CN114893264A - 联合绿氢与co2资源化利用的燃煤富氧燃烧发电系统及方法 - Google Patents

联合绿氢与co2资源化利用的燃煤富氧燃烧发电系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种联合绿氢与CO2资源化利用的燃煤富氧燃烧发电系统及方法，该系统包括电解池、燃煤锅炉、CO2提纯装置、透平‑发电机、再热器、换热器、冷却器、压缩机以及CO2加氢反应器。本系统有机联合燃煤富氧燃烧、热功转化与电解水制氢、CO2加氢反应等物质与能量转化过程，涉及最大化耦合利用其中的化学势与热能能势，进行电‑热‑碳氢燃料多联产，实现高效率发电、低碳排放与CO2资源化利用兼容协同。通过热量梯级利用，降低电解水制氢的电量需求、回收CO2加氢反应放出的热量加热做功工质、利用电解水制氢的副产品氧气进行富氧燃烧，从而减少CO2提纯能耗、提高系统整体能效水平。

Description

联合绿氢与CO2资源化利用的燃煤富氧燃烧发电系统及方法
技术领域
本发明属于能源综合应用技术领域，尤其涉及一种联合绿氢与CO2资源化利用的燃煤富氧燃烧发电系统及方法。
背景技术
为应对气候变化，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，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利用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，减少化石燃料燃烧利用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。煤炭等化石燃料热力循环如何能实现高效率发电、低碳排放与碳资源化利用的多目标兼容是能源领域的一个难题。
当前化石燃料热力循环为了实现高效率发电、二氧化碳减排与二氧化碳资源化利用等多目标，通常采用“先高效发电、再减碳排放、最后碳资源化利用”的“串联链式”系统形式，这限制了化石燃料热力循环实现高效、低碳和资源化利用的兼容协同发展。另一方面，随着风光发电等可再生能源的发展，利用风光发电难以上网的富余电能电解水，将电能转化为氢能储存也得到关注，但是电解水制氢的副产品氧气并未得到充分利用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种联合绿氢与CO2资源化利用的燃煤富氧燃烧发电系统及方法，其可以最大化耦合利用燃煤热力循环中的化学势与热能能势，实现电-热-醇的多联产。
本发明是这样实现的，一种联合绿氢与CO2资源化利用的燃煤富氧燃烧发电系统，包括电解池、燃煤锅炉、CO2提纯装置、透平-发电机、再热器、换热器、冷却器、压缩机以及CO2加氢反应器；
所述电解池用于供水发生水电解反应产生氢气与氧气，其氧气输出端口连接所述燃煤锅炉的氧气输入端口，作为助燃剂；所述电解池的氢气输出端口连接所述CO2加氢反应器的氢气输入端口；
所述燃煤锅炉用于供氧气与煤炭进行富氧燃烧，产生包含水蒸气和CO2的高温烟气，其烟气输出端口连接所述CO2提纯装置的烟气输入端口，其做功工质输出端口连接所述透平-发电机的做功工质输入端口；
所述CO2提纯装置用于冷凝分离CO2与水蒸气，其CO2输出端口输出的CO2成两股，一股回流到所述燃煤锅炉中参与燃烧，另一股输送至所述CO2加氢反应器的CO2输入端口；
所述CO2加氢反应器用于供氢气与CO2进行加氢反应，生成碳氢化合物；
所述透平-发电机用于做功发电，其做功工质完成热功转化过程后通过做功工质的输出端口输送至所述再热器的高温低压做功工质输入端口；
所述再热器用于预热做功工质，所述再热器的放热侧的做功工质输出端口连接所述换热器的做功工质输入端口，其吸热侧的做功工质输出端口连接所述燃煤锅炉的做功工质输入端口；
所述换热器用于将做功工质的热量传递给其内部的换热介质；所述换热器的放热侧的做功工质输出端口连接所述冷却器的做功工质输入端口，其吸热侧的换热介质输出端口连接所述电解池的换热介质输入端口；
所述冷却器用于冷却做功工质，所述冷却器的做功工质输出端口连接所述压缩机的做功工质输入端口；
所述压缩机用于压缩做功工质，所述压缩机的做功工质输出端口连接所述CO2加氢反应器的做功工质输入端口；所述CO2加氢反应器的做功工质输出端口连接所述再热器的低温高压做功工质输入端口。
进一步的，所述CO2提纯装置的CO2输出端口与三通阀连接，所述三通阀的第一输出端口连接所述燃煤锅炉的CO2回流端口，其第二输出端口连接所述CO2加氢反应器的CO2输入端口。
本发明为解决上述问题，还提供了一种联合绿氢与CO2资源化利用的燃煤富氧燃烧发电方法，包括以下步骤：
电解池中的水发生电化学反应产生氢气与氧气，氧气通入燃煤锅炉作为助燃剂，在燃煤锅炉中氧气与煤炭进行富氧燃烧，产生包含水蒸气和CO2的高温烟气；
高温烟气通入CO2提纯装置中，CO2与水蒸气于CO2提纯装置中冷凝分离提纯；
提纯后的CO2通过三通阀进行分流为部分CO2和另一部分CO2；通过三通阀来控制回流CO2流量，进而控制燃烧温度以及烟气中CO2富集程度；
被分流的一部分CO2气体通入CO2加氢反应器中在催化剂条件下与来自电解池的氢气发生加氢反应，反应生成碳氢化合物；
被分流的另一部分CO2气体是回流CO2，回流CO2通入燃煤锅炉吸收燃气燃烧的热量，降低燃烧温度，提高烟气CO2富集程度；
做功工质在燃煤锅炉中加热后进入透平-发电机做功发电，随后进入再热器预热将要进入燃煤锅炉的做功工质，然后进入换热器中将热量传递给换热介质，再进入冷却器与冷源换热降温后进入压缩机进行压缩，再进入CO2加氢反应器中吸收CO2加氢反应放出来的热量，最后进入再热器加热，实现热量梯级利用；
换热介质在换热器中吸收热量后进入电解池中，为电解反应提供热量。
进一步的，所述换热器内部的换热介质于所述换热器与电解池之间循环。
进一步的，所述做功工质为二氧化碳或者蒸汽。
进一步的，为所述电解池提供的电能来自可再生能源发电、火力发电或者市政电网。
进一步的，所述碳氢化合物为甲醇、甲酸或甲烷。
本发明与现有技术相比，有益效果在于：
1、本系统是“一体化协同”的系统形式，涉及热电转化、最大化耦合利用其中的化学势与热能能势，实现电-热-醇的多联产。
2、燃煤富氧燃烧、热功转化与电解水制氢、CO2加氢反应等化学反应过程有机联合，进行电-热-碳氢燃料多联产，实现高效率发电、低碳排放与CO2资源化利用兼容协同。
3、热量梯级利用，包括回收做功工质余热为电解水制氢过程提供热量，降低电解水制氢的电量需求；回收CO2加氢反应放出的热量加热做功工质，减少煤炭消耗量。
4、利用电解水制氢的副产品氧气进行富氧燃烧从而使得CO2提纯能耗减少。
5、利用电解水制氢产物氢气与CO2进行加氢反应，实现CO2资源化利用。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种联合绿氢与CO2资源化利用的燃煤富氧燃烧发电系统的结构框图。
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种联合绿氢与CO2资源化利用的燃煤富氧燃烧发电系统，包括电解池1、燃煤锅炉2、CO2提纯装置3、透平-发电机4、再热器5、换热器6、冷却器7、压缩机8 、CO2加氢反应器9以及三通阀10。
电解池1用于供水发生水电解反应产生氢气与氧气，其氧气输出端口连接燃煤锅炉2的氧气输入端口，作为助燃剂；电解池1的氢气输出端口连接CO2加氢反应器9的氢气输入端口。
燃煤锅炉2用于供氧气与煤炭进行富氧燃烧，产生包含水蒸气和CO2的高温烟气，其烟气输出端口连接CO2提纯装置3的烟气输入端口，其做功工质输出端口连接透平-发电机4的做功工质输入端口。
CO2提纯装置3用于冷凝分离CO2与水蒸气，其CO2输出端口输出与三通阀10连接，三通阀10的第一输出端口连接燃煤锅炉2的CO2回流端口，其第二输出端口连接CO2加氢反应器9的CO2输入端口。
CO2加氢反应器9用于供氢气与CO2进行加氢反应，生成碳氢化合物，碳氢化合物可以是甲醇、甲酸或甲烷。
透平-发电机4用于做功发电，其做功工质（做功工质为二氧化碳或者蒸汽。）完成热功转化过程后通过做功工质的输出端口输送至再热器5的高温低压做功工质输入端口。
再热器5用于预热做功工质，再热器5的放热侧的做功工质输出端口连接换热器6的做功工质输入端口，其吸热侧的做功工质输出端口连接燃煤锅炉2的做功工质输入端口。
换热器6用于将做功工质的热量传递给其内部的换热介质；换热器6的放热侧的做功工质输出端口连接冷却器7的做功工质输入端口，其吸热侧的换热介质输出端口连接电解池1 的换热介质输入端口。
冷却器7用于冷却做功工质，冷却器7的做功工质输出端口连接压缩机8的做功工质输入端口。
压缩机8用于压缩做功工质，压缩机8的做功工质输出端口连接CO2加氢反应器9的做功工质输入端口；CO2加氢反应器9的做功工质输出端口连接再热器的低温高压做功工质输入端口。
具体的，换热器6内部的换热介质于换热器6与电解池1之间循环。为电解池1提供的电能来自可再生能源发电、火力发电或者市政电网。
本实施例还提供了一种联合绿氢与CO2资源化利用的燃煤富氧燃烧发电方法，包括如下步骤：
S1、电解池1中的水发生电化学反应产生氢气与氧气，氧气通入燃煤锅炉2作为助燃剂，在燃煤锅炉2中氧气与煤炭进行富氧燃烧，产生包含水蒸气和CO2的高温烟气；
S2、高温烟气通入CO2提纯装置2中，CO2与水蒸气冷凝分离提纯；
S3、提纯后的CO2通过三通阀10进行分流为部分CO2和另一部分CO2；通过三通阀10来控制回流CO2流量，进而控制燃烧温度以及烟气中CO2富集程度；
S4、被分流的一部分CO2气体通入CO2加氢反应器9中在催化剂条件下与来自电解池1的氢气发生加氢反应，反应生成碳氢化合物；
S5、被分流的另一部分CO2气体是回流CO2，回流CO2通入燃煤锅炉2吸收燃气燃烧的热量，降低燃烧温度，提高烟气CO2富集程度；
S7、做功工质在燃煤锅炉2中加热后进入透平-发电机4做功发电，随后进入再热器5预热将要进入燃煤锅炉2的做功工质，然后进入换热器6中将热量传递给换热介质，再进入冷却器7与冷源换热降温后进入压缩机8进行压缩，再进入CO2加氢反应器9中吸收CO2加氢反应放出来的热量，最后进入再热器5加热，实现热量梯级利用；
S8、换热介质在换热器6中吸收热量后进入电解池1中，为电解反应提供热量。
综上所述，本实施例具有如下技术效果：
1、本系统是“一体化协同”的系统形式，涉及热电转化、最大化耦合利用其中的化学势与热能能势，实现电-热-醇的多联产。
2、燃煤富氧燃烧、热功转化与电解水制氢、CO2加氢反应等化学反应过程有机联合，进行电-热-碳氢燃料多联产，实现高效率发电、低碳排放与CO2资源化利用兼容协同。
3、热量梯级利用，包括回收做功工质余热为电解水制氢过程提供热量，降低电解水制氢的电量需求；回收CO2加氢反应放出的热量加热做功工质，减少煤炭消耗量。
4、利用电解水制氢的副产品氧气进行富氧燃烧从而使得CO2提纯能耗减少。
5、利用电解水制氢产物氢气与CO2进行加氢反应，实现CO2资源化利用。
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 (7)

1.一种联合绿氢与CO2资源化利用的燃煤富氧燃烧发电系统，其特征在于，包括电解池、燃煤锅炉、CO2提纯装置、透平-发电机、再热器、换热器、冷却器、压缩机以及 CO2加氢反应器；
所述电解池用于水发生水电解反应产生氢气与氧气，其氧气输出端口连接所述燃煤锅炉的氧气输入端口，作为助燃剂；所述电解池的氢气输出端口连接所述CO2加氢反应器的氢气输入端口；
所述燃煤锅炉用于供氧气与煤炭进行富氧燃烧，产生包含水蒸气和CO2的高温烟气，其烟气输出端口连接所述CO2提纯装置的烟气输入端口，其做功工质输出端口连接所述透平-发电机的做功工质输入端口；
所述CO2提纯装置用于冷凝分离CO2与水蒸气，其CO2输出端口输出的CO2成两股，一股回流到所述燃煤锅炉中参与燃烧，另一股输送至所述CO2加氢反应器的CO2输入端口；
所述CO2加氢反应器用于氢气与CO2进行加氢反应，生成碳氢化合物；
所述透平-发电机用于做功发电，其做功工质完成热功转化过程后通过做功工质的输出端口输送至所述再热器的高温低压做功工质输入端口；
所述再热器用于预热做功工质，所述再热器的放热侧的做功工质输出端口连接所述换热器的做功工质输入端口，其吸热侧的做功工质输出端口连接所述燃煤锅炉的做功工质输入端口；
所述换热器用于将做功工质的热量传递给其内部的换热介质；所述换热器的放热侧的做功工质输出端口连接所述冷却器的做功工质输入端口，其吸热侧的换热介质输出端口连接所述电解池的换热介质输入端口；
所述冷却器用于冷却做功工质，所述冷却器的做功工质输出端口连接所述压缩机的做功工质输入端口；
所述压缩机用于压缩做功工质，所述压缩机的做功工质输出端口连接所述CO2加氢反应器的做功工质输入端口；所述CO2加氢反应器的做功工质输出端口连接所述再热器的低温高压做功工质输入端口。
2.如权利要求1所述的燃煤富氧燃烧发电系统，其特征在于，所述CO2提纯装置的CO2输出端口与三通阀连接，所述三通阀的第一输出端口连接所述燃煤锅炉的CO2回流端口，其第二输出端口连接所述CO2加氢反应器的CO2输入端口。
3.一种联合绿氢与CO2资源化利用的燃煤富氧燃烧发电方法，其特征在于，包括以下步骤：
电解池中的水发生电化学反应产生氢气与氧气，氧气通入燃煤锅炉作为助燃剂，在燃煤锅炉中氧气与煤炭进行富氧燃烧，产生包含水蒸气和CO2的高温烟气；
高温烟气通入CO2提纯装置中，CO2与水蒸气于CO2提纯装置中冷凝分离提纯；
提纯后的CO2通过三通阀进行分流为部分CO2和另一部分CO2；通过三通阀来控制回流CO2流量，进而控制燃烧温度以及烟气中CO2富集程度；
被分流的一部分CO2气体通入CO2加氢反应器中在催化剂条件下与来自电解池的氢气发生加氢反应，反应生成碳氢化合物；
被分流的另一部分CO2气体是回流CO2，回流CO2通入燃煤锅炉吸收燃气燃烧的热量，降低燃烧温度，提高烟气CO2富集程度；
做功工质在燃煤锅炉中加热后进入透平-发电机做功发电，随后进入再热器预热将要进入燃煤锅炉的做功工质，然后进入换热器中将热量传递给换热介质，再进入冷却器与冷源换热降温后进入压缩机进行压缩，再进入CO2加氢反应器中吸收CO2加氢反应放出来的热量，最后进入再热器加热，实现热量梯级利用；
换热介质在换热器中吸收热量后进入电解池中，为电解反应提供热量。
4.如权利要求3所述的燃煤富氧燃烧发电方法，其特征在于，所述换热器内部的换热介质于所述换热器与电解池之间循环。
5.如权利要求3所述的燃煤富氧燃烧发电方法，其特征在于，所述做功工质为二氧化碳或者蒸汽。
6.如权利要求3所述的燃煤富氧燃烧发电方法，其特征在于，为所述电解池提供的电能来自可再生能源发电、火力发电或者市政电网。
7.如权利要求3所述的燃煤富氧燃烧发电方法，其特征在于，所述碳氢化合物为甲醇、甲酸或甲烷。
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