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(fēng)、光棄電和工業(yè)有機(jī)廢水用于煤制天然氣的系統(tǒng)及方法，用大規(guī)模棄風(fēng)電或者是棄光電作為水電解設(shè)備的工作電源，將工業(yè)有機(jī)廢水中的有機(jī)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(chǎn)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(chǎn)生的大量二氧化碳以及調(diào)節(jié)混合器中精煤氣的氫碳比，通過甲烷化反應(yīng)制成天然氣;本發(fā)明優(yōu)化升級新型煤制天然氣工藝，通過新舊能源產(chǎn)業(yè)的結(jié)合互補(bǔ)，提高煤化工的產(chǎn)率，降低二氧化碳的排放和生產(chǎn)工藝中的能耗，實現(xiàn)煤制天然氣工藝的節(jié)能環(huán)保和高效益。
權(quán)利要求書
1.風(fēng)、光棄電和工業(yè)有機(jī)廢水用于煤制天然氣的系統(tǒng)，其特征在于：包 括收集棄風(fēng)電(1)和棄光電(2)的電量收集和調(diào)配裝置(3)，和電量收集和 調(diào)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(diào) 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(yīng)裝置(14)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)、光棄電和工業(yè)有機(jī)廢水用于煤制天然氣的系 統(tǒng)，其特征在于：所述水電解槽(4)和電解溶液調(diào)配裝置(6)間設(shè)置有降解 后的電解液回收裝置。
3.權(quán)利要求1所述系統(tǒng)將風(fēng)、光棄電和工業(yè)有機(jī)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(fēng)電(1)和棄光電(2)通過電量收集和調(diào)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(yè)有機(jī)廢水通過廢水收集純化裝置(5)進(jìn)行廢水預(yù)處理后， 通入電解溶液調(diào)配裝置(6)中，加入氫氧化鉀，配比成氫氧化鉀質(zhì)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(diào)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(jī)、換熱器和流量調(diào)節(jié)閥;根據(jù)煤氣化工序的要求調(diào)解氧氣出口的溫度、壓力 和流量，根據(jù)二氧化碳還原反應(yīng)的要求調(diào)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(nèi)與煤接觸反應(yīng)生成了富含一氧化碳、 氫氣和二氧化碳的粗煤氣;煤的性質(zhì)決定了煤氣化裝置(9)的種類，決定了煤 與氣化劑結(jié)合反應(yīng)的方式以及粗煤氣中各種組分氣體的質(zhì)量百分比;
步驟5：將生成的粗煤氣通過壓縮機(jī)壓縮、換熱器冷卻后，通入低溫甲醇洗 裝置(11)進(jìn)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(jīng)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(fā)生二氧化碳還原反應(yīng)得到 目標(biāo)產(chǎn)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(shè)備檢測混合精煤氣氫碳比，根據(jù)合成天然氣所需要 的最優(yōu)氫碳比，控制調(diào)節(jié)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(yīng)裝置(14) 合成目標(biāo)產(chǎn)物天然氣。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于：在多風(fēng)季節(jié)采用“棄風(fēng)電” 供電為主，棄光電作為補(bǔ)充;在弱風(fēng)或無風(fēng)季節(jié)采用“棄光電”為主，棄風(fēng)電 作為補(bǔ)充。
5.根據(jù)權(quán)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(jī)加壓到至少10MPa以上，同 時通過換熱器升溫到90℃以上。
6.根據(jù)權(quán)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(jù)權(quán)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(jī)壓縮、換熱器冷卻是指將粗煤氣通過壓縮機(jī)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(jìn)行脫二氧化 碳和脫硫處理。
8.根據(jù)權(quán)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(jìn)行升溫減壓是指將參與反 應(yīng)的二氧化碳在進(jìn)入二氧化碳還原裝置(10)之前必須加熱到200℃～600℃ 以上，且壓強(qiáng)低于5MPa。
9.根據(jù)權(quán)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(yù)熱到250℃以上。
說明書
風(fēng)、光棄電和工業(yè)有機(jī)廢水用于煤制天然氣的系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)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(fēng)、光棄電 和工業(yè)有機(jī)廢水用于煤制天然氣的系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)
我國經(jīng)濟(jì)近年來一直保持著穩(wěn)定快速的增長勢頭，工業(yè)、農(nóng)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè) 服務(wù)業(yè)和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，人民生活水平不斷提高;同時，對傳統(tǒng)能源 的需求和使用也大幅提高。目前，我國已經(jīng)是全球第二大石油消費國，對于石 油進(jìn)口的依賴程度也是逐年增加。我國也是煤炭生產(chǎn)與消費的主要貢獻(xiàn)者，總 量均接近全球的1/2，這也是造成國內(nèi)環(huán)境問題，特別是霧霾天氣頻出的主要原 因之一。我國已經(jīng)逐步開始調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，近年來積極推進(jìn)可再生能源的發(fā)展， 努力提高可再生能源在我國能源消費結(jié)構(gòu)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(tài)環(huán)境。在近十年里，風(fēng)能發(fā)電和光伏發(fā)電在新能 源領(lǐng)域中發(fā)展迅速。截至2013年底，我國風(fēng)電裝機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到約9174萬千 瓦，光電裝機(jī)也已經(jīng)達(dá)到1479萬千瓦，均居世界第一位。但是，也出現(xiàn)了風(fēng)能、 光能等新能源建設(shè)產(chǎn)能過剩的問題，導(dǎo)致發(fā)電難以送出，出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的棄 風(fēng)、棄光問題。國家能源局的一項統(tǒng)計顯示，2013年，我國風(fēng)電平均棄風(fēng)率為 10%，而從重點區(qū)域來看，棄風(fēng)率在25%以上，如內(nèi)蒙古和東北的不少地方， 棄風(fēng)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(fēng)棄光是一個急需解決的重要課題。
我國煤化工產(chǎn)業(yè)大，品種多，生產(chǎn)規(guī)模較大，煤氣化過程需要的氧氣和后 續(xù)的調(diào)節(jié)碳?xì)浔鹊男枰臍錃饬亢艽螅瑢?dǎo)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(nèi)傳統(tǒng)的碳一化工產(chǎn)品市 場已進(jìn)入飽和期且傳統(tǒng)煤化工帶來的環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，很多地方環(huán)境容 量飽和，后續(xù)發(fā)展乏力，這種情況需要急切改變�，F(xiàn)代新型煤化工是一種相 對清潔、綠色和環(huán)保的新興產(chǎn)業(yè)，它是以石油替代為目標(biāo)，希望可以改變我國 能源儲備“多煤、少氣、少油”的現(xiàn)狀以及緩解傳統(tǒng)煤化工對環(huán)境造成的污染。雖 然現(xiàn)代新型煤化工總體上有利于提高煤的利用效率，但在生產(chǎn)過程中，相比于 傳統(tǒng)煤化工，現(xiàn)代煤化工的環(huán)境污染更多的是從一個技術(shù)環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)移到另一個技 術(shù)環(huán)節(jié)，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(jīng)成了制約現(xiàn)代煤化工進(jìn)一步發(fā)展的重 要屏障。發(fā)展綠色環(huán)保且高效的煤化工工藝，已經(jīng)成了目前的當(dāng)務(wù)之急。
現(xiàn)代新型煤制天然氣是現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)中重要的組成部分，典型的現(xiàn)代煤 制氣工藝流程包括煤氣化、變換反應(yīng)(耐硫?qū)挏刈儞Q)、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(yīng)物是煤、蒸汽和氧 氣。煤氣化反應(yīng)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(shè)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(chǎn)生會引發(fā)各種環(huán)境問題，回 收利用二氧化碳意義重大。變換反應(yīng)(耐硫?qū)挏刈儞Q)是用來調(diào)節(jié)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(jù)化學(xué)反應(yīng)方程 式(1)可知，氫氣與一氧化碳合成甲烷的化學(xué)當(dāng)量比為3。因此，在煤氣化工 序后必須要引入變換反應(yīng)來增加氫氣的物質(zhì)的量，達(dá)到調(diào)節(jié)氫碳比的目的。然 而，用這種方式來調(diào)節(jié)氫碳比存在著明顯的缺點：(1)根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式(2)， 變換反應(yīng)(耐硫?qū)挏刈儞Q)必然要消耗大量的水，并且產(chǎn)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(zhuǎn)化率，影響了最終的甲烷產(chǎn)率;(3)變換反應(yīng)需要在至少5MPa的壓強(qiáng) 和300℃～600℃高溫高壓條件下才能很好的進(jìn)行，能耗大且不易控制。對于 現(xiàn)代新型煤制氣工藝，煤氣化和變換反應(yīng)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(fā)一種綠色的技術(shù)給現(xiàn)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(yīng)裝置。水電解制氫氧技術(shù)已經(jīng) 是工業(yè)上非常成熟的技術(shù)，能夠提供氧氣和氫氣，但是由于其能耗過高，因此 在工業(yè)界始終沒有大規(guī)模的應(yīng)用。
發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種風(fēng)、光棄 電和工業(yè)有機(jī)廢水用于煤制天然氣的系統(tǒng)及方法，優(yōu)化升級新型煤制天然氣工 藝，通過新舊能源產(chǎn)業(yè)的結(jié)合互補(bǔ)，提高煤化工的產(chǎn)率，降低二氧化碳的排放 和生產(chǎn)工藝中的能耗，實現(xiàn)煤制天然氣工藝的節(jié)能環(huán)保和高效益。
為達(dá)到以上目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
風(fēng)、光棄電和工業(yè)有機(jī)廢水用于煤制天然氣的系統(tǒng)，包括收集棄風(fēng)電1和 棄光電2的電量收集和調(diào)配裝置3，和電量收集和調(diào)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(diào)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(yīng)裝置14。
所述水電解槽4和電解溶液調(diào)配裝置6間設(shè)置有降解后的電解液回收裝置。
上述所述系統(tǒng)將風(fēng)、光棄電和工業(yè)有機(jī)廢水用于煤制天然氣的方法，包括 如下步驟：
步驟1：將棄風(fēng)電1和棄光電2通過電量收集和調(diào)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(yè)有機(jī)廢水通過廢水收集純化裝置5進(jìn)行廢水預(yù)處理后，通入 電解溶液調(diào)配裝置6中，加入氫氧化鉀，配比成氫氧化鉀質(zhì)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(diào)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(jī)、換熱器和流量調(diào)節(jié) 閥;根據(jù)煤氣化工序的要求調(diào)解氧氣出口的溫度、壓力和流量，根據(jù)二氧化碳 還原反應(yīng)的要求調(diào)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(nèi)與煤接觸反應(yīng)生成了富含一氧化碳、氫氣和二氧 化碳的粗煤氣;煤的性質(zhì)決定了煤氣化裝置9的種類，決定了煤與氣化劑結(jié)合 反應(yīng)的方式以及粗煤氣中各種組分氣體的質(zhì)量百分比;
步驟5：將生成的粗煤氣通過壓縮機(jī)壓縮、換熱器冷卻后，通入低溫甲醇洗 裝置11進(jìn)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(jīng) 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(fā)生二氧化碳還原反應(yīng)得到目標(biāo)產(chǎn)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(shè)備檢測混合精煤氣氫碳比，根據(jù)合成天然氣所需要 的最優(yōu)氫碳比，控制調(diào)節(jié)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(yīng)裝置14合成 目標(biāo)產(chǎn)物天然氣。
在多風(fēng)季節(jié)采用“棄風(fēng)電”供電為主，棄光電作為補(bǔ)充;在弱風(fēng)或無風(fēng)季 節(jié)采用“棄光電”為主，棄風(fēng)電作為補(bǔ)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(jī)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(jī)壓縮、換熱器冷卻是指將粗煤氣 通過壓縮機(jī)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(jìn)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(jìn)行升溫減壓是指將參與反應(yīng)的二氧化碳在進(jìn)入二氧化碳還原裝置10之前必須 加熱到200℃～600℃以上，且壓強(qiáng)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(yù) 熱到250℃以上。
本發(fā)明提出的方法實質(zhì)上將棄風(fēng)、棄光和工業(yè)有機(jī)廢水利用在現(xiàn)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(yōu)點：
1)利用棄風(fēng)、棄光電解氧化工業(yè)有機(jī)廢水中的有機(jī)物，相對于其他處理有 機(jī)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(fēng)、光棄電協(xié)同供電，既提高了風(fēng)能和光能的利用率，又保證了作為水 電解工作電源的穩(wěn)定性和可靠性。同時這種利用風(fēng)、光棄電的模式將有效拓寬 風(fēng)能和光伏發(fā)電等新能源的應(yīng)用領(lǐng)域，為大力發(fā)展新能源發(fā)電提供了新的可能 性。
3)因為回收還原煤氣化工序產(chǎn)生的二氧化碳且不需要通過一氧化碳水蒸氣 變換反應(yīng)來調(diào)節(jié)氫碳比，所以理論上由煤氣化產(chǎn)生的一氧化碳和二氧化碳都可 以參與最終的甲烷化反應(yīng)。因此，根據(jù)反應(yīng)方程式和實際反應(yīng)效率來計算，天 然氣的產(chǎn)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(yīng)需要的氧氣，這 樣就節(jié)省了空分裝置的設(shè)備投資和運行成本，降低了生產(chǎn)能耗。
5)因為不需要發(fā)生變換反應(yīng)，避免使用需要提供高溫高壓環(huán)境的變換反應(yīng) 裝置。
