CN212357095U - 一种火电厂可再生能源合成甲醇系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种火电厂可再生能源合成甲醇系统，包括：烟气二氧化碳捕集单元，主要是通过吸收液吸收火电厂排放烟气中的二氧化碳，并通过解吸附过程获取高纯度二氧化碳；火电厂回热单元，主要为烟气二氧化碳捕集单元的吸收液再生提供热量；可再生能源制氢单元，采用可再生能源生产的电力实现电解水制取氢气；甲醇合成单元，用于将烟气二氧化碳捕集单元获取的高纯度二氧化碳与可再生能源制氢单元制得的氢气合成为甲醇。本实用新型实现了火电厂的烟气脱碳并避免了大规模的二氧化碳压缩、储运难题，采用可再生能源制氢避免了弃风弃电，二氧化碳和氢气合成甲醇则实现了再次资源化，有利于减少石油依赖并减少社会二氧化碳排放总量。

Description

一种火电厂可再生能源合成甲醇系统

技术领域

本实用新型涉及能源利用的技术领域，尤其是指一种火电厂可再生能源合成甲醇系统。

背景技术

火电厂是我国重要的电力生产场所，每年贡献了70％以上的发电量。在生产电力的同时，化石燃料的燃烧了产生了大量的二氧化碳，加速了全球变暖的进程，对全球生态环境带来了显著的影响。

为了减少二氧化碳的排放，业内开展的广泛的二氧化碳捕集(CCS)研究和实践，其中，燃烧后的烟气二氧化碳捕集是一种成熟的、可推广的工程技术，并在发电集团得到了示范应用。但是，工业、食品等行业对高纯度二氧化碳的需求量有限，大量的二氧化碳捕集带来了二氧化碳消纳的问题。二氧化碳直接压缩、存储会带来面临总体成本上升和远期的二氧化碳泄露、释放风险，如何将其再次资源化是需要解决的问题。

另一方面，为了优化能源结构并提升单位产出效益，燃煤电厂利用丰富的空闲屋顶、场地开展了光伏、风电等新能源发电工程实践。由于可再生能源，尤其是风能的波动性比较大，电能质量较差，整体经济性不够理想，导致在实际运行中弃风弃光现象的产生，从而影响了整体投资的经济性。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种安全可靠的火电厂可再生能源合成甲醇系统，该系统利用燃烧后烟气二氧化碳富集技术实现二氧化碳捕集，利用可再生能源电力制氢生产高品质氢气，并进一步利用二氧化碳和氢气合成甲醇。该系统一方面实现了烟气脱碳，并避免了海量二氧化碳的储存和运输问题，另一方面采用可再生清洁能源制氢避免了弃风弃光，并且通过二氧化碳和氢气合成甲醇则可以规模化生产甲醇用作燃油替代，降低对石油资源的依赖。

为实现上述目的，本实用新型所提供的技术方案为：一种火电厂可再生能源合成甲醇系统，包括：

烟气二氧化碳捕集单元，主要是通过吸收液吸收火电厂排放烟气中的二氧化碳，并通过解吸附过程获取高纯度二氧化碳；

火电厂回热单元，主要为烟气二氧化碳捕集单元的吸收液再生提供热量；

可再生能源制氢单元，采用可再生能源生产的电力实现电解水制取氢气；

甲醇合成单元，用于将烟气二氧化碳捕集单元获取的高纯度二氧化碳与可再生能源制氢单元制得的氢气合成为甲醇；

其中，所述火电厂回热单元连接烟气二氧化碳捕集单元，为烟气二氧化碳捕集单元提供热量，所述烟气二氧化碳捕集单元连接甲醇合成单元，为甲醇合成单元输送高纯度二氧化碳，所述可再生能源制氢单元连接甲醇合成单元，为甲醇合成单元输送氢气。

进一步，所述烟气二氧化碳捕集单元包括烟气输送冷却模块、吸收模块、热交换模块、再生模块、烟气清洗模块、二氧化碳提纯模块；所述烟气输送冷却模块与吸收模块相连，火电厂排放的烟气经过脱硫脱硝除尘操作后，在烟气输送冷却模块中冷却并加压输送至吸收模块，由吸收模块的吸收液吸收烟气中的二氧化碳得到二氧化碳富液，所述吸收模块分别与热交换模块和烟气清洗模块相连，被吸收后的烟气最终经烟气清洗模块回收烟气中的热量、吸收液成分和水分后排向大气，所述热交换模块与再生模块相连，所述吸收模块出来的富液加压输送到热交换模块，并与从再生模块出来的贫液热交换后，送往再生模块，在再生模块中完成二氧化碳解吸附，即富液中的二氧化碳被解吸附，使富液变回贫液，并在再生模块中形成有高浓度二氧化碳，而解吸附后的贫液再经热交换模块送回吸收模块循环利用，所述再生模块与二氧化碳提纯模块相连，所述二氧化碳提纯模块与甲醇合成单元相连，所述再生模块提取的高浓度二氧化碳最后经二氧化碳提纯模块进行分离提纯后直接送往甲醇合成单元；其中，所述贫液和富液是相对于吸收液中二氧化碳的含量而言，在吸收二氧化碳之后，吸收液变成二氧化碳富液，在释放二氧化碳之后，重新变成贫液。

进一步，所述火电厂回热单元包括汽轮机中压缸、蒸汽管道及若干回热加热器；其中，所述汽轮机中压缸与烟气二氧化碳捕集单元中的再生模块相连，该汽轮机中压缸抽取蒸汽管道的蒸汽，为再生模块提供热量，而释放热量后的蒸汽形成的热水再回送到某一级回热加热器，重新参与回热循环。

进一步，所述可再生能源制氢单元包括可再生能源发电模块、升压变模块、厂用电母线、电解制氢模块和氢气压缩存储模块；所述可再生能源发电模块通过升压变模块与厂用电母线相连，该可再生能源发电模块输出的电力经过升压变模块升压后并入厂用电母线，所述厂用电母线与电解制氢模块相连，由厂用电母线为电解制氢模块供电，使该电解制氢模块能够从水中电解制取氢气和氧气，所述电解制氢模块和氢气压缩存储模块相连，该电解制氢模块制得的氢气送往氢气压缩存储模块中进行压缩保存，所述氢气压缩存储模块与甲醇合成单元相连，能够为甲醇合成单元提供氢气。

进一步，所述可再生能源发电模块为光伏发电模块或风力发电模块，或光伏发电模块与风力发电模块的组合。

进一步，所述电解制氢模块为碱水电解制氢模块、纯水电解制氢模块或质子交换膜电解制氢模块。

进一步，所述甲醇合成单元包括反应模块、精馏模块和储存模块；其中，所述反应模块与烟气二氧化碳捕集单元中的二氧化碳提纯模块相连，由该二氧化碳提纯模块为反应模块提供高浓度二氧化碳，所述反应模块与可再生能源制氢单元中的氢气压缩存储模块相连，由该氢气压缩存储模块为反应模块提供氢气，二氧化碳和氢气会在反应模块内反应合成粗甲醇，所述反应模块与精馏模块相连，经反应模块合成的粗甲醇会送往精馏模块中进行提炼形成高纯度精甲醇，所述精馏模块与储存模块相连，该精馏模块提炼的高纯度精甲醇会送往储存模块中储存。

进一步，所述反应模块包括第一反应器、第二反应器和分离器；其中，所述第一反应器分别与二氧化碳提纯模块和氢气压缩存储模块相连，在该第一反应器中反应生成甲醇、水和一氧化碳，所述第一反应器与分离器相连，所述分离器与第二反应器相连，所述第一反应器反应后的产物送往分离器中进行分离，将液态水和甲醇分离，而气态的一氧化碳、二氧化碳、氢气会送入第二反应器中反应生成粗甲醇和水。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、通过火电厂烟气的二氧化碳捕集，减少了发电过程的二氧化碳排放，有助于整体二氧化碳减排目标的实现。

2、利用火电厂周边分布的可再生能源发电制氢，实现间歇性电力向氢能的转化，避免弃风弃光。

3、利用捕集的二氧化碳和电解生成的氢气，进一步合成甲醇，避免了海量二氧化碳的运输和储存问题。

4、合成的甲醇可以作为汽车燃料和工业原料，实现燃油替代，从而降低了石油资源消耗和二氧化碳社会排放总量。

总之，本实用新型实现了火电厂的烟气脱碳并避免了大规模的二氧化碳压缩、储运难题，采用可再生能源制氢避免了弃风弃电，二氧化碳和氢气合成甲醇则实现了再次资源化，可用于替代工业原料和汽车燃料，有利于减少石油依赖并减少社会二氧化碳排放总量，具有广泛的应用前景，实际应用价值，值得推广。

附图说明

图1为火电厂可再生能源合成甲醇系统示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，本实施例所提供的火电厂可再生能源合成甲醇系统，包括：

烟气二氧化碳捕集单元1，主要是通过吸收液吸收火电厂排放烟气中的二氧化碳，并通过解吸附过程获取高纯度二氧化碳；

火电厂回热单元2，主要为烟气二氧化碳捕集单元1的吸收液再生提供热量；

可再生能源制氢单元3，采用可再生能源生产的电力实现电解水制取氢气；

甲醇合成单元4，用于将烟气二氧化碳捕集单元1获取的高纯度二氧化碳与可再生能源制氢单元3制得的氢气合成为甲醇。

所述烟气二氧化碳捕集单元1包括烟气输送冷却模块11、吸收模块12、热交换模块13、再生模块14、烟气清洗模块15、二氧化碳提纯模块16；所述烟气输送冷却模块11与吸收模块12相连，火电厂排放的烟气经过脱硫脱硝除尘等操作后，在烟气输送冷却模块11中冷却(40℃左右)并加压输送至吸收模块12，由吸收模块12的吸收液吸收烟气中的二氧化碳得到二氧化碳富液，所述吸收模块12分别与热交换模块13和烟气清洗模块15相连，被吸收后的烟气最终经烟气清洗模块15回收烟气中的热量、吸收液成分和水分后排向大气，所述热交换模块13与再生模块14相连，所述吸收模块12出来的富液加压输送到热交换模块13，并与从再生模块14出来的贫液热交换后，送往再生模块14，在再生模块14中完成二氧化碳解吸附，即富液中的二氧化碳被解吸附，使富液变回贫液，并在再生模块14中形成有高浓度二氧化碳，而解吸附后的贫液再经热交换模块13送回吸收模块12循环利用，所述再生模块14与二氧化碳提纯模块16相连，所述二氧化碳提纯模块16与甲醇合成单元4相连，所述再生模块14提取的高浓度二氧化碳最后经二氧化碳提纯模块16进行分离提纯后直接送往甲醇合成单元4；其中，所述贫液和富液是相对于吸收液中二氧化碳的含量而言，在吸收二氧化碳之后，吸收液变成二氧化碳富液，在释放二氧化碳之后，重新变成贫液。

所述烟气二氧化碳捕集单元1的优选实施例中，采用醇胺化学吸收法进行二氧化碳的捕集。优选的吸收剂是单乙醇胺(MEA)。

可选的，可以在烟气二氧化碳捕集单元1中增加二氧化碳压缩和储存模块，再由该模块向甲醇合成单元4供应二氧化碳。

所述火电厂回热单元2包括汽轮机中压缸21、蒸汽管道及若干回热加热器；其中，所述汽轮机中压缸21与烟气二氧化碳捕集单元1中的再生模块14相连，该汽轮机中压缸21抽取蒸汽管道的蒸汽送往再生模块14，为再生模块14提供热量，而释放热量后的蒸汽形成的热水再回送到某一级回热加热器(如图中的除氧器20，该除氧器20是一种混合式回热加热器)，重新参与回热循环。

所述可再生能源制氢单元3包括可再生能源发电模块31、升压变模块32、厂用电母线33、电解制氢模块34和氢气压缩存储模块35；所述可再生能源发电模块可以是光伏发电模块、风力发电模块或光伏发电模块和风力发电模块的组合，其通过升压变模块32与厂用电母线33相连，该可再生能源发电模块31输出的电力经过升压变模块32升压为6kV后并入厂用电母线33，所述厂用电母线33与电解制氢模块34相连，由厂用电母线33为电解制氢模块34供电，使该电解制氢模块34能够从水中电解制取氢气和氧气，所述电解制氢模块34和氢气压缩存储模块35相连，该电解制氢模块34制得的氢气送往氢气压缩存储模块35中进行压缩保存，所述氢气压缩存储模块35与甲醇合成单元4相连，为甲醇合成单元4提供氢气。

可选的，所述电解制氢模块34可以采用碱水电解法制氢、纯水电解法制氢、质子交换膜法电解制氢。

可选的，所述电解制氢模块34中还可以设置提纯模块，实现对粗氢气产品的纯化。

可选的，所述氢气压缩存储模块35中可以采用液氢、有机载体方式储存氢气。

所述甲醇合成单元4包括反应模块、精馏模块42和储存模块43；所述反应模块包括第一反应器411、第二反应器412和分离器413，所述第一反应器411分别与二氧化碳提纯模块16和氢气压缩存储模块35相连，在该第一反应器411中反应生成甲醇、水和一氧化碳，所述第一反应器411与分离器413相连，所述分离器413与第二反应器412相连，所述第一反应器411反应后的产物送往分离器413中进行分离，将液态水和甲醇分离，而气态的一氧化碳、二氧化碳、氢气则会送入第二反应器412中反应生成粗甲醇和水；所述第二反应器412与精馏模块42相连，经反应模块合成的粗甲醇会送往精馏模块42中经过提纯和精馏去除粗甲醇产品中的水分和其它物质，形成高纯度精甲醇，所述精馏模块42与储存模块43相连，该精馏模块42提炼的高纯度精甲醇最终会送往储存模块43中储存。

综上所述，本实用新型系统实现了火电厂的烟气脱碳并避免了大规模的二氧化碳压缩、储运难题，采用可再生能源制氢避免了弃风弃电，二氧化碳和氢气合成甲醇则实现了再次资源化，可用于替代工业原料和汽车燃料，有利于减少石油依赖并减少社会二氧化碳排放总量，具有广泛的应用前景，实际应用价值，值得推广。

以上所述实施例只为本实用新型之较佳实施例，并非以此限制本实用新型的实施范围，故凡依本实用新型之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本实用新型的保护范围内。其中，典型的变化形式包括：烟气二氧化碳捕集单元增加二氧化碳压缩、储存模块，烟气二氧化碳捕集单元采用其它醇胺或氨作为吸收剂，烟气二氧化碳捕集单元增加补水补药和回收胺液模块，烟气二氧化碳捕集单元增加胺液过滤模块，采用光伏发电提供电解制氢所需的电力，采用风光互补的方式为电解制氢提供电力，采用其它电压等级的母线以及增加相应的升压和降压设备为电解制氢供电，采取可再生能源独立母线提供制氢所需电力，采用一步合成法实现二氧化碳和氢气直接制取甲醇，氢气储罐分高中低两级或三级压力存储，氢气储存采用液氢储罐模块，氢气储存采用有机载体储氢方式，合成的甲醇采用管道对外输送，为系统增加必要的有控制通信功能的模块和计算机系统。上述变化形式引起的工艺流程变化也在本专利的保护范围之内。在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (8)

1.一种火电厂可再生能源合成甲醇系统，其特征在于，包括：

烟气二氧化碳捕集单元，主要是通过吸收液吸收火电厂排放烟气中的二氧化碳，并通过解吸附过程获取高纯度二氧化碳；

火电厂回热单元，主要为烟气二氧化碳捕集单元的吸收液再生提供热量；

可再生能源制氢单元，采用可再生能源生产的电力实现电解水制取氢气；

甲醇合成单元，用于将烟气二氧化碳捕集单元获取的高纯度二氧化碳与可再生能源制氢单元制得的氢气合成为甲醇；

其中，所述火电厂回热单元连接烟气二氧化碳捕集单元，为烟气二氧化碳捕集单元提供热量，所述烟气二氧化碳捕集单元连接甲醇合成单元，为甲醇合成单元输送高纯度二氧化碳，所述可再生能源制氢单元连接甲醇合成单元，为甲醇合成单元输送氢气。

2.根据权利要求1所述的一种火电厂可再生能源合成甲醇系统，其特征在于：所述烟气二氧化碳捕集单元包括烟气输送冷却模块、吸收模块、热交换模块、再生模块、烟气清洗模块、二氧化碳提纯模块；所述烟气输送冷却模块与吸收模块相连，火电厂排放的烟气经过脱硫脱硝除尘操作后，在烟气输送冷却模块中冷却并加压输送至吸收模块，由吸收模块的吸收液吸收烟气中的二氧化碳得到二氧化碳富液，所述吸收模块分别与热交换模块和烟气清洗模块相连，被吸收后的烟气最终经烟气清洗模块回收烟气中的热量、吸收液成分和水分后排向大气，所述热交换模块与再生模块相连，所述吸收模块出来的富液加压输送到热交换模块，并与从再生模块出来的贫液热交换后，送往再生模块，在再生模块中完成二氧化碳解吸附，即富液中的二氧化碳被解吸附，使富液变回贫液，并在再生模块中形成有高浓度二氧化碳，而解吸附后的贫液再经热交换模块送回吸收模块循环利用，所述再生模块与二氧化碳提纯模块相连，所述二氧化碳提纯模块与甲醇合成单元相连，所述再生模块提取的高浓度二氧化碳最后经二氧化碳提纯模块进行分离提纯后直接送往甲醇合成单元；其中，所述贫液和富液是相对于吸收液中二氧化碳的含量而言，在吸收二氧化碳之后，吸收液变成二氧化碳富液，在释放二氧化碳之后，重新变成贫液。

3.根据权利要求1所述的一种火电厂可再生能源合成甲醇系统，其特征在于：所述火电厂回热单元包括汽轮机中压缸、蒸汽管道及若干回热加热器；其中，所述汽轮机中压缸与烟气二氧化碳捕集单元中的再生模块相连，该汽轮机中压缸抽取蒸汽管道的蒸汽，为再生模块提供热量，而释放热量后的蒸汽形成的热水再回送到某一级回热加热器，重新参与回热循环。

4.根据权利要求1所述的一种火电厂可再生能源合成甲醇系统，其特征在于：所述可再生能源制氢单元包括可再生能源发电模块、升压变模块、厂用电母线、电解制氢模块和氢气压缩存储模块；所述可再生能源发电模块通过升压变模块与厂用电母线相连，该可再生能源发电模块输出的电力经过升压变模块升压后并入厂用电母线，所述厂用电母线与电解制氢模块相连，由厂用电母线为电解制氢模块供电，使该电解制氢模块能够从水中电解制取氢气和氧气，所述电解制氢模块和氢气压缩存储模块相连，该电解制氢模块制得的氢气送往氢气压缩存储模块中进行压缩保存，所述氢气压缩存储模块与甲醇合成单元相连，能够为甲醇合成单元提供氢气。

5.根据权利要求4所述的一种火电厂可再生能源合成甲醇系统，其特征在于：所述可再生能源发电模块为光伏发电模块或风力发电模块，或光伏发电模块与风力发电模块的组合。

6.根据权利要求4所述的一种火电厂可再生能源合成甲醇系统，其特征在于：所述电解制氢模块为碱水电解制氢模块、纯水电解制氢模块或质子交换膜电解制氢模块。

7.根据权利要求1所述的一种火电厂可再生能源合成甲醇系统，其特征在于：所述甲醇合成单元包括反应模块、精馏模块和储存模块；其中，所述反应模块与烟气二氧化碳捕集单元中的二氧化碳提纯模块相连，由该二氧化碳提纯模块为反应模块提供高浓度二氧化碳，所述反应模块与可再生能源制氢单元中的氢气压缩存储模块相连，由该氢气压缩存储模块为反应模块提供氢气，二氧化碳和氢气会在反应模块内反应合成粗甲醇，所述反应模块与精馏模块相连，经反应模块合成的粗甲醇会送往精馏模块中进行提炼形成高纯度精甲醇，所述精馏模块与储存模块相连，该精馏模块提炼的高纯度精甲醇会送往储存模块中储存。

8.根据权利要求7所述的一种火电厂可再生能源合成甲醇系统，其特征在于：所述反应模块包括第一反应器、第二反应器和分离器；其中，所述第一反应器分别与二氧化碳提纯模块和氢气压缩存储模块相连，在该第一反应器中反应生成甲醇、水和一氧化碳，所述第一反应器与分离器相连，所述分离器与第二反应器相连，所述第一反应器反应后的产物送往分离器中进行分离，将液态水和甲醇分离，而气态的一氧化碳、二氧化碳、氢气会送入第二反应器中反应生成粗甲醇和水。

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