一种燃煤锅炉氢电联产的系统和方法

技术领域

本发明属于火电、环保和制氢技术领域，具体涉及一种燃煤锅炉氢电联产的系统和方法。

背景技术

燃煤机组的烟气中含有二氧化硫，目前大多数通过将碳酸钙烧制成氧化钙、磨成粉末，制成浆液，使含二氧化硫的烟气通过浆液，二氧化硫被吸收，产生硫酸钙，进行脱硫。这种脱硫方法会将碳酸钙中固化的二氧化碳释放出来，因此脱硫过程会额外增加碳排放。另外脱硫过程需要源源不断地使用碳酸钙，原料成本较高。

超临界二氧化碳发电是最近大型化应用比较热门的技术，该技术系统和设备较少、发电效率高，利用二氧化碳替代水，节约了水资源。但为了减少二氧化碳压缩功，需要将部分二氧化碳降温接近临界点，需要外部介质冷却，存在部分热量的浪费。

硫碘循环制氢是一种热化学制氢的方法，相对于电解制氢，中间少了一个将热转换为电的环节，因此制氢效率大大提高。但硫碘循环制氢需要在强腐蚀性环境中利用800℃以上的高温热源，在大规模工业应用中难度较大。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种燃煤锅炉氢电联产的系统和方法。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现的：

一种燃煤锅炉氢电联产的系统，该系统将燃煤锅炉、硫碘循环制氢、超临界二氧化碳发电耦合，进行氢电联产，包括燃煤二氧化碳锅炉、二氧化碳发电系统和高温换热器；其中，

燃煤二氧化碳锅炉的第一出口接在高温换热器的入口，燃煤二氧化碳锅炉的第二出口接在二氧化碳发电系统的第一入口，二氧化碳发电系统的第一出口接在燃煤二氧化碳锅炉的第二入口。

本发明进一步的改进在于，燃煤二氧化碳锅炉管内工质为二氧化碳，二氧化碳在燃煤二氧化碳锅炉内吸热后温度达到620℃以上，压力达到28MPa以上，燃煤二氧化碳锅炉管外工质为煤燃烧产生的含二氧化硫的烟气，二氧化碳发电系统包含有二氧化碳透平、压缩机、回热器、冷却器及其附属设备。

本发明进一步的改进在于，高温换热器为烟气-碘化氢换热器，碘化氢在高温换热器内吸收烟气的热量，被加热到500℃以上。

本发明进一步的改进在于，还包括中温换热器、脱硝模块、低温换热器、空预器、除尘器、引风机和本生反应器；

高温换热器的出口接在中温换热器的入口，中温换热器的出口接在脱硝模块的入口，脱硝模块的出口接在低温换热器的入口，低温换热器的出口接在空预器的第一入口，空预器的第一出口接在除尘器的入口，除尘器的出口接在引风机的入口，引风机的出口接在本生反应器的第一入口。

本发明进一步的改进在于，中温换热器为烟气-碘化氢溶液换热器，碘化氢溶液在中温换热器被浓缩精馏，产生碘化氢。

本发明进一步的改进在于，从中温换热器出来的烟气，通过脱硝模块、低温换热器中，空预器、除尘器、引风机进入到本生反应器中，低温换热器为烟气-碘化氢溶液换热器，碘化氢溶液在低温换热器被预热，本生反应器是一种循环喷淋吸收塔类反应器，反应器中有循环泵、搅拌器、喷淋层和除雾层。

本发明进一步的改进在于，还包括烟气排放系统、分离系统、碘化氢溶液浓缩精馏系统、碘化氢分解系统、碘回收系统、氢气收储系统、硫酸收储系统和供水系统；

本生反应器的第一出口接在烟气排放系统的入口，本生反应器的第二出口接在分离系统的入口，分离系统的第一出口接在碘化氢溶液浓缩精馏系统的入口，分离系统的第二出口接在硫酸收储系统的入口，碘化氢溶液浓缩精馏系统的出口接在碘化氢分解系统的入口，碘化氢分解系统的第一出口接在氢气收储系统的入口，碘化氢分解系统的第二出口接在碘回收系统的入口，碘回收系统的出口接在本生反应器的第二入口，供水系统的出口接在本生反应器的第三入口。

本发明进一步的改进在于，进入到本生反应器的烟气中的二氧化硫与从碘回收系统回收的碘及供水系统来的水发生反应，生成碘化氢溶液及硫酸溶液，从本生反应器排出的烟气经烟气排放系统后排出，本生反应器产生的碘化氢溶液和硫酸溶液进入到分离系统中，在分离系统中硫酸溶液和碘化氢溶液发生分离，硫酸溶液进入到硫酸收储系统中，碘化氢溶液进入到碘化氢溶液浓缩精馏系统被浓缩精馏后进入到碘化氢分解系统被分解为氢气和碘，氢气进入到氢气收储系统中，碘进入到碘回收系统中。

本发明进一步的改进在于，还包括送风系统和风粉系统；

送风系统的出口接在二氧化碳发电系统的第二入口，二氧化碳发电系统的第二出口接在空预器的第二入口，空预器的第二出口接在风粉系统的入口，风粉系统的出口接在燃煤二氧化碳锅炉第一入口；

二氧化碳发电系统的冷却器布置在送风系统的入口，进入到送风系统的空气吸收二氧化碳发电系统中做完功的二氧化碳的热量，将二氧化碳冷却至临界点附近，从送风系统出来的空气进入到空预器中被进一步加热后进入到风粉系统中用来制粉及为煤粉燃烧提供助燃空气，风粉及助燃空气进入燃煤二氧化碳锅炉中燃烧，产生高温含二氧化硫的烟气。

一种燃煤锅炉氢电联产的方法，该方法基于所述的一种燃煤锅炉氢电联产的系统，包括以下步骤：

向燃煤二氧化碳锅炉管内及二氧化碳发电系统充入二氧化碳，并建立起二氧化碳回路压力及二氧化碳循环；

启动空预器、除尘器、引风机、送风系统，空气经送风系统、二氧化碳发电系统、启动空预器、除尘器、引风机、本生反应器，通过烟气排放系统排出；

通过供水系统向本生反应器加入水，通过碘回收系统向本生反应器加入碘，在本生反应器中形成碘溶液，启动本生反应器中的循环泵，建立起本生反应器内的碘溶液喷淋循环；

启动风粉系统，向燃煤二氧化碳锅炉送粉，锅炉点火，锅炉产生的含二氧化硫的烟气经过脱硝模块脱硝，除尘器除尘，本生反应器吸收二氧化硫后达标通过烟气排放系统排出；

逐步加大锅炉的负荷，燃煤二氧化碳锅炉的烟气温度逐步升高，二氧化碳发电系统的二氧化碳温度逐步提高，二氧化碳发电系统对外送出的电负荷逐步增大；

随着燃煤二氧化碳锅炉的负荷增加，本生反应器内溶液吸收了更多的二氧化硫，溶解碘的能力增加，通过碘回收系统向本生反应器加入更多的碘，当本生反应器内溶液密度达到A后，进入到分离系统中将碘化氢溶液和硫酸溶液分离，硫酸溶液进入到硫酸收储系统中，碘化氢溶液进入到碘化氢溶液浓缩精馏系统中浓缩精馏，产生碘化氢，浓缩精馏需要的热量从低温换热器和中温换热器中获取；

碘化氢在碘化氢分解系统中被分解为氢气和碘，分解所需要的热量来自高温换热器中，氢气进入氢气收储系统中，碘进入碘回收系统中。

与现有技术相比，本发明至少具有如下有益的技术效果：

本发明提供的一种燃煤锅炉氢电联产的系统和方法，该系统与目前通常使用的系统比起来有以下几方面明显的优点：

1)该方法，利用碘溶液吸收锅炉烟气中的二氧化硫，不会产生额外的二氧化碳排放，而且碘可以循环利用，运行成本较低；

2)将锅炉产生的污染性气体二氧化硫用来制氢，减少了污染、增加了能量；

3)可以使超临界二氧化碳发电工作在其最高效率温度段，大大提高了发电效率；

4)阶梯性地使用了锅炉产生的热量，高温段热量用来发电，高、中温段热量用来提供给硫碘循环制氢系统进行碘化氢的分解，中、低温段热量用来进行碘化氢溶液的浓缩精馏及硫酸的浓缩；

5)由于该方法进行硫碘循环制氢，不需要将硫酸分解来制取二氧化硫，所以可以实现不需要太高温度(500℃左右)进行热化学制氢，提供了一种大规模、高效制氢的途径；

6)利用锅炉所需的空气来冷却超临界二氧化碳发电循环中的二氧化碳，简化了系统，同时利用了余热，提高了热量的利用效率；

7)几乎全量使用了锅炉产生的热量。

附图说明

图1为本发明一种燃煤锅炉氢电联产的系统的结构框图。

附图标记说明：

1、燃煤二氧化碳锅炉，2、二氧化碳发电系统，3、高温换热器，4、中温换热器，5、脱硝模块，6、低温换热器，7、空预器，8、除尘器，9、引风机，10、本生反应器，11、烟气排放系统，12、分离系统，13、碘化氢溶液浓缩精馏系统，14、碘化氢分解系统，15、碘回收系统，16、氢气收储系统，17、硫酸收储系统，18、送风系统，19、风粉系统，20、供水系统。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1所示，本发明提供的一种燃煤锅炉氢电联产的系统，该系统将燃煤锅炉、硫碘循环制氢、超临界二氧化碳发电耦合，进行氢电联产，包括燃煤二氧化碳锅炉1、二氧化碳发电系统2、高温换热器3、中温换热器4、脱硝模块5、低温换热器6、空预器7、除尘器8、引风机9、本生反应器10、烟气排放系统11、分离系统12、碘化氢溶液浓缩精馏系统13、碘化氢分解系统14、碘回收系统15、氢气收储系统16、硫酸收储系统17、送风系统18、风粉系统19和供水系统20。

燃煤二氧化碳锅炉1的第一出口接在高温换热器3的入口，燃煤二氧化碳锅炉1的第二出口接在二氧化碳发电系统2的第一入口，二氧化碳发电系统2的第一出口接在燃煤二氧化碳锅炉1的第二入口；高温换热器3的出口接在中温换热器4的入口，中温换热器4的出口接在脱硝模块5的入口，脱硝模块5的出口接在低温换热器6的入口，低温换热器6的出口接在空预器7的第一入口，空预器7的第一出口接在除尘器8的入口，除尘器8的出口接在引风机9的入口，引风机9的出口接在本生反应器10的第一入口；本生反应器10的第一出口接在烟气排放系统11的入口，本生反应器10的第二出口接在分离系统12的入口，分离系统12的第一出口接在碘化氢溶液浓缩精馏系统13的入口，分离系统12的第二出口接在硫酸收储系统17的入口，碘化氢溶液浓缩精馏系统13的出口接在碘化氢分解系统14的入口，碘化氢分解系统14的第一出口接在氢气收储系统16的入口，碘化氢分解系统14的第二出口接在碘回收系统15的入口，碘回收系统15的出口接在本生反应器10的第二入口，供水系统20的出口接在本生反应器10的第三入口；送风系统18的出口接在二氧化碳发电系统2的第二入口，二氧化碳发电系统2的第二出口接在空预器7的第二入口，空预器7的第二出口接在风粉系统19的入口，风粉系统19的出口接在燃煤二氧化碳锅炉1第一入口。

所述燃煤二氧化碳锅炉1管内工质为二氧化碳，二氧化碳在燃煤二氧化碳锅炉1内吸热后温度达到620℃以上，压力达到28MPa以上，燃煤二氧化碳锅炉1管外工质为煤燃烧产生的含二氧化硫的烟气，二氧化碳发电系统2包含有二氧化碳透平、压缩机、回热器、冷却器及其附属设备。高温换热器3为烟气-碘化氢换热器，碘化氢在高温换热器3内吸收烟气的热量，被加热到500℃以上。

所述中温换热器4为烟气-碘化氢溶液换热器，碘化氢溶液在中温换热器4被浓缩精馏，产生碘化氢。从中温换热器4出来的烟气，通过脱硝模块5、低温换热器6中，空预器7、除尘器8、引风机9进入到本生反应器10中，低温换热器6为烟气-碘化氢溶液换热器，碘化氢溶液在低温换热器6被预热，本生反应器10是一种循环喷淋吸收塔类反应器，反应器中有循环泵、搅拌器、喷淋层和除雾层。

进入到本生反应器10的烟气中的二氧化硫与从碘回收系统15回收的碘及供水系统20来的水发生反应，生成碘化氢溶液及硫酸溶液，从本生反应器10排出的烟气经烟气排放系统11后排出，本生反应器10产生的碘化氢溶液和硫酸溶液进入到分离系统12中，在分离系统12中硫酸溶液和碘化氢溶液发生分离，硫酸溶液进入到硫酸收储系统17中，碘化氢溶液进入到碘化氢溶液浓缩精馏系统13被浓缩精馏后进入到碘化氢分解系统14被分解为氢气和碘，氢气进入到氢气收储系统16中，碘进入到碘回收系统15中。

所述二氧化碳发电系统2的冷却器布置在送风系统18的入口，进入到送风系统18的空气吸收二氧化碳发电系统2中做完功的二氧化碳的热量，将二氧化碳冷却至临界点附近，从送风系统18出来的空气进入到空预器7中被进一步加热后进入到风粉系统19中用来制粉及为煤粉燃烧提供助燃空气，风粉及助燃空气进入燃煤二氧化碳锅炉1中燃烧，产生高温含二氧化硫的烟气。

本发明提供的一种燃煤锅炉氢电联产的方法，包括以下步骤：

向燃煤二氧化碳锅炉1管内及二氧化碳发电系统2充入二氧化碳，并建立起二氧化碳回路压力及二氧化碳循环；

启动空预器7、除尘器8、引风机9、送风系统18，空气经送风系统18、二氧化碳发电系统2、启动空预器7、除尘器8、引风机9、本生反应器10，通过烟气排放系统11排出；

通过供水系统20向本生反应器10加入水，通过碘回收系统15向本生反应器10加入碘，在本生反应器10中形成碘溶液，启动本生反应器10中的循环泵，建立起本生反应器10内的碘溶液喷淋循环；

启动风粉系统19，向燃煤二氧化碳锅炉1送粉，锅炉点火，锅炉产生的含二氧化硫的烟气经过脱硝模块5脱硝，除尘器8除尘，本生反应器10吸收二氧化硫后达标通过烟气排放系统11排出；

逐步加大锅炉的负荷，燃煤二氧化碳锅炉1的烟气温度逐步升高，二氧化碳发电系统2的二氧化碳温度逐步提高，二氧化碳发电系统2对外送出的电负荷逐步增大；

随着燃煤二氧化碳锅炉1的负荷增加，本生反应器10内溶液吸收了更多的二氧化硫，溶解碘的能力增加，通过碘回收系统15向本生反应器10加入更多的碘，当本生反应器10内溶液密度达到A后，进入到分离系统12中将碘化氢溶液和硫酸溶液分离，硫酸溶液进入到硫酸收储系统17中，碘化氢溶液进入到碘化氢溶液浓缩精馏系统13中浓缩精馏，产生碘化氢，浓缩精馏需要的热量从低温换热器6和中温换热器4中获取；

碘化氢在碘化氢分解系统14中被分解为氢气和碘，分解所需要的热量来自高温换热器3中，氢气进入氢气收储系统16中，碘进入碘回收系统15中。

实施例

采用该发明建设一台可以产生750MW热量的二氧化碳燃煤锅炉发电机组，锅炉燃烧含硫量0.8％的燃煤。该机组不需要循环水系统、凝结水系统、给水系统、除氧器系统、高低压加热器系统、主蒸汽系统、除盐水系统，系统大大简化，投资成本可以大幅度降低。

二氧化碳温度可以达到620℃，压力达到28MPa，冲转二氧化碳透平，可以发电350MW；

用锅炉燃烧所需的空气来冷却二氧化碳透平做功后的二氧化碳，二氧化碳温度可以冷却到接近临界温度，二氧化碳发电系统不需要额外冷源，提高了热量的利用效率；

锅炉排放的烟气通入硫碘循环制氢的本生反应器，碘溶液吸收烟气中的二氧化硫，生成硫酸和碘化氢，锅炉不再需要脱硫系统，每天可以节省脱硫系统运行费用大约2万元；

从锅炉烟气中获取200℃的热量1200KW，用来进行碘化氢溶液的浓缩和精馏；

从锅炉烟气中获取500℃的热量230KW用来进行碘化氢的分解，每天可以产生19200m

碘进入本生反应器复用；

从锅炉烟气中获取200KW的热量用来进行硫酸的浓缩，每天可以得到浓硫酸90吨，每吨硫酸按照500元计算，可产生4.5万元收益。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。