专利名称：双燃料重整多功能能源系统及方法
技术领域：
本发明涉及燃能技术领域，特别是一种以天然气和煤双燃料为原料同时生产化工产品和电力的多功能能源系统及方法。
背景技术：
化石能源是人类社会主要的能量来源，而且化石能源是不可再生的，储量有限，因此在找到替代能源前对化石能源的高效利用具有重要意义。目前化石能源主要用于化工产品生产和电力生产。
公知的大部分化工产品生产系统和电力生产系统是相互独立的，各自发展已经比较成熟，但鉴于两个系统自身特点，均存在一些有待解决的问题。化工生产系统侧重于化工产品的产量和产率等，对于系统中能的梯级利用并没有引起足够的重视，导致化工产品生产过程能量利用不合理，单位化工产品的能耗过高。电力生产系统侧重于系统中能的梯级利用，但是没有考虑到燃料化学能的合理利用，导致燃料燃烧过程作功能力大量损失，发电效率低。
目前的化工生产系统或发电系统都消耗单一化石燃料，例如常规的化工产品生产系统分为煤基和天然气基，常规发电厂分为燃煤电厂和联合循环电厂。生产同一种化工产品或电力时，由于采用不同原料，单位产品能耗的差异很大。例如煤基甲醇生产系统，吨甲醇能耗比天然气基甲醇生产系统高30％左右，而燃煤电厂发电效率比联合循环低15-20个百分点。这些差异源于煤和天然气性质的不同，煤中含有大量的灰分和硫等有毒物质，而天然气是清洁的化石能源。若能将煤和天然气综合利用，弥补双方的不足，会大幅提高化工系统和发电系统的能量利用效率。但是，目前的化工和动力系统在生产过程中并没有考虑到化石燃料的差异，将他们综合利用。
煤基多联产系统是一种以煤为原料，同时生产化工产品和电力的能源系统。该系统考虑到了化工生产和电力生产的整合，但是仍然存在一些弊端。煤基多联产系统复杂，包含空气分离装置，煤气化炉，化工生产系统和发电系统等，投资高昂，其中空气分离装置和煤气化炉占总投资的30％-40％。
多功能能源系统是一种多能源输入多产品输出的能源系统，它将化工产品生产系统和发电系统集成起来，弥补两个系统不足，同时考虑到了化石燃料性质的不同，将清洁的化石燃料(天然气)和煤综合利用，系统结构较为简单，省去了空气分离装置和煤气化炉，投资大为减少。
发明内容
本发明的目的在于针对当前化工生产系统和发电系统各自的弊端和煤/天然气两种化石能源各自特点，本发明提出一种以天然气和煤为原料同时生产液体燃料或化工产品和电力的多功能能源系统。
本发明的技术方案和系统方法如下本发明提供的以天然气和煤为原料同时生产化工产品和电力的多功能能源系统，主要包括以下4个子系统双燃料重整反应子系统(1)，余热回收子系统(2)，化工生产子系统(3)和发电子系统(4)。
本发明提供的以天然气和煤为原料的同时生产化工产品和电力的多功能能源系统，煤和天然气在双燃料重整子系统(1)中综合利用，生产高品质清洁的合成气，来自双燃料重整子系统的高温烟气和合成气进入余热回收子系统(2)放热，同时生产高压蒸汽供给动力子系统发电。冷却后的合成气送入化工生产子系统(3)中，生产化工产品，然后将部分或全部未反应气体送入发电子系统(4)中，作为发电子系统的燃料。发电子系统会抽出部分中压蒸汽供给双燃料重整子系统，作为双燃料重整反应的反应物。
本发明提供的双燃料重整子系统(1)，图2来自发电子系统(4)的蒸汽(6)天然气(5)混合后形成原料气，进入预热器(18)被烟气加热到500℃。然后原料气进入重整反应器(19)，重整反应器由重整反应管(32)和炉膛组成，反应管中存有甲烷水蒸气重整反应所需的催化剂，原料气在反应管中发生甲烷/水蒸汽重整反应。
本发明提供的化工产品生产子系统可以生产多种化工产品，可根据需求配置某一种化工产品的系统，集成不同的多功能能源系统。例如集成甲醇与电力多功能系统，二甲醚与电力多功能系统，氢气与电力多功能系统等等。也可以同时生产两种或两种以上的化工产品，例如氢气、甲醇和电力多功能系统。
本发明提供的发电子系统是联合循环发电系统，与常规联合循环发电系统不同的是，在多功能系统中发电子系统消耗的是化工产品生产子系统的弛放气或未反应气。发电子系统也接收到来自余热回收子系统生产的高压过热蒸汽，进入底循环的蒸汽透平作功，同时，从中压蒸汽透平抽出部分中压蒸汽，参加甲烷重整反应。
本发明的有益效果是，根据煤和天然气不同的特点，将煤和天然气进行综合互补利用，在充分利用清洁能源(天然气全部作为化工原料)的同时，合理利用煤炭；将化工生产过程和电力生产过程结合起来，克服了彼此能量利用不合理的缺点，本发明提出的多功能能源系统与常规系统相比，节约10-20％的天然气。
技术方案一种以天然气和煤为原料的多功能能源系统，由双燃料重整反应子系统(1)，余热回收子系统(2)，化工生产子系统(3)和发电子系统(4)有机整合而成，该系统在双燃料重整子系统中综合利用煤炭和天然气，生产液体燃料/化工产品和电力，双燃料重整反应子系统(1)连接于余热回收子系统(2)，余热回收子系统(2)连接于化工生产子系统(3)和发电子系统(4)。
一种以天然气和煤为原料的多功能能源系统方法，双燃料重整子系统包含一种新型合成气制备方法，用煤替代传统甲烷水蒸气重整过程中燃料天然气，使天然气全部参加重整反应，煤和空气在重整器炉膛内燃烧，原料气在反应管中吸收煤燃烧放出的高温热量，发生重整反应，制得合成气，此外，还包括余热回收子系统、化工生产子系统和发电子系统的生产方法。
双燃料重整子系统，煤在炉膛中燃烧可以采用多种方式，包括固定床，流化床和喷流床，考虑到环境保护因素可以采用流化床燃烧方式，向炉体内喷入石灰或石灰石粉，在燃烧过程中脱硫。
双燃料重整子系统，甲烷重整反应的反应物也可以为二氧化碳或二氧化碳和水蒸气的混合物，且水蒸汽和二氧化碳与甲烷的比例可以发生变化，方便的调节合成气成分，以利于化工产品的合成。
余热回收子系统，将双燃料重整子系统制得的合成气显热和煤燃烧后的烟气显热回收，用于预热重整反应物和生产高压过热蒸汽供给发电子系统，合成气冷却后将其中的凝结水回收。
化工生产子系统，可以是甲醇生产系统，合成气经过压缩机压缩后与循环气混合，然后再被压缩到甲醇合成压力，进入合成塔合成甲醇产品，甲醇再分离单元分离出来，弛放气供给电力子系统。
甲醇生产子系统，供给电力系统的气体量可以调节，不局限于传统化工生产中的弛放气，也可以包括未反应气。
化工生产子系统，可以是氢气生产系统，合成气经过两段变换使合成气中CO转化城H2，然后再经过氢气分离装置将氢气分离出来，剩余的气体供给动力子系统作为燃料。
氢气生产子系统，两段变换过程可以简化成一段或省去变换过程，氢气分离装置氢气回收率也可以发生变化。
化工生产子系统，除实施例中生产甲醇和氢气外还可以生产其他液体燃料或化工产品。
发电子系统为联合循环发电系统，燃气透平以化工生产子系统的未反应气为燃料，蒸汽透平的工质来源于余热锅炉和余热回收子系统的高压过热蒸汽，部分中压蒸汽从透平中抽出供给双燃料重整子系统作为反应物。
附图1.本发明以天然气和煤为原料同时生产化工产品和电力的多功能能源系统流程示意图；
附图2.本发明双燃料重整子系统流程示意图；附图3.本发明甲醇合成子系统流程示意图；附图4.本发明用制氢子系统流程示意图。
双燃料重整子系统1余热回收子系统2化工生产子系统3发电子系统4 天然气5 水蒸汽6重整产物7 原料气8 化工产品9煤10 高温烟气11低温烟气12水13 水蒸汽14 电15未反应气体16 低温燃气17预热器18重整反应器19 新鲜气压缩机20混合气压缩机21换热器22 合成塔23 精制单元24循环气25 混合气26 甲醇27一段变换反应器28 二段变换反应器29 氢气分离器30氢气31重整反应管具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
请参见附图1，本发明提供的以煤和天然气为原料的多功能能源系统，主要由双燃料重整子系统(1)，余热回收子系统(2)，化工生产子系统(3)和发电子系统(4)组成。天然气(5)和来自发电子系统的水蒸汽(6)按一定的比例(一般为1∶3-1∶3.5)混合，进入双燃料重整反应子系统(1)的反应管中，在管中催化剂表面发生重整反应；与此同时，煤(10)也进入重整反应器，在反应管外与空气发生燃烧反应，燃烧放出的高温热量供给重整反应。重整产物(7)和煤燃烧后的烟气(11)进入余热回收子系统(2)，加热高压水(13)，产生高压过热蒸汽(14)供给发电子系统(4)加以利用；放热后的低温烟气(12)直接排放到环境中，重整产物进入化工生产子系统(3)。化工生产子系统生产化工产品(9)，同时排放出部分未反应气(16)，在多功能系统中这些未反应气进入发电子系统(4)作为联合循环的燃料，作功后的烟气(17)排放到环境中。发电子系统除输出电力(15)外还在蒸汽透平中抽出部分蒸汽(6)作为重整反应物。双燃料重整反应子系统(1)连接于余热回收子系统(2)，余热回收子系统(2)连接于化工生产子系统(3)和发电子系统(4)。
图2为本发明双燃料重整子系统流程图。来自发电子系统(4)的蒸汽(6)天然气(5)混合后形成原料气，进入预热器(18)被烟气加热到500℃。然后原料气进入重整反应器(19)，重整反应器由重整反应管(32)和炉膛组成，反应管中存有甲烷水蒸气重整反应所需的催化剂，原料气在反应管中发生甲烷/水蒸汽重整反应，其反应方程式如下(ΔH2980=206kJ/mol)]]>(ΔH2980=-41kJ/mol)]]>甲烷/水蒸气重整反应是一个强吸热反应，重整反应所需要的反应热由煤和空气的混合物在重整反应器(19)的炉膛中燃烧获得。煤燃烧产生的高温烟气随后进入预热器(18)加热原料气，然后中温烟气进入预热回收子系统(2)。煤在炉膛中的燃烧可以采用多种方式，例如为了减小煤燃烧对空气的污染，煤在炉膛中的燃烧可以采用流化床的燃烧方法，有效减少烟气中的NOx和SOx的含量。
图3为本发明甲醇生产子系统工艺流程图。由图1所示来源于余热回收子系统的合成气(8)经过压缩机(20)升压并与循环气(25)混合后，再经过压缩机(21)进一步压缩到甲醇合成压力。高压原料气经过回热器预热，进入甲醇合成塔(23)，进行甲醇合成。合成产在回热器放热后进入分离单元将甲醇分离出来，并进行精制得到甲醇产品(27)。一部分未反应气体(25)作为循环气继续参加合成反应，另一部分气体(16)输出到发电子系统(4)，作为燃料。
图4为本发明用于制氢气时的流程图。由图1所示来源于余热回收子系统的合成气(8)，经过一段变换反应器(28)和二段变换反应器(29)后，将合成气中CO转化成CO2，同时生成部分氢气。Shift反应后的合成气进入氢气分离单元(30)，制得氢气(31)，剩余气体主要成分为二氧化碳，甲烷和一氧化碳等，供给发电子系统作为燃料。
本发明的以天然气和煤为原料的多功能能源系统，与现有的单纯用一种原料的能源系统相比，具有以下特点(1)利用廉价的煤，替代传统天然气蒸汽转化工艺中占天然气总耗量1/3且价格较高的燃料天然气，降低合成气的生产成本；(2)将化工系统和热力系统有机集成，弥补了两个系统单独生产时存在的能量利用不合理问题，使能量利用率提高，节约了能源降低了生产成本。
综上所述，在煤炭和天然气资源的产地，凭借原料的价格优势，采用本发明所述的双燃料多功能能源系统，将会使化工产品和电力的生产成本大幅度降低，非常有实用前景。
实施例实施例1为双燃料甲醇与电力多功能能源系统，将图3的甲醇生产子系统替换图1中化工生产子系统既为双燃料甲醇与电力多功能能源系统流程图。双燃料重整子过程的操作条件为气化炉出口烟气温度为920℃；重整反应温度为850℃，重整反应压力为2.3MPa，CH4/H2O为3∶1，某平衡工况的下天然气与合成气参数见表1。表2为重整器出口合成气成分，表3为双燃料多功能能源系统生产吨甲醇产品的能耗和发电量。从表3中可以看出双燃料制甲醇电力多功能系统消耗天然气27GJ，煤17.2GJ，发电量为1703.8kWh。为了揭示多功能系统的优势，将分产系统生产相同量的甲醇和电力时的能耗参数也一并列于表中。分产发电由燃煤蒸汽电厂得到，当燃煤蒸汽电厂发电效率为38％时需要消耗16.1GJ的煤；对比多功能系统耗煤量，剩余煤用来生产甲醇，煤基甲醇生产的能耗为45.8GJ/t甲醇，所以剩余煤生产甲醇量为0.02t；对比多功能系统剩余甲醇量0.98t由天然气生产，应消耗天然气31.4GJ。多功能系统与分产系统生产相同量的甲醇和电力，消耗的相同量煤时，多功能系统比分产系统少消耗天然气14％。可见多功能系统明显节省天然消耗量，使化工产品及电力的生产成本大为降低。
实施例2为双燃料氢气与电力多功能能源系统。将图4的氢气生产子系统替换图1中化工生产子系统既为双燃料氢气与电力多功能能源系统流程图。双燃料重整子系统的操作条件和合成气成分与实施例1相同，参见表1和2。表4为双燃料多功能能源系统生产100kmol氢气产品的能耗和发电量。从表4中可以看出双燃料制氢气与电力多功能系统消耗天然气32.9GJ，煤21.0GJ，发电量为3089.8kWh。为了揭示多功能系统的优势，将分产系统生产相同量的甲醇和电力时的能耗参数也一并列于表中。分产发电由燃煤朗肯循环和联合循环得到，当朗肯循环的效率为38％时消耗相同的煤发电量为2216.7kWh；对比多功能系统发电量，剩余电力由联合循环提供，当联合循环发电效率为54％时，需要消耗天然气5.8GJ；氢气由天然气制得，100kmol氢气需要消耗天然气30.2GJ。多功能系统与分产系统生产相同量的氢气和电力，消耗的相同量煤时，多功能系统比分产系统少消耗天然气9.6％。氢气与电力多功能系统节能效果同样非常明显。
表1天然气与合成气状态参数
表2重整反应器出口合成气成分
表3多功能系统生产吨甲醇产品的能耗和发电量
表4多功能系统制100kmol氢能耗
权利要求
1.一种以天然气和煤为原料的多功能能源系统，其特征是由双燃料重整反应子系统(1)，余热回收子系统(2)，化工生产子系统(3)和发电子系统(4)有机整合而成，该系统在双燃料重整子系统中综合利用煤炭和天然气，生产液体燃料/化工产品和电力，双燃料重整反应子系统(1)连接于余热回收子系统(2)，余热回收子系统(2)连接于化工生产子系统(3)和发电子系统(4)。
2.一种以天然气和煤为原料的多功能能源系统方法，其特征是双燃料重整子系统包含一种新型合成气制备方法，用煤替代传统甲烷水蒸气重整过程中燃料天然气，使天然气全部参加重整反应，煤和空气在重整器炉膛内燃烧，原料气在反应管中吸收煤燃烧放出的高温热量，发生重整反应，制得合成气，此外，还包括余热回收子系统、化工生产子系统和发电子系统的生产方法。
3.按照权利要求2所述的天然气和煤为原料的多功能能源系统方法，其特征是双燃料重整子系统，煤在炉膛中燃烧可以采用多种方式，包括固定床，流化床和喷流床，考虑到环境保护因素可以采用流化床燃烧方式，向炉体内喷入石灰或石灰石粉，在燃烧过程中脱硫。
4.根据权利要求2所述的天然气和煤为原料的多功能能源系统方法，其特征是双燃料重整子系统，甲烷重整反应的反应物也可以为二氧化碳或二氧化碳和水蒸气的混合物，且水蒸汽和二氧化碳与甲烷的比例可以发生变化，方便的调节合成气成分，以利于化工产品的合成。
5.根据权利要求2所述的天然气和煤为原料的多功能能源系统方法，其特征是余热回收子系统，将双燃料重整子系统制得的合成气显热和煤燃烧后的烟气显热回收，用于预热重整反应物和生产高压过热蒸汽供给发电子系统，合成气冷却后将其中的凝结水回收。
6.根据权利要求2所述的天然气和煤为原料的多功能能源系统方法，其特征是化工生产子系统，可以是甲醇生产系统，合成气经过压缩机压缩后与循环气混合，然后再被压缩到甲醇合成压力，进入合成塔合成甲醇产品，甲醇再分离单元分离出来，弛放气供给电力子系统。
7.根据权利要求6所述的天然气和煤为原料的多功能能源系统方法，其特征是甲醇生产子系统，供给电力系统的气体量可以调节，不局限于传统化工生产中的弛放气，也可以包括未反应气。
8.根据权利要求2所述的天然气和煤为原料的多功能能源系统方法，其特征是化工生产子系统，可以是氢气生产系统，合成气经过两段变换使合成气中CO转化城H2，然后再经过氢气分离装置将氢气分离出来，剩余的气体供给动力子系统作为燃料。
9.根据权利要求8所述的天然气和煤为原料的多功能能源系统，其特征是氢气生产子系统，两段变换过程可以简化成一段或省去变换过程，氢气分离装置氢气回收率也可以发生变化。
10.根据权利要求2所述的天然气和煤为原料的多功能能源系统方法，其特征是化工生产子系统，除实施例中生产甲醇和氢气外还可以生产其他液体燃料或化工产品。
11.根据权利要求2所述的天然气和煤为原料的多功能能源系统方法，其特征是发电子系统为联合循环发电系统，燃气透平以化工生产子系统的未反应气为燃料，蒸汽透平的工质来源于余热锅炉和余热回收子系统的高压过热蒸汽，部分中压蒸汽从透平中抽出供给双燃料重整子系统作为反应物。
全文摘要
本发明涉及燃能技术领域，特别是一种以天然气和煤双燃料为原料同时生产化工产品和电力的多功能能源系统及方法。系统由双燃料重整反应子系统(1)，余热回收子系统(2)，化工生产子系统(3)和发电子系统(4)有机整合而成。方法过程是双燃料重整子系统包含一种新型合成气制备方法，用煤替代传统甲烷水蒸气重整过程中燃料天然气，使天然气全部参加重整反应，煤和空气在重整器炉膛内燃烧，原料气在反应管中吸收煤燃烧放出的高温热量，制得合成气。双燃料多功能能源系统与常规系统相比，生产相同的产品可以节省天然气10－20％，而且用廉价的煤替代了昂贵的天然气，使得化工产品和电力的生产成本大幅降低，具有很好的工业化前景。
文档编号C10J3/80GK1869165SQ20051007391
公开日2006年11月29日 申请日期2005年5月23日 优先权日2005年5月23日
发明者金红光, 韩巍, 高林, 陈斌 申请人:中国科学院工程热物理研究所