一种耦合煤气化的富氢反应系统及煤气化的除碳方法

1.本发明涉及煤气化技术领域，具体涉及一种耦合煤气化的富氢反应系统及煤气化的除碳方法。


背景技术：

2.中国火电装机容量达到11.4亿千瓦，我国当前的能源结构仍然以煤为主，占能源消费量的58％。其中，相比于传统的燃煤发电技术，整体煤气化技术性能更高，有利于进一步降低碳排放。
3.煤气化是指煤或焦炭、半焦等固体燃料在高温常压或加压条件下与气化剂反应，转化为气体产物和少量残渣的过程。气化剂主要是水蒸气、空气或它们的混合气，气体产物视所用原料煤质、气化剂的种类和气化过程的不同而具有不同的组成，可分为空气煤气、半水煤气、水煤气等。
4.气化剂采用水蒸气的煤气化中，所得气体为水煤气，水煤气主要包含co和h2，经过一个水煤气变换反应，co就变成了co2。此时，c02的去除对于提高h2的纯度具有协同强化作用。现有采用psa提纯h2，脱碳效果较差，难以实现较高的富氢效果，且吸附剂多依赖传统化石能源再生，所以也会造成较大的能耗。


技术实现要素：

5.因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中煤气化脱碳效果差且能耗大的缺陷，从而提供一种耦合煤气化的富氢反应系统及煤气化的除碳方法。
6.为解决上述技术问题，本发明提供一种耦合煤气化的富氢反应系统，包括：
7.煤气化装置，其底部设有蒸汽进口和煤进口，其顶部设有合成气出口；
8.富氢反应器，其底部设有合成气进口和第一固相出料口，所述合成气进口与所述合成气出口连通，所述富氢反应器上还设有第一气相出料口和第一固相进料口；
9.热分解反应器，其底部设有第二固相出料口，所述第二固相出料口与所述第一固相进料口连通，所述热分解反应器上还设有第二固相进料口和第二气相出料口，所述第二固相进料口与所述第一固相出料口连通；
10.太阳能热源，适于为所述热分解反应器提供热量。
11.可选的，还包括：
12.材料再生储罐，其设有第三固相进料口和第三固相出料口，所述第三固相进料口与所述第一固相出料口连通，所述第三固相出料口与所述第二固相进料口连通。
13.可选的，所述太阳能热源设于所述材料再生储罐上，且适于吸收、储存太阳能并为所述热分解反应器供热。
14.可选的，所述第一气相出料口适于连接燃气轮机联合余热锅炉发电，所述第二气相出料口适于连接co2汽轮机联合余热锅炉发电。
15.可选的，还包括：
16.水储罐，其进口与所述燃气轮机和/或co2汽轮机连接,且适于接收余热，所述水储罐的出口与所述蒸汽进口连通。
17.可选的，还包括：
18.氧化物储罐，其与所述第二固相出料口连通，所述氧化物储罐的底部设有物料出口，所述物料出口与所述第一固相进料口连通。
19.可选的，还包括：
20.储气罐，其与所述氧化物储罐和第二气相出料口皆通过通断阀连通，所述氧化物储罐设有第三气相出料口。
21.可选的，还包括：
22.煤净化装置，其输入口适于连接煤源，输出口与所述煤进口连通。
23.本发明还提供一种煤气化的除碳方法，将煤气化后的水煤气以及水蒸气通入含有氧化物的富氢反应器中，生成碳酸盐以及h2；将生成的碳酸盐输送至热分解反应器中，在太阳能作用下进行热分解，生成氧化物和co2；将生成的氧化物输送至所述富氢反应器中反应；如此循环。
24.可选的，生成的h2通入燃气轮机联合余热锅炉发电，生成的co2通入co2汽轮机联合余热锅炉发电。
25.本发明技术方案，具有如下优点：
26.1.本发明提供的耦合煤气化的富氢反应系统，设有煤气化装置、富氢反应器及热分解反应器，使用时在富氢反应器中放置氧化物，煤气化装置排出的水煤气和水蒸气进入富氢反应器中，发生如下反应(以氧化物为cao为例)：
27.co+h2o
→
h2+co2，co2+cao
→
caco328.第一方面，co2与氧化物反应，能够实现co2的去除，并且co2的消耗能够促进水煤气变换反应的进行，进一步将co消除，除碳效果较好，同时也能够生成富h2相；第二方面，氧化物除碳后生成碳酸盐，碳酸盐在热分解反应器中分解又形成氧化物，如此实现碳捕获材料的可再生利用，并且所依赖的热量来自于太阳能，从而大幅降低脱碳的能耗。
29.2.本发明提供的耦合煤气化的富氢反应系统，设有材料再生储罐，能够储存富氢反应器中生成的碳酸盐，这样富氢反应与热分解反应通过所述材料再生储罐相隔，即使两个反应不同步，也能保证两者独立的连续进行，从而提高了生产效率。
30.3.本发明提供的耦合煤气化的富氢反应系统，将太阳能热源设置在材料再生罐上，使得太阳能热源不需占用独立的空间，空间占用更小。
31.4.本发明提供的耦合煤气化的富氢反应系统，将气相出料口与汽轮机或燃气轮机联动，能够实现生成的h2或co2的集中处理。
32.5.本发明提供的耦合煤气化的富氢反应系统，设有水储罐，水储罐与汽轮机或燃气轮机连接，能够将汽轮机或燃气轮机的余热传递给水储罐生成水蒸气，进一步降低了整个装置的损耗，节省环保。
33.6.本发明提供的耦合煤气化的富氢反应系统，设有氧化物储罐，能够对氧化物进行储存，即使富氢反应与热分解反应节拍不匹配，由于氧化物储罐可用以储存氧化物，所以可避免因两反应节拍不匹配导致的生产效率降低。
34.7.本发明提供的耦合煤气化的富氢反应系统，设有储气罐，一方面能够通过控制
进入氧化物储罐的co2量，从而控制氧化物罐内的氧化物和碳酸盐的比例，从而在进入富氢反应器时影响富氢反应转换程度，如此可通过氧化物和碳酸盐的比例调节提升富氢反应的转换程度；另一方面，当co2通入过剩时，多余的co2会携带其与氧化物反应放出的热量，从第三气相出料口排出，提供给其他需要热量的场景，如此使得本系统具有储能的功能。
35.8.本发明提供的煤气化的除碳方法，利用氧化物能够对co2进行吸收，co2与氧化物反应放热，促进水煤气中co与h2o的反应，从而在实现脱碳的同时，生成富h2相；并且，生成的碳酸盐在热分解反应器中会分解为氧化物进入富氢反应器中反应，如此实现了碳捕获材料的循环利用，并且所依赖的热量来自于太阳能，降低了能耗。
附图说明
36.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
37.图1为本发明实施例中富氢反应系统的结构示意图；
38.图2为本发明实施例中富氢反应器的结构示意图。
39.附图标记说明：
40.1、煤气化装置；11、蒸汽进口；12、煤进口；13、合成气出口；2、富氢反应器；21、合成气进口；22、第一气相出料口；23、第一固相进料口；24、第一固相出料口；3、热分解反应器；31、第二固相出料口；32、第二固相进料口；33、第二气相出料口；4、材料再生储罐；41、第三固相进料口；42、第三固相出料口；5、水储罐；6、氧化物储罐；61、第三气相出料口；7、储气罐；8、煤净化装置。
具体实施方式
41.结合图1-图2所示，本发明实施例提供一种耦合煤气化的富氢反应系统，包括：
42.煤气化装置1，其底部设有蒸汽进口11和煤进口12，其顶部设有合成气出口13；合成气包括水煤气和水蒸气；煤气化装置1适于发生以水蒸气为气化剂的煤气化反应；
43.富氢反应器2，其底部设有合成气进口21和第一固相出料口24，所述合成气进口21与所述合成气出口13连通，所述富氢反应器2上还设有第一气相出料口22和第一固相进料口23；富氢反应器2适于发生富氢反应；第一气相出料口22适于排出所生成的h2；第一固相进料口23适于输入氧化物；第一固相进料口23和第一气相出料口22的位置不作限定，优选将第一固相进料口23设置在富氢反应器2的侧部，将第一气相出料口22设置在富氢反应器2的顶部；富氢反应器2优选采用流化床反应结构，如图2所示，反应后生成的碳酸盐经旋风底部出料；
44.热分解反应器3，其底部设有第二固相出料口31，所述第二固相出料口31与所述第一固相进料口23连通，所述热分解反应器3上还设有第二固相进料口32和第二气相出料口33，所述第二固相进料口32与所述第一固相出料口24连通；热分解反应器3适于进行碳酸放热反应；第二固相出料口31适于排出氧化物，第二固相进料口32适于输入碳酸盐；
45.太阳能热源，适于为所述热分解反应器提供热量；太阳能热源采用现有成熟的可
吸收太阳能并转化为热能的装置即可
46.本实施例所述系统在使用时，氧化物可以选用cao或sro或钙钛矿的一种或多种的组合。
47.本实施例提供的富氢反应系统，将煤气化后生成的水煤气以及水蒸气通入氧化物中，水煤气中的co2会与氧化物反应得到消除，co2的消除会促使水煤气变换反应的进行，进一步将co消除，除碳效果较好，同时提高了h2产量，生成富氢气相；另外，所需氧化物与co2反应后生成的碳酸盐经受热分解重新形成氧化物进入富氢反应器2中，如此实现碳捕获材料的可再生利用，并且所依赖的热量来自于太阳能，降低了能耗。
48.作为一种改进方案：还包括：
49.材料再生储罐4，其设有第三固相进料口41和第三固相出料口42，所述第三固相进料口41与所述第一固相出料口24连通，所述第三固相出料口42与所述第二固相进料口32连通。材料再生储罐4主要用以储存从富氢反应器2中生成的碳酸盐，处于待循环状态。
50.通过上述改进方案，可将富氢反应器2中生成的碳酸盐输送至材料再生储罐4进行储存，这样使得热分解反应和富氢反应通过该材料再生储罐4相隔，即使两个反应不同步，也能保证两个反应分别独立的进行，从而保证了生产效率。
51.优选的，所述太阳能热源设于所述材料再生储罐4上，且适于吸收、储存太阳能并为所述热分解反应器3供热。材料再生罐吸收太阳能并进行储存，待热分解反应需要时为其供热。优选的，所述第一气相出料口22适于连接燃气轮机联合余热锅炉发电，所述第二气相出料口33适于连接co2汽轮机联合余热锅炉发电。本优选方案为富氢反应生成的h2和热分解反应生成的co2提供了一种具体的处理方式，使本发明系统与轮机发电系统联动，所有气体都能够得以再利用，更加环保节能。
52.作为一种改进方案：富氢反应系统还包括：
53.水储罐5，其进口与所述燃气轮机和/或co2汽轮机连接,且适于接收余热，所述水储罐5的出口与所述蒸汽进口11连通。具体的，水储罐5的进口可以与所述燃气轮机连接，或与co2汽轮机连接，或者同时与两者连接。
54.通过上述改进方案，将轮机产生的余热供给水储罐5，水分吸热形成水蒸气输送至煤气化装置1内，进一步提高了本发明富氢反应系统与轮机发电系统的联动，更加节能环保。
55.作为一种改进方案，富氢反应系统还包括：
56.氧化物储罐6，其与所述第二固相出料口31连通，所述氧化物储罐6的底部设有物料出口，所述物料出口与所述第一固相进料口23连通。
57.通过上述改进方案，可将热分解反应产生的氧化物输送至氧化物储罐6进行储存，使得热分解反应和富氢反应通过所述氧化物储罐6相隔，即使热分解反应和富氢反应生产节拍不匹配，也能通过该氧化物储罐6进行补偿，从而保证两个反应皆能独立连续进行，提高了生产效率。
58.作为一种改进方案：富氢反应系统还包括：
59.储气罐7，其与所述氧化物储罐6和第二气相出料口33皆通过通断阀连通，所述氧化物储罐6设有第三气相出料口61。使用时，热分解反应器3中生成的co2进入储气罐7内进行存放，具有两个作用：其一，可通过控制进入氧化物储罐6内的co2含量来控制氧化物储罐
6内氧化物与碳酸盐的比例，从而根据该比例调节富氢反应，提升富氢反应的转换程度；其二，当需要热量时，可向氧化物储罐6内通入过量的co2，co2与氧化物反应放热，过剩的co2可携带该热量从第三气相出料口61排出，提供给需要供热的场景，节省能耗，例如图1中，过剩的co2携带热量进入co2汽轮机内联合余热锅炉发电。
60.作为一种改进方案：富氢反应系统还包括：
61.煤净化装置8，其输入口适于连接煤源，输出口与所述煤进口12连通。
62.通过上述改进方案，使得进入煤气化装置1内的煤更加洁净，从而使得煤气化产生的水煤气中杂质气体较少，进而保证了富氢反应器2中生成的h2纯度更高。
63.本发明还提供一种煤气化的除碳方法，将煤气化后的水煤气以及水蒸气通入含有氧化物的富氢反应器2中，生成碳酸盐以及h2；将生成的碳酸盐输送至热分解反应器3中，进行热分解，生成氧化物和co2；将生成的氧化物输送至所述富氢反应器2中反应；如此循环。
64.具体的，氧化物优选为cao、sro、fe3o4、co3o4、cuo、nio、mn2o3、al2o3或钙钛矿型复合氧化物的至少一种，或利用该氧化物作为基材开发的复合物。例如以cao为基材添加co3o4复合的材料则生成caco3和coo；以cao为基材添加mn2o3复合的材料则生成caco3和mn3o4；以cao为基材添加cuo复合的材料则生成caco3和cu2o。
65.优选的，将生成的h2通入燃气轮机联合余热锅炉发电，生成的co2通入co2汽轮机联合余热锅炉发电，以使生成的h2和co2皆能得以利用，同时降低发电耗能，环保节能。
66.需要注意的是，固相材料在不同装置间的运输可采用螺旋进料或斜坡进料的方式。
67.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。