CN101440019A - 大规模非并网风电直接应用于生产甲醇的方法 - Google Patents

Abstract

本发明的大规模非并网风电直接应用于生产甲醇的方法。主要是使用大规模非并网风电作为电解设备的工作电源，将水电解成的氧气作为气化剂，将水电解成的氢气用于调节脱硫后的水煤气中的碳氢比，将获得的最佳碳氢比的水煤气再制成甲醇。具有以下的优点：1.大幅度提高甲醇的产率，其中单位煤量的甲醇产量增加一倍；2.大大降低甲醇生产工艺的设备投资和操作费用，节能降耗；3.大幅度减排二氧化碳，比传统的方法生产甲醇可减少92％以上的二氧化碳排放量；4.生产每吨甲醇的耗水量减少近40％；5.将瞬时变化性的风能进行累计转化成为一种稳定性的补充能源或重要的化工原料，充分利用了可再生风能资源，对环境和生态的干扰小。是一种两全齐美的生产甲醇的好方法。

Description

大规模非并网风电直接应用于生产甲醇的方法

技术领域

本发明涉及一种甲醇的生产方法，特别是一种使用大规模非并网风电作电解设备的电源将水电解成的氢气和氧气作为重要的生产原料生产甲醇的方法，属于化工原料的生产领域。

背景技术

能源与环境是当今世界各国关注的两大主题。据美国能源信息管理局(Energy Information Administration)在其发布的《2007年度国际能源展望》(International Energy Outlook 2007)分析，世界能源消耗在今后的20年中仍将持续增长，预计到2030年，世界年能源消耗将由2004年的447×10¹⁵Btu(British thermal unit)增加到702×10¹⁵Btu，增长达57％。而国际能源署(International Energy Agency)的《2007年度世界能源展望》(World Energy Outlook 2007)则指出，中国和印度已经成为世界上能源消费增长最快的区域。

目前中国已是仅次于美国的第二大石油消费国。2006年，我国石油表观消费量(原油表观消费量与成品油净进口量之和)达34655万吨，同比增长9.3％。而原油产量为18368万吨，同比增长仅1.7％；石油净进口16287万吨，同比增长达19.6％。不断增加的石油进口导致我国石油进口依存度年年增高，2006年达47％，远超30％的国际警戒线，中东和非洲是我国原油进口的主要地区。我国石油剩余探明储量呈下降趋势，产量和消费量则逐年上升，消费量的增长大大超出国内产量的供给，石油供求缺口日益扩大，石油安全日益严峻。

我国是一个贫油、贫气，而煤炭资源和风能资源相对较多的国家。而且在我国，煤炭资源相对丰富的省份，都有着得天独厚的风能资源。截至2004年底，我国石油剩余可采储量23亿吨，位居世界第13位，但仅占世界总量的1.4％，石油储采比13.4，远低于世界平均水平的40.5。天然气剩余可采储量2.23万亿m³，列世界第16位，占世界天然气剩余可采储量总量的1.2％。天然气储采比54.7，低于世界平均值。而煤炭剩余可采储量为1145亿吨，仅次于美国和俄罗斯，位居世界第三，占世界总量的12.6％。2004年中国煤炭产量9.89亿吨，是世界头号产煤大国，占世界总产量的36.2％。如何根据我国的地域特色，因地制宜的利用好相对较多的煤炭资源和风能资源，是我国能源利用中必须解决好的关键问题之一

随着研究的不断深入，对于煤炭资源的有效利用方式主要有两种途径：一是利用水煤气生产甲醇，从而开创以甲醇为源头的碳一化学；另外一种是以煤为原料，通过水煤气制备、甲烷重整、石脑油异构化等技术生产柴油、汽油、液化石油气的技术。但是无论采用何种途径利用煤炭资源，均存在生产过程中要消耗大量的能量，而这些能量的绝大部分还是来源于煤炭资源(约75％)。这种以煤炭为原料和动力来源的生产方式，对于煤的利用效率较低，而且带来大量温室气体CO₂的排放和大量水资源消耗，严重影响自然环境。

甲醇生产工艺

甲醇，分子式CH₃OH，为无色、略带乙醇香气的挥发性液体。甲醇是极其重要的有机化工原料，是碳一化学的基础产品，在国民经济中占有重要的地位。另外，甲醇也与能源关系密切：一方面，随着近代研究的发展，甲醇已经可以作为运输燃料直接应用；另一方面，甲醇生产需要以煤为原料，同时生产过程中还需要煤等化石能源提供能量，因此甲醇既是一种能源供给品同时也是一种能源消耗较大的化工产品。对于甲醇工业，急需解决的是生产过程中的节能降耗以及与新能源的有机综合利用，提高能源的利用效率。

甲醇的生产方法已经趋于成熟。目前工业上几乎都是采用一氧化碳、二氧化碳加压催化氢化法合成甲醇。典型的流程包括原料气的制造、原料气的净化、甲醇合成和粗甲醇的精制等工序，如图1所示。其中原料气的制造以及原料气的净化是甲醇生产工艺中极其重要的一部分，也是甲醇生产工艺中耗能最高的部分，约占甲醇工艺总耗能的45％。

原料气制造工艺中，制造甲醇原料气的固体燃料主要是煤和焦碳。用蒸汽和氧气对煤、焦碳进行热加工即可制得可燃性的气体即煤气。生产中需要的氧气主要由空分装置提供，而空分装置的运行需要消耗电能，若电能是通过火力发电的形式来实现，则每生产一吨甲醇，仅运行空分装置就要消耗约11吨煤和118吨水，同时副产28吨的二氧化碳。

而在原料气的净化工艺中，除脱除工艺中所产生的会使催化剂中毒的硫外，主要的目的是调节碳氢比。根据化学反应计量式(1)和式(2)可知，氢与一氧化碳合成甲醇的化学当量比为2，与二氧化

碳反应的化学当量比为3，当一氧化碳和二氧化碳都存在时，对原料气中的氢碳比的要求如下：

$f=\frac{H_2-{\mathrm{CO}}_2}{\mathrm{CO}+{\mathrm{CO}}_2}=2.10-2.15---\left(3\right)$

或 $M=\frac{H_2}{\mathrm{CO}+1.5{\mathrm{CO}}_2}=2.0-2.05---\left(4\right)$

不同的原料所采用不同的工艺所制得的原料气的组成往往偏离f值或M值。以煤为原料所制得的粗原料气中氢碳比太低。因此必须调节原料气中的氢碳比例。

典型的调节氢碳比的工艺为一氧化碳变换反应：使一氧化碳和水蒸汽反应变换为氢气和二氧化碳，进而进行二氧化碳的脱除工艺。这种调节氢碳比的方法存在着以下的缺点：

(一)对于一氧化碳和水蒸气的变换反应需要在5.5MPa、320～550℃下才能发生，因此需要消耗大量的能量，同时高压操作，会大大增加工艺的固定资产投资和操作运行风险；

(二)一氧化碳和水蒸气的变换反应中，副产大量的CO₂，同时需要消耗大量的水；

(三)对于二氧化碳的脱碳工艺主要有化学吸收法和物理吸收法，但是无论采取何种方法，都需要在高达5.0MPa(表压)下操作，设备成本投资巨大。同时，脱碳吸收工艺还需配套吸收剂的再生系统，操作成本高。

因此，对于原料气的制造和原料气的净化系统，若有一种“绿色”的能源能够提供原料气制造过程所需要的氧气以及能够直接提供氢气来调节氢碳比，这将大大促进甲醇工艺的优化和节能降耗。

风能作为一种绿色的能源，已经越来越收到研究学者的青睐。风电并网是目前世界上大规模风电场的唯一应用方式。风能的利用主要按照“风轮—发电机—电网—用户(负载)”这个路线来进行(图2a)，其中电网是风电的负载和用户的电源，电网的存在保证了风电的利用。但是由于风电的不稳定性和波动特性，大规模风电上网还存在着现阶段难以克服的技术障碍，风电对电网贡献率难以超过10％已成为一个世界性难题。同时风电上网对风力机提出了满足电网稳频、稳压和稳相位的要求，由此大幅度增加了风力机制造成本和风电价格，使风电大规模应用受到限制。

针对风电并网存在的缺点，本研究者提出了“非并网风电”理论，简言之，就是风电系统的终端负荷不再是传统的单一电网，而是直接应用于一系列能适应风电特性的高耗能产业及其它特殊领域，主要适用于10万-1000万kW以上大规模风电场。其主要特点是：将风电直接应用于用户(负载)(见图2b)。

风电的这种非并网运行方式的优势体现在：

(一)采用直流电，回避风电上网电压差、相位差、频率差难以控制的问题，绕开电网这一限制风电大规模应用的瓶颈，也避免了风电并网对电网系统的影响。

(二)突破终端负荷使用风电的局限，使大规模风电在非并网风电系统中的供电比重达到100％。

(三)提高风能利用效率，简化风力机结构和风电并网运行时所需大量辅助设备，风电经简单配置就可以直接应用于某些特定产业，大幅度降低风电场的制造成本和风电价格。

基于上述的背景，我们提出了一种非并网风电直接应用于煤化工的生产工艺。此工艺是将大规模、随机性变化的风能转化为脉动直流电，并直接利用该电能电解水生产氢气和氧气。用获得的氢气和氧气作为甲醇生产工艺中的原料。利用该工艺将风能有效利用的同时，还可以优化传统煤化工工艺，实现生产工艺的节能降耗、绿色环保。

发明内容

本发明的目的是既为绿色环保的大规模随机性变化的风电找到合适的负载，又为生产甲醇提供一种能大幅度提高产率、降低煤耗、减少二氧化碳排放的大规模非并网风电直接应用于生产甲醇的方法。

本发明的大规模非并网风电直接应用于生产甲醇的方法，主要是使用大规模非并网风电作为电解设备的工作电源，将水电解成的氧气作为气化剂，将水电解成的氢气用于调节脱硫后的水煤气中的碳氢比，将获得的最佳碳氢比的水煤气再制成甲醇。该方法主要由以下步骤组成：

(1)将大规模非并网风电作为电解设备的工作电源，用电解设备将水电解成的氧气和氢气分别进入氧气储罐和氢气储罐储存，并在氧气储罐出口连接氧气压缩机，根据生产需要，调节氧气的出口压力；在氢气储罐的出口处连接氢气压缩机、换热器和流量调节阀，根据生产需要调节氢气出口的温度、压力和流量；

(2)将常规方法制成的碳水混合物流进入煤气化炉，以上述步骤(1)中的氧气储罐的氧气为气化剂，调节适量的氧气进入煤气化炉，与碳水混合物流结合即可生产出富含CO、CO₂和H₂的水煤气物流，该水煤气物流经压缩机压缩、换热器换热后，再进入脱硫装置处理成脱硫的水煤气物流，通过在线检测装置检测该水煤气物流中碳氢的比例，根据目标碳氢比，控制调节上述步骤(1)中的氢气的流量，与脱硫的水煤气物流混合后，形成一股最佳碳氢比的水煤气物流；

(3)将步骤(2)中所产生的最佳碳氢比的水煤气物流进入甲醇合成塔中合成后得粗甲醇，再将粗甲醇经冷凝、精馏等常规工艺处理后即可获得甲醇产品。

为了获得足够的氧气和氢气，所述电解设备选用DQ375/1.6型加压水电解制氢装置或ZDQ375/1.6水电解制氢装置或产量更大的电解装置，为了获得足够的电量，所述大规模非并网风电的风力发电机组选用多台等于或大于1.5兆瓦的大功率风力发电机组相并联而直接供电。

本发明提供的利用非并网风电生产甲醇工艺，并不同于传统的利用变化法调节氢碳比的工艺，同时也不同于单纯的利用传统并网电能电解水生产甲醇的工艺。因为利用并网电能生产甲醇，其本质还是利用煤等化石能源来转化，而且其中存在煤转化为电能的损失以及大量排放二氧化碳的环境污染问题。

采用本专利提供的方法生产甲醇具有以下的优点：

(一)大幅度提高甲醇的产率，其中单位煤量的甲醇产量增加一倍；

(二)大大降低甲醇生产工艺的设备投资和操作费用，节能降耗；

(三)大幅度减排二氧化碳，使绿色煤化工成为可能。传统的利用变化法生产甲醇会产生大量的CO₂，而利用本发明提供的方法可以减少92％以上的二氧化碳排放量。

(四)生产每吨甲醇的耗水量减少近40％。

(五)将瞬时变化性的风能进行累计最终转化成为一种稳定性的能源，充分利用了可再生风能资源，且对环境和生态的干扰小。

附图说明

图1是原料气的制造及净化工艺流程图；

图2(a)为常规风电系统结构示意图；

图2(b)为非并网风电系统结构示意图；

图3为大规模非并网风电直接应用于甲醇生产工艺流程示意图。

具体实施方式

参见图3，图中的1为碳物流；2为水物流；3为氧气物流；4为煤气化炉；5为压缩机；6为换热器；7为脱硫装置；8为风能；9为风力发电机组；10为电解设备；11为氧气储罐；12氧气压缩机；13为氢气储罐；14为氢气压缩机；15为换热器；16为流量调节阀；17为在线检测装置；18为最佳碳氢比的水煤气物流；19为甲醇合成塔；20为粗甲醇。

结合图3的工艺流程图，通过以下实施例解释本发明。

将风能通过100台1500KW的风力发电机组转化为随机性变化的脉动直流电，该风力发电机可选购自金风科技股份有限公司生产的型号为金风70/1500的简化型(省却全功率逆变器)，直接输出直流电，其技术参数如表1所示。也可选用等于或大于1.5兆瓦的其它型号的大功率风力发电机组。

表1 金风70/1500风力发电机技术参数

 

额定功率	1500KW
		切入风速	3m/s
稳定风速	12m/s
		切出风速	25m/s(10分钟均值)
抗最大风速	60m/s(3秒均值)
		叶轮直径	70m
风机高度	65/85m
		发电机重量	44T

利用大功率风力发电机组获得的脉动直流电能作为电解水槽的工作电源，该电解水槽设备按风电输出总功率进行匹配，可购自苏州竞力制氢设备有限公司的型号为DQ375/1.6型加压水电解制氢装置，其主要技术参数指标如表2所示。也可选用ZDQ375/1.6等型号的产量大的水电解装置。

表2 DQ375/1.6制氢设备技术参数

 

产氢量(m3/h)	产氧量(m3/h)	操作压力MPa	氢气纯度％	氢气纯度％	直流电耗KW./m3/h	控制方式
							375	187.5	1.6	≥99.8	≥99.3	≤4.5	微机控制

本发明的主要工艺流程如图3所示，其方法包括以下3个步骤：(1)将大规模非并网风电8和9作为电解设备10的工作电源，用电解设备10将水电解成的氧气和氢气分别进入氧气储罐11和氢气储罐13储存，并在氧气储罐11出口连接氧气压缩机12，根据生产需要，调节氧气的出口压力；在氢气储罐13的出口处氢气物流连接氢气压缩机14、换热器15、流量调节阀16，根据生产需要调节氢气出口的温度、压力和流量，如：调节氢气出口的温度为230～420℃、压力为5～30MPa。(2)将常规方法制成的碳物流1和水物流2进入煤气化炉4，以上述步骤(1)中的氧气储罐11的氧气为气化剂，调节适量的氧气物流3进入煤气化炉4，与碳水混合物流结合即可生产出富含CO、CO₂和H₂的水煤气物流，该水煤气物流经压缩机5压缩、换热器6换热后，再进入脱硫装置7处理成脱硫的水煤气物流，通过在线检测装置17检测该水煤气物流中碳氢的比例，根据目标碳氢比，控制调节上述步骤(1)中的氢气的流量，该适量的氢气物流与脱硫的水煤气物流混合后，形成一股最佳碳氢比的水煤气物流18。(3)将步骤(2)中所产生的最佳碳氢比的水煤气物流18进入甲醇合成塔19中合成后得粗甲醇20，再将粗甲醇20经冷凝、精馏等常规工艺处理后即可获得甲醇产品。

所述电解设备选用DQ375/1.6型加压水电解制氢装置或ZDQ375/1.6水电解制氢装置或产量更大的电解装置，所述大规模非并网风电的风力发电机组选用多台等于或大于1.5兆瓦的大功率风力发电机组相并联而直接供电。

本发明是一种既为绿色环保的随机性变化的大规模非并网风电找到合适的负载，又为生产甲醇提供一种能大幅度提高产率、降低煤耗、减少二氧化碳排放两全齐美的生产甲醇的好方法。

Claims (2)

1.大规模非并网风电直接应用于生产甲醇的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)将大规模非并网风电作为电解设备的工作电源，用电解设备将水电解成的氧气和氢气分别进入氧气储罐和氢气储罐储存，并在氧气储罐出口连接氧气压缩机，根据生产需要，调节氧气的出口压力；在氢气储罐的出口处连接氢气压缩机、换热器和流量调节阀，根据生产需要调节氢气出口的温度、压力和流量；

(2)将常规方法制成的碳水混合物流进入煤气化炉，以上述步骤(1)中的氧气储罐的氧气为气化剂，调节适量的氧气进入煤气化炉，与碳水混合物流结合即可生产出富含CO、CO₂和H₂的水煤气物流，该水煤气物流经压缩机压缩、换热器换热后，再进入脱硫装置处理成脱硫的水煤气物流，通过在线检测装置检测该水煤气物流中碳氢的比例，根据目标碳氢比，控制调节上述步骤(1)中的氢气的流量，与脱硫的水煤气物流混合后，形成一股最佳碳氢比的水煤气物流；

(3)将步骤(2)中所产生的最佳碳氢比的水煤气物流进入甲醇合成塔中合成后得粗甲醇，再将粗甲醇经冷凝、精馏等常规工艺处理后即可获得甲醇产品。

2、如权利要求1所述的大规模非并网风电直接应用于生产甲醇的方法，其特征在于所述电解设备选用DQ375/1.6型加压水电解制氢装置或ZDQ375/1.6水电解制氢装置，所述大规模非并网风电的风力发电机组选用等于或大于1.5兆瓦的大功率风力发电机组。

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