CN119281256A - 一种基于igcc联产co制备乙醇的生产系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及IGCC多联产领域及调度控制技术领域，公开了一种基于IGCC联产CO制备乙醇的生产系统，此生产系统包括乙醇生产单元、合成气生产单元和发电单元，其中，乙醇生产单元，其包括CO分离模块、与所述CO分离模块输出端相连的氢气生产线路和乙酸甲酯生产线路、与氢气生产线路和乙酸甲酯生产线路输出端相连的乙醇生产线路，以及连接于氢气生产线路、乙酸甲酯生产线路和乙醇生产线路的余量回收线路；本发明通过将发电与乙醇的耦合生产，规避了因发电量受限带来的IGCC机组资产闲置，有利于IGCC资产利用率的提升。

Description

一种基于IGCC联产CO制备乙醇的生产系统

技术领域

本发明涉及IGCC多联产技术领域，尤其涉及一种基于IGCC联产CO制备乙醇的生产系统。

背景技术

随着“双碳”的提出，煤炭清洁低碳利用至关重要。在煤炭清洁高效利用途径中，整体煤气化联合循环（IGCC）技术是重要发展方向。

IGCC是把煤气化和燃气蒸汽联合循环系统有机集成的一种洁净煤发电技术，是煤炭清洁利用发展的重要方向，其优异的环保性能和便于二氧化碳捕集的能力决定该技术有着极大的发展潜力。目前世界范围内运行的IGCC机组可靠性有着极大的提高，2018年华能天津IGCC机组连续运行3993小时，打破同类机组的连续运行记录。现阶段，阻碍IGCC机组发展的主要问题为机组经济性问题。

中国发展燃料乙醇产业的初衷是为了消化陈化粮，目前燃料乙醇原料主要为玉米、木薯、红薯、木质纤维素等含糖物质，能够替代部分石油，节约石油资源。用煤基制乙醇，能够充分利用我国煤炭资源禀赋。

IGCC不同于常规煤机发电，其过程中生产的合成气能够通过化工工艺转变为乙醇等化工产品。

在IGCC系统中，煤经过气化变成中低热值煤气，经净化处理后，通过除掉煤气所含有的硫化物、粉尘等杂质，变成干净的气体燃料，送入燃气轮机中，在燃烧室里进行燃烧，煤气燃烧后驱动燃气透平做功发电，利用高温排气在余热锅炉中产生的蒸汽驱动汽轮机做功发电。

原有技术中，整体煤气化联合循环通过如附图1流程完成整个发电过程，设备流程链长，终端动力岛装置受电网调度。同时，现有煤机在网负荷率不高，备用时间长，电网调度受新能源接入影响波动大。《国家能源局2023年全国电力可靠性年度报告》中指出，100-1000MW煤机发电机组平均利用小时（满负荷发电小时）约4704.91小时，运行小时7107.83小时，负荷率为66.19%，同时备用时间934.49h。为保障电网安全，燃煤电厂发电机组被闲置，燃煤发电机组资产被严重浪费。这种情况在高效环保的IGCC煤电机组中表现更为突出，由于发电岛每年运行时间较短，导致整个流程的资产被闲置，造成资产价值浪费。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述现有基于IGCC联产CO制备乙醇的生产系统存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明目的是提供一种基于IGCC联产CO制备乙醇的生产系统，充分发挥IGCC机组产能，在机组不发电时或不满负荷发电时联产乙醇。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于联产乙醇储能的生产系统，此生产系统包括乙醇生产单元、合成气生产单元和发电单元，其中，乙醇生产单元，其包括CO分离模块、与所述CO分离模块输出端相连的氢气生产线路和乙酸甲酯生产线路、与氢气生产线路和乙酸甲酯生产线路输出端相连的乙醇生产线路，以及连接于氢气生产线路、乙酸甲酯生产线路和乙醇生产线路的余量回收线路。

作为本发明所述基于IGCC联产CO制备乙醇的生产系统的一种优选方案，其中：所述氢气生产线路包括连接于所述CO分离模块输出端的变换反应模块和连接于所述变换反应模块输出端的氢气提纯模块；所述乙酸甲酯生产线路包括连接于所述CO分离模块输出端的羰基化反应模块和连接于所述羰基化反应模块输入端的脱水模块；所述乙醇生产线路包括连接于所述氢气提纯模块和羰基化反应模块输出端的加氢反应模块、与之输出端相连的乙醇储罐，以及连接于所述加氢反应模块和脱水模块之间的甲醇循环管线。

作为本发明所述基于IGCC联产CO制备乙醇的生产系统的一种优选方案，其中：从所述脱水模块的输入端投入甲醇和水。

作为本发明所述基于IGCC联产CO制备乙醇的生产系统的一种优选方案，其中：所述余量回收线路包括气体储罐、连接于所述CO分离模块和气体储罐之间的余气吸附管线、连接于所述脱水模块和气体储罐之间的驰放气管线，以及连接于所述加氢反应模块和气体储罐之间的氢气驰放气管线。

作为本发明所述基于IGCC联产CO制备乙醇的生产系统的一种优选方案，其中：还包括合成气生产单元，其包括依次连接的空分装置、气化装置、除尘装置、脱硫装置；发电单元，其包括连接于所述脱硫装置输出端的燃机装置，接收所述燃机装置输出尾气的余热锅炉装置，以及连接于所述余热锅炉装置输出端的蒸汽轮机。

作为本发明所述基于IGCC联产CO制备乙醇的生产系统的一种优选方案，其中：所述脱硫装置的输出端连接有硫回收装置，从所述空分装置的输入端通入空气，从所述气化装置的输入端投入煤粉。

作为本发明所述基于IGCC联产CO制备乙醇的生产系统的一种优选方案，其中：所述燃机装置和蒸汽轮机带动发电机组输出电能；所述CO分离模块的输入端连接于所述脱硫装置的输出管线上。

作为本发明所述基于IGCC联产CO制备乙醇的生产系统的一种优选方案，其中：所述余量回收线路中还包括连接所述乙醇储罐和燃机装置之间的乙醇排出管线。

作为本发明所述基于IGCC联产CO制备乙醇的生产系统的一种优选方案，其中：S1：向空分装置中通入空气，将煤粉投入气化装置，经除尘装置和脱硫装置后，产生合成气；

S2：将产生的合成气以预设比例输出给发电单元和乙醇生产单元；

S3：合成气进入燃机装置燃烧，带动发电机组发电，而燃机装置燃烧后的尾气排放至余热锅炉装置，余热锅炉装置回收产生的蒸汽通过蒸汽轮机带动发电机组发电；

S4：合成气进入CO分离模块，并分成两路分别进行氢气生产和乙酸甲酯生产，二者产物反应得到乙醇，并最终收集到乙醇储罐内；

S5：根据电网调度数据，调节预设比例，以匹配调节发电单元的发电量。

作为本发明所述基于IGCC联产CO制备乙醇的生产系统的一种优选方案，其中：所述根据电网调度数据，调节预设比例，以匹配调节发电单元的发电量过程中，

当电网调度需提升发电单元的发电量时，通过减少分配至乙醇生产单元的合成气量，减少乙醇生产；

当需降低发电单元的发电量时，通过降低进入发电单元的合成气量，提升分配至乙醇生产单元的合成气量，增加乙醇的生产。

本发明的有益效果：

1、IGCC耦合生产乙醇，在机组发电量一定的前提下（受电网控制），充分发挥空分、气化装置的资产价值，生产的乙醇为高附加值产品，能够提高IGCC电站经济性，解决IGCC经济性差的问题；

2、通过深度耦合，乙醇产生的驰放气等储存至驰放气储罐中，能够进一步提高IGCC变负荷能力和速率；

3、储存的乙醇可以作为储能装置，同时可作为燃机的备用燃料，一旦动力岛上游设备出现故障，通过切换乙醇燃料的方式继续发电，可降低机组非停概率，每降低一次非停，减少费用约30万元；

4、多出的乙醇产能，能够有效减缓国内燃料乙醇的需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为现有技术中煤气化联合生产系统线路图。

图2为本发明基于IGCC联产CO制备乙醇的生产系统的乙醇生产单元结构示意图。

图3为本发明基于IGCC联产CO制备乙醇的生产系统的合成气生产单元和发电单元连接线路示意图。

图4为本发明基于IGCC联产CO制备乙醇的生产系统的整体流程线路示意图。

图5为本发明基于IGCC联产CO制备乙醇的生产系统的负荷数据示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

再其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。

实施例1

参照图1~4，为本发明第一个实施例，提供了一种基于IGCC联产CO制备乙醇的生产系统，此生产系统包括乙醇生产单元100、合成气生产单元200和发电单元300，其中，合成气生产单元200用于产生便于燃气轮机及乙醇生产所需的合成气，发电单元300利用合成气做功发电，而乙醇生产单元100则利用合成气生产乙醇。

具体的，合成气生产单元200，其包括依次连接的空分装置201、气化装置202、除尘装置203、脱硫装置204；其中，脱硫装置204的输出端连接有硫回收装置205，从空分装置201的输入端通入空气，从气化装置202的输入端投入煤粉。

进一步的，空气通入空分装置201中以分离出氧气、氮气等，并通入气化装置202中，同时，将煤粉也通入气化装置202中，与氧气、氮气等混合，形成粗合成气，此粗合成气经除尘装置203后，去除所粉尘等杂质，后经脱硫装置204去除所含有的硫化物，形成相对纯净的合成气并输出，此合成气中主要成分为CO（一氧化碳）。需要说明的是，从脱硫装置204中去除的硫化物可经过硫回收装置生产硫磺等制品。

发电单元300，其包括连接于脱硫装置204输出端的燃机装置301，接收燃机装置301输出尾气的余热锅炉装置302，以及连接于余热锅炉装置302输出端的蒸汽轮机303。燃机装置301和蒸汽轮机303带动发电机组输出电能。

进一步的，输出的合成气一部分通入燃机装置301中，燃料燃烧驱动发电机组进行发电，而燃机装置301的尾气会排放给余热锅炉装置302，以对尾气中的余热进行回收，余热锅炉装置302产生的热蒸汽输送给蒸汽轮机303，再驱动发电机组进行发电；所发电力均通过电力设备并入外部的电网。输出的合成气另一部分通入乙醇生产单元100中，用于乙醇的生产。

具体的，乙醇生产单元100，其包括CO分离模块101、与CO分离模块101输出端相连的氢气生产线路102和乙酸甲酯生产线路103、与氢气生产线路102和乙酸甲酯生产线路103输出端相连的乙醇生产线路104，以及连接于氢气生产线路102、乙酸甲酯生产线路103和乙醇生产线路104的余量回收线路105。

其中，CO分离模块101用于将合成气中的CO分离；氢气生产线路102用于通过CO反应生成氢气，乙酸甲酯生产线路103用于利用甲醇和CO反应生成乙酸甲酯；而乙醇生产线路104则利用氢气和乙酸甲酯反应生成乙醇。余量回收线路105用于回收乙醇生产过程中未反应的原料及中间产物。

进一步的，氢气生产线路102中包括连接于CO分离模块101输出端的变换反应模块102a和连接于变换反应模块102a输出端的氢气提纯模块102b。

其中，变换反应模块102a中，用于CO与水反应生成CO₂和氢气，产生的氢气在氢气提纯模块102b中提纯。

而乙酸甲酯生产线路103中包括连接于CO分离模块101输出端的羰基化反应模块103a和连接于羰基化反应模块103a输入端的脱水模块103b；从脱水模块103b的输入端投入甲醇和水。

其中，脱水模块103b用于原料甲醇及水的投入，羰基化反应模块103a中，用于甲醇和CO发生羰基化反应，生成乙酸甲酯；其中，甲醇可来自外部购买，水可采用电厂中的用水。

乙醇生产线路104包括连接于氢气提纯模块102b和羰基化反应模块103a输出端的加氢反应模块104a、与之输出端相连的乙醇储罐104b，以及连接于加氢反应模块104a和脱水模块103b之间的甲醇循环管线104c。

其中，来自氢气提纯模块102b的氢气和来自羰基化反应模块103a的乙酸甲酯在加氢反应模块104a中发生反应，生成乙醇产物。乙醇储罐104b则用于存储所生产的乙醇。而反应中产生的甲醇等产物，通过甲醇循环管线104c输入脱水模块103b中，以循环再利用。

更进一步的，余量回收线路105中包括有气体储罐105a、连接于CO分离模块101和气体储罐105a之间的余气吸附管线105b、连接于脱水模块103b和气体储罐105a之间的CO驰放气管线105c，以及连接于加氢反应模块104a和气体储罐105a之间的氢气驰放气管线105d。

其中，气体储罐105a用于暂储乙醇生产过程中，产生的中间产物及多余的生产原料；余气吸附管线105b将CO分离模块101与气体储罐105a相连，

用于将CO合成气中除利用之外的CO余气进行导出，通过吸附管线中的增压压缩机泵入气体储罐105a内；而CO驰放气管线105c将脱水模块103b气体储罐105a相连，用于将脱水模块103b中存在的CO驰放气（CO含量在65%以上）通入气体储罐105a内；氢气驰放气管线105d将加氢反应模块104a和气体储罐105a相连，用于将加氢反应过程中的氢气驰放气（H₂含量在90%以上）通入气体储罐105a内。而气体储罐105a的输出端则通过管线连接在脱硫装置204输出端的合成气管线上，用于将气体储罐105a内的有关气体重新导入乙醇生产单元100，以继续生产利用，提高原料的利用率。

且余量回收线路105中还包括连接乙醇储罐104b和燃机装置301之间的乙醇排出管线105e；用于将存储的乙醇输入至燃机装置301中，用于燃机装置301的运行使用，以快速提高燃机装置301的动力输出。

实施例2

参照图1~4，为本发明第二个实施例，本实施例不同于实施例1的是，为上述实施例1的系统调控方法，此方法包括如下步骤：

S1：向空分装置201中通入空气，将煤粉投入气化装置202，经除尘装置203和脱硫装置204后，产生合成气；

具体的，将完整的IGCC系统中各部分进行运行，用于煤的气化及净化，以形成煤的合成气；将煤粉与空分装置201产生的氧气混合在气化装置202中生成粗合成气（约60%左右的CO、25%左右的H₂、N₂、少量的CH₄、粉尘、H₂S），经过除尘装置203脱出粉尘产生初级合成气（约60%的CO、25%左右的H₂、N₂、少量的CH₄、H₂S），再经过脱硫装置204脱出硫分产生最终合成气（约60%的CO、25%左右的H₂、N₂、少量的CH₄）；且脱硫装置204脱出的硫分经硫回收装置205生成硫磺。

S2：将产生的合成气以预设比例输出给发电单元300和乙醇生产单元100；

S3：合成气进入燃机装置301燃烧，带动发电机组发电，而燃机装置301燃烧后的尾气排放至余热锅炉装置302，余热锅炉装置302回收产生的蒸汽通过蒸汽轮机303带动发电机组发电；

S4：合成气进入CO分离模块101，并分成两路分别进行氢气生产和乙酸甲酯生产，二者产物反应得到乙醇，并最终收集到乙醇储罐104b内；

S5：根据电网调度数据，调节预设比例，以匹配调节发电单元300的发电量。

此预设比例，由外部电网调度数据决定，分配不同比例的合成气至发电单元300和乙醇生产单元100，以实现不同大小的输出量。而系统满负荷运行所产生合成气的量是一定的，则发电量和乙醇生产量的关系一定呈反比。

当电网调度需提升发电单元300的发电量时，通过减少分配至乙醇生产单元100的合成气量，或者通过将乙醇储罐104b内的乙醇同步输送至燃机装置301燃烧，以短期快速提升发电机组的发电量；或当合成气产量不足以满足发电单元300的发电需求时，可由乙醇储罐104b中的乙醇作为备用燃料。

当需降低发电单元300的发电量时，通过降低进入发电单元300的合成气量，提升分配至乙醇生产单元100的合成气量，以用于乙醇生产，避免了合成气生产单元200的闲置或产品浪费。

各生产系统中，各单元、模块及装置的容量及调节范围是确定的，假设合成气生产单元200中脱硫装置204输出的合成气量为Y，发电单元300按100%容量匹配合成气量。电网调度IGCC机组的平均负荷率为X，那么乙醇生产单元的最大负荷按接收合成气量Y₁=Y*（1-X）计算。

由此，基于IGCC联产乙醇系统能够联产乙醇，提高IGCC资产利用率。

实施例3

参照图1~5，为本发明的第三个实施例，根据上述实施例1和实施例2的系统及方法，以下为实例进行说明：

因目前电网对IGCC机组调度负荷约80%，为争取资产最大化利用，选择以20%合成气量为原料配置制乙醇装置。装置年批复利用小时6000小时，若按80%负荷率计算，年运行7500小时（按可用率90%测算，IGCC可用小时为7880小时，满足运行时间）。按满负荷运行，空分、气化、动力岛（发电单元300）整个IGCC发电流程闲置时间为1500小时。若按80%负荷率，其余20%合成气建设制乙醇装置，乙醇装置按满负荷运行，合成气制乙醇装置收益与发电收益相当，此时浪费的为发电岛20%的容量。此时动力岛20%容量作为调峰容量，可类比20%发电容量的储能设施，相当于“0”成本建设20%发电容量的储能设施。

而此生产系统在变负荷调节过程时：

IGCC机组按空分、气化、净化、脱硫装置满负荷生产，通过调节脱硫装置204输出合成气的分配比例，进一步控制发电单元300和乙醇生产单元100的调节幅度。

电力调度受电网实时调度，实时控制，由于有乙醇储罐104b，可以通过储罐平抑负荷的波动。因此，系统以“电定乙醇”方式生产，发电装置变负荷范围为50%-100%，乙醇装置的变负荷范围为40%-110%，乙醇装置可以停产，以满足发电装置的调节范围。

以如下关系式：V_{合成气发电用}=V_合成气总-V_{合成气乙醇用}，合成气总量一定，发电用合成气与乙醇用合成气成反比例关系，以电定乙醇方式生产，乙醇装置变负荷能力，决定发电装置变负荷能力。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于IGCC联产CO制备乙醇的生产系统，其特征在于：包括，

乙醇生产单元（100），其包括CO分离模块（101）、与所述CO分离模块（101）输出端相连的氢气生产线路（102）和乙酸甲酯生产线路（103）、与氢气生产线路（102）和乙酸甲酯生产线路（103）输出端相连的乙醇生产线路（104），以及连接于氢气生产线路（102）、乙酸甲酯生产线路（103）和乙醇生产线路（104）的余量回收线路（105）。

2.根据权利要求1所述的基于IGCC联产CO制备乙醇的生产系统，其特征在于：所述氢气生产线路（102）包括连接于所述CO分离模块（101）输出端的变换反应模块（102a）和连接于所述变换反应模块（102a）输出端的氢气提纯模块（102b）；

所述乙酸甲酯生产线路（103）包括连接于所述CO分离模块（101）输出端的羰基化反应模块（103a）和连接于所述羰基化反应模块（103a）输入端的脱水模块（103b）；

所述乙醇生产线路（104）包括连接于所述氢气提纯模块（102b）和羰基化反应模块（103a）输出端的加氢反应模块（104a）、与之输出端相连的乙醇储罐（104b），以及连接于所述加氢反应模块（104a）和脱水模块（103b）之间的甲醇循环管线（104c）。

3.根据权利要求2所述的基于IGCC联产CO制备乙醇的生产系统，其特征在于：从所述脱水模块（103b）的输入端投入甲醇。

4.根据权利要求3所述的基于IGCC联产CO制备乙醇的生产系统，其特征在于：所述余量回收线路（105）包括气体储罐（105a）、连接于所述CO分离模块（101）和气体储罐（105a）之间的余气吸附管线（105b）、连接于所述脱水模块（103b）和气体储罐（105a）之间的CO驰放气管线（105c），以及连接于所述加氢反应模块（104a）和气体储罐（105a）之间的氢气驰放气管线（105d）。

5.根据权利要求4所述的基于IGCC联产CO制备乙醇的生产系统，其特征在于：还包括合成气生产单元（200），其包括依次连接的空分装置（201）、气化装置（202）、除尘装置（203）、脱硫装置（204）；

发电单元（300），其包括连接于所述脱硫装置（204）输出端的燃机装置（301），接收所述燃机装置（301）输出尾气的余热锅炉装置（302），以及连接于所述余热锅炉装置（302）输出端的蒸汽轮机（303）。

6.根据权利要求5所述的基于IGCC联产CO制备乙醇的生产系统，其特征在于：所述脱硫装置（204）的输出端连接有硫回收装置（205），从所述空分装置（201）的输入端通入空气，从所述气化装置（202）的输入端投入煤粉。

7.根据权利要求6所述的基于IGCC联产CO制备乙醇的生产系统，其特征在于：所述燃机装置（301）和蒸汽轮机（303）带动发电机组输出电能；

所述CO分离模块（101）的输入端连接于所述脱硫装置（204）的输出管线上。

8.根据权利要求7所述的基于IGCC联产CO制备乙醇的生产系统，其特征在于：所述余量回收线路（105）中还包括连接所述乙醇储罐（104b）和燃机装置（301）之间的乙醇排出管线（105e）。

9.根据权利要求8所述的基于IGCC联产CO制备乙醇的生产系统，其特征在于：

向空分装置（201）中通入空气，将煤粉投入气化装置（202），经除尘装置（203）和脱硫装置（204）后，产生合成气；

将产生的合成气以预设比例输出给发电单元（300）和乙醇生产单元（100）；

合成气进入燃机装置（301）燃烧，带动发电机组发电，而燃机装置（301）燃烧后的尾气排放至余热锅炉装置（302），余热锅炉装置（302）回收产生的蒸汽通过蒸汽轮机（303）带动发电机组发电；

合成气进入CO分离模块（101），并分成两路分别进行氢气生产和乙酸甲酯生产，二者产物反应得到乙醇，并最终收集到乙醇储罐（104b）内；

根据电网调度数据，调节预设比例，以匹配调节发电单元（300）的发电量。

10.根据权利要求9所述的基于IGCC联产CO制备乙醇的生产系统，其特征在于：所述根据电网调度数据，调节预设比例，以匹配调节发电单元（300）的发电量过程中，

当电网调度需提升发电单元（300）的发电量时，通过减少分配至乙醇生产单元（100）的合成气量，减少乙醇生产；

当需降低发电单元（300）的发电量时，通过降低进入发电单元（300）的合成气量，提升分配至乙醇生产单元（100）的合成气量，增加乙醇的生产。