CN110550604B - 一种火电耦合甲醇制氢的新型热力系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种火电耦合甲醇制氢的新型热力系统，所述系统包括火力发电子系统以及甲醇制氢子系统，所述甲醇制氢子系统包括依次连接的蒸汽传输模块、制氢模块和分离模块；所述制氢模块包括依次连接的给料装置、一次加热装置、二次加热装置、混合装置和反应装置；所述混合装置用于混合蒸汽原料和甲醇气体原料以作为反应原料；本发明通过火力发电系统和甲醇制氢系统的耦合，实现了将传统能源系统热能利用提升为物理能化学能综合梯级利用，提高热能利用率；同时为即将到来的氢能社会提供低成本、低能耗及供应稳定的氢源。
Description
技术领域
本发明涉及氢气制备技术领域，尤其涉及一种火电耦合甲醇制氢的新型热力系统。
背景技术
目前，近年来，伴随着我国能源革命的深入推进，万亿氢燃料汽车市场逐渐形成，国家层面和各省市氢能政策及规划频出，带动了氢气需求徒增，而先进可靠的制氢技术成为影响氢能产业的关键环节。现有主流制氢技术路线中的化工原料制氢，具有制取氢气纯度相对较高和反应要求低等优点，且化工原料制氢原料易获得，具有规模效应，是我国制氢技术从现阶段煤化工和工业副产物为主的“黑氢”发展到可再生能源制氢“绿氢”的过渡阶段必经之路。其中，甲醇制氢投资适中，市场上具有各种规模的成熟制氢设备，且反应温度压力要求低，反应条件温和，氢气选择性好，是化工原料制氢中优良的技术路线。
CN103387210A提供了甲醇水制氢方法，但是该系统中的重整反应器中设有燃烧室为重整反应提供能量，而且在燃烧过过程中由于温度的不可控会严重影响重整反应的过程及重整器的寿命。CN202808344U提供了一种高效的甲醇制氢系统，但是其还要对重整反应器的反应后气体经过二次加热才可以进行氢气的分离，对热能的综合利用率较低，耗能较多。因此，目前解决甲醇制氢过程中耗能高，热能利用率低下尤为重要
与此同时，由于我国能源结构加速调整，新能源发电装机占全国装机总容量比重日益增加，对火电机组参与深度调峰能力不断提出更高要求，火电发电量下降也导致了火电生存发展面临严峻考验。为此，部分火电厂进行机组供热改造，积极拓展供工业蒸汽和热水能力，但存在供暖季节性明显和供热蒸汽受到工厂产量影响等瓶颈。因此，如何争取更多发电利用小时数，深度挖掘火电机组供热能力，进一步提高火电机组的综合能源利用效率及提效创收是目前火电亟待解决的重要问题。
发明内容
鉴于现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种火电藕合甲醇制氢的新型热力系统，以实现将传统能源系统热能利用提升为物理能化学能综合梯级利用，提高热能利用率；同时为即将到来的氢能社会提供低成本、低能耗及供应稳定的氢源。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供了一种火电耦合甲醇制氢的新型热力系统，所述系统包括火力发电子系统以及甲醇制氢子系统，所述甲醇制氢子系统包括依次连接的蒸汽传输模块、制氢模块和分离模块。
所述蒸汽传输模块的进气口和所述火力发电子系统的汽轮机压力缸相连接。
所述制氢模块包括依次连接的给料装置、一次加热装置、二次加热装置、混合装置和反应装置；所述混合装置用于混合蒸汽原料和甲醇气体原料以作为反应原料。
所述蒸汽传输模块的出气口和所述反应装置的热源入口相连接。
所述反应装置的热源出口连接的管路分出第一支路以及第二支路，所述第一支路与所述火力发电子系统的蒸汽回收模块相连，所述第二之路与所述二次加热装置的热源入口相连，所述二次加热装置的热源出口与所述火力发电子系统的蒸汽回收模块相连。
所述反应装置的出料口和所述一次加热装置的热源进口相连接。
所述一次加热装置的热源出口和所述分离模块的进料口相连接。
本发明中通过对火电厂过剩蒸汽的合理利用，达到了利用火电厂蒸汽进行甲醇制氢的目的。同时该工艺由于对火电厂蒸汽的利用及对反应物料的多次加热，实现了重整反应器中辅助加热装置的效果，实现了工艺能耗的降低及工艺的绿色化，同时也有利与延长重整反应器的使用寿命。同时由于在本系统中蒸汽作为原料的同时也提供制氢过程所需的热能，显著降低了甲醇制氢的成本。进一步的，该系统也实现了火电系统中热能的资源化利用。
作为本发明优选的技术方案，所述蒸汽传输模块包括依次连接的抽汽装置和供热管。
优选地，所述抽汽装置为抽汽调整阀。
本发明中，火电厂的汽轮机组可以通过蒸汽传输模块达到将汽轮机中过剩蒸汽向甲醇制氢子系统提供蒸汽的目的。
作为本发明优选的技术方案，所述给料装置包括依次连接的液体甲醇原料存储设备和甲醇泵。
优选地，所述甲醇泵的出料口与所述一次加热装置进料口相连。
作为本发明优选的技术方案，所述一次加热装置为第一换热器。
优选地，所述第一换热器维持的内部温度为145-160℃，例如可以是145℃、 147℃、150℃、153℃、155℃、157℃或160℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，液体甲醇原料通过甲醇泵的作用传输至一次加热装置实现液体甲醇的气化。同时由于在加热过程中使用了换热器使得反应后气体中剩余的热量得到进一步的利用，提高了热能的利用效率。
作为本发明优选的技术方案，所述二次加热装置为第二换热器。
优选地，所述第二换热器维持的内部温度为270-290℃，例如可以是270℃、 273℃、275℃、278℃、280℃、282℃、285℃、288℃或290℃，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，通过对甲醇蒸汽的二次加热可以避免在未安装辅助加热组件的重整反应器中重整反应原料的达不到所需反应温度而造成制氢效率低下的问题。上述所用的换热器可以根据工艺参数和产能设计选择管式、板式、热管或板束式换热器等中的一种或多种组合，进一步地也可以安装工艺需求自行设计。
作为本发明优选的技术方案，所述混合装置为混合器。
优选地，所述混合器为气体混合配比器。
本发明中，所用的气体混合配比器依据实际生产过程中氢气的产能及相关的工艺参数进行选择购置或自行设计。通过对火电厂中过剩蒸汽的利用，实现了甲醇制氢原料中水的直接气化，不需要对原料中的水加热，减少了能量损耗，同时也实现了火电厂蒸汽的资源化利用。
作为本发明优选的技术方案，所述反应装置为重整反应器。
优选地，所述重整反应器维持的反应温度为280-300℃，例如可以是280℃、 283℃、285℃、287℃、290℃、292℃、295℃、298℃或300℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，由于对蒸汽中热能和反应生成物余热对甲醇的多级加热，使得重整反应器中可以不设置辅助升温组件从而减少了污染物排放及提高了能量的利用率，实现了甲醇制氢工艺的绿色化。
作为本发明优选的技术方案，所述反应装置的热源出口连接的管路分出第三支路。
优选地，所述第三支路与所述混合装置的进料口相连。
优选地，所述第三管路为所述制氢模块提供蒸汽原料。
本发明中，通过反应装置的持续加热，并对加热后蒸汽的进行再次利用，达到蒸汽中热能的最大化的利用，以实现蒸汽中热能的多级合理化利用。
作为本发明优选的技术方案，所述分离模块包括依次连接的淋洗装置、分离装置和吸附装置。
优选地，所述淋洗装置为淋洗塔。
优选地，所述淋洗装置的塔顶气通入所述分离装置。
优选地，所述淋洗装置的塔底液返回所述给料装置。
优选地，所述分离装置为气水分离器。
优选地，分离后的气体通入所述吸附装置。
本发明中，通过对反应后物料的淋洗，反应过程中没有利用的甲醇进行回收，实现甲醇的高效利用，淋洗塔依据实际生产工艺的参数进行选择不同类型的洗涤塔。同时通过气水分离器依据工艺生产指标和参数选择管道离心式气水分离过滤器、ZCQF气水分离器、QF型气液分离器或气水凝结分离器等的一种或多种的组合，去除淋洗后气体中的水蒸气可以避免对后续氢气提纯造成不利的影响。
作为本发明优选的技术方案，所述吸附装置为变压吸附设备。
优选地，所述变压吸附装置中设置有吸附塔，吸附塔的个数可以是1个、2 个、3个、4个或5个等，但并不仅限于所列举的个数，限于篇幅此处不再进行穷尽列举，可据实际过程中的工艺指标进行选择即可。
本发明中，通过对去除水汽后气体进行变压吸附处理以实现气体中其他气体杂质的去除，使得可以得到高纯度的氢气。其中变压吸附装置中使用的吸附介质可以是活性炭、硅胶、氧化铝、沸石分子筛、碳分子筛或树脂等吸附剂中的一种或组合，上述吸附剂选择主要依据实际生产指标及工艺参数进行选择。
本发明中将火力发电厂的中过剩的蒸汽利用作为甲醇制氢的原料和热能。电厂中的过剩蒸汽首先通过蒸汽传输模块经管道运输至甲醇制氢子系统的反应装置处进行装置的加热，加热完成后分为三路，第一路直接返回火电厂蒸汽回收模块，第二路通过管道输送至二次加热装置用于加热由一次加热装置气化后的甲醇气体，第三路通过管道输送至混合装置与二次加热装置加热后的甲醇气体混合作为原料输送至反应装置进行重整反应，反应后的物料通过一次加热装置气化甲醇液体，换热后的物料物料一次通过淋洗装置、分离装置及吸附装置后的得到高纯度的氢气。
与现有技术方案相比，本发明至少具有以下有益效果：
(1)利用本发明，使制氢系统投资适中，仅需甲醇与蒸汽作为原料与动力，反应效率高，大幅度提升经济性；
(2)利用本发明，无需在重整反应器中装置燃烧装置，反应温度压力要求低，反应条件温和，有效提高制氢系统的安全性与可靠性；
(3)利用本发明，以电厂中低品位热源为原料与动力制氢，高品位热能用于发电，可提高燃料物理能化学能综合梯级利用效率充分实现能量的梯级高效利用。
附图说明
图1是本发明提供的一种火电耦合甲醇制氢的新型热力系统的火力发电子系统示意图；
图2是本发明提供的一种火电耦合甲醇制氢的新型热力系统的甲醇制氢子系统示意图；
图中：1-蒸汽传输模块，11-抽汽装置，12-供热管，2-蒸汽回收模块；
31-甲醇原料存储设备，32-甲醇泵，33-一次加热装置，34-二次加热装置， 35-混合装置，36-反应装置；
4-分离模块，41-淋洗装置，42-分离装置，43-吸附装置，44-液体杂质， 45-氢气，46-气体杂质。
下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
具体实施方式
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。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置。
除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一特征和第二特征直接接触，也可以包括第一特征和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。 (分层、因果)
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，本发明的典型但非限制性的实施例如下：
实施例1
如图1和2所示，一种火电耦合甲醇制氢的新型热力系统，所述系统包括火力发电子系统以及甲醇制氢子系统，所述甲醇制氢子系统包括依次连接的蒸汽传输模块1、制氢模块和分离模块4；所述蒸汽传输模块1的进气口和所述火力发电子系统的汽轮机压力缸相连接；所述蒸汽传输模块1通过抽气装置11将蒸汽抽出经供热管12将火电厂中过剩的蒸汽传输至甲醇制氢子系统。
所述制氢模块包括依次连接的给料装置、一次加热装置33、二次加热装置 34、混合装置35和反应装置36；所述混合装置35用于混合蒸汽原料和甲醇气体原料以作为反应原料。
所述蒸汽传输模块1的出气口和所述反应装置36的热源入口相连接；从而将蒸汽传输至反应装置36并对反应装置36进行加热，加热反应装置36后的蒸汽经过反应装置36的热源出口连接的管路分出第一支路、第二支路和第三支路，所述第一支路与所述火力发电子系统的蒸汽回收模块2相连，所述第二支路与所述二次加热装置34的热源入口相连，所述二次加热装置34的热源出口与所述火力发电子系统的蒸汽回收模块2相连，以实现系统中蒸汽的循环高效的利用。
所述给料装置通过甲醇泵32将甲醇原料存储设备31中的甲醇液体泵入到一次加热装置33将甲醇气化，气化后的甲醇气体通过管道通入到二次加热装置 34进行再次加热，加热后的甲醇气和水蒸汽在混合装置35中混合，混合后的气体通入反应装置36进行重整反应，反应之后的气体通过一次加热装置33进行换热以气化甲醇液体，之后将换热后的气体通入到分离模块4中，首先经淋洗装置41淋洗，以回收为反应的甲醇，之后将气体通入到分离装置42中，去除气体中的水蒸汽，塔底液为液体杂质44，最后将塔顶气通入到吸附装置43中对气体进行提纯，得到氢气45和气体杂质46；其中，混合装置35中通入的水蒸汽可以来自所述第三支路。通过对蒸汽热能的多次利用，显著的降低了重整反应所需的条件，同时也实现了火电厂中过剩热能的多层次高效利用，实现了绿色氢能的高效供应。
实施例2
本发明提供的一个具体实施例，选用中国华南某地2×330MW供热燃煤发电厂进行蒸汽甲醇制氢耦合改造，为当地提供氢气。当地加氢站加氢能力为500kg/ 天，为满足最近一个加氢站183t的全年氢气需求，甲醇制氢系统规模设计为 500Nm3/h(44.52kg/h)，年利用小时约为4100h。本实施例中将甲醇制氢子系统与火力发电子系统耦合，在供热蒸汽母管中接出一条蒸汽管路为甲醇制氢子系统提供1900kg/h的蒸汽作为汽源，该蒸汽在加热反应装置之后通过不同的支路进行输送，其中加热反应装置的温度为285℃，压力为1.5MPa；与反应装置出气口相连的第一支路将换热后的蒸汽返回火电厂蒸汽回收模块；与反应装置出气口相连的第二支路将蒸汽输送至甲醇二次加热器以再次对甲醇气体进行加热，二次加热器出口的低温蒸汽温度为198℃，压力为1.5MPa；其温度和压力与发电厂蒸汽回收模块中除氧器运行参数匹配，由管路输送至火电厂蒸汽回收模块，完成甲醇制氢子系统的蒸汽热力循环并回收凝结水。而反应装置出气口的第三支路将蒸汽输送至混合装置将蒸汽作为制氢的原料；其中，蒸汽管路提供反应物蒸汽243kg/h、反应装置加热后蒸汽1407kg/h及甲醇二次加热蒸汽 250kg/h。
对于甲醇制氢子系统来说，液态甲醇通过甲醇泵通入到一次加热装置进行热交换使甲醇气化，气化后的甲醇通入到二次加热装置进行再次加热，再次加热后的甲醇气体到混合装置和蒸汽原料进行混合，然后通入到重整反应器中，重整反应器反应温度通过火电厂子系统提供的蒸汽热能将其保持在 260℃-280℃，重整反应器中物料的反应效率为95％，甲醇消耗量为270kg/h，反应后气体首先通过一次加热装置进行热交换以气化甲醇液体，然后将热交换后的气体通入到淋洗装置以回收气体中未反应的甲醇，然后将气体依次通入分离装置和吸附装置以实现氢气的纯化；其中，单位产氢量为44.52kg/h，氢气的纯度为99.999％。
综上，采用火电耦合甲醇制氢对火电机组进行改造，实现低品位热能转化为高能量密度氢能的高效利用，并使甲醇重整反应器脱离燃烧系统提高了安全性，预计通过提高利用小时数能满足两个500kg/天加氢站的需求，且为发电厂每年增加1464万元(2019年燃料电池车氢气市场价格40元/kg)的营业收入，实现能量和经济性的最优化。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征，但本发明并不局限于上述详细结构特征，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (18)
1.一种火电耦合甲醇制氢的新型热力系统，其特征在于，所述系统包括火力发电子系统以及甲醇制氢子系统，所述甲醇制氢子系统包括依次连接的蒸汽传输模块、制氢模块和分离模块；
所述蒸汽传输模块的进气口和所述火力发电子系统的汽轮机压力缸相连接；
所述制氢模块包括依次连接的给料装置、一次加热装置、二次加热装置、混合装置和反应装置；所述混合装置用于混合蒸汽原料和甲醇气体原料以作为反应原料；
所述蒸汽传输模块的出气口和所述反应装置的热源入口相连接；
所述反应装置的热源出口连接的管路分出第一支路以及第二支路，所述第一支路与所述火力发电子系统的蒸汽回收模块相连，所述第二支路与所述二次加热装置的热源入口相连，所述二次加热装置的热源出口与所述火力发电子系统的蒸汽回收模块相连；
所述反应装置的出料口和所述一次加热装置的热源进口相连接；
所述分离模块的进料口和所述一次加热装置的热源出口相连接；
所述一次加热装置为第一换热器；所述第一换热器维持的内部温度为145-160℃；所述二次加热装置为第二换热器；所述第二换热器维持的内部温度为270-290℃；所述反应装置为重整反应器；所述重整反应器维持的反应温度为280-300℃。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述蒸汽传输模块包括依次连接的抽汽装置和供热管。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述抽汽装置为抽汽调整阀。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述给料装置包括依次连接的液体甲醇原料存储设备和甲醇泵。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述甲醇泵的出料口与所述一次加热装置进料口相连。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述混合装置为混合器。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述混合器为气体混合配比器。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述反应装置的热源出口连接的管路分出第三支路。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述第三支路与所述混合装置的进料口相连。
10.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述第三支路为所述制氢模块提供蒸汽原料。
11.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述分离模块包括依次连接的淋洗装置、分离装置和吸附装置。
12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述淋洗装置为淋洗塔。
13.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述淋洗装置的塔顶气通入所述分离装置。
14.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述淋洗装置的塔底液返回所述给料装置。
15.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述分离装置为气水分离器。
16.如权利要求1所述的系统，其特征在于，分离后的气体通入所述吸附装置。
17.如权利要求16所述的系统，其特征在于，所述吸附装置为变压吸附设备。
18.如权利要求17所述的系统，其特征在于，所述变压吸附装置中设置有吸附塔。
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