CN209144088U - 一种集成燃料电池发电的煤基多联产系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供的一种集成燃料电池发电的煤基多联产系统，包括备煤单元、气化炉、合成气冷却器、第一循环气压缩机、第一气气加热器、脱硫处理单元、甲醇合成单元、分离器、引射器、燃料电池、阴极空气压缩机、阴极回热器、余热锅炉、汽轮机和纯氧燃烧器；该系统的燃料电池利用化工合成过程的富H2驰放气为燃料，用以提高全系统的能量利用效率，并可保证设备可靠性，同时，满足煤基发电系统电力深度调峰的需求捕集了部分CO2，可大幅降低煤基发电过程的CO2排放强度。
Description
技术领域
本实用新型属于洁净煤发电技术领域，具体涉及一种燃料电池发电与煤基多联产系统。
背景技术
煤基多联产系统是指利用从单一的煤气化设备中产生的合成气主要成分为CO+H2，来进行跨行业、跨部门的生产，以得到多种具有高附加值的化工产品、液体燃料甲醇、F－T合成燃料、二甲醇、城市煤气、氢气，以及用于工艺过程的热和进行发电等。
但在利用合成气生产化工产品、液体燃料的合成过程，会产生大量的驰放气。驰放气是化工生产中，不参与反应的气体或因品位过低不能利用，在化工设备或管道中积聚而产生的气体。由于驰放气影响设备的传热效果、影响反应速度和进度、降低生产效率等，驰放气必须定期排放。驰放气并不一定是完全没用的，为降低生产成本，应尽量使各种能量和物料完全利用。一种利用途径是经压缩加压或升温后可以继续循环利用，另一种是直接在另外的工序中利用其可利用的成分，如燃烧。
对于甲醇合成过程，驰放气中含有纯度较高的H2气体，这部分驰放气经过压缩加压后循环利用，会大幅增加压缩电耗，降低合成单元的合成效率。这部分驰放气通常用在锅炉中燃烧或在富氢燃气轮机中燃烧。但也存在两方面问题，一方面由于驰放气较高的H2含量，对于锅炉、燃气轮机设备要求高；另一方面驰放气直接燃烧后能量利用效率较低。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种集成燃料电池发电的煤基多联产系统及方法,解决了现有的驰放气利用效率较低的问题。
为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：
本实用新型提供的一种集成燃料电池发电的煤基多联产系统，包括备煤单元、气化炉、合成气冷却器、第一循环气压缩机、第一气气加热器、脱硫处理单元、甲醇合成单元、分离器、引射器、燃料电池、阴极空气压缩机、阴极回热器、余热锅炉、汽轮机和纯氧燃烧器，其中，备煤单元的干煤粉出口连接气化炉的入口，气化炉顶部的高温粗合成气出口和第一循环压缩机的出口均连接合成气冷却器的入口，合成气冷却器的合成气出口分为两路，一路连接第一循环压缩机的入口；另一路连接第一气气加热器的热侧入口，第一气气加热器的热侧出口经过脱硫处理单元连接甲醇合成单元的入口，甲醇合成单元的出口连接分离器的入口，分离器顶部的驰放气出口连接第一气气加热器的冷侧入口，第一气气加热器的冷侧出口连接引射器的入口，引射器的出口连接燃料电池的阳极入口，燃料电池的阳极出口连接纯氧燃烧器的入口，纯氧燃烧器的尾气出口连接余热锅炉的入口，余热锅炉上设置有排气口；
阴极空气压缩机的出口连接阴极回热器的冷侧入口，阴极回热器的冷侧出口连接燃料电池的阴极入口，燃料电池的阴极出口连接阴极回热器的热侧入口，阴极回热器的热侧出口连接余热锅炉的入口；
合成气冷却器的饱和蒸汽出口连接余热锅炉的入口，余热锅炉的过热蒸汽出口连接汽轮机的入口，汽轮机的中压蒸汽出口连接气化炉的入口。
优选地，合成气冷却器的粗合成气出口连接有除尘单元，除尘单元的出口分为两路，一路连接第一循环气压缩机的入口，另一路连接第一气气加热器的入口。
优选地，脱硫处理单元包括水洗塔、第二气气加热器、耐硫水汽变换反应器、低温余热回收单元、第二合成气冷却器和硫碳共脱单元，其中，第一气气加热器的热侧出口连接水洗塔的入口，水洗塔的出口连接第二气气加热器的冷侧入口，第二气气加热器的冷侧出口连接耐硫水汽变换反应器的入口，耐硫水汽变换反应器的出口连接第二气气加热器的热侧入口，第二气气加热器的热侧出口连接低温余热回收单元的入口，低温余热回收单元的出口连接第二合成气冷却器的入口，第二合成气冷却器的出口连接硫碳共脱单元的入口，硫碳共脱单元的洁净合成气出口连接甲醇合成单元的入口。
优选地，硫碳共脱单元上设置有废气出口，所述废气出口连接有CO2压缩与液化单元与硫回收单元。
优选地，脱硫处理单元的出口和甲醇合成单元的入口之间设置有第二循环气压缩机和第三气气加热器，其中，脱硫处理单元的出口连接第二循环气压缩机的入口，第二循环气压缩机的出口经过第三气气加热器的冷端连接甲醇合成单元的入口。
优选地，甲醇合成单元的出口和分离器之间设置有余热过锅炉和第三合成气冷却器，其中，甲醇合成单元的出口连接第三气气加热器的热侧入口，第三气气加热器的热侧出口连接余热过锅炉的入口，余热过锅炉的出口连接第三合成气冷却器的入口，第三合成气冷却器的出口连接分离器的入口。
优选地，分离器的底部出口连接有精馏塔，精馏塔的底部设置有甲醇产品出口，其顶部设置有酸气出口。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
本实用新型提供的一种集成燃料电池发电的煤基多联产系统，燃料电池利用化工合成过程的富H2驰放气为燃料，用以提高全系统的能量利用效率，并可保证设备可靠性，提供结合燃料电池发电灵活可调的优势，可适应多联产系统负荷变化所引起的发电负荷深度变化，同时，满足煤基发电系统电力深度调峰的需求捕集了部分CO2，可大幅降低煤基发电过程的CO2排放强度。
附图说明
图1是本实用新型涉及的发电系统的结构示意图；
其中，1、备煤单元 2、气化炉 3、第一合成气冷却器 4、除尘单元 5、第一循环气压缩机 6、第一气气加热器 7、水洗塔 8、第二气气加热器 9、耐硫水汽变换反应器 10、低温余热回收单元 11、第二合成气冷却器 12、硫碳共脱单元 13、CO2压缩与液化单元 14、硫回收单元 15、第二循环气压缩机 16、第三气气加热器 17、甲醇合成单元 18、余热过锅炉19、第三合成气冷却器 20、分离器 21、精馏塔 22、引射器 23、燃料电池 24、纯氧燃烧器25、阴极空气压缩机 26、阴极回热器 27、余热锅炉 28、汽轮机 29、深冷空分单元 30、氧压机 31、氮压机。
具体实施方式
下面结合附图，对本实用新型进一步详细说明。
如图1所示，本实用新型提供的一种集成燃料电池发电的煤基多联产系统，包括备煤单元1、气化炉2、第一合成气冷却器3、除尘单元4、第一循环气压缩机5、第一气气加热器6、水洗塔7、第二气气加热器8、耐硫水汽变换反应器9、低温余热回收单元10、第二合成气冷却器11、硫碳共脱单元12、CO2压缩与液化单元13、硫回收单元14、第一循环气压缩机15、第三气气加热器16、甲醇合成单元17、余热过锅炉18、第三合成气冷却器19、分离器20、分离器21、引射器22、燃料电池23、纯氧燃烧器24、阴极空气压缩机25、阴极回热器26、余热锅炉27、汽轮机28、深冷空分单元29、氧压机30和氮压机31，其中，备煤单元1的干煤粉出口连接气化炉2的入口，气化炉2的底部设置有炉渣出口，气化炉2顶部的高温粗合成气出口连接第一合成气冷却器3的入口，第一合成气冷却器3的饱和蒸汽出口连接余热锅炉23的入口；第一合成气冷却器3的粗合成气出口连接除尘单元4的入口，除尘单元4的出口分为两路，一路连接第一循环气压缩机5的入口，第一循环气压缩机5的出口连接第一合成气冷却器3的入口；另一路连接第一气气加热器6的热侧入口，第一气气加热器6的热侧出口经过水洗塔7连接第二气气加热器8的冷侧入口，第二气气加热器8的冷侧出口经过耐硫水汽变换反应器9连接第二气气加热器8的热侧入口，第二气气加热器8的热侧出口经过低温余热回收单元10连接第二合成气冷却器11的入口，第二合成气冷却器11的出口连接硫碳共脱单元12的入口，硫碳共脱单元12的洁净合成气出口连接第二循环气压缩机15对的入口，第二循环气压缩机15的出口连接第三气气加热器16的冷侧入口，第三气气加热器16的冷侧出口经过甲醇合成单元17连接第三气气加热器16的热侧入口，第三气气加热器16的热侧出口经过余热过锅炉18连接第三合成气冷却器19的入口；
硫碳共脱单元12上的CO2出口连接CO2压缩与液化单元13，硫出口连接硫回收单元14；
第三合成气冷却器19的产品出口连接分离器20的入口，分离器20的底部设置有液态甲醇出口，液态甲醇出口连接精馏塔21的入口，精馏塔21的底部设置有甲醇产品出口，精馏塔21的顶部设置有酸气出口；
分离器20的顶部驰放气出口连接第一气气加热器6的冷侧入口，第一气气加热器6的冷侧出口连接引射器22的入口，引射燃料电池23的阳极出口的部分尾气，引射器22的合成气出口连接燃料电池23的阳极入口；
燃料电池23的阳极出口连接纯氧燃烧器24的入口，纯氧燃烧器24的燃烧尾气出口连接入预热锅炉27的入口，余热锅炉27上设置有空气排气口；
阴极空气压缩机25的出口连接阴极回热器26的冷侧入口，阴极回热器26的冷侧出口连接燃料电池23的阴极入口，燃料电池23的阴极出口连接阴极回热器26的热侧入口，阴极回热器26的热侧出口连接余热锅炉27的入口；
深冷空分单元29的氧气出口连接氧压机30的入口，氮气出口连接氮压机31的入口；氧压机30的出口分为两路，一路连接气化炉2的氧气入口，另一路连接纯氧燃烧器24的入口；氮压机31的出口连接气化炉2的入口。
余热锅炉27的过热蒸汽出口连接汽轮机28的入口，汽轮机28的中部部分蒸汽出口连接气化炉2的入口。
该系统流程为：
原煤在备煤单元1中磨煤、干燥后形成干煤粉，由氮气压缩机31出口的高压氮气输送至气化炉2，氧压机30出口的部分纯氧与少量汽轮机28中部抽取的中压蒸汽同时送入气化炉2反应，气化炉2炉底产生炉渣，顶部产生的高温粗合成气与第一循环气压缩机5出口的低温合成气混合激冷后，送入合成气冷却器3；合成气冷却器3产生饱和蒸汽送入余热锅炉27中进一步加热，经过废热锅炉回收余热后的粗合成气送入除尘单元4，经过降温除尘后的一部分合成气循环至第一循环气压缩机5入口，另一部分合成气进入第一气气加热器6热侧入口，降温后送入水洗塔7。
水洗塔7出口合成气送入第二气气加热器8冷侧入口，升温后送入耐硫水汽变换反应器9，随后进入第二气气加热器8热侧入口，合成气经过降温后，进入低温余热回收单元10，随后进入第二合成气冷却器11，将合成气降低至脱硫脱碳过程所需的温度后，进入硫碳共脱单元12，硫碳共脱单元12单元产生的洁净合成气送入第二循环气压缩机15加压后送入第三气气加热器16冷侧入口，升温后送入甲醇合成单元17，经过合成反应后，送入第三气气加热器16热侧入口，再进入余热过锅炉18，随后进入第三合成气冷却器19。硫碳共脱单元12单元脱除的废气分别进入CO2压缩与液化单元13与硫回收单元14，分别形成液态CO2与硫磺产品。第三合成气冷却器19出口的产品气送入分离器20，分离器20底部出口的液态甲醇送入精馏塔21，精馏塔21底部出口为甲醇产品，精馏塔21顶部出口为酸气。
分离器20顶部出口的驰放气进入第一气气加热器6冷侧入口，随后送入引射器22，引射燃料电池23阳极出口的部分尾气，引射器22出口的合成气进入燃料电池23阳极，进行反应，输出电力。
燃料电池23阳极出口的其余尾气进入纯氧燃烧器24与氧压机30出口的部分纯氧进行催化燃烧反应，产生燃烧尾气，其主要成分为水蒸气与二氧化碳，送入余热锅炉27，回收余热后排入大气。
一股空气经过阴极空气压缩机25加压后，送入阴极回热器26冷侧入口，冷侧出口的高温空气送入燃料电池23阴极入口，在燃料电池23中进行反应后送入阴极回热器26热侧入口，降温后送入余热锅炉27，回收余热后排入大气。
一股空气送入深冷空分单元29，深冷空分单元29产生的污氮排入大气，产生高纯度氧气送入氧压机30入口，产生高纯度氮气送入氮压机31。
该系统发出的电能由燃料电池23与汽轮机28产生，产品包含甲醇、硫磺、液态CO2。
Claims (7)
1.一种集成燃料电池发电的煤基多联产系统，其特征在于，包括备煤单元(1)、气化炉(2)、合成气冷却器(3)、第一循环气压缩机(5)、第一气气加热器(6)、脱硫处理单元、甲醇合成单元(17)、降温单元、分离器(20)、引射器(22)、燃料电池(23)、阴极空气压缩机(25)、阴极回热器(26)、余热锅炉(27)、汽轮机(28)和纯氧燃烧器(24)，其中，备煤单元(1)的干煤粉出口连接气化炉(2)的入口，气化炉(2)顶部的高温粗合成气出口和第一循环气压缩机(5)的出口均连接合成气冷却器(3)的入口，合成气冷却器(3)的合成气出口分为两路，一路连接第一循环气压缩机(5)的入口；另一路连接第一气气加热器(6)的热侧入口，第一气气加热器(6)的热侧出口经过脱硫处理单元连接甲醇合成单元(17)的入口，甲醇合成单元(17)的出口经过降温单元连接分离器(20)的入口，分离器(20)顶部的驰放气出口连接第一气气加热器(6)的冷侧入口，第一气气加热器(6)的冷侧出口连接引射器(22)的入口，引射器(22)的出口连接燃料电池(23)的阳极入口，燃料电池(23)的阳极出口连接纯氧燃烧器(24)的入口，纯氧燃烧器(24)的尾气出口连接余热锅炉(27)的入口，余热锅炉(27)上设置有排气口；
阴极空气压缩机(25)的出口连接阴极回热器(26)的冷侧入口，阴极回热器(26)的冷侧出口连接燃料电池(23)的阴极入口，燃料电池(23)的阴极出口连接阴极回热器(26)的热侧入口，阴极回热器(26)的热侧出口连接余热锅炉(27)的入口；
合成气冷却器(3)的饱和蒸汽出口连接余热锅炉(27)的入口，余热锅炉(27)的过热蒸汽出口连接汽轮机(28)的入口，汽轮机(28)的中压蒸汽出口连接气化炉(2)的入口。
2.根据权利要求1所述的一种集成燃料电池发电的煤基多联产系统，其特征在于，合成气冷却器(3)的粗合成气出口连接有除尘单元(4)，除尘单元(4)的出口分为两路，一路连接第一循环气压缩机(5)的入口，另一路连接第一气气加热器(6)的入口。
3.根据权利要求1所述的一种集成燃料电池发电的煤基多联产系统，其特征在于，脱硫处理单元包括水洗塔(7)、第二气气加热器(8)、耐硫水汽变换反应器(9)、低温余热回收单元(10)、第二合成气冷却器(11)和硫碳共脱单元(12)，其中，第一气气加热器(6)的热侧出口连接水洗塔(7)的入口，水洗塔(7)的出口连接第二气气加热器(8)的冷侧入口，第二气气加热器(8)的冷侧出口连接耐硫水汽变换反应器(9)的入口，耐硫水汽变换反应器(9)的出口连接第二气气加热器(8)的热侧入口，第二气气加热器(8)的热侧出口连接低温余热回收单元(10)的入口，低温余热回收单元(10)的出口连接第二合成气冷却器(11)的入口，第二合成气冷却器(11)的出口连接硫碳共脱单元(12)的入口，硫碳共脱单元(12)的洁净合成气出口连接甲醇合成单元(17)的入口。
4.根据权利要求3所述的一种集成燃料电池发电的煤基多联产系统，其特征在于，硫碳共脱单元(12)上设置有废气出口，所述废气出口连接有CO2压缩与液化单元(13)与硫回收单元(14)。
5.根据权利要求1所述的一种集成燃料电池发电的煤基多联产系统，其特征在于，脱硫处理单元的出口和甲醇合成单元(17)的入口之间设置有第二循环气压缩机(15)和第三气气加热器(16)，其中，脱硫处理单元的出口连接第二循环气压缩机(15)的入口，第二循环气压缩机(15)的出口经过第三气气加热器(16)的冷端连接甲醇合成单元(17)的入口。
6.根据权利要求5所述的一种集成燃料电池发电的煤基多联产系统，其特征在于，甲醇合成单元(17)的出口和分离器(20)之间设置有余热过锅炉(18)和第三合成气冷却器(19)，其中，甲醇合成单元(17)的出口连接第三气气加热器(16)的热侧入口，第三气气加热器(16)的热侧出口连接余热过锅炉(18)的入口，余热过锅炉(18)的出口连接第三合成气冷却器(19)的入口，第三合成气冷却器(19)的出口连接分离器(20)的入口。
7.根据权利要求1所述的一种集成燃料电池发电的煤基多联产系统，其特征在于，分离器(20)的底部出口连接有精馏塔(21)，精馏塔(21)的底部设置有甲醇产品出口，其顶部设置有酸气出口。
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