一种综合能源生产系统的制作方法

1.本技术涉及碳排放技术领域，尤其涉及一种综合能源生产系统。


背景技术：

2.我国煤电每年排放超过40亿吨二氧化碳，占到全国总碳排放量的40％以上。为了实现碳达峰和碳中和的目标，煤电的碳排放问题必须予以解决。虽然通过碳捕捉等技术手段，可以将煤电的二氧化碳进行分离和存储，但如何将捕捉的二氧化碳进行封存和利用，仍然面临多方面的挑战。相比于二氧化碳的直接封存，将二氧化碳进行资源化利用更具前景。
3.其中，将二氧化碳与氢气进行催化反应制成甲烷、甲醇等燃料或化工产品是一种常用的技术路线。然而，由于氢气不易获取，通过电解制氢的模式则会带来较大的电力消耗，且氢气与二氧化碳反应制备甲醇对氢气的消耗量较大，因此技术经济可行性较差。


技术实现要素：

4.(一)发明目的
5.本发明的目的是提供一种综合能源生产系统，通过将一氧化碳作为最主要的能量载体和碳载体，将能量转换中的碳排放转变为重要的工业原料，合理解决了煤电厂的碳排放问题。
6.(二)技术方案
7.为解决上述问题，本发明提供了一种综合能源生产系统，包括：第一反应装置综合能源生产系统3，用于焦炭与二氧化碳进行反应的装置，以产生一氧化碳；第二反应装置综合能源生产系统5，用于一氧化碳与蒸汽进行反应的装置，以产生氢气和二氧化碳；第三反应装置综合能源生产系统4，所述第三反应装置综合能源生产系统4与所述第一反应装置综合能源生产系统3连通，所述第三反应装置综合能源生产系统4与所述第二反应装置综合能源生产系统5连通，以至少利用所述第一反应装置3的一氧化碳与所述第二反应装置5的氢气进行反应产生甲醇。
8.其中，所述第一反应装置与所述第二反应装置连通，用于将一氧化碳输送到第二反应装置。
9.其中，所述第二反应装置与所述第一反应装置连通，用于将所述第二反应装置产生的二氧化碳输送到所述第一反应装置。
10.其中，还包括：干馏装置，其与所述第一反应装置连通，用于将产生的焦炭输送到所述第一反应装置。
11.其中，所述干馏装置与所述第三反应装置连通，用于将一氧化碳输送到所述第三反应装置。
12.其中，所述干馏装置与所述第一反应装置连通，用于将二氧化碳输送到所述第一反应装置。
13.其中，还包括：锅炉，所述锅炉与所述第一反应装置连通，用于将二氧化碳输送到
所述第一反应装置。
14.其中，还包括碳捕捉装置，其上设有烟气入口、烟气出口和二氧化碳出口，所述碳捕捉装置用于分离所述干馏装置或锅炉产生烟气中的二氧化碳，所述碳捕捉装置与第一反应装置连通，以将分离后的二氧化碳输送到所述第一反应装置。
15.其中，还包括蒸汽产生装置，所述蒸汽产生装置与所述第二反应装置连通，用于将蒸汽输入所述第二反应装置。
16.(三)有益效果
17.本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：本技术通过将一氧化碳作为最主要的能量载体和碳载体，实现了氢气和甲醇的低成本制取，将煤电厂的二氧化碳进行资源化利用，将能量转换中的碳排放转变为重要的工业原料，解决了煤电厂的碳排放问题。
附图说明
18.图1是根据本技术第一方面一种综合能源生产系统的结构示意图；
19.图2是根据本技术第二方面一种综合能源生产系统的结构示意图。
20.附图标记：
21.1：碳捕捉装置；2：干馏装置；3：第一反应装置；4：第三反应装置；5：第二反应装置；6：蒸汽产生装置；7：锅炉；8：排烟装置。
具体实施方式
22.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
23.在附图中示出了根据本发明实施例的层结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
24.显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
25.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
26.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
27.在一相关实施例中，处理二氧化碳的方式主要通过将二氧化碳作为主要的碳载体、将氢气作为还原剂和能量载体。由此看来，在本实施例中将对氢气产生巨大的消耗量，且一般可采用技术方案是将电解水作为制备氢气的主要手段，造成氢气制备成本高、能耗大，因此，本实施例中处理二氧化碳的技术路线的技术经济性一般。
28.在一相关实施例中，煤电厂二氧化碳资源化利用的主要途径是将其直接与氢气合成甲醇,其反应式如下：
29.co2 3h2＝ch3oh h20，δh＝-11.83kcal/mol
30.按理论值计算，每产生1吨甲醇，需要约0.2吨氢气。在一些实施例中，氢气来源一般为电解水，本方案对电力的消耗量也巨大：产生1吨甲醇需要消耗9000～10000千瓦时电力，由于电力成本较高，造成技术方案整体经济性不佳。
31.在一些相关实施例中，关于碳达峰和碳中和的技术路线均以二氧化碳为主要的碳载体、以氢气为还原剂和能量载体。因此，对氢气消耗量大，且所采用的技术方案一般采用电解水作为制备氢气的主要手段，造成氢气制备成本高、能耗大，因此，上述相关技术路线的技术经济性一般。
32.图1是根据本技术第一方面一种综合能源生产系统的结构示意图。如图1所示，在一可选实施例中，提供一种综合能源生产系统，包括：第一反应装置3，用于焦炭与二氧化碳进行反应的装置，以产生一氧化碳；第二反应装置5，用于一氧化碳与蒸汽进行反应的装置，以产生氢气和二氧化碳；第三反应装置4，第三反应装置4与第一反应装置3连通，第三反应装置4与第二反应装置5连通，以使至少利用第一反应装置3的一氧化碳与至少第二反应装置5的氢气于第三反应装置4内进行反应，以产生甲醇。在一具体实施例中，第一反应装置3为一氧化碳反应器，一种利用高温焦煤的氧化还原性，将二氧化碳还原为一氧化碳的装置，主反应为c co2＝2co。在一具体实施例中，第二反应装置5为氢气反应器，一种利用一氧化碳的氧化还原性与高温蒸汽进行催化反应，产生蒸汽和二氧化碳的装置，主反应为co h2o＝h2 co2。在一具体实施例中，第三反应装置4为甲醇反应器，一种利用富含一氧化碳的煤气与富含氢气的合成气催化反应，产生甲醇的装置，主反应为co 2h2＝ch3oh。
33.本技术实施例通过将一氧化碳作为最主要的能量载体和碳载体来处理二氧化碳的方式，本技术实施例解决了相关实施例中通过将二氧化碳作为主要的碳载体、将氢气作为还原剂和能量载体来实现二氧化碳的处理方式，也避免了通过电解水来制备氢气的复杂过程，克服了制备氢气成本高、能耗大的技术问题。
34.在一可选实施例中，本技术通过利用煤炭制备焦油、焦煤和煤气。焦油直接对外销售；将高温焦煤送入第一反应装置3来进行获取一氧化碳反应，通过利用高温焦煤的碳与二氧化碳反应，制备一氧化碳；煤气以一氧化碳为主，部分送入第三反应装置4来进行获取甲醇的反应。在一可选实施例中，还包括：干馏装置2，其与第一反应装置3连通，用于将产生的焦炭输送到第一反应装置3。
35.本技术实施例避免了相关技术中煤电厂二氧化碳资源化利用的主要途径是将其直接与氢气合成甲醇这一方式，避免了制备氢气的巨大成本和巨大的电力消耗，节约了电力成本，本技术实施例经济性较好。
36.本技术实施例通过将一氧化碳作为最主要的能量载体和碳载体，实现了氢气和甲醇的低成本制取，将煤电厂的二氧化碳进行资源化利用，将能量转换中的碳排放转变为重要的工业原料，解决了煤电厂的碳排放问题。
37.在一可选实施例中，第一反应装置3与第二反应装置5连通，用于将一氧化碳输送到第二反应装置5。在一可选实施例中，本技术通过利用煤炭制备煤气。一部分煤气送入第二反应装置5进行获取氢气反应。
38.在一可选实施例中，第二反应装置5与第一反应装置3连通，用于将第二反应装置5产生的二氧化碳输送到第一反应装置3。本公开实施例通过将第二反应装置5的二氧化碳输送到第一反应装置3，将反应过程中的二氧化碳回收利用，制备获取一氧化碳，有效利用了资源且避免了二氧化碳的排放污染。
39.在一可选实施例中，干馏装置2与第三反应装置4连通，用于将一氧化碳输送到第三反应装置4。在一具体实施例中，干馏装置2为干馏炉，一种用于将煤在隔绝空气条件下加热、分解，生成焦炭、煤焦油、煤气等产物的装置。本技术实施例通过获取的一氧化碳，充分利用了一氧化碳的能量载体和还原作用，与氢气发生反应制备甲醇，替代了相关技术中通过二氧化碳和氢气直接反映的难度和资源消耗。
40.在一可选实施例中，干馏装置2与第一反应装置3连通，用于将二氧化碳输送到第一反应装置3。本技术实施例中通过将干馏装置2产生的高温焦炭输送到第一反应装置3中，焦炭的高温为获取一氧化碳的反应提供了温度便利，充分利用了系统的热能，节约了能源、避免了资源浪费。
41.在一可选实施例中，还包括：锅炉7，锅炉7与第一反应装置3连通，用于将二氧化碳输送到第一反应装置3。在一具体实施例中，锅炉7为燃煤锅炉，一种火电站的关键设备，用于利用煤炭燃烧将给水加热为高温蒸汽，并将高温蒸汽送入汽轮机。
42.在一可选实施例中，还包括碳捕捉装置1，其上设有烟气入口、烟气出口和二氧化碳出口，碳捕捉装置1用于分离干馏装置2或锅炉7产生烟气中的二氧化碳，碳捕捉装置1与第一反应装置连通，以将分离后的二氧化碳输送到第一反应装置。在一具体实施例中，碳捕捉装置用于发电或工业生产所产生烟气中的二氧化碳分离。
43.在一可选实施例中，还包括蒸汽产生装置6，蒸汽产生装置6与第二反应装置5连通，用于将蒸汽输入第二反应装置5。在一具体实施例中，蒸汽产生装置6为汽轮机，一种将高温蒸汽转化为旋转机械能的装置，可以根据需要在其上不同位置打孔抽取不同温度和压力的蒸汽。
44.在一可选实施例中，还包括排烟装置8，设置于干馏装置2的烟道或锅炉7的烟道或碳捕捉装置1的烟道。
45.在一可选实施例中，以一氧化碳作为主要的能量载体和碳载体，煤干馏炉、煤电机组以及各类反应器进行集成，利用干馏炉产生的焦炭对从煤电机组捕捉的二氧化碳进行氧化反应，并产生一氧化碳，利用一氧化碳与高温蒸汽混合制备富含氢气的合成气，并将其与一氧化碳进行催化反应，进而制备甲醇，其涉及的主要化学反应式如下
46.c co2＝2co,δh＝ 41.07kcal/mol
47.co h2o＝h2 co2,δh＝-9.8kcal/mol
48.co 2h2＝ch3oh,δh＝-21.66kcal/mol
49.与上述相关技术路线相比，该技术路线减少了1/3的氢气消耗量，同时，采用了水蒸气与一氧化碳制备氢气，与电解制氢相比，综合能耗大幅降低，因此降低了甲醇制备成本和能量消耗。
50.在一可选实施例中，干馏装置2通过利用煤炭制备焦油、焦煤和煤气。其中，焦油直接对外销售。其中，焦煤一般温度在500～800℃，将焦煤送入第一反应装置3用于反应。其中，煤气以一氧化碳为主，部分送入第三反应装置4，部分送入第二反应装置5。
51.在一可选实施例中，焦煤还原二氧化碳制备富含一氧化碳的煤气。焦炭与碳捕捉装置1中的二氧化碳反应，产生一氧化碳，并送入第二反应装置4。
52.在一可选实施例中，一氧化碳还原水蒸气制备富含氢气的合成气。一氧化碳与蒸汽产生装置6抽取的高温蒸汽反应，产生富含氢气的合成气，并送入第二反应装置4。
53.在一可选实施例中，富含一氧化碳的煤气与富含氢气的合成气催化反应制备甲醇。
54.在一可选实施例中，通过利用一氧化碳作为中间能量载体和碳载体，实现煤电厂与化工工艺集成的技术路线，包括：将煤电厂捕捉的二氧化碳与高温焦煤(来源于干馏炉)直接反应产生富含一氧化碳煤气的技术方案。
55.在一可选实施例中，将一氧化碳与煤电厂汽轮机高温蒸汽进行反应，产生富含氢气的合成气，作为制备甲醇的还原剂的技术方案。
56.图2是根据本技术第二方面一种综合能源生产系统的结构示意图。如图2所示，在一可选实施例中，第二反应装置5的二氧化碳出口与碳捕捉装置1连通，用于将二氧化碳输送到碳捕捉装置1。
57.综上所述，本技术实施例的一种综合能源生产系统实现了能源梯级利用，减少了氢气消耗和能源总体消耗，提高了整个循环的效率。本技术实施例与传统技术相比，氢气来源替换为将一氧化碳与水蒸气反应，不需要利用电解制氢，基本不消耗电力，成本优势明显。本技术实施例本技术通过将一氧化碳作为最主要的能量载体和碳载体，实现了氢气和甲醇的低成本制取，将煤电厂的二氧化碳进行资源化利用，将能量转换中的碳排放转变为重要的工业原料，解决了煤电厂的碳排放问题。本技术实施例达到了零碳的目的，为实现碳达峰和碳中和的目标做出了贡献。
58.本技术实施例以合成甲醇为例进行了说明，但合成甲烷、柴油、汽油等燃料不脱离本技术的创新实质，也应属于本技术的保护范围。
59.应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。