CN117072263A - 一种煤部分气化与半焦加压富氧燃烧耦合的氢电联产*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤部分气化与半焦加压富氧燃烧耦合的氢电联产***。相较于现有技术半焦燃烧一般采用常压空气燃烧，现有气化氛围一般选用空气和水蒸气，本发明中采用加压循环流化床作为煤部分气化与半焦加压富氧燃烧的反应器，采用纯氧和循环烟气二氧化碳作为气化氛围。半焦富氧燃烧可以尽可能燃烧半焦，富集燃烧产物中CO2，使得***捕集CO2更容易，更加容易实现***运行0碳排放，提高***整体运行效率。采用的纯氧由空分制氧单元提供，二氧化碳由二氧化碳捕集单元提供，实现了***内废气的合理利用。
Description
技术领域
本发明涉及氢能源制备领域，具体涉及一种煤部分气化与半焦加压富氧燃烧耦合的氢电联产***。
背景技术
与传统化石能源相比，氢能作为一种绿色能源具有广阔的应用前景。制氢***作为氢能产生的重要环节，对氢能的应用和发展起着至关重要的作用。
目前，世界范围内仍以化石燃料为主要原料制氢，而中国作为煤炭大国，则以煤为主要制氢原料。传统的煤气化制氢工艺是将煤通过一系列的反应转化为氢气和一些其他的气体(如一氧化碳、二氧化碳等)，并未对其他气体的化学能进行利用。因此，煤制氢存在着碳排放高、能耗大、污染物排放等问题，限制了其进一步发展和应用。
当前制氢***多采用整体气化，对设备运行要求高，氢电联产***主要采用空气与水蒸气作为气化剂，且燃烧部分采用空气常压燃烧，导致煤气化与燃烧部分存在压差，导致能量损失，且常压空气燃烧会导致污染物增多且不利于二氧化碳的捕集，且当前的氢电联产***主要用于动力循环，其***整体氢电比较低，主要用于发电，而未将氢气作为主要产物。
发明内容
发明的目的是为了解决现有技术中的不足，提供一种实现煤高效氢电联产的同时实现硫氧化物、氮氧化物等污染物及二氧化碳温室气体的零排放的煤部分气化与半焦加压富氧燃烧耦合的氢电联产***。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方法是：本发明公开了一种煤部分气化与半焦加压富氧燃烧耦合的氢电联产***，包括空分制氧单元、煤部分气化单元、半焦加压富氧燃烧单元、气化产物净化与重整单元、变压吸附单元、蒸汽朗肯循环发电单元和CO2捕集单元；
所述空分制氧单元为所述煤部分气化单元及半焦加压富氧燃烧单元输送氧气；
所述煤部分气化单元发生煤部分气化反应，将粗合成气送入所述气化产物净化与重整单元，将固体产物半焦送入半焦燃烧单元；
所述半焦加压富氧燃烧单元从所述空分制氧单元、煤部分气化单元及蒸汽朗肯循环发电单元中分别获得纯氧、半焦和再循环烟气，进行燃烧反应，并对燃烧产物进行气固分离；
所述半焦加压富氧燃烧单元为所述蒸汽朗肯循环发电单元提供高温水蒸气，所述蒸汽朗肯循环发电单元向所述半焦加压富氧燃烧单元提供低温水蒸气，实现水蒸气循环；
所述气化产物净化与重整单元将经过重整反应与变化反应的洁净合成气送入所述变压吸附单元；
所述变压吸附单元将洁净合成气中氢气分离储存，将去除氢气后的合成气废气送入所述CO2捕集单元。
进一步的，所述煤部分气化单元包括加压循环流化床气化炉、煤炭干燥净化装置和气固分离装置；
煤粉从煤炭干燥净化装置干燥净化后送入加压循环流化床气化炉；由氧气加热器向所述加压循环流化床气化炉输送氧气；所述CO2捕集单元中二氧化碳换热器为所述加压循环流化床气化炉提供CO2，加压循环流化床气化炉内发生煤部分气化反应；
加压循环流化床气化炉的反应产物送入所述气固分离装置进行分离处理；所述气固分离装置将粗合成气送入气化产物净化与重整单元中的余热回收换热器，将固体产物半焦送入所述半焦燃烧单元中的加压循环流化床燃烧炉中进行燃烧。
进一步的，所述半焦加压富氧燃烧单元包括加压循环流化床燃烧炉与旋风分离器；
所述加压循环流化床燃烧炉的进料口与空分制氧单元中的氧气加热器、煤部分气化单元中的气固分离装置以及蒸汽朗肯循环发电单元中的省煤器连通，分别获得纯氧、半焦、再循环烟气进行燃烧反应；
所述加压循环流化床燃烧炉向所述蒸汽朗肯循环发电单元中的低温过热器输出全部水蒸气，向所述半焦加压富氧燃烧单元中的旋风分离器输出全部燃烧反应产物；
所述旋风分离器将所述加压循环流化床燃烧炉中的燃烧产物进行气固分离，实现气体烟气与固体废料的分离；所述旋风分离器将固体废料送入所述蒸汽朗肯循环发电单元中的中温过热器，将气态烟气送入所述蒸汽朗肯循环发电单元中的高温过热器。
进一步的，所述气化产物净化与重整单元包括余热回收换热器、除杂装置、重整反应器、合成气换热器；
所述余热回收换热器将所述气固分离装置输出的粗气化产物进行余热回收，并将热量作为所述重整反应器的热源；
所述余热回收换热器出料口与除杂装置的进料口连通；
所述除杂装置对气化产物进行脱硫，除去粗合成气中酸性气体后，输送至所述重整反应器；
所述蒸汽朗肯循环发电单元中的高温换热器为所述重整反应器输入水蒸气，用来作为重整反应的反应物；
所述重整反应器出料口与合成气换热器连通，合成气换热器将经过重整反应与变化反应的洁净合成气送入所述变压吸附单元中的变压吸附装置。
进一步的，所述蒸汽朗肯循环发电单元包括低温过热器、中温过热器、高温过热器、高压蒸汽轮机、中压蒸汽轮机、低压蒸汽轮机、冷凝器、高温换热器、低温换热器、水泵、省煤器、低温再热器和高温再热器；
所述中温过热器接收所述旋风分离器输出的高温固体废料以及所述低温过热器排出的水蒸气；在所述中温过热器中，固体废料加热水蒸气使水蒸气过热后，所述中温过热器向高温过热器输送高温水蒸气，向所述低温过热器输出固体废料；固体废料经所述低温过热器送入所述加压循环流化床燃烧炉；
所述高温过热器利用旋风分离器提供的高温气态烟气对中温过热器输入的高温水蒸气进一步过热，向所述高压蒸汽轮机输出高温水蒸气，向所述高温再热器提供气态烟气；
所述高压蒸汽轮机向所述高温换热器及低温再热器输送高温水蒸气；
所述低温再热器利用高温再热器输送的高温气态烟气进一步加热通过所述低温再热器的高温水蒸气，并将所述高温水蒸气输送至高温再热器；
所述高温再热器为所述中压蒸汽轮机提供再热水蒸气，向所述低温再热器输出气态烟气；
所述中压蒸汽轮机与所述低温换热器连通，另一支与低压蒸汽轮机连通，低压蒸汽轮机出料口与冷凝器进料口连通；
水蒸气在冷凝器中被冷却为液态，经构水泵送入低温换热器，成水蒸气循环；所述水泵还可向所述低温换热器直接供水。
进一步的，水蒸气在所述高压蒸汽轮机中膨胀做功输出电力，所述高压蒸汽轮机出料口水蒸汽状态为4MPa；
在所述高温再热器内，气态烟气将水蒸气进行再热，所述高温再热器的水蒸气出料口状态为560℃，4MPa；
水蒸气在中压蒸汽轮机中膨胀做功输出电力，所述中压蒸汽轮机出料口水蒸汽状态为2MPa；
水蒸气在低压蒸汽轮机中膨胀做功输出电力，出料口水蒸汽状态为0.75MPa。
进一步的，所述变压吸附单元包括变压吸附装置、氢气压气机、氢气储存装置和废气换热器；
所述变压吸附装置将洁净合成气中氢气分离后送入氢气压气机进行加压后，由氢气压气机将加压后的氢气送入氢气储存装置进行保存；去除氢气后的合成气废气送入废气换热器。
进一步的，所述CO2捕集单元包括闪蒸反应器、废气多级压气机、废气净化装置、二氧化碳换热器、废气蒸馏塔、二氧化碳压气机和二氧化碳储存装置；
所述变压吸附装置将洁净合成气中氢气分离后送入氢气压气机进行加压后，由氢气压气机将加压后的氢气送入氢气储存装置进行保存；去除氢气后的合成气废气送入废气换热器；
所述废气换热器将废气送入闪蒸反应器；所述闪蒸反应器排出所述废气内水分后，将干燥废气送入废气多级压气机加压后通入废气净化装置，经过洗涤，在脱NOx过程中将NO转化为HNO3，将二氧化碳与其余酸性溶液相分离；
所述废气净化装置将经过洗涤后的废气送入二氧化碳换热器，经所述二氧化碳换热器输送至废气蒸馏塔；所述废气蒸馏塔将输入的废气进行分离，分为CO与其余气体，再送入二氧化碳换热器中。
所述二氧化碳换热器将一部分二氧化碳经二氧化碳压气机加压后送入二氧化碳储存装置储存；另一部分二氧化碳送入所述加压循环流化床气化炉。
进一步的，所述空分制氧单元包括空气压气机、空气换热器、空气低压蒸馏塔、空气高压蒸馏塔和氧气加热器；
空气经所述空气压气机送入所述空气换热器降温后，经所述空气换热器分别输送至低压蒸馏塔和空气高压蒸馏塔；空气在蒸馏塔内被蒸馏分为O2和N2；
所述空气高压蒸馏塔向低压蒸馏塔输出氧气及氮气；低压蒸馏塔向空气换热器分别输送氧气及氮气；
所述空气换热器利用空气分离氮气，将氧气冷却分离，得到高纯度的氧气送至氧气加热器；氧气加热器对氧气加热后，分别送入所述煤部分气化单元与半焦加压富氧燃烧单元。
进一步的，加压循环流化床气化炉运行运行温度控制在750℃-1150℃，运行压力控制在1-3MPa。
有益效果：
1、相较于现有技术半焦燃烧一般采用常压空气燃烧，现有气化氛围一般选用空气和水蒸气，本发明中采用加压循环流化床作为煤部分气化与半焦加压富氧燃烧的反应器，采用纯氧和循环烟气二氧化碳作为气化氛围。半焦富氧燃烧可以尽可能燃烧半焦，富集燃烧产物中CO2，使得***捕集CO2更容易，更加容易实现***运行0碳排放，提高***整体运行效率。采用的纯氧由空分制氧单元提供，二氧化碳由二氧化碳捕集单元提供，实现了***内废气的合理利用。
2.相较于现有技术利用煤部分气化的合成气直接送入燃气轮机燃烧发电，不采用重整反应器利用CO变化反应，所以产物中氢气比例较低。本发明中以煤部分气化的合成气产物来制氢为首要目的，提高氢气产率；设有气化产物净化与重整单元采用蒸汽甲烷重整反应与CO变化反应，使蒸汽与甲烷反应生成CO、H2和CO2，并调整重整反应后合成气中CO和H2比例，提高H2在合成气中的比例，提高氢气产率。
3.相较于现有技术从外界获取重整反应所需的水蒸气，本发明中蒸汽朗肯循环发电单元内高温换热器出口与气化产物净化与重整单元内重整反应器连通，未其提供高温水蒸汽作为反应气。且为参与重整反应的水蒸气进行加热的热量来源为余热回收换热器中的合成气余热。实现水蒸气的高效利用和热量的利用，提高***热效率。
附图说明
图1为本发明煤部分气化与半焦加压富氧燃烧耦合的氢电联产***的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明的技术方案进一步说明，下述实施例是说明性的，不是限定性的，不能以下述实施例来限定本发明的保护范围。
本发明提供了一种利用加压流化床煤部分气化与加压循环流化床燃烧炉进行半加压富氧燃烧，采用循环烟气与纯氧作为气化氛围的氢电联产***，该联产***包括：空分制氧单元、煤部分气化单元、半焦加压富氧燃烧单元、气化产物净化与重整单元、变压吸附单元、蒸汽朗肯循环发电单元和CO2捕集单元。
其中，空分制氧单元包括空气压气机1、空气换热器2、空气低压蒸馏塔3、空气高压蒸馏塔4、氧气加热器5；
煤部分气化单元包括加压循环流化床气化炉6、煤炭干燥净化装置7和气固分离装置8；
半焦加压富氧燃烧单元包括加压循环流化床燃烧炉24与旋风分离器38；
气化产物净化与重整单元包括余热回收换热器9、除杂装置10、重整反应器11、合成气换热器12；
变压吸附单元包括变压吸附装置13、氢气压气机14、氢气储存装置15、废气换热器16；
CO2捕集单元包括闪蒸反应器17、废气多级压气机18、废气净化装置19、二氧化碳换热器20、废气蒸馏塔21、二氧化碳压气机22、二氧化碳储存装置23；
蒸汽朗肯循环发电单元包括低温过热器25、中温过热器26、高温过热器27、高压蒸汽轮机28、中压蒸汽轮机29、低压蒸汽轮机30、冷凝器31、高温换热器32、低温换热器33、水泵34、省煤器35、低温再热器36、高温再热器37；
空气经空气压气机1送入空气换热器2降温后，经空气换热器2分别输送至低压蒸馏塔3和高压蒸馏塔4；空气在蒸馏塔内被蒸馏分为O2和N2；
高压蒸馏塔4向低压蒸馏塔3输出氧气及氮气；低压蒸馏塔3向空气换热器2分别输送氧气及氮气；
空气换热器2利用空气分离氮气，将氧气冷却分离，得到99％纯度的氧气送至氧气加热器5；氧气加热器5对氧气加热后，分别送入煤部分气化单元与半焦加压富氧燃烧单元；
高压蒸馏塔4的富氧出料口与低压蒸馏塔3进料口连通，低压蒸馏塔3的氧气出料口与空气换热器2的氧气进料口连通，低压蒸馏塔3的氮气出料口与空气换热器2的氮气进料口连通；
其中，空气压气机1加压至1MPa，低压蒸馏塔3和高压蒸馏塔4压力分别为0.25MPa和1MPa，氧气加热器5加热至400℃。。
煤粉从煤炭干燥净化装置7干燥净化后送入加压循环流化床气化炉6；氧气加热器5向加压循环流化床气化炉6输送氧气；CO2捕集单元中二氧化碳换热器20为加压循环流化床气化炉6提供CO2，加压循环流化床气化炉6内发生煤部分气化反应；其中，加压循环流化床气化炉6运行运行温度控制在750℃-1150℃，运行压力控制在1-3MPa。
加压循环流化床气化炉6的反应产物送入气固分离装置8进行分离处理；气固分离装置8将粗合成气送入气化产物净化与重整单元中的余热回收换热器9，将固体产物半焦送入半焦燃烧单元中的加压循环流化床燃烧炉24中进行燃烧；
加压循环流化床燃烧炉24的进料口与空分制氧单元中的氧气加热器5、煤部分气化单元中的气固分离装置8以及蒸汽朗肯循环发电单元中的省煤器35连通，分别获得纯氧、半焦、再循环烟气进行燃烧反应；
加压循环流化床燃烧炉24向低温过热器25输出全部水蒸气，向旋风分离器38输出全部燃烧反应产物；
旋风分离器38将加压循环流化床燃烧炉24中的燃烧产物进行气固分离，实现气体烟气与固体废料的分离；旋风分离器38将固体废料送入中温过热器26，将气态烟气送入高温过热器27；
余热回收换热器9将气固分离装置8输出的粗气化产物进行余热回收，并将热量作为重整反应器11的热源；
余热回收换热器9出料口与除杂装置10的进料口连通；
除杂装置10选用Selexol技术对气化产物进行脱硫，除去粗合成气中酸性气体后，输送至重整反应器11；
高温换热器32为重整反应器11输入水蒸气，用来作为重整反应的反应物；
重整反应器11出料口与合成气换热器12连通，合成气换热器12将经过重整反应与变化反应的洁净合成气送入变压吸附装置13；本单元用于降温来自煤部分气化单元的粗合成气产物，除去合成气中酸性气体与液体，依次利用蒸汽甲烷重整反应和CO变化反应，使蒸汽与甲烷反应生成CO、H2和CO2，并调整重整反应后合成气中CO和H2比例，提高H2产率。
重整反应器运行温度为780℃，压力为3.69MPa。变压吸附单元利用气化剂在不同压力下对不同气体吸附率的区别来实现氢气同二氧化碳和甲烷等污染气体的分离。
变压吸附装置操作温度与压力分别为35℃和2MPa，获得纯度99％的氢气，氢气压气机将氢气加压至6MPa，便于保存。
变压吸附单元包括变压吸附装置13、氢气压气机14、氢气储存装置15、废气换热器16，与气体产物净化与重整单元及CO2捕集单元连通。
变压吸附装置13将洁净合成气中氢气分离后送入氢气压气机14进行加压后，由氢气压气机14将加压后的氢气送入氢气储存装置15进行保存；去除氢气后的合成气废气送入废气换热器16；
废气换热器16将废气送入闪蒸反应器17；闪蒸反应器17排出废气内水分后，将干燥废气送入废气多级压气机18加压后通入废气净化装置19，经过洗涤，在脱NOx过程中将NO转化为HNO3，将二氧化碳与其余酸性溶液相分离；
废气净化装置19将经过洗涤后的废气送入二氧化碳换热器20，经二氧化碳换热器20输送至废气蒸馏塔21；废气蒸馏塔21将输入的废气进行分离，分为CO2与其余气体，再送入二氧化碳换热器20中。
二氧化碳换热器20将一部分二氧化碳经二氧化碳压气机22加压后送入二氧化碳储存装置23储存；另一部分二氧化碳送入加压循环流化床气化炉6；
中压蒸汽轮机29的高温水蒸气与来自水泵34的水在低温换热器33中热交换后，经低温换热器33送入高温换热器32；
高温换热器32接收来着低温换热器33的水蒸气及高压蒸汽轮机28的高温水蒸气，混合后一部分送入省煤器35，一部分送入重整反应器11；
省煤器35将来自高温换热器32的水蒸气与来自低温再热器36的高温烟气进行换热，水蒸气被加热至290℃。
省煤器35将换热后的烟气输送至废气换热器16，将换热后的水蒸气输送至加压循环流化床燃烧炉24；与加压循环流化床燃烧炉24向低温过热器25输出水蒸气，实现水蒸气循环。
中温过热器26接收旋风分离器38输出的高温固体废料以及低温过热器25排出的水蒸气；在中温过热器26中，固体废料加热水蒸气使水蒸气过热后，中温过热器26向高温过热器27输送高温水蒸气，向低温过热器25输出固体废料；固体废料经低温过热器25送入加压循环流化床燃烧炉24；具体来说，低温过热器25进料口分别与半焦燃烧单元中加压循环流化床燃烧炉24水冷壁连通，获得水蒸气，和中温过热器连通，获得固体废料，低温过热器25出料口与所述加压循环流化床燃烧炉24进料口连通输送循环固体废料。
高温过热器27利用旋风分离器38提供的高温气态烟气对中温过热器26输入的高温水蒸气进一步过热至560℃，24.2MPa状态，向高压蒸汽轮机28输出高温水蒸气，水蒸气在高压蒸汽轮机中膨胀做功输出电力，出料口水蒸汽状态为4MPa。，向高温再热器37提供气态烟气；
高压蒸汽轮机28向高温换热器32及低温再热器36输送高温水蒸气；
低温再热器36利用高温再热器37输送的高温气态烟气进一步加热通过低温再热器36的高温水蒸气，并将高温水蒸气输送至高温再热器37；在高温再热器37内，气态烟气将水蒸气进行再热，水蒸气出料口状态为560℃，4MPa。
高温再热器37为中压蒸汽轮机29提供再热水蒸气，向低温再热器36输出气态烟气；水蒸气在中压蒸汽轮机29中膨胀做功输出电力，所述中压蒸汽轮机出料口水蒸汽状态为2MPa；
中压蒸汽轮机29与低温换热器33连通，另一支与低压蒸汽轮机30连通，低压蒸汽轮机30出料口与冷凝器31进料口连通；水蒸气在中压蒸汽轮机中膨胀做功输出电力，出料口水蒸汽状态为2MPa。水蒸气在低压蒸汽轮机30中膨胀做功输出电力，出料口水蒸汽状态为0.75MPa。
水蒸气在冷凝器31中被冷却为液态，经构水泵34送入低温换热器33，成水蒸气循环；水泵34还可向低温换热器33直接供水。
实施例一
如图1所示，煤粉经过煤炭干燥净化装置7进入加压循环流化床气化炉6内与选用气化剂(氧气/循环烟气二氧化碳)发生部分气化反应，部分气化产物包括粗合成气和未气化半焦；
加压循环流化床气化炉6产物经过气固分离装置8使得气体产物与固体产物分离。合成气经过余热回收换热器9进行显热回收，得到冷却后进入除杂装置10，利用Selexol技术对粗合成气进行脱硫，用于除去粗合成气中H2S等酸性气体，避免后续设备遭到腐蚀，得到洁净的合成气；
后合成气依次经过重整反应器11，利用重整反应与CO变化反应，使蒸汽与甲烷反应生成CO、H2和CO2，调整重整反应后合成气中CO和H2比例，提高H2产率。
合成气送入变压吸附装置13，用以分离CH4、H2和CO2等气体，提纯H2，得到的H2送入氢气压气机14中加压后通入氢气储存装置15储存，获得99％ H2；变压吸附装置13分离出的废气与来自省煤器35的烟气汇合后经过闪蒸反应器17除去水蒸气，经过废气多级压气机18加压后经过废气净化装置19除去酸性溶液，后经过废气换热器20与废气蒸馏塔21，将二氧化碳与其余氮氧化物分离，得到高纯度二氧化碳，再经过二氧化碳压气机22加压后送入二氧化碳储存装置23。
加压循环流化床气化炉6与加压循环流化床燃烧炉24所需高纯度氧气来自空分制氧单元；空气进入空气压气机1，后经过空气换热器2，后分别进入空气低压蒸馏塔3与空气高压蒸馏塔4，将空气中氧气与氮气等其余废气进行分离，并分别进入空气换热器2将氧气冷却分离，后经过氧气加热器5对进入加压循环流化床气化炉6与加压循环流化床燃烧炉24的氧气进行预热。
部分气化产物中的半焦经过气固分离装置被分离后送入加压循环流化床燃烧炉24进行加压富氧燃烧，燃烧压力与气化炉保持一致，产生的高温烟气经过旋风分离器38使得燃烧废料与高温烟气分离，高温固态废料依次经过中温过热器26和低温过热器25加热高温水蒸气被冷却后，送回加压循环流化床燃烧炉24内。
高温烟气依次经过高温过热器27、高温再热器37、低温再热器36和省煤器35对高温水蒸气进行加热后被冷却后，一部分送入CO2捕集单元与变压吸附分离出的废气汇合进行碳捕集工作，另一部送回加压循环流化床燃烧炉24内进行二氧化碳循环。
煤部分气化循环工质为循环CO2，在CO2捕集单元内，经过干燥、压缩、清洗和蒸馏等操作后，部分提纯的CO2经二氧化碳换热器20送回加压循环流化床气化炉6作为循环反应工质参与部分气化反应；
以水蒸气作为蒸汽朗肯循环发电单元的循环工质，常温常压状态下水经过水泵34加压至22.4MPa进入循环***，依次经过低温换热器33、高温换热器32分别与来自中压蒸汽轮机29排气与高压蒸汽轮机28排气混合依次进过省煤器35与水冷壁加热成为高温高压水蒸气后，依次经过低温过热器25、中温过热器26和高温过热器27后进成为高压过热水蒸气，高压过热水蒸气进入高压蒸汽轮机28中推动汽轮机叶片做功发电，排气依次进过低温再热器36与高温再热器37重新成为过热水蒸气；
过热水蒸气依次经过中压蒸汽轮机29与低压蒸汽轮机30做功发电，排气后进过冷凝器31冷却为液态水与给水汇合重新经水泵34加压进入蒸汽循环发电单元。
气化产物净化与重整单元中重整反应器11所需水蒸气反应物来自蒸汽朗肯循环发电单元中高温换热器32其中一个出料口排气。
本发明采用加压循环流化床作为煤部分气化与半焦加压富氧燃烧的反应器，采用纯氧和循环烟气二氧化碳作为气化氛围，具有气化反应碳转化率适中，***能量利用效率高，制氢效率高，氢电比例高的特点。***产出的氢和电均为理想的绿色能源载体，可直接供生产、生活所需。煤粉送入气化炉与气化剂发生部分气化反应，生成合成气与半焦产物，分别送入气化产物净化与重整单元进行净化与重整和半焦加压富氧燃烧单元进行燃烧。
纯氧由空分制氧单元提供，二氧化碳由二氧化碳捕集单元提供，半焦燃烧采用加压循环流化床利用加压富氧燃烧技术，半焦燃烧产生的二氧化碳捕集成本低，将二氧化碳从氢气中分离，得到高纯度的二氧化碳，易于二氧化碳零排放。
其次，气化产物净化与重整单元采用蒸汽甲烷重整反应与CO变化反应，使蒸汽与甲烷反应生成CO、H2和CO2，并调整重整反应后合成气中CO和H2比例，提高H2产率。
最后，蒸汽朗肯循环发电单元内高温换热器出料口分支与气化产物净化与重整单元内重整反应器连通，为其提供高温水蒸汽作为反应气，以合成气余热为热源，为参与重整反应的水蒸气加热。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种煤部分气化与半焦加压富氧燃烧耦合的氢电联产***，其特征在于，包括空分制氧单元、煤部分气化单元、半焦加压富氧燃烧单元、气化产物净化与重整单元、变压吸附单元、蒸汽朗肯循环发电单元和CO2捕集单元；
所述空分制氧单元为所述煤部分气化单元及半焦加压富氧燃烧单元输送氧气；
所述煤部分气化单元发生煤部分气化反应，将粗合成气送入所述气化产物净化与重整单元，将固体产物半焦送入半焦燃烧单元；
所述半焦加压富氧燃烧单元从所述空分制氧单元、煤部分气化单元及蒸汽朗肯循环发电单元中分别获得纯氧、半焦和再循环烟气，进行燃烧反应，并对燃烧产物进行气固分离；
所述半焦加压富氧燃烧单元为所述蒸汽朗肯循环发电单元提供高温水蒸气，所述蒸汽朗肯循环发电单元向所述半焦加压富氧燃烧单元提供低温水蒸气，实现水蒸气循环；
所述气化产物净化与重整单元将经过重整反应与变化反应的洁净合成气送入所述变压吸附单元；
所述变压吸附单元将洁净合成气中氢气分离储存，将去除氢气后的合成气废气送入所述CO2捕集单元。
2.根据权利要求1所述的煤部分气化与半焦加压富氧燃烧耦合的氢电联产***，其特征在于，所述煤部分气化单元包括加压循环流化床气化炉(6)、煤炭干燥净化装置(7)和气固分离装置(8)；
煤粉从煤炭干燥净化装置(7)干燥净化后送入加压循环流化床气化炉(6)；由氧气加热器(5)向所述加压循环流化床气化炉(6)输送氧气；所述CO2捕集单元中二氧化碳换热器(20)为所述加压循环流化床气化炉(6)提供CO2，加压循环流化床气化炉(6)内发生煤部分气化反应；
加压循环流化床气化炉(6)的反应产物送入所述气固分离装置(8)进行分离处理；所述气固分离装置(8)将粗合成气送入气化产物净化与重整单元中的余热回收换热器(9)，将固体产物半焦送入所述半焦燃烧单元中的加压循环流化床燃烧炉(24)中进行燃烧。
3.根据权利要求1所述的煤部分气化与半焦加压富氧燃烧耦合的氢电联产***，其特征在于，所述半焦加压富氧燃烧单元包括加压循环流化床燃烧炉(24)与旋风分离器(38)；
所述加压循环流化床燃烧炉(24)的进料口与空分制氧单元中的氧气加热器(5)、煤部分气化单元中的气固分离装置(8)以及蒸汽朗肯循环发电单元中的省煤器(35)连通，分别获得纯氧、半焦、再循环烟气进行燃烧反应；
所述加压循环流化床燃烧炉(24)向所述蒸汽朗肯循环发电单元中的低温过热器(25)输出全部水蒸气，向所述半焦加压富氧燃烧单元中的旋风分离器(38)输出全部燃烧反应产物；
所述旋风分离器(38)将所述加压循环流化床燃烧炉(24)中的燃烧产物进行气固分离，实现气体烟气与固体废料的分离；所述旋风分离器(38)将固体废料送入所述蒸汽朗肯循环发电单元中的中温过热器(26)，将气态烟气送入所述蒸汽朗肯循环发电单元中的高温过热器(27)。
4.根据权利要求3所述的煤部分气化与半焦加压富氧燃烧耦合的氢电联产***，其特征在于，所述气化产物净化与重整单元包括余热回收换热器(9)、除杂装置(10)、重整反应器(11)、合成气换热器(12)；
所述余热回收换热器(9)将所述气固分离装置(8)输出的粗气化产物进行余热回收，并将热量作为所述重整反应器(11)的热源；
所述余热回收换热器(9)出料口与除杂装置(10)的进料口连通；
所述除杂装置(10)对气化产物进行脱硫，除去粗合成气中酸性气体后，输送至所述重整反应器(11)；
所述蒸汽朗肯循环发电单元中的高温换热器(32)为所述重整反应器(11)输入水蒸气，用来作为重整反应的反应物；
所述重整反应器(11)出料口与合成气换热器(12)连通，合成气换热器(12)将经过重整反应与变化反应的洁净合成气送入所述变压吸附单元中的变压吸附装置(13)。
5.根据权利要求3所述的煤部分气化与半焦加压富氧燃烧耦合的氢电联产***，其特征在于，所述蒸汽朗肯循环发电单元包括低温过热器(25)、中温过热器(26)、高温过热器(27)、高压蒸汽轮机(28)、中压蒸汽轮机(29)、低压蒸汽轮机(30)、冷凝器(31)、高温换热器(32)、低温换热器(33)、水泵(34)、省煤器(35)、低温再热器(36)和高温再热器(37)；
所述中温过热器(26)接收所述旋风分离器(38)输出的高温固体废料以及所述低温过热器(25)排出的水蒸气；在所述中温过热器(26)中，固体废料加热水蒸气使水蒸气过热后，所述中温过热器(26)向高温过热器(27)输送高温水蒸气，向所述低温过热器(25)输出固体废料；固体废料经所述低温过热器(25)送入所述加压循环流化床燃烧炉(24)；
所述高温过热器(27)利用旋风分离器(38)提供的高温气态烟气对中温过热器(26)输入的高温水蒸气进一步过热，向所述高压蒸汽轮机(28)输出高温水蒸气，向所述高温再热器(37)提供气态烟气；
所述高压蒸汽轮机(28)向所述高温换热器(32)及低温再热器(36)输送高温水蒸气；
所述低温再热器(36)利用高温再热器(37)输送的高温气态烟气进一步加热通过所述低温再热器(36)的高温水蒸气，并将所述高温水蒸气输送至高温再热器(37)；
所述高温再热器(37)为所述中压蒸汽轮机(29)提供再热水蒸气，向所述低温再热器(36)输出气态烟气；
所述中压蒸汽轮机(29)与所述低温换热器(33)连通，另一支与低压蒸汽轮机(30)连通，低压蒸汽轮机(30)出料口与冷凝器(31)进料口连通；
水蒸气在冷凝器(31)中被冷却为液态，经构水泵(34)送入低温换热器(33)，成水蒸气循环；所述水泵(34)还可向所述低温换热器(33)直接供水。
6.根据权利要求5所述的煤部分气化与半焦加压富氧燃烧耦合的氢电联产***，其特征在于，水蒸气在所述高压蒸汽轮机(28)中膨胀做功输出电力，所述高压蒸汽轮机(28)出料口水蒸汽状态为4MPa；
在所述高温再热器(37)内，气态烟气将水蒸气进行再热，所述高温再热器(37)的水蒸气出料口状态为560℃，4MPa；
水蒸气在中压蒸汽轮机(29)中膨胀做功输出电力，所述中压蒸汽轮机(29)出料口水蒸汽状态为2MPa；
水蒸气在低压蒸汽轮机(30)中膨胀做功输出电力，出料口水蒸汽状态为0.75MPa。
7.根据权利要求4所述的煤部分气化与半焦加压富氧燃烧耦合的氢电联产***，其特征在于，所述变压吸附单元包括变压吸附装置(13)、氢气压气机(14)、氢气储存装置(15)和废气换热器(16)；
所述变压吸附装置(13)将洁净合成气中氢气分离后送入氢气压气机(14)进行加压后，由氢气压气机(14)将加压后的氢气送入氢气储存装置(15)进行保存；去除氢气后的合成气废气送入废气换热器(16)。
8.根据权利要求7所述的煤部分气化与半焦加压富氧燃烧耦合的氢电联产***，其特征在于，所述CO2捕集单元包括闪蒸反应器(17)、废气多级压气机(18)、废气净化装置(19)、二氧化碳换热器(20)、废气蒸馏塔(21)、二氧化碳压气机(22)和二氧化碳储存装置(23)；
所述变压吸附装置(13)将洁净合成气中氢气分离后送入氢气压气机(14)进行加压后，由氢气压气机(14)将加压后的氢气送入氢气储存装置(15)进行保存；去除氢气后的合成气废气送入废气换热器(16)；
所述废气换热器(16)将废气送入闪蒸反应器(17)；所述闪蒸反应器(17)排出所述废气内水分后，将干燥废气送入废气多级压气机(18)加压后通入废气净化装置(19)，经过洗涤，在脱NOx过程中将NO转化为HNO3，将二氧化碳与其余酸性溶液相分离；
所述废气净化装置(19)将经过洗涤后的废气送入二氧化碳换热器(20)，经所述二氧化碳换热器(20)输送至废气蒸馏塔(21)；所述废气蒸馏塔(21)将输入的废气进行分离，分为CO2与其余气体，再送入二氧化碳换热器(20)中；
所述二氧化碳换热器(20)将一部分二氧化碳经二氧化碳压气机(22)加压后送入二氧化碳储存装置(23)储存；另一部分二氧化碳送入所述加压循环流化床气化炉(6)。
9.根据权利要求1所述的煤部分气化与半焦加压富氧燃烧耦合的氢电联产***，其特征在于，所述空分制氧单元包括空气压气机(1)、空气换热器(2)、空气低压蒸馏塔(3)、空气高压蒸馏塔(4)和氧气加热器(5)；
空气经所述空气压气机(1)送入所述空气换热器(2)降温后，经所述空气换热器(2)分别输送至低压蒸馏塔(3)和空气高压蒸馏塔(4)；空气在蒸馏塔内被蒸馏分为O2和N2；
所述空气高压蒸馏塔(4)向低压蒸馏塔(3)输出氧气及氮气；低压蒸馏塔(3)向空气换热器(2)分别输送氧气及氮气；
所述空气换热器(2)利用空气分离氮气，将氧气冷却分离，得到高纯度的氧气送至氧气加热器(5)；氧气加热器(5)对氧气加热后，分别送入所述煤部分气化单元与半焦加压富氧燃烧单元。
10.根据权利要求2所述的煤部分气化与半焦加压富氧燃烧耦合的氢电联产***，其特征在于，加压循环流化床气化炉(6)运行运行温度控制在750℃-1150℃，运行压力控制在1-3MPa。
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| CN202310632955.8A CN117072263A (zh) | 2023-05-31 | 2023-05-31 | 一种煤部分气化与半焦加压富氧燃烧耦合的氢电联产*** |
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