一种燃煤电厂烟道气二氧化碳捕集耦合生物炭制备工艺的制作方法

本发明涉及烟气治理及生物质利用的技术领域，尤其涉及一种燃煤电厂烟道气二氧化碳捕集耦合生物炭制备工艺。

背景技术：

在进入21世纪以来，全球变暖，温室效应日益加剧，大量的化石燃料燃烧，导致了大气中的二氧化碳浓度的上升，根据国际能源部报道，目前大气中二氧化碳浓度已经超过400ppm。在温室气体中二氧化碳的贡献率达到55%左右，其中由于燃煤电厂燃烧后排放的二氧化碳占二氧化碳排放总量的40%左右，工业二氧化碳排放占25%左右，运输占20%左右。生物能源与碳捕获和储存技术(beccs)是一种非常有效的温室气体减排技术，该技术结合了碳捕获和储存(ccs)和生物量的使用，它能够创造负碳排放，目前已在美国、加拿大、荷兰拥有投入实际运行，均涉及到乙醇制备过程。

目前燃煤电厂二氧化碳捕集方式分为：燃烧前捕集、燃烧后捕集和富氧燃烧。燃煤电厂燃烧后捕集的技术主要有溶剂吸收法、吸附法、膜分离法、低温深冷分离法等，目前醇胺吸收法应用最广泛，但是存在吸收剂再生温度较高，所需能耗较大，同时对设备造成一定程度的腐蚀。膜分离法以其占地面积小、能耗低、无相变、操作简便的优点，具有广阔的应用前景，但是由于燃煤电厂烟气压强小，烟气中二氧化碳的浓度低，实际运行中需要通过压缩机提供分离效果，增加了二氧化碳捕集过程的能耗，这是目前阻碍膜分离法工业应用的主要因素。

生物炭是生物有机材料（生物质）在缺氧或绝氧环境中，经高温热裂解后生成的固态产物，产物中富含炭元素，生物炭目前有多种用途，即可作为环境治理中的原料，同时可以作为环境改良材料，同时作为一种生物质能的利用方式实现固碳，较少大气排放，同时还可以缓解国内因为秸秆燃烧导致的大气污染问题，但是生物炭制备过程中存在需要高温条件，制备过程中间接的增加了能源消耗，一定程度上降低了其实际的减排效果。生物炭的制备温度条件不同对生物炭产物的理化性质有一定的差别，不同温度条件制备的生物炭的会有不同的最佳利用途径。

目前有些研究通过将熔融碳酸盐燃料电池与燃煤电厂烟气二氧化碳捕集相结合，，但是但未与生物质利用相结合，不符合生物能源与碳捕获和储存技术(beccs)的研究范畴。现有研究的技术，相对独立的运行，很少将生物质能利用与二氧化碳膜捕集与封存（ccs）技术相结合，两种技术间的有机结合将会提升资源和能量的综合利用，减少不必要的浪费。

因此，研究一种利用生物能源与碳捕获和储存技术(beccs)来捕集燃煤电厂烟气二氧化碳的工艺，在结合生物炭制备，将低温深冷、膜分离、熔融碳酸盐燃料电池技术进行整合，以降低工艺的能耗和捕集难度，是十分有必要的。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种燃煤电厂烟道气二氧化碳捕集耦合生物炭制备工艺，将生物炭制备、气体膜分离、熔融碳酸盐燃料电池等技术有效的整合在一起，能够有效降低二氧化碳捕集工艺的能耗和提高二氧化碳减排效果。

本发明提供的技术方案如下：

一种燃煤电厂烟道气二氧化碳捕集耦合生物炭制备工艺，步骤如下：

燃煤电厂烟道气先经过除杂装置净化，然后与天然气燃烧后的烟气及新鲜空气按照一定比例进行混合，经过加压加热后输送到熔融碳酸盐燃料电池阴极发生还原反应，阴极排放的烟气先经过催化燃烧器加热，再经过膨胀发电，之后通入到生物炭制备设备，温度降低到设定值后排放到大气中；将由利用完冷能量的天然气和液化天然气经加热升温后得到的天然气和其它来源的天然气组成的熔融碳酸盐燃料电池阳极燃料源与水蒸气混合，然后通入催化重整反应装置，然后通到熔融碳酸盐燃料电池阳极发生氧化反应；阳极排放的烟气与膜组件富氧版块制备的富氧空气按照一定比例在催化燃烧器中进行反应，反应后的气体通入到生物炭制备设备；烟气温度降低到设定温度后，通到下一个较低制备温度的生物炭制备设备，并在温度低于100摄氏度后，经过3阶段的降温，在气液分离器中实现初步的脱水干燥；气液分离后的气体通入到膜组件中进行气体组分的分离，膜组件渗透气先经过多级压缩机压缩，再通过换热器进行2阶段的降温，然后使用3a分子筛进一步脱水干燥；脱水干燥后的二氧化碳气流通过lng液化天然气换热器降温，气体降温到-54摄氏度变成液体；液化后的二氧化碳经过液压泵增压到设定的商业用途所需的压强。

膜组件富氧版块通过透平膨胀—压缩机利用二氧化碳膜分离环节截留气的压力势能为压缩空气过程提供能量，经过压缩后的空气经过空气膜分离过程对氧气和氮气进行分离，截留气与膨胀机端出口的烟气混合后通过膨胀机发电降压到大气压，渗透气中的富氧空气为催化燃烧器提供氧源。

通过利用天然气加热装置和多个换热器充分整合了系统内部的冷量和热量的需求；利用液化天然气的冷能量首先为高纯度二氧化碳气体降温提供冷能量，促进二氧化碳气体的液化，然后继续为气液分离环节提供冷能量，在降温的同时提高膜组件对二氧化碳的分离系数，利用完冷能量的天然气做为熔融碳酸盐燃料电池的阳极燃料；二氧化碳液化环节实行加压—降温液化—加压的流程，先加压到设定压力，然后通过低温液化，最后通过液体泵加压到商业用途所需压力，设定的压力满足使用液化天然气降温后二氧化碳变成液体，具体值根据不同操作条件下二氧化碳的不同浓度进行调整；液化过程减少了所需加压流体的体积，减少了增压所需能耗；利用低温二氧化碳液体的冷能量为脱水环节降温，在为脱水环节提供冷能量的同时自身温度得到提升，然后再将液态二氧化碳的温度调节到商业用途所需值，降低了系统所需能耗；使用冷凝的水为第二步脱水环节降温，然后再回流到水蒸气加热器，做为熔融碳酸盐燃料电池阳极的一种原料，提高了系统的能源利用效率。

附图说明

下面结合附图和具体的实施方式对本发明进行更详细的说明：

图1为本发明的燃煤电厂烟道气二氧化碳捕集耦合生物炭制备工艺的一种实施结构示意图。

图2为膜组件富氧板块结构示意图。

图3为天然气燃烧加热环节结构示意图。

图4为熔融碳酸盐燃料电池阳极燃料供应环节结构示意图。

附图中标号说明：

1、燃煤电厂烟道气；2、烟气杂质处理装置；3、6、26、33、气体混合器；4、水蒸气加热装置；5、31、空气压缩机；7、燃料重整反应装置；8、熔融碳酸盐燃料电池；9、32、天然气加热装置；10、催化燃烧器；11、28、膨胀机；12、13、生物炭制备装置；14、15、16、20、21、30、换热器；17、气液分离器；18、27、膜组件；19、多级压缩机；22、lng液化天然气换热器；23、液体泵；24、液化天然气气源储气罐；25、透平膨胀—压缩机；29、3a分子筛脱水装置。

具体实施方式

为了更好的说明本发明现有的技术方案，下面将结合现有技术方案描述中所需附图来进行详细说明。

参照图1，本发明的一种燃煤电厂烟道气二氧化碳捕集耦合生物炭制备工艺包括：熔融碳酸盐燃料电池阳极燃料经过s47到达压缩机5，经过压缩机加压升温后经过s5到达气体混合器6中，水蒸气加热装置将高温蒸汽通过s4输送到气体混合器6中，气体混合均匀后经过s6到达燃料重整反应装置7中；待燃料中的烷烃与水蒸气反应转化成一氧化碳和氢气之后，烟气经过s7到达熔融碳酸盐燃料电池8的阳极，在阳极发生氧化反应得到富集二氧化碳的烟气，然后通过s9到达催化燃烧器10中。

燃煤电厂烟道气1先经过烟气杂质处理装置2处理，处理后的烟气与新鲜空气和由天然气加热装置中排放的烟气和按照一定比例分别经过s1、s2、s54到达气体混合器；气体混合均匀后经过s3到达压缩机31中，加压升温后经过s55通入天然气加热装置9中，混合烟气经过加热后通过s56与熔融碳酸盐燃料电池8的阴极相连，混合气体在阴极反应完成后经过s8到催化燃烧器10，经过加热后通过s11与膨胀机11相连；烟气经过膨胀发电后，经过s12进入生物炭制备装置13中，之后通过s14进行排放。

来自于熔融碳酸盐燃料电池8阳极的烟气在催化燃烧器10中与来自于膜组件富氧板块中的富氧空气s45进行反应，反应完成后通过s10与生物炭制备装置12相连，烟气温度被生物炭制备过程中吸收，温度降到与s12温度相近时经过s13与生物炭制备装置13相连，进一步降温降压到设定温度后进入到第一次降温脱水环节。

从生物炭制备装置13排出的烟气，依次经过换热器14、15、16进行降温，最后通过s24与气液分离器17相连；在换热器14中，低温源由来自气液分离器17中分离出的水分经过换热器20加热后通过s30与s17相连的低温水提供；在换热器15中，低温源由来自液体泵23中的液态二氧化碳经过换热器21加热后通过s35与s19相连的低温二氧化碳液体提供；在换热器16中低温源由来自液化天然气储气罐24中液化天然气进过lng液化天然气换热器升温后通过s36与s23相连后的低温天然气提供；在气液分离器17中液态水与气体组分发生分离。

分离出的液态水后通过s26与s32相连经过换热器20进行升温并从s30中流出与s17相连，之后为换热器14降温，自身温度升高，然后从s16流出，回流到水蒸气加热器4。

气液分离器17中的气体组分经过s25与膜组件18的进料气后相连；膜组件18的截留气与s27相连，渗透气与s28相连；通过膜组件18对s25中烟气进行分离，得到二氧化碳纯度高于95%的气体组分，之后进入第二步脱水环节。

膜组件18渗透气侧得到的高浓度二氧化碳气体经过s28与多级压缩机19相连，气体被压缩后通过s29与换热器20相连之后通过s31和换热器21相连；气体经过2次降温后通过s34与3a分子筛脱水装置29相连，之后进入液化环节。

气体完成脱水之后，经过s48到达lng液化天然气换热器22，脱水后的二氧化碳气体经过lng液化天然气换热器22的降温得到二氧化碳液体，之后通过s37与液体泵23相连；在lng液化天然气换热器22中，来自于液化天然气储气罐24中的低温天然气经过s38与lng液化天然气换热器22相连，经过升温后，通过s36与s23相连，到达换热器16进一步进行升温，升温后的天然气可作为熔融碳酸盐燃料阳极燃料。

液态二氧化碳在液体泵23中被加压到设定的商业用途所需的压力条件后，经过s39与s33相连，然后在换热器21中被升温，升温后经过s35与s19相连，再经过换热器15进一步升温，升温后经过s20与产品温度调整环节相连；为满足多种商业用途所需的温度，及避免由于操作条件改变导致此时温度与设定温度有所差异时，s20中液态二氧化碳再经过换热器30调节到设定温度，最后通过s49到商业应用阶段。

参照图1，在图2中，本发明的膜组件富氧板块包括：

空气经过s41输送到透平膨胀—压缩机25的压缩机端的进口，经过压缩后通过s40与膜组件27的进料气口相连；膜组件27的截留气侧与s43相连，渗透气与s45相连；截留气通过s43与混合器26相连，渗透气通过s45为催化燃烧器10提供氧气源；来自于膜组件18截留气通过s27与透平膨胀—压缩机25的膨胀机端的进口相连，经过膨胀压力降低后通过s42与气体混合器26相连；气体混合完全后通过s44与膨胀机28相连，经过膨胀机28，烟气的压强降到大气压之后经过s46进行排放。

参照图1，在图3中，本发明中需要使用天然气燃烧加热环节包括：

低温烟气经过s50与天然气加热装置相连，经过加热升温后通过s52排出；天然气通过s53进入天然气加热装置，天然气燃烧后通过s51排出；在工艺中水蒸气加热装置4、天然气加热装置9、天然气加热装置32、燃料重整反应装置7的热源均由天然气燃烧提供。

参照图1，在图4中，本发明中熔融碳酸盐燃料电池阳极燃料供应环节包括：

来自s22利用完低温能量的天然气与气体混合器33相连，液化天然气经过s57与天然气加热装置32相连，升温后通过s58与气体混合器33相连，其它来源的天然气通过s59与气体混合器33相连，气体混合后通过s47进入到熔融碳酸盐燃料电池阳极燃料预处理环节。