【技术实现步骤摘要】
一种煤四步法气化和太阳能热化学耦合的制氢系统及方法
[0001]本专利技术涉及煤气化
以及太阳能利用
,具体而言,涉及一种太阳能热化学技术以及一种煤气化技术。
技术介绍
[0002]随着全球能源需求急剧增长,新能源的开发迫在眉睫。氢能是一种清洁、高效、可持续的新能源,是人类的战略能源发展方向。目前的制氢技术有煤制氢技术、太阳能制氢技术等。
[0003]我国具有以煤为主的能源结构,对煤炭能源的利用占总能源的68%,然而,随着煤炭发电的逐年利用,优质煤炭资源逐年减少,对低质煤炭利用途径的探索成为研究的重点。煤制氢技术是一种可行的低质煤炭利用路径,低质煤炭的反应活性高,开采成本低,使得煤制氢技术具有较好的技术经济性。传统的煤制氢技术将煤炭进行气化处理,即在高温常压或加压下,与气化剂反应,转化成为气体产物,气化剂为气态水或氧气。气化产品中一氧化碳和氢气为主要成分,然后经过净化、一氧化碳的变换与分离、提纯等一系列过程得到一定程度的氢气,再将分离出的一氧化碳进行水煤气变换,产生氢气和水,分理出水后制得氢气。然而传统的 ...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种煤四步法气化和太阳能热化学耦合的制氢系统,其特征在于,包括炼焦单元(1)、二氧化碳气化单元(2)、还原单元(3)、氧化单元(4)、集热单元Ⅲ(5)、燃烧单元(6)、净化单元(7)、余热回收单元Ⅰ(8)、余热回收单元Ⅱ(9)、换热单元Ⅰ(10)、换热单元Ⅱ(11)、变压吸附单元(12)、分离单元Ⅰ(13)、分离单元Ⅱ(14)、物流分配阀Ⅰ(15)、物流分配阀Ⅱ(16)、物流分配阀Ⅲ(17)、传热隔墙Ⅰ(18)、传热隔墙Ⅱ(19)、太阳能热化学反应单元(20),其中:炼焦单元(1),用于将气化煤转化为焦炭,并生成副产品焦炉煤气;二氧化碳气化单元(2),用于将炼焦单元(1)产生的焦炭和还原单元(3)产生的二氧化碳转化为纯度较高的一氧化碳;太阳能热化学反应单元(20),用于在聚光太阳能驱动下分解水或者二氧化碳产生氢气、一氧化碳,包括还原单元(3)、氧化单元(4)、集热单元Ⅲ(5),所述还原单元(3)包括辅助还原剂入口、还原单元气体出口;所述氧化单元(4)包括原料水入口、氧化单元气体出口;所述集热单元Ⅲ(5)能够聚集太阳能,产生高温并将热量传到还原单元(3)和氧化单元(4)中;在所述还原单元(3)中,通入一氧化碳和/或焦炭和/或焦炉煤气分离后剩余的还原性气体的一种或多种,产生的气体中的二氧化碳作为二氧化碳气化单元(2)的原料之一,在所述氧化单元(4)中,通入水产生氢气;所述太阳能热化学反应单元(20)的还原单元(3)和氧化单元(4)可以在同一个反应装置中也可以在两个反应装置中,由所选取的太阳能热化学反应器的类型决定;集热单元(5),为塔式或碟式太阳能聚光器,用于为系统的吸热单元提供热量;燃烧单元(6),用于将供热煤的化学能通过燃烧反应转化为热能,为系统的吸热单元提供热量;净化单元(7),用于对通过燃烧单元(6)出口流出的气体中的硫化物、氮氧化物进行净化处理;余热回收单元,用于回收燃烧烟气的热量,包括余热回收单元Ⅰ(8)、余热回收单元Ⅱ(9)。余热回收单元Ⅰ(8)用于回收燃烧单元(6)产生的高温烟气的热量;余热回收单元Ⅱ(9)用于在余热回收单元Ⅰ(8)先回收一部分高温热量的基础上,进一步回收燃烧单元(6)产生的高温烟气的热量,以达到热量充分利用的效果;换热单元,包括换热单元Ⅰ(10)和换热单元Ⅱ(11),换热单元Ⅰ(10)是将还原单元(3)的还原单元气体出口流出的二氧化碳、一氧化碳、少量气态水以及二氧化碳气化单元(20)产生的一氧化碳两股流体进行热交换;换热单元Ⅱ(11)是将氧化单元(4)产生的氢气、气态水混合气与经过二次预热后的水进行热交换,既对氧化单元(4)需要的原料水进行第三次预热,又能降低氧化单元(4)产生的氢气、气态水混合气的温度,促进了混合气体的分离;变压吸附单元(12),用于分离焦炉煤气中的氢气和甲烷;分离单元Ⅰ(13),用于分离出太阳能热化学反应单元(20)中的还原单元(3)产生的二氧化碳、一氧化碳和水的混合物中的水;分离单元Ⅱ(14),用于分离太阳能热化学反应单元(20)中的氧化单元(4)的生成物氢气和气态水;物流分配单元,包括物流分配阀Ⅰ(15)、物流分配阀Ⅱ(16)、物流分配阀Ⅲ(17),所述物流分配阀Ⅰ(15)具有至少一个入口和至少两个出口,其中一个出口与所述二氧化碳气化单元(2)连通,另一个出口通过物流分配阀Ⅲ(17)与所述太阳能热化学反应单元(20)中的还
原单元(3)相连;所述物流分配阀Ⅱ(16)具有至少一个入口和至少两个出口,其中一个出口与换热单元Ⅰ(10)冷流体入口连通,另一个出口经过分离后通入一氧化碳收集器中;所述物流分配阀Ⅲ(17)具有至少三个入口和至少一个出口,一个入口与变压吸附单元(12)的剩余还原性气体出口连通,一个入口与物流分配阀Ⅰ(15)的一个出口相连,一个入口与换热单元Ⅰ(10)的一氧化碳出口相连,一个出口与还原单元(3)的辅助还原剂入口相连;传热隔墙Ⅰ(18)用于将燃烧单元(6)的热量传递到炼焦单元(1);传热隔墙Ⅱ(19)用于将燃烧单元(6)的热量传递到二氧化碳气化单元(2)。2.根据权利要求1所述的一种煤四步法气化和太阳能热化学耦合的制氢系统,其特征在于,还原单元(3)的辅助还原剂的成分包括焦炭和/或一氧化碳和/或焦炉煤气分离后剩余的还原性气体和/或甲烷以及含碳燃料;与之对应的,物流分配阀Ⅲ(17)用于控制通入还原单元(3)的辅助还原剂的成分,具有多种工作模式:只通一种成分,包括只通焦炭、只通一氧化碳、只通焦炉煤气分离后剩余的还原性气体、只通甲烷以及含碳燃料;只通两种成分,包括只通焦炭和一氧化碳、只通焦炭和焦炉煤气分离后剩余的还原性气体、只通焦炭和甲烷以及含碳燃料、只通一氧化碳和焦炉煤气分离后剩余的还原性气体、只通一氧化碳和甲烷以及含碳燃料、只通焦炉煤气分离后剩余的还原性气体和甲烷以及含碳燃料;只通三种成分,包括只通焦炭、一氧化碳和焦炉煤气分离后剩余的还原性气体、只通焦炭、一氧化碳和甲烷以及含碳燃料、只通焦炭、焦炉煤气分离后剩余的还原性气体和甲烷以及含碳燃料、只通一氧化碳、焦炉煤气分离后剩余的还原性气体和甲烷以及含碳燃料;通入四种成分,具体为通入焦炭、一氧化碳、焦炉煤气分离后剩余的还原性气体和甲烷以及含碳燃料。3.根据权利要求1所述的一种煤四步法气化和太阳能热化学耦合的制氢系统,其特征在于,该系统中的吸热单元包括炼焦单元(1)、二氧化碳气化单元(2)、还原单元(3),由集热单元(5)、燃烧单元(6)共同为吸热单元提供热量,具体包括的供热方式有:燃烧单元(6)为炼焦单元(1)、二氧化碳气化单元(2)、还原单元(3)提供热量;集热单元(5)为炼焦单元(1)、二氧化碳气化单元(2)、还原单元(3)提供热量;燃烧单元(6)为炼焦单元(1)、二氧化碳气化单元(2)提供热量,集热单元(5)为还原单元(3)提供热量;燃烧单元(6)为炼焦单元(1)、还原单元(3)提供热量,集热单元(5)为二氧化碳气化单元(2)提供热量;燃烧单元(6)为二氧化碳气化单元(2)、还原单元(3)提供热量,集热单元(5)为炼焦单元(1)提供热量;燃烧单元(6)为炼焦单元(1)提供热量,集热单元(5)为还原单元(3)、二氧化碳气化单元(2)提供热量;燃烧单元(6)为二氧化碳气化单元(2)提供热量,集热单元(5)为还原单元(3)、炼焦单元(1)提供热量;燃烧单元(6)为还原单元(3)提供热量,集热单元(5)为炼焦单元(1)、二氧化碳气化单元(2)提供热量。4.根据权利要求1所述的一种煤四步法气化和太阳能热化学耦合的制氢系统,其特征在于,炼焦单元(1)产生的焦炉煤气流入变压吸附单元(12)进行气体分离,分离出的气体为氢气...
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