煤热解耦合碳捕集的方法和系统与流程

本发明涉及能源化工与电力工程领域，具体涉及一种煤热解耦合碳捕集的方法和系统。

背景技术：

1、燃煤电厂加装碳捕集装置是实现煤炭清洁利用的关键路径。目前，燃烧后碳捕集主要采用化学吸收法（如醇胺法mea）从锅炉尾部烟气中分离co2。其基本流程是：原煤在锅炉中与空气混合燃烧，产生的烟气经过除尘脱硫后，进入吸收塔进行co2捕集。

2、然而，现有的燃烧后捕集技术（post-combustion capture）面临着严重的能耗与成本挑战，其核心制约因素在于燃烧烟气中co2的分压过低。传统燃煤锅炉采用原煤直接在空气中燃烧，燃料中的碳燃烧需要消耗氧气，而空气中每消耗氧气会伴生不参与反应的氮气，这些氮气残留在烟气中，导致co2被严重稀释，体积分数通常较低。

3、烟气稀释效应带来以下问题：一方面，传质动力不足。根据气液传质理论，低浓度的烟气直接导致吸收塔内的传质驱动力弱，需要通过增大吸收塔体积、提高气液比来维持捕集率，极大地增加了投资。另一方面，再生热耗高。吸收剂必须与co2形成强化学键才能在低浓度下捕获它，这就导致在再生环节解吸co2时，需要消耗大量高品位的蒸汽热能（再生热耗通常高达2.4-3.5 gj/tco2）。

4、此外，现有技术虽有“富氧燃烧”（oxy-fuel combustion）方案，即用纯氧代替空气，但该方案需要建设昂贵的空气分离装置（asu）来制氧，初投资和运行电耗巨大，难以大规模推广。

5、因此，亟需研发一种从燃烧源头打破“空气燃烧-氮气稀释”固有耦合关系、在不采用昂贵的纯氧燃烧前提下低成本提升烟气co2浓度的技术方案。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了克服现有技术存在的燃煤电厂烟气co2浓度低导致捕集能耗高的问题，提供一种煤热解耦合碳捕集的方法和系统。本发明所述的方法从源头减少惰性氮气的引入，使烟气中co2浓度得到被动提高，有利于降低再生能耗与设备投资，同时实现较高的焦油收率。

2、本发明的构思源于对燃烧化学计量方程的逆向思考。长期以来，为提高烟气co2浓度，本领域的技术路径主要集中于富氧燃烧（依赖昂贵空分）或改进后端吸收剂，始终受限于“在燃烧端或烟气端被动应对”的思维定势。本发明发明人跳出惯性思路，经过对燃烧过程的解构分析，发现引入氮气的原因不仅仅是碳燃烧，氢燃烧带来的氮气稀释效应经常被忽视：碳燃烧产生co2，虽然带入n2，但这是生成co2所必须的代价；而氢燃烧产生h2o，同样带入了大量n2，但产物水蒸气冷凝后，n2却留在了烟气里，成为纯粹的“稀释剂”。基于这一新认识，本发明提出反常规的技术路径：不是强化燃烧或提纯烟气，而是主动将燃料中的氢组分在燃烧前剥离，从而截断氢燃烧带来的无效n2的进入路径。然而，单纯为了“除氢”而把氢扔掉会损失能量，为此进一步结合煤炭分质利用理念，创新性地通过控制热解条件，将氢以高值焦油和煤气形式提取，获得特定碳氢比的半焦。该半焦中氢含量降低，在相同碳转化或co2生成基准下，可减少由氢燃烧所需的附加空气量及伴随引入的氮气；在不使用任何空分制氧设备的条件下，通过改变燃料组分提高烟气co2浓度，从而突破烟气co2浓度提升必须依赖纯氧的传统技术偏见。

3、为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种煤热解耦合碳捕集的方法，该方法包括以下步骤：

4、s1、将原煤进行热解，生成富氢挥发分和固体半焦；其中所述固体半焦的碳氢质量比为30-40；

5、s2、在空气气氛下，将步骤s1得到的固体半焦进行燃烧，燃烧产生的烟气中二氧化碳被动式富集，得到富集co2的烟气；

6、s3、将步骤s2得到的富集co2的烟气进行co2捕集；根据所述co2捕集的负荷需求，动态调节步骤s1所述热解的温度；

7、所述动态调节的方法包括：

8、运行过程中，按照公式t=t0+k×（l-l0）调节热解的温度；

9、其中，t为热解的温度，取值为450-700℃；

10、t0为基准热解温度，取值为580-620℃；

11、l为co2捕集负荷；

12、l0为基准co2捕集负荷，取值为70-80%；

13、k为调节系数，取值为1-3℃/百分点。

14、本发明第二方面提供一种基于煤热解耦合碳捕集的系统，该系统包括：煤热解单元、半焦热态输送单元、半焦燃烧单元、co2捕集单元、协同控制单元；

15、所述煤热解单元用于将原煤进行热解，生成富氢挥发分和固体半焦；

16、所述半焦燃烧单元与所述煤热解单元的固体半焦出口连接，用于将来自于所述煤热解单元的固体半焦进行燃烧，得到富集co2的烟气；

17、所述半焦热态输送单元设置于所述煤热解单元与所述燃烧单元之间，用于将来自于所述煤热解单元的固体半焦送入半焦燃烧单元；

18、所述co2捕集单元与所述半焦燃烧单元连接，用于将来自于半焦燃烧单元的富集co2的烟气进行co2捕集；

19、所述协同控制单元与所述co2捕集单元连接，用于监测所述co2捕集单元的负荷需求，并据此动态调节所述煤热解单元的运行温度。

20、通过上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

21、（1）本发明提供的煤热解耦合碳捕集的方法，提出了“燃料侧组分重构→燃烧侧氢燃烧附加空气减量→烟气侧浓度提升”的正向设计逻辑，通过“热解脱氢-半焦富碳燃烧”的耦合工艺、以及根据co2捕集的负荷需求动态调节热解的温度，从源头减少惰性氮气的引入，在不采用昂贵空分装置的前提下，使烟气co2浓度被动提升，在保持较高焦油收率的同时，有利于降低后端碳捕集的再生能耗与设备投资。

22、（2）本发明提供的煤热解耦合碳捕集的方法，利用生成的固体半焦中氢含量较低的特性，在相同碳转化或co2生成基准下，减少由氢燃烧引起的附加耗氧量及伴随惰性氮气引入量，并在空气燃烧条件下获得高于原煤直接燃烧工况的烟气co2浓度；无需对锅炉本体进行颠覆性改造（如防泄漏、材质升级等），半焦燃烧特性与无烟煤/贫煤燃烧特性接近，现有的锅炉或经过燃烧器改造的煤粉炉均可直接适配，适合现役燃煤机组的低碳化升级改造，推广应用门槛低；系统内部能量闭环，能效高。

1.一种煤热解耦合碳捕集的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述动态调节的方法包括：

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，热解的温度t为450-700℃；热解的时间为4-10s；

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，热解的温度t为540-650℃；热解的时间为5-8s。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的方法，其特征在于，所述固体半焦中，碳的质量含量为82-89wt%，氢的质量含量为2-3.2wt%。

7.根据权利要求1-5中任意一项所述的方法，其特征在于，所述原煤的碳氢质量比为15-20；

8.根据权利要求1-5中任意一项所述的方法，其特征在于，步骤s1包括：将所述富氢挥发分进行冷凝后分离，回收煤焦油和高热值煤气；

9.根据权利要求1-5中任意一项所述的方法，其特征在于，步骤s2所述燃烧的条件包括：过量空气系数α为1.05-1.3；所述燃烧使用的锅炉炉膛出口烟气温度为850-1150℃；

10.一种基于煤热解耦合碳捕集的系统，其特征在于，该系统包括：煤热解单元、半焦热态输送单元、半焦燃烧单元、co2捕集单元、协同控制单元；

11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述系统还包括油气分离与净化单元，所述油气分离与净化单元与所述煤热解单元的富氢挥发分出口连接，用于对富氢挥发分进行冷凝后分离，回收煤焦油和高热值煤气；