CN101285004A - 一种多功能能源系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多功能能源系统，煤与天然气同时进入重整反应器，煤在重整反应器中燃烧驱动天然气发生重整反应，制得H2和CO的合成气，合成气经过变换反应器将其中的CO转化成CO2，然后进入变压吸附装置(PSA)制取氢气；PSA装置的尾气被送入CO2分离装置，将大部分CO2分离出来，并经过压缩冷却，成为液态CO2便于运输和存储；分离CO2后的剩余富氢燃料气送往发电装置，高温烟气进入余热回收和蒸汽发生装置，回收余热后的烟气排放到大气中；双燃料重整器排放的烟气也进入余热回收和蒸汽发生装置回收余热，然后进入CO2分离装置，将烟气中的CO2分离出来，纯净的CO2压缩液化，烟气排放到大气中。利用本发明，提高了燃料的利用率，实现了零能耗控制和回收CO2。
Description
技术领域
本发明涉及制氢、发电和CO2排放控制技术领域，尤其涉及一种以煤和天然气为燃料制备氢、液态二氧化碳并实现发电的多功能能源系统。
背景技术
目前与本发明相关的技术主要包括制氢技术、发电技术和CO2控制技术，其各自技术的发展情况和系统特征如下。
1.制氢技术
氢气广泛应用于工业过程，如石油、化工、冶金、航天、医药等，其中应用量最大的是石油化工。工业上制氢过程种类很多，根据原料不同，可以分为化石燃料制氢和二次能源(甲醇、金属、电等)制氢。占主导地位的是化石燃料制氢，因为化石燃料不仅廉价而且设备初投资和运行维护成本比较低。
天然气和煤是两种主要的化石能源来源，他们的性质具有较大的差别。天然气是清洁能源，不含灰分，含硫量较少；煤含有大量的杂质，包括灰分、硫分和碱金属等。煤炭在利用时较天然气困难，需要配置高效的除尘和脱硫装置。我国煤炭资源丰富，是我国的主要能源来源，而天然气资源相对匮乏。
煤和重油都是含碳量比较高的燃料，当他们用于制氢时，一般需要经过气化过程转换成合成气。因此，以煤和重油为原料的制氢系统通常都需要空分单元，制取纯氧供煤或重油的气化过程使用。他们共同的特点就是设备投资大，运行维护费用高。煤炭和重油中的含氢量少，含碳量高，因此，气化过程制备的合成气中H2的浓度较低，需要较大的分离设备和较高的分离能耗制备纯净氢气。
长期以来天然气燃料转化制氢成为最经济的制氢方法，也是广泛应用的方法。天然气燃料制氢流程主要有：
(1)天然气/水蒸汽重整制氢。天然气经过压缩、脱硫后与水蒸汽混合，再进入转化炉对流段，被烟气间接加热到400℃以上后进入反应炉，在催化剂的作用下发生重整反应，生成合成气，出口温度一般维持在约800℃左右。重整产物中氢气含量约70％，经余热回收和冷却后在PSA中分离得到高纯度氢气。甲烷蒸汽转化过程采用镍作为催化剂，操作温度在750～920℃，操作压力在0.5～2.86Mpa，重整反应所需要的高温反应热是靠燃烧天然气提供的。
(2)天然气部分氧化重整制氢。天然气经过压缩、脱硫后与水蒸汽混合，预热到约500℃，氧气或富氧空气经过压缩后也预热到约500℃。这两股气流分别进入反应器顶端的喷嘴，在此充分混合，进入反应器进行部分氧化反应。一部分天然气与氧气反应生成H2O及CO2，并产生热量供剩余的天然气/水蒸汽在反应器的催化层中发生的重整反应利用。反应器下部出来的合成气温度在900～1000℃，氢气含量在50～60％。合成气经过冷凝水淬冷，再经过热量回收并降温，然后送入PSA装置进行分离。
传统的制氢系统往往更加关注高的氢气产量和产率，对天然气合理利用没有给予足够的重视。例如在天然气/水蒸汽重整制氢流程中，输入系统的天然气要分成两部分，一部分作为重整反应物(64％左右)，与水蒸汽混合后进行重整反应；另一部分(36％左右)作为燃料天然气，在重整反应器中燃烧，将温度为800～950℃的热量提供给重整反应。
图1为传统的天然气重整反应示意图，1kmol天然气(假定天然气成份全部为甲烷)输入时，0.368kmol的甲烷作为燃料燃烧，为0.632kmol的甲烷/水蒸汽重整反应提供反应热，重整产物为1.896kmol的H2和0.632kmol的CO。清洁的天然气在该制氢流程中的利用并不合理，燃料天然气燃烧过程产生的高温热量(1800～2000℃)，仅仅供给800～950℃的重整反应，可见伴随热量传递过程的温差(1000℃左右)，天然气/水蒸汽重整过程的不可逆损失较大。在天然气部分氧化流程中，天然气通过部分氧化反应转换成合成气，与重整反应不同，不需要外部供热。
天然气部分氧化反应可以分成两个子过程：第一个子过程为部分天然气与纯氧发生完全氧化反应，生成CO2和H2O，同时放出大量高温热量。第二个子过程为天然气/水蒸汽的重整反应，吸收第一个子过程放出的大量热量。天然气部分氧化与天然气/水蒸汽重整过程类似，也存在一个大温差的传热过程，因此天然气部分氧化制取合成气也具有较大的不可逆损失。减少重整反应和部分氧化反应过程的不可逆损失是进一步降低系统制氢能耗的潜力所在。
2.发电技术
传统发电技术主要为燃煤发电和天然气联合循环发电技术。发电过程中都是将燃料煤或天然气直接进行燃烧，对发电介质(工质)进行加热，然后在热动力转换装置(蒸汽轮机、燃气轮机、内燃机等)中将热能进一步转化为功(电)。
一直以来为了提高系统效率，能源系统都是向着提高参数方向发展，努力提高温比和压比。例如，在天然气联合循环电厂中，燃气轮机入口温度，由几十年前的900℃左右，提高到现在的1400℃左右。在燃煤电厂中，汽轮机入口蒸汽参数由最初的400℃左右，提高到现在的600℃左右，相应的压力也提高到25MPa以上。
随着系统热力参数的提高，系统性能也有了较大的进步，目前的天然气联合循环的发电效率可接近60％，超临界燃煤电厂的发电效率可达43％左右。但是，由于受到材料的限制，进一步提高热力参数(尤其是循环初温)在工程上变得非常困难。发电系统中，不可逆性最大的过程发生在燃烧过程，因此，减少燃烧过程的不可逆损失是进一步提高发电系统性能的最大潜力。
整体煤气化联合循环(IGCC)是清洁高效利用煤炭的有效方法之一。煤先经过气化，制得的合成气，然后合成气作为联合循环的燃料，完成高效利用，目前IGCC系统有十几座示范电站在世界各地运行，系统发电效率高达40％-45％。但是IGCC系统更加复杂，与天然气基联合循环相比，增加了气化炉、空分装置和合成气净化装置等，这些装置的运行不但带来了额外的能量损失，而且这些装置的投资巨大，使得IGCC系统的单位发电量投资比联合循环电厂高出1～2倍。由于IGCC系统的初投资过大，限制了IGCC系统的大规模应用。
系统集成是提高热力系统性能的另外一个重要途径，20世纪80年代提出的总能系统的概念极大促进了热力系统的发展。按照热能品位的高低，进行梯级利用。例如，热力循环由最初的简单循环(布雷顿循环和朗肯循环)发展到复合循环(联合循环)，燃料燃烧产生的高温热量先进入布雷顿循环，在燃气透平中转换成功，燃气透平排烟中蕴含的中温余热再被朗肯循环回收，生产高温过热蒸汽，驱动汽轮机发电。通过两个系统的耦合集成，系统效率有了大幅提高，从单独循环的30～40％提高到复合循环的50～60％。随着热能利用越来越合理，热力系统性能提高的潜力越来越小。通过系统不可逆性分析发现，能量利用过程中损失最大之处不在于热能利用过程，而是在于燃烧过程(燃料化学能向热能转化过程)。
与化工系统相比动力系统虽然强调了热能的梯级利用，但是忽略了燃料化学能的合理利用，可见化工和动力都存在着自己的不足，但是两者存在互补的潜力。
3.分离CO2技术
大量排放CO2温室气体，导致的全球变暖问题越来越引起人们的广泛关注。《京都议定书》指定了发达国家和发展中国家在2012年前的排放规定。以后随着人们对环境问题认识的不断深入，CO2减排将成为以后工业生产中不可缺少的一部分。伴随化石能源的利用而排放到大气中是大气中CO2浓度提高的主要原因。化石燃料广泛应用于化工和电力行业，如何降低化石燃料使用过程中的CO2的排放越来越受到重视。
Riemer P.在IEA温室气体研发项目(The IEA Greenhouse Gas R&DProgramme)资助下，对温室气体技术进行了全面的综述，展望了该项目在分离、存储CO2的未来行动计划。指出分离CO2使发电机组的效率降低10％，发电成本提高50％，这是目前经济发展所不能承受的。
CO2分离可以分为燃烧后、燃烧中和燃烧前分离三种技术。
(1)从燃烧后的烟气分离CO2对前面的发电系统配置基本不影响，但是烟气中的CO2被其他气体稀释，导致分离能耗很高，燃烧后分离CO2会使系统效率降低10～15个百分点。
(2)燃烧中分离CO2指以O2/CO2循环为代表的一类先进热力循环。在O2/CO2循环中需要纯氧作氧化剂，CO2或水作为工作介质，燃烧产物为CO2和H2O的混合物，通过简单的冷却就可以实现CO2的分离，但是O2的制备过程要消耗大量的电能，同时设备投资大幅增加。O2/CO2发电系统由于空分引起系统效率降低10个百分点左右。
(3)燃烧前分离CO2，就是将燃料燃烧之前经过化学反应使CO2在气体量较小时高浓度的富集起来，进行分离。燃烧前分离CO2的系统，系统热效率会降低7～10个百分点。低能耗分离CO2系统成为现在能源环境CO2研究的重点。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种多功能能源系统，以针对当前制氢与发电系统中煤和天然气利用不合理现象，结合煤和天然气两种化石能源的特点，将煤和天然气的利用过程综合起来，提高燃料的利用率；并在系统集成时将CO2分离过程与能量利用过程综合考虑，实现低能耗的分离CO2。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种多功能能源系统，该系统包括：
重整反应器，用于利用煤和天然气制备氢气与一氧化碳的合成气，并将制备的合成气冷却后输出给变换反应器；
变换反应器，用于将合成气中的一氧化碳转换成二氧化碳，并将氢气与二氧化碳的混合气输出给变压吸附装置；
变压吸附装置，用于从混合气体中分离得到氢气，然后将分离氢气后的尾气经过压缩后输出给二氧化碳物理分离装置；
二氧化碳物理分离装置，用于从尾气中分离得到纯净的二氧化碳气体，将得到的二氧化碳气体输出给二氧化碳液化装置，并将分离二氧化碳后剩余的富氢燃料输出给发电装置；
二氧化碳液化装置，用于对输入的二氧化碳气体进行液化，得到液态的二氧化碳；
发电装置，用于将二氧化碳物理分离装置输入的富氢燃料的化学能和余热回收与蒸汽发生装置输入的蒸汽热能转化为电能，并将排放的烟气输出给余热回收与蒸汽发生装置；
余热回收与蒸汽发生装置，用于吸收重整反应器和发电装置排放的烟气中的热量，生产过热蒸汽供重整反应器和发电装置使用，冷却后的烟气输出给二氧化碳化学分离装置；
二氧化碳化学分离装置，用于从余热回收与蒸汽发生装置输入的烟气中分离得到纯净的二氧化碳，将得到的二氧化碳气体输出给二氧化碳液化装置，脱碳后的烟气排入大气。
上述方案中，所述重整反应器进一步包括一反应管，在重整反应器利用煤和天然气制备氢气与一氧化碳的合成气时，煤和空气在反应管外燃烧产生热量，供天然气和余热回收与蒸汽发生装置输入的水蒸汽在反应管内的催化剂表面发生重整反应，生成氢气与一氧化碳的合成气，然后将生成的氢气与一氧化碳的合成气冷却输出给变换反应器，并将烟气输出给余热回收与蒸汽发生装置。
上述方案中，所述重整反应的温度被控制在550℃以上，重整反应水碳比为3至5，重整反应压力控制在0.2至0.5MPa；所述生成的合成气先被冷却到300至400℃，同时产生高压过热蒸汽，然后再进入变换反应器。
上述方案中，所述变换反应器包括高温变换反应器，该高温变换反应器的工作温度为300至350℃。
上述方案中，所述变换反应器包括高温变换反应器和低温变换反应器，所述高温变换反应器的工作温度为300至350℃，所述低温变换反应器的工作温度为180至250℃。
上述方案中，所述氢气与一氧化碳的合成气经过变换反应器后转换为氢气与二氧化碳的混合气，该混合气先经过冷却器冷却，再经过压缩，将压力提高的0.5至3MPa，然后再进入变压吸附装置。
上述方案中，所述变压吸附装置分离氢气后的尾气在压缩时加压到1.0MPa以上，然后输出给二氧化碳物理分离装置。
上述方案中，所述发电装置为燃气-蒸汽联合循环。
上述方案中，所述余热回收与蒸汽发生装置在生产过热蒸汽时产生的来自重整器的烟气，先经过脱硫装置将硫脱除，然后再输出给二氧化碳化学分离装置，来自动力装置的烟气直接排入大气。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、天然气是一种清洁的气体燃料，在传统的制氢系统中天然气燃烧(理论燃烧温度2000℃)仅仅提供900℃左右的热量用于天然气重整，燃烧过程损失巨大。而在本发明提供的这种多功能能源系统中，天然气没有作为燃料烧掉，全部作为重整产物参加重整反应，天然气的全部转化成合成气，利用更加合理。
煤通常用于燃煤电厂的燃料，通过直接燃烧产生过热蒸汽进入汽轮机做功，目前蒸汽温度在600℃以下。在本发明提供的这种多功能能源系统中，煤燃烧为重整反应提供900℃左右的热量，可见煤在多功能系统中得到了更高效的利用。
煤和天然气的综合利用使天然气的利用更加合理，煤的高效利用更加简单，因而大大提高了燃料的利用率。
2、在本发明提供的这种多功能能源系统中，将制氢系统与热力循环整合起来，在含氢量很高的合成气(氢气浓度高达64％)中，采取低能耗的变压吸附方法制取氢气，同时还可以根据需要选择适当的H2分离率。由于氢气的分离，变压吸附过程排放的尾气中CO2浓度也有了很大的提高(42％)。
3、在本发明提供的这种多功能能源系统中，变压吸附过程排放的尾气作为动力装置的燃料，还要进行压缩过程，CO2分压的增大为降低CO2分离能耗提供了条件。在传统制氢系统中，变压吸附过程排放的尾气直接送入重整器燃烧，为重整反应提供反应热；由于尾气燃烧过程产生的CO2被空气稀释，因此传统制氢系统中分离CO2的能耗远高于多功能系统的分离能耗。本系统比目前其他系统热效率提高大约8个百分点，可实现零能耗控制和回收CO2。
4、在本发明提供的这种多功能能源系统中，分离CO2后的富氢燃料气输送到动力单元的燃气轮机作为燃料，高温燃烧后做功发电，而不是将燃烧放出的中低温热量供给重整反应。透平进口温度越高，尾气燃烧过程中的损失就越小，实现燃料化学能的高效的梯级利用。在双燃料制氢同时发电的多功能系统中，将制H2和CO2分离统筹考虑，在系统集成上进行革新，使得分离H2和CO2时的浓度都尽量提高，减少分离操作过程的耗功。
附图说明
图1为传统的天然气重整反应示意图；
图2为本发明提供的多功能能源系统的结构示意图；
图3为本发明提供的多功能能源系统中双燃料重整过程的示意图；
图4为依照本发明实施例的多功能系统的工作流程图；
在图4中，1为双燃料重整反应器，2、5、7、10和16-19为换热器，3和4为CO2变换反应器，6、9和11为燃料气压缩机，8为变压吸附装置，12为CO2物理分离及液化装置，13为燃气轮机燃烧室，14为压气机，15为燃气透平，20为CO2化学分离及液化装置，21和22为蒸汽透平，23为冷凝器，24为给水泵，25和26为发电机。s1为天然气和水蒸汽混合物，s2为合成气，s3为冷却后的合成气，s4为高温变换后的合成气，s5为氢气和二氧化碳混合物，s6为富氢燃料气，s7、s12和s15为空气，s8为烟气，s9为透平排烟，s10为预热空气，s11为烟气，s13为天然气，s14为煤，s16为电，s17为纯净氢气，s18和s19为液态CO2，s20和s21为脱碳烟气。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图2所示，图2为本发明提供的多功能能源系统的结构示意图。该多功能能源系统包括重整反应器11、变换反应器12、变压吸附装置(PSA)13、二氧化碳物理分离装置14、二氧化碳液化装置15、发电装置16、余热回收与蒸汽发生装置17和二氧化碳化学分离装置18。
其中，重整反应器11用于利用煤和天然气制备氢气与一氧化碳的合成气，并将制备的合成气冷却后输出给变换反应器12。重整反应器11还进一步包括一反应管，在重整反应器利用煤和天然气制备氢气与一氧化碳的合成气时，煤和空气在反应管外燃烧产生热量，供天然气和余热回收与蒸汽发生装置输入的水蒸汽在反应管内的催化剂表面发生重整反应，生成氢气与一氧化碳的合成气，然后将生成的氢气与一氧化碳的合成气冷却输出给变换反应器，并将烟气输出给余热回收与蒸汽发生装置。
重整反应的温度被控制在550℃以上，重整反应水碳比为3至5，重整反应压力控制在0.2至0.5MPa。所述生成的合成气先被冷却到300至400℃，同时产生高压过热蒸汽，然后再进入变换反应器12。
变换反应器12用于将合成气中的一氧化碳转换成二氧化碳，并将氢气与二氧化碳的混合气输出给变压吸附装置13。变换反应器12包括高温变换反应器和低温变换反应器，高温变换反应器的工作温度为300至350℃，低温变换反应器的工作温度为180至250℃。变换反应的程度可以根据系统的氢/电生产需求灵活调节，多功能系统可以包含低温变化反应器，也可以取消低温变换反应器。氢气与一氧化碳的合成气经过变换反应器后转换为氢气与二氧化碳的混合气，该混合气先经过冷却器冷却，再经过压缩，将压力提高的0.5至3MPa，然后再进入变压吸附装置。
变压吸附装置13用于从混合气体中分离得到氢气，然后将分离氢气后的尾气经过压缩后输出给二氧化碳物理分离装置14。变压吸附装置13分离氢气后的尾气在压缩时加压到2.0MPa，然后输出给二氧化碳物理分离装置14。变压吸附装置(PSA)13一般可以将其中60～90％的氢气分离出来，制得纯净的氢气。
二氧化碳物理分离装置14用于从尾气中分离得到纯净的二氧化碳气体，将得到的二氧化碳气体输出给二氧化碳液化装置15，并将分离二氧化碳后剩余的富氢燃料输出给发电装置16。变压吸附装置13排出的尾气并不是直接当作燃料烧掉，而是先经过压缩过程，加压到2.0MPa左右，进入物理吸收CO2分离装置，将90％左右的CO2分离出来，低压CO2进入液化装置液化，剩余的高压脱炭燃料送入燃气轮机，作为燃料。
二氧化碳液化装置15用于对输入的二氧化碳气体进行液化，得到液态的二氧化碳，以便于运输或储存。
发电装置16用于将二氧化碳物理分离装置14输入的富氢燃料的化学能和余热回收与蒸汽发生装置输入的蒸汽热能转化为电能，并将排放的烟气输出给余热回收与蒸汽发生装置17。发电装置一般为燃气-蒸汽联合循环。
余热回收与蒸汽发生装置17用于吸收重整反应器11和发电装置16排放的烟气中的热量，生产过热蒸汽供重整反应器11和发电装置16使用，来自重整反应器的烟气冷却后，先经过脱硫装置将硫脱除，然后再输出给二氧化碳化学分离装置18，将烟气中90％左右的CO2分离出来，脱炭烟气直接排放的大气中，分离出来的纯净CO2进入液化装置液化。
二氧化碳化学分离装置18用于从余热回收与蒸汽发生装置17输入的烟气中分离得到纯净的二氧化碳，将得到的二氧化碳气体输出给二氧化碳液化装置15，脱碳后的烟气排入大气。
上述重整反应器中，煤燃烧产生的热量用来提供重整反应的热量，而天然气全部作为制氢反应的反应物。图3为本发明提供的多功能能源系统中双燃料重整过程的示意图。1kmol天然气(假定天然气成份全部为甲烷)进入重整反应器参加重整反应，生成3kmol的H2和1kmol的CO，重整反应热由煤炭燃烧产生。而在传统的天然气制氢系统中，大约36％天然气直接燃烧来提供重整反应热。
煤在重整反应器中与空气一起燃烧，同时天然气和从汽轮机抽出的水蒸汽在重整反应器中发生重整反应，制得清洁合成气(H2和CO的混合物)。合成气冷却后进入变换反应器，其中的CO与水蒸汽反应转化成H2和CO2，实现将CO转化成CO2，然后进入变压吸附装置(PSA)将大部分氢气分离出来制取氢气。PSA尾气的主要成分为CO2和H2，经过压缩后进入CO2物理分离装置，将CO2分离出来，纯净的CO2进入CO2液化装置，经过压缩冷却，使之成为液态CO2为以后的运输和存储作好准备。剩余的富氢燃料直接送入发电装置(即燃气-蒸汽联合循环中的燃气轮机)作为燃料。发电装置(即燃气轮机)排烟的高温热量被余热回收装置回收，生产过热蒸汽，供发电装置(即汽轮机)利用。燃气轮机排放的高温烟气只含有很少量的CO2，进入余热回收和蒸汽发电系统回收余热后排放到大气中。煤在重整反应器中燃烧产生的高温烟气也进入余热回收与蒸汽发生装置，生产过热蒸汽，供发电装置(即燃气轮机)利用，冷却后的烟气进入CO2化学分离装置，分离出来的纯净CO2气体也进入CO2液化装置液化，剩余含较少CO2的脱炭后的烟气直接排入大气。
如图4所示，图4为依照本发明实施例的多功能系统的工作流程图。在本实施例中，多功能系统整合了燃煤的蒸汽循环和天然气基的制氢系统，主要由五个子系统构成，包括双燃料重整器(1)、热交换器(2、5、7、17、18和19)、制氢子系统(3、4和8)、动力子系统(6、9～11、13～16、21～26)和CO2分离液化单元(12和20)。
双燃料重整反应器是本发明提供的多功能系统的一个关键部件，由反应器和炉堂组成，反应催化剂放置在反应器中。煤(s14)在炉堂中与预热空气燃烧，为还原反应器提供高温热量。天然气(s13)和水蒸气以1∶3摩尔比在1.5bar下混合后经过预热进入反应器，在750℃被转换为合成气。合成气进入热交换器(2)被冷却到355℃，然后进入变换反应器(3)，同时高温的过热蒸汽在(2)中产生。经过两次变换反应(3和4)后，合成气中的大部分CO转换为CO2，同时高压的饱和蒸汽在(3)中产生。最后，合成气被压缩机(6)压缩到0.55MPa，被送入变压吸附单元(8)，分离出68％的氢气(s17)。
变压吸附单元产生的尾气被带间冷的两级压缩机压缩(9和11)达到1.85Mpa。在物理吸收和液化单元(12)，高压的合成气变为富氢的合成气，其中90％的CO2被分离出来并被液化(s18)。煤燃烧产生的烟气的余热被换热器(17～19)吸收。在热交换器(17)中，高温烟气用来过热高压饱和蒸汽；在换热器(18)中，中温热能用来预热重整反应的反应物；在换热器(19)中，低温热能用来预热空气。最后，烟气进入化学吸收与液化单元(20)，分离出的CO2被液化(s19)，除去CO2后的烟气(s21)排入大气。
物理吸收单元(12)产生的富氢的合成气(s6)作为燃料进入联合循环。燃气透平产生的废气进入余热锅炉(16)产生高压饱和水蒸汽同时预热蒸汽透平的出口高压蒸汽。CO2的化学吸收分离过程所需要的使吸收剂再生的热量，这部分热量由蒸汽轮机的抽气提供。煤和天然气燃烧产生的尾气中分离出来的CO2被带间冷的三级压缩机压缩到15MPa，然后在冷凝器中液化(s19)，便于储存。
本发明提供的双燃料多功能系统采用Aspen Plus软件进行模拟。模拟过程中，天然气的成分为甲烷，煤的成分为CH0.3O0.17N0.03。模拟过程所做的假设条件见表1，在新型的多功能系统中，动力系统基于当前的大型燃气轮机，透平进口温度为1290℃，压比为15.5。饱和蒸汽的压力为12MPa，温度为535℃，在3.9MPa的时候被再热到535℃。为了便于CO2的分离，甲烷需要有较高的转化率，因此反应压力取常压，温度取750℃。未转换的蒸汽将继续用于变换反应，蒸汽与甲烷的比例取3.0。图4中各主要点的参数(压力，温度，流量，成分等)列于表2中。
表1
表2
本发明提供的双燃料多功能系统性能模拟结果见表3，为了更加清楚地反应本发明提供的双燃料多功能系统的性能优势，将本发明提供的双燃料多功能系统与常规制氢与发电系统性能进行了比较。表中第一列为分产与多功能系统采用相同输入量的煤和天然气，但输出不同。表3的数据分别为无CO2分离的分产系统性能、有CO2分离的多功能系统的性能和有CO2分离的分产系统的性能。当新系统分离90.1％的CO2时，系统热效率为63.2％。新系统产生的氢气的热量为344.0MW，比无CO2分离的制氢系统多40MW。与无CO2分离的参考系统相比，新系统的热效率大概高0.2个百分点。新系统热效率比有CO2分离的参考系统高8.5个百分点。传统的能量系统分离CO2需要较大的能耗，而新系统可以实现无能耗分离CO2。
表3
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1、 一种多功能能源系统，其特征在于，该系统包括：
重整反应器，用于利用煤和天然气制备氢气与一氧化碳的合成气，并将制备的合成气冷却后输出给变换反应器；
变换反应器，用于将合成气中的一氧化碳转换成二氧化碳，并将氢气与二氧化碳的混合气输出给变压吸附装置；
变压吸附装置，用于从混合气体中分离得到氢气，然后将分离氢气后的尾气经过压缩后输出给二氧化碳物理分离装置；
二氧化碳物理分离装置，用于从尾气中分离得到纯净的二氧化碳气体，将得到的二氧化碳气体输出给二氧化碳液化装置，并将分离二氧化碳后剩余的富氢燃料输出给发电装置；
二氧化碳液化装置，用于对输入的二氧化碳气体进行液化，得到液态的二氧化碳；
发电装置，用于将二氧化碳物理分离装置输入的富氢燃料的化学能和余热回收与蒸汽发生装置输入的蒸汽热能转化为电能，并将排放的烟气输出给余热回收与蒸汽发生装置；
余热回收与蒸汽发生装置，用于吸收重整反应器和发电装置排放的烟气中的热量，生产过热蒸汽供重整反应器和发电装置使用，冷却后的烟气输出给二氧化碳化学分离装置；
二氧化碳化学分离装置，用于从余热回收与蒸汽发生装置输入的烟气中分离得到纯净的二氧化碳，将得到的二氧化碳气体输出给二氧化碳液化装置，脱碳后的烟气排入大气。
2、 根据权利要求1所述的多功能能源系统，其特征在于，所述重整反应器进一步包括一反应管，在重整反应器利用煤和天然气制备氢气与一氧化碳的合成气时，煤和空气在反应管外燃烧产生热量，供天然气和余热回收与蒸汽发生装置输入的水蒸汽在反应管内的催化剂表面发生重整反应，生成氢气与一氧化碳的合成气，然后将生成的氢气与一氧化碳的合成气冷却输出给变换反应器，并将烟气输出给余热回收与蒸汽发生装置。
3、 根据权利要求2所述的多功能能源系统，其特征在于，所述重整反应的温度被控制在550℃以上，重整反应水碳比为3至5，重整反应压力控制在0.2至0.5MPa；
所述生成的合成气先被冷却到300至400℃，同时产生高压过热蒸汽，然后再进入变换反应器。
4、 根据权利要求1所述的多功能能源系统，其特征在于，所述变换反应器包括高温变换反应器，该高温变换反应器的工作温度为300至350℃。
5、 根据权利要求1所述的多功能能源系统，其特征在于，所述变换反应器包括高温变换反应器和低温变换反应器，所述高温变换反应器的工作温度为300至350℃，所述低温变换反应器的工作温度为180至250℃。
6、 根据权利要求1所述的多功能能源系统，其特征在于，所述氢气与一氧化碳的合成气经过变换反应器后转换为氢气与二氧化碳的混合气，该混合气先经过冷却器冷却，再经过压缩，将压力提高的0.5至3MPa，然后再进入变压吸附装置。
7、 根据权利要求1所述的多功能能源系统，其特征在于，所述变压吸附装置分离氢气后的尾气在压缩时加压到1.0MPa以上，然后输出给二氧化碳物理分离装置。
8、 根据权利要求1所述的多功能能源系统，其特征在于，所述发电装置为燃气-蒸汽联合循环。
9、 根据权利要求1所述的多功能能源系统，其特征在于，所述余热回收与蒸汽发生装置在生产过热蒸汽时产生的来自重整器的烟气，先经过脱硫装置将硫脱除，然后再输出给二氧化碳化学分离装置，来自动力装置的烟气直接排入大气。
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