[发明专利]一种分离CO2的化工动力多联产能源系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及能源与环境技术领域，尤其涉及一种利用富碳原料生产替代燃料(化工产品)和电力，并同时回收CO₂的化工动力多联产能源系统及方法。

背景技术

化石能源为主的能源开发与利用技术为人类社会的生存与发展起到了关键的推动作用。然而，人类也为能源的使用付出了惨重代价：温室气体排放造成的温室效应将导致病虫害增加、海平面上升、气候反常、海洋风暴增多、土地干旱、沙漠化面积增大等一系列严重后果。

我国的地理位置处在中纬度生态脆弱的地区，极易受到气候变化不利影响的危害，而且在漫长的海岸线上是人口密集和经济、贸易发达的地带，直接受到海平面上升的危害，面临着全球气候变化及其它环境问题的严重威胁。而且，我国每年排放CO₂约占世界总排放量的12％，居世界第二位，到2025年前后，我国的二氧化碳排放总量很可能超过美国，居世界第一位。我国已加入了《京都议定书》，在温室气体减排方面将面临巨大的国际政治、经济和环境压力。因此，无论从可持续发展战略角度，还是从国际形势出发，温室气体引起的全球变暖以及由此引发的能源系统CO₂控制问题都是当前也是未来我国能源领域最引人关注的问题。

另一方面，煤炭等富碳燃料作为我国最主要的一次能源，在发电、供热、冶金、化工等行业中占有举足轻重的地位。然而，由于采用直接燃烧的单一利用方式，与发达国家相比，我国燃煤发电的单位能耗高出约20％，其它行业的单位能耗更高。更为重要的是，作为化石燃料中含碳量最高的富碳燃料，燃煤造成的CO₂排放是最为严重的。整体煤气化联合循环(IGCC)虽然被认为是未来最有发展前景的洁净煤发电技术，IGCC系统中对煤气进行净化处理，脱硫效率可以达到99％以上，但对于大幅度减少CO₂排放却还无能为力。显然，传统的煤炭单一利用方式造成了严重的资源浪费和环境污染，已无法适应未来可持续发展战略的要求。寻找在煤炭高效利用的同时控制污染物排放的洁净煤利用技术是我国未来能源产业面临的最主要挑战之一。

到目前为止，能源系统集成CO₂分离的主要技术可以根据CO₂分离过程在系统中的位置(或者说分离点)的不同和循环创新分为“燃烧后分离”、“燃烧前分离”、“纯氧燃烧”：

(1)燃烧后分离CO₂

能源系统集成CO₂回收的最简单的方式即在动力发电系统的尾部亦即热力循环的排气中分离和回收CO₂。由于可以从已建成的电厂排气中回收CO₂而无需对动力发电系统本身作太多改造，这种集成方式的优势在于可行性较好。但由于排气中CO₂浓度通常低于9％，而适合低浓度CO₂分离的化学吸收工艺需要消耗较多的中低温饱和蒸汽用于吸收剂再生，这部分蒸汽通常取自蒸汽透平，从而导致蒸汽循环有效输出功损失很多(约20％)，系统热转功效率下降8～13个百分点。

(2)燃烧前分离CO₂

利用煤气化或天然气重整可以将化石燃料转化为合成气(主要成分为CO和H₂)，进一步通过水煤气变换反应可以将合成气中的CO气体转化为CO2和氢气，再通过分离工艺将CO₂分离出来，则可以得到相对洁净的富氢燃料气。这种CO₂回收方式称为燃烧前分离，或燃料气脱碳。由于CO₂分离是在燃烧过程前进行的，燃料气尚未被氮气稀释，待分离合成气中的CO₂浓度可以高达30％，分离能耗相对于燃烧后分离有所下降。但燃烧前分离同样存在着缺陷：合成气的产生过程与水煤气变换反应均会带来燃料化学能的损失，因此，采用燃烧前分离的动力发电系统热转功效率仍然会下降7～10个百分点，其代价与燃烧后分离方式相比减小十分有限。

(3)采用纯氧燃烧的O₂/CO₂循环