太阳能驱动煤气化甲醇合成与零排放发电联产系统
技术领域
本发明属于煤的清洁利用领域，特别涉及一种太阳能驱动煤气化甲醇合成与零排放发电联产系统，具体说是一种太阳能驱动的煤气化与甲醇合成和超临界二氧化碳零排放发电集成的联产系统。
背景技术
据中华人民共和国国家统计局年度数据，2018年中国的能源生产总量为377000万吨标准煤，其中煤炭生产总量占69％，能源消费总量为464000万吨标准煤，其中煤炭消费总量占59％，可见中国目前的能源生产与消费结构仍以煤炭为主导，然而煤炭在发电和工业生产中作为燃料直接燃烧供能，利用效率低且对环境污染严重。随着对能源安全和环境保护方面的日益重视，煤炭的清洁利用已成为目前重要的研究方向。
煤气化制甲醇是国内目前在煤化工领域一种成熟的煤炭清洁利用方式。然而传统的煤气化制甲醇工艺中存在诸多不足，煤气化过程吸收的能量由部分煤燃烧供给，降低了煤炭转化率，水煤气转化过程消耗了合成气中有效的一氧化碳成分，煤气化甲醇合成过程中的废热废料用于参数较低的蒸汽循环发电，利用效率低。
富氧燃烧直接加热的超临界二氧化碳动力循环是煤炭发电领域一种极具潜力的高效零排放发电技术。在该动力循环中，煤气化后净合成气与氧气燃烧，加热高压超临界二氧化碳，产生的高温高压烟气进入燃气轮机做功发电，排气经回热器、冷却器冷却降温，分离出烟气中水分。脱水后高浓度二氧化碳经压缩机、泵加压后可方便分离出燃烧产生的二氧化碳，无需复杂的捕碳设备，但该技术在煤气化时存在与煤气化制甲醇中同样的问题。如果利用太阳能为煤气化过程供能，并将甲醇合成与超临界二氧化碳动力循环深度耦合，在提高煤炭转化率的同时可以进一步提高能量的综合利用效率，实现更加高效多样的煤炭清洁利用。
综上所述，本发明提出了一种太阳能驱动煤气化甲醇合成与零排放发电联产系统，有望进一步提高能源利用效率，降低化石能源消耗，实现更加高效与多样的煤炭清洁利用；该系统将太阳能气化、甲醇合成、超临界二氧化碳发电进行高效耦合，摒弃了传统甲醇合成中不经济的水煤气转化过程，对甲醇合成中废热废料合理有效利用，实现了甲醇和电力的多联产，在煤炭清洁利用领域具有广泛应用前景。
发明内容
本发明的目的是提出一种太阳能驱动煤气化甲醇合成与零排放发电联产系统，包括太阳能煤气化、甲醇合成和零排放发电三个子系统；其特征在于，
所述太阳能煤气化子系统由预干燥装置与太阳能气化炉、二氧化碳加热器、蒸汽发生器、合成气冷却器和净化分离装置串联；蒸汽发生器连接太阳能气化炉；空气分离单元与预干燥装置连接；太阳能通过定日镜投射到反射塔上，然后聚光到太阳能气化炉组成太阳能煤气化子系统；
所述甲醇合成子系统包括由合成气压缩机与合成气预热器冷流段、甲醇合成反应器、合成气预热器热流段、甲醇预热器热流段、冷却器、气液分离器液体出口与甲醇预热器冷流段、甲醇精馏装置、甲醇冷却器、甲醇储存罐串联回路；甲醇合成反应器与反应器内置换热器连接组成甲醇合成子系统；
所述零排放发电子系统包括由气液分离器气体出口通过弛放气压缩机与燃烧室连接；燃烧室与燃气轮机、二氧化碳回热器热流段、烟气冷却器、水分离器、二氧化碳压缩机、中间冷却器、二氧化碳泵、二氧化碳回热器冷流段、二氧化碳加热器串联成回路；反应器内置换热器又与二氧化碳回热器冷流段连接，燃气轮机又与发电机连接；氧气压缩机与燃烧室连接组成零排放发电子系统；
所述空气分离单元又通过氧气压缩机与燃烧室连接；净化分离装置又与合成气压缩机、气液分离器连接在一起，气液分离器气体出口通过弛放气压缩机与燃烧室连接；由此将三个子系统有机的连接成为联产系统。
所述的太阳能驱动煤气化甲醇合成与零排放发电联产系统的联产方法，在太阳能煤气化子系统中，原煤先进入预干燥装置干燥处理，干燥后的煤进入太阳能气化炉，与来自蒸汽发生器的蒸汽发生气化反应，反应后粗合成气依次经过二氧化碳加热器、蒸汽发生器、合成气冷却器后，温度降至常温，常温粗合成气进入净化分离装置去除粗合成气中的杂质硫化物和水后送往甲醇合成子系统；
在甲醇合成子系统中，除杂后的净合成气通过合成气压缩机加压后经合成气预热器加热进入甲醇合成反应器反应生成甲醇，反应后气体依次经合成气预热器、甲醇预热器和冷却器冷却后进入气液分离器分离粗甲醇与未反应合成气；粗甲醇经甲醇预热器预热后进入甲醇精馏装置精馏去除水分和杂醇油，得到的精甲醇经甲醇冷却器冷却进入甲醇储存罐储存；气液分离器放出的部分未反应合成气作为循环气与来自净化分离装置的合成气汇合，经合成气压缩机加压后再次进入甲醇合成反应器反应；
在零排放发电子系统中，气液分离器放出的其余未反应合成气作为弛放气经弛放气压缩机压缩后进入燃烧室，弛放气与来自空气分离单元的高压纯氧在燃烧室燃烧，加热来自二氧化碳加热器的超临界二氧化碳，产生的高温高压燃气进入燃气轮机做功，驱动发电机发电，产生的高温排气依次经二氧化碳回热器、烟气冷却器冷却，烟气中的水分冷凝，经水分离器分离出来，脱水后的高浓度二氧化碳经二氧化碳压缩机压缩，中间冷却器冷却形成高密度超临界二氧化碳，再通过二氧化碳泵升压后一部分分离封存，其余进入二氧化碳回热器吸收高温排气热量；二氧化碳回热器冷流段抽出部分二氧化碳进入反应器内置换热器吸收甲醇合成放出的热量后再打入二氧化碳回热器继续吸热，升温后超临界二氧化碳通过二氧化碳加热器进一步加热后进入燃烧室调节燃烧温度；
空气进入空气分离单元分离出高纯度氧气经氧气压缩机加压后进入燃烧室助燃，其余高温氮气进入预干燥装置干燥原煤；太阳辐射能经定日镜投射到反射塔上，经反射塔反射聚集到太阳能气化炉，驱动煤的气化反应。
所述的太阳能驱动煤气化甲醇合成与零排放发电联产系统的联产方法，所述的太阳辐射能经定日镜、反射塔聚集到太阳能气化炉，为煤的气化反应提供热量，气化温度维持在1100℃左右；高温粗合成气依次经过二氧化碳加热器、蒸汽发生器进行热量回收，其温度降低至90℃。
所述的太阳能驱动煤气化甲醇合成与零排放发电联产系统的联产方法，弛放气经弛放气压缩机压缩后进入燃烧室与来自空气分离单元的高压氧气燃烧，加热超临界二氧化碳驱动燃气轮机做功。
所述的太阳能驱动煤气化甲醇合成与零排放发电联产系统的联产方法，从二氧化碳回热器冷流段抽出部分高压二氧化碳进入反应器内置换热器吸收甲醇合成放出的热量后再打入二氧化碳回热器继续吸热，控制甲醇合成反应器内反应温度。
所述的太阳能驱动煤气化甲醇合成与零排放发电联产系统的联产方法，高浓度二氧化碳经二氧化碳泵加压至30MPa后，分离出合成气燃烧产生的二氧化碳，无需增加其他碳捕集单元。
本发明的有益效果是通过太阳能煤气化、甲醇合成与超临界二氧化碳发电之间的高效耦合，提高了整体的能源利用效率，实现了煤炭清洁利用领域中煤制甲醇与零排放发电的联产，过程具有以下特点：
(1)聚集的高温太阳能用于煤气化，可以避免煤的部分燃烧，提高煤的转化率，同时提高合成气中氢气与一氧化碳的比值，有利于甲醇合成。
(2)去除传统甲醇合成中不经济的水煤气转化过程，甲醇合成中一氧化碳气体过量，反应后多余一氧化碳作为弛放气送往燃烧室燃烧，驱动零排放发电，燃烧产物直接从循环冷端脱除，实现零排放发电。
(3)太阳能煤气化、甲醇合成与超临界二氧化碳循环系统深度耦合，空气分离单元的过程废热用于干燥原煤，甲醇合成和合成气净化的过程废热用来加热超临界二氧化碳和生成蒸汽，合理回收过程废热，提高整体能量利用效率。
(4)太阳能煤气化、甲醇合成与超临界二氧化碳零排放发电三者高效集成，有助于实现煤炭在煤化工领域和煤炭发电领域的清洁利用，并拓宽了太阳能的利用途径。
附图说明
图1为太阳能驱动煤气化甲醇合成与零排放发电联产系统示意图。
图中：1-预干燥装置，2-太阳能气化炉，3-二氧化碳加热器，4-蒸汽发生器，5-合成气冷却器，6-净化分离装置，7-合成气压缩机，8-合成气预热器，9-甲醇合成反应器，10-反应器内置换热器，11-冷却器，12-气液分离器，13-甲醇预热器，14-甲醇精馏装置，15-甲醇冷却器，16-甲醇储存罐，17-弛放气压缩机，18-燃烧室，19-燃气轮机，20-发电机，21-二氧化碳回热器，22-烟气冷却器，23-水分离器，24-二氧化碳压缩机，25-中间冷却器，26-二氧化碳泵，27-空气分离单元，28-氧气压缩机，29-定日镜，30-反射塔。
具体实施方式
本发明提出了太阳能驱动煤气化甲醇合成与零排放发电联产系统，下面结合附图予以说明。
如图1所示的太阳能驱动煤气化甲醇合成与零排放发电联产系统，包括太阳能煤气化、甲醇合成、零排放发电等三个子系统；其中，所述太阳能煤气化子系统由预干燥装置1与太阳能气化炉2、二氧化碳加热器3、蒸汽发生器4、合成气冷却器5和净化分离装置6串联；蒸汽发生器4连接太阳能气化炉2；空气分离单元27与预干燥装置1连接；太阳能通过定日镜29投射到反射塔30上，然后聚光到太阳能气化炉2上组成太阳能煤气化子系统；
所述甲醇合成子系统包括由合成气压缩机7与合成气预热器8冷流段、甲醇合成反应器9、合成气预热器8热流段、甲醇预热器13热流段、冷却器11、气液分离器12液体出口与甲醇预热器13冷流段、甲醇精馏装置14、甲醇冷却器15、甲醇储存罐16串联成回路；甲醇合成反应器9与反应器内置换热器10连接组成甲醇合成子系统；
所述零排放发电子系统包括由弛放气压缩机17与燃烧室18、燃气轮机19、二氧化碳回热器21热流段、烟气冷却器22、水分离器23、二氧化碳压缩机24、中间冷却器25、二氧化碳泵26、二氧化碳回热器21冷流段和二氧化碳加热器3串联成回路；反应器内置换热器10又与二氧化碳回热器21冷流段连接，燃气轮机19又与发电机20连接；氧气压缩机28与燃烧室18连接组成零排放发电子系统；
然后由空气分离单元27通过氧气压缩机28与燃烧室18连接；净化分离装置6与合成气压缩机7、气液分离器12连接在一起，气液分离器12气体出口通过弛放气压缩机17与燃烧室18连接；将三个子系统有机的连接成为太阳能驱动煤气化甲醇合成与零排放发电联产系统。
所述的太阳能驱动煤气化甲醇合成与零排放发电联产系统的联产方法，在太阳能煤气化子系统中，空气进入空气分离单元27分离出高纯度氧气经氧气压缩机28加压后进入燃烧室18助燃，其余高温氮气进入预干燥装置1干燥原煤；太阳辐射能经定日镜29投射到反射塔30上，经反射塔30反射聚集到太阳能气化炉2，驱动煤的气化反应，为煤的气化反应提供热量，气化温度维持在1100℃左右；高温粗合成气依次经过二氧化碳加热器3、蒸汽发生器4进行热量回收，其温度降低至90℃；原煤先进入预干燥装置1干燥处理，干燥后的煤进入太阳能气化炉2，与来自蒸汽发生器4的蒸汽发生气化反应，反应后粗合成气依次经过二氧化碳加热器3、蒸汽发生器4、合成气冷却器5温度降至常温，常温粗合成气进入净化分离装置6去除粗合成气中的硫化物和水等杂质后送往甲醇合成子系统；
在甲醇合成子系统中，除杂后的净合成气通过合成气压缩机7加压后经合成气预热器8加热进入甲醇合成反应器9反应生成甲醇，反应后气体依次经合成气预热器8、甲醇预热器13和冷却器12冷却后进入气液分离器12分离粗甲醇与大量未反应合成气；粗甲醇经甲醇预热器13预热后进入甲醇精馏装置14精馏去除水分和杂醇油，得到的精甲醇经甲醇冷却器15冷却进入甲醇储存罐16储存；气液分离器12放出的部分未反应合成气作为循环气与来自净化分离装置6的合成气汇合，经合成气压缩机7加压后再次进入甲醇合成反应器9反应；
在零排放发电子系统中，气液分离器12其余未反应合成气作为弛放气经弛放气压缩机17压缩后进入燃烧室18，弛放气与来自空气分离单元27的高压纯氧在燃烧室18燃烧，加热来自二氧化碳加热器3的超临界二氧化碳，产生的高温高压燃气进入燃气轮机19做功，驱动发电机20发电，产生的高温排气依次经二氧化碳回热器21、烟气冷却器22冷却，烟气中的水分冷凝，经水分离器23分离出来，脱水后的高浓度二氧化碳经二氧化碳压缩机24压缩，中间冷却器25冷却形成高密度超临界二氧化碳，再通过二氧化碳泵26升压后一部分分离封存，其余进入二氧化碳回热器21吸收高温排气热量；二氧化碳回热器21冷流段抽出部分二氧化碳进入反应器内置换热器10吸收甲醇合成放出的热量后再打入二氧化碳回热器21继续吸热，升温后超临界二氧化碳通过二氧化碳加热器3进一步加热后进入燃烧室18调节燃烧温度。
所述的太阳能驱动煤气化甲醇合成与零排放发电联产系统的集成联产方法，弛放气经弛放气压缩机17压缩后进入燃烧室18与来自空气分离单元27的高压氧气燃烧，加热超临界二氧化碳驱动燃气轮机19做功。
所述的太阳能驱动煤气化甲醇合成与零排放发电联产系统的集成联产方法，从二氧化碳回热器21冷流段抽出部分高压二氧化碳进入反应器内置换热器10吸收甲醇合成放出的热量后再打入二氧化碳回热器21继续吸热，控制甲醇合成反应器9内反应温度；高浓度二氧化碳经二氧化碳泵26加压至30MPa后，分离出合成气燃烧产生的二氧化碳，无需增加其他碳捕集单元。
