CN114526158A - 一种基于二氧化碳氢化作用的能量与物质转换系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于二氧化碳氢化作用的能量与物质转换系统及方法。本发明利用绿氢生产过程的副产品氧气通入燃气轮机中使天然气进行富氧燃烧，产生只有水蒸气和CO2的高温烟气，高温烟气通过余热梯级回收而深度冷凝，即可将水与CO2深度分离。本发明回收烟气中CO2无需用到CO2化学吸收、CO2物理吸附、空气分离器等复杂设备以及消耗大量能耗，节省了成本、空间及能量。回收的CO2可与绿氢进行加氢反应，生成便于储运的碳氢燃料，实现CO2资源化利用。同时，天然气富氧燃烧可以减少氮氧化物的生成，减少对环境的影响；烟气通过与不同温度的冷源进行梯级换热，深度回收烟气余热，将绝大部分水蒸气冷凝下来，CO2易于被分离回收利用，减少CO2提纯设备。
Description
技术领域
本发明属于化石燃料燃烧产生的二氧化碳利用技术领域，尤其涉及一种基于二氧化碳氢化作用的能量与物质转换系统和方法。
背景技术
为减缓温室效应，能源体系正进行绿色低碳转型变革，减少能源系统的二氧化碳排放已成为人类社会共识。甲烷、煤炭、石油等化石燃料由于能量质量密度高、稳定性与可控性好，仍将会作为能源体系不可或缺的一部分发挥作用，如何有效减少化石燃料燃烧产生的二氧化碳排放对控制整个社会二氧化碳总排放有重要作用。
目前，减少化石燃料燃烧产生的二氧化碳排放的技术主要有燃烧后通过化学吸收或物理吸附方法将二氧化碳吸收分离，由于烟气中二氧化碳体积分数低，这类捕集系统庞大，分离解析能耗较高（供电效率降低10%-15%）；燃烧前通过空气分离装置对空气进行处理、分离出氧气，将氧气作为助燃剂，化石燃料进行富氧燃烧，提高烟气中二氧化碳的浓度、降低二氧化碳分离难度，但是空气分离装置的能耗也十分高。如何能以较低的能耗代价减少化石燃料燃烧产生的二氧化碳是能源领域的一个难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于二氧化碳氢化作用的能量与物质转换系统和方法，旨在解决现有技术中为减少化石燃料燃烧产生的二氧化碳排放所用的方法能耗高的问题。
本发明是这样实现的，一种基于二氧化碳氢化作用的能量与物质转换系统，包括可再生能源发电设备、电解池、天然气燃烧发电子系统、烟气余热回收子系统、干燥器以及CO2加氢反应器；其中，
所述天然气燃烧发电子系统包括燃气轮机，所述烟气余热回收子系统包括高温烟气换热器、中温烟气换热器以及低温烟气换热器；
所述可再生能源发电设备的电能出口连接所述电解池的电能入口，所述电解池的氢气出口连接所述CO2加氢反应器的氢气进口，所述电解池的氧气出口连接所述燃气轮机的氧气进口，所述燃气轮机的烟气出口连接所述高温烟气换热器的烟气进口，所述高温烟气换热器的烟气出口连接所述中温烟气换热器的烟气进口，所述中温烟气换热器的烟气出口连接所述低温烟气换热器的烟气进口，所述低温烟气换热器的烟气出口连接所述干燥器的烟气进口，所述干燥器的CO2出口连接所述CO2加氢反应器的CO2进口，所述烟气余热回收子系统产生的冷凝水输出口连接所述电解池的电解水进口。
优选的，所述高温烟气换热器、中温烟气换热器以及低温烟气换热器根据通入的烟气的温度从高至低依次连通；所述烟气余热回收子系统的冷源按照其温度高低分别进入所述高温烟气换热器、中温烟气换热器以及低温烟气换热器。
优选的，所述可再生能源发电设备可为光伏发电设备、风力发电设备或潮汐发电设备。
优选的，所述天然气燃烧发电子系统只包括燃气轮机，或者包括燃气轮机与蒸汽联合循环系统。
优选的，所述电解池采用碱性电解池、质子交换膜电解池或固体氧化物电解池，在所述烟气余热回收子系统中常温水的预热温度根据所选电解池的工作温度进行设定。
本发明为解决上述问题，还提供了一种基于上述系统实现能量与物质转换的方法，该方法包括以下步骤：
S1、将所述可再生能源发电设备产生的电能输送至电解池中，电解池中的水发生电化学反应产生氢气与氧气；
S2、将电解池中所产生的氧气通入燃气轮机作为助燃剂；在燃气轮机中氧气与天然气进行富氧燃烧，化学能转化为机械能再转化为电能输出，同时产生包含水蒸气和CO2的高温烟气；
S3、将所述高温烟气通入烟气余热回收子系统中与冷源进行梯级换热，高温烟气中的水蒸气被深度冷凝，使得绝大部分水蒸气与CO2分离，然后烟气再通入干燥器获得纯CO2气体；
S4、将烟气余热回收子系统中产生冷凝水接入电解池的供水入口；将干燥器出口的CO2通入CO2加氢反应器，CO2与电解池产生的氢气在催化剂条件下发生加氢反应，反应生成碳氢化合物。
优选的，所述S3中的梯级换热具体包括以下步骤：
所述高温烟气依次通入高温烟气换热器、中温烟气换热器以及低温烟气换热器中进行梯级换热，通过将烟气余热深度回收、水蒸气被彻底冷凝，使得二氧化碳被分离回收；所述高温烟气换热器采用热网回水作为冷源，回收烟气的热量可用于给用户供热；所述中温烟气换热器采用电解过程所需的常温水作为冷源，回收烟气的热量用于给电解水预热；所述低温烟气换热器采用液态天然气作为冷源，液态天然气经过与烟气换热变为气态天然气，可将气态天然气通入燃气轮机中作为燃料。
优选的，所述步骤S4中，CO2加氢反应器中通过加入不同的催化剂、设置不同反应条件，以产生不同的碳氢化合物。
优选的，当所述步骤S4产生的碳氢化合物为甲烷时，将所生成的甲烷通入燃气轮机中与氧气进行富氧燃烧。
本发明与现有技术相比，有益效果在于：
1、可再生能源发电驱动水电解而产生的氢气为“绿氢”，本发明的方法充分利用了绿氢生产过程的副产品氧气，将氧气作为天然气燃烧的助燃剂，在燃气轮机中氧气与天然气进行富氧燃烧，化学能转化为机械能再转化为电能输出，同时产生高温烟气，高温烟气中只有水蒸气和CO2，CO2浓度提高，分离难度下降，只需通过烟气深度降温，绝大部分水蒸气可被冷凝下来，将CO2分离出来难度大大降低，减小了干燥器容量；本发明的系统分离烟气中的CO2无需用到CO2化学吸收、CO2物理吸附、空气分离器等设备，设备成本及所需能量显著下降；
2、天然气燃烧产生的烟气通过与不同温度的冷源进行梯级换热，深度回收烟气余热，将水蒸气彻底冷凝下来，CO2被分离回收利用，减少CO2提纯设备；回收的烟气余热可为热用户、电解水预热、液态天然气汽化提供热量，提高电解水转化效率与系统整体效率；
3、分离出来的CO2可与绿氢进行加氢反应，生成甲酸、甲醇、甲烷等更便于储运的碳氢燃料，解决氢气储运不便的困难，并对CO2进行了资源化利用；
4、天然气富氧燃烧可以减少氮氧化物的生成，减少化石燃料对大气环境的影响。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于二氧化碳氢化作用的能量与物质转换系统的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
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；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，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，可以是两个部件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参看图1，示出了本发明提供的一较佳实施例，一种基于二氧化碳氢化作用的能量与物质转换系统，包括可再生能源发电设备1、电解池2、燃气轮机3、烟气换热器、干燥器4、CO2加氢反应器5。
可再生能源发电设备1为电解池2提供电能。电解池2通过电化学反应产生氢气与氧气，电解池2的氧气输出口与燃气轮机3的氧气进口相连，电解池2的氢气输出口与CO2加氢反应器5的氢气进口相连。燃气轮机3的烟气输出口与烟气换热器的烟气进口相连。烟气换热器的烟气输出口与干燥器4的烟气进口相连，干燥器4的CO2出口与CO2加氢反应器的CO2进口相连。烟气换热器的冷凝水输出口与电解池2的电解水进口相连。
进一步的，上述烟气换热器包括高温烟气换热器a、中温烟气换热器b以及低温烟气换热器c。不同的烟气换热器根据通入的烟气的温度从高至低依次连通。于本实施例中，燃气轮机3烟气出口的排出的烟气依次通过高温烟气换热器a、中温烟气换热器b以及低温烟气换热器c。在实际应用中，上述各机器之间通过管道连接，实现连通。
目前，天然气在大约-162℃（约100K）的温度和常压下被液化，以便于运输和存储，液化天然气在燃烧利用前要进行吸热汽化，液化天然气汽化产生的冷能为830kJ/kg，因此可以将液化天然气作为冷源之一。另外，城市集中供热的热网回水（约60℃，333K）也可作为冷源之一，这样还能使该系统成为热电联产的系统。由于该系统还要不停补水作为电解池的反应物，环境中的常温水温度约为298K，也可以作为冷源之一。
本实施例还基于上述系统，提供了一种基于二氧化碳氢化作用的能量与物质转换的方法，该方法包括以下步骤：
S1、将可再生能源发电设备1产生的电能输送至电解池2中，电解池2中的水发生电化学反应产生氢气与氧气。其中，可再生能源发电设备1可以是光伏发电设备、风力发电设备或潮汐能发电设备等。
S2、将电解池2中所产生的氧气通入燃气轮机3作为助燃剂；在燃气轮机3中氧气与天然气进行富氧燃烧，化学能转化为机械能再转化为电能输出，同时产生包含水蒸气和CO2的高温烟气。
S3、将高温烟气依次通入高温烟气换热器a、中温烟气换热器b以及低温烟气换热器c中与冷源进行换热，高温烟气中的水蒸气被深度冷凝，使得水蒸气与CO2分离；高温烟气在高温烟气换热器a与热网回水进行换热降温，降温后的烟气输送至中温烟气换热器b，将产生的冷凝水接入电解池2中。进入中温烟气换热器b的烟气与常温水进行换热降温，得到中温烟气与冷凝水，冷凝水输送至电解池2中，中温烟气进一步输送至低温烟气换热器c中与液态天然气换热降温，低温烟气最后输送至干燥器4中得到低温的纯CO2，CO2输送至CO2加氢反应器5中参与反应，而液态天然气换热后温度升高，变成气态的天然气，气态的天然气输送至燃气轮机3中作为燃料。
S4、步骤S3得到的冷凝水接入电解池2，作为对电解池2的补水来源，节约水资源，水经过电解得到氢气，将氢气以及从烟气分离出来的CO2一同通入CO2加氢反应器5中，在催化剂条件下，氢气与CO2发生加氢反应，反应生成碳氢化合物。其中，往电解池3中加入不同的催化剂、设置不同反应条件，可以产生不同的碳氢化合物，如甲烷、甲酸、甲醇等；当产生的碳氢化合物为甲烷时，将所生成的甲烷通入燃气轮机3中与氧气进行富氧燃烧。
本实施例的基于二氧化碳氢化作用的能量与物质转换系统及方法充分利用了绿氢生产过程的副产品氧气，将氧气作为天然气燃烧的助燃剂，在燃气轮机3中氧气与天然气进行富氧燃烧，化学能转化为机械能再转化为电能输出，同时产生高温烟气，高温烟气中只有水蒸气和CO2，只需经过深度冷凝即可将大部分的水蒸气与CO2分离出来，减少干燥器容量。最后分离出来的CO2可与绿氢进行氢化反应，生成甲醇、甲烷等更便于储运的碳氢燃料，解决氢气储运不便的困难，并对CO2进行了资源化利用。天然气富氧燃烧可以减少氮氧化物的生成，减少化石燃料对大气环境的影响。
同时，由于采用了余热梯级回收，既回收了烟气余热、提高系统能量利用效率；又使CO2和水蒸气能彻底分离，无需化学吸收、物理吸附、干燥器等设备即可获得高纯度CO2。高纯度的CO2可直接通入CO2加氢反应器反应，并且同时能深度回收烟气余热，回收热量可以为集中热网供热、为电解反应提供所需热量、为液化天然气汽化提供所需热量。
本实施例的系统去掉烟气中CO2的步骤中，无需用到CO2化学吸收、CO2物理吸附、空气分离器等设备以及能耗，节省了生产成本以及节省了能量。通过梯级换热深度回收天然气发电循环的烟气余热，为电解水反应提供热量，提高电解水转化效率与系统整体效率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于二氧化碳氢化作用的能量与物质转换系统，其特征在于，包括可再生能源发电设备、电解池、天然气燃烧发电子系统、烟气余热回收子系统、干燥器以及CO2加氢反应器；其中，
所述天然气燃烧发电子系统包括燃气轮机，所述烟气余热回收子系统包括高温烟气换热器、中温烟气换热器以及低温烟气换热器；
所述可再生能源发电设备的电能出口连接所述电解池的电能入口，所述电解池的氢气出口连接所述CO2加氢反应器的氢气进口，所述电解池的氧气出口连接所述燃气轮机的氧气进口，所述燃气轮机的烟气出口连接所述高温烟气换热器的烟气进口，所述高温烟气换热器的烟气出口连接所述中温烟气换热器的烟气进口，所述中温烟气换热器的烟气出口连接所述低温烟气换热器的烟气进口，所述低温烟气换热器的烟气出口连接所述干燥器的烟气进口，所述干燥器的CO2出口连接所述CO2加氢反应器的CO2进口，所述烟气余热回收子系统产生的冷凝水输出口连接所述电解池的电解水进口。
2.如权利要求1所述的能量与物质转换系统，其特征在于，所述高温烟气换热器、中温烟气换热器以及低温烟气换热器根据通入的烟气的温度从高至低依次连通；所述烟气余热回收子系统的冷源按照其温度高低分别进入所述高温烟气换热器、中温烟气换热器以及低温烟气换热器。
3.如权利要求1所述的能量与物质转换系统，其特征在于，所述可再生能源发电设备可为光伏发电设备、风力发电设备或潮汐发电设备。
4.如权利要求1所述的能量与物质转换系统，其特征在于，所述天然气燃烧发电子系统只包括燃气轮机，或者包括燃气轮机与蒸汽联合循环系统。
5.如权利要求1所述的能量与物质转换系统，其特征在于，所述电解池采用碱性电解池、质子交换膜电解池或固体氧化物电解池，在所述烟气余热回收子系统中常温水的预热温度根据所选电解池的工作温度进行设定。
6.一种基于权利要求1至5中任一项所述的能量与物质转换系统实现能量与物质转换的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1、将所述可再生能源发电设备产生的电能输送至电解池中，电解池中的水发生电化学反应产生氢气与氧气；
S2、将电解池中所产生的氧气通入燃气轮机作为助燃剂；在燃气轮机中氧气与天然气进行富氧燃烧，化学能转化为机械能再转化为电能输出，同时产生包含水蒸气和CO2的高温烟气；
S3、将所述高温烟气通入烟气余热回收子系统中与冷源进行梯级换热，高温烟气中的水蒸气被深度冷凝，使得绝大部分水蒸气与CO2分离，然后烟气再通入干燥器获得纯CO2气体；
S4、将烟气余热回收子系统中产生冷凝水接入电解池的供水入口；将干燥器出口的CO2通入CO2加氢反应器，CO2与电解池产生的氢气在催化剂条件下发生加氢反应，反应生成碳氢化合物。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述S3中的梯级换热具体包括以下步骤：
所述高温烟气依次通入高温烟气换热器、中温烟气换热器以及低温烟气换热器中进行梯级换热，通过将烟气余热深度回收、水蒸气被彻底冷凝，使得二氧化碳被分离回收；所述高温烟气换热器采用热网回水作为冷源，回收烟气的热量可用于给用户供热；所述中温烟气换热器采用电解过程所需的常温水作为冷源，回收烟气的热量用于给电解水预热；所述低温烟气换热器采用液态天然气作为冷源，液态天然气经过与烟气换热变为气态天然气，可将气态天然气通入燃气轮机中作为燃料。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤S4中，CO2加氢反应器中通过加入不同的催化剂、设置不同反应条件，以产生不同的碳氢化合物。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，当所述步骤S4产生的碳氢化合物为甲烷时，将所生成的甲烷通入燃气轮机中与氧气进行富氧燃烧。
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