一种采用膜分离的IGCC多联产系统的制作方法

一种采用膜分离的igcc多联产系统
技术领域
1.本实用新型属于发电技术领域，具体涉及一种采用膜分离的igcc多联产系统。


背景技术：

2.整体煤气化联合循环igcc电站是未来重要的洁净煤发电技术，其不仅可低成本捕集co2，还可以联产清洁替代燃料和大宗基础化学品，突破单一行业内提高效率、改善经济性、控制排放的局限，通过不同行业的有机融合和不同技术的协同，将煤单一利用模式发展成物质转化与能量转换集成的综合利用模式。煤气化联产通过煤基物质生产和煤炭发电的有机集成，获得了能源的高效利用。联产系统并可以按市场需求或是发电的“峰-谷”差对产品进行适当调节，具有很好的灵活性。igcc和联产系统是煤基能源系统的重要发展方向。
3.现有联产系统co2捕集过程采用水煤气变换 湿法脱碳技术，能耗高、流程长、合成气先降温后升温的过程带来大量能量损失；且常规合成气变换过程受到温度平衡限制，需设置多级反应器实现高co转化率，且转换过程需消耗大量的水蒸气，影响系统效率；且常规合成气变换过程与脱碳分开的工艺，分离能耗大，单位co2脱碳能耗会随脱除率的增加而急剧增加。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的问题，本实用新型提供了一种采用膜分离的igcc多联产系统，利用基于混合导体透氧膜的膜反应器脱除合成气中的co2，同时产生氢气，打破传统合成气制氢过程的反应途径，可降低脱碳能耗，提高系统整体脱碳率、制氢率且干法脱碳避免了合成气先降温后升温引起的能量损失。
5.为了解决上述技术问题，本实用新型通过以下技术方案予以实现：
6.一种采用膜分离的igcc多联产系统，包括气化炉、混合导体透氧膜反应器、第一气体冷却装置、第一冷凝脱水装置和氢气转化利用装置，所述气化炉的合成气输出端与所述混合导体透氧膜反应器的合成气氧化侧的入口连接，所述混合导体透氧膜反应器的合成气氧化侧的出口与所述第一气体冷却装置气体输入端连接，所述第一气体冷却装置的气体输出端与所述第一冷凝脱水装置的气体输入端连接，所述第一冷凝脱水装置的气体输出端输出二氧化碳；所述混合导体透氧膜反应器的水分解侧的入口用于输入水蒸气，所述混合导体透氧膜反应器的水分解侧的氢气出口与所述氢气转化利用装置连接。
7.进一步地，所述氢气转化利用装置包括燃气轮机，所述混合导体透氧膜反应器的水分解侧的氢气出口与所述燃气轮机的燃烧室入口连接。
8.进一步地，还包括空分装置，所述氢气转化利用装置还包括氨气合成装置，所述混合导体透氧膜反应器的水分解侧的氢气出口以及所述空分装置的氮气输出端均与所述氨气合成装置的输入端连接。
9.进一步地，所述氨气合成装置的尾气输出端与所述燃气轮机的燃烧室入口连接。
10.进一步地，所述空分装置的氧气输出端与所述气化炉的氧气输入端连接。
11.进一步地，还包括第二气体冷却装置和第二冷凝脱水装置，所述混合导体透氧膜反应器的水分解侧的氢气出口与所述第二气体冷却装置的气体入口连接，所述第二气体冷却装置的气体出口分别与所述第二冷凝脱水装置的气体入口和所述氢气转化利用装置连接，所述第二冷凝脱水装置的气体出口输出氢气。
12.进一步地，还包括除尘装置，所述气化炉的合成气输出端与所述除尘装置的气体输入端连接，所述除尘装置的气体输出端与所述混合导体透氧膜反应器的合成气氧化侧的入口连接。
13.进一步地，还包括废热锅炉，所述除尘装置的气体输出端与所述废热锅炉的气体输入端连接，所述废热锅炉的气体输出端与所述混合导体透氧膜反应器的合成气氧化侧的入口连接。
14.进一步地，还包括压缩机，所述第一冷凝脱水装置的气体输出端与所述压缩机的气体输入端连接。
15.一种采用膜分离的igcc多联产系统的工作方法，包括：所述气化炉中的合成气进入所述混合导体透氧膜反应器的合成气氧化侧后，与所述混合导体透氧膜反应器的水分解侧传输的阳离子发生纯氧燃烧反应，生成的气体产物进入所述第一气体冷却装置进行冷却后，进入所述第一冷凝脱水装置进行脱水，脱水后的产物为二氧化碳从所述第一冷凝脱水装置的气体输出端输出；同时，水蒸气从所述混合导体透氧膜反应器的水分解侧的入口输入，输入的水蒸气在所述混合导体透氧膜反应器的水分解侧发生分解反应生成的氢气从氢气出口输入至所述氢气转化利用装置。
16.与现有技术相比，本实用新型至少具有以下有益效果：本实用新型提供的一种采用膜分离的igcc多联产系统，在工作时，气化炉中的合成气进入混合导体透氧膜反应器的合成气氧化侧后，与混合导体透氧膜反应器的水分解侧传输的阳离子发生纯氧燃烧反应，生成的气体产物进入第一气体冷却装置进行冷却后，进入第一冷凝脱水装置进行脱水，脱水后的产物为二氧化碳从第一冷凝脱水装置的气体输出端输出；同时，水蒸气从混合导体透氧膜反应器的水分解侧的入口输入，输入的水蒸气在混合导体透氧膜反应器的水分解侧发生分解反应生成的氢气从氢气出口输入至氢气转化利用装置。也就是说，本实用新型采用混合导体透氧膜对氧离子的选择性透过，实现同时制氢和脱碳，打破传统合成气制氢过程的反应途径，可降低脱碳能耗，且混合导体透氧膜反应器的合成气氧化侧的反应燃烧反应，即为干法高温脱碳，避免了合成气先降温后升温引起的能量损失。
17.进一步地，氢气转化利用装置包括燃气轮机，利用混合导体透氧膜反应器的水分解侧产生的氢气作为燃气轮机燃烧室的燃料，燃烧后给燃气轮机做功发电。
18.进一步地，还包括空分装置，氢气转化利用装置还包括氨气合成装置，混合导体透氧膜反应器的水分解侧产生的氢气与空分装置产生的氮气输入氨气合成装置，利用系统中同时具有氢气和氮气的特点，实现联产产品氨。
19.进一步地，氨气合成装置产生的尾气输入燃气轮机的燃烧室，可同氢气一同作为燃气轮机联合循环的燃料用于发电，实现了氢、氨、电联产。
20.进一步地，空分装置产生的氧气输入气化炉，作为气化炉的反应原料，提高系统资源的利用率。
21.进一步地，混合导体透氧膜反应器的水分解侧产生的氢气经过第二气体冷却装置
冷却后，输入第二冷凝脱水装置并脱水后，产生氢气产品被收集用作其他用途。
22.进一步地，气化炉输出的合成气通过除尘装置脱除其中的灰尘等杂质后，避免后续设备利用合成气时被杂质污染。
23.进一步地，利用废热锅炉提取合成气的温度用作，提高了系统资源的利用率。
24.进一步地，第一冷凝脱水装置的气体输出端输出的二氧化碳被压缩机压缩后便于回收，另外，系统产生的二氧化碳带压，可减少二氧化碳压缩压力。
25.为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
26.为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式中的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1为本实用新型一种采用膜分离的igcc多联产系统的示意图。
28.1-气化炉；2-空分装置；3-混合导体透氧膜反应器；4-第一气体冷却装置；5-第一冷凝脱水装置；6-燃气轮机；7-氨气合成装置；8-第二气体冷却装置；9-第二冷凝脱水装置；10-除尘装置；11-废热锅炉。
具体实施方式
29.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
30.作为本实用新型的某一具体实施方式，如图1所示，一种采用膜分离的igcc多联产系统，包括气化炉1、空分装置2、混合导体透氧膜反应器3、第一气体冷却装置4、第一冷凝脱水装置5、氢气转化利用装置、第二气体冷却装置8、第二冷凝脱水装置9、除尘装置10和废热锅炉11，本实施例中，氢气转化利用装置包括燃气轮机6和氨气合成装置7。气化炉1中用于输入煤、水蒸气和氧气生成合成气，空分装置2的氧气输出端与气化炉1的氧气输入端连接，气化炉1的合成气输出端与除尘装置10的气体输入端连接，除尘装置10的气体输出端与废热锅炉11的气体输入端连接，废热锅炉11的气体输出端与混合导体透氧膜反应器3的合成气氧化侧的入口连接，混合导体透氧膜反应器3的合成气氧化侧的入口用于将合成气燃烧氧化，混合导体透氧膜反应器3的合成气氧化侧的出口与第一气体冷却装置4气体输入端连接，第一气体冷却装置4的气体输出端与第一冷凝脱水装置5的气体输入端连接，第一冷凝脱水装置5的气体输出端输出二氧化碳。混合导体透氧膜反应器3的水分解侧的入口用于输入水蒸气，混合导体透氧膜反应器3的水分解侧用于将输入的水蒸气分解为氢气和氧离子，氧离子透过膜进入混合导体透氧膜反应器3的合成气氧化侧，混合导体透氧膜反应器3的水分解侧的氢气出口与第二气体冷却装置8的气体入口连接，第二气体冷却装置8的气体出口与第二冷凝脱水装置9的气体入口，氢气经过第二冷凝脱水装置9冷却后从第二冷凝脱水装
置9的气体出口输出被收集利用。同时，第二气体冷却装置8的气体出口以及空分装置2的氮气输出端均与氨气合成装置7的输入端连接，氨气合成装置7将输入的氢气和氮气合成为氨气。同时，第二气体冷却装置8的气体出口还与燃气轮机6的燃烧室入口连接，氢气在燃烧室燃烧后用于发电。
31.优选的，氨气合成装置7的尾气输出端与燃气轮机6的燃烧室入口连接，氨气合成装置7的尾气输出端输出的尾气在燃烧室燃烧后用于发电。
32.作为优选的实施方式，在第一冷凝脱水装置5的气体输出端还连接有压缩机(图中未示意出)，压缩机将二氧化碳压缩后收集。
33.煤经预处理后进入气化炉1，一股水蒸气和氧气作为气化反应的原料同时送入气化,1，煤在气化炉1中与水蒸气和o2发生气化反应生成粗合成气，气化炉1的炉渣从底部排出。粗合成气进入除尘装置10脱除其中的飞灰，而后进入废热锅炉11进行冷却，冷却后合成气进入混合导体透氧膜反应器3的合成气氧化侧，与混合导体透氧膜反应器3的水分解侧传输过来的氧离子发生纯氧燃烧反应，反应产物为水蒸气和co2。反应后的气体进入第一气体冷却装置4回收其中的余热，而后进入第一冷凝脱水装置5，脱除其中的h2o，从而获得高纯co2可直接压缩封存。混合导体透氧膜反应器3的水分解侧输入高温水蒸气，水蒸气在膜反应器中发生分解反应，分解产生的氧气转化为氧离子穿过透氧膜进入混合导体透氧膜反应器3的合成气氧化侧与合成气发生氧化反应，混合导体透氧膜反应器3的水分解侧分解产生的氢气经第二气体冷却装置8回收一部分热量后分为三股：一股进入第二冷凝脱水装置9脱除其中的水分，成为氢气产品输出；一股与来自空分装置2的n2一起进入氨气合成装置7，用于合成产品氨；一股与氨气合成装置7的尾气一起进入燃气轮机6联合循环的单元一起作为燃气轮机燃烧室的燃料。
34.当然，在本实用新型实施方式的基础上，多联产系统还可加入蒸汽轮机，废热锅炉11、第一气体冷却装置4和第二气体冷却装置8中气体放热用于加热来自于燃气轮机联合循环中余热锅炉的热水，并产生蒸汽返回余热锅炉进一步过热后推动蒸汽轮机做功。
35.混合导体透氧膜是一种只允许氧离子透过的致密陶瓷膜，在中高温下对氧具有100％选择性，在一侧通入还原性气体(如ch4，co，h2等)，另一侧通入水蒸气，还原性气体被传输的氧离子不断氧化，创造氧浓度势，可实现水蒸气连续热分解制氢。同时含碳还原性气体在纯氧条件下被氧化，产物co2可直接捕集，还原性气体氧化放热量用于h2o的热化学分解，反应器可实现自热平衡。本实用新型采用混合导体透氧膜对氧离子的选择性透过，促进膜一侧水蒸气的分解，同时实现另一侧合成气的纯氧燃烧，改变了制氢的反应途径，实现了一步制取氢气和高纯co2，制取的氢气一方面作为产品输出，另一方面与空气过程产生的氮气同时作为合成氨的原料，合成气氨的尾气与一部分氢气一起作为燃气轮机联合循环的燃料，实现了氢、氨、电联产。
36.本实用新型有效利用系统中同时具有h2和n2的特点，联产产品氨，同时氨气合成装置的尾气可同氢气一同作为燃气轮机联合循环的燃料用于发电，实现了氢、氨、电联产。混合导体透氧膜反应器的合成气氧化侧产生的高浓度co2带压，减少co2压缩过程耗功，有利于系统整体净效率的提高。本实用新型与常规igcc联产系统相比，效率提高明显。同时与现有氢氨电联产系统相比，涉及的工艺少，设备简单，在减少装置占地、设备投资方面也具有潜在优势。
37.最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本实用新型的具体实施方式，用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，本实用新型的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。