專利名稱:帶CO<sub>2</sub>捕集的煤氣化費托合成燃料聯產電系統及方法
技術領域:
本發明涉及一種能捕集CO2的煤氣化費托合成燃料/電聯產系統及方法,屬于能源與環境技術等領域。
背景技術:
我國油氣資源相對缺乏而煤炭資源相對豐富,原油大量依賴進口,當前原油年進口量超過2.0億噸,進口依存度已超過50%,從我國原油消費結構可知其主要被用于提煉柴油、汽油等液體燃料,約占原油消費總量的60%。如果原油進口量按照近10年的平均增長率繼續發展,我國原油消費量和進口依存度仍將不斷增加,能源供應戰略受到的安全威脅也將進一步加劇。此外,這些基于原油提煉的柴油、汽油等液體燃料直接燃燒產生的全生命周期污染排放也難以滿足日趨嚴格的環保要求。隨著人們對(X)2排放問題認識的深入,如何從煤基能源系統實現減排CO2成了研究的熱點。目前大量捕集(X)2的煤基能源系統及方法已被提出,已有研究結果表明捕集CO2位置和流程的差異,對系統的熱力和經濟性能等影響明顯。與燃煤電站從排煙中捕集CO2相比,對煤氣化合成氣采用變換反應將其轉化為主要成分為(X)2和吐的合成氣,然后采用物理凈化或者化學凈化工藝從變換氣中分離、濃縮并壓縮co2,是一種被廣泛關注的(X)2捕集技術。如美國能源部提出的“FutureGen”能源系統以及我國華能集團提出的綠色煤電能源系統等。然而以上這類技術系統分離(X)2后得到的合成氣主要成分為氫氣,對其采用大規模氫氣輪機發電技術尚不成熟。O2ZCO2燃燒技術也是一項可用于捕集(X)2的技術。其主要特點在于利用(X)2代替空氣中的隊,排煙經過冷凝分離液態水后可以得到高純度的(X)2氣體,可能應用的領域主要有電站鍋爐和IGCC等。與采用燃燒前捕集(X)2的技術相比,該技術應用范圍較廣,不僅可用于現有電站減排(X)2,而且還可用于新建電站。與采用燃燒后捕集(X)2相比,該技術具有低能耗和低成本捕集(X)2的優勢。與空氣助燃方式相比,采用A/C02燃燒技術不僅便于捕集CO2,提高燃料的利用率,S0X、NOx和重金屬等污染排放也有所降低。該技術相對較成熟, 已有一些示范電站的實際運行經驗。而采用增壓AAD2燃燒技術,還可以通過提高出口煙氣中(X)2的濃度和壓力,降低煙氣凈化工藝設備尺寸以及(X)2壓縮功耗。然而,受到當前商業技術水平限制,IGCC系統存在比投資高,工藝流程復雜等不足,單純考慮捕集(X)2將會進一步影響其應用。煤炭氣化后耦合化工合成與動力發電的聯產系統,以其總能利用效率高、簡化化工單元流程和化電比調節靈活等優勢,引起了人們的關注。而發展石油代用燃料是穩定我國液體燃料安全供應和解決石油基液體燃料帶來的環保問題的一個途徑。目前研究者們已提出多種化工品聯產電的方案,如甲醇/電聯產系統方案,二甲醚/電聯產系統方案,以及 F-T合成燃料/電聯產系統方案等。其中,以合成氣為原料,利用F-T合成技術得到的液體燃料優勢明顯。其特點在于F-T合成柴油中的硫、氮和砷等含量均較低,F-T合成燃料的產品質量優于石油產品;F-T合成柴油的16烷值達到70,可作為優質油用于其他油品的調
4配,在不改變現有基礎設施的條件下即可送至用戶。而發展其他代用燃料,除了需要解決發動機改造、燃燒過程遇到的啟動、運行和控制等問題之外,還需要解決代用燃料的存貯、運輸和供應系統的建設等問題。而與煤直接液化制油技術相比,煤間接液化技術具有工藝技術相對成熟,煤種適應范圍寬,碳轉化率高、對反應器操作條件要求相對低和油品質量高等優勢。由此可見,利用聯產概念,研究構建帶CO2捕集的煤氣化F-T合成燃料/電聯產系統方案,對于穩定我國燃料安全供應,改善其環保性能,發展煤炭清潔高效綜合利用技術具有重要意義。
發明內容
(一)要解決的技術問題
本發明的目的在于提出一套能夠簡化化工合成單元工藝流程、聯產化工品和電兩種產品,同時能夠捕集CO2,主要部件單元采用基于當前商業技術的增壓AAD2燃燒煤氣化F-T 合成/電聯產系統,特別適用于改造現有合成工藝流程復雜、能耗高、CO2排量大的單獨用于合成液體燃料的煤氣化F-T合成系統。(二)技術方案
本發明所述的帶CO2捕集的煤氣化費托合成燃料聯產電的系統及方法,其特征在于包括以下單元過程空氣分離單元、煤氣化及初步凈化單元、合成氣脫硫脫碳凈化單元、F-T 合成單元、動力發電單元和(X)2壓縮單元;
其中,空氣分離單元原料入口與空氣接通,空氣分離單元副產品氮氣出口與大氣接通, 空氣分離單元產品氧氣出口分成兩條支路;其中一條支路與煤氣化及初步凈化單元的氧氣入口相連,另一條支路與動力發電單元的氣化劑氧氣入口相連;煤氣化及初步凈化單元還具有煤和水入口,煤氣化及初步凈化單元的粗合成氣出口與合成氣脫硫脫碳凈化單元的粗合成氣入口相連;合成氣脫硫脫碳凈化單元的凈合成氣出口與F-T合成單元新氣入口相連,合成氣脫硫脫碳凈化單元還具有硫出口和CO2出口 ;F-T合成單元的尾氣出口與動力發電單元的燃料入口相連,F-T合成單元還具有合成油出口 ;動力發電單元的煙氣出口與CO2 壓縮單元入口相連;
上述F-T合成單元依次由預熱器、F-T合成反應器、氣液分離裝置以及與氣液分離裝置液相出口相連的加氫提質裝置構成,加氫提質裝置上具有合成油出口 ;上述預熱器位于 F-T合成反應器出口位置,以利用F-T合成反應器出口物流顯熱對新合成氣進行預熱;
上述動力發電單元包括燃料入口與F-T合成單元氣液分離裝置氣相出口相連的增壓燃氣鍋爐,增壓燃氣鍋爐的煙氣出口分為兩條支路,其中一條支路經過冷凝器分離液態水后得到高壓高純度氣相CO2,另一條支路經過循環壓縮機與增壓燃氣鍋爐的摻冷氣入口相連,增壓燃氣鍋爐還具有氧氣入口 ;增壓燃氣鍋爐的新蒸汽出口依次與超超臨界汽輪機、凝汽器、循環水泵相連,再與增壓燃氣鍋爐的水入口相連。本發明所述系統的合成燃料聯產電的方法,其特征在于包括以下過程 第一步、空氣在空氣分離單元分離成氮氣和氧氣;
第二步、氧氣與煤、水在煤氣化及初步凈化單元制成粗合成氣,粗合成氣主要成分為 CO、H2、H2O, H2S和CO2,粗合成氣顯熱用于加熱動力發電單元的工質水;第三步、粗合成氣在合成氣脫硫脫碳凈化單元被制成凈合成氣,并排出副產品S和少量CO2,凈合成氣主要成分為CO和H2 ;
第四步、凈合成氣在F-T合成單元制成合成油并排出尾氣;該步驟具體過程如下 來自合成氣脫硫脫碳凈化單元的凈合成氣經過預熱器后進入F-T合成反應器反應,而 F-T合成反應器出口物流被預熱器冷卻后進入氣液分離裝置;
F-T合成反應器是一種采用!^基催化劑的漿態床F-T合成反應器,合成氣在其中被轉化為含有不同碳原子數的混合烴;
預熱器出口的冷卻物流在氣-液分離裝置中進行氣-液分離,氣液分離裝置出口可以得到液相產物和氣相產物,氣相產物作為燃料與動力發電單元燃氣鍋爐燃料氣入口相連, 氣相產物的主要成分為低碳烴、CO、H2和(X)2 ;
以上液相產物送入加氫提質裝置制得液態燃料油;第五步、尾氣作為動力發電單元 (5)的燃料,在AAD2條件下產生煙氣;該步驟具體過程如下
F-T合成單元氣-液分離裝置出口氣相產物在增壓燃氣鍋爐內、在O2AD2助燃及摻冷條件下,完全燃燒并生成主要成分為(X)2和H2O的煙氣,煙氣出口分為兩條支路,循環水在增壓燃氣鍋爐內被煙氣加熱變成超超臨界蒸汽;
其中一條支路的煙氣經冷凝器分離液態水后得到高純度的氣態CO2,另一條支路的煙氣經循環壓縮機增壓后用于增壓燃氣鍋爐的摻冷。從增壓燃氣鍋爐出來的超超臨界蒸汽進入超超臨界汽輪機將熱能轉化為機械能并進一步被轉化為電能;
凝汽器,超超臨界汽輪機出口的乏氣經凝汽器冷凝為液態水、再經循環水泵與增壓燃氣鍋爐循環水入口相連;
第六步、煙氣在(X)2壓縮單元被制成高壓高純度的液相co2。
圖1是捕集(X)2的煤氣化費托合成燃料/電聯產系統工藝流程2是新系統費托合成單元的工藝流程圖
圖3是新系統動力發電單元的工藝流程4是常規費托合成單元工藝流程5是常規IGCC系統工藝流程6是常規煤氣化費托合成系統工藝流程圖
圖中標號名稱1.空氣分離單元,2.煤氣化單元,3.合成氣脫硫脫碳單元,4.費托合成單元,5.動力發電單元,6. CO2壓縮單元,7.費托合成反應器,8.預熱器,9.氣-液分離裝置,10. 0)2吸收塔,11.貧富液熱交換器,12. 0)2再生塔,13.加氫提質裝置,14. 換熱器,15.自熱重整反應器,16.循環尾氣壓縮機,17.增壓燃氣鍋爐,18.汽輪機, 19.發電機,20.凝汽器,21.循環水泵,22.冷凝器,23.循環壓縮機。
具體實施例方式本發明涉及一種捕集(X)2的煤氣化費托合成燃料/電聯產系統。本發明提出的系統主要是結合采用狗基催化劑的F-T合成過程的(X)2增濃作用。構成一個主要由空氣分離單元,煤氣化及初步凈化單元,合成氣脫硫脫碳凈化單元,F-T合成單元和動力發電單元構成的聯產系統方案。原料煤、水和來自空氣分離單元的氧氣在煤氣化單元的氣化爐發生氣化反應制取得到高溫高壓的粗合成氣,粗合成氣的主要成分為CO、CO2, H2、H2O和H2S。與常規煤氣化單元的輻射換熱器或者對流換熱器內換熱形式不同,該聯產系統氣化單元粗合成氣換熱器內冷側流體為處于超超臨界壓力的冷卻水,而常規煤氣化單元粗合成氣換熱器內冷側流體采用的是高壓水。在不改變原有粗合成氣換熱器換熱面積的條件下,該聯產系統的煤氣化單元及初步凈化單元出口合成氣能夠被冷卻至更低溫度;從煤氣化及初步凈化單元得到的高壓低溫粗合成氣進入合成氣脫硫脫碳凈化單元,其中粗合成氣中H2S和(X)2被分步分離并被轉化為S和CO2,經過該單元得到的凈合成氣作為原料氣被送入F-T合成單元。凈合成氣在F-T合成單元通過采用狗基催化劑的一次通過漿態床費托合成技術。主要是鑒于采用狗基催化劑的漿態床F-T合成能夠適應吐/CO比較低的合成氣,該過程較固定床反應器等的一次通過合成氣轉化率高。而且在合成氣轉化率較高的條件下,Fe基催化劑通過水氣變換調整合成氣組成的作用,使得F-T合成尾氣具有(X)2含量高、可燃成份(H2、CO、C4_等低碳烴)含量低和熱值低等特點。由于以上該F-T合成過程在生產液體燃料的同時,其對合成氣組成的調整有利于降低捕集單位(X)2對應的氧氣耗量,從而降低系統內部功耗。在動力發電單元,一次通過費托合成尾氣直接作為增壓燃氣鍋爐的燃料(增壓燃氣鍋爐操作壓力與F-T合成尾氣壓力相當),在來自空氣分離單元的純氧助燃條件下,充分燃燒產生主要成分為CO2和H2O的高溫高壓煙氣。增壓燃氣鍋爐省煤器排出的煙氣被分為兩條支路一條支路循環回燃氣鍋爐用于控制燃燒溫度;另一支路被冷凝并分離液態水后, 可以得到高純度的壓力C02。增壓燃氣鍋爐燃燒產生的高溫煙氣(主要成分為三原子氣體, 較N2具有更高的輻射換熱系數)加熱水,生產的高溫高壓蒸汽推動超超臨界汽輪機實現發電。由于F-T合成尾氣中有效成分(H2、CO和CH4等低碳烴)含量低,采用增壓燃氣鍋爐通過使用增壓AAD2燃燒技術需要消耗的氧氣量少;F-T合成尾氣熱值低,而(X)2含量較高,用于控制入口煙氣溫度的摻冷(X)2循環量少,對應循環煙氣壓縮機的功耗低;而且增壓&/C02 燃燒產物主要為三原子分子(O)2和H2O),其能夠提高鍋爐內輻射換熱系數,減少受熱面的布置。考慮到F-T合成尾氣壓力高(與F-T合成反應器操作壓力相當),采用增壓仏/0)2燃燒技術能夠從燃氣鍋爐排煙中分離得到壓力C02,從而可以降低CO2捕集過程的壓縮功耗。 因此,該動力發電單元采用的增壓燃氣鍋爐和超超臨界蒸汽參數能夠提高增壓燃氣鍋爐的火用利用率、降低(X)2的壓縮功耗。壓力(X)2在(X)2壓縮單元通過帶間冷器的多級離心式壓縮機的壓縮和冷卻作用,制成便于運輸和埋存的液相C02。總之,與相同產出的單產方案(圖5所示的IGCC+圖6所示的單獨F-T合成)相比, 該聯產系統及方法具有工藝流程簡單、化/電比調節靈活、能夠捕集(X)2的特點,特別適用于改造現有煤氣化費托合成系統,并實現捕集CO2,而且該系統在工藝技術成熟度方面也具有優勢,且在高化電比條件下的性能優勢明顯。
權利要求
1.一種帶(X)2捕集的煤氣化費托合成燃料聯產電系統,其特征在于該系統包括空氣分離單元(1)、煤氣化及初步凈化單元(2)、合成氣脫硫脫碳凈化單元(3)、F-T合成單元 (4)、動力發電單元(5)和CO2壓縮單元(6);其中,空氣分離單元(1)原料入口與空氣接通,空氣分離單元(1)的副產品氮氣出口與大氣接通,空氣分離單元(1)的產品氧氣出口分成兩條支路;其中一條支路與煤氣化及初步凈化單元(2)的氧氣入口相連,另一條支路與動力發電單元(5)的氣化劑氧氣入口相連; 煤氣化及初步凈化單元(2)還具有煤和水入口,煤氣化及初步凈化單元(2)的粗合成氣出口與合成氣脫硫脫碳凈化單元(3)的粗合成氣入口相連;合成氣脫硫脫碳凈化單元(3)的凈合成氣出口與F-T合成單元(4 )新氣入口相連,合成氣脫硫脫碳凈化單元(3 )還具有硫出口和CO2出口 ;F-T合成單元(4)的尾氣出口與動力發電單元(5)的燃料入口相連,F-T合成單元(4)還具有合成油出口 ;動力發電單元(5)的煙氣出口與(X)2壓縮單元(6)的入口相連;上述F-T合成單元依次由預熱器(8)、F-T合成反應器(7)、氣液分離裝置(9)以及與氣液分離裝置液相出口相連的加氫提質裝置(13)構成,加氫提質裝置(13)上具有合成油出口 ;上述預熱器(8)位于F-T合成反應器(7)出口位置,以利用F-T合成反應器(7)出口物流顯熱對新合成氣進行預熱;上述動力發電單元(5 )包括燃料入口與F-T合成單元(4 )氣液分離裝置氣相出口相連的增壓燃氣鍋爐(17),增壓燃氣鍋爐(17)的煙氣出口分為兩條支路,其中一條支路經過冷凝器(22)分離液態水后得到高壓高純度氣相CO2,另一條支路經過循環壓縮機(23)與增壓燃氣鍋爐(17)的摻冷氣入口相連,增壓燃氣鍋爐(17)還具有氧氣入口 ;增壓燃氣鍋爐(17) 的新蒸汽出口依次與超超臨界汽輪機(18)、凝汽器(20)、循環水泵(21)相連,再與增壓燃氣鍋爐(17)的水入口相連。
2.利用權利要求1所述系統的合成燃料聯產電的方法,其特征在于包括以下過程 第一步、空氣在空氣分離單元(1)分離成氮氣和氧氣;第二步、氧氣與煤、水在煤氣化及初步凈化單元(2)制成粗合成氣,粗合成氣主要成分為CO、H2、H20、H2S和CO2,粗合成氣顯熱用于加熱動力發電單元(5)的工質水;第三步、粗合成氣在合成氣脫硫脫碳凈化單元(3)被制成凈合成氣,并排出副產品S和少量CO2,凈合成氣主要成分為CO和H2 ;第四步、凈合成氣在F-T合成單元(4)制成合成油并排出尾氣;該步驟具體過程如下 來自合成氣脫硫脫碳凈化單元的凈合成氣經過預熱器(8)后進入F-T合成反應器(7) 反應,而F-T合成反應器(7)出口物流被預熱器(8)冷卻后進入氣液分離裝置(9);F-T合成反應器(7)是一種采用!^基催化劑的漿態床F-T合成反應器,合成氣在其中被轉化為含有不同碳原子數的混合烴;預熱器(8)出口的冷卻物流在氣-液分離裝置(9)中進行氣-液分離,氣液分離裝置 (9)出口可以得到液相產物和氣相產物,氣相產物作為燃料與動力發電單元燃氣鍋爐(17) 燃料氣入口相連,氣相產物的主要成分為低碳烴、CO、H2和CO2;以上液相產物送入加氫提質裝置(13)制得液態燃料油;第五步、尾氣作為動力發電單元(5)的燃料,在AAD2條件下產生煙氣;該步驟具體過程如下F-T合成單元氣-液分離裝置出口氣相產物在增壓燃氣鍋爐內、在O2AD2助燃及摻冷條件下,完全燃燒并生成主要成分為(X)2和H2O的煙氣,煙氣出口分為兩條支路,循環水在增壓燃氣鍋爐內被煙氣加熱變成超超臨界蒸汽;其中一條支路的煙氣經冷凝器(22)分離液態水后得到高純度的氣態(X)2 ; 另一條支路的煙氣經循環壓縮機(23)增壓后用于增壓燃氣鍋爐的摻冷; 從增壓燃氣鍋爐(17)出來的超超臨界蒸汽進入超超臨界汽輪機(18)將熱能轉化為機械能并進一步被轉化為電能;凝汽器(20),超超臨界汽輪機(18)出口的乏氣經凝汽器(20)冷凝為液態水、再經循環水泵(21)與增壓燃氣鍋爐循環水入口相連;第六步、煙氣在(X)2壓縮單元(6)被制成高壓高純度的液相C02。
全文摘要
本發明涉及一種帶CO2捕集的煤氣化費托合成燃料聯產電系統及方法,屬于能源與環境技術領域。該系統包括空氣分離單元(1)、純氧加壓氣流床煤氣化及初步凈化單元(2)、合成氣脫硫脫碳凈化單元(3)、使用Fe基催化劑的一次通過費托合成單元(4)、采用O2/CO2燃燒技術的增壓燃氣鍋爐和超超臨界汽輪機的動力發電單元(5)和CO2壓縮單元(6)。該聯產系統較單產系統具有工藝流程簡單、化/電比調節靈活,同時能夠捕集CO2的特點,特別適用于改造現有煤氣化費托合成系統并實現減排CO2。
文檔編號F01K11/02GK102212396SQ20111011291
公開日2011年10月12日 申請日期2011年5月4日 優先權日2011年5月4日
發明者岳晨, 焦煒琦, 韓東 申請人:南京航空航天大學