CN218325037U - 一种基于soec共电解的igcc发电系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提供一种基于SOEC共电解的IGCC发电系统，属于CO2捕集利用领域，IGCC发电系统包括：煤气净化子系统，用于采用水和氧气对煤进行气化和净化处理，得到第一合成气；发电机；燃气轮机子系统，与煤气净化子系统及发电机连接，并通入氧气，用于使氧气与第一合成气燃烧，以驱动发电机发电，并产生烟气；固体氧化物共电解子系统，用于为煤气净化子系统及燃气轮机子系统提供氧气，并在新能源电力驱动下，对所述烟气共电解，生成第二合成气，将第二合成气与部分第一合成气进行燃料合成，得到目标燃料。将固体氧化物共电解子系统与整体煤气化联合循环发电系统结合，提高了能源转换效率。

Description

一种基于SOEC共电解的IGCC发电系统
技术领域
本实用新型涉及CO2捕集利用领域，特别是涉及一种基于SOEC共电解的IGCC发电系统。
背景技术
火力发电产生的CO2是温室气体的主要来源。碳捕集和利用是唯一能在发电和工业过程中大幅减少化石燃料碳排放的解决方案，因此，需要深入研究火电机组减碳技术，综合碳利用方式寻求低投资和低运行成本的碳捕集及利用一体化的低碳技术。IGCC(Integrated gasification combined cycle，整体煤气化联合循环)发电具有效率高、燃料适应性广、污染物排放低且易于与化工过程整合等优势，是最具发展前景的先进煤电技术之一。IGCC较传统燃煤发电技术更具有能效性和环保性，然而IGCC无论采用燃烧前脱碳、燃烧中脱碳(纯氧燃烧)还是燃烧后脱碳的方法，系统都面临着7-12个百分点的能效惩罚。
因此，需要改变现有IGCC碳捕集工艺形式，改变CO2分离和捕集方式、革新系统流程结构，以提高总能系统能源转换效率。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种基于SOEC共电解的IGCC发电系统，可提高能源转换效率。
为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：
一种基于SOEC共电解的IGCC发电系统，包括：
煤气净化子系统，用于将以水、氧气和煤为原料气化后的煤气进行净化处理，得到第一合成气；
发电机；
燃气轮机子系统，与所述煤气净化子系统及所述发电机连接，并通入氧气，用于使氧气与所述第一合成气燃烧，以驱动所述发电机发电，并产生烟气；
固体氧化物共电解子系统，分别与所述煤气净化子系统、所述燃气轮机子系统及新能源电力系统连接，用于为所述煤气净化子系统及所述燃气轮机子系统提供氧气，并在新能源电力驱动下，对所述烟气共电解，生成第二合成气，将所述第二合成气与部分所述第一合成气进行燃料合成，得到目标燃料。
可选地，所述煤气净化子系统包括：
气化炉，与所述固体氧化物共电解子系统连接，用于采用水和氧气对煤进行气化处理，得到粗合成气；
煤气冷却器，与所述气化炉连接，用于对所述粗合成气进行冷却处理，得到冷却合成气；
除尘单元，与所述煤气冷却器连接，用于对所述冷却合成气进行除尘，得到除尘后的合成气；
酸气脱除单元，与所述除尘单元连接，用于脱除除尘后的合成气中的酸性气体，得到第一合成气。
可选地，所述酸性气体为硫化氢；
所述酸气脱除单元用于吸收除尘后的合成气中的硫化氢，得到第一合成气，并将硫化氢转化为硫磺。
可选地，所述燃气轮机子系统包括：
压气机，与所述固体氧化物共电解子系统连接，用于对氧气进行增压；
燃烧室，与所述压气机及所述煤气净化子系统连接，用于使增压后的氧气与第一合成气燃烧，得到烟气；
燃气透平，与所述燃烧室及所述发电机连接，用于将所述烟气的能量转变为机械功，以驱动所述发电机发电，并排出烟气。
可选地，所述固体氧化物共电解子系统包括：
固体氧化物共电解阳极，分别与所述煤气净化子系统及所述燃气轮机子系统连接，用于为所述煤气净化子系统及所述燃气轮机子系统提供氧气；
固体氧化物共电解阴极，与所述燃气轮机子系统及新能源电力系统连接，用于在新能源电力驱动下，对所述烟气共电解，生成第二合成气；
电解质，位于所述固体氧化物共电解阳极与所述固体氧化物共电解阴极之间；
燃料合成提质单元，分别与所述固体氧化物共电解阴极及所述煤气净化子系统连接，用于将所述第二合成气与部分所述第一合成气进行燃料合成，得到目标燃料。
可选地，所述新能源电力系统为太阳能发电系统、风力发电系统、生物质发电系统或核能发电系统。
可选地，所述第一合成气及所述第二合成气均包括一氧化碳和氢气。
可选地，所述烟气包括二氧化碳和水蒸气。
可选地，所述目标燃料为绿色燃料。
根据本实用新型提供的具体实施例，本实用新型公开了以下技术效果：通过固体氧化物共电解子系统为煤气净化子系统及燃气轮机子系统提供氧气，煤气净化子系统采用水和氧气对煤进行气化和净化处理，得到第一合成气，燃气轮机子系统使氧气与第一合成气燃烧，以驱动发电机发电，并产生烟气，固体氧化物共电解子系统在新能源电力驱动下，对烟气共电解，生成第二合成气，并将第二合成气与部分第一合成气合成为目标燃料，将固体氧化物共电解子系统与整体煤气化联合循环发电系统结合，提高了能源转换效率。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型基于SOEC共电解的IGCC发电系统的结构示意图。
符号说明：
1-气化炉；2-煤气冷却器；3-除尘单元；4-酸气脱除单元；5-压气机；6-燃烧室；7-燃气透平；8-发电机；9-固体氧化物共电解阳极；10-固体氧化物共电解阴极；11-燃料合成提质单元。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
本实用新型的目的是提供一种基于SOEC(Solid Oxide Electrolysis Cell，高温固体氧化物)共电解的IGCC发电系统，突破传统联合循环概念，将热化学、电化学和动力循环过程有机结合，构建出具有多种能源输入、多种产出、与环境相容的总能系统。
为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
本实用新型基于SOEC共电解的IGCC发电系统包括：煤气净化子系统、发电机、燃气轮机子系统及固体氧化物共电解子系统。
其中，煤气净化子系统用于将以水、氧气和煤为原料气化后的煤气进行净化处理，得到第一合成气。
具体地，如图1所示，煤气净化子系统包括：气化炉1、煤气冷却器2、除尘单元3及酸气脱除单元4。
气化炉1与所述固体氧化物共电解子系统连接，气化炉1用于采用水和氧气对煤进行气化处理，得到粗合成气。
煤气冷却器2与所述气化炉1连接，煤气冷却器2用于对所述粗合成气进行冷却处理，得到冷却合成气。
除尘单元3与所述煤气冷却器2连接，除尘单元3用于对所述冷却合成气进行除尘，得到除尘后的合成气。
酸气脱除单元4与所述除尘单元3连接，酸气脱除单元4用于脱除除尘后的合成气中的酸性气体，得到第一合成气。在本实施例中，第一合成气包括一氧化碳和氢气。
在本实施例中，酸性气体为硫化氢。酸气脱除单元4吸收除尘后的合成气中的硫化氢，得到第一合成气，并将硫化氢转化为硫磺。以避免硫化氢排入大气中污染环境。
具体来说，气化炉1的入口通入煤、水和氧气，气化炉1的出口连接煤气冷却器2的入口。煤气冷却器2的出口连接除尘单元3的入口。除尘单元3的出口连接酸气脱除单元4的入口。
燃气轮机子系统与所述煤气净化子系统及所述发电机8连接，并通入氧气，燃气轮机子系统用于使氧气与所述第一合成气燃烧，以驱动所述发电机8发电，并产生烟气。具体地，烟气包括二氧化碳和水蒸气。
具体地，燃气轮机子系统包括：压气机5、燃烧室6及燃气透平7。
压气机5与所述固体氧化物共电解子系统连接，压气机5用于对氧气进行增压。
燃烧室6与所述压气机5及所述煤气净化子系统连接，燃烧室6用于使增压后的氧气与第一合成气燃烧，得到烟气。
燃气透平7与所述燃烧室6及所述发电机8连接，燃气透平7用于将所述烟气的能量转变为机械功，以驱动所述发电机8发电，并排出烟气。
具体来说，燃烧室6的入口连接酸气脱除单元4的出口及压气机5的出口，燃烧室6的出口连接燃气透平7的入口，燃气透平7的出口连接发电机8。
本实用新型燃气轮机子系统的燃烧室6采用纯氧燃烧，替代了能量密集型的水煤气变换和吸收式碳捕集工艺。
固体氧化物共电解子系统分别与所述煤气净化子系统、所述燃气轮机子系统及新能源电力系统连接，固体氧化物共电解子系统用于为所述煤气净化子系统及所述燃气轮机子系统提供氧气，并在新能源电力驱动下，对所述烟气共电解，生成第二合成气，将所述第二合成气与部分所述第一合成气进行燃料合成，得到目标燃料。具体地，第二合成气包括一氧化碳和氢气。
具体地，所述固体氧化物共电解子系统包括：固体氧化物共电解阳极9、固体氧化物共电解阴极10、电解质及燃料合成提质单元11。
固体氧化物共电解阳极9分别与所述煤气净化子系统及所述燃气轮机子系统连接，固体氧化物共电解阳极9用于为所述煤气净化子系统及所述燃气轮机子系统提供氧气。
固体氧化物共电解阴极10与所述燃气轮机子系统及新能源电力系统连接，固体氧化物共电解阴极10用于在新能源电力驱动下，对所述烟气共电解，生成第二合成气。优选地，新能源电力系统为太阳能发电系统、风力发电系统、生物质发电系统或核能发电系统等绿色电力系统。
电解质位于所述固体氧化物共电解阳极9与所述固体氧化物共电解阴极10之间。
燃料合成提质单元11分别与所述固体氧化物共电解阴极10及所述煤气净化子系统连接，燃料合成提质单元11用于将所述第二合成气与部分所述第一合成气进行燃料合成，得到目标燃料。所述目标燃料为绿色燃料。具体包括天然气、甲醇、二甲醚、航空煤油等燃料。
具体来说，固体氧化物共电解阳极9的出口分为两路，一路与压气机5的入口连接，另一路与气化炉1的入口连接。固体氧化物共电解阳极9的产生的一部分氧气作为气化剂送入气化炉1中，另一部分氧气送入压气机5，在经过加压后进入燃烧室6与第一合成气燃烧，可以避免烟气中含有N2和NOx的排放问题。
固体氧化物共电解阴极10的入口连接酸气脱除单元4的出口、燃气透平7的出口以及新能源电力系统(光伏/风电)，固体氧化物共电解阴极10的出口与燃料合成提质单元11的入口连接。固体氧化物共电解阴极10在新能源电力系统的驱动下，将燃气透平7排出的烟气(CO2和H2O)转变为第二合成气(H2和CO)，送入燃料合成提质单元11中，与酸气脱除单元4排出的部分第一合成气进一步合成稳定的绿色燃料(甲醇、二甲醚、航空煤油等)，实现了IGCC系统排放物(CO2和H2O)系统内高值化利用。
新能源电力系统多为太阳能光伏和风电，伴随着强烈的波动性和间歇性，通过固体氧化物共电解工艺与稳定的IGCC系统耦合，将新能源电力转化为稳定的绿色燃料，实现新能源赋能的CO2高值化利用和新能源电力规模化、长周期储存。
酸气脱除单元4输出的第一合成气一部分进入燃烧室6进行燃烧，另一部分第一合成气根据负荷情况可送至燃料合成提质单元11进一步合成绿色燃料，具有灵活调峰的能力。
在本实施例中，固体氧化物共电解阴极10的运行温度介于气化炉1的运行温度与燃气透平7的排烟温度之间。从能的梯级利用角度，两者的集成可以有效降低IGCC系统的高温
Figure BDA0003935811920000071
损。
本实用新型使用的固体氧化物共电解子系统所产生的氧气可满足气化炉1和燃气轮机燃烧室6的供氧需求，替代了能量密集型空气分离系统。
本实用新型将IGCC系统与新能源电驱动的高温固体氧化物共电解子系统耦合，可以实现IGCC与非化石能源协同，替代能源密集型的空气分离、水煤气变换和吸收式碳捕集工艺，同时采用新能源电力赋能CO2高值化利用，突破IGCC碳捕集的巨大能效惩罚，并且协同考虑了CO2资源化利用。系统具备多能源输入多产品输出的“动力-燃料”联产特征，具有显著的灵活调峰能力。
为了更好的理解本实用新型的技术方案，下面结合基于SOEC共电解的IGCC发电系统的工作过程进行说明。
煤经过预处理后送入气化炉，水作为气化反应的原料同时送入气化炉，煤在气化炉中与水以及固体氧化物共电解阳极产生的氧气发生气化反应，生成粗合成气。粗合成气经过煤气冷却器换热(冷却并回收余热)后依次通过除尘单元、酸气脱除单元，得到第一合成气(即净化处理后的煤气)第一合成气的主要成分为CO和H2。将第一合成气送入燃烧室。
压气机的入口连接固体氧化物共电解阳极出口的纯氧，压气机出口产生的高压氧气送入燃烧室，氧气与第一合成气在燃烧室内燃烧后进入燃气透平发电，并产生烟气(CO2/H2O)。
此外，根据需要也可以将一部分第一合成气和固体氧化物共电解阴极出口的第二合成气混合后送入燃料合成提质单元的入口，以提高燃气轮机运行灵活性。
燃气透平出口较高温度的烟气(CO2和H2O)连接固体氧化物共电解阴极的入口，通过新能源电力(光伏/风电)驱动固体氧化物共电解阴极生成第二合成气(H2和CO)，第二合成气被送入燃料合成提质单元，与部分第一合成气进一步合成绿色燃料。
对煤气冷却器、固体氧化物共电解阳级、固体氧化物共电解阴级及燃料合成提质单元的余热进行回收利用。一部分余热用来加热燃气透平的排气(排出的烟气)。燃气透平排气温度大于600℃，需要将燃气透平的排气温度提升到700℃以上，以达到固体氧化物共电解阴极反应所需的温度，体现了能量的梯级利用，有效降低了IGCC系统的高温
Figure BDA0003935811920000081
损。剩余部分的余热通过换热网络集成蒸汽朗肯循环做功，实现余热的最大化利用。
本实用新型利用新能源电力驱动的电化学转化技术，将IGCC生产过程中的终端排放物CO2和H2O重新利用并实现绿色燃料联产，实现了CO2分离与资源化利用，并使IGCC系统保持较高的效率。
本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (9)

1.一种基于SOEC共电解的IGCC发电系统，其特征在于，所述基于SOEC共电解的IGCC发电系统包括：
煤气净化子系统，用于将以水、氧气和煤为原料气化后的煤气进行净化处理，得到第一合成气；
发电机；
燃气轮机子系统，与所述煤气净化子系统及所述发电机连接，并通入氧气，用于使氧气与所述第一合成气燃烧，以驱动所述发电机发电，并产生烟气；
固体氧化物共电解子系统，分别与所述煤气净化子系统、所述燃气轮机子系统及外部电源连接，用于为所述煤气净化子系统及所述燃气轮机子系统提供氧气，并在新能源电力驱动下，对所述烟气共电解，生成第二合成气，将所述第二合成气与部分所述第一合成气进行燃料合成，得到目标燃料。
2.根据权利要求1所述的基于SOEC共电解的IGCC发电系统，其特征在于，所述煤气净化子系统包括：
气化炉，与所述固体氧化物共电解子系统连接，用于采用水和氧气对煤进行气化处理，得到粗合成气；
煤气冷却器，与所述气化炉连接，用于对所述粗合成气进行冷却处理，得到冷却合成气；
除尘单元，与所述煤气冷却器连接，用于对所述冷却合成气进行除尘，得到除尘后的合成气；
酸气脱除单元，与所述除尘单元连接，用于脱除除尘后的合成气中的酸性气体，得到第一合成气。
3.根据权利要求2所述的基于SOEC共电解的IGCC发电系统，其特征在于，所述酸性气体为硫化氢；
所述酸气脱除单元用于吸收除尘后的合成气中的硫化氢，得到第一合成气，并将硫化氢转化为硫磺。
4.根据权利要求1所述的基于SOEC共电解的IGCC发电系统，其特征在于，所述燃气轮机子系统包括：
压气机，与所述固体氧化物共电解子系统连接，用于对氧气进行增压；
燃烧室，与所述压气机及所述煤气净化子系统连接，用于使增压后的氧气与第一合成气燃烧，得到烟气；
燃气透平，与所述燃烧室及所述发电机连接，用于将所述烟气的能量转变为机械功，以驱动所述发电机发电，并排出烟气。
5.根据权利要求1所述的基于SOEC共电解的IGCC发电系统，其特征在于，所述固体氧化物共电解子系统包括：
固体氧化物共电解阳极，分别与所述煤气净化子系统及所述燃气轮机子系统连接，用于为所述煤气净化子系统及所述燃气轮机子系统提供氧气；
固体氧化物共电解阴极，与所述燃气轮机子系统及新能源电力系统连接，用于在新能源电力驱动下，对所述烟气共电解，生成第二合成气；
电解质，位于所述固体氧化物共电解阳极与所述固体氧化物共电解阴极之间；
燃料合成提质单元，分别与所述固体氧化物共电解阴极及所述煤气净化子系统连接，用于将所述第二合成气与部分所述第一合成气进行燃料合成，得到目标燃料。
6.根据权利要求5所述的基于SOEC共电解的IGCC发电系统，其特征在于，所述新能源电力系统为太阳能发电系统、风力发电系统、生物质发电系统或核能发电系统。
7.根据权利要求1所述的基于SOEC共电解的IGCC发电系统，其特征在于，所述第一合成气及所述第二合成气均包括一氧化碳和氢气。
8.根据权利要求1所述的基于SOEC共电解的IGCC发电系统，其特征在于，所述烟气包括二氧化碳和水蒸气。
9.根据权利要求1所述的基于SOEC共电解的IGCC发电系统，其特征在于，所述目标燃料为绿色燃料。
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