CN113224360A - 一种煤和生物质共气化制氢发电的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤和生物质共气化制氢发电的方法和系统，制氢发电的方法包括如下步骤：步骤1：将氧气、煤粉、水蒸气和经破碎处理的生物质送入加压气化炉中，发生部分氧化反应，生成煤气；步骤2：将煤气经急冷装置进行冷却处理，再经净化装置进行净化处理，脱除煤气中的杂质；步骤3：将水蒸气和煤气送入重整装置中，发生重整反应，生成合成气；步骤4：将合成气送入粗脱装置脱除杂质，再送入精脱装置脱除二氧化碳，得到氢气，二氧化碳注入地下封存；步骤5：将氢气送入燃料电池，氢气在催化剂的作用下，与氧气发生化学反应生成水，并产生电能。本发明工艺成熟、经济可行、负碳排放。
Description
技术领域
本发明涉及煤制氢和燃料电池技术领域，尤其涉及一种煤和生物质共气化制氢发电的方法和系统。
背景技术
与传统化石能源制氢相比，可再生能源制氢的成本较高。中国以煤炭为主的资源禀赋决定，煤制氢仍然是当前阶段氢气制取的重要途径。煤制氢工艺的流程为，原料煤及石灰石等原料经过粉煤或水煤浆制备单元制成合格的粉煤或水煤浆后，与空分装置提供的氧气一起进入气化炉，发生部分氧化反应，反应生成的粗合成气主要组成为氢气、一氧化碳和二氧化碳。粗合成气经急冷和洗涤后，进入一氧化碳变换单元发生变换反应，反应使大部分一氧化碳与水蒸气反应变换为二氧化碳和氢气，经过废热回收及冷却洗涤后进入低温甲醇洗单元，变换气在低温甲醇洗单元脱除所含的硫(主要以硫化氢形式存在)和二氧化碳后，进入甲烷化或PSA系统进行精制，制得合格的工业氢气产品后外送。
传统的煤制氢工艺中变换、酸脱和精制单元投资较高，生产高纯氢时，装置中有效气的利用率只能达到88％左右，且氢气外送成本较高。更重要的是，煤制氢过程产生大量二氧化碳排放，制备的氢气属于灰氢，有悖于当前碳达峰碳中和背景下对氢能的使用规划。
发明内容
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种工艺成熟、经济可行、负碳排放的煤和生物质共气化制氢发电的方法和系统。
本发明提供的一种煤和生物质共气化制氢发电的方法，包括如下步骤：
步骤1：将氧气、煤粉、水蒸气和经破碎处理的生物质送入加压气化炉中，发生部分氧化反应，生成煤气；
步骤2：将步骤1中生成的所述煤气经急冷装置进行冷却处理，将经冷却处理的所述煤气送入净化装置进行净化处理，脱除所述煤气中的杂质；
步骤3：将水蒸气和经净化处理的所述煤气送入重整装置中，发生重整反应，生成合成气；
步骤4：将所述合成气送入粗脱装置，经分子筛脱除杂质后，再送入精脱装置，经复合膜脱除二氧化碳后，得到氢气，二氧化碳注入地下封存；
步骤5：将步骤4中得到的氢气送入燃料电池，氢气在催化剂的作用下，与氧气发生化学反应生成水，并产生电能。
进一步的，所述步骤2中的急冷装置采用水作为冷却媒介，水经加热后成为水蒸气，水蒸气分别送入加压气化炉和重整装置中参与反应。
进一步的，所述步骤4中分离出的高纯度二氧化碳经压缩液化后注入地下封存。
进一步的，所述步骤5中生成的水送入所述急冷装置作为冷却媒介。
另，本发明还提供了一种煤和生物质共气化制氢发电的系统，包括加压气化炉、急冷装置、净化装置、重整装置、粗脱装置、精脱装置和燃料电池；其中，
所述急冷装置，与所述加压气化炉相连接，用于对所述加压气化炉中合成的煤气进行急冷处理；
所述净化装置，与所述急冷装置相连接，用于脱除煤气中的杂质；
所述重整装置，与所述净化装置相连接，用于煤气与水蒸气发生重整反应生成合成气；
所述粗脱装置，与所述重整装置相连接，包括分子筛，用于脱除合成气中的杂质；
所述精脱装置，与所述粗脱装置相连接，包括复合膜，用于脱除二氧化碳，得到氢气；
所述燃料电池，与所述精脱装置相连接，用于氢气和氧气发生化学反应生成水，并产生电能。
进一步的，系统还包括破碎装置和空分装置；所述破碎装置与加压气化炉相连接，用于破碎生物质并将其输送至所述加压气化炉；所述空分装置分别与加压气化炉和燃料电池相连接，用于分别向所述加压气化炉和燃料电池输送氧气；所述空分装置连接有压气机。
进一步的，所述燃料电池与急冷装置相连接，用于将水输送至所述急冷装置作为冷却媒介；所述急冷装置分别与所述加压气化炉和重整装置相连接，用于将水受热后形成的水蒸气分别输送至所述加压气化炉和重整装置。
进一步的，所述燃料电池为质子交换膜燃料电池。
相对于现有技术而言，本发明的有益效果是：
(1)本发明中涉及的加压气化炉、空分装置、急冷装置和净化装置均为常用的化工设备，工艺成熟，能够保证系统安全运行。本发明中所用的电池堆采用质子交换膜燃料电池技术，质子交换膜能够阻止氢气分子通过，防止氢气和氧气直接接触发生爆炸，只要保证氢气和氧气充足供应，就能源源不断产生电能，确保了系统的安全性。
(2)传统的煤制氢工艺所得氢气中CO等杂质含量高，氢气纯度难以满足燃料电池的需要。本发明中采用分子筛吸附工艺脱除合成气中的CO，提高了氢气纯度，能够满足质子交换膜燃料电池的燃料要求。
(3)传统的煤制氢工艺中氢气外送成本较高，本发明将燃料电池技术与煤制氢相结合，实现了氢气的就地利用，产生的电能可通过电网长距离输送，多余的氢气可储存和销售，提高了系统的灵活性。同时，相比于煤粉燃烧发电和氢气的再燃烧发电，氢燃料电池将化学能直接转化为电能，发电效率能够提高到50％以上，具有良好的经济性。
(4)本发明中采用膜法捕集二氧化碳技术，将二氧化碳从氢气中分离，得到高纯度的二氧化碳，经压缩液化后再利用或封存。同时，通过加入生物质与煤粉一起气化，实现了系统的负碳排放，将灰氢转化为蓝氢，为煤炭的清洁利用提供了新的途径。
应当理解，发明内容部分中所描述的内容并非旨在限定本发明的实施例的关键或重要特征，亦非用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的描述变得容易理解。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为煤和生物质共气化制氢发电的系统的结构示意图。
图中标号：
1、煤粉；2、生物质；3、破碎装置；4、加压气化炉；5、压气机；6、空气；7、空分装置；8、氧气；9、煤气；10、急冷装置；11、水蒸气；12、净化装置；13、杂质(H2S、NOx、SOx)；14、重整装置；15、合成气；16、粗脱装置；17、杂质(CO、H2O)；18、精脱装置；19、二氧化碳；20、氢气；21、燃料电池；22、水；23、电能。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
请参考图1，本发明的实施例提供了一种煤和生物质共气化制氢发电的方法，包括如下步骤：
步骤1：将氧气8、煤粉1、水蒸气11和经破碎处理的生物质2送入加压气化炉4中，发生部分氧化反应，生成煤气9。压气机5将空气8压缩后送入空分装置7中，空气8在空分装置7中分解为氮气和氧气8，氧气8送入加压气化炉4中参与反应。生物质2采用破碎装置3进行破碎，并输入加压气化炉4中参与反应。反应方程式为：2CHxOy+(1-y)O2→2CO+xH2，3C+2O2→2CO+CO2，CO2+C→2CO，生成的煤气9的主要成分为CO、CH4、H2、CO2、H2O，其中还包含少量的H2S、NOx、SOx和CnHm。
步骤2：煤气9经急冷装置10进行冷却处理，急冷装置10采用水作为冷却媒介，水加热后生成的水蒸气被分别送入加压气化炉4和重整装置14中参与反应，送入加压气化炉4中的水蒸气可调控煤气9中的氢气含量。将冷却处理后的煤气9送入净化装置12进行净化处理，脱除煤气9中的杂质13，主要包括H2S、SOx和NOx。
步骤3：经净化处理的煤气9送入重整装置14中，与急冷装置10输送的水蒸气11发生重整反应，生成合成气15。该反应为放热反应，反应方程式为：CO+H2O→CO2+H2，产生的热量可送入加压气化炉4中节约能耗。合成气15的主要成分为H2和CO2，同时含有少量的CO和H2O。
步骤4：将合成气15送入粗脱装置16，经粗脱装置16内的分子筛脱除杂质17，主要成分为CO和H2O。合成气15经粗脱装置16脱除杂质17后送入精脱装置18，经精脱装置18内的复合膜脱除二氧化碳19后，得到高纯度的氢气20。分离得到的二氧化碳19被压缩液化后，注入地下封存。
步骤5：高纯度的氢气20有两个用途，一部分通过管道或槽车运往外部销售，另一部分送入燃料电池21。燃料电池21主要由双极板和膜电极两部分组成，其中膜电极包括质子交换膜和催化剂层。在催化剂作用下，氢气20分解成电子和质子，反应方程式为：H2→2H++2e-，电子形成电能23，质子通过质子交换膜与氧气8结合生成水22，反应方程式为2H++O-→H2O，氧气8来自空分装置7，反应生成的水22输送至急冷装置12作为冷却媒介。电能23的一部分用于厂区内部供电，包括压气机5、空分装置7等系统设备的用电，剩余电能23则送往电网销售。
另，参考图1，本发明的实施例还提供了一种煤和生物质共气化制氢发电的系统，包括加压气化炉4、急冷装置10、净化装置12、重整装置14、粗脱装置16、精脱装置18和燃料电池21；其中，
急冷装置10，与加压气化炉4相连接，用于对加压气化炉4中合成的煤气9进行急冷处理；
净化装置12，与急冷装置10相连接，用于脱除煤气9中的杂质(H2S、NOx、SOx)13；
重整装置14，与净化装置12相连接，用于煤气9与水蒸气11发生重整反应生成合成气15；
粗脱装置16，与重整装置14相连接，包括分子筛，用于脱除合成气中的杂质(CO、H2O)17；
精脱装置18，与粗脱装置16相连接，包括复合膜，用于脱除二氧化碳19，得到氢气20；
燃料电池21，与精脱装置相连接，用于氢气20和氧气8发生化学反应生成水22，并产生电能23。
在一优选实施例中，本发明的系统还包括破碎装置3和空分装置7；破碎装置3与加压气化炉4相连接，用于破碎生物质2并将其输送至加压气化炉4；空分装置7分别与加压气化炉4和燃料电池21相连接，用于分别向加压气化炉4和燃料电池21输送氧气；空分装置7连接有压气机5，用于压缩空气6并送入空分装置7。
在一优选实施例中，燃料电池21与急冷装置10相连接，用于将水22输送至急冷装置10作为冷却媒介；急冷装置10分别与加压气化炉4和重整装置14相连接，用于将水22受热后形成的水蒸气11分别输送至加压气化炉4和重整装置14。
在一优选实施例中，燃料电池21为质子交换膜燃料电池。
在本说明书的描述中，术语“连接”、“安装”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。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申请中的具体含义。
在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种煤和生物质共气化制氢发电的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：将氧气、煤粉、水蒸气和经破碎处理的生物质送入加压气化炉中，发生部分氧化反应，生成煤气；
步骤2：将步骤1中生成的所述煤气经急冷装置进行冷却处理，将经冷却处理的所述煤气送入净化装置进行净化处理，脱除所述煤气中的杂质；
步骤3：将水蒸气和经净化处理的所述煤气送入重整装置中，发生重整反应，生成合成气；
步骤4：将所述合成气送入粗脱装置，经分子筛脱除杂质后，再送入精脱装置，经复合膜脱除二氧化碳后，得到氢气，二氧化碳注入地下封存；
步骤5：将步骤4中得到的氢气送入燃料电池，氢气在催化剂的作用下，与氧气发生化学反应生成水，并产生电能。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2中的急冷装置采用水作为冷却媒介，水经加热后成为水蒸气，水蒸气分别送入加压气化炉和重整装置中参与反应。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤4中分离出的高纯度二氧化碳经压缩液化后注入地下封存。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤5中生成的水送入所述急冷装置作为冷却媒介。
5.一种煤和生物质共气化制氢发电的系统，其特征在于，包括加压气化炉、急冷装置、净化装置、重整装置、粗脱装置、精脱装置和燃料电池；其中，
所述急冷装置，与所述加压气化炉相连接，用于对所述加压气化炉中合成的煤气进行急冷处理；
所述净化装置，与所述急冷装置相连接，用于脱除煤气中的杂质；
所述重整装置，与所述净化装置相连接，用于煤气与水蒸气发生重整反应生成合成气；
所述粗脱装置，与所述重整装置相连接，包括分子筛，用于脱除合成气中的杂质；
所述精脱装置，与所述粗脱装置相连接，包括复合膜，用于脱除二氧化碳，得到氢气；
所述燃料电池，与所述精脱装置相连接，用于氢气和氧气发生化学反应生成水，并产生电能。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，还包括破碎装置和空分装置；所述破碎装置与加压气化炉相连接，用于破碎生物质并将其输送至所述加压气化炉；所述空分装置分别与加压气化炉和燃料电池相连接，用于分别向所述加压气化炉和燃料电池输送氧气；所述空分装置连接有压气机。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述燃料电池与急冷装置相连接，用于将水输送至所述急冷装置作为冷却媒介；所述急冷装置分别与所述加压气化炉和重整装置相连接，用于将水受热后形成的水蒸气分别输送至所述加压气化炉和重整装置。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述燃料电池为质子交换膜燃料电池。
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