申請日2014.11.03
公開(公告)日2015.02.25
IPC分類號C10L3/08; C10J3/84; C10J3/72; C10J3/00
摘要
風、光棄電和工業有機廢水用于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，并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，通過甲烷化反應制成天然氣;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。
權利要求書
1.風、光棄電和工業有機廢水用于煤制天然氣的系統，其特征在于：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于煤制天然氣的系 統，其特征在于：所述水電解槽(4)和電解溶液調配裝置(6)間設置有降解 后的電解液回收裝置。
3.權利要求1所述系統將風、光棄電和工業有機廢水用于煤制天然氣的方 法，其特征在于：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(4)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)進行廢水預處理后， 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%的堿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)施加不高于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、換熱器冷卻后，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里被吸收的二氧化碳解析并收集起來，此時的 氣體為精煤氣;
步驟7：然后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，并將一氧化碳通入氣體混合器(13)與脫硫后的精煤氣混 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)中混合后，通入合成塔后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，其特征在于：在多風季節采用“棄風電” 供電為主，棄光電作為補充;在弱風或無風季節采用“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，其特征在于：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10MPa以上，同 時通過換熱器升溫到90℃以上。
6.根據權利要求3所述的方法，其特征在于：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℃～600℃ 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，其特征在于：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℃～-70℃之間后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，其特征在于：步驟6所述的在二氧化碳解 析收集裝置(12)中將粗煤氣里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℃～600℃ 以上，且壓強低于5MPa。
9.根據權利要求3所述的方法，其特征在于：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)中混合后預熱到250℃以上。
說明書
風、光棄電和工業有機廢水用于煤制天然氣的系統及方法
技術領域
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 和工業有機廢水用于煤制天然氣的系統及方法。
背景技術
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，對于石 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。在近十年里，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。
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后 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污染排放的主要來源、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污染問題日益嚴重，很多地方環境容 量飽和，后續發展乏力，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污染。雖 然現代新型煤化工總體上有利于提高煤的利用效率，但在生產過程中，相比于 傳統煤化工，現代煤化工的環境污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并未得到根本解決。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。
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，制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 氣化過程中污染物排放，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。通常情況下煤氣化制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 序后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，并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℃～600℃高溫高壓條件下才能很好的進行，能耗大且不易控制。對于 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。
開發一種綠色的技術給現代新型煤制天然氣工藝提供必需的氧氣和氫氣，將完 全有可能避免使用高能耗的空分裝置和變換反應裝置。水電解制氫氧技術已經 是工業上非常成熟的技術，能夠提供氧氣和氫氣，但是由于其能耗過高，因此 在工業界始終沒有大規模的應用。
發明內容
為了克服上述現有技術存在的問題，本發明的目的在于提供一種風、光棄 電和工業有機廢水用于煤制天然氣的系統及方法，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。
為達到以上目的，本發明采用如下技術方案：
風、光棄電和工業有機廢水用于煤制天然氣的系統，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。
所述水電解槽4和電解溶液調配裝置6間設置有降解后的電解液回收裝置。
上述所述系統將風、光棄電和工業有機廢水用于煤制天然氣的方法，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4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進行廢水預處理后，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% 的堿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施加不高于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、換熱器冷卻后，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里被吸收的二氧化碳解析并收集起來，此時的氣體 為精煤氣;
步驟7：然后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，并將一氧化碳通入氣體混合器13與脫硫后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中混合后，通入合成塔后通過甲烷化反應裝置14合成 目標產物天然氣。
在多風季節采用“棄風電”供電為主，棄光電作為補充;在弱風或無風季 節采用“棄光電”為主，棄風電作為補充。
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10MPa以上，同時通過換熱器升溫到90℃以上。
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℃～600℃之間，且氫氣的壓力不超過5MPa。
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℃～-70℃之間后通入低溫 甲醇洗裝置11進行脫二氧化碳和脫硫處理。
步驟6所述的在二氧化碳解析收集裝置12中將粗煤氣里被吸收的二氧化碳 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℃～600℃以上，且壓強低于5MPa。
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中混合后預 熱到250℃以上。
本發明提出的方法實質上將棄風、棄光和工業有機廢水利用在現代煤制氣 工藝上，事實上這個方法也適用于煤制乙二醇、煤制甲醇、煤制油等多個煤化 工工藝。采用這種方法具有以下突出的優點：
1)利用棄風、棄光電解氧化工業有機廢水中的有機物，相對于其他處理有 機廢水的方法，這種方式易操作可控，廢水處理的速度較快而且還能為煤化工 提供必要的原料氣體(氫氣和氧氣)。
2)風、光棄電協同供電，既提高了風能和光能的利用率，又保證了作為水 電解工作電源的穩定性和可靠性。同時這種利用風、光棄電的模式將有效拓寬 風能和光伏發電等新能源的應用領域，為大力發展新能源發電提供了新的可能 性。
3)因為回收還原煤氣化工序產生的二氧化碳且不需要通過一氧化碳水蒸氣 變換反應來調節氫碳比，所以理論上由煤氣化產生的一氧化碳和二氧化碳都可 以參與最終的甲烷化反應。因此，根據反應方程式和實際反應效率來計算，天 然氣的產率將提高一倍以上，二氧化碳的排放將降低至少90%。
4)因為不需要空分或者有效減少空分裝置供給煤氣化反應需要的氧氣，這 樣就節省了空分裝置的設備投資和運行成本，降低了生產能耗。
5)因為不需要發生變換反應，避免使用需要提供高溫高壓環境的變換反應 裝置。
