[发明专利]一种多功能能源系统

说明书

技术领域

本发明涉及制氢、发电和CO₂排放控制技术领域，尤其涉及一种以煤和天然气为燃料制备氢、液态二氧化碳并实现发电的多功能能源系统。

背景技术

目前与本发明相关的技术主要包括制氢技术、发电技术和CO₂控制技术，其各自技术的发展情况和系统特征如下。

1.制氢技术

氢气广泛应用于工业过程，如石油、化工、冶金、航天、医药等，其中应用量最大的是石油化工。工业上制氢过程种类很多，根据原料不同，可以分为化石燃料制氢和二次能源(甲醇、金属、电等)制氢。占主导地位的是化石燃料制氢，因为化石燃料不仅廉价而且设备初投资和运行维护成本比较低。

天然气和煤是两种主要的化石能源来源，他们的性质具有较大的差别。天然气是清洁能源，不含灰分，含硫量较少；煤含有大量的杂质，包括灰分、硫分和碱金属等。煤炭在利用时较天然气困难，需要配置高效的除尘和脱硫装置。我国煤炭资源丰富，是我国的主要能源来源，而天然气资源相对匮乏。

煤和重油都是含碳量比较高的燃料，当他们用于制氢时，一般需要经过气化过程转换成合成气。因此，以煤和重油为原料的制氢系统通常都需要空分单元，制取纯氧供煤或重油的气化过程使用。他们共同的特点就是设备投资大，运行维护费用高。煤炭和重油中的含氢量少，含碳量高，因此，气化过程制备的合成气中H₂的浓度较低，需要较大的分离设备和较高的分离能耗制备纯净氢气。

长期以来天然气燃料转化制氢成为最经济的制氢方法，也是广泛应用的方法。天然气燃料制氢流程主要有：

(1)天然气/水蒸汽重整制氢。天然气经过压缩、脱硫后与水蒸汽混合，再进入转化炉对流段，被烟气间接加热到400℃以上后进入反应炉，在催化剂的作用下发生重整反应，生成合成气，出口温度一般维持在约800℃左右。重整产物中氢气含量约70％，经余热回收和冷却后在PSA中分离得到高纯度氢气。甲烷蒸汽转化过程采用镍作为催化剂，操作温度在750～920℃，操作压力在0.5～2.86Mpa，重整反应所需要的高温反应热是靠燃烧天然气提供的。

(2)天然气部分氧化重整制氢。天然气经过压缩、脱硫后与水蒸汽混合，预热到约500℃，氧气或富氧空气经过压缩后也预热到约500℃。这两股气流分别进入反应器顶端的喷嘴，在此充分混合，进入反应器进行部分氧化反应。一部分天然气与氧气反应生成H₂O及CO₂，并产生热量供剩余的天然气/水蒸汽在反应器的催化层中发生的重整反应利用。反应器下部出来的合成气温度在900～1000℃，氢气含量在50～60％。合成气经过冷凝水淬冷，再经过热量回收并降温，然后送入PSA装置进行分离。

传统的制氢系统往往更加关注高的氢气产量和产率，对天然气合理利用没有给予足够的重视。例如在天然气/水蒸汽重整制氢流程中，输入系统的天然气要分成两部分，一部分作为重整反应物(64％左右)，与水蒸汽混合后进行重整反应；另一部分(36％左右)作为燃料天然气，在重整反应器中燃烧，将温度为800～950℃的热量提供给重整反应。

图1为传统的天然气重整反应示意图，1kmol天然气(假定天然气成份全部为甲烷)输入时，0.368kmol的甲烷作为燃料燃烧，为0.632kmol的甲烷/水蒸汽重整反应提供反应热，重整产物为1.896kmol的H₂和0.632kmol的CO。清洁的天然气在该制氢流程中的利用并不合理，燃料天然气燃烧过程产生的高温热量(1800～2000℃)，仅仅供给800～950℃的重整反应，可见伴随热量传递过程的温差(1000℃左右)，天然气/水蒸汽重整过程的不可逆损失较大。在天然气部分氧化流程中，天然气通过部分氧化反应转换成合成气，与重整反应不同，不需要外部供热。

天然气部分氧化反应可以分成两个子过程：第一个子过程为部分天然气与纯氧发生完全氧化反应，生成CO₂和H₂O，同时放出大量高温热量。第二个子过程为天然气/水蒸汽的重整反应，吸收第一个子过程放出的大量热量。天然气部分氧化与天然气/水蒸汽重整过程类似，也存在一个大温差的传热过程，因此天然气部分氧化制取合成气也具有较大的不可逆损失。减少重整反应和部分氧化反应过程的不可逆损失是进一步降低系统制氢能耗的潜力所在。

2.发电技术