
两吸附与转化反应塔T-1、T-2中产生的高温脱碳烟气(500℃)和高温产品甲烷(450℃)可通过调控三通阀V-3～V-6，通过换热器E-1将热量传递给余热锅炉F-2，余热锅炉F-2产生的蒸汽进入蒸汽轮机M-2做功，带动汽轮发电机发电，从而提高联合循环发电能效，随后蒸汽进入凝汽器E-2变成水，通过循环泵P-1重新进入余热锅炉F-2循环利用。通过换热器E-1后，低温脱碳烟气(90℃)可通过二通阀V-2直接排空，而低温甲烷(90℃)可通过凝汽器E-4分离水纯化后进入甲烷储罐S-1，甲烷可作为燃气通过二通阀V-1通入燃烧室F-1进行燃烧利用，形成人工碳循环。凝汽器E-4产生的水通过二通阀V-10，经循环泵P-2通入电解池M-3中进行电解，实现了原料和能量的自足。
利用电厂冗余的谷电或者绿电电解水，阴极得到的氢气作为将捕集的CO2原位加氢制备化工品的原料；而且同时阳极产生的氧气，可以代替原联合循环发电***的空气，提供燃料的富氧环境，提高燃气轮机的发电效率，同时增强了电厂的调峰能力。
实施例2基于逆水煤气反应(RWGS)的耦合电解水的高温碳捕集与原位转化合成气与燃气-蒸汽联合循环发电的集成
参见图3。本实施例中，将高温碳捕集与原位转化合成气子***与电解水子***耦合，再与燃气-蒸汽联合循环发电子***集成。首先利用联合循环发电子***调峰后的冗余电能提供电解池M-3电解水能量，产生氧气与氢气，分别储存于氢气储罐S-2和氧气储罐S-3中。打开二通阀V-15，氧气储罐S-3中的氧气与空气混合，通过空气压缩机C-1压缩后，与燃料(甲烷)一同通入燃烧室F-1中产生高温高压烟气，推动燃气透平M-1做功带动燃机发电机发电，产生约600℃的高温含碳烟气。随后高温含碳烟气通过二通阀V-7进入碳捕集与转化子***。
吸附与转化反应塔T-1、T-2中装填有钙系吸附/铁系双金属催化双功能材料。高温含碳烟气通过三通阀V-9进入吸附与转化反应塔T-1进行碳捕集过程，发生吸附过程如反应方程1，由于吸附过程放热，吸附过程中通过吸附与转化反应塔内部的换热单元将热量及时排出，控制吸附与转化反应塔温度为600-650℃，脱碳后的高温烟气约700℃。当吸附与转化反应塔T-1吸附饱和之后，控制三通阀V-9将高温烟气通入吸附与转化反应塔T-2中进行新一轮的碳捕集过程。同时，打开二通阀V-11，通过控制四通阀V-10将氮气通入吸附与转化反应塔T-1中吹扫5分钟。随后四通阀V-10切换至氢气，储罐S-2中的氢气通过换热器E-3进行预热后，通入吸附与转化反应塔T-1，将吸附的CO2催化转化为CO，与过量加入的氢气组成合成气，同时钙系吸附剂获得再生。此过程发生的化学反应如反应方程5，由于该反应为吸热反应，因此需要打开二通阀V-13，将燃气(甲烷)，经过燃烧式加热器F-3后产生约900-1100℃高温烟气，通过三通阀V-12通入吸附与转化反应塔T-1夹套中为碳转化反应补热，并控制反应塔温度在600-650℃之间，补热之后的高温烟气温度维持在700℃，再经过三通阀V-8，通过换热器E-3对氢气进行预热，将氢气加热到600℃，换热后的高温烟气通过二通阀V-3汇入燃气轮机产生的高温含碳烟气，进入碳捕集与利用子***。完成转化反应之后的反应塔准备进入下一个碳捕集阶段。两吸附与转化反应塔T-1、T-2并联运行，并通过控制三通阀V-9、四通阀V-10进行碳捕集、吹扫、转化过程的切换，通过控制三通阀V-12，利用甲烷燃气在燃烧式加热器F-3中产生的高温烟气对正在进行碳利用阶段的吸附与转化反应塔T-1或T-2进行补热。
两吸附与转化反应塔T-1、T-2中产生的高温脱碳烟气(700℃)、高温产品合成气(600℃)可通过调控三通阀V-2、V-4～6，通过换热器E-1将热量传递给余热锅炉F-2，余热锅炉F-2产生的蒸汽进入蒸汽轮机M-2做功，带动汽轮发电机发电，从而提高联合循环发电能效，随后蒸汽进入凝汽器E-2变为水，经过循环泵P-1重新通入余热锅炉F-2循环利用。通过换热器E-1后，低温脱碳烟气(90℃)可通过二通阀V-1直接排空，而低温合成气(90℃)可通入凝汽器E-4进行分离纯化进入合成气储罐S-1，为后续化工高附加值转化利用。凝汽器E-4产生的水通过二通阀V-10，经循环泵P-2通入电解池M-3中进行电解循环利用。
利用电厂冗余的谷电或者绿电电解水，阴极得到的氢气作为将捕集的CO2原位加氢制备化工品的原料；而且同时阳极产生的氧气，可以代替原联合循环发电***的空气，提供燃料的富氧环境，提高燃气轮机的发电效率。同时增强了电厂的调峰能力。
本说明书中未作详细描述的内容均属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
以上已对本发明的实例进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明创造精神的前提下还可做出种种的等同的变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (9)
1.一种燃气-蒸汽联合循环发电耦合电解水的高温碳捕集与原位转化利用***，其特征在于，包括：联合循环发电机组子***、碳捕集与原位转化子***以及电解水子***，
所述碳捕集与原位转化子***将所述联合循环发电机组子***的燃机发电组排出的高温含碳烟气进行碳捕集并进行原位转化获得目标化工产品，高温脱碳烟气和产品气分别回余热锅炉，推动汽轮发电组发电；碳转化过程所需氢气由电解水***提供；所述电解水子***的电能由发电厂谷电或绿电提供，电解水产生的氧气为燃气轮机提供富氧燃烧气氛。
2.根据权利要求1所述的燃气-蒸汽联合循环发电耦合电解水的高温碳捕集与原位转化利用***，其特征在于，所述联合循环发电机组子***包括燃机发电组和汽轮发电组，
所述燃机发电组包括压缩机、燃烧室、燃气透平、燃机发电机以及换热器；所述汽轮发电组包括余热锅炉、蒸汽轮机、汽轮发电机、凝汽器、气体输送单元以及循环泵，
其中，所述燃机发电组中，压缩机、燃烧室、燃气透平依次连接构成布雷顿循环单元，带动燃机发电机发电；余热锅炉、蒸汽轮机、凝汽器与循环泵依次循环连接构成朗肯循环单元，带动汽轮发电机发电。
3.根据权利要求2所述的燃气-蒸汽联合循环发电耦合电解水的高温碳捕集与原位转化利用***，其特征在于：
其中，所述碳捕集与原位转化子***嵌入在燃机发电组燃气透平出口与汽轮发电组余热锅炉入口之间，包括进气控制单元、吸附与转化反应塔、检测控制***、水汽分离器与气体输送单元，
所述电解水子***包括水电解池以及分别与电解池的阳极和阴极连接的氧气储罐与氢气储罐；所述氧气储罐通过阀门与压缩机连接，所述氢气储罐通过阀门与吸附与转化反应塔连接。
4.根据权利要求3所述的燃气-蒸汽联合循环发电耦合电解水的高温碳捕集与原位转化利用***，其特征在于：
其中，所述进气控制单元包括高温含碳烟气、氢气、氮气的进气程序控制装置；
所述吸附与转化反应塔至少为并列设置的两个，包括反应器和内部换热单元，所述反应器内设置有吸附/催化双功能材料。
5.根据权利要求4所述的燃气-蒸汽联合循环发电耦合电解水的高温碳捕集与原位转化利用***，其特征在于：
其中，反应器为固定床、流化床或移动床。
6.采用权利要求1～4任一项所述的***进行高温碳捕集与原位转化利用的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)联合循环发电机组子***燃气轮机产生的高温含碳烟气在碳捕集与原位转化子***中，二氧化碳被吸附/催化双功能材料吸附，并在由电解水子***产生的氢气参与下被原位催化加氢转化为目标化工产品；
(2)步骤(1)产生的高温脱碳烟气、高温产品气分别在余热锅炉中发生热交换，推动汽轮发电机发电；热交换后的低温脱碳烟气直接排空，低温目标化工产品作为化工生产原料存储或作为燃气发电的燃料，冷凝后的水为电解水子***提供水源；
(3)联合循环发电机组子***为电解水子***提供电能，电解产生的氧气为联合循环发电机组子***燃烧室燃料燃烧提供富氧环境。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：
其中，步骤(1)具体包括如下步骤：
根据碳捕集与原位转化过程所需反应温度，高温含碳烟气经过换热降温后或直接进入吸附与转化反应塔中，烟气中二氧化碳被吸附/催化双功能材料吸附捕集，并在捕集过程中控制反应温度；在当前反应塔吸附饱和后，切换至其它并联的反应塔继续进行碳捕集，同时对当前反应塔进行氮气吹扫后，通入预热后氢气将吸附的CO2进行原位催化转化，得到目标化工产品，其它并联设置的反应塔也依次进行吸附、吹扫与原位加氢转化；
步骤(2)包括如下步骤：
吸附与转化反应塔中产生的高温脱碳烟气和高温产品气分别通入余热锅炉换热将热量传递给水蒸气，推动汽轮发电机组发电；低温脱碳烟气直接排空，而低温产品气经水气分离器脱水后进入储罐，其中，能作为燃气发电的燃料产品气通入燃烧室进行燃烧利用，形成人工碳循环，其它产品供化工高附加值利用；水气分离器产生的水通过循环泵通入电解池中进行电解；
步骤(3)包括如下步骤：
利用联合循环发电子***调峰后的冗余谷电或绿电输入电解池进行水电解，产生氧气与氢气经管道分别输送至氧气储罐与氢气储罐中；氧气储罐中的氧气与空气混合，通过压缩机压缩后，与燃料一同通入燃机发电组燃烧室中进行富氧燃烧，推动燃机发电机发电。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：
其中，步骤(1)中，吸附/催化双功能材料中，吸附活性组分为碱金属氧化物或碱土金属氧化物，催化活性组分为双金属催化剂，包括镍系双金属、铁系双金属、铜系双金属、铂、钌、铑或锆贵金属催化剂；
捕集过程中控制反应温度的方式如下：对于放热反应，需要经过吸附与转化反应塔内部的换热单元将热量导出；对于吸热反应，将燃气经过燃烧式加热器后产生的900-1100℃高温烟气，通入吸附与转化反应塔夹套中为碳转化反应补热；
原位CO2催化转化主要基于的反应为逆水煤气反应、甲烷化反应、加氢制甲醇或加氢制烯烃反应；
所述目标化工产品为甲烷，合成气，低碳醇，烯烃或轻质燃料。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：
其中，步骤(1)中，当吸附活性组分为钙氧化物时，高温含碳烟气直接进入吸附与转化反应塔中；当吸附活性组分为镁氧化物时，高温含碳烟气经换热降温后进入吸附与转化反应塔。
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| CN117703554A (zh) * | 2024-01-16 | 2024-03-15 | 山东大学 | 一种核电站运行中的综合能源利用***及其应用 |
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