CN214361723U - 一种igcc电站耦合电解制氢加氢系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种IGCC电站耦合电解制氢加氢系统，包括IGCC电站发电系统、送变电供电模块、氢气制取设备和氢气储罐。本实用新型IGCC电站耦合电解制氢加氢系统，利用氢气制取设备制取氢气，将该氢气直接通入IGCC发电系统中的煤气化工艺进行加氢反应，或者储存在氢气储罐中备用，加氢速度快，提高了煤热解气化的产气率，提升了合成气的品质。

Description

一种IGCC电站耦合电解制氢加氢系统
技术领域
本实用新型属于IGCC发电领域，具体涉及一种IGCC电站耦合电解制氢加氢系统。
背景技术
全球气候问题越来越引起人们的高度关注，以低能耗、低排放、低污染为特征的“低碳经济”成为全球政治经济博弈的热点。我国电力供应主要以煤电为主，为降低煤烟型污染，大力发展燃煤技术是提高煤炭使用效率、减少污染、经济可行的研究方向。IGCC发电技术既具有联合循环的高效率，又解决了燃煤发电带来的环境污染问题。
IGCC是把煤气化和燃气蒸汽联合循环系统有机集成的一种洁净煤发电技术。在IGCC系统中，煤碳经过气化变成中低热值煤气，经净化处理后，通过除掉煤气所含有的硫化物、氮化物、粉尘等杂质，变成干净的气体燃料，送入燃气轮机中，在燃烧室里进行燃烧，煤气燃烧后驱动燃气透平做功发电，利用高温排气在余热锅炉中产生的蒸汽驱动汽轮机做功发电。
自高温高压下煤的加氢甲烷化反应被Dent等所发现以来，煤的加氢甲烷化过程被广泛考察，以生产代用天然气为目的的煤加氢甲烷化技术迅速发展。近一个世纪以来，诸多学者在不同反应条件下及多种系统中，对多种含碳原料的加氢甲烷化反应进行了广泛研究。20世纪70—90年代是加氢甲烷化研究的黄金期，Hygas、Hydrane、BG-OG等几种典型煤加氢甲烷化工艺相继进行至中试阶段。
美国气体工艺研究所(IGT)开发的流化床4段加氢气化工艺(Hygas):第一段进行煤的干燥脱水，第二段进行煤的热解，第三段在高温(900～1000℃)高压(7MPa)下进行加氢气化反应，第四段则是半焦水蒸气气化以提供氢气。IGT于1972—1980年进行了75t/d的中试，不过由于加氢速度过慢和流化床固有的问题而无法继续运行，而且第四段的制氢工艺存在成本高、碳排放量高等问题。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种IGCC电站耦合电解制氢加氢系统，以解决现有技术中，加氢速度过慢的问题。
为实现上述目的，采用如下技术方案：
一种IGCC电站耦合电解制氢加氢系统，包括IGCC电站发电系统、送变电供电模块、氢气制取设备和氢气储罐；
所述IGCC电站发电系统包括煤炭预处理装置、气化炉、废热锅炉、除尘脱硫净化装置、燃气轮机、余热锅炉、燃气发电机和汽轮机发电机；
所述煤炭预处理装置连接所述气化炉，所述气化炉的粗煤气出口依次连通废热锅炉、除尘脱硫净化装置；除尘脱硫净化装置的出口连通燃气轮机的入口，燃气轮机用于带动燃气发电机发电；燃气轮机的尾气出口连通余热锅炉的入口，余热锅炉的高温高压蒸汽出口连接至汽轮机发电机；
所述燃气发电机和汽轮机发电机经发电机出线母线电性连接所述送变电供电模块，所述送变电供电模块电性连接所述氢气制取设备；所述氢气制取设备的氢气出口直接连通所述除尘脱硫净化装置的出口以及气化炉或者连通所述氢气储罐的进口，经所述氢气储罐的出口分别连通所述除尘脱硫净化装置的出口以及气化炉，用于提供氢气与所述IGCC电站发电系统内的煤气化工艺进行加氢反应。
进一步的，还包括控制模块，所述控制模块用于控制所述送变电供电模块调节供给所述氢气制取设备的电量大小，以及控制所述氢气制取设备、所述氢气储罐输送至所述IGCC电站发电系统的氢气流量。
进一步的，所述氢气制取设备的出口处设置有第一流量调节阀，所述控制模块通过控制该第一流量调节阀进而控制氢气制取设备直接输入IGCC电站发电系统的氢气流量。
进一步的，所述氢气储罐的出口设置有第二流量调节阀，该控制模块通过控制该第二流量调节阀进而控制氢气储罐的氢气输出流量。
进一步的，所述IGCC电站发电系统还包括有空分装置，所述空分装置的氧气出口以及氢气制取设备的氧气出口共同连通所述气化炉的氧化剂入口；所述空分装置的氮气出口连接至所述燃气轮机；所述空分装置的空气进口连通所述燃气轮机的压缩空气出口。
进一步的，所述汽轮机发电机和燃气发电机经发电机出线母线还分别连接有IGCC电站的厂用变压器和升压站；所述升压站分别连接厂用变压器、送变电供电模块和电网母线；所述送变电供电模块还与所述厂用变压器连接。
进一步的，所述IGCC电站发电系统还包括有制水车间，所述氢气制取设备的进水口连接所述制水车间。
进一步的，所述氢气制取设备为碱性电解槽、PEM质子膜电解槽、高温固体氧化物电解槽三种中的任意一种或组合。
进一步的，所述高温固体氧化物电解槽通过管道连通所述余热锅炉的高温蒸汽出口。
进一步的，所述管道上设置有电加热器。
本实用新型可以带来的有益效果包括：
1)本实用新型IGCC电站耦合电解制氢加氢系统，利用氢气制取设备制取氢气，将该氢气直接通入IGCC发电系统中的煤气化工艺进行加氢反应，或者储存在氢气储罐中备用，加氢速度快，提高了煤热解气化的产气率，提升了合成气的品质。
2)本实用新型IGCC电站耦合电解制氢加氢系统，利用氢气制取设备，具备可随时快速改变供电功率和负荷的特性，满足电网对IGCC电站的调峰调频负荷需求。
3)本实用新型IGCC电站耦合电解制氢加氢系统，氢气制取设备产生的氧气可用于煤气化炉，减少气化炉用氧的成本，也降低空分系统的运行成本。
4)本实用新型IGCC电站耦合电解制氢加氢系统，在不影响燃气轮机的燃烧及运行的前提下，氢气制取设备产生的氢气在一定的掺混比例下可直接与合成气混合，减少生产合成气的成本及IGCC电站的燃料成本。
5)本实用新型IGCC电站耦合电解制氢加氢系统，通过氢气制取设备响应电网调峰调频负荷，收取电网调峰调频辅助服务的补贴或服务费，增加IGCC电站的经营效益。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
图1为本实用新型实施例IGCC电站耦合电解制氢加氢系统的结构框图；
图2为本实用新型优选实施例中控制模块的控制原理示意图。
其中：1煤炭预处理装置；2气化炉；3废热锅炉；4除尘脱硫净化装置；5燃气轮机；6余热锅炉；7空分装置；8氢气制取设备；9燃气发电机；10汽轮机发电机；11控制模块；12送变电供电模块；13厂用变压器；14升压站；15氢气储罐。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本实用新型提供进一步的详细说明。除非另有指明，本实用新型所采用的所有技术术语与本申请所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本实用新型所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本实用新型的示例性实施方式。
如图1和2所示，本实用新型实施例提供了一种IGCC电站耦合电解制氢加氢系统，利用氢气制取设备制取氢气，将该氢气直接通入IGCC发电系统中的煤气化工艺进行加氢反应，或者储存在氢气储罐中备用，加氢速度快，提高了煤热解气化的产气率，提升了合成气的品质。该IGCC电站耦合电解制氢加氢系统包括IGCC电站发电系统、送变电供电模块12、氢气制取设备8和氢气储罐15。
IGCC电站发电系统作为电源电性连接送变电供电模块12，送变电供电模块12电性连接氢气制取设备8。氢气制取设备8的氢气出口直接连接至IGCC电站发电系统或者连通氢气储罐15的进口，经氢气储罐15的出口连接至IGCC电站发电系统，用于提供氢气与IGCC电站发电系统内的煤气化工艺进行加氢反应。送变电供电模块12用于获取电量提供给氢气制取设备8并能够调节供给氢气制取设备8的电量大小。
IGCC电站发电系统包括煤炭预处理装置1、气化炉2、废热锅炉3、除尘脱硫净化装置4、燃气轮机5、余热锅炉6、燃气发电机9和汽轮机发电机10。煤炭预处理装置1连接气化炉2，气化炉2的粗煤气出口依次连通废热锅炉3、除尘脱硫净化装置4；除尘脱硫净化装置4的出口连通燃气轮机5的入口，燃气轮机5用于带动燃气发电机9发电；燃气轮机5的尾气出口连通余热锅炉6的入口，余热锅炉6的高温高压蒸汽出口连接至汽轮机发电机10。
本实用新型的优选实施例中，氢气储罐15的出口通过加氢供应管道分别连通气化炉2以及除尘脱硫净化装置4的出口；本实用新型的另一个优选实施例中，氢气制取设备8的氢气出口直接分别连通除尘脱硫净化装置4的出口以及气化炉2。氢气制取设备8利用发电机所发出的电力或电网输送的电力电解水制取氢气及氧气；气化炉2利用氢气制取设备8制取的或氢气储罐15储存的氢气，在煤气化工艺中完成加氢反应，增加气化炉2的合成气的产气率及品质。氢气制取设备8产生的氢气直接混合气化炉2产生的合成气，然后送入燃气轮机5发电，掺混比例以不影响燃气轮机5的正常燃烧发电为限。
本实用新型的优选实施例中，还包括控制模块11。控制模块11，用于控制送变电供电模块12调节供给氢气制取设备8的电量大小，以及控制氢气储罐15、氢气制取设备8输送至IGCC电站发电系统的氢气流量。该控制模块11控制输送给氢气制取设备8的电解水装置电负荷功率的增加或减少从而响应电网对IGCC电站的调峰调频负荷需求。本实用新型的优选实施例中，在氢气制取设备8的出口处设置第一流量调节阀，该控制模块11通过控制该第一流量调节阀进而控制氢气制取设备8直接输入IGCC电站发电系统的氢气流量。本实用新型的另一个优选实施例中，在氢气储罐15的出口设置第二流量调节阀，该控制模块11通过控制该第二流量调节阀进而控制氢气储罐15的输出流量。
本实用新型的优选实施例中，IGCC电站发电系统还包括有空分装置7，空分装置7的氧气出口以及氢气制取设备8的氧气出口共同连通气化炉2的氧化剂入口；空分装置7的氮气出口连接至燃气轮机5；空分装置7的空气进口连通燃气轮机5的压缩空气出口。
本实用新型的优选实施例中，汽轮机发电机10和燃气发电机9经发电机出线母线分别与送变电供电模块12、厂用变压器13和升压站14电性连接；升压站14分别连接厂用变压器13、送变电供电模块12和电网母线；送变电供电模块12还与厂用变压器13连接。氢气制取设备8供电来源有发电机出线母线供电、厂用电供电和主升压变压器供电及电网下电供电中的任意一种或组合。
本实用新型的优选实施例中，IGCC电站发电系统还包括有制水车间，氢气制取设备8的进水口连接所述制水车间。
本实用新型的优选实施例中，氢气制取设备8为碱性电解槽、PEM质子膜电解槽、高温固体氧化物电解槽三种中的任意一种或组合。高温固体氧化物电解槽通过管道连通余热锅炉6的高温蒸汽出口，管道上设置有电加热器。
本实用新型IGCC电站耦合电解制氢加氢系统的运行方法，按照下列步骤进行：
S1：根据IGCC电站的规模及气化炉2要求的氧气量，选择氢气制取设备8类型及容量，选择氢气制取设备8水供应来源。
S2：根据氢气制取设备8功率选择供电来源，其供电来源自发电机出口母线供电、厂用电供电和主升压变压器供电及电网下电供电中的任意一种或组合。
S3：利用IGCC电站的制水车间或利用调峰调频富余电力生产纯水，满足氢气制取设备8所需要的水量。
S4：当电网要求IGCC电站减少上网电量，使上网电量P上降低P降时，通过控制模块11控制送变电供电模块12使氢气制取设备8的供电电量增加P增，使得发电机发电负荷基本稳定在P发；调节氢气储罐15或者氢气制取设备8输出的氢气量不变，此时氢气储罐15内的氢气储量增加；最终满足上述几个电量数值满足等式：P上＝P发-P降＝P发-P增；P降＝P增；
当电网要求IGCC电站增加上网电量，使上网电量P上增加P升时，通过控制模块11控制送变电供电模块12使氢气制取设备8的供电电量减少P减，使得发电机发电负荷基本稳定在P发；调节氢气储罐15或者氢气制取设备8输出的氢气量不变，此时氢气储罐15内的氢气储量减少；最终满足上述几个电量数值满足等式：P上＝P发+P升＝P发+P减；P升＝P减。
在工作过程中，当电网要求IGCC电站减少上网电量，且氢气制取设备8的供电量达到最大值时，将调峰调频富余电力送入制水车间制水。
在工作过程中，当电网要求IGCC电站减少上网电量且氢气制取设备8的供电量达到最大值时，将调峰调频富余电力送入电加热器。
在工作过程中，氢气制取设备8产生的氧气送入储罐储存或直接送入气化炉2，部分替代IGCC空分装置7制取的氧气；氢气制取设备8产生的氢气送入储罐储存或直接送入气化炉2，增加合成气产量；或直接与气化炉2产生的合成气进行混合。
由技术常识可知，本实用新型可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本实用新型范围内或在等同于本实用新型的范围内的改变均被本实用新型包含。

Claims (10)

1.一种IGCC电站耦合电解制氢加氢系统，其特征在于，包括IGCC电站发电系统、送变电供电模块(12)、氢气制取设备(8)和氢气储罐(15)；
所述IGCC电站发电系统包括煤炭预处理装置(1)、气化炉(2)、废热锅炉(3)、除尘脱硫净化装置(4)、燃气轮机(5)、余热锅炉(6)、燃气发电机(9)和汽轮机发电机(10)；
所述煤炭预处理装置(1)连接所述气化炉(2)，所述气化炉(2)的粗煤气出口依次连通废热锅炉(3)、除尘脱硫净化装置(4)；除尘脱硫净化装置(4)的出口连通燃气轮机(5)的入口，燃气轮机(5)用于带动燃气发电机(9)发电；燃气轮机(5)的尾气出口连通余热锅炉(6)的入口，余热锅炉(6)的高温高压蒸汽出口连接至汽轮机发电机(10)；
所述燃气发电机(9)和汽轮机发电机(10)经发电机出线母线电性连接所述送变电供电模块(12)，所述送变电供电模块(12)电性连接所述氢气制取设备(8)；
所述氢气制取设备(8)的氢气出口直接连通所述除尘脱硫净化装置(4)的出口以及气化炉(2)或者连通所述氢气储罐(15)的进口，经所述氢气储罐(15)的出口分别连通所述除尘脱硫净化装置(4)的出口以及气化炉(2)。
2.根据权利要求1所述的IGCC电站耦合电解制氢加氢系统，其特征在于，还包括控制模块(11)，所述控制模块(11)用于控制所述送变电供电模块(12)调节供给所述氢气制取设备(8)的电量大小，以及控制所述氢气制取设备(8)、所述氢气储罐(15)输送至所述IGCC电站发电系统的氢气流量。
3.根据权利要求2所述的IGCC电站耦合电解制氢加氢系统，其特征在于，所述氢气制取设备(8)的出口处设置有第一流量调节阀，所述控制模块(11)通过控制该第一流量调节阀进而控制氢气制取设备(8)直接输入IGCC电站发电系统的氢气流量。
4.根据权利要求2所述的IGCC电站耦合电解制氢加氢系统，其特征在于，所述氢气储罐(15)的出口设置有第二流量调节阀，该控制模块(11)通过控制该第二流量调节阀进而控制氢气储罐(15)的氢气输出流量。
5.根据权利要求1所述的IGCC电站耦合电解制氢加氢系统，其特征在于，所述IGCC电站发电系统还包括有空分装置(7)，所述空分装置(7)的氧气出口以及氢气制取设备(8)的氧气出口共同连通所述气化炉(2)的氧化剂入口；所述空分装置(7)的氮气出口连接至所述燃气轮机(5)；所述空分装置(7)的空气进口连通所述燃气轮机(5)的压缩空气出口。
6.根据权利要求1所述的IGCC电站耦合电解制氢加氢系统，其特征在于，所述汽轮机发电机(10)和燃气发电机(9)经发电机出线母线还分别连接有IGCC电站的厂用变压器(13)和升压站(14)；所述升压站(14)分别连接厂用变压器(13)、送变电供电模块(12)和电网母线；所述送变电供电模块(12)还与所述厂用变压器(13)连接。
7.根据权利要求1所述的IGCC电站耦合电解制氢加氢系统，其特征在于，所述IGCC电站发电系统还包括有制水车间，所述氢气制取设备(8)的进水口连接所述制水车间。
8.根据权利要求1所述的IGCC电站耦合电解制氢加氢系统，其特征在于，所述氢气制取设备(8)为碱性电解槽、PEM质子膜电解槽、高温固体氧化物电解槽三种中的任意一种或组合。
9.根据权利要求8所述的IGCC电站耦合电解制氢加氢系统，其特征在于，所述高温固体氧化物电解槽通过管道连通所述余热锅炉(6)的高温蒸汽出口。
10.根据权利要求9所述的IGCC电站耦合电解制氢加氢系统，其特征在于，所述管道上设置有电加热器。
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