燃气-蒸汽联合循环发电耦合电解水的高温碳捕集与原位转化利用系统及方法技术方案

本发明专利技术提供了燃气

【技术实现步骤摘要】
燃气
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蒸汽联合循环发电耦合电解水的高温碳捕集与原位转化利用系统及方法


[0001]本专利技术属于二氧化碳捕集和转化利用
，涉及高温二氧化碳捕集和原位转化利用，具体涉及一种燃气
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蒸汽联合循环发电耦合电解水的高温碳捕集与原位转化利用系统及方法。

技术介绍

[0002]电力是能源行业最大的碳排放来源，占全球能源相关碳排放量近40％。鉴于我国能源结构特征，电力行业仍将以化石燃料火力发电为主体。因此，碳捕集、利用与封存(CCUS)技术将成为促进电力行业化石能源低碳利用不可缺失的重要手段之一。火力发电中燃气
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蒸汽联合循环技术通过能量的梯级利用大幅度提升了能源利用和发电效率，被认为是一种未来清洁高效的化石燃料综合利用技术。该技术以燃气轮机、余热锅炉和蒸汽轮机为主设备，燃气轮机点火加热推动燃气透平转动，高温烟气(550℃
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610℃)经燃气透平扩散段进入余热锅炉，加热锅炉给水后产生高温高压蒸汽推动蒸汽轮机，进一步提升热效率，余热锅炉经热交换后的烟气(90℃左右)排入大气。该过程由于烟气处理量大和二氧化碳(CO2)分压低(<5vol％)，使得分离过程的能耗和捕集成本大幅上升。
[0003]现有针对火力发电大规模CO2捕集技术主要采用溶剂吸收法，高温烟气须经过冷却至低温(<50℃)才能被吸收，存在较大热量损失，加之溶剂的高成本和高再生能耗，使得燃煤电厂额外能耗增加(供电效率降低10
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15％)。其次捕集下来的CO2的出口问题，及其配套的CO2压缩、输送等引发高额成本问题也制约火力电厂大规模采用CCUS实现碳中和。
[0004]将CO2高值化利用是一种实现人工碳循环的方式，同时可以抵消部分捕集成本，产生一定经济效益。但由于CO2在热力学上极为稳定，需要提供大量氢源和输入额外能量(高温条件)才能转化为高附加值化学品(如甲烷和合成气等)，使得大规模的CO2资源化利用也面临成本高和能耗大的问题。由于传统低温碳捕集和高温碳转化过程往往温度不匹配，如何将碳捕集过程和碳转化进行过程耦合成为CCUS的关键问题。
[0005]基于联合循环发电机组燃气轮机排放的高温烟气本身具有的热能和电厂谷电以及可再生电力大规模电解水提供高纯绿氢，研究一种低成本和低能耗耦合电解水的高温碳捕集与原位转化技术与燃气
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蒸汽联合循环机组的集成技术具有重要意义。该技术的研发可从源头消除CO2的产生，利用烟气热能实现人工碳循环，减少CCUS所需的高能耗，将CO2转化为具有附加值的产品，解决电力行业低碳发展的瓶颈问题。

技术实现思路

[0006]本专利技术针对燃气
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蒸汽联合循环发电系统将燃气轮机排出的高温烟气(550
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650℃)通入余热锅炉带动蒸汽轮机发电，最后排放含碳烟气(90
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110℃)中CO2浓度低难处理的问题，提供了一种耦合电解水的高温碳捕集与原位转化利用系统和方法，从生产源头建立电厂低碳化发电的新模式。
[0007]将燃气轮机排出的高温烟气进行碳捕集，同时将捕集的碳作为资源原位转化获得目标化工产品，形成人工化学碳循环；或为化工行业提供原料，进行产业间协同碳中和。碳转化过程所需氢气由电解水系统提供，电解过程利用电厂谷电或绿电作为电源，提高电厂的调峰能力，电解水产生的氧气可为燃气轮机提供富氧燃烧气氛。因此，耦合了电解水的高温碳捕集与原位转化系统与燃气
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蒸汽联合循环发电机组进行过程耦合和能量集成，通过全流程能量耦合与优化，有望保持电厂现有产电能效前提下，实现颠覆性负碳技术。
[0008]本专利技术的第一方面，提供了一种燃气
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蒸汽联合循环发电耦合电解水的高温碳捕集与原位转化利用系统，具有如下技术特征：包括联合循环发电机组子系统、碳捕集与原位转化子系统以及电解水子系统。
[0009]联合循环发电机组子系统包括燃机发电组和汽轮发电组：燃机发电组包括压缩机、燃烧室、燃气透平、燃机发电机以及换热器；汽轮发电组包括余热锅炉、蒸汽轮机、汽轮发电机、凝汽器、气体输送单元以及循环泵。
[0010]燃机发电组中，压缩机、燃烧室、燃气透平依次连接构成布雷顿循环单元，带动燃机发电机发电；余热锅炉、蒸汽轮机、凝汽器与循环泵依次循环连接构成朗肯循环单元，带动汽轮发电机发电。
[0011]碳捕集与原位转化子系统嵌入在布雷顿循环单元与朗肯循环单元之间，即燃机发电组燃气透平出口与汽轮发电组余热锅炉入口之间，包括进气控制单元、吸附与转化反应塔、检测控制系统、水汽分离器与气体输送单元。
[0012]进气控制单元包括烟气、氢气、氮气进气程序控制装置；吸附与转化反应塔至少为并列设置的两个，包括反应器和内部换热单元，反应器为固定床、流化床或移动床，内设置有吸附/催化双功能材料，通过高温烟气与氢气切换，实现CO2捕集与原位转化连续化运行；检测控制系统包括各类传感器、仪表、控制器等，实时监测各项参数，控制反应流程处于正常范围内；水汽分离器包括冷凝器，将汽体冷凝成水；气体输送单元包括管道以及安装在管道上的各式阀门。
[0013]电解水子系统包括水电解池以及分别与电解池的阳极和阴极连接的氧气储罐与氢气储罐；所述氧气储罐通过阀门与压缩机连接，所述氢气储罐通过阀门与吸附与转化反应塔连接。
[0014]本专利技术的第二方面，提供了采用上述系统进行高温碳捕集与原位转化利用的方法，其特征在于，包括如下步骤：
[0015](1)联合循环发电机组子系统燃气轮机产生的高温含碳烟气在碳捕集与原位转化子系统中，CO2被吸附/催化双功能材料吸附，并在由电解水子系统产生的氢气参与下被原位催化加氢转化为目标化工产品；
[0016](2)步骤(1)产生的高温脱碳烟气、高温产品气分别在余热锅炉中发生热交换，推动汽轮发电机发电；热交换后的低温脱碳烟气直接排空，低温目标化工产品作为化工生产原料存储或作为燃气发电的燃料，冷凝后的水为电解水子系统提供水源；
[0017](3)联合循环发电机组子系统为电解水子系统提供电能，电解产生的氧气为联合循环发电机组子系统燃烧室燃料燃烧提供富氧环境。
[0018]优选的，步骤(1)具体包括如下步骤：
[0019]根据碳捕集与原位转化过程所需反应温度，高温含碳烟气经过换热器换热降温后
或直接进入吸附与转化反应塔中，CO2被吸附/催化双功能材料吸附捕集，并在捕集过程中控制反应温度；在当前反应塔吸附饱和后，切换至其它并联的反应塔继续进行碳捕集，同时对当前反应塔进行氮气吹扫后，通入预热后氢气将吸附的CO2进行原位催化转化，得到目标化工产品，并联设置的反应塔依次进行吸附、吹扫与原位加氢转化。
[0020]其中，碳捕集与原位转化子系统采用的吸附/催化双功能材料，吸附活性组分为碱金属氧化物，催化活性组分为双金属催化剂。
[0021]高温碳捕集技术主要基于的反应为碱金属氧化物、碱土金属氧本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃气
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蒸汽联合循环发电耦合电解水的高温碳捕集与原位转化利用系统，其特征在于，包括：联合循环发电机组子系统、碳捕集与原位转化子系统以及电解水子系统，所述碳捕集与原位转化子系统将所述联合循环发电机组子系统的燃机发电组排出的高温含碳烟气进行碳捕集并进行原位转化获得目标化工产品，高温脱碳烟气和产品气分别回余热锅炉，推动汽轮发电组发电；碳转化过程所需氢气由电解水系统提供；所述电解水子系统的电能由发电厂谷电或绿电提供，电解水产生的氧气为燃气轮机提供富氧燃烧气氛。2.根据权利要求1所述的燃气
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蒸汽联合循环发电耦合电解水的高温碳捕集与原位转化利用系统，其特征在于，所述联合循环发电机组子系统包括燃机发电组和汽轮发电组，所述燃机发电组包括压缩机、燃烧室、燃气透平、燃机发电机以及换热器；所述汽轮发电组包括余热锅炉、蒸汽轮机、汽轮发电机、凝汽器、气体输送单元以及循环泵，其中，所述燃机发电组中，压缩机、燃烧室、燃气透平依次连接构成布雷顿循环单元，带动燃机发电机发电；余热锅炉、蒸汽轮机、凝汽器与循环泵依次循环连接构成朗肯循环单元，带动汽轮发电机发电。3.根据权利要求2所述的燃气
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蒸汽联合循环发电耦合电解水的高温碳捕集与原位转化利用系统，其特征在于：其中，所述碳捕集与原位转化子系统嵌入在燃机发电组燃气透平出口与汽轮发电组余热锅炉入口之间，包括进气控制单元、吸附与转化反应塔、检测控制系统、水汽分离器与气体输送单元，所述电解水子系统包括水电解池以及分别与电解池的阳极和阴极连接的氧气储罐与氢气储罐；所述氧气储罐通过阀门与压缩机连接，所述氢气储罐通过阀门与吸附与转化反应塔连接。4.根据权利要求3所述的燃气
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蒸汽联合循环发电耦合电解水的高温碳捕集与原位转化利用系统，其特征在于：其中，所述进气控制单元包括高温含碳烟气、氢气、氮气的进气程序控制装置；所述吸附与转化反应塔至少为并列设置的两个，包括反应器和内部换热单元，所述反应器内设置有吸附/催化双功能材料。5.根据权利要求4所述的燃气
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蒸汽联合循环发电耦合电解水的高温碳捕集与原位转化利用系统，其特征在于：其中，反应器为固定床、流化床或移动床。6.采用权利要求1～4任一项所述的系统进行高温碳捕集与原位转化利用的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)联合循环发电机组子系统燃气轮机产生的高温含碳烟气在碳捕集与原位转化子系统中，二氧化碳被吸附/催化双功能材料吸附，并在由电解水子系统产生的氢气参与下被原位催化加氢转化为目标化工产品；(2)步骤(...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡军，邵斌，孙哲毅，高梓皓，刘洪来，
申请(专利权)人：华东理工大学，
类型：发明
国别省市：