CN111591957A - 一种煤层气联合循环发电及co2捕集系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种煤层气联合循环发电及CO2捕集系统及方法，属于能源动力与煤层气利用技术领域，解决了现有技术中煤层气发电流程长，能耗大，系统效率低，成本高，CO2排放量高的问题。煤层气联合循环发电及CO2捕集系统包括煤层气制氢单元、脱碳单元及联合循环发电单元；煤层气制氢单元包括部分氧化反应器和透氧膜反应器；透氧膜反应器包括氧化区和产氢区；氧化区的进料口与部分氧化反应器的出料口相连；中低浓度煤层气及过热水蒸气能够进入煤层气制氢单元经过反应得到燃料气及转化尾气；燃料气输入联合循环发电单元；转化尾气进入脱碳单元以分离CO2。本发明在实现高煤层气利用率的同时，可实现CO2近零排放。

Description

一种煤层气联合循环发电及CO2捕集系统及方法
技术领域
本发明涉及能源动力与煤层气利用技术领域，尤其涉及一种煤层气联合循环发电及CO2捕集系统及方法。
背景技术
减少温室气体排放，缓解全球气候变暖是目前国内外的关注热点。我国煤矿开采过程中伴生大量中低浓度煤层气(25％<CH4含量<80％)，此种煤层气因含有O2，N2，CO2等杂质气体，不易压缩储存及利用，大量煤层气直接排向大气，不仅严重威胁煤矿安全，而且造成温室气体排放和环境污染。煤层气的有效成分甲烷是制氢及发电的重要原料。将中低浓度煤层气转化成电力，并对转化过程的CO2进行捕集，一方面可减少中低浓度煤层气对环境的影响，另一方面可减少对煤炭及天然气等能源的依赖，并真正意义上减少煤层气对温室效应的影响。
利用中低浓度煤层气发电的技术路线之一是直接燃烧或提纯后燃烧。目前中低浓度煤层气发电的主要方式是通过直接燃烧或与煤、天然气等燃料混合作为辅助燃料发电，但此方式发电效率低，直接燃烧时发电效率低(不超过40％)，且燃烧后的CO2直接排放至大气，若对燃烧尾气中的CO2进行捕集，系统效率将进一步下降10-12个百分点。目前已提出了多种中低浓度煤层气提纯技术，如低温精馏、低温精馏、变压吸附、膜分离、水合物法等。通过这些工艺提纯有效成分甲烷，而后甲烷可作为燃气轮机或联合循环燃料发电。但无论何种提纯工艺，都伴随着大量能耗和费用代价，且甲烷利用过程仍需考虑CO2的捕集问题。
中低浓度煤层气发电的另外一条技术途径是先通过中低浓度煤层气制取氢气，而后通过氢气燃烧发电。中低浓度煤层气制氢通常也需先提纯有效成分甲烷，甲烷再经水蒸气重整、部分氧化重整、自热重整、CO2重整等转化为H2和CO2，而后经变压吸附、膜分离等工艺将二者分离从而获得氢气产品。此流程不但甲烷制氢过程H2与CO2分离需耗能，煤层气提纯过程的能耗同样不可避免。目前也有一种不经提纯直接利用煤层气制氢的方法。此方法利用煤层气中所含氧气，并通入水蒸气进行自热重整，而后经变压吸附脱除杂质气体，提纯氢气。但此种方法没有考虑CO2的捕集，尾气CO2直接排放至大气。同时，甲烷自热重整过程转化率受到反应平衡限制，甲烷难以完全转化，尾气中因含大量N2，甲烷浓度过低，再利用困难。
综上，目前应用于中低浓度煤层气发电的技术路线存在着流程长，能耗大，系统效率低，成本高等问题。
发明内容
鉴于以上分析，针对现有技术中的不足，本发明旨在提供一种煤层气联合循环发电及CO2捕集系统及方法，至少能够解决以下技术问题之一：(1)现有的煤层气发电流程长，能耗大，系统效率低，成本高；(2)CO2排放量高。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
一方面，本发明提供了一种煤层气联合循环发电及CO2捕集系统，包括煤层气制氢单元、脱碳单元及联合循环发电单元；煤层气制氢单元包括部分氧化反应器和透氧膜反应器；透氧膜反应器包括氧化区和产氢区；氧化区的进料口与部分氧化反应器的出料口相连；中低浓度煤层气及过热水蒸气能够进入煤层气制氢单元经过反应得到燃料气及转化尾气；燃料气输入联合循环发电单元；转化尾气进入脱碳单元以分离CO2。
进一步的，煤层气制氢单元还包括尾气余热回收单元和燃料气余热回收单元；氧化区的出料口与尾气余热回收单元的第一进料口相连；尾气余热回收单元的第一出料口与产氢区的进料口相连，尾气余热回收单元能够为产氢区提供制氢用过热水蒸气；产氢区的出料口与燃料气余热回收单元的第一进料口相连。
进一步的，进入煤层气制氢单元的过热水蒸气由尾气余热回收单元或燃料气余热回收单元提供。
进一步的，煤层气制氢单元还包括冷却脱水单元，冷却脱水单元的进料口与尾气余热回收单元相连。
进一步的，联合循环发电单元包括动力输出单元、蒸汽轮机及余热锅炉；动力输出单元与燃料气余热回收单元的第二出料口相连；动力输出单元的出料口与余热锅炉相连；蒸汽轮机与余热锅炉相连，尾气余热回收单元和燃料气余热回收单元均与余热锅炉相连。
进一步的，联合循环发电单元还包括水源和给水泵，水源提供的余热锅炉补水通过水泵提供至余热锅炉。
进一步的，脱碳单元包括CO2分离单元和CO2压缩单元，冷却脱水单元的第一出料口与CO2分离单元的进料口相连；CO2分离单元的第一出料口与CO2压缩单元的进料口相连。
另一方面，本发明还提供了一种煤层气联合循环发电及CO2捕集方法，方法包括如下步骤：
S1、中低浓度煤层气进入部分氧化反应器进行部分氧化反应形成还原性气氛混合气体；
S2、还原性气氛混合气体进入透氧膜反应器的氧化区进行氧化反应；制氢用过热水蒸气在产氢区分解为H2和O2，分解热来自于氧化区的反应放热；产氢区产生的O2通过透氧膜传输至氧化区；
S3、S2中的氧化反应产生的氧化区尾气经尾气余热回收单元回收其热量，并经冷却脱水单元后将冷凝水进行分离，得到的脱水后尾气进入CO2分离单元进行二氧化碳分离；分离出的气态CO2进入CO2压缩单元进行压缩制取液态CO2；
S4、S2中的产氢区的出料口的气体为高温富氢燃料气，高温富氢燃料气为动力输出单元提供燃料；动力输出单元尾气的热量通过余热锅炉进行回收并产生余热锅炉做功蒸汽推动蒸汽轮机做功。
进一步的，S1中还原性气氛混合气体的主要成分为CO、H2、N2、CO2及未反应CH4。
进一步的，S2中，透氧膜反应器的氧化区的操作压力为0.1-3MPa，产氢区的操作压力为2-3MPa，透氧膜反应器的温度为700-1000℃。
与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
(1)本发明提供的煤层气联合循环发电及CO2捕集系统利用部分氧化反应器将中低浓度煤层气转化为还原性气氛气体，并利用透氧膜反应器实现煤层气转化与制氢一体化分离，且氢气原位分离，与已有煤层气制氢技术相比，可减少氢气分离能耗。
(2)本发明提供的煤层气联合循环发电及CO2捕集系统中由于透氧膜反应器的氧化区中的气体转化相当于纯氧燃烧，尾气中CO2含量高，可减少脱碳单元能耗。
(3)本发明提供的煤层气联合循环发电及CO2捕集系统通过尾气余热回收单元及燃料气余热回收单元与余热锅炉之间通过水及水蒸汽进行集成实现煤层气能量梯级释放，系统不可逆损失小，实现热量的循环利用。
(4)本发明提出的煤层气联合循环发电及CO2捕集方法在实现高煤层气利用率的同时，可实现CO2近零排放，且获得高的系统效率，比常规煤层气发电系统净效率高5-10个百分点。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明的煤层气联合循环发电及CO2捕集系统的整体结构示意图。
附图标记：
1-部分氧化反应器；2-透氧膜反应器；3-尾气余热回收单元；4-冷却脱水单元；5-燃料气余热回收单元；6-CO2分离单元；7-CO2压缩单元；8-动力输出单元；9-蒸汽轮机；10-余热锅炉；11-给水泵；
101-煤层气；102-还原性气氛混合气体；103-氧化区尾气；104-冷却后尾气；105-脱水后尾气；106-冷凝水；107-气态CO2；108-脱碳单元尾气；109-液态CO2；110-制氢用过热水蒸气；111-高温富氢燃料气；112-回收部分热量后富氢燃料气；113-空气；114-动力输出单元尾气；115-余热锅炉出口尾气；116-余热锅炉补水；117-增压后补水；118-中压热水；119-中压过热蒸汽；120-制氢用低/中压蒸汽；121-抽自余热锅炉的热水或蒸汽；122-返回余热锅炉的蒸汽；123-余热锅炉做功蒸汽；124-蒸汽轮机做功后蒸汽。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明的一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。
需要说明的是，在本发明中诸如第一、第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定暗示或者要求这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或顺序。
本发明提供了一种煤层气联合循环发电及CO2捕集系统。如图1所示，煤层气联合循环发电及CO2捕集系统包括煤层气制氢单元、脱碳单元及联合循环发电单元；其中，煤层气制氢单元包括部分氧化反应器1和透氧膜反应器2；其中，透氧膜反应器2包括氧化区和产氢区；氧化区的进料口与部分氧化反应器1的出料口相连；中低浓度煤层气101及过热水蒸气能够进入煤层气制氢单元经过反应得到燃料气及转化尾气；燃料气输入联合循环发电单元；转化尾气进入脱碳单元以分离CO2。
具体的，煤层气制氢单元还包括尾气余热回收单元3和燃料气余热回收单元5；联合循环发电单元包括动力输出单元8、蒸汽轮机9及余热锅炉10；氧化区的出料口与尾气余热回收单元3的第一进料口相连；产氢区的进料口与尾气余热回收单元3的第一出料口相连，尾气余热回收单元3能够为产氢区提供制氢用过热水蒸气110；产氢区的出料口与燃料气余热回收单元5的第一进料口相连；尾气余热回收单元3和燃料气余热回收单元5均与余热锅炉10相连。
具体的，进入煤层气制氢单元的过热水蒸气还可以由燃料气余热回收单元5提供。
具体的，尾气余热回收单元3的第二出料口、第二进料口和第三进料口均与余热锅炉10相连；燃料气余热回收单元5的第二进料口和第一出料口均与余热锅炉10相连，通过尾气余热回收单元3、燃料气余热回收单元5和余热锅炉10通过水和水蒸气的集成实现热量的循环。
具体的，热量的循环包括：余热锅炉10中抽取中压热水118，通过尾气余热回收单元3的第三进料口进入尾气余热回收单元3加热形成中压过热蒸汽119返回余热锅炉10；余热锅炉10中抽取抽自余热锅炉的热水或蒸汽121，通过燃料气余热回收单元5的第二进料口进入燃料气余热回收单元5加热后，返回至余热锅炉10。
具体的，煤层气制氢单元还包括冷却脱水单元4，冷却脱水单元4的进料口与尾气余热回收单元3相连。
具体的，脱碳单元包括CO2分离单元6和CO2压缩单元7，冷却脱水单元4的第一出料口与CO2分离单元6的进料口相连；CO2分离单元6的第一出料口与CO2压缩单元7的进料口相连。
具体的，燃料气余热回收单元5的第二出料口与动力输出单元8相连；动力输出单元8的出料口与余热锅炉10相连；蒸汽轮机9也与余热锅炉10相连。
具体的，联合循环发电单元还包括水源和给水泵11，水源提供的余热锅炉补水116通过水泵11增压后成为增压后补水117提供至余热锅炉10。
具体的，动力输出单元8为燃气轮机或燃料电池等。
具体的，尾气余热回收单元3及燃料气余热回收单元5均设置N级(1≤N≤10)换热器及蒸发器，尾气余热回收单元3及燃料气余热回收单元5与余热锅炉10之间通过水及水蒸汽进行集成(即实现热量的循环)。
与现有技术相比，本发明提供的煤层气联合循环发电及CO2捕集系统利用部分氧化反应器将中低浓度煤层气转化为还原性气氛气体，并利用透氧膜反应器实现煤层气转化与制氢一体化分离，且氢气原位分离，与已有煤层气制氢技术相比，可减少氢气分离能耗。
本发明提供的煤层气联合循环发电及CO2捕集系统中由于透氧膜反应器的氧化区中的气体转化相当于纯氧燃烧，尾气中CO2含量高，可减少脱碳单元能耗。
本发明提供的煤层气联合循环发电及CO2捕集系统通过尾气余热回收单元3及燃料气余热回收单元5与余热锅炉10之间通过水及水蒸汽进行集成实现煤层气能量梯级释放，系统不可逆损失小，实现热量的循环利用。
本发明还提供了一种煤层气联合循环发电及CO2捕集方法，该方法采用上述煤层气联合循环发电及CO2捕集系统。该方法包括如下步骤：
S1、中低浓度煤层气101进入部分氧化反应器1进行部分氧化反应形成还原性气氛混合气体102；
S2、还原性气氛混合气体102进入透氧膜反应器2的氧化区进行氧化反应；制氢用过热水蒸气110在产氢区分解为H2和O2，分解热来自于氧化区的反应放热；产氢区产生的O2通过透氧膜传输至氧化区为氧化区的反应提供O2；
S3、S2中的氧化反应产生的氧化区尾气103经尾气余热回收单元3回收其热量，并经冷却脱水单元4冷却至20-30℃，并将冷凝水106进行分离得到的脱水后尾气105(主要成分N2和CO2)进入CO2分离单元6进行二氧化碳分离；分离出的气态CO2107进入CO2压缩单元7进行压缩制取液态CO29；
S4、S2中的产氢区的出料口的气体为高温富氢燃料气111，高温富氢燃料气111为动力输出单元8的燃烧室提供燃料；动力输出单元尾气114的热量通过余热锅炉10进行回收并产生余热锅炉做功蒸汽123推动蒸汽轮机9做功。
具体的，S1中，中低浓度煤层气101中的CH4的体积含量大于25％且小于80％，步骤1中，煤层气中的部分或全部CH4利用自身所含氧气发生部分氧化反应形成还原性气氛混合气体102，还原性气氛混合气体102的主要成分为CO、H2、N2、CO2及未反应CH4。
具体的，S2中，还原性气氛混合气体102进入透氧膜反应器2的氧化区，还原性气氛混合气体102中的CO、H2、CH4与通过透氧膜传输过来的氧气发生氧化反应；制氢用过热水蒸气110通过透氧膜反应器2的产氢区的进料口进入产氢区，过热水蒸气110在产氢区分解为H2和O2，分解热来自于氧化区的反应放热；产氢区产生的O2通过透氧膜传输至氧化区为氧化区的反应提供O2。
具体的，制氢用过热水蒸气110可以使用满足条件的过热水蒸气，通过管路直接进入产氢区；制氢用过热水蒸气110还可以是余热锅炉中的水或水蒸气经过透氧膜反应器中氧化反应产生的氧化区尾气103余热加热、产氢区产生的高温富氢燃料气111的余热加热的过热水蒸气。
具体的，过热水蒸气110可以为抽自余热锅炉10的制氢用低/中压蒸汽120，经尾气余热回收单元3进一步加热后进入透氧膜反应器2的产氢区；制氢用过热水蒸气110在产氢区分解为H2和O2，分解热来自于氧化区的反应放热；产氢区产生的O2通过透氧膜传输至氧化区为氧化区的反应提供O2。
具体的，S3中，透氧膜反应器2的氧化区尾气103主要成分为CO2、N2及H2O；氧化区尾气103经尾气余热回收单元3回收其所含热量，并冷却到约60℃后经冷却脱水单元4冷却至30℃，并将冷凝水106进行分离，脱水后尾气105(主要成分N2和CO2)进入CO2分离单元6进行二氧化碳分离，分离出的气态CO2107进入CO2压缩单元7进行压缩制取液态CO29。CO2分离单元6分离后的脱碳单元尾气108的主要成分是N2，可直接排空。
具体的，液态CO29可直接用于压缩及封存。
具体的，S4中，高温富氢燃料气111的主要成分为氢气及未分解水，高温富氢燃料气111经燃料气余热回收单元5冷却至动力输出单元8阀站温度后成为回收部分热量后富氢燃料气112进入动力输出单元8的燃烧室作为燃料。
具体的，S4中，蒸汽轮机做功后蒸汽124返回至余热锅炉10实现循环利用。
考虑到尾气余热回收单元3中的热量较多，为了实现热量的循环利用，煤层气联合循环发电及CO2捕集方法中还包括：S5、余热锅炉10中抽取中压热水118，通过尾气余热回收单元3的第三进料口进入尾气余热回收单元3加热形成中压过热蒸汽119返回余热锅炉10。
考虑到燃料气余热回收单元5中的热量较多，为了实现热量的循环利用，煤层气联合循环发电及CO2捕集方法中还包括：S6、余热锅炉10中抽取抽自余热锅炉的热水或蒸汽121，通过燃料气余热回收单元5的第二进料口进入燃料气余热回收单元5加热后，返回至余热锅炉10。
需要说明的是，本发明提供的煤层气联合循环发电及CO2捕集方法由于是能够实现热量循环利用的，所以S2-S6中涉及热量循环利用的步骤是不涉及先后顺序的。
与现有技术相比，本发明提供的煤层气联合循环发电及CO2捕集方法能够在实现高煤层气利用率的同时，可实现CO2近零排放，且获得高的系统效率，比常规煤层气发电系统净效率高5-10个百分点。
实施例1
本发明提供了一种煤层气联合循环发电及CO2捕集系统。如图1所示，煤层气联合循环发电及CO2捕集系统包括煤层气制氢单元、脱碳单元及联合循环发电单元；其中，煤层气制氢单元包括部分氧化反应器1，透氧膜反应器2，尾气余热回收单元3、燃料气余热回收单元5及冷却脱水单元4；联合循环发电单元包括动力输出单元8(动力输出单元8为燃气轮机)、蒸汽轮机9及余热锅炉10；透氧膜反应器2被透氧膜分为氧化区和产氢区，氧化区的进料口与部分氧化反应器1的出料口相连，氧化区的出料口与尾气余热回收单元3的第一进料口相连；产氢区的进料口与尾气余热回收单元3的第一出料口相连，产氢区的出料口与燃料气余热回收单元5的第一进料口相连；尾气余热回收单元3的第二出料口、第二进料口和第三进料口均与余热锅炉10相连；燃料气余热回收单元5的第二进料口和第一出料口均与余热锅炉10相连。冷却脱水单元4的进料口与尾气余热回收单元3相连。脱碳单元包括CO2分离单元6和CO2压缩单元7，冷却脱水单元4的第一出料口与CO2分离单元6的进料口相连；CO2分离单元6的第一出料口与CO2压缩单元7的进料口相连。燃料气余热回收单元5的第二出料口与动力输出单元8相连；动力输出单元8的出料口与余热锅炉10相连；蒸汽轮机9也与余热锅炉10相连。
具体的，联合循环发电单元还包括水源和给水泵11，水源提供的余热锅炉补水116通过水泵11增压后成为增压后补水117提供至余热锅炉10。
实施时，中低浓度煤层气101进入部分氧化反应器1，在催化剂的作用下，煤层气中的部分或全部CH4利用自身所含氧气发生部分氧化反应形成还原性气氛混合气体102，还原性气氛混合气体102的主要成分为CO、H2、N2、CO2及未反应CH4；还原性气氛混合气体102进入透氧膜反应器2的氧化区，还原性气氛混合气体102中的CO、H2、CH4与通过透氧膜传输过来的氧气发生氧化反应；透氧膜反应器2的氧化区尾气103主要成分为CO2、N2及H2O；氧化区尾气103经尾气余热回收单元3回收其所含热量，并冷却到约60℃后经冷却脱水单元4冷却至30℃，并将冷凝水106进行分离，脱水后尾气105(主要成分N2和CO2)进入CO2分离单元6进行二氧化碳分离，分离出的气态CO2107进入CO2压缩单元7进行压缩制取液态CO29。脱碳单元尾气108的主要成分是N2，可直接排空。
具体的，制氢用过热水蒸气110通过透氧膜反应器2的产氢区的进料口进入产氢区，制氢用过热水蒸气110是抽自余热锅炉10的制氢用低/中压蒸汽120经尾气余热回收单元3进一步加热后进入透氧膜反应器2的产氢区。
具体的，制氢用过热水蒸气110在产氢区分解为H2和O2，分解热来自于氧化区的反应放热；产氢区产生的O2通过透氧膜传输至氧化区为氧化区的反应提供O2；产氢区的出料口的气体为高温富氢燃料气111，高温富氢燃料气111的主要成分为氢气及未分解水；高温富氢燃料气111经燃料气余热回收单元5冷却至动力输出单元8(例如燃气轮机)阀站温度后成为回收部分热量后富氢燃料气112进入动力输出单元8的燃烧室。动力输出单元尾气114的热量通过余热锅炉10进行回收并产生余热锅炉做功蒸汽123推动蒸汽轮机9做功，蒸汽轮机做功后蒸汽124返回至余热锅炉10实现循环利用。
该系统的工作过程为：中低浓度煤层气101进入部分氧化反应器1，形成还原性气氛混合气体102，还原性气氛混合气体102进入透氧膜反应器2的氧化区，氧化区尾气103经尾气余热回收单元3后的冷却后尾气104进入冷却脱水单元4冷却，冷凝水106进行分离后，脱水后尾气105进入CO2分离单元6进行二氧化碳分离，分离出的气态CO2107进入CO2压缩单元7进行压缩制取液态CO29；脱碳单元尾气108可直接排空。
制氢用过热水蒸气110进入透氧膜反应器2的产氢区，过热水蒸气110在产氢区分解为H2和O2，分解热来自于氧化区的反应放热；产氢区产生的O2通过透氧膜传输至氧化区为氧化区的反应提供O2，产氢区产生的高温富氢燃料气111经燃料气余热回收单元5冷却后进入动力输出单元8(例如燃气轮机)，高温富氢燃料气111与空气113反应，产生的动力输出单元尾气114经余热锅炉10进行余热回收。
制氢用过热水蒸气110来自余热锅炉，余热锅炉补水116通过水泵11增压后进入余热锅炉10，余热锅炉补水116在余热锅炉10内经过动力输出单元尾气114的余热加热后成为热水或水蒸气，余热锅炉10中的一部分中压热水118、抽自余热锅炉的热水或蒸汽121经过燃料气余热回收单元5、尾气余热回收单元3的余热加热后形成制氢用过热水蒸气110、中压过热蒸汽119、返回余热锅炉的蒸汽122，制氢用过热水蒸气110进入透氧膜反应器2的产氢区，中压过热蒸汽119、返回余热锅炉的蒸汽122返回余热锅炉10。余热锅炉10中产生的做功蒸汽123，循环推动蒸汽轮机9做功。
实施例2
本实施例提供了一种煤层气联合循环发电及CO2捕集方法，该方法采用上述实施例1的煤层气联合循环发电及CO2捕集系统。该方法包括如下步骤：
S1、中低浓度煤层气101进入部分氧化反应器1进行部分氧化反应形成还原性气氛混合气体102；
S2、还原性气氛混合气体102进入透氧膜反应器2的氧化区进行氧化反应；制氢用过热水蒸气110在产氢区分解为H2和O2，分解热来自于氧化区的反应放热；产氢区产生的O2通过透氧膜传输至氧化区为氧化区的反应提供O2；
S3、S2中的氧化反应产生的氧化区尾气103经尾气余热回收单元3回收其热量，并经冷却脱水单元4冷却至30℃，并将冷凝水106进行分离得到的脱水后尾气105(主要成分N2和CO2)进入CO2分离单元6进行二氧化碳分离；分离出的气态CO2107进入CO2压缩单元7进行压缩制取液态CO29；
S4、S2中的产氢区的出料口的气体为高温富氢燃料气111，高温富氢燃料气111为动力输出单元8的燃烧室提供燃料；动力输出单元尾气114的热量通过余热锅炉10进行回收并产生余热锅炉做功蒸汽123推动蒸汽轮机9做功。
具体的，S1中，中低浓度煤层气101中的CH4的体积含量大于25％且小于80％，步骤1中，煤层气中的部分或全部CH4利用自身所含氧气发生部分氧化反应形成还原性气氛混合气体102，还原性气氛混合气体102的主要成分为CO、H2、N2、CO2及未反应CH4。
具体的，S2中，还原性气氛混合气体102进入透氧膜反应器2的氧化区，还原性气氛混合气体102中的CO、H2、CH4与通过透氧膜传输过来的氧气发生氧化反应；制氢用过热水蒸气110通过透氧膜反应器2的产氢区的进料口进入产氢区，制氢用过热水蒸气110可以抽自余热锅炉10，制氢用低/中压蒸汽120经尾气余热回收单元3进一步加热后进入透氧膜反应器2的产氢区；制氢用过热水蒸气110在产氢区分解为H2和O2，分解热来自于氧化区的反应放热；产氢区产生的O2通过透氧膜传输至氧化区为氧化区的反应提供O2。
具体的，S3中，透氧膜反应器2的氧化区尾气103主要成分为CO2、N2及H2O；氧化区尾气103经尾气余热回收单元3回收其所含热量，并冷却到60℃后经冷却脱水单元4冷却至30℃，并将冷凝水106进行分离，脱水后尾气105(主要成分N2和CO2)进入CO2分离单元6进行二氧化碳分离，分离出的气态CO2107进入CO2压缩单元7进行压缩制取液态CO29。CO2分离单元6分离后的脱碳单元尾气108的主要成分是N2，可直接排空。
具体的，液态CO29的压力为15MPa，可直接用于压缩及封存。
具体的，S4中，高温富氢燃料气111的主要成分为氢气及未分解水，高温富氢燃料气111经燃料气余热回收单元5冷却至动力输出单元8阀站温度后成为回收部分热量后富氢燃料气112进入动力输出单元8的燃烧室作为燃料。
具体的，S4中，蒸汽轮机做功后蒸汽124返回至余热锅炉10实现循环利用。余热锅炉出口尾气115直接排空。
考虑到尾气余热回收单元3中的热量较多，为了实现热量的循环利用，煤层气联合循环发电及CO2捕集方法中还包括：S5、余热锅炉10中抽取中压热水118通过尾气余热回收单元3的第三进料口进入尾气余热回收单元3加热形成中压过热蒸汽119返回余热锅炉10。
考虑到燃料气余热回收单元5中的热量较多，为了实现热量的循环利用，煤层气联合循环发电及CO2捕集方法中还包括：S6、余热锅炉10中抽取抽自余热锅炉的热水或蒸汽121通过燃料气余热回收单元5的第二进料口进入燃料气余热回收单元5加热形成返回余热锅炉的蒸汽122返回至余热锅炉10。
需要说明的是，本实施例提供的煤层气联合循环发电及CO2捕集方法由于是能够实现热量循环利用的，所以S2-S6中涉及热量循环利用的步骤是不涉及先后顺序的。
具体的，S2中，透氧膜反应器2的氧化区的操作压力为0.1-3MPa，产氢区的操作压力为2-3MPa，透氧膜反应器2的温度为700-1000℃。
具体的，S2中，制氢用过热水蒸气110的水蒸气压力为2-3MPa，温度为600-700℃；制氢用过热水蒸气110可以抽自余热锅炉10，并经尾气余热回收单元3或燃料气余热回收单元5加热至600-700℃。
需要说明的是，虽然上述实施例中尾气余热回收单元3及燃料气余热回收单元5与余热锅炉10的集成表示为四个流股，但本发明不以此为限，尾气余热回收单元及燃料气余热回收单元与余热锅炉间的蒸汽集成可进行不同等级水及蒸汽间的集成，尾气余热回收单元及燃料气余热回收单元含多级换热器、蒸发器、过热器，以“能量对口，梯级利用”为原则设置。
按照本实施例的煤层气联合循环发电及CO2捕集方法，假设燃气轮机联合循环采用GE9F级燃气轮机等级，余热锅炉及蒸汽轮机为三压再热式配置，部分氧化反应器的操作压力为0.13MPa，部分氧化反应器绝热，透氧膜反应器氧化区及产氢区的操作压力分别为0.13MPa及3MPa，透氧膜反应器温度为750℃，透氧膜反应器产氢区进料口的水蒸气参数为3MPa、700℃，脱碳单元采用MDEA工艺脱碳，CO2分离率为95％。CO2压缩压力为15MPa。
本实施例所用的煤层气成分及热值见表1；假定透氧膜反应器产氢区H2O分解率为50％，主要气体流股参数及成分如表2所示，其中富氢燃料气中氢气含量50％。本发明的煤层气联合循环发电及CO2捕集系统总体热力性能见表3。可见，本发明提出的煤层气联合循环发电及CO2捕集系统的净效率可达47.02％，且可实现CO2的近零排放。
表1煤层气的成分及热值
Figure BDA0002507267370000161
表2主要气体流股参数及成分
Figure BDA0002507267370000171
表3系统总体热力性能
名称 单位 本实施例系统
煤层气耗量 t/h 347.83
煤层气热值 kJ/kg 9610.9
燃机发电功率 MW 355.69
汽机发电功率 MW 78.87
CO<sub>2</sub>脱碳耗功 MW 7.68
CO<sub>2</sub>压缩耗功 MW 3.76
其他厂用电 MW 5.25
系统供电功率 MW 417.87
系统供电效率 ％ 45.00
综上所述，本发明提供的所述一种煤层气联合循环发电及CO2捕集系统利用部分氧化反应器将煤层气转化为还原性气氛气体，并利用透氧膜反应器实现煤层气转化与制氢一体化分离，且氢气原位分离，与已有煤层气制氢技术相比，可减少氢气分离能耗。由于透氧膜反应器氧化区中气体转化相当于纯氧燃烧，尾气中CO2含量高，可减少脱碳单元能耗。煤层气能量梯级释放，系统不可逆损失小。本发明提出的一种煤层气联合循环发电及CO2捕集系统在实现高煤层气利用率的同时，可实现CO2近零排放，且获得高的系统效率，比常规煤层气发电系统净效率高5-10个百分点。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种煤层气联合循环发电及CO2捕集系统，其特征在于，包括煤层气制氢单元、脱碳单元及联合循环发电单元；
所述煤层气制氢单元包括部分氧化反应器(1)和透氧膜反应器(2)；所述透氧膜反应器(2)包括氧化区和产氢区；所述氧化区的进料口与所述部分氧化反应器(1)的出料口相连；中低浓度煤层气(101)及过热水蒸气能够进入煤层气制氢单元经过反应得到燃料气及转化尾气；燃料气输入联合循环发电单元；转化尾气进入脱碳单元以分离CO2。
2.根据权利要求1所述的煤层气联合循环发电及CO2捕集系统，其特征在于，所述煤层气制氢单元还包括尾气余热回收单元(3)和燃料气余热回收单元(5)；
所述氧化区的出料口与尾气余热回收单元(3)的第一进料口相连；所述尾气余热回收单元(3)的第一出料口与产氢区的进料口相连，所述尾气余热回收单元(3)能够为产氢区提供制氢用过热水蒸气(110)；产氢区的出料口与燃料气余热回收单元(5)的第一进料口相连。
3.根据权利要求1所述的煤层气联合循环发电及CO2捕集系统，其特征在于，进入煤层气制氢单元的过热水蒸气由尾气余热回收单元(3)或燃料气余热回收单元(5)提供。
4.根据权利要求2所述的煤层气联合循环发电及CO2捕集系统，其特征在于，所述煤层气制氢单元还包括冷却脱水单元(4)，冷却脱水单元(4)的进料口与尾气余热回收单元(3)相连。
5.根据权利要求2所述的煤层气联合循环发电及CO2捕集系统，其特征在于，所述联合循环发电单元包括动力输出单元(8)、蒸汽轮机(9)及余热锅炉(10)；
所述动力输出单元(8)与燃料气余热回收单元(5)的第二出料口相连；动力输出单元(8)的出料口与余热锅炉(10)相连；蒸汽轮机(9)与余热锅炉(10)相连，所述尾气余热回收单元(3)和燃料气余热回收单元(5)均与余热锅炉(10)相连。
6.根据权利要求5所述的煤层气联合循环发电及CO2捕集系统，其特征在于，所述联合循环发电单元还包括水源和给水泵(11)，水源提供的余热锅炉补水(116)通过水泵(11)提供至余热锅炉(10)。
7.根据权利要求4所述的煤层气联合循环发电及CO2捕集系统，其特征在于，所述脱碳单元包括CO2分离单元(6)和CO2压缩单元(7)，冷却脱水单元(4)的第一出料口与CO2分离单元(6)的进料口相连；CO2分离单元(6)的第一出料口与CO2压缩单元(7)的进料口相连。
8.一种煤层气联合循环发电及CO2捕集方法，其特征在于，所述方法采用权利要求1-7所述的煤层气联合循环发电及CO2捕集系统，所述方法包括如下步骤：
S1、中低浓度煤层气(101)进入部分氧化反应器(1)进行部分氧化反应形成还原性气氛混合气体(102)；
S2、还原性气氛混合气体(102)进入透氧膜反应器(2)的氧化区进行氧化反应；制氢用过热水蒸气(110)在产氢区分解为H2和O2，分解热来自于氧化区的反应放热；产氢区产生的O2通过透氧膜传输至氧化区；
S3、S2中的氧化反应产生的氧化区尾气(103)经尾气余热回收单元(3)回收其热量，并经冷却脱水单元(4)后将冷凝水(106)进行分离，得到的脱水后尾气(105)进入CO2分离单元(6)进行二氧化碳分离；分离出的气态CO2(107)进入CO2压缩单元(7)进行压缩制取液态CO2(9)；
S4、S2中的产氢区的出料口的气体为高温富氢燃料气(111)，高温富氢燃料气(111)为动力输出单元(8)提供燃料；动力输出单元尾气(114)的热量通过余热锅炉(10)进行回收并产生余热锅炉做功蒸汽(123)推动蒸汽轮机(9)做功。
9.根据权利要求8所述的煤层气联合循环发电及CO2捕集方法，其特征在于，所述S1中还原性气氛混合气体(102)的主要成分为CO、H2、N2、CO2及未反应CH4。
10.根据权利要求8-9所述的煤层气联合循环发电及CO2捕集方法，其特征在于，所述S2中，透氧膜反应器(2)的氧化区的操作压力为0.1-3MPa，产氢区的操作压力为2-3MPa，透氧膜反应器(2)的温度为700-1000℃。
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