CN105176584B - 高铝煤igcc发电石墨烯合金联产装置及其工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及发电领域、石墨烯合金制造领域，尤其涉及高铝煤IGCC发电石墨烯合金联产装置及其工艺，装置包括：高铝煤催化器、IGCC碳氧循环发电系统、二氧化碳循环利用装置、空心电极密闭升降催化装置、远程防爆监控中心；所述高铝煤催化器与IGCC碳氧循环发电系统连接，IGCC碳氧循环发电系统与二氧化碳循环利用装置、空心电极密闭升降催化装置连接，二氧化碳循环利用装置与高铝煤催化器、空心电极密闭升降催化装置连接，远程防爆监控中心在线实时监控。本发明的有益效果在于：IGCC碳氧循环发电，进行纯氧或富氧燃烧，节煤25％，热能利用率提高15％，捕集二氧化碳，碳减排100％，节水80％；高铝粉煤灰100％综合利用，低成本生产高附加值的石墨烯合金、铝合金、单晶硅产品。
Description
技术领域
本发明涉及发电领域、石墨烯合金制造领域，尤其涉及高铝煤IGCC发电石墨烯合金联产装置及其工艺。
背景技术
目前，国内外煤电普遍存在热能利用率低和电解铝、电石、多晶硅行业高能耗、高污染的问题，尤其：一是浪费大量的二氧化碳资源，增加温室效应。二是大量的粉煤灰到处乱放，形成二次污染。
IGCC(Integrated Gasification Combined Cycle)整体煤气化联合循环发电系统，是将煤气化技术和高效的联合循环相结合的先进动力系统。它由两大部分组成，即煤的气化与净化部分和燃气—蒸汽联合循环发电部分。
现行IGCC发电技术，在煤气化时，用的是水蒸汽——煤气化技术，主要缺点：一是消耗水量较大，在很多缺水地区较难推广。二是采用空气燃烧，烟气中含有约78—85％的氮气，捕集二氧化碳成本高，较难产业化综合利用。
石墨烯(Graphene)的命名来自英文的graphite(石墨)+-e石墨烯ne(烯类结尾)。石墨烯是世上最薄也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3％的光；导热系数高达5300W/(m·K)，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15 000cm2/(V·s)，又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10-6Ω·cm，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料。因为它的电阻率极低，电子跑的速度极快，因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板、超级太阳能电池、超轻飞机、超轻汽车。
但是，现行石墨烯制造成本昂贵，是限制石墨烯产业推广应用发展的主要原因。
发明内容
本发明为克服上述的不足之处，目的在于提供高铝煤IGCC发电石墨烯合金联产装置及其工艺，有效利用二氧化碳和高铝粉煤灰资源，减少环境污染，结合IGCC发电技术与石墨烯合金合成技术，降低石墨烯合金制造成本，利于二氧化碳和高铝粉煤灰产业化综合利用。
本发明是通过以下技术方案达到上述目的：高铝煤IGCC发电石墨烯合金联产装置，包括：高铝煤催化器、IGCC碳氧循环发电系统、二氧化碳循环利用装置、空心电极密闭升降催化装置、远程防爆监控中心；所述高铝煤催化器与IGCC碳氧循环发电系统连接，IGCC碳氧循环发电系统与二氧化碳循环利用装置、空心电极密闭升降催化装置连接，二氧化碳循环利用装置与高铝煤催化器、空心电极密闭升降催化装置连接，远程防爆监控中心在线实时监控。
作为优选，所述空心电极密闭升降催化装置包括：滚筒筛贮罐、智能计量送料器、料斗、空心电极密闭升降催化炉、冷却锅、颚式破碎机、斗式提升机、过滤筛、石墨烯合金合成装置；IGCC碳氧循环发电系统与滚筒筛贮罐连接，滚筒筛贮罐与智能计量送料器连接，智能计量送料器与料斗连接，料斗与空心电极密闭升降催化炉连接，空心电极密闭升降催化炉与冷却锅、二氧化碳循环利用装置连接，冷却锅与颚式破碎机连接，颚式破碎机与斗式提升机连接，斗式提升机通过过滤筛将铝合金送石墨烯合金合成装置；IGCC碳氧循环发电系统产生的高铝粉煤灰送滚筒筛贮罐储存，智能计量送料器将滚筒筛贮罐中的高铝粉煤灰经料斗送入空心电极密闭升降催化炉进行还原催化反应，产生CO送空心电极密闭升降催化炉燃烧，产生CO2送二氧化碳循环利用装置，产生的单质金属经冷却锅、颚式破碎机、斗式提升机、过滤筛送石墨烯合金合成装置。
作为优选，高铝煤IGCC发电石墨烯合金联产装置还包括有双辊破碎机，高铝焦炭或无烟煤焦经双辊破碎机粉碎送滚筒筛贮罐储存。
作为优选，所述空心电极密闭升降催化炉包括：空心电极、升降套、旋转升降柱、燃烧室、防爆装置、CO收集罐；所述升降套形成的封闭空间内安装有空心电极，燃烧室提供动力驱动旋转升降柱上下移动，旋转升降柱带动升降套移动，封闭空间设有排气口，排气口与CO收集罐连接，CO收集罐与燃烧室连接，燃烧室与二氧化碳循环利用装置连接，防爆装置实时监控空心电极密闭升降催化炉的反应情况并将监控参数送远程防爆监控中心。
作为优选，所述空心电极密闭升降催化炉的感应变频范围为低频(0—150赫兹)或中频(150—10000赫兹)。
作为优选，所述空心电极形状为：空心长方型或空心哑铃型或圆空心型或多圆空心型。
作为优选，所述空心电极排列方式为：圆型炉3空心电极排列或圆型炉5空心电极排列或圆型炉9空心电极排列或长圆型炉13空心电极排列或长方型18空心电极排列。
作为优选，二氧化碳循环利用装置包括CO2捕集器、CO2分离器，CO2捕集器捕集CO2送CO2分离器分离。
高铝煤IGCC发电石墨烯合金联产工艺，包括以下步骤：
1)打开各系统、装置开关，远程防爆在线监控各系统工况；
2)将CO2送入高铝煤催化器催化，产生CO，一部分CO送IGCC碳氧循环发电系统进行纯氧或富氧燃烧发电，一部分CO送高温烟气CO收集储罐；
3)将IGCC碳氧循环发电系统燃烧产生的CO2捕集：一部分CO2送CO2分离器分离，碳黑送空心电极密闭升降催化炉循环利用，O2送IGCC碳氧循环发电系统进行纯氧或富氧燃烧发电；一部分CO2送高铝煤催化器；
4)将IGCC碳氧循环发电系统产生的高铝粉煤灰送空心电极密闭升降催化炉内，在空心电极的作用下，与高铝粉煤灰中的氧化物进行还原脱氧反应，产生的单质金属送石墨烯合金合成装置，生产石墨烯合金、铝合金、多晶硅；
5)将空心电极密闭升降催化炉催化产生的高温烟气CO进行收集，一部分CO送IGCC碳氧循环发电系统发电，一部分CO送空心电极作为热源生产电极，一部分CO送空心电极密闭升降催化炉的燃烧室作为热源使用。
作为优选，步骤5)还包括：将一部分CO送作为热源与高铝煤或无烟煤生产高铝焦炭或无烟煤焦炭，供空心电极密闭升降催化炉催化使用。
作为优选，空心电极密闭升降催化炉反应的温度为2000—2300℃。
本发明的有益效果在于：一是IGCC碳氧循环发电，进行纯氧或富氧燃烧，节煤25％，热能利用率提高15％，捕集二氧化碳，碳减排100％，节水80％；二是高铝粉煤灰100％综合利用，低成本生产高附加值的石墨烯合金、铝合金、单晶硅产品。
附图说明
图1是本发明装置的结构示意图；
图2是本发明装置的具体结构示意图；
图3是本发明工艺原理示意图；
图4是本发明空心电极密闭升降催化炉的结构示意图；
图5是空心电极形状示意图；
图6是空心电极排列方式示意图；
图7是本发明实施例2装置的具体结构示意图；
图8是本发明实施例2的工艺原理示意图；
附图标注说明：1、高铝煤催化器；2、IGCC碳氧循环发电装置；3、高铝粉煤灰；4、滚筒筛贮罐；5、智能计量送料器；6、料斗；7、空心电极；8、CO2捕集器；9、斗式提升机；10、过滤筛；11、石墨烯辅料；12、石墨烯合金合成装置；13、铝合金；14、颚式破碎机；15、冷却锅；16、远程防爆监控中心；17、燃烧室；18、空心电极密闭升降催化炉；19、CO收集罐；20、升降套；21、防爆装置；22、旋转升降柱；23、高铝焦炭；24、双辊破碎机；A、空心长方型；B、空心哑铃型；C、圆空心型；D、多圆空心型；E、圆型炉3空心电极；F、圆型炉5空心电极；G、圆型炉9空心电极；H、长圆型炉13空心电极；I、长方型18空心电极。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：
实施例1：如图1所示，高铝煤IGCC发电石墨烯合金联产装置，包括：高铝煤催化器、IGCC碳氧循环发电系统、二氧化碳循环利用装置、空心电极密闭升降催化装置、远程防爆监控中心；所述高铝煤催化器与IGCC碳氧循环发电系统连接，IGCC碳氧循环发电系统与二氧化碳循环利用装置、空心电极密闭升降催化装置连接，二氧化碳循环利用装置与高铝煤催化器、空心电极密闭升降催化装置连接，远程防爆监控中心在线实时监控。其中，二氧化碳循环利用装置包括CO2捕集器、CO2分离器，CO2捕集器捕集CO2送CO2分离器分离。
基于图1所示的装置，在实际应用中，如图2所示，高铝煤IGCC发电石墨烯合金联产装置包括：高铝煤催化器、IGCC碳氧循环发电系统、CO2捕集器、CO2分离器、滚筒筛贮罐、智能计量送料器、料斗、空心电极密闭升降催化炉、冷却锅、颚式破碎机、斗式提升机、过滤筛、石墨烯合金合成装置、远程防爆监控中心；所述高铝煤催化器与IGCC碳氧循环发电系统连接，IGCC碳氧循环发电系统与CO2捕集器连接，CO2捕集器与CO2分离器、高铝煤催化器连接，CO2分离器与IGCC碳氧循环发电系统、空心电极密闭升降催化炉连接，IGCC碳氧循环发电系统与滚筒筛贮罐连接，滚筒筛贮罐与智能计量送料器连接，智能计量送料器与料斗连接，料斗与空心电极密闭升降催化炉连接，空心电极密闭升降催化炉与冷却锅、CO2捕集器连接，冷却锅与颚式破碎机连接，颚式破碎机与斗式提升机连接，斗式提升机通过过滤筛将铝合金送石墨烯合金合成装置；高铝煤催化器内CO2与高铝煤发生催化反应产生CO送IGCC碳氧循环发电系统进行燃烧，产生CO2与高铝粉煤灰，CO2送CO2捕集器，高铝粉煤灰送滚筒筛贮罐储存，智能计量送料器将滚筒筛贮罐中的高铝粉煤灰经料斗送入空心电极密闭升降催化炉进行还原催化反应，产生CO送空心电极密闭升降催化炉燃烧，产生CO2送CO2捕集器，产生的单质金属经冷却锅、颚式破碎机、斗式提升机、过滤筛送石墨烯合金合成装置。
高铝煤催化器中催化的高铝煤不仅仅只有高铝煤，还可以包括高铝煤矸石、高铝煤泥。
如图3所示，高铝煤IGCC发电石墨烯合金联产工艺，包括以下步骤：
1)打开各系统、装置开关，远程防爆在线监控各系统工况情况；
2)将CO2送入高铝煤催化器催化，产生CO，一部分CO送IGCC碳氧循环发电系统进行纯氧或富氧燃烧发电，一部分CO送高温烟气CO收集储罐；
高铝煤催化器完成主反应：
C+CO2——2CO (1)
优选高铝煤矸石、高铝煤泥、高铝煤催化器反应的温度为1000—1600℃；
IGCC碳氧循环发电系统纯氧或富氧燃烧完成主反应：
2CO+O2——2CO2 (2)
优选IGCC碳氧循环发电系统纯氧或富氧燃烧的温度为1300—1800℃；
3)将IGCC碳氧循环发电系统燃烧产生的CO2捕集：一部分CO2送CO2分离器分离，碳黑送空心电极密闭升降催化炉循环利用，O2送IGCC碳氧循环发电系统进行纯氧或富氧燃烧发电；一部分CO2送高铝煤催化器；
优选CO2分离器采用超高压脉冲技术，超高压脉冲200—1000KV；
CO2分离器分离完成的主反应：
CO2——C+O2 (3)
优选CO2分离器分离反应的温度为100—300℃；
4)将IGCC碳氧循环发电系统产生的高铝粉煤灰送空心电极密闭升降催化炉内，在空心电极的作用下，与高铝粉煤灰中的氧化物进行还原脱氧反应，产生的单质金属与石墨烯辅料一起送入石墨烯合金合成装置，生产石墨烯合金、铝合金、多晶硅；
高铝粉煤灰中的氧化物以Al2O3、SiO2为例，发生还原反应后产生单质金属Al、Si：
Al2O3+3 C——2Al+3CO (4)
SiO2+2 C——Si+2CO (5)
优选空心电极密闭升降催化炉反应的温度为2000—2300℃；
5)将空心电极密闭升降催化炉催化产生的高温烟气CO进行收集，一部分CO送IGCC碳氧循环发电系统发电，一部分CO送空心电极作为热源生产电极，一部分CO送空心电极密闭升降催化炉的燃烧室作为热源使用。
现行电极炉，包括密闭式、开放式的，其电极位置高低，多是固定式的，位置太高或太低，都会形成电的极大浪费。
本发明提出一种可调节式电极炉，调节方式包括：催化炉位置固定电极升降、电极位置固定催化炉升降，通过改变电极位置使得电得到高效使用。
如图4所示，空心电极密闭升降催化炉包括：空心电极、升降套、旋转升降柱、燃烧室、防爆装置、CO收集罐；所述升降套形成的封闭空间内安装有空心电极，燃烧室提供动力驱动旋转升降柱上下移动，旋转升降柱带动升降套移动，封闭空间设有排气口，排气口与CO收集罐连接，CO收集罐与燃烧室连接，燃烧室与二氧化碳循环利用装置连接，防爆装置实时监控空心电极密闭升降催化炉的反应情况并将监控参数送远程防爆监控中心。
目前，市场上的电极糊多为实心长块，使用成本较高。本发明优选空心电极块，节约电极成本30％以上。空心电极块制作的原料为高铝煤焦炭或无烟煤焦炭、二氧化碳制取的碳黑和石墨、沥青等。如图5所示，空心电极形状为：空心长方型A或空心哑铃型B或圆空心型C或多圆空心型D。
现行电极炉(包括密闭式、开放式)技术，多采用的是1—3根电极，难以适应较大产能的应用。本发明优选采用3—30根空心电极排列方式，满足产业化大产能需要。空心电极排列方式可以有如图6所示：圆型炉3空心电极E排列或圆型炉5空心电极F排列或圆型炉9空心电极G排列或长圆型炉13空心电极H排列或长方型18空心电极I排列。
实施例2：如图7所示，本实施例还将有效利用高铝焦炭或无烟煤焦炭。与图2所示相比较，本实施例的高铝煤IGCC发电石墨烯合金联产装置还包括有双辊破碎机，高铝焦炭或无烟煤焦经双辊破碎机粉碎送滚筒筛贮罐储存。
本实施例工艺与实施例1相比较其区别在于将高铝焦炭或无烟煤焦炭经双辊粉碎机粉碎与IGCC碳氧循环发电系统产生的高铝粉煤灰，通过智能计量送料器送入空心电极密闭升降催化炉还原催化，产生的CO收集送燃烧室燃烧，为空心电极密闭升降催化炉提供热能，减少空心电极密闭升降催化炉耗电60％以上。燃烧室产生的CO2进行捕集循环利用。
如图8所示，高铝煤IGCC发电石墨烯合金联产工艺，包括以下步骤：
1)打开各系统、装置开关，远程防爆在线监控各系统工况情况；
2)将CO2送入高铝煤催化器催化，产生CO，一部分CO送IGCC碳氧循环发电系统进行纯氧或富氧燃烧发电，一部分CO送高温烟气CO收集储罐；
高铝煤催化器完成主反应：
C+CO2——2CO (1)
优选高铝煤矸石、高铝煤泥、高铝煤催化器反应的温度为1000—1600℃；
IGCC碳氧循环发电系统纯氧或富氧燃烧完成主反应：
2CO+O2——2CO2 (2)
优选IGCC碳氧循环发电系统纯氧或富氧燃烧的温度为1300—1800℃；
3)将IGCC碳氧循环发电系统燃烧产生的CO2捕集：一部分CO2送CO2分离器分离，碳黑送空心电极密闭升降催化炉循环利用，O2送IGCC碳氧循环发电系统进行纯氧或富氧燃烧发电；一部分CO2送高铝煤催化器；
优选CO2分离器采用超高压脉冲技术，超高压脉冲200—1000KV；
CO2分离器分离完成的主反应：
CO2——C+O2 (3)
优选CO2分离器分离反应的温度为100—300℃；
4)将IGCC碳氧循环发电系统产生的高铝粉煤灰送空心电极密闭升降催化炉内，在空心电极的作用下，与高铝粉煤灰中的氧化物进行还原脱氧反应，产生的单质金属送石墨烯合金合成装置，生产石墨烯合金、铝合金、多晶硅、单晶硅；
高铝粉煤灰中的氧化物以Al2O3、SiO2为例，发生还原反应后产生单质金属Al、Si：
Al2O3+3 C——2Al+3CO (4)
SiO2+2 C——Si+2CO (5)
优选空心电极密闭升降催化炉反应的温度为2000—2300℃；
5)将空心电极密闭升降催化炉催化产生的高温烟气CO进行收集，一部分CO送IGCC碳氧循环发电系统发电，一部分CO送空心电极作为热源生产电极，一部分CO送作为热源与高铝煤或无烟煤生产高铝焦炭或无烟煤焦炭，供空心电极密闭升降催化炉催化使用，一部分CO送空心电极密闭升降催化炉的燃烧室作为热源使用。
以上的所述乃是本发明的具体实施例及所运用的技术原理，若依本发明的构想所作的改变，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，仍应属本发明的保护范围。
Claims (9)
1.高铝煤IGCC发电石墨烯合金联产装置，其特征在于包括：高铝煤催化器、IGCC碳氧循环发电系统、二氧化碳循环利用装置、空心电极密闭升降催化装置、远程防爆监控中心；所述高铝煤催化器与IGCC碳氧循环发电系统连接，IGCC碳氧循环发电系统与二氧化碳循环利用装置、空心电极密闭升降催化装置连接，二氧化碳循环利用装置与高铝煤催化器、空心电极密闭升降催化装置连接，远程防爆监控中心在线实时监控；所述的空心电极密闭升降催化装置包括：滚筒筛贮罐、智能计量送料器、料斗、空心电极密闭升降催化炉、冷却锅、颚式破碎机、斗式提升机、过滤筛、石墨烯合金合成装置；IGCC碳氧循环发电系统与滚筒筛贮罐连接，滚筒筛贮罐与智能计量送料器连接，智能计量送料器与料斗连接，料斗与空心电极密闭升降催化炉连接，空心电极密闭升降催化炉与冷却锅、二氧化碳循环利用装置连接，冷却锅与颚式破碎机连接，颚式破碎机与斗式提升机连接，斗式提升机通过过滤筛将铝合金送石墨烯合金合成装置；IGCC碳氧循环发电系统产生的高铝粉煤灰送滚筒筛贮罐储存，智能计量送料器将滚筒筛贮罐中的高铝粉煤灰经料斗送入空心电极密闭升降催化炉进行还原催化反应，产生CO送空心电极密闭升降催化炉燃烧，产生CO2送二氧化碳循环利用装置，产生的单质金属经冷却锅、颚式破碎机、斗式提升机、过滤筛送石墨烯合金合成装置。
2.根据权利要求1所述的高铝煤IGCC发电石墨烯合金联产装置，其特征在于，还包括有双辊破碎机，高铝焦炭或无烟煤焦经双辊破碎机粉碎送滚筒筛贮罐储存。
3.根据权利要求1所述的高铝煤IGCC发电石墨烯合金联产装置，其特征在于，所述空心电极密闭升降催化炉包括：空心电极、升降套、旋转升降柱、燃烧室、防爆装置、CO收集罐；所述升降套形成的封闭空间内安装有空心电极，燃烧室提供动力驱动旋转升降柱上下移动，旋转升降柱带动升降套移动，封闭空间设有排气口，排气口与CO收集罐连接，CO收集罐与燃烧室连接，燃烧室与二氧化碳循环利用装置连接，防爆装置实时监控空心电极密闭升降催化炉的反应情况并将监控参数送远程防爆监控中心。
4.根据权利要求3所述的高铝煤IGCC发电石墨烯合金联产装置，其特征在于，所述空心电极形状为：空心长方型或空心哑铃型或圆空心型。
5.根据权利要求3所述的高铝煤IGCC发电石墨烯合金联产装置，其特征在于，所述空心电极排列方式为：圆型炉3空心电极排列或圆型炉5空心电极排列或圆型炉9空心电极排列或长圆型炉13空心电极排列或长方型18空心电极排列。
6.根据权利要求1所述的高铝煤IGCC发电石墨烯合金联产装置，其特征在于，二氧化碳循环利用装置包括CO2捕集器、CO2分离器，CO2捕集器捕集CO2送CO2分离器分离。
7.高铝煤IGCC发电石墨烯合金联产工艺，其特征在于包括以下步骤：
1)打开各系统、装置开关，远程防爆在线监控各系统工况；
2)将CO2送入高铝煤催化器催化，产生CO，一部分CO送IGCC碳氧循环发电系统进行纯氧或富氧燃烧发电，一部分CO送高温烟气CO收集储罐；
3)将IGCC碳氧循环发电系统燃烧产生的CO2捕集：一部分CO2送CO2分离器分离，碳黑送空心电极密闭升降催化炉循环利用，O2送IGCC碳氧循环发电系统进行纯氧或富氧燃烧发电；一部分CO2送高铝煤催化器；
4)将IGCC碳氧循环发电系统产生的高铝粉煤灰送空心电极密闭升降催化炉内，在空心电极的作用下，与高铝粉煤灰中的氧化物进行还原脱氧反应，产生的单质金属送石墨烯合金合成装置，生产石墨烯合金、铝合金、多晶硅；
5)将空心电极密闭升降催化炉催化产生的高温烟气CO进行收集，一部分CO送IGCC碳氧循环发电系统发电，一部分CO送空心电极作为热源生产电极，一部分CO送空心电极密闭升降催化炉的燃烧室作为热源使用。
8.根据权利要求7所述的高铝煤IGCC发电石墨烯合金联产工艺，其特征在于，步骤5)还包括：将一部分CO送作为热源与高铝煤或无烟煤生产高铝焦炭或无烟煤焦炭，供空心电极密闭升降催化炉催化使用。
9.根据权利要求7所述的高铝煤IGCC发电石墨烯合金联产工艺，其特征在于，空心电极密闭升降催化炉反应的温度为2000—2300℃。
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