[發(fā)明專利]一種煤層氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電及CO2

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010450250.0
• 申請日: 2020-05-25
• 公開（公告）號: CN111591957B
• 公開（公告）日: 2022-04-19
• 發(fā)明（設計）人: 遲金玲;郝雪弟;孫磊;毛隆干;沙彥明
• 申請（專利權）人: 中國礦業(yè)大學（北京）
• 主分類號: C01B3/38
• 分類號: C01B3/38;C01B3/36;C01B3/04;C01B32/50;F02B43/10;F02G5/02
• 代理公司: 北京天達知識產(chǎn)權代理事務所(普通合伙) 11386
• 代理人: 姚東華

本發(fā)明公開了一種煤層氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電及CO₂捕集系統(tǒng)及方法，屬于能源動力與煤層氣利用技術領域，解決了現(xiàn)有技術中煤層氣發(fā)電流程長，能耗大，系統(tǒng)效率低，成本高，CO₂排放量高的問題。煤層氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電及CO₂捕集系統(tǒng)包括煤層氣制氫單元、脫碳單元及聯(lián)合循環(huán)發(fā)電單元；煤層氣制氫單元包括部分氧化反應器和透氧膜反應器；透氧膜反應器包括氧化區(qū)和產(chǎn)氫區(qū)；氧化區(qū)的進料口與部分氧化反應器的出料口相連；中低濃度煤層氣及過熱水蒸氣能夠進入煤層氣制氫單元經(jīng)過反應得到燃料氣及轉化尾氣；燃料氣輸入聯(lián)合循環(huán)發(fā)電單元；轉化尾氣進入脫碳單元以分離CO₂。本發(fā)明在實現(xiàn)高煤層氣利用率的同時，可實現(xiàn)CO₂近零排放。

技術領域

本發(fā)明涉及能源動力與煤層氣利用技術領域，尤其涉及一種煤層氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電及CO₂捕集系統(tǒng)及方法。

背景技術

減少溫室氣體排放，緩解全球氣候變暖是目前國內(nèi)外的關注熱點。我國煤礦開采過程中伴生大量中低濃度煤層氣(25％CH₄含量80％)，此種煤層氣因含有O₂，N₂，CO₂等雜質氣體，不易壓縮儲存及利用，大量煤層氣直接排向大氣，不僅嚴重威脅煤礦安全，而且造成溫室氣體排放和環(huán)境污染。煤層氣的有效成分甲烷是制氫及發(fā)電的重要原料。將中低濃度煤層氣轉化成電力，并對轉化過程的CO₂進行捕集，一方面可減少中低濃度煤層氣對環(huán)境的影響，另一方面可減少對煤炭及天然氣等能源的依賴，并真正意義上減少煤層氣對溫室效應的影響。

利用中低濃度煤層氣發(fā)電的技術路線之一是直接燃燒或提純后燃燒。目前中低濃度煤層氣發(fā)電的主要方式是通過直接燃燒或與煤、天然氣等燃料混合作為輔助燃料發(fā)電，但此方式發(fā)電效率低，直接燃燒時發(fā)電效率低(不超過40％)，且燃燒后的CO₂直接排放至大氣，若對燃燒尾氣中的CO₂進行捕集，系統(tǒng)效率將進一步下降10-12個百分點。目前已提出了多種中低濃度煤層氣提純技術，如低溫精餾、低溫精餾、變壓吸附、膜分離、水合物法等。通過這些工藝提純有效成分甲烷，而后甲烷可作為燃氣輪機或聯(lián)合循環(huán)燃料發(fā)電。但無論何種提純工藝，都伴隨著大量能耗和費用代價，且甲烷利用過程仍需考慮CO₂的捕集問題。

中低濃度煤層氣發(fā)電的另外一條技術途徑是先通過中低濃度煤層氣制取氫氣，而后通過氫氣燃燒發(fā)電。中低濃度煤層氣制氫通常也需先提純有效成分甲烷，甲烷再經(jīng)水蒸氣重整、部分氧化重整、自熱重整、CO₂重整等轉化為H₂和CO₂，而后經(jīng)變壓吸附、膜分離等工藝將二者分離從而獲得氫氣產(chǎn)品。此流程不但甲烷制氫過程H₂與CO₂分離需耗能，煤層氣提純過程的能耗同樣不可避免。目前也有一種不經(jīng)提純直接利用煤層氣制氫的方法。此方法利用煤層氣中所含氧氣，并通入水蒸氣進行自熱重整，而后經(jīng)變壓吸附脫除雜質氣體，提純氫氣。但此種方法沒有考慮 CO₂的捕集，尾氣CO₂直接排放至大氣。同時，甲烷自熱重整過程轉化率受到反應平衡限制，甲烷難以完全轉化，尾氣中因含大量N₂，甲烷濃度過低，再利用困難。

綜上，目前應用于中低濃度煤層氣發(fā)電的技術路線存在著流程長，能耗大，系統(tǒng)效率低，成本高等問題。

發(fā)明內(nèi)容

鑒于以上分析，針對現(xiàn)有技術中的不足，本發(fā)明旨在提供一種煤層氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電及CO₂捕集系統(tǒng)及方法，至少能夠解決以下技術問題之一：(1)現(xiàn)有的煤層氣發(fā)電流程長，能耗大，系統(tǒng)效率低，成本高；(2) CO₂排放量高。

本發(fā)明的目的主要是通過以下技術方案實現(xiàn)的：