CN215927488U - 一种富氧燃烧发电耦合系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种富氧燃烧发电耦合系统，包括：电解水单元；电解水单元用于产生氢气和氧气；氢气压缩单元，连接电解水单元，用于获得压缩氢气；氧气压缩单元，连接电解水单元，用于获得压缩氧气；富氧燃烧发电单元，连接氧气压缩单元，用于使用压缩氧气进行发电；二氧化碳压缩纯化单元，连接富氧燃烧发电单元，用于压缩富氧燃烧发电单元产生的二氧化碳，获得压缩二氧化碳；二氧化碳加氢资源化单元，连接氢气压缩单元和二氧化碳压缩纯化单元，用于使用压缩氢气和压缩二氧化碳合成甲醇或低碳烯烃。上述耦合系统能够节省了二氧化碳的捕获、存储和运输成本，且使富氧燃烧发电单元产生的二氧化碳得到了高效转化和综合利用。

Description

一种富氧燃烧发电耦合系统

技术领域

本实用新型涉及燃烧发电与碳捕获利用技术领域，尤其涉及一种富氧燃烧发电耦合系统。

背景技术

由于社会生活、工业用电量逐渐增长，电厂燃煤、燃气等化石能源消耗量大，会产生大量的二氧化碳，需要面对控制碳排放的问题，从而使碳捕获纯化技术成为目前研究的热点和难点。目前常用的从发电厂的烟气中捕获二氧化碳的碳捕集纯化方案有化学吸收、物理吸附或膜分离技术等，但由于电厂烟气中二氧化碳浓度较低，因此二氧化碳捕集技术的成本很高，还会产生额外的CO₂存储和运输的问题和成本。因此，在日益严格的碳排放、碳中和的要求下，对于如此大规模的二氧化碳捕获、利用需求，如何降低二氧化碳捕获技术的成本，提高碳资源的综合利用率的需求迫在眉睫。

实用新型内容

根据本实用新型一个可选的实施例，提供了一种富氧燃烧发电耦合系统，以解决目前化石能源富氧燃烧发电产生的二氧化碳需要设置专用的捕获、存储、运输装置，导致碳捕获成本增加、碳资源利用率不高的技术问题。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种富氧燃烧发电耦合系统，包括：

电解水单元；所述电解水单元用于产生氢气和氧气；

氢气压缩单元，连接所述电解水单元，用于获得压缩氢气；

氧气压缩单元，连接所述电解水单元，用于获得压缩氧气；

富氧燃烧发电单元，连接所述氧气压缩单元，用于使用所述压缩氧气进行发电；

二氧化碳压缩纯化单元，连接所述富氧燃烧发电单元，用于压缩所述富氧燃烧发电单元产生的二氧化碳，获得压缩二氧化碳；

二氧化碳加氢资源化单元，连接所述氢气压缩单元和所述二氧化碳压缩纯化单元，用于使用所述压缩氢气和所述压缩二氧化碳合成甲醇或低碳烯烃。

可选的，所述富氧燃烧发电单元包括：

锅炉，所述锅炉包括助燃气体入口、能源供给入口、第一烟气出口、第二烟气出口、蒸汽出口；所述助燃气体入口连接所述氧气压缩单元，所述第二烟气出口连接所述二氧化碳压缩纯化单元；

汽轮机，连接所述蒸汽出口，用于带动发电机发电；

能源供给组件，连接所述能源供给入口；

烟气循环组件，连接在所述第一烟气出口和所述能源供给组件之间。

可选的，所述能源供给组件包括给煤设备，所述给煤设备连接所述能源供给入口和所述烟气循环单元。

进一步的，所述给煤设备连接所述氧气压缩单元。

可选的，所述能源供给组件包括燃油供应设备和燃烧机；所述燃烧机设置在所述燃油供应设备和所述能源供给入口之间；所述烟气循环组件连接所述燃烧机。

可选的，所述能源供给组件包括燃气供应管路，所述燃气供应管路连接所述烟气循环组件和所述能源供给入口。

可选的，所述二氧化碳加氢资源化单元为甲醇合成单元；

所述耦合系统还包括甲醇分离单元，所述甲醇分离单元连接所述甲醇合成单元。

根据本实用新型另一个可选的实施例，耦合系统还包括配电单元；所述配电单元连接所述氧气压缩单元、所述电解水单元、所述氢气压缩单元和二氧化碳加氢资源化单元。

可选的，所述配电单元连接所述富氧燃烧发电单元。

进一步的，所述配电单元包括第一配电柜和第一选择开关；

所述第一选择开关电连接在所述富氧燃烧发电单元与所述第一配电柜之间；

所述第一配电柜电连接所述氧气压缩单元、所述电解水单元、所述氢气压缩单元和二氧化碳加氢资源化单元之间。

可选的，所述配电单元连接太阳能发电机组和/或风能发电机组。

进一步的，所述配电单元包括第二配电柜、第二选择开关、控制开关；

所述控制开关电连接所述太阳能发电机组和/或风能发电机组；

所述第二选择开关设置在所述控制开关与所述第二配电柜之间；

所述第二配电柜电连接所述氧气压缩单元、所述电解水单元、所述氢气压缩单元和二氧化碳加氢资源化单元。

通过本实用新型的一个或者多个技术方案，本实用新型具有以下有益效果或者优点：

本实用新型提供了一种富氧燃烧发电耦合系统，使富氧燃烧发电系统与二氧化碳加氢资源化系统耦合，通过电解水单元产生氢气和氧气，氢气在氢气压缩单元进行压缩得到压缩氢气，氧气在氧气压缩单元压缩得到压缩氧气；压缩氧气鼓入富氧燃烧发电单元进行富氧燃烧发电；富氧燃烧后产生了包含高浓度 CO₂的燃烧烟气，可以用作加氢反应的CO₂来源，因此将其通入二氧化碳压缩纯化单元获得压缩二氧化碳；然后压缩二氧化碳和压缩氢气在二氧化碳加氢资源化单元中进行加氢反应，生成甲醇或低碳烯烃。由于上述耦合系统中使用的氧源是来自电解水制氢单元的副产物氧气，碳源是直接源自富氧燃烧发电单元产生的包含高浓度CO₂的燃烧烟气，故而不需要额外设置制氧装置和二氧化碳捕获、存储、运输装置对CO₂进行捕集、存储和运输，不仅节省了二氧化碳的捕获成本，克服了二氧化碳的捕获难题，还使因富氧燃烧发电产生的大量二氧化碳得到了高效转化和综合利用，符合日益严格的碳排放或碳中和需求。

附图说明

图1为本实用新型一个实施例提供的富氧燃烧发电耦合系统的示意图；

图2为本实用新型一个实施例提供的包括甲醇分离单元的富氧燃烧发电耦合系统示意图；

图3为本实用新型一个实施例提供的包括了富氧燃烧发电单元具体结构的耦合系统示意图；

图4为本实用新型一个实施例提供的采用燃煤发电的耦合系统的结构示意图；

图5为本实用新型一个实施例提供的采用燃气发电的耦合系统的结构示意图；

图6为本实用新型一个实施例提供的采用燃油发电的耦合系统的结构示意图；

图7为本实用新型另一个实施例提供的包括配电单元的富氧燃烧发电耦合系统示意图；

图8为本实用新型另一个实施例提供的使用富氧燃烧发电单元供电的耦合系统示意图；

图9为本实用新型另一个实施例提供的使用新能源供电的耦合系统示意图；

附图标记说明：

1、电解水单元；2、氢气压缩单元；3、氧气压缩单元；4、富氧燃烧发电单元；41、锅炉；42、汽轮机；43、发电机；44、能源供给组件；441：给煤设备；442、燃气供应管路；443、燃油供应设备；444、燃烧机；45、烟气循环组件；5、二氧化碳压缩纯化单元；6、二氧化碳加氢资源化单元；7、甲醇分离单元；8、配电单元；81、第一配电柜；82、第一选择开关；83、第二配电柜；84、第二选择开关；85、控制开关。

具体实施方式

为了使本实用新型所属技术领域中的技术人员更清楚地理解本实用新型，下面结合附图，通过具体实施例对本实用新型技术方案作详细描述。在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本实用新型所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。除非另有特别说明，本实用新型中用到的各种设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

为了解决富氧燃烧发电产生的二氧化碳需要设置专用的捕获装置，导致碳捕获成本增加、碳资源利用率不高的技术问题，参见图1，本实用新型实施例提供了一种富氧燃烧发电耦合系统，包括：

电解水单元1；所述电解水单元1用于产生氢气和氧气；

氢气压缩单元2，连接所述电解水单元1，用于获得压缩氢气；

氧气压缩单元3，连接所述电解水单元1，用于获得压缩氧气；

富氧燃烧发电单元4，连接所述氧气压缩单元3，用于使用所述压缩氧气进行发电；

二氧化碳压缩纯化单元5，连接所述富氧燃烧发电单元4，用于压缩所述富氧燃烧发电单元4产生的二氧化碳，获得压缩二氧化碳；

二氧化碳加氢资源化单元6，连接所述氢气压缩单元2和所述二氧化碳压缩纯化单元5，用于使用所述压缩氢气和所述压缩二氧化碳合成甲醇或低碳烯烃。

上述富氧燃烧发电耦合系统的工作原理是：在富氧燃烧发电系统中增设电解水单元1，通过电解水产生氢气和氧气。其中，氢气通过氢气压缩单元2进行压缩得到压缩氢气，氧气通过氧气压缩单元3进行压缩得到压缩氧气；压缩氧气鼓入富氧燃烧发电单元4进行富氧燃烧发电。由于富氧燃烧单元经过烟气循环后，能够可控的产生含有90％以上的高浓度CO₂的燃烧烟气，因此可以直接将包含高浓度CO₂的燃烧烟气通入二氧化碳压缩纯化单元5进行压缩纯化，得到压缩二氧化碳，不再需要另设类似化学吸收、物理吸附或膜分离等二氧化碳捕获装置。在二氧化碳加氢资源化单元6中，控制压缩氢气与压缩二氧化碳进行加氢作用，可获得甲醇燃料。通过将电解水单元1、富氧燃烧发电单元和二氧化碳加氢资源化单元6的耦合，使发电单位能够综合利用电解水产生的氢气和氧气，氧气在进入富氧燃烧后产生的高浓度二氧化碳，二氧化碳在压缩纯化后可直接与压缩氢气进行资源化，获得甲醇或低碳烯烃。

其中，二氧化碳压缩纯化单元5在压缩烟气中的二氧化碳的同时，实现一体化脱硫、脱硝，从而进一步提高二氧化碳的纯度。

二氧化碳加氢资源化单元6是利用压缩氢气与捕获纯化的二氧化碳进行加氢催化反应，生成甲烷、甲醇、低碳烯烃等高附加值产品，通过选用不同的催化剂，使用对应的配套工艺，可以合成不同的产物，例如可以用Pt单原子催化剂合成甲醇，可以使用ZnZrO固溶体氧化物/Zn改性SAPO分子筛串联催化剂制备低碳烯烃，如乙烯，丙烯，丁烯等，在此不作具体限定。

可选的，若二氧化碳加氢资源化单元6是甲醇合成单元/系统，如图2所示，所述耦合系统还包括甲醇分离单元7，所述甲醇分离单元7连接所述甲醇合成单元，用于分离甲醇，分离后的甲醇发往甲醇用户。

本实施例中涉及到的电解水单元1、氢气压缩单元2、氧气压缩单元3、二氧化碳压缩纯化单元5、二氧化碳加氢资源化单元6均可以使用市售的现有设备或系统。

富氧燃烧发电单元4是使用压缩氧气进行富氧燃烧产生电力的系统，在本实施例中一种可选的富氧燃烧发电单元4如图3所示，包括：

锅炉41，所述锅炉41包括助燃气体入口、能源供给入口、第一烟气出口、第二烟气出口、蒸汽出口；所述助燃气体入口连接所述氧气压缩单元3，所述第二烟气出口连接所述二氧化碳压缩纯化单元5；

汽轮机42，连接所述蒸汽出口，用于带动发电机43发电；发电机43产生的电力接入国家电网；

能源供给组件44，连接所述能源供给入口；

烟气循环组件45，连接在所述第一烟气出口和所述能源供给组件44之间。

富氧燃烧发电单元4是通过富氧锅炉产生蒸汽，蒸汽带动汽轮机42、发电机43进行发电的系统。其中的烟气循环组件45从锅炉41的炉膛中抽取烟气进行烟气循环，使烟气中的CO₂浓度不断提高；在CO₂达到能够二氧化碳加氢催化反应所需的浓度后，控制烟气从锅炉41的第二烟气出口排出，进入二氧化碳压缩纯化单元5进行压缩。

能源供给组件44用于为整个富氧燃烧发电单元4提供化石燃料供给。常用于富氧燃烧发电的化石燃料包括煤、燃油(如石油)、燃气(如天然气，页岩气)等。根据化石燃料的不同，能源供给组件44的结构也有相应的变化。

图4示出了一种采用燃煤发电的耦合系统的结构，所述能源供给组件44 包括给煤设备441，所述给煤设备441连接所述能源供给入口和所述烟气循环单元；给煤设备441以烟气循环单元提供的烟气为动力，将煤粉送入锅炉41 进行燃烧。可选的，所述给煤设备441连接所述氧气压缩单元3，利用压缩氧气进行供煤；可选的，所述烟气循环组件45连接所述助燃体气体入口。

图5示出了一种采用燃气发电的耦合系统的结构，所述能源供给组件44 包括燃气供应管路442，所述燃气供应管路442连接所述烟气循环组件45和所述能源供给入口。

图6示出了一种采用燃油发电的耦合系统的结构，所述能源供给组件44 包括燃油供应设备443和燃烧机444；所述燃烧机444设置在所述燃油供应设备443和所述能源供给入口之间；所述烟气循环组件45连接所述燃烧机444。

在图3～图6中，箭头→的方向表示物质流向。

总的来说，本实施例提供了一种富氧燃烧发电耦合系统，使富氧燃烧发电系统与二氧化碳加氢资源化系统耦合，通过电解水单元产生氢气和氧气，氢气在氢气压缩单元进行压缩得到压缩氢气，氧气在氧气压缩单元压缩得到压缩氧气；压缩氧气鼓入富氧燃烧发电单元进行富氧燃烧发电；富氧燃烧后产生了包含高浓度CO₂的燃烧烟气，可以用作加氢反应的CO₂来源，因此将其通入二氧化碳压缩纯化单元获得压缩二氧化碳；然后压缩二氧化碳和压缩氢气在二氧化碳加氢资源化单元中进行加氢反应，生成甲醇或低碳烯烃。由于上述耦合系统中使用的氧源是来自电解水制氢单元的副产物氧气，碳源是直接源自富氧燃烧发电单元产生的包含高浓度CO₂的燃烧烟气，故而不需要额外设置制氧装置和二氧化碳捕获、存储、运输装置对CO₂进行捕集、存储和运输，不仅节省了二氧化碳的捕获成本，克服了二氧化碳的捕获难题，还使因富氧燃烧发电产生的大量二氧化碳得到了高效转化和综合利用，符合日益严格的碳排放或碳中和需求。

在实际应用时，耦合系统的中各个单元的供电方式可以有多种的选择。例如可以接入发电机43，利用发电机43发的电进行供电，也可以接入外部的新能源发电系统进行供电，甚至还可以使用内置电池进行供电。

因此，基于前述实施例相同的发明构思，在另一个可选的实施例中，如图 7所示，所述耦合系统还包括配电单元8；所述配电单元8连接所述氧气压缩单元3、所述电解水单元1、所述氢气压缩单元2和二氧化碳加氢资源化单元6。

第一种可选方案是：所述配电单元8连接所述富氧燃烧发电单元4，也就是说，直接使用发电机43的产电为配电单元8供电。

这里结合燃煤的富氧燃烧发电单元的结构进行举例说明，在得知原理后，本领域技术人员可以将供电方案应用于燃油、燃气的耦合系统中。如图8所示，所述配电单元8包括第一配电柜81和第一选择开关82；所述第一选择开关82 电连接在所述富氧燃烧发电单元4(具体的，连接在发电机43上)与所述第一配电柜81之间；所述第一配电柜81电连接所述氧气压缩单元3、所述电解水单元1、所述氢气压缩单元2和二氧化碳加氢资源化单元6之间。

发电机43在产电后，一部分电通过第一选择开关82、第一配电柜配81 分给所述氧气压缩单元3、所述电解水单元1、所述氢气压缩单元2和二氧化碳加氢资源化单元6；而一部分电直接供给给煤设备441和二氧化碳压缩纯化单元5。

直接使用富氧燃烧发电单元产生的电力，可以节省成本，但会产生更多的碳排放。在碳中和的要求下，耦合系统也可以部分使用清洁能源，如太阳能或风能。故而，第二种可选方案是：所述配电单元8连接太阳能发电机43组和/ 或风能发电机43组。

这里结合燃油的富氧燃烧发电单元的结构进行举例说明，在得知原理后，本领域技术人员可以将供电方案应用于燃煤、燃气的耦合系统中，如图9所示，所述配电单元8包括第二配电柜83、第二选择开关84、控制开关85；所述控制开关85电连接所述太阳能发电机43组和/或风能发电机43组；所述第二选择开关84设置在所述控制开关85与所述第二配电柜83之间；所述第二配电柜83电连接所述氧气压缩单元3、所述电解水单元1、所述氢气压缩单元2和二氧化碳加氢资源化单元6。

在上述方案中，通过控制开关85的调控，经第二选择开关84可以选择由太阳能发电或风能发电，向第二配电柜83连接的电解水单元1、氧气压缩单元 3、电解水单元1、氢气压缩单元2和二氧化碳加氢资源化单元6供电。

在图8和图9中，细箭头→表示物质流向，双箭头表示信息流向，粗箭头表示电流流向。

本实施例之所以控制所述氧气压缩单元3、所述电解水单元1、所述氢气压缩单元2和二氧化碳加氢资源化单元6使用外部的清洁能源，是为了在保障电力供应总量的同时，不额外增加化石燃料的消耗，降低化石能源的碳排放。另一方面，太阳能产电和风能产电成本较低，也可以降低电解水、压缩氢气、压缩氧气、加氢反应的用电成本。

通过本实用新型的一个或者多个技术方案，本实用新型具有以下有益效果或者优点：

本实用新型提供了一种富氧燃烧发电耦合系统，使富氧燃烧发电系统与二氧化碳加氢资源化系统耦合，通过电解水单元产生氢气和氧气，氢气在氢气压缩单元进行压缩得到压缩氢气，氧气在氧气压缩单元压缩得到压缩氧气；压缩氧气鼓入富氧燃烧发电单元进行富氧燃烧发电；富氧燃烧后产生了包含高浓度 CO₂的燃烧烟气，可以用作加氢反应的CO₂来源，因此将其通入二氧化碳压缩纯化单元获得压缩二氧化碳；然后压缩二氧化碳和压缩氢气在二氧化碳加氢资源化单元中进行加氢反应，生成甲醇或低碳烯烃。由于上述耦合系统中使用的氧源是来自电解水制氢单元的副产物氧气，碳源是直接源自富氧燃烧发电单元产生的包含高浓度CO₂的燃烧烟气，故而不需要额外设置制氧装置和二氧化碳捕获、存储、运输装置对CO₂进行捕集、存储和运输，不仅节省了二氧化碳的捕获成本，克服了二氧化碳的捕获难题，还使因富氧燃烧发电产生的大量二氧化碳得到了高效转化和综合利用，符合日益严格的碳排放或碳中和需求。

尽管已描述了本实用新型的优选实施例，但本领域内的普通技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本实用新型范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (12)

1.一种富氧燃烧发电耦合系统，其特征在于，所述耦合系统包括：

电解水单元；所述电解水单元用于产生氢气和氧气；

氢气压缩单元，连接所述电解水单元，用于获得压缩氢气；

氧气压缩单元，连接所述电解水单元，用于获得压缩氧气；

富氧燃烧发电单元，连接所述氧气压缩单元，用于使用所述压缩氧气进行发电；

二氧化碳压缩纯化单元，连接所述富氧燃烧发电单元，用于压缩所述富氧燃烧发电单元产生的二氧化碳，获得压缩二氧化碳；

二氧化碳加氢资源化单元，连接所述氢气压缩单元和所述二氧化碳压缩纯化单元，用于使用所述压缩氢气和所述压缩二氧化碳合成甲醇或低碳烯烃。

2.如权利要求1所述的耦合系统，其特征在于，所述富氧燃烧发电单元包括：

锅炉，所述锅炉包括助燃气体入口、能源供给入口、第一烟气出口、第二烟气出口、蒸汽出口；所述助燃气体入口连接所述氧气压缩单元，所述第二烟气出口连接所述二氧化碳压缩纯化单元；

汽轮机，连接所述蒸汽出口，用于带动发电机发电；

能源供给组件，连接所述能源供给入口；

烟气循环组件，连接在所述第一烟气出口和所述能源供给组件之间。

3.如权利要求2所述的耦合系统，其特征在于，所述能源供给组件包括给煤设备，所述给煤设备连接所述能源供给入口和所述烟气循环单元。

4.如权利要求3所述的耦合系统，其特征在于，所述给煤设备连接所述氧气压缩单元。

5.如权利要求2所述的耦合系统，其特征在于，所述能源供给组件包括燃油供应设备和燃烧机；所述燃烧机设置在所述燃油供应设备和所述能源供给入口之间；所述烟气循环组件连接所述燃烧机。

6.如权利要求2所述的耦合系统，其特征在于，所述能源供给组件包括燃气供应管路，所述燃气供应管路连接所述烟气循环组件和所述能源供给入口。

7.如权利要求2所述的耦合系统，其特征在于，所述二氧化碳加氢资源化单元为甲醇合成单元；

所述耦合系统还包括甲醇分离单元，所述甲醇分离单元连接所述甲醇合成单元。

8.如权利要求1～7任一权项所述的耦合系统，其特征在于，还包括配电单元；所述配电单元连接所述氧气压缩单元、所述电解水单元、所述氢气压缩单元和二氧化碳加氢资源化单元。

9.如权利要求8所述的耦合系统，其特征在于，所述配电单元连接所述富氧燃烧发电单元。

10.如权利要求9所述的耦合系统，其特征在于，所述配电单元包括第一配电柜和第一选择开关；

所述第一选择开关电连接在所述富氧燃烧发电单元与所述第一配电柜之间；

所述第一配电柜电连接所述氧气压缩单元、所述电解水单元、所述氢气压缩单元和二氧化碳加氢资源化单元之间。

11.如权利要求8所述的耦合系统，其特征在于，所述配电单元连接太阳能发电机组和/或风能发电机组。

12.如权利要求11所述的耦合系统，其特征在于，所述配电单元包括第二配电柜、第二选择开关、控制开关；

所述控制开关电连接所述太阳能发电机组和/或风能发电机组；

所述第二选择开关设置在所述控制开关与所述第二配电柜之间；

所述第二配电柜电连接所述氧气压缩单元、所述电解水单元、所述氢气压缩单元和二氧化碳加氢资源化单元。

Images