CN116477572A - 一种基于煤化工耦合焦化、可再生能源制备合成气的系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于煤化工耦合焦化、可再生能源制备合成气的系统，包括煤焦化系统、电解水制氢系统及气化装置，所述煤焦化系统包括焦炉、净化分离装置及合成气压缩装置，焦炉的炭化室通过管路连接净化分离装置的第一进气口，净化分离装置的第一出气口连接焦炉的燃烧室，净化分离装置的第二出气口连接所述合成气压缩装置，电解水制氢系统包括电解水制氢装置，电解水制氢装置具有氧气排气口和氢气排气口，氧气排气口连接所述燃烧室的进气口，氢气排气口连接所述合成气压缩装置，气化装置的排气口连接净化分离装置的第二进气口。能够克服现有技术中外部补碳、绿氢规模化利用的波动调节、富氢气体低效利用和CO2捕集成本高的缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及煤化工技术领域，具体涉及一种基于煤化工耦合焦化、可再生能源制备合成气的系统。
背景技术
基于资源禀赋特点，我国是世界上最大的煤化工生产国，煤炭高碳属性及加工特点又决定了煤化工能耗高、CO2排放量大。如何实现煤化工节能降碳成为项目生存和落地的重要约束条件。
目前，在新型煤化工领域，行业通过可再生能源制绿氢与煤制合成气耦合，一方面调节工艺过程碳氢比，取消变换装置，减少CO2排放，另一方面通过CO2捕集利用减少配套热动力站燃料燃烧CO2排放。
在煤焦化领域，行业根据焦炉煤气富氢特点，将焦炉煤气由燃烧发电改为焦炉煤气制化学品。
在新型煤化工实际应用中，受可再生能源的间歇性、不稳定性影响，绿氢与煤制合成气难以实现规模化耦合应用，另外热动力站燃料燃烧CO2浓度较低(10％-12％)时，造成CO2捕集成本高的问题。
在煤焦化实际应用中，受焦炉煤气富氢特点影响，制化学品常常需要进行补碳，另外有40％的焦炉煤气在焦炉中燃烧自用，同时在焦炉中燃烧后CO2浓度较低，造成富氢气体低效利用和CO2捕集成本高的问题。
发明内容
因此，本发明提供一种基于煤化工耦合焦化、可再生能源制备合成气的系统，能够克服现有技术中焦炉煤气低效利用和CO2捕集成本高的缺陷。
为了解决上述问题，本发明提供一种基于煤化工耦合焦化、可再生能源制备合成气的系统，包括煤焦化系统、电解水制氢系统及气化装置，所述煤焦化系统包括焦炉、净化分离装置及合成气压缩装置，所述焦炉的炭化室通过管路连接所述净化分离装置的第一进气口，所述净化分离装置的第一出气口连接所述焦炉的燃烧室，所述净化分离装置的第二出气口连接所述合成气压缩装置，所述电解水制氢系统包括电解水制氢装置，所述电解水制氢装置具有氧气排气口和氢气排气口，所述氧气排气口连接所述燃烧室的进气口，所述氢气排气口连接所述合成气压缩装置，所述气化装置的排气口连接所述净化分离装置的第二进气口。
在一些实施方式中，基于煤化工耦合焦化、可再生能源制备合成气的系统还包括变换装置，所述气化装置的排气口连接所述变换装置的进气口，所述变换装置的排气口连接所述净化分离装置的第二进气口。
在一些实施方式中，所述电解水制氢装置的所述氧气排气口还连接所述气化装置。
在一些实施方式中，所述净化分离装置的废水口连接所述气化装置，以能够将所述净化分离装置产生的废水送入所述气化装置。
在一些实施方式中，基于煤化工耦合焦化、可再生能源制备合成气的系统还包括空分装置，所述空分装置分别连接所述气化装置及所述燃烧室，以能够为其提供氧气。
在一些实施方式中，所述电解水制氢系统还包括储电单元，所述储电单元一端连接电网，另一端连接所述电解水制氢装置以能够为所述电解水制氢装置提供电能。
在一些实施方式中，所述电解水制氢系统还包括可再生能源发电单元，所述可再生能源发电单元为所述电解水制氢装置提供电能。
在一些实施方式中，所述可再生能源发电单元还连接所述储电单元。
在一些实施方式中，基于煤化工耦合焦化、可再生能源制备合成气的系统还包括甲烷转化装置，所述甲烷转化装置的进气端连接所述净化分离装置的甲烷排气口，所述甲烷转化装置的排气端连接所述净化分离装置的第二进气口。
在一些实施方式中，基于煤化工耦合焦化、可再生能源制备合成气的系统还包括干熄焦装置、第一余热锅炉及第二余热锅炉，所述焦炉的炭化室连接所述干熄焦装置，所述干熄焦装置的排气口连接所述第二余热锅炉的进气口，所述干熄焦装置的进气口连接所述第二余热锅炉的排气口，所述焦炉的燃烧室的排气口连接所述第一余热锅炉的进气口，所述第一余热锅炉与所述第二余热锅炉经过热交换产生的热量为所述系统供能。
本发明提供的一种基于煤化工耦合焦化、可再生能源制备合成气的系统，通过煤制合成气与可再生能源制氢、煤焦化的完美耦合，可以实现绿氢的规模化稳定耦合和产品合成气碳氢比的灵活调节。通过CO置换焦炉自用焦炉煤气和富氧/纯氧燃烧，保证焦炉系统CO2浓度从10％左右提升至98％以上，降低碳捕集成本，利用焦化余热替代或减小新型煤化工配套热动力站规模，从源头减少燃料燃烧CO2排放。利用电解水制氢装置副产氧气，减小或取消空分装置。在原料煤不计入能源消费总量的政策下，降低项目能耗指标及项目能耗。利用CO置换焦炉自用焦炉煤气、煤气化和变换装置、电网谷电补充、电解水制氢以及焦炉出焦产能的匹配性调节，平抑可再生能源波动，提高可再生能源利用率，提升装置经济性。协同处理焦化废液、粉焦、固废等，提高能源利用效率和项目经济效益。最终实现煤化工与可再生能源的规模化稳态耦合和CO2零排放，降低装置能耗，保证系统低成本、绿色环保和长周期运行。
附图说明
图1为本发明实施例的基于煤化工耦合焦化、可再生能源制备合成气的系统的结构示意图。
附图标记表示为：
1、焦炉；2、气化装置；3、干熄焦装置；4、净化分离装置；5、变换装置；6、甲烷转化装置；7、合成气压缩装置；8、第一余热锅炉；9、第二余热锅炉；10、电解水制氢装置；11、储电单元；12、可再生能源发电单元；13、空分装置。
具体实施方式
结合参见图1所示，根据本发明的实施例，提供一种基于煤化工耦合焦化、可再生能源制备合成气的系统，包括煤焦化系统、电解水制氢系统及气化装置2，所述煤焦化系统包括焦炉1、净化分离装置4及合成气压缩装置7，所述焦炉1的炭化室通过管路连接所述净化分离装置4的第一进气口，所述净化分离装置4的第一出气口连接所述焦炉1的燃烧室，所述净化分离装置4的第二出气口连接所述合成气压缩装置7，所述电解水制氢系统包括电解水制氢装置10，所述电解水制氢装置10具有氧气排气口和氢气排气口，所述氧气排气口连接所述燃烧室的进气口，所述氢气排气口连接所述合成气压缩装置7，所述气化装置2的排气口连接所述净化分离装置4的第二进气口。
所述炭化室产生的焦炉煤气与所述气化装置2产生的荒煤气一起送入所述净化分离装置4，经过分离净化后产生粗合成气和CO燃气，所述CO燃气经所述第一出气口送入所述燃烧室与来自所述氧气排气口的氧气混合后燃烧，以能够为所述煤焦化系统提供能量，所述粗合成气经所述第二出气口送入所述合成气压缩装置7与来自所述氢气排气口的氢气进行混合后压缩形成合成气。采用焦炉燃烧室燃料置换和富氧/纯氧燃烧，燃烧后获得高溶度CO2直接回收再利用，可有效降低低浓度CO2捕集带来的高成本问题。
优选的，电解水制氢装置10的氢气排气口连接净化分离装置4。在净化分离装置4内，焦炉煤气经过初冷、焦油回收、脱萘、脱氨、脱苯与来自于甲烷转化装置6的转化煤气和来自于气化装置2的荒煤气一起经过低温甲醇洗装置，经进一步脱硫脱碳后进入深冷分离装置，产出合成气(CO+H2)，和来自于电解水制氢装置10的氢气一起进入合成气压缩装置7。
在一个具体的实施例中，基于煤化工耦合焦化、可再生能源制备合成气的系统还包括变换装置5，所述气化装置2的排气口连接所述变换装置5的进气口，所述变换装置5的排气口连接所述净化分离装置4的第二进气口。
在一个具体的实施例中，所述电解水制氢装置10的所述氧气排气口还连接所述气化装置2。
在一个具体的实施例中，所述净化分离装置4的废水口连接所述气化装置2，以能够将所述净化分离装置4产生的废水送入所述气化装置2。
在一个具体的实施例中，基于煤化工耦合焦化、可再生能源制备合成气的系统还包括空分装置13，所述空分装置13分别连接所述气化装置2及所述燃烧室，以能够为其提供氧气。空分与电解水制氧平衡调节，确保燃烧室及气化装置富氧燃烧，提高燃烧效率及生成气浓度。
在一个具体的实施例中，所述电解水制氢系统还包括储电单元11，所述储电单元11一端连接电网，另一端连接所述电解水制氢装置10以能够为所述电解水制氢装置10提供电能。
在一个具体的实施例中，所述电解水制氢系统还包括可再生能源发电单元12，所述可再生能源发电单元12为所述电解水制氢装置10提供电能。
具体的，可再生能源发电单元12为风能发电单元，或者为光能发电单元。
在一个具体的实施例中，所述可再生能源发电单元12还连接所述储电单元11。
在一个具体的实施例中，基于煤化工耦合焦化、可再生能源制备合成气的系统还包括甲烷转化装置6，所述甲烷转化装置6的进气端连接所述净化分离装置4的甲烷排气口，所述甲烷转化装置6的排气端连接所述净化分离装置4的第二进气口。采用焦炉气、煤制气、电解水制氢三种平衡调节方式，可有效调节合成气的碳氢比，确保合成气碳氢比稳定在需求范围内。
在一个具体的实施例中，基于煤化工耦合焦化、可再生能源制备合成气的系统还包括干熄焦装置3、第一余热锅炉8及第二余热锅炉9，所述焦炉1的炭化室连接所述干熄焦装置3，所述干熄焦装置3的排气口连接所述第二余热锅炉9的进气口，所述干熄焦装置3的进气口连接所述第二余热锅炉9的排气口，所述焦炉1的燃烧室的排气口连接所述第一余热锅炉8的进气口，所述第一余热锅炉8与所述第二余热锅炉9经过热交换产生的热量为所述系统供能。
使用过程中，来自备煤系统的混煤装入焦炉1的炭化室进行焦化，焦化所需热量通过来自于净化分离装置4的CO燃气(主要是CO)和来自于电解水制氢装置10的氧气在焦炉1的燃烧室富氧/纯氧燃烧供给，焦炉1的炭化室产生的焦炉煤气全部送入净化分离装置4，焦炉1的燃烧室富氧燃烧后产生高温CO2气体进入第一余热锅炉8副产蒸汽，红焦送入干熄焦装置3由惰性气体进行冷却，产生的高温惰性气体进入第二余热锅炉9副产蒸汽，经第二余热锅炉9冷却后的惰性气体返回干熄焦装置3继续使用，冷却后的CO2气体可直接进行回收使用，也可部分用于甲烷转化装置6，焦炭冷却至180℃进入后续筛贮焦系统。利用锅炉余热为系统供能，减小原有自备热电站配置规模。
来自于焦炭筛贮焦系统的粉焦、净化分离装置4的有机废水、焦油和来自于电解水制氢装置10的氧气以及来自于备煤系统的原煤一起进入气化装置2，产生的荒煤气进入变换装置5进行CO变换，变换深度根据电解水制氢装置10氢气产量、焦炉1焦炉煤气氢组分产量和产品合成气碳氢比要求进行调节。经变换后的变换气送入净化分离装置4。
在净化分离装置4中，焦炉煤气经过初冷、焦油回收、脱萘、脱氨、脱苯与来自于甲烷转化装置6的转化煤气和来自于变换装置5的变换气一起经过低温甲醇洗装置，经进一步脱硫脱碳后进入深冷分离装置，产出合成气(CO+H2)，和来自于电解水制氢装置10的氢气一起进入合成气压缩装置7。
其中为保证得到碳氢比例合适的合成气(CO+H2)，优先通过储电单元11确保电解水制氢装置10的能源供给，确保电解水制氢装置10的出氢率，其次通过变换装置5兜底调节，即当净化分离装置产生的粗合成气不能满足生产合成气的碳氢比时，由变换装置5产生的变换气进行补充，保证净化分离装置、合成气压缩装置的正常运行和产品气的组分、压力指标合格以及可再生能源的完全利用和整个系统运行的稳定性。
净化分离装置4产出的CH4送入甲烷转化装置6，净化分离装置4分离出的其他气体(即CO燃气)送入焦炉燃烧室与电解水制氢装置10送来的氧气进行富氧/纯氧燃烧。
第一余热锅炉8、第二余热锅炉9副产蒸汽用于空分装置13、合成气压缩装置7、甲烷转化装置6等合成气工艺中使用，替代或减小新型煤化工配套热动力站规模。第一余热锅炉8中冷却后的CO2气可直接进行回收使用，也可部分用于甲烷转化装置6。
电解水制氢装置10电能由可再生能源单元12或者储电单元11提供，产出氢气送入合成气压缩装置，产出氧气送入气化装置2和焦炉燃烧室，当氧气不足时，由空分装置13提供。
最终实现煤化工与可再生能源的规模化稳态耦合和CO2零排放，降低装置能耗，保证系统低成本、绿色环保和长周期运行。
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。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于煤化工耦合焦化、可再生能源制备合成气的系统，其特征在于，包括煤焦化系统、电解水制氢系统及气化装置(2)，所述煤焦化系统包括焦炉(1)、净化分离装置(4)及合成气压缩装置(7)，所述焦炉(1)的炭化室通过管路连接所述净化分离装置(4)的第一进气口，所述净化分离装置(4)的第一出气口连接所述焦炉(1)的燃烧室，所述净化分离装置(4)的第二出气口连接所述合成气压缩装置(7)，所述电解水制氢系统包括电解水制氢装置(10)，所述电解水制氢装置(10)具有氧气排气口和氢气排气口，所述氧气排气口连接所述燃烧室的进气口，所述氢气排气口连接所述合成气压缩装置(7)，所述气化装置(2)的排气口连接所述净化分离装置(4)的第二进气口。
2.根据权利要求1所述的基于煤化工耦合焦化、可再生能源制备合成气的系统，其特征在于，还包括变换装置(5)，所述气化装置(2)的排气口连接所述变换装置(5)的进气口，所述变换装置(5)的排气口连接所述净化分离装置(4)的第二进气口。
3.根据权利要求1所述的基于煤化工耦合焦化、可再生能源制备合成气的系统，其特征在于，所述电解水制氢装置(10)的所述氧气排气口还连接所述气化装置(2)。
4.根据权利要求1所述的基于煤化工耦合焦化、可再生能源制备合成气的系统，其特征在于，所述净化分离装置(4)的废水口连接所述气化装置(2)，以能够将所述净化分离装置(4)产生的废水送入所述气化装置(2)。
5.根据权利要求1所述的基于煤化工耦合焦化、可再生能源制备合成气的系统，其特征在于，还包括空分装置(13)，所述空分装置(13)分别连接所述气化装置(2)及所述燃烧室，以能够为其提供氧气。
6.根据权利要求1所述的基于煤化工耦合焦化、可再生能源制备合成气的系统，其特征在于，所述电解水制氢系统还包括储电单元(11)，所述储电单元(11)一端连接电网，另一端连接所述电解水制氢装置(10)以能够为所述电解水制氢装置(10)提供电能。
7.根据权利要求6所述的基于煤化工耦合焦化、可再生能源制备合成气的系统，其特征在于，所述电解水制氢系统还包括可再生能源发电单元(12)，所述可再生能源发电单元(12)为所述电解水制氢装置(10)提供电能。
8.根据权利要求7所述的基于煤化工耦合焦化、可再生能源制备合成气的系统，其特征在于，所述可再生能源发电单元(12)还连接所述储电单元(11)。
9.根据权利要求1所述的基于煤化工耦合焦化、可再生能源制备合成气的系统，其特征在于，还包括甲烷转化装置(6)，所述甲烷转化装置(6)的进气端连接所述净化分离装置(4)的甲烷排气口，所述甲烷转化装置(6)的排气端连接所述净化分离装置(4)的第二进气口。
10.根据权利要求1所述的基于煤化工耦合焦化、可再生能源制备合成气的系统，其特征在于，还包括干熄焦装置(3)、第一余热锅炉(8)及第二余热锅炉(9)，所述焦炉(1)的炭化室还连接所述干熄焦装置(3)，所述干熄焦装置(3)的排气口连接所述第二余热锅炉(9)的进气口，所述干熄焦装置(3)的进气口连接所述第二余热锅炉(9)的排气口，所述焦炉(1)的燃烧室的排气口连接所述第一余热锅炉(8)的进气口，所述第一余热锅炉(8)与所述第二余热锅炉(9)经过热交换产出的热量为所述系统供能。
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