風、光棄電和工業有機廢水用於煤制天然氣的系統及方法
2023-05-07 16:18:06
風、光棄電和工業有機廢水用於煤制天然氣的系統及方法
【專利摘要】風、光棄電和工業有機廢水用於煤制天然氣的系統及方法，用大規模棄風電或者是棄光電作為水電解設備的工作電源，將工業有機廢水中的有機物通過電解的方式降解或分解，並在電極兩端分別得到大量的副產物氧氣和氫氣。其中，氧氣作為煤氣化工藝中的原料氣，氫氣直接用來還原煤氣化中產生的大量二氧化碳以及調節混合器中精煤氣的氫碳比，通過甲烷化反應製成天然氣；本發明優化升級新型煤制天然氣工藝，通過新舊能源產業的結合互補，提高煤化工的產率，降低二氧化碳的排放和生產工藝中的能耗，實現煤制天然氣工藝的節能環保和高效益。
【專利說明】風、光棄電和工業有機廢水用於煤制天然氣的系統及方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種可再生能源收集和利用的方法，具體涉及一種風、光棄電和工業 有機廢水用於煤制天然氣的系統及方法。
【背景技術】
[0002] 我國經濟近年來一直保持著穩定快速的增長勢頭，工業、農業、第三產業服務業和 高新技術產業發展迅速，人民生活水平不斷提高；同時，對傳統能源的需求和使用也大幅提 高。目前，我國已經是全球第二大石油消費國，對於石油進口的依賴程度也是逐年增加。我 國也是煤炭生產與消費的主要貢獻者，總量均接近全球的1/2,這也是造成國內環境問題， 特別是霧霾天氣頻出的主要原因之一。我國已經逐步開始調整能源結構，近年來積極推進 可再生能源的發展，努力提高可再生能源在我國能源消費結構中的比重，希望可以緩解我 國能源需求增長過快的壓力和改善生態環境。在近十年裡，風能發電和光伏發電在新能源 領域中發展迅速。截至2013年底，我國風電裝機容量已經達到約9174萬千瓦，光電裝機也 已經達到1479萬千瓦，均居世界第一位。但是，也出現了風能、光能等新能源建設產能過剩 的問題，導致發電難以送出，出現了較為嚴重的棄風、棄光問題。國家能源局的一項統計顯 示，2013年，我國風電平均棄風率為10%，而從重點區域來看，棄風率在25%以上，如內蒙 古和東北的不少地方，棄風率在35%-40%。因此，如何充分有效利用我們的新能源，特別 是如何消納那些棄風棄光是一個急需解決的重要課題。
[0003] 我國煤化工產業大，品種多，生產規模較大，煤氣化過程需要的氧氣和後續的調節 碳氫比的需要的氫氣量很大，導致排放的二氧化碳量大。而且煤化工的空分和自備電廠是 汙染排放的主要來源、目前國內傳統的碳一化工產品市場已進入飽和期且傳統煤化工帶來 的環境汙染問題日益嚴重，很多地方環境容量飽和，後續發展乏力，這種情況需要急切改 變。現代新型煤化工是一種相對清潔、綠色和環保的新興產業，它是以石油替代為目標，希 望可以改變我國能源儲備"多煤、少氣、少油"的現狀以及緩解傳統煤化工對環境造成的汙 染。雖然現代新型煤化工總體上有利於提高煤的利用效率，但在生產過程中，相比於傳統煤 化工，現代煤化工的環境汙染更多的是從一個技術環節轉移到另一個技術環節，二氧化碳 等溫室氣體、廢渣和廢水的排放問題並未得到根本解決。廢水的有效處理和溫室氣體的大 量排放已經成了制約現代煤化工進一步發展的重要屏障。發展綠色環保且高效的煤化工工 藝，已經成了目前的當務之急。
[0004] 現代新型煤制天然氣是現代煤化工產業中重要的組成部分，典型的現代煤制氣工 藝流程包括煤氣化、變換反應（耐硫寬溫變換）、低溫甲醇洗、甲烷化等工序，如圖1所示。 煤氣化工藝中，製造粗煤氣的主要反應物是煤、蒸汽和氧氣。煤氣化反應中需要的氧氣主要 是通過空分裝置提供，但是空分裝置的設備投資和運行成本都很大，這大大增加了煤制天 然氣工藝的成本。除此之外，煤氣化過程中汙染物排放，尤其是二氧化碳的大量產生會引發 各種環境問題，回收利用二氧化碳意義重大。變換反應（耐硫寬溫變換）是用來調節粗煤 氣中的氫碳比的。通常情況下煤氣化製得的粗煤氣中氫碳比太低，根據化學反應方程式（1) 可知，氫氣與一氧化碳合成甲烷的化學當量比為3。因此，在煤氣化工序後必須要引入變換 反應來增加氫氣的物質的量，達到調節氫碳比的目的。然而，用這種方式來調節氫碳比存在 著明顯的缺點：（1)根據化學反應方程式（2)，變換反應（耐硫寬溫變換）必然要消耗大量 的水，並且產生大量的溫室氣體二氧化碳；（2)為了生成更多的氫氣，需要消耗更多的一氧 化碳，這降低了碳的有效轉化率，影響了最終的甲烷產率；（3)變換反應需要在至少5MPa的 壓強和300°C?600°C高溫高壓條件下才能很好的進行，能耗大且不易控制。對於現代新型 煤制氣工藝，煤氣化和變換反應是兩個主要的工序，煤制油、煤制甲醇等工藝也存在著類似 的問題。
[0005]
【權利要求】
1. 風、光棄電和工業有機廢水用於煤制天然氣的系統，其特徵在於：包括收集棄風電 (1)和棄光電（2)的電量收集和調配裝置（3)，和電量收集和調配裝置（3)連接的水電解槽 (4)，廢水收集純化裝置（5)通過電解溶液調配裝置（6)連接水電解槽（4)，水電解槽（4)的 陽極連接氧氣儲罐（7)，陰極連接氫氣儲罐（8)，氧氣儲罐（7)的出口依次連接煤氣化裝置 (9)、低溫甲醇洗裝置（11)和氣體混合器（13)，氣體混合器（13)的入口和氫氣儲罐（8)的 出口連接，在低溫甲醇洗裝置（11)與氣體混合器（13)間依次連接有二氧化碳解析收集裝 置（12)和二氧化碳還原裝置（10)，二氧化碳還原裝置（10)的入口還與氫氣儲罐（8)的出 口連接，氣體混合器（13)的出口連接甲烷化反應裝置（14)。
2. 根據權利要求1所述的風、光棄電和工業有機廢水用於煤制天然氣的系統，其特徵 在於：所述水電解槽（4)和電解溶液調配裝置（6)間設置有降解後的電解液回收裝置。
3. 權利要求1所述系統將風、光棄電和工業有機廢水用於煤制天然氣的方法，其特徵 在於：包括如下步驟： 步驟1 :將棄風電（1)和棄光電（2)通過電量收集和調配裝置（3)收集起來作為水電 解槽⑷的工作電源； 步驟2 :將工業有機廢水通過廢水收集純化裝置（5)進行廢水預處理後，通入電解溶液 調配裝置（6)中，加入氫氧化鉀，配比成氫氧化鉀質量濃度為20%-30%的鹼性溶液作為通 入水電解槽（4)的電解水溶液； 步驟3 :通過電量收集和調配裝置（3)向水電解槽（4)施加不高於10V的直流電壓，水 電解槽（5)陽極生成的氧氣和陰極生成的氫氣分別通入氧氣儲罐（7)和氫氣儲罐（8);在 氧氣儲罐（7)和氫氣儲罐（8)出口處安裝有壓縮機、換熱器和流量調節閥；根據煤氣化工序 的要求調解氧氣出口的溫度、壓力和流量，根據二氧化碳還原反應的要求調解氫氣出口的 溫度、壓力和流量； 步驟4:將從氧氣儲罐（7)出來的氧氣和水蒸氣混合作為氣化劑通入煤氣化裝置（9)， 氣化劑在煤氣化裝置（9)內與煤接觸反應生成了富含一氧化碳、氫氣和二氧化碳的粗煤 氣；煤的性質決定了煤氣化裝置（9)的種類，決定了煤與氣化劑結合反應的方式以及粗煤 氣中各種組分氣體的質量百分比； 步驟5 :將生成的粗煤氣通過壓縮機壓縮、換熱器冷卻後，通入低溫甲醇洗裝置（11)進 行脫二氧化碳和脫硫處理； 步驟6 :將低溫甲醇洗裝置（11)中的吸收劑在二氧化碳解析收集裝置（12)中經過升 溫減壓的方式將粗煤氣裡被吸收的二氧化碳解析並收集起來，此時的氣體為精煤氣； 步驟7 :然後將二氧化碳解析收集裝置（12)收集起來的二氧化碳通入到二氧化碳還原 裝置（10)中與氫氣儲罐（8)中的氫氣發生二氧化碳還原反應得到目標產物一氧化碳，並將 一氧化碳通入氣體混合器（13)與脫硫後的精煤氣混合形成混合精煤氣； 步驟8:使用在線檢測設備檢測混合精煤氣氫碳比，根據合成天然氣所需要的最優氫 碳比，控制調節氫氣儲罐（8)中的氫氣流量，氫氣與步驟7形成的混合精煤氣在氣體混合器 (13)中混合後，通入合成塔後通過甲烷化反應裝置（14)合成目標產物天然氣。
4. 根據權利要求3所述的方法，其特徵在於：在多風季節採用"棄風電"供電為主，棄光 電作為補充；在弱風或無風季節採用"棄光電"為主，棄風電作為補充。
5. 根據權利要求3所述的方法，其特徵在於：從所述氧氣儲罐（7)中流入煤氣化裝置 (9)中的氧氣需要通過氧氣壓縮機加壓到至少lOMPa以上，同時通過換熱器升溫到90°C以 上。
6. 根據權利要求3所述的方法，其特徵在於：從所述氫氣儲罐（8)中流入二氧化碳還 原裝置（10)中的氫氣需要通過換熱器換熱升溫到200°C?600°C之間，且氫氣的壓力不超 過 5MPa。
7. 根據權利要求3所述的方法，其特徵在於：步驟5所述的將生成的粗煤氣通 過壓縮機壓縮、換熱器冷卻是指將粗煤氣通過壓縮機壓縮到5MPa以上、換熱器冷卻 至-30°C?-70°C之間後通入低溫甲醇洗裝置（11)進行脫二氧化碳和脫硫處理。
8. 根據權利要求3所述的方法，其特徵在於：步驟6所述的在二氧化碳解析收集裝置 (12)中將粗煤氣裡被吸收的二氧化碳進行升溫減壓是指將參與反應的二氧化碳在進入二 氧化碳還原裝置（10)之前必須加熱到200°C?600°C以上，且壓強低於5MPa。
9. 根據權利要求3所述的方法，其特徵在於：步驟8所述的氫氣與步驟7形成的混合 精煤氣在氣體混合器（13)中混合後預熱到250°C以上。
【文檔編號】C10L3/08GK104371780SQ201410610544
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年11月3日 優先權日:2014年11月3日
【發明者】閆巍, 肖天存, 王曉龍, 郜時旺, 許世森 申請人:中國華能集團清潔能源技術研究院有限公司