[发明专利]基于化石燃料化学能适度转化的多功能能源系统

说明书

技术领域

本发明涉及能源动力技术领域，具体地说是一种基于煤和天然气等化石燃料化学能适度转化的多功能能源系统。

背景技术

目前煤炭和天然气等化石燃料主要应用于化工和电力生产系统。煤大多通过燃煤电站直接燃烧生产蒸汽，蒸汽再推动汽轮机发电，煤直接燃烧发电方法不但效率偏低，而且污染严重。近来，煤气化被认为是一项非常有应用前景的技术，煤先通过气化转化成合成气(主要成分为CO和H₂)，不但可以作为联合循环燃料，提高能源利用效率，减少污染，还可以作为化工生产的原料。煤完全气化追求高碳转化率，使得气化炉体积庞大，投资高昂，严重限制了煤气化技术的大规模应用。煤部分气化提供了一个解决方案，在部分气化过程中，化学活性高的富氢成分可以迅速地转化为合成气，而化学活性较低的富碳成分转化成半焦。通过这种方法，气化炉体积可以大幅减小。煤部分气化可以用于发电系统中，多以空气为气化剂，主要技术难点是高温合成气净化方法。但少有文献对部分气化合成气制备化工产品的利用方法进行研究。

天然气是另一种电力和化工生产的主要化石燃料。在联合循环中，天然气直接在燃烧室中燃烧，燃烧的损失大约占整个循环损失的一半。在化工生产过程中，天然气必须首先通过甲烷/蒸汽重整反应将天然气转化成合成气。由于重整反应需要较高的温度，通常高于900℃，大约33％的天然气需要在重整炉内燃烧，提供高温环境。由于重整炉的尺寸大，重整反应器的设备价格会很高。近年提出了甲烷的部分氧化和自热式重整方法，这些方法避免了传统重整方法中间壁式高温传热过程，使反应器结构大为简化，但是这些方法仍然不成熟，并且需要增设空分设备。

考虑传统工业生产中存在的问题，本发明提出了一种基于煤和天然气等化石燃料化学能适度转化的多功能能源系统。该系统实现了煤根据其组分化学活性进行适度转化，煤、水蒸汽和氧气在气化炉中进行部分气化反应，高活性组分可以快速的转化为合成气，由于煤是部分转化，气化炉的尺寸得以大幅减小。大约50％的煤转化成合成气，剩余未转化的成分(半焦)燃烧来提供甲烷/蒸汽的重整反应所需要的热量，这样，天然气和焦碳得到了综合的利用。重整反应也是适度反应，甲烷的转化率由92.5％降低到66.5％，重整温度由950℃降低到800℃，重整反应器尺寸得以减小。由煤部分气化的富碳合成气和天然气重整的富氢合成气混合后以一个适当的比例(比传统的化工过程低)转化成甲醇。该系统采用了部分甲醇合成，新鲜气中大约47％的活性组分转化成了甲醇，大幅度降低了合成的循环倍率，减小了压缩功。最后，未转化的合成气作为联合循环发电的燃料。

总之，本发明提供的化石燃料化学能适度转化的多功能能源系统，在提高能源利用率的同时，降低了系统的设备投资。燃料化学能得到有效经济利用。研究结果表明，与分产系统相比，在相同燃料消耗量和甲醇产出条件下多功能系统可以多发电10～15％。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于煤和天然气适度转化的多功能能源系统，以解决煤完全气化和天然气全部重整时不可逆损失大，设备庞大成本昂贵的问题，以提高系统的效率，降低系统设备投资。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种基于化石燃料化学能适度转化的多功能能源系统，该系统包含合成气制备与余热回收子系统、化工产品合成与精制子系统和发电子系统，其中：

合成气制备与余热回收子系统，用于将煤和天然气分别通过部分气化和重整单元适度转化成高温合成气，将该高温合成气冷却后输送给化工产品合成与精制子系统，同时将产生的高温蒸汽输送给发电子系统；

化工产品合成与精制子系统，用于将接收的高温合成气加压输送到化工产品合成反应器，合成化工产品，然后再经过精制单元得到精制的化工产品，化工产品合成过程中排放的未转化气体，回收后输送给发电子系统加以利用；

发电子系统，用于将化工产品合成与精制子系统中未转化的合成气以及来自余热回收子系统的高温蒸汽转化成电能输出，同时为合成气制备与化工产品合成与精制子系统提供工艺蒸汽。

优选地，所述合成气制备与余热回收子系统至少包括煤/纯氧部分气化炉、半焦燃烧重整反应器和余热回收装置，煤、纯氧和水蒸汽在该煤/纯氧部分气化炉中发生部分气化反应进行煤气化过程生成合成煤气，未反应部分转化成半焦，该半焦在半焦燃烧重整反应器内部的反应管外燃烧产生热量，供天然气和水蒸汽在反应管内的催化剂表面发生重整反应；煤气化过程生成的合成气与重整反应制备的合成气，二者的余热经过余热回收装置回收，同时生产过热蒸汽。