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一种用燃煤发电机组余电余热制取氢气及甲醇的系统及方法

阅读：871发布：2021-03-03

IPRDB可以提供一种用燃煤发电机组余电余热制取氢气及甲醇的系统及方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种利用燃煤发电机组余电余热制取氢气及甲醇的系统及方法。该系统，包括锅炉、汽轮机和发电机，锅炉产生水蒸气通过汽轮机驱动发电机发电，还包括水蒸气辅助电加热器、高温水蒸汽电解槽、余热回收装置、吹扫空气辅助电加热装置、氢气压缩机、氢气加热装置、二氧化碳捕集装置、二氧化碳压缩机、二氧化碳加热装置和甲醇合成装置；该方法，锅炉主蒸汽出口分两路，一路进入汽轮机做功带动发电机发电，另一路进水蒸汽辅助电加热器加热到高温水蒸汽电解工作温度后进入高温水蒸汽电解槽电解，电解槽阴极侧出口为高温氢气/水蒸汽混合物。本产品流程合理、效率高的利用燃煤发电机组余电/余热制取氢气和甲醇等燃料。，下面是一种用燃煤发电机组余电余热制取氢气及甲醇的系统及方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种用燃煤发电机组余电余热制取氢气的系统，包括锅炉（1）、汽轮机（2）和发电机（3），锅炉产生水蒸气通过汽轮机驱动发电机发电，其特征是，还包括水蒸气辅助电加热器（4）、高温水蒸汽电解槽（5）、余热回收装置（6）和吹扫空气辅助电加热装置（14），所述的锅炉分一路水蒸汽接入水蒸气辅助电加热器，水蒸气经加热接入高温水蒸汽电解槽，电解出的氢气/水蒸汽混合物和氧气分别接入余热回收装置；

所述的高温水蒸汽电解槽与余热回收装置之间连接有吹扫空气辅助电加热装置；

所述的水蒸气辅助电加热器、高温水蒸汽电解槽和吹扫空气辅助电加热装置均通过发电机的余电供电。

2.根据权利要求1所述的用燃煤发电机组余电余热制取氢气的系统，其特征在于：还包括氢气干燥器（7），高温水蒸汽电解槽产生的氢气经余热回收装置（6）接入氢气干燥器。

3.根据权利要求1所述的用燃煤发电机组余电余热制取氢气的系统，其特征在于：所述的高温水蒸汽电解槽产生的氧气经余热回收装置后分为两路，一路存储，另一路通入锅炉。

4.根据权利要求1所述的用燃煤发电机组余电余热制取氢气的系统，其特征在于：所述的余热回收装置接入水蒸气辅助电加热器，后接入高温水蒸汽电解槽。

5.根据权利要求2所述的用燃煤发电机组余电余热制取氢气的系统，其特征在于：所述余热回收装置回收的余热供给氢气干燥器。

6.一种基于权利要求1-5任意一项用燃煤发电机组余电余热制取氢气的系统的方法，其特征是，步骤如下，锅炉（1）主蒸汽出口分两路，一路进入汽轮机（2）做功带动发电机（3）发电，另一路进水蒸汽辅助电加热器（4）加热到高温水蒸汽电解工作温度后进入高温水蒸汽电解槽（5）电解，电解槽阴极侧出口为高温氢气/水蒸汽混合物，电解槽阳极侧出口为高温氧气，均进入余热回收装置（6）回收余热；回收余热后氢气经氢气干燥器（7）去储存；回收余热后的氧气分两路，一路进入锅炉燃烧形成富氧燃烧工况，另一路去贮存；空气经余热回收装置加热并由吹扫空气辅助电加热器（14）升温到指定温度后，进入高温水蒸汽电解槽做吹扫气用；

所述的水蒸气辅助电加热器、高温水蒸汽电解槽和吹扫空气辅助电加热装置均通过发电机的余电供电。

7.一种基于权利要求1-5任意一项制取氢气系统的用燃煤发电机组余电余热制取甲醇的系统，其特征在于：还包括氢气压缩机（8）、氢气加热装置（9）、二氧化碳捕集装置（10）、二氧化碳压缩机（11）、二氧化碳加热装置（12）和甲醇合成装置（13），所述高温水蒸汽电解槽产生的氢气依次接入氢气干燥器（7）、氢气压缩机（8）、氢气加热装置（9）、甲醇合成装置（13）；所述锅炉尾部烟气依次接入二氧化碳捕集装置（10）、二氧化碳压缩机（11）、二氧化碳加热装置（12）、甲醇合成装置（13）。

8.根据权利要求7所述的用燃煤发电机组余电余热制取甲醇的系统，其特征在于：所述的氢气压缩机和二氧化碳压缩机均通过发电机的余电供电，所述的氢气加热器和二氧化碳加热器均通过发电机的余电作辅助加热用。

9.根据权利要求7所述的用燃煤发电机组余电余热制取甲醇的系统，其特征在于：所述余热回收装置回收的余热分别供氢气干燥器、氢气加热装置和二氧化碳加热装置用。

10.一种基于权利要求7-9任意一项用燃煤发电机组余电余热制取甲醇的系统的方法，其特征是，步骤进一步包括，所述高温水蒸汽电解槽产生的氢气经过氢气干燥器干燥、氢气压缩机加压，氢气加热装置加热升温后进入甲醇合成装置；所述锅炉尾部烟气经二氧化碳捕集装置捕集，二氧化碳经二氧化碳压缩机压缩，二氧化碳加热装置升温，后进入甲醇合成装置，与上述氢气反应生成甲醇；所述的氢气压缩机、氢气加热装置、二氧化碳压缩机和二氧化碳加热装置均通过发电机的余电供电。

说明书全文

一种用燃煤发电机组余电余热制取氢气及甲醇的系统及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种清洁能源制备系统，特别是一种利用燃煤发电机组余电/余热制取氢气及甲醇的系统及方法。

背景技术

[0002] 目前燃煤发电机组大型化和高参数化是大规模减少燃煤污染的主要途径，国内运行的火电机组主要是600MW、1000MW级的超临界（主蒸汽温度538℃ 593℃，主蒸汽压力24~ ~26MPa）、超超临界（主蒸汽温度≥600℃，主蒸汽压力≥26MPa）燃煤发电机组，国外主蒸汽温度700C°燃煤发电机组也即将投产。但是，近年来部分地区由于水电、光伏、风电等新能源发展，大量大容量、高参数燃煤发电机组的运行负荷大幅度减少，有的降到了设计负荷的50%以下，机组装机容量比供电负荷冗余了大量的剩余电力，这部分电力被定义为余电（Surplus Power, SP），超超临界燃煤发电机组在50%设计负荷运行时热效率可降低9%以上，各主机和辅机在远离设计工况下运行时效率大幅降低，故障率大幅上升，是发电企业亟需解决的难题。另外，新能源，分布式能源的高度渗入，使燃煤发电机组面临更复杂的调峰要求。

[0003] 市场上主流使用的汽油车、柴油车及天然气车的运行也对环境影响巨大。如何高效经济地保障新型军事装备（如新型AIP（Air-independent propulsion）潜艇）高纯度的液氢、液氧的供应也是我们国家的亟待解决的难题。

[0004] 研究人员已经确认甲醇可以直接掺混到汽油中，甲醇的衍生物二甲醚(Dimethyl Ether, DME)可以直接掺混到柴油中，氢气可以直接掺混到天然气燃料中去增加发动机效率并减少排放。

[0005] 中国专利公开号“104989519A”公开了“ 氢气发电机组”，其特征在于，包括发电机主体，所述主体包括供能系统、能换系统及控制单元，所述供能系统包括氢气供给单元及与之相连的燃气喷射阀，所述能换系统包括空气滤清器及与之相连的多组传感器，所述控制单元由ECU组成；所述传感器包括进气温度压力传感器、水温传感器、曲轴位置传感器、氧传感器及相位传感器组成。上述专利公开的是一种利用氢气作为能源发电的系统，并没有公开给与我们相反的指导。

[0006] 现有技术中还不存在利用大型高参数燃煤发电机组的余电/余热产生氢气及甲醇原料来解决发电企业的部分负荷运行低效率高成本的方案同时产出清洁低碳能源的装置及方法。

发明内容

[0007] 本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种利用大容量、高参数燃煤发电机组的余电/余热电解水或高温水蒸汽（High Temperature Steam Electrolysis，HTSE）产生氢气，并通过二氧化碳加氢催化反应（Carbon Dioxide by Catalytic Hydrogenation with Hydrogen，CDCHH）制造甲醇的系统来解决发电企业燃煤发电机组的部分负荷运行时低效率高成本问题，并提供氢、甲醇等来直接掺混天然气、汽油车、柴油车辆燃料来减少地域的污染物排放和碳排放，提高地域空气质量。

[0008] 本发明目的通过以下技术方案实现：

[0009] 一种用燃煤发电机组余电余热制取氢气的系统，包括锅炉、汽轮机和发电机，锅炉产生水蒸气通过汽轮机驱动发电机发电，其特征是，还包括水蒸气辅助电加热器、高温水蒸汽电解槽、余热回收装置和吹扫空气辅助电加热装置，所述的锅炉分一路水蒸汽接入水蒸气辅助电加热器，水蒸气经加热接入高温水蒸汽电解槽，电解出的氢气/水蒸汽混合物和氧气分别接入余热回收装置；

[0010] 所述的高温水蒸汽电解槽与余热回收装置之间连接有吹扫空气辅助电加热装置；

[0011] 所述的水蒸气辅助电加热器、高温水蒸汽电解槽和吹扫空气辅助电加热装置均通过发电机的余电供电。

[0012] 作为优选，还包括氢气干燥器，高温水蒸汽电解槽产生的氢气经余热回收装置接入氢气干燥器。

[0013] 所述的余热回收装置回收的余热用于以下过程：1）空气经余热回收装置的余热加热后再通过吹扫空气辅助电加热装置加热到一定温度后进入高温水蒸汽电解槽做电解空气用；2）水经余热回收装置加热后生成水蒸汽与来自锅炉的水蒸汽一同进入水蒸汽辅助电加热器做高温水蒸汽电解原料，3）余热回收装置回收的余热还可用于电解产物氢气的干燥。

[0014] 作为优选，所述的高温水蒸汽电解槽产生的氧气经余热回收装置后分为两路，一路存储，另一路通入锅炉。

[0015] 作为优选，所述的余热回收装置接入水蒸气辅助电加热器，后接入高温水蒸汽电解槽。

[0016] 作为优选，所述余热回收装置回收的余热供给氢气干燥器。

[0017] 一种基于上述燃煤发电机组余电余热制取氢气的系统的方法，其特征是，步骤如下，锅炉主蒸汽出口分两路，一路进入汽轮机做功带动发电机发电，另一路进水蒸汽辅助电加热器加热到高温水蒸汽电解工作温度后进入高温水蒸汽电解槽电解，电解槽阴极侧出口为高温氢气/水蒸汽混合物，电解槽阳极侧出口为高温氧气，均进入余热回收装置回收余热；回收余热后氢气经氢气干燥器去储存；回收余热后的氧气分两路，一路进入锅炉燃烧形成富氧燃烧工况，另一路去贮存；空气经余热回收装置加热并由吹扫空气辅助电加热器升温到指定温度后，进入高温水蒸汽电解槽做吹扫气用；

[0018] 所述的水蒸气辅助电加热器、高温水蒸汽电解槽和吹扫空气辅助电加热装置均通过发电机的余电供电。

[0019] 一种基于上述制取氢气系统的用燃煤发电机组余电余热制取甲醇的系统，其特征在于：还包括氢气压缩机、氢气加热装置、二氧化碳捕集装置、二氧化碳压缩机、二氧化碳加热装置和甲醇合成装置，所述高温水蒸汽电解槽产生的氢气依次接入氢气干燥器、氢气压缩机、氢气加热装置、甲醇合成装置；所述锅炉尾部烟气依次接入二氧化碳捕集装置、二氧化碳压缩机、二氧化碳加热装置、甲醇合成装置。

[0020] 作为优选，所述的氢气压缩机和二氧化碳压缩机均通过发电机的余电供电，所述的氢气加热器和二氧化碳加热器均通过发电机的余电作辅助加热用。

[0021] 作为优选，所述余热回收装置回收的余热分别供氢气干燥器、氢气加热装置和二氧化碳加热装置用。

[0022] 一种基于上述燃煤发电机组余电余热制取甲醇的系统的方法，其特征是，步骤进一步包括，所述高温水蒸汽电解槽产生的氢气经过氢气干燥器干燥、氢气压缩机加压，氢气加热装置加热升温后进入甲醇合成装置；所述锅炉尾部烟气经二氧化碳捕集装置捕集，二氧化碳经二氧化碳压缩机压缩，二氧化碳加热装置升温，后进入甲醇合成装置，与上述氢气反应生成甲醇；所述的氢气压缩机、氢气加热装置、二氧化碳压缩机和二氧化碳加热装置均通过发电机的余电供电。

[0023] 与现有技术相比，本产品同现有技术相比具有以下优点及效果：

[0024] 1、实现高参数、大容量燃煤发电机组在最佳工作点平稳工作，提高了机组效率，避免了机组频繁负荷变动及低负荷运行时的不良影响；

[0025] 2、通过余热回收装置回收高温水蒸汽电解产物的热量，实现了能源的梯级利用；

[0026] 3、模块化设计，所述燃煤发电机组余电制取氢气和甲醇燃料的系统为模块化结构，单个模块的装机容量为5 10MW，以600MW超临界锅炉为例，消纳25%负荷率的余电需要30~个余电制取氢气和甲醇燃料系统模块；投运的余电制取氢气和甲醇燃料系统模块数可随电网负荷的变化及时变化，提高运行效率和灵活性，同时降低安装难度和复杂度，降低运行管理复杂度；

[0027] 4、通过结合本发明中余电/余热制取氢气和甲醇燃料的系统，燃煤发电机组可及时应对电网的符合变动要求；

[0028] 5、合成甲醇的原料之一二氧化碳由锅炉尾部烟气中经二氧化碳捕集而来，降低了燃煤发电机组的二氧化碳排放；

[0029] 6、制得的氢气、甲醇燃料是清洁能源，分别掺混到天然气、汽油和柴油中可降低汽车的碳排放，有良好的社会效益；

[0030] 7、实现了利用中国保有量丰富的煤资源制氢、甲醇等液体燃料，有利于中国的能源安定安全可靠地供给，有利于国家的能源安全。

附图说明

[0031] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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仅仅是本发明的一些实施例，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。

[0032] 图1是本实施例一的系统原理示意图。

[0033] 图2是本实施例二的系统原理示意图。

[0034] 标号说明：锅炉1、汽轮机2、发电机3、水蒸气辅助电加热器4、高温水蒸汽电解槽5、余热回收装置6、氢气干燥器7、氢气压缩机8、氢气加热装置9、二氧化碳捕集装置10、二氧化碳压缩机11、二氧化碳加热装置12、甲醇合成装置13、吹扫空气辅助电加热装置14。

具体实施方式

[0035] 以下结合具体实施例来说明本发明，下列实施例仅用于说明本发明的技术方案，并不限定本发明的保护范围。

[0036] 实施例一：

[0037] 在本实施例中，制氢方式为电解高温水蒸汽制氢，主要产品为氢气。如图1示，本实施例由超临界/超超临界锅炉1、汽轮机2、发电机3、水蒸气辅助电加热器4、高温水蒸汽电解槽5、余热回收装置6、氢气干燥器7、吹扫空气辅助电加热装置14组成。

[0038] 超临界/超超临界锅炉1主蒸汽出口经三通阀分两路：一路进入汽轮机2做功带动发电机3发电，另一路进水蒸汽辅助电加热器4加热到高温水蒸汽电解工作温度后进入高温水蒸汽电解槽5电解，电解槽阴极侧出口为高温氢气/水蒸汽混合物，电解槽阳极侧出口为高温氧气，均进入余热回收装置6回收余热；回收余热后氢气经氢气干燥器7干燥后去储存；回收余热后的氧气分两路，一路进入超临界/超超临界锅炉1燃烧形成富氧燃烧工况，另一路可去贮存；空气经余热回收装置6加热并由吹扫空气辅助电加热器14升温到指定温度后，进入高温水蒸汽电解槽5做吹扫气用。

[0039] 发电机3发出的电量首先满足电网负荷的需要，在电网的负荷需求低于燃煤发电机组的经济工况（一般为80%负荷率）时，燃煤发电机组工作在80%负荷，扣除供电负荷后的余电供本实施例所描述的燃煤发电机组余电制取氢气的系统中各用电设备使用，包括：高温水蒸汽电解槽5耗电、保证高温水蒸汽电解槽5水蒸气入口温度的水蒸气辅助电加热器4及吹扫空气入口温度的吹扫空气辅助电加热器14耗电等。

[0040] 高温水蒸汽电解槽的工作温度为620 700℃，其中阴极的电化学反应方程：~

[0041] 2H+ + 2e-==H2

[0042] 阳极的电化学反应方程：

[0043] O2-==0.5O2 + 2e-

[0044] 余热回收装置6回收的余热一部分用于氢气干燥装置7干燥氢气；一部分用于高温水蒸汽电解槽5吹扫空气的预热；一部分用于加热水产生蒸汽，作为来自超临界/超超临界锅炉1的水蒸气的补充，共同进入水蒸气电加热器4加热到高温水蒸汽电解工作温度。

[0045] 实施例二：

[0046] 在本实施例中，制氢方式为电解高温水蒸汽制氢，主要产品为甲醇。如图2所示，本实施例由超临界/超超临界锅炉1、汽轮机2、发电机3、水蒸气辅助电加热器4、高温水蒸汽电解槽5、余热回收装置6、氢气干燥器7、氢气压缩机8、氢气加热装置9、二氧化碳捕集装置10、二氧化碳压缩机11、二氧化碳加热装置12、甲醇合成装置13、吹扫空气辅助电加热装置14组成。

[0047] 超临界/超超临界锅炉1主蒸汽出口经三通阀分两路：一路进入汽轮机2做功带动发电机3发电，另一路进水蒸汽辅助电加热器4加热到高温水蒸汽电解工作温度后进入高温水蒸汽电解槽5电解，电解槽阴极侧出口为高温氢气/水蒸汽混合物，电解槽阳极侧出口为高温氧气，均进入余热回收装置6回收余热；回收余热后氢气经氢气干燥器7干燥、氢气压缩机8加压、氢气加热装置9加热升温后进入甲醇合成装置13，与由超临界/超超临界锅炉1尾部烟气经二氧化碳捕集装置10捕集、二氧化碳压缩机11压缩、二氧化碳加热装置12升温后的高温高压的二氧化碳气体反应生成甲醇；回收余热后的氧气分两路，一路进入超临界/超超临界锅炉1燃烧形成富氧燃烧工况，另一路可去贮存；空气经余热回收装置6加热并由吹扫空气辅助电加热器14升温到指定温度后，进入高温水蒸汽电解槽5做吹扫气用。

[0048] 发电机3发出的电量首先满足电网负荷的需要，在电网的负荷需求低于燃煤发电机组的经济工况（一般为80%负荷率）时，燃煤发电机组工作在80%负荷，扣除供电负荷后的余电供本实施例所描述的燃煤发电机组余电制取甲醇的系统中各用电设备使用，包括：高温水蒸汽电解槽5耗电、保证高温水蒸汽电解槽5水蒸气入口温度的水蒸气辅助电加热器4及吹扫空气入口温度的吹扫空气辅助电加热器14耗电、保证甲醇合成装置13原料气氢气和二氧化碳入口温度的氢气加热装置9和二氧化碳加热装置12的辅助电加热耗电，以及氢气压缩机8和二氧化碳压缩机11耗电等。

[0049] 高温水蒸汽电解槽的工作温度为620 700℃，其中阴极的电化学反应方程：~

[0050] 2H+ + 2e-==H2

[0051] 阳极的电化学反应方程：

[0052] O2-==0.5O2 + 2e-

[0053] 余热回收装置6回收的余热一部分进入氢气干燥器7、氢气加热装置9和二氧化碳加热装置12干燥并预热甲醇合成的原料气氢气和二氧化碳；一部分用于高温水蒸汽电解槽5吹扫空气预热；一部分用于加热水产生蒸汽，作为来自超临界/超超临界锅炉1的水蒸气的补充，共同进入水蒸气电加热器4加热到高温水蒸汽电解工作温度。

[0054] 此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

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