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
【專利摘要】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(guò)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(lái)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(guò)甲烷化反應(yīng)制成天然氣；本發(fā)明優(yōu)化升級(jí)新型煤制天然氣工藝，通過(guò)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(shí)現(xiàn)煤制天然氣工藝的節(jié)能環(huán)保和高效益。
【專利說(shuō)明】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】
[0001] 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)】
[0002] 我國(guó)經(jīng)濟(jì)近年來(lái)一直保持著穩(wěn)定快速的增長(zhǎng)勢(shì)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(shí)，對(duì)傳統(tǒng)能源的需求和使用也大幅提 高。目前，我國(guó)已經(jīng)是全球第二大石油消費(fèi)國(guó)，對(duì)于石油進(jìn)口的依賴程度也是逐年增加。我 國(guó)也是煤炭生產(chǎn)與消費(fèi)的主要貢獻(xiàn)者，總量均接近全球的1/2,這也是造成國(guó)內(nèi)環(huán)境問(wèn)題， 特別是霧霾天氣頻出的主要原因之一。我國(guó)已經(jīng)逐步開(kāi)始調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，近年來(lái)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(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的比重，希望可以緩解我 國(guó)能源需求增長(zhǎng)過(guò)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(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到約9174萬(wàn)千瓦，光電裝機(jī)也 已經(jīng)達(dá)到1479萬(wàn)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(guò)剩 的問(wèn)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(wèn)題。國(guó)家能源局的一項(xiàng)統(tǒng)計(jì)顯 示，2013年，我國(guó)風(fēng)電平均棄風(fēng)率為10%，而從重點(diǎn)區(qū)域來(lái)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(gè)急需解決的重要課題。
[0003] 我國(guó)煤化工產(chǎn)業(yè)大，品種多，生產(chǎn)規(guī)模較大，煤氣化過(guò)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(lái)源、目前國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的碳一化工產(chǎn)品市場(chǎng)已進(jìn)入飽和期且傳統(tǒng)煤化工帶來(lái) 的環(huán)境污染問(wèn)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(duì)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(guó)能源儲(chǔ)備"多煤、少氣、少油"的現(xiàn)狀以及緩解傳統(tǒng)煤化工對(duì)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(guò)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(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)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(wèn)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。
[0004] 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(guò)空分裝置提供，但是空分裝置的設(shè)備投資和運(yùn)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(guò)程中污染物排放，尤其是二氧化碳的大量產(chǎn)生會(huì)引發(fā) 各種環(huán)境問(wèn)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(lái)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(lái)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(lái)調(diào)節(jié)氫碳比存在 著明顯的缺點(diǎn)：（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°C?600°C高溫高壓條件下才能很好的進(jìn)行，能耗大且不易控制。對(duì)于現(xiàn)代新型 煤制氣工藝，煤氣化和變換反應(yīng)是兩個(gè)主要的工序，煤制油、煤制甲醇等工藝也存在著類似 的問(wèn)題。
[0005]

【權(quán)利要求】
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(guò)電解溶液調(diào)配裝置（6)連接水電解槽（4)，水電解槽（4)的 陽(yáng)極連接氧氣儲(chǔ)罐（7)，陰極連接氫氣儲(chǔ)罐（8)，氧氣儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(guò)電量收集和調(diào)配裝置（3)收集起來(lái)作為水電 解槽⑷的工作電源； 步驟2 :將工業(yè)有機(jī)廢水通過(guò)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(guò)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(yáng)極生成的氧氣和陰極生成的氫氣分別通入氧氣儲(chǔ)罐（7)和氫氣儲(chǔ)罐（8);在 氧氣儲(chǔ)罐（7)和氫氣儲(chǔ)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(chǔ)罐（7)出來(lái)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(guò)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(guò)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(lái)，此時(shí)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(lái)的二氧化碳通入到二氧化碳還原 裝置（10)中與氫氣儲(chǔ)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(cè)設(shè)備檢測(cè)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(chǔ)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(guò)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(wú)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(chǔ)罐（7)中流入煤氣化裝置 (9)中的氧氣需要通過(guò)氧氣壓縮機(jī)加壓到至少lOMPa以上，同時(shí)通過(guò)換熱器升溫到90°C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(chǔ)罐（8)中流入二氧化碳還 原裝置（10)中的氫氣需要通過(guò)換熱器換熱升溫到200°C?600°C之間，且氫氣的壓力不超 過(guò) 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(guò)壓縮機(jī)壓縮、換熱器冷卻是指將粗煤氣通過(guò)壓縮機(jī)壓縮到5MPa以上、換熱器冷卻 至-30°C?-70°C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°C?600°C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°C以上。
【文檔編號(hào)】C10L3/08GK104371780SQ201410610544
【公開(kāi)日】2015年2月25日 申請(qǐng)日期:2014年11月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月3日
【發(fā)明者】閆巍, 肖天存, 王曉龍, 郜時(shí)旺, 許世森 申請(qǐng)人:中國(guó)華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院有限公司