[发明专利]基于煤气化与甲烷化的燃气－蒸汽联合循环系统及工艺

说明书

技术领域

本发明主要涉及一种新颖的CO₂高浓度富集方法及电-代用天然气联产系统及工艺方法，特别是涉及以煤为原料的基于煤气化和甲烷化的燃气-蒸汽联合循环系统及工艺方法。

背景技术

近年来，由于世界范围内燃油和天然气价格的飙升，再加上温室效应对气候和生态影响的明显加剧。依据我国富煤少气的资源状况，IGCC作为一种新型的洁净煤发电技术，凭借其较高的供电效率和潜在的CO₂减排优势，又重新站上了历史舞台。但是，它仍面临如下三个问题：首先，IGCC电站的经济性，IGCC电站的造价目前是普通燃煤电站造价的2倍；其次，IGCC电站变负荷运行能力；第三，燃气轮机改烧中低热值煤气的改造技术。

煤气化是以煤基为能源的化工系统中最重要的核心技术和关键设备，以其为基础的能源及化工系统不仅能较好地解决煤转化过程中效率和污染物排放问题，且能生产液体燃料和电力等能源产品，对解决煤炭资源综合利用和缓解中国油气资源短缺问题有重要的意义。

在合成F-T液态燃料、甲醇和DME等化工产品时，需要通过CO变换反应来调整氢气与一氧化碳的比例，以满足生产工艺的要求。工业中，CO变换反应均在催化剂存在下进行，主要有Fe-Cr、Cu-Zn和Co-Mo三大催化剂系列。开发Co-Mo系催化剂的目的就是为了满足重油、煤气化制化工产品流程中可以将含硫气体直接进行CO变换，再脱硫脱碳的需要，从而简化工艺路线。一氧化碳和水蒸气的变换反应是一个可逆的放热过程，反应方程式如下：

CO+H₂OCO₂+H₂    (1)

煤气化所产生的煤气中通常含有较多的CO，此种煤气因其热值低和CO有毒性，不适于直接作为城市燃气和联合循环电站的燃料使用；在催化剂存在下，可将CO全部转化为甲烷，这就是代用天然气(SNG)。将煤气转化为甲烷的过程(即甲烷化反应过程)，可以按照如下两种方式进行：

2CO+2H₂CH₄+CO₂    (2)

CO+3H₂CH₄+H₂O     (3)

Peggy Y.Hou认为CO与H₂在硫化钼催化剂上是按照反应(2)进行的，并做了相关的研究。而目前研究与实践大都是按照反应(3)进行的，使用含钴或含镍催化剂，在200～350℃下CO催化加氢为甲烷，是F-T法合成烃类的一种特殊情况。作为一种净化技术的传统应用为：(A)用于脱除工艺气体(如精制H₂或氨合成气)中少量的CO和CO₂；(B)城市煤气借助CO甲烷化而被解毒，且单位体积的热值增加。而大规模应用是生产代用天然气，如美国Great plains天然气厂于1984年投产，日耗煤量18500吨，可用率大于98.7％，CO₂减排量达到5000吨/天。

发明内容

本发明的目的在于综合利用已大规模应用的煤气化和按照反应2CO+2H₂CH₄+CO₂进行的甲烷化技术，解决现有煤炭高效利用技术存在的问题而提出的一种煤基燃气-蒸汽联合循环系统及工艺方法，实现一种高浓度的CO₂富集技术方案，改变传统电站单一的能源供应形式，同时生产电力和代用天然气。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于煤气化甲烷化的燃气-蒸汽联合循环系统，其特征在于该系统包括：

a)一个燃气蒸汽联合循环装置25；

b)一个产生氧气和氮气的空气分离装置26，该空气分离装置制得的氮气17通过管道与燃气蒸汽联合循环装置25连接；

c)一个产生高压蒸汽和粗气化煤气的煤气化设备21，该煤气化设备通过管道与空气分离装置26制得的氧气3连接，产生的高压蒸汽5通过管道与燃气蒸汽联合循环装置25连接；

d)一个一氧化碳耐硫变换反应器22，该一氧化碳耐硫变换反应器将煤气化设备21制得的粗气化煤气4调整为适合甲烷合成的变换气6；

e)一个耐硫甲烷化反应器23，反应后生成甲烷和二氧化碳的混合气体7，通过变换气6的管道与所述的一氧化碳耐硫变换反应器22连接，产生的中压蒸汽8分别通过管道与脱硫脱碳设备24和燃气蒸汽联合循环装置25连接；