專(zhuān)利名稱(chēng)：：一種多功能能源系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及制氫、發(fā)電和C02排放控制
技術(shù)領(lǐng)域：
，尤其涉及一種以煤和天然氣為燃料制備氫、液態(tài)二氧化碳并實(shí)現(xiàn)發(fā)電的多功能能源系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
：目前與本發(fā)明相關(guān)的技術(shù)主要包括制氫技術(shù)、發(fā)電技術(shù)和C02控制技術(shù)，其各自技術(shù)的發(fā)展情況和系統(tǒng)特征如下。l.制氫技術(shù)氫氣廣泛應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程，如石油、化工、冶金、航天、醫(yī)藥等，其中應(yīng)用量最大的是石油化工。工業(yè)上制氫過(guò)程種類(lèi)很多，根據(jù)原料不同，可以分為化石燃料制氫和二次能源(甲醇、金屬、電等)制氫。占主導(dǎo)地位的是化石燃料制氫，因?yàn)榛剂喜粌H廉價(jià)而且設(shè)備初投資和運(yùn)行維護(hù)成本比較低。天然氣和煤是兩種主要的化石能源來(lái)源，他們的性質(zhì)具有較大的差別。天然氣是清潔能源，不含灰分，含硫量較少；煤含有大量的雜質(zhì)，包括灰分、硫分和堿金屬等。煤炭在利用時(shí)較天然氣困難，需要配置高效的除塵和脫硫裝置。我國(guó)煤炭資源豐富，是我國(guó)的主要能源來(lái)源，而天然氣資源相對(duì)匱乏。煤和重油都是含碳量比較高的燃料，當(dāng)他們用于制氫時(shí)，一般需要經(jīng)過(guò)氣化過(guò)程轉(zhuǎn)換成合成氣。因此，以煤和重油為原料的制氫系統(tǒng)通常都需要空分單元，制取純氧供煤或重油的氣化過(guò)程使用。他們共同的特點(diǎn)就是設(shè)備投資大，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用高。煤炭和重油中的含氫量少，含碳量高，因此，氣化過(guò)程制備的合成氣中H2的濃度較低，需要較大的分離設(shè)備和較高的分離能耗制備純凈氫氣。長(zhǎng)期以來(lái)天然氣燃料轉(zhuǎn)化制氫成為最經(jīng)濟(jì)的制氫方法，也是廣泛應(yīng)用的方法。天然氣燃料制氫流程主要有(1)天然氣/水蒸汽重整制氫。天然氣經(jīng)過(guò)壓縮、脫硫后與水蒸汽混合，再進(jìn)入轉(zhuǎn)化爐對(duì)流段，被煙氣間接加熱到40(TC以上后進(jìn)入反應(yīng)爐，在催化劑的作用下發(fā)生重整反應(yīng)，生成合成氣，出口溫度一般維持在約800X:左右。重整產(chǎn)物中氫氣含量約70%，經(jīng)余熱回收和冷卻后在PSA中分離得到高純度氫氣。甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化過(guò)程采用鎳作為催化劑，操作溫度在750~920°C，操作壓力在0.52.86Mpa，重整反應(yīng)所需要的高溫反應(yīng)熱是靠燃燒天然氣提供的。(2)天然氣部分氧化重整制氫。天然氣經(jīng)過(guò)壓縮、脫硫后與水蒸汽混合，預(yù)熱到約500°C，氧氣或富氧空氣經(jīng)過(guò)壓縮后也預(yù)熱到約500°C。這兩股氣流分別進(jìn)入反應(yīng)器頂端的噴嘴，在此充分混合，進(jìn)入反應(yīng)器進(jìn)行部分氧化反應(yīng)。一部分天然氣與氧氣反應(yīng)生成H20及C02，并產(chǎn)生熱量供剩余的天然氣/水蒸汽在反應(yīng)器的催化層中發(fā)生的重整反應(yīng)利用。反應(yīng)器下部出來(lái)的合成氣溫度在900100(TC，氫氣含量在50~60%。合成氣經(jīng)過(guò)冷凝水淬冷，再經(jīng)過(guò)熱量回收并降溫，然后送入PSA裝置進(jìn)行分離。傳統(tǒng)的制氫系統(tǒng)往往更加關(guān)注高的氫氣產(chǎn)量和產(chǎn)率，對(duì)天然氣合理利用沒(méi)有給予足夠的重視。例如在天然氣/水蒸汽重整制氫流程中，輸入系統(tǒng)的天然氣要分成兩部分，一部分作為重整反應(yīng)物(64%左右)，與水蒸汽混合后進(jìn)行重整反應(yīng)；另一部分(36%左右)作為燃料天然氣，在重整反應(yīng)器中燃燒，將溫度為80095(TC的熱量提供給重整反應(yīng)。圖1為傳統(tǒng)的天然氣重整反應(yīng)示意圖，lkmol天然氣(假定天然氣成份全部為甲烷)輸入時(shí)，0.368kmo1的甲烷作為燃料燃燒，為0.632kmo1的甲烷/水蒸汽重整反應(yīng)提供反應(yīng)熱，重整產(chǎn)物為1.896kmo1的112和0.632kmo1的CO。清潔的天然氣在該制氫流程中的利用并不合理，燃料天然氣燃燒過(guò)程產(chǎn)生的高溫?zé)崃?1800~2000°C)，僅僅供給80095(TC的重整反應(yīng)，可見(jiàn)伴隨熱量傳遞過(guò)程的溫差(IOO(TC左右)，天然氣/水蒸汽重整過(guò)程的不可逆損失較大。在天然氣部分氧化流程中，天然氣通過(guò)部分氧化反應(yīng)轉(zhuǎn)換成合成氣，與重整反應(yīng)不同，不需要外部供熱。天然氣部分氧化反應(yīng)可以分成兩個(gè)子過(guò)程第一個(gè)子過(guò)程為部分天然氣與純氧發(fā)生完全氧化反應(yīng)，生成C02和H20，同時(shí)放出大量高溫?zé)崃?。第二個(gè)子過(guò)程為天然氣/水蒸汽的重整反應(yīng)，吸收第一個(gè)子過(guò)程放出的大量熱量。天然氣部分氧化與天然氣/水蒸汽重整過(guò)程類(lèi)似，也存在一個(gè)大溫差的傳熱過(guò)程，因此天然氣部分氧化制取合成氣也具有較大的不可逆損失。減少重整反應(yīng)和部分氧化反應(yīng)過(guò)程的不可逆損失是進(jìn)一步降低系統(tǒng)制氫能耗的潛力所在。2.發(fā)電技術(shù)傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)主要為燃煤發(fā)電和天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)。發(fā)電過(guò)程中都是將燃料煤或天然氣直接進(jìn)行燃燒，對(duì)發(fā)電介質(zhì)(工質(zhì))進(jìn)行加熱，然后在熱動(dòng)力轉(zhuǎn)換裝置(蒸汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)等)中將熱能進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為功(電)。一直以來(lái)為了提高系統(tǒng)效率，能源系統(tǒng)都是向著提高參數(shù)方向發(fā)展，努力提高溫比和壓比。例如，在天然氣聯(lián)合循環(huán)電廠(chǎng)中，燃?xì)廨啓C(jī)入口溫度，由幾十年前的90(TC左右，提高到現(xiàn)在的140(TC左右。在燃煤電廠(chǎng)中，汽輪機(jī)入口蒸汽參數(shù)由最初的40(TC左右，提高到現(xiàn)在的60(TC左右，相應(yīng)的壓力也提高到25MPa以上。隨著系統(tǒng)熱力參數(shù)的提高，系統(tǒng)性能也有了較大的進(jìn)步，目前的天然氣聯(lián)合循環(huán)的發(fā)電效率可接近60%，超臨界燃煤電廠(chǎng)的發(fā)電效率可達(dá)43%左右。但是，由于受到材料的限制，進(jìn)一步提高熱力參數(shù)(尤其是循環(huán)初溫)在工程上變得非常困難。發(fā)電系統(tǒng)中，不可逆性最大的過(guò)程發(fā)生在燃燒過(guò)程，因此，減少燃燒過(guò)程的不可逆損失是進(jìn)一步提高發(fā)電系統(tǒng)性能的最大潛力。整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)是清潔高效利用煤炭的有效方法之一。煤先經(jīng)過(guò)氣化，制得的合成氣，然后合成氣作為聯(lián)合循環(huán)的燃料，完成高效利用，目前IGCC系統(tǒng)有十幾座示范電站在世界各地運(yùn)行，系統(tǒng)發(fā)電效率高達(dá)40%-45%。但是IGCC系統(tǒng)更加復(fù)雜，與天然氣基聯(lián)合循環(huán)相比，增加了氣化爐、空分裝置和合成氣凈化裝置等，這些裝置的運(yùn)行不但帶來(lái)了額外的能量損失，而且這些裝置的投資巨大，使得IGCC系統(tǒng)的單位發(fā)電量投資比聯(lián)合循環(huán)電廠(chǎng)高出1~2倍。由于IGCC系統(tǒng)的初投資過(guò)大，限制了IGCC系統(tǒng)的大規(guī)模應(yīng)用。系統(tǒng)集成是提高熱力系統(tǒng)性能的另外一個(gè)重要途徑，20世紀(jì)80年代提出的總能系統(tǒng)的概念極大促進(jìn)了熱力系統(tǒng)的發(fā)展。按照熱能品位的高低，進(jìn)行梯級(jí)利用。例如，熱力循環(huán)由最初的簡(jiǎn)單循環(huán)(布雷頓循環(huán)和朗肯循環(huán))發(fā)展到復(fù)合循環(huán)(聯(lián)合循環(huán))，燃料燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)崃肯冗M(jìn)入布雷頓循環(huán)，在燃?xì)馔钙街修D(zhuǎn)換成功，燃?xì)馔钙脚艧熤刑N(yùn)含的中溫余熱再被朗肯循環(huán)回收，生產(chǎn)高溫過(guò)熱蒸汽，驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。通過(guò)兩個(gè)系統(tǒng)的耦合集成，系統(tǒng)效率有了大幅提高，從單獨(dú)循環(huán)的30~40%提高到復(fù)合循環(huán)的50~60%。隨著熱能利用越來(lái)越合理，熱力系統(tǒng)性能提高的潛力越來(lái)越小。通過(guò)系統(tǒng)不可逆性分析發(fā)現(xiàn)，能量利用過(guò)程中損失最大之處不在于熱能利用過(guò)程，而是在于燃燒過(guò)程(燃料化學(xué)能向熱能轉(zhuǎn)化過(guò)程)。與化工系統(tǒng)相比動(dòng)力系統(tǒng)雖然強(qiáng)調(diào)了熱能的梯級(jí)利用，但是忽略了燃料化學(xué)能的合理利用，可見(jiàn)化工和動(dòng)力都存在著自己的不足，但是兩者存在互補(bǔ)的潛力。3.分離C02技術(shù)大量排放C02溫室氣體，導(dǎo)致的全球變暖問(wèn)題越來(lái)越引起人們的廣泛關(guān)注?！毒┒甲h定書(shū)》指定了發(fā)達(dá)國(guó)家和發(fā)展中國(guó)家在2012年前的排放規(guī)定。以后隨著人們對(duì)環(huán)境問(wèn)題認(rèn)識(shí)的不斷深入，C02減排將成為以后工業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的一部分。伴隨化石能源的利用而排放到大氣中是大氣中C02濃度提高的主要原因?；剂蠌V泛應(yīng)用于化工和電力行業(yè)，如何降低化石燃料使用過(guò)程中的C02的排放越來(lái)越受到重視。RiemerP.在IEA溫室氣體研發(fā)項(xiàng)目(TheIEAGreenhouseGasR&DProgramme)資助下，對(duì)溫室氣體技術(shù)進(jìn)行了全面的綜述，展望了該項(xiàng)目在分離、存儲(chǔ)C02的未來(lái)行動(dòng)計(jì)劃。指出分離C02使發(fā)電機(jī)組的效率降低10%,發(fā)電成本提高50%，這是目前經(jīng)濟(jì)發(fā)展所不能承受的。C02分離可以分為燃燒后、燃燒中和燃燒前分離三種技術(shù)。(1)從燃燒后的煙氣分離C02對(duì)前面的發(fā)電系統(tǒng)配置基本不影響，但是煙氣中的C02被其他氣體稀釋?zhuān)瑢?dǎo)致分離能耗很高，燃燒后分離C02會(huì)使系統(tǒng)效率降低1015個(gè)百分點(diǎn)。(2)燃燒中分離C02指以CVC02循環(huán)為代表的一類(lèi)先進(jìn)熱力循環(huán)。在02/(:02循環(huán)中需要純氧作氧化劑，C02或水作為工作介質(zhì)，燃燒產(chǎn)物為C02和H20的混合物，通過(guò)簡(jiǎn)單的冷卻就可以實(shí)現(xiàn)C02的分離，但是02的制備過(guò)程要消耗大量的電能，同時(shí)設(shè)備投資大幅增加。02/0!02發(fā)電系統(tǒng)由于空分引起系統(tǒng)效率降低io個(gè)百分點(diǎn)左右。(3)燃燒前分離C02，就是將燃料燃燒之前經(jīng)過(guò)化學(xué)反應(yīng)使C02在氣體量較小時(shí)高濃度的富集起來(lái)，進(jìn)行分離。燃燒前分離C02的系統(tǒng)，系統(tǒng)熱效率會(huì)降低710個(gè)百分點(diǎn)。低能耗分離C02系統(tǒng)成為現(xiàn)在能源環(huán)境C02研究的重點(diǎn)。
發(fā)明內(nèi)容(一)要解決的技術(shù)問(wèn)題有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種多功能能源系統(tǒng)，以針對(duì)當(dāng)前制氫與發(fā)電系統(tǒng)中煤和天然氣利用不合理現(xiàn)象，結(jié)合煤和天然氣兩種化石能源的特點(diǎn)，將煤和天然氣的利用過(guò)程綜合起來(lái)，提高燃料的利用率;并在系統(tǒng)集成時(shí)將C02分離過(guò)程與能量利用過(guò)程綜合考慮，實(shí)現(xiàn)低能耗的分離C02。(二)技術(shù)方案為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的一種多功能能源系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括重整反應(yīng)器，用于利用煤和天然氣制備氫氣與一氧化碳的合成氣，并將制備的合成氣冷卻后輸出給變換反應(yīng)器；變換反應(yīng)器，用于將合成氣中的一氧化碳轉(zhuǎn)換成二氧化碳，并將氫氣與二氧化碳的混合氣輸出給變壓吸附裝置；變壓吸附裝置，用于從混合氣體中分離得到氫氣，然后將分離氫氣后的尾氣經(jīng)過(guò)壓縮后輸出給二氧化碳物理分離裝置；二氧化碳物理分離裝置，用于從尾氣中分離得到純凈的二氧化碳?xì)怏w，將得到的二氧化碳?xì)怏w輸出給二氧化碳液化裝置，并將分離二氧化碳后剩余的富氫燃料輸出給發(fā)電裝置；二氧化碳液化裝置，用于對(duì)輸入的二氧化碳?xì)怏w進(jìn)行液化，得到液態(tài)的二氧化碳；發(fā)電裝置，用于將二氧化碳物理分離裝置輸入的富氫燃料的化學(xué)能和余熱回收與蒸汽發(fā)生裝置輸入的蒸汽熱能轉(zhuǎn)化為電能，并將排放的煙氣輸出給余熱回收與蒸汽發(fā)生裝置；余熱回收與蒸汽發(fā)生裝置，用于吸收重整反應(yīng)器和發(fā)電裝置排放的煙氣中的熱量，生產(chǎn)過(guò)熱蒸汽供重整反應(yīng)器和發(fā)電裝置使用，冷卻后的煙氣輸出給二氧化碳化學(xué)分離裝置；二氧化碳化學(xué)分離裝置，用于從余熱回收與蒸汽發(fā)生裝置輸入的煙氣中分離得到純凈的二氧化碳，將得到的二氧化碳?xì)怏w輸出給二氧化碳液化裝置，脫碳后的煙氣排入大氣。上述方案中，所述重整反應(yīng)器進(jìn)一步包括一反應(yīng)管，在重整反應(yīng)器利用煤和天然氣制備氫氣與一氧化碳的合成氣時(shí)，煤和空氣在反應(yīng)管外燃燒產(chǎn)生熱量，供天然氣和余熱回收與蒸汽發(fā)生裝置輸入的水蒸汽在反應(yīng)管內(nèi)的催化劑表面發(fā)生重整反應(yīng)，生成氫氣與一氧化碳的合成氣，然后將生成的氫氣與一氧化碳的合成氣冷卻輸出給變換反應(yīng)器，并將煙氣輸出給余熱回收與蒸汽發(fā)生裝置。上述方案中，所述重整反應(yīng)的溫度被控制在55(TC以上，重整反應(yīng)水碳比為3至5，重整反應(yīng)壓力控制在0.2至0.5MPa;所述生成的合成氣先被冷卻到300至40(TC，同時(shí)產(chǎn)生高壓過(guò)熱蒸汽，然后再進(jìn)入變換反應(yīng)器。上述方案中，所述變換反應(yīng)器包括高溫變換反應(yīng)器，該高溫變換反應(yīng)器的工作溫度為300至35(TC。上述方案中，所述變換反應(yīng)器包括高溫變換反應(yīng)器和低溫變換反應(yīng)器，所述高溫變換反應(yīng)器的工作溫度為300至35(TC，所述低溫變換反應(yīng)器的工作溫度為180至250°C。上述方案中，所述氫氣與一氧化碳的合成氣經(jīng)過(guò)變換反應(yīng)器后轉(zhuǎn)換為氫氣與二氧化碳的混合氣，該混合氣先經(jīng)過(guò)冷卻器冷卻，再經(jīng)過(guò)壓縮，將壓力提高的0.5至3MPa，然后再進(jìn)入變壓吸附裝置。上述方案中，所述變壓吸附裝置分離氫氣后的尾氣在壓縮時(shí)加壓到l.OMPa以上，然后輸出給二氧化碳物理分離裝置。上述方案中，所述發(fā)電裝置為燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)。上述方案中，所述余熱回收與蒸汽發(fā)生裝置在生產(chǎn)過(guò)熱蒸汽時(shí)產(chǎn)生的來(lái)自重整器的煙氣，先經(jīng)過(guò)脫硫裝置將硫脫除，然后再輸出給二氧化碳化學(xué)分離裝置，來(lái)自動(dòng)力裝置的煙氣直接排入大氣。(三)有益效果從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果1、天然氣是一種清潔的氣體燃料，在傳統(tǒng)的制氫系統(tǒng)中天然氣燃燒(理論燃燒溫度200(TC)僅僅提供90(TC左右的熱量用于天然氣重整，燃燒過(guò)程損失巨大。而在本發(fā)明提供的這種多功能能源系統(tǒng)中，天然氣沒(méi)有作為燃料燒掉，全部作為重整產(chǎn)物參加重整反應(yīng)，天然氣的全部轉(zhuǎn)化成合成氣，利用更加合理。煤通常用于燃煤電廠(chǎng)的燃料，通過(guò)直接燃燒產(chǎn)生過(guò)熱蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)做功，目前蒸汽溫度在60(TC以下。在本發(fā)明提供的這種多功能能源系統(tǒng)中，煤燃燒為重整反應(yīng)提供90(TC左右的熱量，可見(jiàn)煤在多功能系統(tǒng)中得到了更高效的利用。煤和天然氣的綜合利用使天然氣的利用更加合理，煤的高效利用更加簡(jiǎn)單，因而大大提高了燃料的利用率。2、在本發(fā)明提供的這種多功能能源系統(tǒng)中，將制氫系統(tǒng)與熱力循環(huán)整合起來(lái)，在含氫量很高的合成氣(氫氣濃度高達(dá)64%)中，采取低能耗的變壓吸附方法制取氫氣，同時(shí)還可以根據(jù)需要選擇適當(dāng)?shù)腍2分離率。由于氫氣的分離，變壓吸附過(guò)程排放的尾氣中C02濃度也有了很大的提高(42%)。3、在本發(fā)明提供的這種多功能能源系統(tǒng)中，變壓吸附過(guò)程排放的尾氣作為動(dòng)力裝置的燃料，還要進(jìn)行壓縮過(guò)程，C02分壓的增大為降低C02分離能耗提供了條件。在傳統(tǒng)制氫系統(tǒng)中，變壓吸附過(guò)程排放的尾氣直接送入重整器燃燒，為重整反應(yīng)提供反應(yīng)熱；由于尾氣燃燒過(guò)程產(chǎn)生的C02被空氣稀釋?zhuān)虼藗鹘y(tǒng)制氫系統(tǒng)中分離C02的能耗遠(yuǎn)高于多功能系統(tǒng)的分離能耗。本系統(tǒng)比目前其他系統(tǒng)熱效率提高大約8個(gè)百分點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)零能耗控制和回收C02。4、在本發(fā)明提供的這種多功能能源系統(tǒng)中，分離C02后的富氫燃料氣輸送到動(dòng)力單元的燃?xì)廨啓C(jī)作為燃料，高溫燃燒后做功發(fā)電，而不是將燃燒放出的中低溫?zé)崃抗┙o重整反應(yīng)。透平進(jìn)口溫度越高，尾氣燃燒過(guò)程中的損失就越小，實(shí)現(xiàn)燃料化學(xué)能的高效的梯級(jí)利用。在雙燃料制氫同時(shí)發(fā)電的多功能系統(tǒng)中，將制H2和C02分離統(tǒng)籌考慮，在系統(tǒng)集成上進(jìn)行革新，使得分離H2和C02時(shí)的濃度都盡量提高，減少分離操作過(guò)程的耗功。圖1為傳統(tǒng)的天然氣重整反應(yīng)示意圖2為本發(fā)明提供的多功能能源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖3為本發(fā)明提供的多功能能源系統(tǒng)中雙燃料重整過(guò)程的示意圖4為依照本發(fā)明實(shí)施例的多功能系統(tǒng)的工作流程在圖4中，l為雙燃料重整反應(yīng)器，2、5、7、10和16-19為換熱器，3和4為CO/變換反應(yīng)器，6、9和11為燃料氣壓縮機(jī)，8為變壓吸附裝置，12為C02物理分離及液化裝置，13為燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室，14為壓氣機(jī)，15為燃?xì)馔钙剑?0為CO2化學(xué)分離及液化裝置，21和22為蒸汽透平，23為冷凝器，24為給水泵，25和26為發(fā)電機(jī)。sl為天然氣和水蒸汽混合物，s2為合成氣，s3為冷卻后的合成氣，s4為高溫變換后的合成氣，s5為氫氣和二氧化碳混合物，s6為富氫燃料氣，s7、sl2和sl5為空氣，s8為煙氣，s9為透平排煙，sl0為預(yù)熱空氣，sll為煙氣，sl3為天然氣，sl4為煤，sl6為電，sl7為純凈氫氣，sl8和sl9為液態(tài)C02，s20和s21為脫碳煙氣。具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。如圖2所示，圖2為本發(fā)明提供的多功能能源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。該多功能能源系統(tǒng)包括重整反應(yīng)器11、變換反應(yīng)器12、變壓吸附裝置(PSA)13、二氧化碳物理分離裝置14、二氧化碳液化裝置15、發(fā)電裝置16、余熱回收與蒸汽發(fā)生裝置17和二氧化碳化學(xué)分離裝置18。其中，重整反應(yīng)器11用于利用煤和天然氣制備氫氣與一氧化碳的合成氣，并將制備的合成氣冷卻后輸出給變換反應(yīng)器12。重整反應(yīng)器ll還進(jìn)一步包括一反應(yīng)管，在重整反應(yīng)器利用煤和天然氣制備氫氣與一氧化碳的合成氣時(shí)，煤和空氣在反應(yīng)管外燃燒產(chǎn)生熱量，供天然氣和余熱回收與蒸汽發(fā)生裝置輸入的水蒸汽在反應(yīng)管內(nèi)的催化劑表面發(fā)生重整反應(yīng)，生成氫氣與一氧化碳的合成氣，然后將生成的氫氣與一氧化碳的合成氣冷卻輸出給變換反應(yīng)器，并將煙氣輸出給余熱回收與蒸汽發(fā)生裝置。重整反應(yīng)的溫度被控制在550°C以上，重整反應(yīng)水碳比為3至5，重整反應(yīng)壓力控制在0.2至0.5MPa。所述生成的合成氣先被冷卻到300至400°C，同時(shí)產(chǎn)生高壓過(guò)熱蒸汽，然后再進(jìn)入變換反應(yīng)器12。變換反應(yīng)器12用于將合成氣中的一氧化碳轉(zhuǎn)換成二氧化碳，并將氫氣與二氧化碳的混合氣輸出給變壓吸附裝置13。變換反應(yīng)器12包括高溫變換反應(yīng)器和低溫變換反應(yīng)器，高溫變換反應(yīng)器的工作溫度為300至350°C，低溫變換反應(yīng)器的工作溫度為180至250。C。變換反應(yīng)的程度可以根據(jù)系統(tǒng)的氫/電生產(chǎn)需求靈活調(diào)節(jié)，多功能系統(tǒng)可以包含低溫變化反應(yīng)器，也可以取消低溫變換反應(yīng)器。氫氣與一氧化碳的合成氣經(jīng)過(guò)變換反應(yīng)器后轉(zhuǎn)換為氫氣與二氧化碳的混合氣，該混合氣先經(jīng)過(guò)冷卻器冷卻，再經(jīng)過(guò)壓縮，將壓力提高的0.5至3MPa，然后再進(jìn)入變壓吸附裝置。變壓吸附裝置13用于從混合氣體中分離得到氫氣，然后將分離氫氣后的尾氣經(jīng)過(guò)壓縮后輸出給二氧化碳物理分離裝置14。變壓吸附裝置13分離氫氣后的尾氣在壓縮時(shí)加壓到2.0MPa，然后輸出給二氧化碳物理分離裝置14。變壓吸附裝置(PSA)13—般可以將其中6090%的氫氣分離出來(lái)，制得純凈的氫氣。二氧化碳物理分離裝置14用于從尾氣中分離得到純凈的二氧化碳?xì)怏w，將得到的二氧化碳?xì)怏w輸出給二氧化碳液化裝置15，并將分離二氧化碳后剩余的富氫燃料輸出給發(fā)電裝置16。變壓吸附裝置13排出的尾氣并不是直接當(dāng)作燃料燒掉，而是先經(jīng)過(guò)壓縮過(guò)程，加壓到2.0MPa左右，進(jìn)入物理吸收C02分離裝置，將90X左右的CO2分離出來(lái)，低壓C02進(jìn)入液化裝置液化，剩余的高壓脫炭燃料送入燃?xì)廨啓C(jī)，作為燃料。二氧化碳液化裝置15用于對(duì)輸入的二氧化碳?xì)怏w進(jìn)行液化，得到液態(tài)的二氧化碳，以便于運(yùn)輸或儲(chǔ)存。發(fā)電裝置16用于將二氧化碳物理分離裝置14輸入的富氫燃料的化學(xué)能和余熱回收與蒸汽發(fā)生裝置輸入的蒸汽熱能轉(zhuǎn)化為電能，并將排放的煙氣輸出給余熱回收與蒸汽發(fā)生裝置17。發(fā)電裝置一般為燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)。余熱回收與蒸汽發(fā)生裝置17用于吸收重整反應(yīng)器11和發(fā)電裝置16排放的煙氣中的熱量，生產(chǎn)過(guò)熱蒸汽供重整反應(yīng)器11和發(fā)電裝置16使用，來(lái)自重整反應(yīng)器的煙氣冷卻后，先經(jīng)過(guò)脫硫裝置將硫脫除，然后再輸出給二氧化碳化學(xué)分離裝置18,將煙氣中90%左右的C02分離出來(lái)，脫炭煙氣直接排放的大氣中，分離出來(lái)的純凈C02進(jìn)入液化裝置液化。二氧化碳化學(xué)分離裝置18用于從余熱回收與蒸汽發(fā)生裝置17輸入的煙氣中分離得到純凈的二氧化碳，將得到的二氧化碳?xì)怏w輸出給二氧化碳液化裝置15，脫碳后的煙氣排入大氣。上述重整反應(yīng)器中，煤燃燒產(chǎn)生的熱量用來(lái)提供重整反應(yīng)的熱量，而天然氣全部作為制氫反應(yīng)的反應(yīng)物。圖3為本發(fā)明提供的多功能能源系統(tǒng)中雙燃料重整過(guò)程的示意圖。lkmol天然氣(假定天然氣成份全部為甲烷)進(jìn)入重整反應(yīng)器參加重整反應(yīng)，生成3kmo1的&和lkmol的CO，重整反應(yīng)熱由煤炭燃燒產(chǎn)生。而在傳統(tǒng)的天然氣制氫系統(tǒng)中，大約36。^天然氣直接燃燒來(lái)提供重整反應(yīng)熱。煤在重整反應(yīng)器中與空氣一起燃燒，同時(shí)天然氣和從汽輪機(jī)抽出的水蒸汽在重整反應(yīng)器中發(fā)生重整反應(yīng)，制得清潔合成氣(H2和CO的混合物)。合成氣冷卻后進(jìn)入變換反應(yīng)器，其中的CO與水蒸汽反應(yīng)轉(zhuǎn)化成H2和C02，實(shí)現(xiàn)將CO轉(zhuǎn)化成C02，然后進(jìn)入變壓吸附裝置(PSA)將大部分氫氣分離出來(lái)制取氫氣。PSA尾氣的主要成分為C02和H2，經(jīng)過(guò)壓縮后進(jìn)入C02物理分離裝置，將C02分離出來(lái)，純凈的C02進(jìn)入C02液化裝置，經(jīng)過(guò)壓縮冷卻，使之成為液態(tài)C02為以后的運(yùn)輸和存儲(chǔ)作好準(zhǔn)備。剩余的富氫燃料直接送入發(fā)電裝置(即燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)中的燃?xì)廨啓C(jī))作為燃料。發(fā)電裝置(即燃?xì)廨啓C(jī))排煙的高溫?zé)崃勘挥酂峄厥昭b置回收，生產(chǎn)過(guò)熱蒸汽，供發(fā)電裝置(即汽輪機(jī))利用。燃?xì)廨啓C(jī)排放的高溫?zé)煔庵缓泻苌倭康腃02，進(jìn)入余熱回收和蒸汽發(fā)電系統(tǒng)回收余熱后排放到大氣中。煤在重整反應(yīng)器中燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔庖策M(jìn)入余熱回收與蒸汽發(fā)生裝置，生產(chǎn)過(guò)熱蒸汽，供發(fā)電裝置(即燃?xì)廨啓C(jī))利用，冷卻后的煙氣進(jìn)入C02化學(xué)分離裝置，分離出來(lái)的純凈C02氣體也進(jìn)入C(V液化裝置液化，乘ij余含較少C02的脫炭后的煙氣直接排入大氣。如圖4所示，圖4為依照本發(fā)明實(shí)施例的多功能系統(tǒng)的工作流程圖。在本實(shí)施例中，多功能系統(tǒng)整合了燃煤的蒸汽循環(huán)和天然氣基的制氫系統(tǒng)，主要由五個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，包括雙燃料重整器(1)、熱交換器(2、5、7、17、18和19)、制氫子系統(tǒng)(3、4和8)、動(dòng)力子系統(tǒng)(6、911、1316、2126)和C02分離液化單元(12和20)。雙燃料重整反應(yīng)器是本發(fā)明提供的多功能系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵部件，由反應(yīng)器和爐堂組成，反應(yīng)催化劑放置在反應(yīng)器中。煤(sl4)在爐堂中與預(yù)熱空氣燃燒，為還原反應(yīng)器提供高溫?zé)崃俊Ｌ烊粴?sl3)和水蒸氣以1:3摩爾比在1.5bar下混合后經(jīng)過(guò)預(yù)熱進(jìn)入反應(yīng)器，在75(TC被轉(zhuǎn)換為合成氣。合成氣進(jìn)入熱交換器(2)被冷卻到355"C，然后進(jìn)入變換反應(yīng)器(3)，同時(shí)高溫的過(guò)熱蒸汽在(2)中產(chǎn)生。經(jīng)過(guò)兩次變換反應(yīng)(3和4)后，合成氣中的大部分CO轉(zhuǎn)換為C02，同時(shí)高壓的飽和蒸汽在(3)中產(chǎn)生。最后，合成氣被壓縮機(jī)(6)壓縮到0.55MPa，被送入變壓吸附單元(8)，分離出68%的氫氣(sl7)。變壓吸附單元產(chǎn)生的尾氣被帶間冷的兩級(jí)壓縮機(jī)壓縮(9和11)達(dá)到1.85Mpa。在物理吸收和液化單元(12)，高壓的合成氣變?yōu)楦粴涞暮铣蓺猓渲?0%的C02被分離出來(lái)并被液化(sl8)。煤燃燒產(chǎn)生的煙氣的余熱被換熱器(1719)吸收。在熱交換器(17)中，高溫?zé)煔庥脕?lái)過(guò)熱高壓飽和蒸汽；在換熱器(18)中，中溫?zé)崮苡脕?lái)預(yù)熱重整反應(yīng)的反應(yīng)物；在換熱器(19)中，低溫?zé)崮苡脕?lái)預(yù)熱空氣。最后，煙氣進(jìn)入化學(xué)吸收與液化單元(20)，分離出的C02被液化(sl9)，除去C02后的煙氣(s21)排入大氣。物理吸收單元(12)產(chǎn)生的富氫的合成氣(s6)作為燃料進(jìn)入聯(lián)合循環(huán)。燃?xì)馔钙疆a(chǎn)生的廢氣進(jìn)入余熱鍋爐(16)產(chǎn)生高壓飽和水蒸汽同時(shí)預(yù)熱蒸汽透平的出口高壓蒸汽。C02的化學(xué)吸收分離過(guò)程所需要的使吸收劑再生的熱量，這部分熱量由蒸汽輪機(jī)的抽氣提供。煤和天然氣燃燒產(chǎn)生的尾氣中分離出來(lái)的C02被帶間冷的三級(jí)壓縮機(jī)壓縮到15MPa，然后在冷凝器中液化(sl9)，便于儲(chǔ)存。本發(fā)明提供的雙燃料多功能系統(tǒng)采用AspenPlus軟件進(jìn)行模擬。模擬過(guò)程中，天然氣的成分為甲烷，煤的成分為CHQ.30^No.03。模擬過(guò)程所做的假設(shè)條件見(jiàn)表l，在新型的多功能系統(tǒng)中，動(dòng)力系統(tǒng)基于當(dāng)前的大型燃?xì)廨啓C(jī)，透平進(jìn)口溫度為1290°C，壓比為15.5。飽和蒸汽的壓力為12MPa，溫度為535r，在3.9MPa的時(shí)候被再熱到535°C。為了便于032的分離，甲烷需要有較高的轉(zhuǎn)化率，因此反應(yīng)壓力取常壓，溫度取75(TC。未轉(zhuǎn)換的蒸汽將繼續(xù)用于變換反應(yīng)，蒸汽與甲垸的比例取3.0。圖4中各主要點(diǎn)的參數(shù)(壓力，溫度，流量，成分等)列于表2中?；み^(guò)程重整溫度，°c750重整壓力，MPa0.15水碳比3燃煤的過(guò)熱空氣系數(shù)1.22重整器熱端壓損,％1重整器冷端壓損,％10合成氣壓氣機(jī)效率0.85高變換反應(yīng)溫度，°c335低變換反應(yīng)溫度，°c200PSA單元進(jìn)口壓力，MPa0.55氫氣分離率,％68%換熱器壓損，％3化學(xué)吸收的蒸汽壓力，MPa0.3C02壓縮間冷級(jí)數(shù)2動(dòng)力系統(tǒng)換熱器壓損，％3壓氣機(jī)效率0,88燃?xì)馔钙叫?.9泵效率0.8余熱鍋爐節(jié)點(diǎn)溫差，°c10余熱鍋爐壓損(燃燒側(cè)),％3余熱鍋爐壓損(吸熱側(cè))，％10濃縮壓力，MPa_0.007表1點(diǎn)、流量壓力溫度CH4COco2H2H20o2N2圖4Kg/sMPa0C成分摩爾分?jǐn)?shù)(％:>sl37.330.15549.725-_-75.0-—s237330.1357500.210.16.456.027.3-一s337.330.1313550.210.16.456.027.3--s437.330,1253350.21.914.664.119.2--s524.51.85211.90.60.742.955.60.2-—s63.341.8040.00.40.41.797.30.3--s7147.816429.2----1.020.878.2s8151.215.521290--0.9-12.513.173-5s9170.60.103606,4--0.8-11.114.074.1s1085.70.12200.0----1.020.878,2sll92.50.105卯0--16.3-3.63.776,4表2本發(fā)明提供的雙燃料多功能系統(tǒng)性能模擬結(jié)果見(jiàn)表3，為了更加清楚地反應(yīng)本發(fā)明提供的雙燃料多功能系統(tǒng)的性能優(yōu)勢(shì)，將本發(fā)明提供的雙燃料多功能系統(tǒng)與常規(guī)制氫與發(fā)電系統(tǒng)性能進(jìn)行了比較。表中第一列為分產(chǎn)與多功能系統(tǒng)采用相同輸入量的煤和天然氣，但輸出不同。表3的數(shù)據(jù)分別為無(wú)C02分離的分產(chǎn)系統(tǒng)性能、有C02分離的多功能系統(tǒng)的性能和有C02分離的分產(chǎn)系統(tǒng)的性能。當(dāng)新系統(tǒng)分離90.1%的(302時(shí)，系統(tǒng)熱效率為63.2%。新系統(tǒng)產(chǎn)生的氫氣的熱量為344.0MW，比無(wú)C02分離的制氫系統(tǒng)多40MW。與無(wú)C02分離的參考系統(tǒng)相比，新系統(tǒng)的熱效率大概高0.2個(gè)百分點(diǎn)。新系統(tǒng)熱效率比有C02分離的參考系統(tǒng)高8.5個(gè)百分點(diǎn)。傳統(tǒng)的能量系統(tǒng)分離C02需要較大的能耗，而新系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)能耗分離co2。<table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table>表3以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。權(quán)利要求1、一種多功能能源系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括重整反應(yīng)器，用于利用煤和天然氣制備氫氣與一氧化碳的合成氣，并將制備的合成氣冷卻后輸出給變換反應(yīng)器；變換反應(yīng)器，用于將合成氣中的一氧化碳轉(zhuǎn)換成二氧化碳，并將氫氣與二氧化碳的混合氣輸出給變壓吸附裝置；變壓吸附裝置，用于從混合氣體中分離得到氫氣，然后將分離氫氣后的尾氣經(jīng)過(guò)壓縮后輸出給二氧化碳物理分離裝置；二氧化碳物理分離裝置，用于從尾氣中分離得到純凈的二氧化碳?xì)怏w，將得到的二氧化碳?xì)怏w輸出給二氧化碳液化裝置，并將分離二氧化碳后剩余的富氫燃料輸出給發(fā)電裝置；二氧化碳液化裝置，用于對(duì)輸入的二氧化碳?xì)怏w進(jìn)行液化，得到液態(tài)的二氧化碳；發(fā)電裝置，用于將二氧化碳物理分離裝置輸入的富氫燃料的化學(xué)能和余熱回收與蒸汽發(fā)生裝置輸入的蒸汽熱能轉(zhuǎn)化為電能，并將排放的煙氣輸出給余熱回收與蒸汽發(fā)生裝置；余熱回收與蒸汽發(fā)生裝置，用于吸收重整反應(yīng)器和發(fā)電裝置排放的煙氣中的熱量，生產(chǎn)過(guò)熱蒸汽供重整反應(yīng)器和發(fā)電裝置使用，冷卻后的煙氣輸出給二氧化碳化學(xué)分離裝置；二氧化碳化學(xué)分離裝置，用于從余熱回收與蒸汽發(fā)生裝置輸入的煙氣中分離得到純凈的二氧化碳，將得到的二氧化碳?xì)怏w輸出給二氧化碳液化裝置，脫碳后的煙氣排入大氣。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能能源系統(tǒng)，其特征在于，所述重整反應(yīng)器進(jìn)一步包括一反應(yīng)管，在重整反應(yīng)器利用煤和天然氣制備氫氣與一氧化碳的合成氣時(shí)，煤和空氣在反應(yīng)管外燃燒產(chǎn)生熱量，供天然氣和余熱回收與蒸汽發(fā)生裝置輸入的水蒸汽在反應(yīng)管內(nèi)的催化劑表面發(fā)生重整反應(yīng)，生成氫氣與一氧化碳的合成氣，然后將生成的氫氣與一氧化碳的合成氣冷卻輸出給變換反應(yīng)器，并將煙氣輸出給余熱回收與蒸汽發(fā)生裝置。3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的多功能能源系統(tǒng)，其特征在于，所述重整反應(yīng)的溫度被控制在55CTC以上，重整反應(yīng)水碳比為3至5，重整反應(yīng)壓力控制在0.2至0.5MPa;所述生成的合成氣先被冷卻到300至400°C，同時(shí)產(chǎn)生高壓過(guò)熱蒸汽，然后再進(jìn)入變換反應(yīng)器。4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能能源系統(tǒng)，其特征在于，所述變換反應(yīng)器包括高溫變換反應(yīng)器，該高溫變換反應(yīng)器的工作溫度為300至350。C。5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能能源系統(tǒng)，其特征在于，所述變換反應(yīng)器包括高溫變換反應(yīng)器和低溫變換反應(yīng)器，所述高溫變換反應(yīng)器的工作溫度為300至35(TC，所述低溫變換反應(yīng)器的工作溫度為180至25(TC。6、根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能能源系統(tǒng)，其特征在于，所述氫氣與一氧化碳的合成氣經(jīng)過(guò)變換反應(yīng)器后轉(zhuǎn)換為氫氣與二氧化碳的混合氣，該混合氣先經(jīng)過(guò)冷卻器冷卻，再經(jīng)過(guò)壓縮，將壓力提高的0.5至3MPa，然后再進(jìn)入變壓吸附裝置。7、根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能能源系統(tǒng)，其特征在于，所述變壓吸附裝置分離氫氣后的尾氣在壓縮時(shí)加壓到l.OMPa以上，然后輸出給二氧化碳物理分離裝置。8、根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能能源系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)電裝置為燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)。9、根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能能源系統(tǒng)，其特征在于，所述余熱回收與蒸汽發(fā)生裝置在生產(chǎn)過(guò)熱蒸汽時(shí)產(chǎn)生的來(lái)自重整器的煙氣，先經(jīng)過(guò)脫硫裝置將硫脫除，然后再輸出給二氧化碳化學(xué)分離裝置，來(lái)自動(dòng)力裝置的煙氣直接排入大氣。全文摘要本發(fā)明公開(kāi)了一種多功能能源系統(tǒng)，煤與天然氣同時(shí)進(jìn)入重整反應(yīng)器，煤在重整反應(yīng)器中燃燒驅(qū)動(dòng)天然氣發(fā)生重整反應(yīng)，制得H₂和CO的合成氣，合成氣經(jīng)過(guò)變換反應(yīng)器將其中的CO轉(zhuǎn)化成CO₂，然后進(jìn)入變壓吸附裝置(PSA)制取氫氣；PSA裝置的尾氣被送入CO₂分離裝置，將大部分CO₂分離出來(lái)，并經(jīng)過(guò)壓縮冷卻，成為液態(tài)CO₂便于運(yùn)輸和存儲(chǔ)；分離CO₂后的剩余富氫燃料氣送往發(fā)電裝置，高溫?zé)煔膺M(jìn)入余熱回收和蒸汽發(fā)生裝置，回收余熱后的煙氣排放到大氣中；雙燃料重整器排放的煙氣也進(jìn)入余熱回收和蒸汽發(fā)生裝置回收余熱，然后進(jìn)入CO₂分離裝置，將煙氣中的CO₂分離出來(lái)，純凈的CO₂壓縮液化，煙氣排放到大氣中。利用本發(fā)明，提高了燃料的利用率，實(shí)現(xiàn)了零能耗控制和回收CO₂。文檔編號(hào)F01D15/00GK101285004SQ200710065328公開(kāi)日2008年10月15日申請(qǐng)日期2007年4月11日優(yōu)先權(quán)日2007年4月11日發(fā)明者金紅光,巍韓,林高申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所