带CO2捕集的煤气化费托合成燃料联产电系统及方法

摘要

本发明涉及一种带CO2捕集的煤气化费托合成燃料联产电系统及方法，属于能源与环境技术领域。该系统包括空气分离单元（1）、纯氧加压气流床煤气化及初步净化单元（2）、合成气脱硫脱碳净化单元（3）、使用Fe基催化剂的一次通过费托合成单元（4）、采用O2/CO2燃烧技术的增压燃气锅炉和超超临界汽轮机的动力发电单元（5）和CO2压缩单元（6）。该联产系统较单产系统具有工艺流程简单、化/电比调节灵活，同时能够捕集CO2的特点，特别适用于改造现有煤气化费托合成系统并实现减排CO2。

说明书

技术领域

本发明涉及一种能捕集CO₂的煤气化费托合成燃料/电联产系统及方法，属于能源与环境技术等领域。

背景技术

我国油气资源相对缺乏而煤炭资源相对丰富，原油大量依赖进口，当前原油年进口量超过2.0亿吨，进口依存度已超过50%，从我国原油消费结构可知其主要被用于提炼柴油、汽油等液体燃料，约占原油消费总量的60%。如果原油进口量按照近10年的平均增长率继续发展，我国原油消费量和进口依存度仍将不断增加，能源供应战略受到的安全威胁也将进一步加剧。此外，这些基于原油提炼的柴油、汽油等液体燃料直接燃烧产生的全生命周期污染排放也难以满足日趋严格的环保要求。

随着人们对CO₂排放问题认识的深入，如何从煤基能源系统实现减排CO₂成了研究的热点。目前大量捕集CO₂的煤基能源系统及方法已被提出，已有研究结果表明捕集CO₂位置和流程的差异，对系统的热力和经济性能等影响明显。与燃煤电站从排烟中捕集CO₂相比，对煤气化合成气采用变换反应将其转化为主要成分为CO₂和H₂的合成气，然后采用物理净化或者化学净化工艺从变换气中分离、浓缩并压缩CO₂，是一种被广泛关注的CO₂捕集技术。如美国能源部提出的“FutureGen”能源系统以及我国华能集团提出的绿色煤电能源系统等。然而以上这类技术系统分离CO₂后得到的合成气主要成分为氢气，对其采用大规模氢气轮机发电技术尚不成熟。

O₂/CO₂燃烧技术也是一项可用于捕集CO₂的技术。其主要特点在于利用CO₂代替空气中的N₂，排烟经过冷凝分离液态水后可以得到高纯度的CO₂气体，可能应用的领域主要有电站锅炉和IGCC等。与采用燃烧前捕集CO₂的技术相比，该技术应用范围较广，不仅可用于现有电站减排CO₂，而且还可用于新建电站。与采用燃烧后捕集CO₂相比，该技术具有低能耗和低成本捕集CO₂的优势。与空气助燃方式相比，采用O₂/CO₂燃烧技术不仅便于捕集CO₂，提高燃料的利用率，SO_x、NO_x和重金属等污染排放也有所降低。该技术相对较成熟，已有一些示范电站的实际运行经验。而采用增压O₂/CO₂燃烧技术，还可以通过提高出口烟气中CO₂的浓度和压力，降低烟气净化工艺设备尺寸以及CO₂压缩功耗。然而，受到当前商业技术水平限制，IGCC系统存在比投资高，工艺流程复杂等不足，单纯考虑捕集CO₂将会进一步影响其应用。

煤炭气化后耦合化工合成与动力发电的联产系统，以其总能利用效率高、简化化工单元流程和化电比调节灵活等优势，引起了人们的关注。而发展石油代用燃料是稳定我国液体燃料安全供应和解决石油基液体燃料带来的环保问题的一个途径。目前研究者们已提出多种化工品联产电的方案，如甲醇/电联产系统方案，二甲醚/电联产系统方案，以及F-T合成燃料/电联产系统方案等。其中，以合成气为原料，利用F-T合成技术得到的液体燃料优势明显。其特点在于：F-T合成柴油中的硫、氮和砷等含量均较低，F-T合成燃料的产品质量优于石油产品；F-T合成柴油的16烷值达到70，可作为优质油用于其他油品的调配，在不改变现有基础设施的条件下即可送至用户。而发展其他代用燃料，除了需要解决发动机改造、燃烧过程遇到的启动、运行和控制等问题之外，还需要解决代用燃料的存贮、运输和供应系统的建设等问题。而与煤直接液化制油技术相比，煤间接液化技术具有工艺技术相对成熟，煤种适应范围宽，碳转化率高、对反应器操作条件要求相对低和油品质量高等优势。

由此可见，利用联产概念，研究构建带CO₂捕集的煤气化F-T合成燃料/电联产系统方案，对于稳定我国燃料安全供应，改善其环保性能，发展煤炭清洁高效综合利用技术具有重要意义。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明的目的在于提出一套能够简化化工合成单元工艺流程、联产化工品和电两种产品，同时能够捕集CO₂，主要部件单元采用基于当前商业技术的增压O₂/CO₂燃烧煤气化F-T合成/电联产系统，特别适用于改造现有合成工艺流程复杂、能耗高、CO₂排量大的单独用于合成液体燃料的煤气化F-T合成系统。

（二）技术方案

本发明所述的带CO₂捕集的煤气化费托合成燃料联产电的系统及方法，其特征在于包括以下单元过程：空气分离单元、煤气化及初步净化单元、合成气脱硫脱碳净化单元、F-T合成单元、动力发电单元和CO₂压缩单元；

其中，空气分离单元原料入口与空气接通，空气分离单元副产品氮气出口与大气接通，空气分离单元产品氧气出口分成两条支路；其中一条支路与煤气化及初步净化单元的氧气入口相连，另一条支路与动力发电单元的气化剂氧气入口相连；煤气化及初步净化单元还具有煤和水入口，煤气化及初步净化单元的粗合成气出口与合成气脱硫脱碳净化单元的粗合成气入口相连；合成气脱硫脱碳净化单元的净合成气出口与F-T合成单元新气入口相连，合成气脱硫脱碳净化单元还具有硫出口和CO₂出口；F-T合成单元的尾气出口与动力发电单元的燃料入口相连，F-T合成单元还具有合成油出口；动力发电单元的烟气出口与CO₂压缩单元入口相连；

上述F-T合成单元依次由预热器、F-T合成反应器、气液分离装置以及与气液分离装置液相出口相连的加氢提质装置构成，加氢提质装置上具有合成油出口；上述预热器位于F-T合成反应器出口位置，以利用F-T合成反应器出口物流显热对新合成气进行预热；

上述动力发电单元包括：燃料入口与F-T合成单元气液分离装置气相出口相连的增压燃气锅炉，增压燃气锅炉的烟气出口分为两条支路，其中一条支路经过冷凝器分离液态水后得到高压高纯度气相CO₂，另一条支路经过循环压缩机与增压燃气锅炉的掺冷气入口相连，增压燃气锅炉还具有氧气入口；增压燃气锅炉的新蒸汽出口依次与超超临界汽轮机、凝汽器、循环水泵相连，再与增压燃气锅炉的水入口相连。

本发明所述系统的合成燃料联产电的方法，其特征在于包括以下过程：

第一步、空气在空气分离单元分离成氮气和氧气；

第二步、氧气与煤、水在煤气化及初步净化单元制成粗合成气，粗合成气主要成分为CO、H₂、H₂O、H₂S和CO₂，粗合成气显热用于加热动力发电单元的工质水；

第三步、粗合成气在合成气脱硫脱碳净化单元被制成净合成气，并排出副产品S和少量CO₂，净合成气主要成分为CO和H₂；

第四步、净合成气在F-T合成单元制成合成油并排出尾气；该步骤具体过程如下：

来自合成气脱硫脱碳净化单元的净合成气经过预热器后进入F-T合成反应器反应，而F-T合成反应器出口物流被预热器冷却后进入气液分离装置；

F-T合成反应器是一种采用Fe基催化剂的浆态床F-T合成反应器，合成气在其中被转化为含有不同碳原子数的混合烃；

预热器出口的冷却物流在气-液分离装置中进行气-液分离，气液分离装置出口可以得到液相产物和气相产物，气相产物作为燃料与动力发电单元燃气锅炉燃料气入口相连，气相产物的主要成分为低碳烃、CO、H₂和CO₂；

以上液相产物送入加氢提质装置制得液态燃料油；第五步、尾气作为动力发电单元（5）的燃料，在O₂/CO₂条件下产生烟气；该步骤具体过程如下：

F-T合成单元气-液分离装置出口气相产物在增压燃气锅炉内、在O₂/CO₂助燃及掺冷条件下，完全燃烧并生成主要成分为CO₂和H₂O的烟气，烟气出口分为两条支路，循环水在增压燃气锅炉内被烟气加热变成超超临界蒸汽；

其中一条支路的烟气经冷凝器分离液态水后得到高纯度的气态CO₂，另一条支路的烟气经循环压缩机增压后用于增压燃气锅炉的掺冷。

从增压燃气锅炉出来的超超临界蒸汽进入超超临界汽轮机将热能转化为机械能并进一步被转化为电能；

凝汽器，超超临界汽轮机出口的乏气经凝汽器冷凝为液态水、再经循环水泵与增压燃气锅炉循环水入口相连；

第六步、烟气在CO₂压缩单元被制成高压高纯度的液相CO₂。

附图说明

图1是捕集CO₂的煤气化费托合成燃料/电联产系统工艺流程图

图2是新系统费托合成单元的工艺流程图

图3是新系统动力发电单元的工艺流程图

图4是常规费托合成单元工艺流程图

图5是常规IGCC系统工艺流程图

图6是常规煤气化费托合成系统工艺流程图

图中标号名称：1. 空气分离单元，2. 煤气化单元，3. 合成气脱硫脱碳单元，4. 费托合成单元，5. 动力发电单元，6. CO₂压缩单元，7. 费托合成反应器，8. 预热器，9. 气-液分离装置，10. CO₂吸收塔，11. 贫富液热交换器，12. CO₂再生塔， 13. 加氢提质装置， 14. 换热器，15. 自热重整反应器， 16. 循环尾气压缩机， 17. 增压燃气锅炉， 18. 汽轮机， 19. 发电机， 20. 凝汽器， 21. 循环水泵， 22. 冷凝器，23. 循环压缩机。

具体实施方式

本发明涉及一种捕集CO₂的煤气化费托合成燃料/电联产系统。本发明提出的系统主要是结合采用Fe基催化剂的F-T合成过程的CO₂增浓作用。构成一个主要由空气分离单元，煤气化及初步净化单元，合成气脱硫脱碳净化单元，F-T合成单元和动力发电单元构成的联产系统方案。原料煤、水和来自空气分离单元的氧气在煤气化单元的气化炉发生气化反应制取得到高温高压的粗合成气，粗合成气的主要成分为CO、CO₂、H₂、H₂O和H₂S。

与常规煤气化单元的辐射换热器或者对流换热器内换热形式不同，该联产系统气化单元粗合成气换热器内冷侧流体为处于超超临界压力的冷却水，而常规煤气化单元粗合成气换热器内冷侧流体采用的是高压水。在不改变原有粗合成气换热器换热面积的条件下，该联产系统的煤气化单元及初步净化单元出口合成气能够被冷却至更低温度；从煤气化及初步净化单元得到的高压低温粗合成气进入合成气脱硫脱碳净化单元，其中粗合成气中H₂S和CO₂被分步分离并被转化为S和CO₂，经过该单元得到的净合成气作为原料气被送入F-T合成单元。净合成气在F-T合成单元通过采用Fe基催化剂的一次通过浆态床费托合成技术。主要是鉴于采用Fe基催化剂的浆态床F-T合成能够适应H₂/CO比较低的合成气，该过程较固定床反应器等的一次通过合成气转化率高。而且在合成气转化率较高的条件下，Fe基催化剂通过水气变换调整合成气组成的作用，使得F-T合成尾气具有CO₂含量高、可燃成份(H₂、CO、C_4-等低碳烃)含量低和热值低等特点。由于以上该F-T合成过程在生产液体燃料的同时，其对合成气组成的调整有利于降低捕集单位CO₂对应的氧气耗量，从而降低系统内部功耗。

在动力发电单元，一次通过费托合成尾气直接作为增压燃气锅炉的燃料（增压燃气锅炉操作压力与F-T合成尾气压力相当），在来自空气分离单元的纯氧助燃条件下，充分燃烧产生主要成分为CO₂和H₂O的高温高压烟气。增压燃气锅炉省煤器排出的烟气被分为两条支路：一条支路循环回燃气锅炉用于控制燃烧温度；另一支路被冷凝并分离液态水后，可以得到高纯度的压力CO₂。增压燃气锅炉燃烧产生的高温烟气（主要成分为三原子气体，较N₂具有更高的辐射换热系数）加热水，生产的高温高压蒸汽推动超超临界汽轮机实现发电。由于F-T合成尾气中有效成分(H₂、CO和CH₄等低碳烃)含量低，采用增压燃气锅炉通过使用增压O₂/CO₂燃烧技术需要消耗的氧气量少；F-T合成尾气热值低，而CO₂含量较高，用于控制入口烟气温度的掺冷CO₂循环量少，对应循环烟气压缩机的功耗低；而且增压O₂/CO₂燃烧产物主要为三原子分子(CO₂和H₂O)，其能够提高锅炉内辐射换热系数，减少受热面的布置。考虑到F-T合成尾气压力高(与F-T合成反应器操作压力相当)，采用增压O₂/CO₂燃烧技术能够从燃气锅炉排烟中分离得到压力CO₂，从而可以降低CO₂捕集过程的压缩功耗。因此，该动力发电单元采用的增压燃气锅炉和超超临界蒸汽参数能够提高增压燃气锅炉的火用利用率、降低CO₂的压缩功耗。压力CO₂在CO₂压缩单元通过带间冷器的多级离心式压缩机的压缩和冷却作用，制成便于运输和埋存的液相CO₂。

总之，与相同产出的单产方案（图5所示的IGCC+图6所示的单独F-T合成）相比，该联产系统及方法具有工艺流程简单、化/电比调节灵活、能够捕集CO₂的特点，特别适用于改造现有煤气化费托合成系统，并实现捕集CO₂，而且该系统在工艺技术成熟度方面也具有优势，且在高化电比条件下的性能优势明显。