[发明专利]一种煤层气联合循环发电及CO2

说明书

本发明公开了一种煤层气联合循环发电及CO₂捕集系统及方法，属于能源动力与煤层气利用技术领域，解决了现有技术中煤层气发电流程长，能耗大，系统效率低，成本高，CO₂排放量高的问题。煤层气联合循环发电及CO₂捕集系统包括煤层气制氢单元、脱碳单元及联合循环发电单元；煤层气制氢单元包括部分氧化反应器和透氧膜反应器；透氧膜反应器包括氧化区和产氢区；氧化区的进料口与部分氧化反应器的出料口相连；中低浓度煤层气及过热水蒸气能够进入煤层气制氢单元经过反应得到燃料气及转化尾气；燃料气输入联合循环发电单元；转化尾气进入脱碳单元以分离CO₂。本发明在实现高煤层气利用率的同时，可实现CO₂近零排放。

技术领域

本发明涉及能源动力与煤层气利用技术领域，尤其涉及一种煤层气联合循环发电及CO₂捕集系统及方法。

背景技术

减少温室气体排放，缓解全球气候变暖是目前国内外的关注热点。我国煤矿开采过程中伴生大量中低浓度煤层气(25％CH₄含量80％)，此种煤层气因含有O₂，N₂，CO₂等杂质气体，不易压缩储存及利用，大量煤层气直接排向大气，不仅严重威胁煤矿安全，而且造成温室气体排放和环境污染。煤层气的有效成分甲烷是制氢及发电的重要原料。将中低浓度煤层气转化成电力，并对转化过程的CO₂进行捕集，一方面可减少中低浓度煤层气对环境的影响，另一方面可减少对煤炭及天然气等能源的依赖，并真正意义上减少煤层气对温室效应的影响。

利用中低浓度煤层气发电的技术路线之一是直接燃烧或提纯后燃烧。目前中低浓度煤层气发电的主要方式是通过直接燃烧或与煤、天然气等燃料混合作为辅助燃料发电，但此方式发电效率低，直接燃烧时发电效率低(不超过40％)，且燃烧后的CO₂直接排放至大气，若对燃烧尾气中的CO₂进行捕集，系统效率将进一步下降10-12个百分点。目前已提出了多种中低浓度煤层气提纯技术，如低温精馏、低温精馏、变压吸附、膜分离、水合物法等。通过这些工艺提纯有效成分甲烷，而后甲烷可作为燃气轮机或联合循环燃料发电。但无论何种提纯工艺，都伴随着大量能耗和费用代价，且甲烷利用过程仍需考虑CO₂的捕集问题。

中低浓度煤层气发电的另外一条技术途径是先通过中低浓度煤层气制取氢气，而后通过氢气燃烧发电。中低浓度煤层气制氢通常也需先提纯有效成分甲烷，甲烷再经水蒸气重整、部分氧化重整、自热重整、CO₂重整等转化为H₂和CO₂，而后经变压吸附、膜分离等工艺将二者分离从而获得氢气产品。此流程不但甲烷制氢过程H₂与CO₂分离需耗能，煤层气提纯过程的能耗同样不可避免。目前也有一种不经提纯直接利用煤层气制氢的方法。此方法利用煤层气中所含氧气，并通入水蒸气进行自热重整，而后经变压吸附脱除杂质气体，提纯氢气。但此种方法没有考虑 CO₂的捕集，尾气CO₂直接排放至大气。同时，甲烷自热重整过程转化率受到反应平衡限制，甲烷难以完全转化，尾气中因含大量N₂，甲烷浓度过低，再利用困难。

综上，目前应用于中低浓度煤层气发电的技术路线存在着流程长，能耗大，系统效率低，成本高等问题。

发明内容

鉴于以上分析，针对现有技术中的不足，本发明旨在提供一种煤层气联合循环发电及CO₂捕集系统及方法，至少能够解决以下技术问题之一：(1)现有的煤层气发电流程长，能耗大，系统效率低，成本高；(2) CO₂排放量高。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：