CN113350989A - 燃煤发电耦合可再生能源发电二氧化碳捕集方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种燃煤发电耦合可再生能源发电二氧化碳捕集方法及系统，利用可再生能源发电系统的电能作为电解水的能源，得到氢气和氧气，将所述氧气供给燃煤发电系统，用于煤炭的富氧燃烧，同时捕集燃煤发电过程中燃烧尾气中的二氧化碳，利用所述氢气与捕集到的所述二氧化碳进行催化转化反应，将二氧化碳转化为产品。本发明利用可再生能源发电产生的冗余电能电解水制氢，是一种清洁的制氢方式，不仅为冗余电能提供了合理的消纳方式，减少了能源的浪费，而且为电解水制氢提供了廉价的电能，大幅降低了氢能的生产成本，总体上实现了能源的合理调配和充分利用。
Description
技术领域
本发明涉及二氧化碳捕集及利用技术领域，尤其是一种燃煤发电耦合可再生能源发电二氧化碳捕集方法及系统。
背景技术
我国现阶段的能源结构是以煤炭为主，燃煤发电是二氧化碳的主要排放来源，因此燃煤电厂是最需要二氧化碳捕集和转化利用技术的行业之一。二氧化碳的捕集和转化利用技术包括二氧化碳捕集技术、富氧燃烧技术和二氧化碳转化技术。二氧化碳捕集技术是二氧化碳从煤炭燃烧的烟气中进行分离和富集的过程，该技术简单高效、技术相对成熟，但局限于仅能在高二氧化碳浓度下进行。富氧燃烧技术是以高纯度的氧气代替空气进行燃料的燃烧，是一种高效的节能燃烧技术，既能提升煤炭的燃烧效率，又能提高尾气中二氧化碳的浓度，利于二氧化碳的捕集。二氧化碳转化技术是通过化学方法将二氧化碳转化为甲烷、甲醇等有价值的产品，实现二氧化碳的资源化利用，是一种能够彻底解决二氧化碳排放的方法。然而，二氧化碳转化制取甲醇和甲烷的过程需要引入氢气参与反应，存在成本高、能耗大的问题。
氢能是一种绿色低碳的能源，氢能产业的发展已得到了国家越来越多的重视，2019年氢能首次被写入到政府工作报告中，体现了国家对于大力发展氢能产业的决心。目前，我国的氢能主要是通过化石能源的转化获得，产氢的同时附带着二氧化碳的排放，严格意义上还不能被认定是清洁能源。电解水制氢技术已相对成熟，但该技术耗电量高，电费支出占总生产成本的70％以上，是导致氢气生产成本居高不下的原因之一。
利用可再生能源产生的电能分解水制氢是未来实现绿色制氢的必由之路。我国对风能、水能、太阳能等可再生能源发电的开发力度居于世界前列，而且未来的开发规模将进一步扩大。然而，可再生能源发电量受季节和环境的影响较大，以风力发电为例，在用电量小的季节风力发电生产的电能却较大，加上电力系统调峰能力不足、配套电网规划滞后等因素影响，产生了大量的冗余电能，由此导致了弃风的现象，造成了严重的能源浪费。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种燃煤发电耦合可再生能源发电二氧化碳捕集方法及系统，达到低成本解决二氧化碳排放的目的。
本发明采用的技术方案如下：
一种燃煤发电耦合可再生能源发电二氧化碳捕集方法，利用可再生能源发电系统的电能作为电解水的能源，得到氢气和氧气，将所述氧气供给燃煤发电系统，用于煤炭的富氧燃烧，同时捕集燃煤发电过程中燃烧尾气中的二氧化碳，利用所述氢气与捕集到的所述二氧化碳进行催化转化反应，将二氧化碳转化为产品。
所述可再生能源发电系统的电能为经过调峰处理后的冗余电能。
燃烧尾气中的二氧化碳捕集采用吸收法、吸附法或膜分离法。
利用所述氢气与捕集到的所述二氧化碳进行催化转化反应，将二氧化碳转化为甲醇或甲烷。
一种燃煤发电耦合可再生能源发电二氧化碳捕集系统，包括可再生能源发电系统、电解水系统、燃煤发电系统、二氧化碳捕集系统和二氧化碳转化系统；
所述可再生能源发电系统包括发电机组、主电网、支电网及在所述主电网电能过剩时将冗余电能自动转入所述支电网并转化为直流电的电能调峰装置；
所述电解水系统包括与所述支电网电连接的电解池、向所述电解池供应纯水的供水装置；
所述燃煤发电系统包括与所述电解水系统的氧气输出端连接的、向燃煤锅炉内输送氧气的氧气进气装置和尾气排放装置；
所述二氧化碳捕集系统包括与所述尾气排放装置连接的冷却塔、与所述冷却塔排气端连接的预洗涤塔、与所述预洗涤塔出气端连接的吸收塔、与所述吸收塔的出液端连接的再生塔；
所述二氧化碳转化系统包括催化反应器，所述催化反应器分别与所述再生塔的二氧化碳出气端、所述电解水系统的氢气输出端连接。
所述二氧化碳转化系统还包括二氧化碳进气装置、氢气进气装置产物纯化装置和产物收集装置；所述催化反应器通过二氧化碳进气装置与所述再生塔的二氧化碳出气端连接，通过氢气进气装置与所述电解水系统的氢气输出端连接；所述二氧化碳进气装置、氢气进气装置上均设有流量调节阀；所述催化反应器内搭载Cu/ZnO复合金属催化剂或者由沸石分子筛负载的Ni基催化剂。
所述电解水系统还包括水纯化装置、氢气纯化装置、氢气干燥装置、氢气收集装置、氧气纯化装置、氧气干燥装置、氧气收集装置；电解生成的氢气和氧气分别进入各自的纯化、干燥和收集装置，等待进一步使用。
所述贫富液换热器用于贫/富液之间的热量互换以达到节省热量和冷量消耗的目的；所述碱液回收装置与贫富液换热器连接用于碱液的回收及循环利用。
所述可再生能源发电系统为风力发电、水力发电和太阳能发电系统中的一种。
所述氧气进气装置上设置有用于控制氧气流量的流量控制器。
本发明的有益效果如下：
本发明利用可再生能源发电产生的冗余电能电解水制氢，是一种清洁的制氢方式，不仅为冗余电能提供了合理的消纳方式，减少了能源的浪费，而且为电解水制氢提供了廉价的电能，大幅降低了氢能的生产成本，总体上实现了能源的合理调配和充分利用。
本发明充分利用了电解水制氢的副产物氧气，将氧气用于燃煤锅炉中煤炭燃料的富氧燃烧，从侧面降低了制氢的成本。富氧燃烧能够显著提升燃煤锅炉的燃烧效率，节省煤炭的消耗，并且能够增加尾气中二氧化碳的浓度，有助于二氧化碳的捕集。同时，氧气用于燃煤电厂的富氧燃烧，提高燃烧效率，增加尾气中二氧化碳的浓度，进一步提高二氧化碳的捕集效率。
本发明采用一站式二氧化碳捕集、转化的方式，将从燃煤锅炉的尾气中捕集的二氧化碳就地转化为甲醇或甲烷产品，免去了二氧化碳封存和运输环节，节约了成本支出。使用冗余电能电解水制取的氢气参与到二氧化碳的化学转化反应，降低了反应物的成本。最终，煤炭中的碳元素首先经富氧燃烧转化为二氧化碳，随后经加氢反应转化为甲烷或甲醇产品，在该体系中碳元素得到了二次利用，实现了减少碳排放的目标。
附图说明
图1为本发明的方法流程示意图。
图2为本发明的系统结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，本实施例的一种燃煤发电耦合可再生能源发电二氧化碳捕集方法，利用可再生能源发电系统的电能作为电解水的能源，得到氢气和氧气，将电解水得到的氧气供给燃煤发电系统，用于煤炭的富氧燃烧，同时捕集燃煤发电过程中燃烧尾气中的二氧化碳，利用电解水得到的氢气与捕集到的所述二氧化碳进行催化转化反应，将二氧化碳转化为产品。
上述实施例中，可再生能源发电系统的电能为经过调峰处理后的冗余电能。
上述实施例中，燃烧尾气中的二氧化碳捕集采用吸收法、吸附法或膜分离法。
上述实施例中，利用氢气与捕集到的二氧化碳进行催化转化反应，将二氧化碳转化为甲醇或甲烷。
如图1和图2所示，本实施例的一种燃煤发电耦合可再生能源发电二氧化碳捕集系统，包括可再生能源发电系统、电解水系统、燃煤发电系统、二氧化碳捕集系统和二氧化碳转化系统；
可再生能源发电系统包括可再生能源发电机组、主电网、支电网及在所述主电网电能过剩时将冗余电能自动转入所述支电网并转化为直流电的电能调峰装置；
电解水系统包括与支电网电连接的电解池、向所述电解池供应纯水的供水装置；
具体地，电能调峰装置配有电流转换器，将所述冗余电能以直流电的形式通过支电网输入电解池。支电网的直流电接入电解池的电极后，电解池中的纯水发生电解反应生成氢气和氧气。
上述实施例中，电解水系统还包括供水装置、氢气的额纯化装置、干燥和收集装置、氧气的纯化、干燥和收集装置；供水装置用于制取纯水并将纯水输送至电解池。电解水生成的氢气和氧气分别进入各自的纯化、干燥和收集装置，等待进一步使用。
上述实施例中，燃煤发电系统包括燃煤发电机组，燃煤发电机组包括燃煤锅炉、蒸汽轮机和发电机等，还包括向燃煤锅炉内输送氧气的氧气进气装置和输出锅炉燃烧尾气的尾气排放装置，氧气进气装置与电解水系统的氧气收集装置连接。具体地，氧气进气装置上设置有用于控制氧气流量的流量控制器。
上述实施例中，可再生能源发电系统为风力发电、水力发电和太阳能发电系统中的一种。
上述实施例中，二氧化碳捕集系统包括与燃煤发电系统的尾气排放装置连接的冷却塔、与所述冷却塔排气端连接的预洗涤塔、与所述预洗涤塔出气端连接的吸收塔、与所述吸收塔的出液端相连的再生塔。冷却塔将高温尾气的温度降低至40～50℃，随后气体通入预洗涤塔。预洗涤塔使用的洗涤液为氢氧化钠溶液，用于吸收燃煤尾气中的二氧化硫和二氧化氮及少部分二氧化碳。吸收塔的进气口与预洗涤塔的出气口连接，使用的二氧化碳捕集方法为“贫液富液法”，使用的捕集液为碳酸氢钠稀溶液。具体地，经预洗涤处理后的二氧化碳进入吸收塔，吸收塔利用捕集液将二氧化碳吸收形成富液，富液流入再生塔，再生塔内的富液被加热，释放二氧化碳用于后续的转化利用。
所述贫富液换热器用于贫/富液之间的热量互换以达到节省热量和冷量消耗的目的；所述碱液回收装置与贫富液换热器连接用于碱液的回收及循环利用。
二氧化碳转化系统包括催化反应器，催化反应器分别与所述再生塔的二氧化碳出气端、所述电解水系统的氢气收集装置连接。
二氧化碳转化系统还包括二氧化碳进气装置、氢气进气装置、产物纯化装置和产物收集装置。具体地，催化反应器通过二氧化碳进气装置与再生塔的二氧化碳出气端连接，通过氢气进气装置与所述电解水系统的氢气收集装置连接；二氧化碳进气装置、氢气进气装置上均设有流量调节阀，用于调节氢气和二氧化碳的流量和比例。
根据需要转化成的目标产品，催化反应器内搭载Cu/ZnO复合金属催化剂或者由沸石分子筛负载的Ni基催化剂。
当目标产物是甲醇时，使用的催化剂为Cu/ZnO复合金属催化剂，发生的化学反应方程式为：CO2+3H2O→CH3OH+H2O
当目标产物是甲烷时，使用的催化剂为沸石分子筛负载的Ni基催化剂，发生的化学反应方程式为：CO2+4H2O→4CH4+2H2O
本发明将从燃煤锅炉的尾气中捕集的二氧化碳就地转化为甲醇或甲烷产品，免去了二氧化碳封存和运输环节，节约了成本支出。使用冗余电能电解水制取的氢气参与到二氧化碳的化学转化反应，降低了反应物的成本。最终，煤炭中的碳元素首先经富氧燃烧转化为二氧化碳，随后经加氢反应转化为甲烷或甲醇产品，在该体系中碳元素得到了二次利用，实现了减少碳排放的目标。
Claims (10)
1.一种燃煤发电耦合可再生能源发电二氧化碳捕集方法，其特征在于，利用可再生能源发电系统的电能作为电解水的能源，得到氢气和氧气，将所述氧气供给燃煤发电系统，用于煤炭的富氧燃烧，同时捕集燃煤发电过程中燃烧尾气中的二氧化碳，利用所述氢气与捕集到的所述二氧化碳进行催化转化反应，将二氧化碳转化为产品。
2.根据权利要求1所述的燃煤发电耦合可再生能源发电二氧化碳捕集方法，其特征在于，所述可再生能源发电系统的电能为经过调峰处理后的冗余电能。
3.根据权利要求1所述的燃煤发电耦合可再生能源发电二氧化碳捕集方法，其特征在于，燃烧尾气中的二氧化碳捕集采用吸收法、吸附法或膜分离法。
4.根据权利要求1所述的燃煤发电耦合可再生能源发电二氧化碳捕集方法，其特征在于，利用所述氢气与捕集到的所述二氧化碳进行催化转化反应，将二氧化碳转化为甲醇或甲烷。
5.一种燃煤发电耦合可再生能源发电二氧化碳捕集系统，其特征在于，包括可再生能源发电系统、电解水系统、燃煤发电系统、二氧化碳捕集系统和二氧化碳转化系统；
所述可再生能源发电系统包括发电机组、主电网、支电网及在所述主电网电能过剩时将冗余电能自动转入所述支电网并转化为直流电的电能调峰装置；
所述电解水系统包括与所述支电网电连接的电解池、向所述电解池供应纯水的供水装置；
所述燃煤发电系统包括与所述电解水系统的氧气输出端连接的、向燃煤锅炉内输送氧气的氧气进气装置和尾气排放装置；
所述二氧化碳捕集系统包括与所述尾气排放装置连接的冷却塔、与所述冷却塔排气端连接的预洗涤塔、与所述预洗涤塔出气端连接的吸收塔、与所述吸收塔的出液端连接的再生塔；
所述二氧化碳转化系统包括催化反应器，所述催化反应器分别与所述再生塔的二氧化碳出气端、所述电解水系统的氢气输出端连接。
6.根据权利要求5所述的燃煤发电耦合可再生能源发电二氧化碳捕集系统，其特征在于，所述二氧化碳转化系统还包括二氧化碳进气装置、氢气进气装置产物纯化装置和产物收集装置；所述催化反应器通过二氧化碳进气装置与所述再生塔的二氧化碳出气端连接，通过氢气进气装置与所述电解水系统的氢气输出端连接；所述二氧化碳进气装置、氢气进气装置上均设有流量调节阀；所述催化反应器内搭载Cu/ZnO复合金属催化剂或者由沸石分子筛负载的Ni基催化剂。
7.根据权利要求5所述的燃煤发电耦合可再生能源发电二氧化碳捕集系统，其特征在于，所述电解水系统还包括水纯化装置、氢气纯化装置、氢气干燥装置、氢气收集装置、氧气纯化装置、氧气干燥装置、氧气收集装置；电解生成的氢气和氧气分别进入各自的纯化、干燥和收集装置，等待进一步使用。
8.根据权利要求5所述的燃煤发电耦合可再生能源发电二氧化碳捕集系统，其特征在于，所述二氧化碳捕集系统还包括贫富液换热器和碱液回收装置，所述贫富液换热器用于贫/富液之间的热量互换以达到节省热量和冷量消耗的目的；所述碱液回收装置与贫富液换热器连接用于碱液的回收及循环利用。
9.根据权利要求5所述的燃煤发电耦合可再生能源发电二氧化碳捕集系统，其特征在于，所述可再生能源发电系统为风力发电、水力发电和太阳能发电系统中的一种。
10.根据权利要求5所述的燃煤发电耦合可再生能源发电二氧化碳捕集系统，其特征在于，所述氧气进气装置上设置有用于控制氧气流量的流量控制器。
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