CN101760248A - 一种煤基能源化工产品多联产系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种煤基能源化工产品多联产系统及方法，通过把可再生能源和可再生资源引入煤基能源化工产品生产过程，将煤炭转变为清洁煤基能源化工产品和/或清洁电力，实现废水、废气及固体废弃物的综合利用和二氧化碳的近零排放。

Description

一种煤基能源化工产品多联产系统及方法

技术领域

本发明属于能源与化工技术领域，具体涉及一种新型清洁高效零排放煤基能源化工产品多联产系统及方法。

背景技术

世界一次能源消费中，煤炭是增长最快的化石燃料，并且以煤炭为主的能源结构对世界上许多国家来说在相当长的时期内都难以根本改变，然而煤也是含碳量最高的化石燃料，在燃烧和转化过程中，不可避免地产生大量温室气体。温室气体排放对全球气候变化的影响已经为世界所关注，解决温室气体排放的问题已刻不容缓，因此如何清洁高效地开采和开发利用煤炭资源是世界面临的一个重大挑战。

煤炭地上气化(coal gasification)为目前成熟的煤气化技术，采用高温气流床煤气化技术具有反应快、产量高的特点，但是煤气化反应需要耗费大量昂贵的氧气，氧化反应生成的粗合成气中不但含有大量的CO₂需要脱除，而且一氧化碳与氢气比例需要调整，以满足后续甲醇合成或甲烷合成等反应的需求。传统的方法是通过水煤气变换反应来调节一氧化碳与氢气比例，但产生一定量氢气的同时会产生等量的CO₂；其次，气化炉中反应生成的粗合成气温度很高，利用这部分能量的废锅换热器造价昂贵，因此大部分工艺采用激冷，造成了巨大的能量损失；第三，以煤制天然气为例，甲烷化反应是强放热反应，合成气温度被激冷降低之后，甲烷化过程中温度又被提升。这使得整个工艺过程中温度先升又降再升，影响了效率。

煤炭地上催化气化(catalytic coal gasification)直接制甲烷技术不但能实现气化炉中煤气化、水煤气变换和甲烷化反应的合三为一，而且与传统的煤制天然气工艺相比具有成本低、工艺简单的优势。然而，催化气化直接甲烷化技术还处于中试阶段，更重要的是，催化气化反应产生的CH₄和CO₂的理论比例为1∶1，因此该气化技术并不能解决CO₂排放的问题。

煤炭地下气化(underground coal gasification)是将处于地下的煤炭进行有控制地燃烧，通过对煤的热作用及化学作用产生粗合成气，集建井、采煤、地面气化三大工艺为一体的煤炭开发技术。该技术变传统的物理采煤为化学采煤，省去了煤炭开采、运输、洗选、气化等传统工艺的设备及运行与维护费用，但是，产生的粗煤气中同样含有大量的二氧化碳，煤炭资源的利用效率也受到限制。

总之，在上述三种气化技术中，如何更有效地开发利用煤资源的同时，减少对环境的负面影响以及降低CO₂的排放，依然是煤基能源化工领域一个亟待解决的问题。

煤基能源多联产系统是有效开发和利用煤炭资源的重要途径，它可以根据煤炭的特性，将各种生产技术有机结合，达到能源利用效率最高、能耗最低、污染最小的目的，同时能节约部分投资及运行与维护费用，实现煤炭资源的高效清洁开发和利用。然而，目前世界各国相继发展的煤基能源多联产技术都没有系统考虑CO₂减排和资源化利用问题，因此，如何控制和减少煤在转化和燃烧过程中产生的CO₂，并将其资源化利用，成为新型煤化工技术发展的首要问题。鉴于CO₂化学性质稳定，欧美国家近年来在研究煤基多联产系统中的CO₂排放问题时提出了CO₂捕集及封存的解决方法，然而此方法也依然处于实验阶段，而且从长远来看此方法在本质上也依然没有解决CO₂的问题。要真正解决CO₂的减排问题，就必须要突破现有的化石能源的局限，把可再生能源和可再生资源引入煤基能源化工产品的生产过程，实现多能源、多资源的融合，将CO₂直接或者间接转化为清洁能源化工产品，从而实现生产过程CO₂的近零排放。

为解决上述问题，本发明提出了一种基于“多能量与多资源融合”的清洁高效煤基化工产品多联产系统及方法，该系统耦合煤气化、煤基多联产、复合能源制氢氧和藻类生物固碳等多个技术模块，有效实现煤基能源化工产品的清洁生产和CO₂的近零排放。

发明内容

本发明涉及一种新型清洁高效零排放煤基能源化工产品多联产系统及方法，包括以煤气化技术为基础的煤基多联产工艺，以及实现甲烷、甲醇、二甲醚、乙二醇、低碳醇、氢气、氧气、生物柴油、和/或乙醇等能源化工产品和/或电力的清洁生产的系统及方法。本发明还涉及结合上述系统和方法间接或者直接实现二氧化碳资源化的方法以及该方法中涉及的所需氢气的生产方法。

本发明的目的是为了高效解决煤基能源化工产品的清洁生产而提出一种新型煤基能源化工产品多联产系统及方法，形成生态循环式的生产模式，实现煤炭资源的高效开发与利用和CO₂的近零排放。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案为：一种新型清洁高效零排放煤基能源化工产品多联产系统及方法，该系统集煤气化、合成气净化、煤基多联产、藻类生物固碳、复合能源制氢氧、余热回收、二氧化碳资源化、和/或发电等多种技术于一体，通过把可再生能源和可再生资源引入煤基多联产生产过程中，把煤炭转变为甲烷、甲醇、二甲醚、乙二醇、低碳醇、氢气、氧气、生物柴油、和/或乙醇等清洁能源化工产品和清洁电力，实现废水、废气及固体废弃物的综合利用和二氧化碳的近零排放。

上述技术方案中，所述的一种煤基能源化工产品多联产系统及方法，其特征在于通过将可再生能源和可再生资源引入到煤基能源化工产品多联产系统的生产过程中实现二氧化碳近零排放。

上述技术方案中，所述的煤基能源化工产品多联产系统及方法，其特征在于以煤气化和能源化工产品多联产为主流程，将可再生能源和资源开发引入煤基多联产生产过程中，耦合煤气化、煤基多联产、藻类生物固碳、太阳能光伏发电、风能发电和复合能源制氢氧等多种技术于一体。

上述技术方案中，所述的煤气化技术和煤基能源化工产品多联产技术组成的主流程为，以煤气化为龙头，煤气化得到的粗合成气通过合成气净化工段脱硫和脱碳，得到富含H₂、CO和CH₄的精合成气。精合成气通过配入适量的H₂来调节氢碳比以合成甲烷、甲醇、乙二醇、低碳醇和/或二甲醚或者它们的任意组合。也可将其中部分精合成气配入适量的氢气反应合成甲醇、乙二醇、低碳醇和/或二甲醚，另一部分精合成气与上述甲醇、乙二醇、低碳醇和/或二甲醚合成产生的弛放气混合，再配入适量的氢气合成甲烷。例如，可以将其中部分精合成气配入适量的氢气反应合成甲醇，另一部分精合成气与甲醇合成产生的弛放气混合，再加入适量的氢气合成甲烷。甲醇也可以通过进一步脱水反应成二甲醚。

上述技术方案中，所述的煤的气化，可以采用地上煤气化，也可以采用地下煤气化，或者地上煤气化和地下煤气化相结合。

上述技术方案中，所述的地上煤气化工艺，可以为煤的直接气化(气化炉)，也可以为煤的催化气化，或煤的直接气化与煤的催化气化相结合。

上述技术方案中，所述的煤的气化，还可以为煤的直接气化(气化炉)、煤的催化气化及地下煤气化三者的任意组合方式。

上述技术方案中，所述的地下煤气化工艺，其特征在于可以加压煤气化，通过在燃空区扩展的实时综合探测技术，实现地下气化区的动态监测，以获得煤炭地下气化燃烧实时数据，并通过燃烧模型和多变量控制技术自动调节过程参数，以实现煤炭可控高效燃烧。

上述技术方案中，所述的煤的催化气化工艺集煤气化、水煤气变换和甲烷化反应为一体。催化气化产生的粗合成气可以将其中CO和H₂分离出来返回气化炉以进一步转化为甲烷而甲烷可以直接出售；也可以将粗合成气直接净化后通过配氢利用甲烷化反应，将其中的CO和/或CO₂全部转化为甲烷，实现CO₂的零排放。

上述技术方案中，所述的新型煤基能源化工产品多联产系统中，配入的氢气可以直接加入精合成气中，用于甲烷、甲醇、乙二醇和/或低碳醇的各合成工段，也可以加入气化炉中以提高粗合成气中的有效成分。

上述技术方案中，所述的新型煤基能源化工多联产系统，其目标产品最好为清洁能源化工产品，例如甲烷和二甲醚是化石能源中最为清洁的能源产品，而甲醇则是重要的基本有机化工原料之一；所述的新型煤基能源化工多联产技术，其目标产品也可以是附加值高的其他化工产品，例如乙二醇或低碳醇；所述的新型煤基能源化工多联产技术，还可以是上述多种能源化工产品的任意组合。

上述技术方案中，所述的把可再生能源和可再生资源引入煤基多联产生产过程中，一方面通过将生物质能、太阳能、风能、水能、潮汐能等可再生能源引入煤基能源化工的生产过程中，利用配氢化学固碳技术将煤气化所产生的CO全部转化为能源化工产品从而避免和减少CO₂的产生；另一方面生产过程中所产生的CO₂(包括但不限于从粗合成气中分离出来的CO₂)作为原料提供给藻类养殖系统通过藻类生物固碳将其吸收同时产生大量氧气并联产生物柴油、甲烷、氢气或乙醇中的一种或多种。

上述技术方案中，所述的利用配氢化学固碳将煤气化所产生的CO全部转化为能源化工产品是指通过配氢将合成甲醇、甲烷、二甲醚、乙二醇和/或低碳醇所需的合成气中的氢气与CO(也可以包括CO₂，例如甲烷化反应中，CO和CO₂都可以和氢气反应生产甲烷)的比例调至高于发生合成反应所需的理论比例，然后通过控制适量的循环比，使合成气中的CO(也可以包括CO₂)全部转换成相应的能源化工产品。

上述技术方案中，生产所需要的电能优先采用太阳能、风能、水能、潮汐能、地热能等可再生能源发电、核电、低谷电能、煤基多联产模块中通过锅炉回收的余热带动蒸汽轮机发电、或者以煤基多联产模块中的弛放气作为燃气发电来提供，也可以采用普通电能，还可以采用上述电力的任意组合提供。

上述技术方案中，生产过程中所需要的氢气由复合能源制氢氧模块提供，利用一种或者多种制氢技术复合制备，包括但不限于水电解制氢氧技术、生物制氢技术、生物电化学制氢技术或光电催化制氢技术中的一种或多种组合提供。

上述技术方案中，所述的水电解制氢氧技术，是利用复合能源通过水电解系统电解产生可持续发展的大规模的清洁氢气和氧气；其复合能源可以采用风电、太阳能光伏发电或风光互补发电站，可以采用水能、潮汐能等任何可再生能源发电，可以采用核能发电，可以采用煤基多联产模块中通过锅炉回收的余热带动蒸汽轮机发电，或者以煤基多联产模块中的弛放气作为燃气发电，可以采用低谷电能，也可以采用普通电能，还可以采用上述任意组合的电能，例如风光互补发电系统和低谷电能的耦合；其中，所述的风光互补发电站包括但不限于发电系统、逆变配电并网系统和数据监控系统三部分。

上述技术方案中，所述的水电解制氢氧技术，其水电解系统优先采用环境友好、气体纯度高、电解效率高的固体聚合物电解质(SolidPolymer Electrolyte，SPE or Proton Exchange Membrane，PEM)电解槽水电解系统，也可以采用传统的碱性电解槽水电解系统，还可以采用固体氧化物电解质电解槽水电解系统。

上述技术方案中，所述的生物制氢技术，包括但不限于是以生物质为原料利用热物理化学原理和技术制取氢气和利用生物代谢过程将有机质或水转化为氢气。后者包括但不限于光合生物直接制氢和生物质发酵制氢。

上述技术方案中，所述的生物电化学制氢技术，是以整个生产系统中产生的有机废水溶液(包括但不限于产品分离后产生的有机废水)为原料，以亲阳极微生物作为阳极催化剂的电解制氢过程。在该过程中，有机物在微生物作用下生成电子和质子，电子通过外电路转移到阳极，而质子通过水溶液转移到阴极，在微弱外电压下，质子接受电子生成氢气。

上述技术方案中，所述的光电催化制氢技术，包括但不限于太阳能光电化学法制氢和太阳能半导体光催化反应制氢。

上述技术方案中，所述的藻类生物固碳技术，是利用藻类通过光合作用吸收煤基能源化工产品生产过程中产生的CO₂并将其转换成生物质同时产生O₂。生物质通过生物提炼技术制备生物柴油。藻类生物固碳模块的藻类残渣还可经过生物发酵产生乙醇、氢气或甲烷中的一种或多种，产生的氢气可以反馈回煤基多联产模块，藻类提取后的残渣可以送至气化炉，也可以直接把藻类生物固碳模块中产生的藻类和煤共混送至气化炉，实现煤与生物质的共气化。生成的氧气可以反馈回煤气化模块，也可以直接排放。

在上述的技术方案中，所述的生物发酵生产乙醇，是利用微生物降解藻类或者藻类提取油脂等过程剩余的残渣等富含纤维素、半纤维素、木质素等生物质，在降解的过程中产生乙醇。

上述技术方案中，所述的藻类是指任何能通过光合作用吸收CO₂的所有藻种，包括但不限于蓝藻、绿藻、甲藻、硅藻、衣藻、红藻、褐藻、金藻、黄藻、轮藻或裸藻等。

上述技术方案中，所述的新型煤基能源化工多联产生产工艺，其甲醇、甲烷、二甲醚、乙二醇和/或低碳醇等的合成反应中氢碳比的调节可以通过上述一种或多种制氢方法来配氢以达到反应所需的氢碳比，也可以通过部分配氢、部分利用水煤气变换反应来调节，还可以完全通过水煤气变化反应来调节。由气化炉激冷产生的原来用于水煤气变换反应的大量蒸汽，可以用于水煤气变换反应，也可以用于煤基多联产模块或者合成气净化工段以供生产所需，从而达到节能降耗的目的。

上述技术方案中，所述的新型煤基能源化工产品多联产生产工艺，其生产过程中所需要的氧气可以全部利用水电解制氢氧技术和/或藻类生物固碳模块产生的O₂提供，而多余的高纯氢气可以通过外售而获得额外的利润，也可以部分利用水电解制氢氧技术和/或藻类生物固碳模块产生的O₂提供、部分通过空分装置提供，还可以完全通过空分装置来提供。空分装置所产生氮气可以供生产需要，也可以出售或者排放。

上述技术方案中，所述的新型煤基能源化工产品多联产生产工艺，其生产过程中所产生的废水中的有机质可以通过生物电化学制氢技术脱除，并把产生的氢气反馈回煤基多联产模块。

由于上述方案的运用，本发明与现有技术相比有以下优点：

1.简化的工艺流程。该工艺通过一种或者多种制氢技术，尤其是复合能源水电解制氢氧技术，为整个生产过程提供可持续发展的氢气和氧气，而氢气的供给可以全部或部分节省水煤气变换工段的设备投资以及运行和维护费用，因此，气化工段产生的蒸汽则可以用于生产所需；氧气的供给则可以全部或者部分节省空分工段的设备投资以及运行和维护费用，因此可以间接减少为空分工段提供能量的锅炉工段大部分的设备投资以及运行和维护费用，从而大大简化了整个生产工艺流程，形成一条新型煤基能源化工产品多联产生产工艺。

2.二氧化碳的近零排放。一方面通过利用配氢化学固碳技术，将CO全部转化成能源化工产品，从而间接减少CO₂的排放，另一方面通过藻类生物固碳技术，直接全部或者部分吸收整个生产过程中产生的CO₂，从而实现CO₂的近零排放。

3.资源的最优化利用。该工艺不但可以把不具开采价值的褐煤等煤炭资源转化为甲烷、甲醇与二甲醚、乙二醇和/或低碳醇等附加值高的能源化工产品，而且通过将可再生能源和可再生资源引入煤基能源化工产品的生产过程中，通过多联产技术，不仅可以达到能源的高利用效率、低能耗、低投资和运行成本、以及最少的全生命周期污染物排放，而且可以根据需要灵活地调整产品比例，实现最佳经济效益和社会效益。

4.煤基能源生产过程的清洁化和高效化。煤炭地下气化采煤技术，将灰渣、矸石等有害物留在地下，粗合成气通过净化分离出H₂S并变成硫磺，实现煤基能源清洁生产；煤催化气化制甲烷实现了煤气化、水煤气变换和甲烷化反应的合三为一，与传统的煤制天然气工艺相比具有成本低、工艺简单的优势。

附图说明

图1是新型煤基能源化工产品多联产生产工艺流程总示意图

图2是煤炭地上直接气化-煤基能源化工产品多联产生产工艺流程示意图

图3是煤炭地下气化-煤基能源化工产品多联产生产工艺流程示意图

图4是煤炭地上催化气化-煤基能源化工产品多联产生产工艺流程示意图

图5是煤炭地下气化与煤炭地上催化气化-煤基能源化工产品多联产生产工艺流程示意图

图6是煤炭地上直接气化与煤炭地下气化-煤基能源化工产品多联产生产工艺流程示意图

图7是煤炭地下气化与煤炭地上催化气化-煤基能源化工产品多联产生产工艺流程详示图

图8是煤炭地上直接气化与煤炭地下气化-煤基能源化工产品多联产生产工艺流程详示图

图9是新型煤基能源化工多联产生产甲醇、甲烷、二甲醚工艺流程示意图

图10是新型煤基能源化工多联产生产甲醇、甲烷、二甲醚、清洁电力工艺流程示意图

图11是新型煤基能源化工多联产生产甲烷、乙二醇、低碳醇工艺流程示意图

其中，图1为摘要附图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明做进一步详细的说明，本发明包括但不限于这些实施方式。以下仅为本发明的较佳实施例，不能以此限定本发明的范围。即大凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。

实施例一：

参照图2的工艺路线，复合能源制氢氧所需的电能主要来源于风光互补发电站，同时匹配低谷电能，采用SPE电解槽水电解系统进行水电解。水电解产生的氧气直接输送至地上气化炉中作为煤气化的原料，煤炭在气化炉中气化生成以H₂、CO和CO₂(有时含有CH₄)为主的粗合成气，粗合成气净化后得到以H₂和CO为主的精合成气，而电解产生的氢气则输送到煤基多联产模块的不同工段用于配氢，如图9的工艺路线。一部分精合成气通过配氢达到甲醇所需的氢碳比合成甲醇，另一部分精合成气与甲醇合成产生的弛放气混合，通过配氢达到甲烷合成所需的氢碳比合成甲烷。甲醇可以用于生产二甲醚，也可以直接销售。煤基多联产模块也可以按图10的工艺路线进行甲烷、甲醇、二甲醚和清洁电力的联产。在此工艺中，甲醇和甲烷合成后产生的部分弛放气和气化炉工段产生的部分水蒸汽可以输送到发电系统，生产清洁电力。清洁电力可以直接出售，或提供给复合能源制氢氧模块。煤基多联产模块还可以按图11的工艺路线生产甲烷、乙二醇和/或低碳醇。精合成气分别通过配氢生产乙二醇和/或低碳醇，乙二醇和/或低碳醇产生的弛放气和精合成气混合，然后通过配氢生产甲烷。粗合成气净化后分离得到的CO₂送入藻类养殖系统。在一定的温度范围(10～40℃)、光照强度下(300～40000LUX)，藻类养殖系统中光生物反应器内培养的裸藻通过光合作用大量吸收CO₂并将其转换成生物质(即藻)，同时释放出大量氧气。藻可以经生物提炼技术生产生物柴油。藻类养殖系统产生的氧气和复合能源水电解制氢氧产生的氧气混合输送至气化炉中。在整个生产工艺中，由于利用水电解技术产生氧气，因此可以只用一个小型空分设备为生产提供保护气、气提用气、及置换气等所需的氮气以及煤气化所需的少量氧气，从而可以节省传统多联产工艺中的大部分空分工段的设备投资及运行与维护费用，以及为空分提供能量的锅炉的大部分设备投资及运行与维护费用。

实施例二：

参照图3的工艺路线，复合能源制氢氧所需的电能来源于风光互补发电站，同时匹配低谷电能，采用固体氧化物电解质电解槽水电解系统进行水电解。水电解产生的一部分氧气单独或与其他气化剂组分混合然后鼓入地下气化通道，作为煤炭地下气化的气化剂。煤炭在地下气化后生成以H₂、CO、CH₄和CO₂为主的粗合成气，粗合成气净化后得到以H₂、CO和CH₄为主的精合成气；而电解产生的氢气则输送到煤基多联产模块的不同工段用于配氢，如图9的工艺路线。一部分精合成气通过配氢达到甲醇所需的氢碳比合成甲醇，另一部分精合成气与甲醇合成产生的弛放气混合，通过配氢达到甲烷合成所需的氢碳比合成甲烷。甲醇可以用于生产二甲醚，也可以直接销售。煤基多联产模块也可以按图11的工艺路线进行生产甲烷、乙二醇和/或低碳醇。精合成气分别通过配氢生产乙二醇和/或低碳醇，乙二醇和/或低碳醇产生的弛放气和精合成气混合，然后通过配氢生产甲烷。粗合成气净化后分离得到的CO₂送入藻类养殖系统。在一定的温度范围(10～40℃)、光照强度下(300～40000LUX)，藻类养殖系统中光生物反应器内培养的绿藻通过光合作用大量吸收CO₂并将其转换成生物质(即藻)，同时释放出大量氧气。藻可以经生物提炼技术生产生物柴油。藻类养殖系统产生的氧气和复合能源制氢氧产生的氧气混合使用。在整个生产工艺中，由于利用水电解技术产生氧气，因此可以外购廉洁的氮气为生产提供保护气、气提用气、及置换气等所需的氮气以及煤气化所需的少量氧气，从而可以节省传统多联产工艺中的空分工段的全部设备投资及运行与维护费用，以及为空分提供能量的锅炉的大部分设备投资及运行与维护费用。

实施例三：

参照图4的工艺路线，生物电化学制氢所需要的少量电能来源于风光互补发电站，同时匹配低谷电能。煤炭在催化气化炉中气化后生产含CH₄、H₂、CO₂和CO为主的粗合成气，粗合成气净化后得到以H₂、CO和CH₄为主的精合成气。生物电化学制氢所产生的氢气送至煤基多联产模块的不同工段用于配氢，如图9的工艺路线。一部分精合成气通过配氢达到甲醇所需的氢碳比合成甲醇，另一部分精合成气与甲醇合成产生的弛放气混合，通过配氢达到甲烷合成所需的氢碳比合成甲烷。甲醇可以用于生产二甲醚，也可以直接销售。煤基多联产模块也可以按图11的工艺路线进行生产甲烷、乙二醇和/或低碳醇。精合成气分别通过配氢生产乙二醇和/或低碳醇，乙二醇和/或低碳醇产生的弛放气和精合成气混合，然后通过配氢生产甲烷。粗合成气净化后分离得到的CO₂送入藻类养殖系统。在一定的温度范围(10～40℃)、光照强度下(300～40000LUX)，藻类养殖系统中光生物反应器内培养的褐藻通过光合作用大量吸收CO₂并将其转换成生物质(即藻)，同时释放出大量氧气。藻可以经生物提炼技术生产生物柴油。藻类养殖系统产生的氧气可以直接排放。生产过程中所产生的生物废水则输送到生物电化学工段作为生物电化学制氢的原料。

实施例四：

参照图5的工艺路线，复合能源制氢氧所需的电能来源于风光互补发电站，同时匹配低谷电能，采用碱性电解槽水电解系统进行水电解。水电解产生的氧气单独或与其他气化剂组分混合然后鼓入地下气化通道，作为煤炭地下气化的气化剂。地下气化采煤和煤催化气化生产的粗合成气经净化后得到含H₂、CO和CH₄为主的精合成气，而电解产生的氢气则输送到煤基多联产模块的不同工段用于配氢，如图9的工艺路线。一部分精合成气通过配氢达到甲醇所需的氢碳比合成甲醇，另一部分精合成气与甲醇合成产生的弛放气混合，通过配氢达到甲烷合成所需的氢碳比合成甲烷。甲醇可以用于生产二甲醚，也可以直接销售。煤基多联产模块也可以按图11的工艺路线进行生产甲烷、乙二醇和/或低碳醇。精合成气分别通过配氢生产乙二醇和/或低碳醇，乙二醇和/或低碳醇产生的弛放气和精合成气混合，然后通过配氢生产甲烷。粗合成气净化后分离得到的CO₂送入藻类养殖系统。在一定的温度范围(10～40℃)、光照强度下(300～40000LUX)，藻类养殖系统中光生物反应器内培养的金藻通过光合作用大量吸收CO₂并将其转换成生物质(即藻)，同时释放出大量氧气。藻可以经生物提炼技术生产生物柴油。藻类养殖系统产生的氧气和复合能源水电解制氢氧产生的氧气混合输送至地下气化通道。在整个生产工艺中，由于利用水电解技术产生氧气，因此可以只用一个小型空分设备为生产提供保护气、气提用气、及置换气等所需的氮气以及煤气化所需的少量氧气，从而可以节省传统多联产工艺中的大部分空分工段的设备投资及运行与维护费用，以及为空分提供能量的锅炉的大部分设备投资及运行与维护费用。

实施例五：

参照图6的工艺路线，复合能源制氢氧所需的电能来源于风光互补发电站，同时匹配低谷电能，采用SPE电解槽水电解系统进行水电解。水电解产生的一部分氧气单独或与其他气化剂组分混合然后鼓入地下气化通道，作为地下气化的气化剂，煤炭在地下气化后生成以H₂、CO、CH₄和CO₂为主的粗合成气；另一部分氧气则输送到地上气化炉，煤炭在气化炉中气化生成以H₂、CO和CO₂(有时含有CH₄)为主的粗合成气。两股粗合成气净化后得到以H₂、CO和CH₄为主的精合成气。电解产生的高纯氢气一部分直接销售，另一部分则被输送到煤基多联产模块的不同工段用于配氢，如图9的工艺路线。一部分精合成气通过配氢达到甲醇所需的氢碳比合成甲醇，另一部分精合成气与甲醇合成产生的弛放气混合，通过配氢达到甲烷合成所需的氢碳比合成甲烷。甲醇可以用于生产二甲醚，也可以直接销售。煤基多联产模块也可以按图11的工艺路线进行生产甲烷、乙二醇和/或低碳醇。精合成气分别通过配氢生产乙二醇和/或低碳醇，乙二醇和/或低碳醇产生的弛放气和精合成气混合，然后通过配氢生产甲烷。粗合成气净化后分离得到的CO₂和煤基多联产模块中分离得到的CO₂送入藻类养殖系统。在一定的温度范围(10～40℃)、光照强度下(300～40000LUX)，藻类养殖系统中光生物反应器内培养的甲藻通过光合作用大量吸收CO₂并将其转换成生物质(即藻)，同时释放出大量氧气。藻可以经生物提炼技术生产生物柴油。藻类养殖系统产生的氧气和复合能源水电解制氢氧产生的氧气混合输送至气化炉中。藻类经生物提炼后产生的残渣通过生物发酵生产副产品乙醇。在整个生产工艺中，由于利用水电解技术产生氧气，因此可以只用一个小型空分设备为生产提供保护气、气提用气、及置换气等所需的氮气以及煤气化所需的少量氧气，从而可以节省传统多联产工艺中的大部分空分工段的设备投资及运行与维护费用，以及为空分提供能量的锅炉的大部分设备投资及运行与维护费用。

实施例六：

参照图7的工艺路线，氢气来源于生物电化学制氢、水电解制氢和生物发酵制氢。前两者所需要的电能来源于风光互补发电站，同时匹配低谷电能。水电解制氢采用碱性电解槽水电解系统。水电解产生的一部分氧气单独或与其他气化剂组分混合然后鼓入地下气化通道，作为煤炭地下气化的气化剂，煤炭在地下气化后生成以H₂、CO、CH₄和CO₂为主的粗合成气。该粗合成气和煤催化气化产生的粗合成气混合后经净化得到以H₂、CO和CH₄为主的精合成气。复合能源制氢氧模块产生的氢气则输送到煤基多联产模块的不同工段用于配氢，如图9的工艺路线。一部分精合成气通过配氢达到甲醇所需的氢碳比合成甲醇，另一部分精合成气与甲醇合成产生的弛放气混合，通过配氢达到甲烷合成所需的氢碳比合成甲烷。甲醇可以用于生产二甲醚，也可以直接销售。煤基多联产模块也可以按图11的工艺路线进行生产甲烷、乙二醇和/或低碳醇。精合成气分别通过配氢生产乙二醇和/或低碳醇，乙二醇和/或低碳醇产生的弛放气和精合成气混合，然后通过配氢生产甲烷。粗合成气净化后分离得到的CO₂送入藻类养殖系统。在一定的温度范围(10～40℃)、光照强度下(300～40000LUX)，藻类养殖系统中光生物反应器内培养的红藻通过光合作用大量吸收CO₂并将其转换成生物质(即藻)，同时释放出大量氧气。藻可以经生物提炼技术生产生物柴油。藻类养殖系统产生的氧气和复合能源水电解制氢氧产生的氧气混合输送至气化炉中。藻类经生物提炼后产生的残渣通过生物发酵生产副产品氢气和/或甲烷。生产过程中所产生的生物废水则输送到生物电化学工段作为原料。在整个生产工艺中，由于利用水电解技术产生氧气，因此可以只用一个小型空分设备为生产提供保护气、气提用气、及置换气等所需的氮气以及煤气化所需的少量氧气，从而可以节省传统多联产工艺中的大部分空分工段的设备投资及运行与维护费用，以及为空分提供能量的锅炉的大部分设备投资及运行与维护费用。

实施例七：

参照图8的工艺路线，生物电化学制氢和水电解制氢所需的电能来源于风光互补发电站，同时匹配低谷电能，采用SPE电解槽水电解系统进行水电解。水电解制氢、光电催化制氢和藻类养殖系统产生的一部分氧气作为地下气化的气化剂原料之一，煤炭在地下气化后生成以H₂、CO、CH₄和CO₂为主的粗合成气；另一部分氧气则输送到地上气化炉，煤炭在气化炉中气化生成以H₂、CO和CO₂(有时含有CH₄)为主的粗合成气。两股粗合成气净化后得到以H₂、CO和CH₄为主的精合成气，而水电解制氢和光电催化制氢产生的氢气则输送到煤基多联产模块的不同工段用于配氢，如图9的工艺路线。一部分精合成气通过配氢达到甲醇所需的氢碳比合成甲醇，另一部分精合成气与甲醇合成产生的弛放气混合，通过配氢达到甲烷合成所需的氢碳比合成甲烷。甲醇可以用于生产二甲醚，也可以直接销售。在此工艺中，煤气化工段产生的大量水蒸汽用于生产过程。煤基多联产模块也可以按图10的工艺路线进行甲烷、甲醇、二甲醚和清洁电力的联产。在此工艺中，甲醇和甲烷合成后产生的部分弛放气和气化炉工段产生的部分水蒸汽可以输送到发电系统，生产清洁电力。清洁电力可以直接出售，或提供给复合能源制氢氧模块。煤基多联产模块还可以按图11的工艺路线生产甲烷、乙二醇和/或低碳醇。精合成气分别通过配氢生产乙二醇和/或低碳醇，乙二醇和/或低碳醇产生的弛放气和精合成气混合，然后通过配氢生产甲烷。粗合成气净化后分离得到的CO₂送入藻类养殖系统。在一定的温度范围(10～40℃)、光照强度下(300～40000LUX)，藻类养殖系统中光生物反应器内培养的蓝藻通过光合作用大量吸收CO₂并将其转换成生物质(即藻)，同时释放出大量氧气。藻可以直接送至煤气化工段、也可以经生物提炼技术生产生物柴油后将提炼后产生的残渣则被送至煤气化工段、还可以将部分藻类和部分藻类提炼后产生的残渣混合后送至煤气化工段，实现煤与生物质的共气化，生产粗合成气。生产过程中所产生的生物废水则输送到生物电化学工段作为原料。在整个生产工艺中，由于利用了多种技术产生氧气，因此可以只用一个小型空分设备为生产提保护气、气提用气、及置换气等所需的氮气以及煤气化所需的少量氧气，从而可以节省传统多联产工艺中的大部分空分工段的设备投资及运行与维护费用，以及为空分提供能量的锅炉的大部分设备投资及运行与维护费用。

实施例八～十一

采用与实施例一相同的煤基能源化工产品多联产系统及方法，通过把可再生能源和可再生资源引入煤基能源化工产品多联产生产过程中，把煤炭转变为甲烷、甲醇、二甲醚、乙二醇、低碳醇、氢气、氧气、生物柴油、和/或乙醇等清洁能源化工产品和清洁电力，实现废水、废气及固体废弃物的综合利用和二氧化碳的近零排放。不同之处在于：将吸收CO₂的裸藻分别改为硅藻、衣藻、轮藻或黄藻通过光合作用将CO₂转换成生物质，同时释放出大量氧气。

Claims (46)

1.一种煤基能源化工产品多联产系统，包括：煤气化模块和煤基多联产模块。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，煤气化模块为地上煤气化和/或地下煤气化。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，地上煤气化为煤的直接气化和/或煤的催化气化。

4.根据权利要求1～3所述的任意一种系统，其特征在于，煤气化得到的粗煤气通过合成气净化工段得到精合成气，精合成气通过配入适量的H₂来调节氢碳比以反应合成甲烷、甲醇、乙二醇、低碳醇和/或二甲醚或者它们的任意组合；或将其中部分精合成气配入适量的氢气反应合成甲醇、乙二醇、低碳醇和/或二甲醚，另一部分精合成气与上述甲醇、乙二醇、低碳醇和/或二甲醚合成产生的弛放气混合，再配入适量的氢气合成甲烷。

5.根据权利要求1～4所述的任意一种系统，其特征在于，煤基多联产生产过程中余热回收推动蒸汽发电和/或以煤基多联产生产过程中产生的弛放气作为燃气发电。

6.一种煤基能源化工产品多联产系统，包括：煤气化模块、煤基多联产模块和藻类生物固碳模块。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，煤气化模块为地上煤气化和/或地下煤气化。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，地上煤气化为煤的直接气化和/或煤的催化气化。

9.根据权利要求6～8所述的任意一种系统，其特征在于，煤气化得到的粗煤气通过合成气净化工段得到精合成气，精合成气通过配入适量的H₂来调节氢碳比以反应合成甲烷、甲醇、乙二醇、低碳醇和/或二甲醚或者它们的任意组合；或将其中部分精合成气配入适量的氢气反应合成甲醇、乙二醇、低碳醇和/或二甲醚，另一部分精合成气与上述甲醇、乙二醇、低碳醇和/或二甲醚合成产生的弛放气混合，再加入适量的氢气合成甲烷。

10.根据权利要求6～9所述的任意一种系统，其特征在于，煤基多联产生产过程中余热回收推动蒸汽发电和/或者以煤基多联产生产过程中产生的弛放气作为燃气发电。

11.根据权利要求6～10所述的任意一种系统，其特征在于，藻类生物固碳模块是利用藻类通过光合作用吸收煤基能源化工产品生产过程中产生的CO₂并释放出大量O₂。

12.根据权利要求6～11所述的任意一种系统，其特征在于，藻类生物固碳模块中产生的藻类通过生物提炼技术制备生物柴油，藻类残渣则利用生物发酵技术生产乙醇、氢气或甲烷中的一种或多种，所产生的氢气可以返回煤基多联产模块，藻类生物固碳过程中产生的O₂则返回煤气化模块，形成循环工艺。

13.根据权利要求6～12所述的任意一种系统，其特征在于，藻类生物固碳模块中产生的藻类经提取后的残渣和煤共混送至气化炉形成煤与生物质的共气化，或将藻类直接和煤共混送至气化炉，形成煤与生物质的共气化。

14.根据权利要求6～13所述的任意一种系统，其特征在于，藻类生物固碳模块中所用的藻类为蓝藻、绿藻、甲藻、硅藻、衣藻、红藻、褐藻、金藻、黄藻、轮藻或裸藻。

15.一种煤基能源化工产品多联产系统，包括：煤气化模块、煤基多联产模块和复合能源制氢氧模块。

16.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，煤气化模块为地上煤气化和/或地下煤气化。

17.根据权利要求16所述的系统，其特征在于，地上煤气化为煤的直接气化和/或煤的催化气化。

18.根据权利要求15～17所述的任意一种系统，其特征在于，煤气化得到的粗煤气通过合成气净化工段得到精合成气，精合成气通过配入适量的H₂来调节氢碳比以反应合成甲烷、甲醇、乙二醇、低碳醇和/或二甲醚或者它们的任意组合；或将其中部分精合成气配入适量的氢气反应合成甲醇、乙二醇、低碳醇和/或二甲醚，另一部分精合成气与上述甲醇、乙二醇、低碳醇和/或二甲醚合成产生的弛放气混合，再加入适量的氢气合成甲烷。

19.根据权利要求15～18所述的任意一种系统，其特征在于，煤基多联产生产过程中余热回收推动蒸汽发电和/或以煤基多联产生产过程中产生的弛放气作为燃气发电。

20.根据权利要求15～19所述的任意一种系统，其特征在于，系统生产过程中所需要的氢气由水电解制氢氧技术、生物制氢技术、生物电化学制氢技术或光电催化制氢技术中的一种或多种组合提供。

21.根据权利要求20所述的系统，其特征在于，光电催化制氢技术为太阳能光电化学法制氢或太阳能半导体光催化反应制氢。

22.根据权利要求20所述的系统，其特征在于，生产过程中所产生的有机废水作为生物电化学制氢的原料。

23.根据权利要求15～22所述的任意一种系统，其特征在于，复合能源制氢氧模块中所需的能量采用太阳能、风能、水能、地热能、潮汐能、核电、低谷电能、煤基多联产生产过程中余热回收推动的蒸汽发电或者以其中的弛放气作为燃气发电，或普通电能中的一种或多种。

24.根据权利要求15～23所述的任意一种系统，其特征在于，复合能源制氢氧模块中所用的水电解系统为固体聚合物电解质电解槽系统、碱性电解槽系统或固体氧化物电解质电解槽系统。

25.根据权利要求24所述的系统，其特征在于，水电解产生的氧气单独或与其他气化剂组分混合然后鼓入地下气化通道，作为地下气化的气化剂；或直接输送至地上气化炉中作为煤气化的原料之一。

26.根据权利要求15～25所述的任意一种系统，其特征在于，煤基多联产模块中合成甲烷、甲醇、二甲醚、乙二醇和/或低碳醇所需的合成气中氢碳比是通过配氢利用一种或多种制氢方法制氢来调节；或通过部分配氢、部分利用水煤气变换反应来调节；或完全通过水煤气变化反应来调节。

27.一种煤基能源化工产品多联产系统，包括：煤气化模块、煤基多联产模块、藻类生物固碳模块和复合能源制氢氧模块。

28.根据权利要求27所述的系统，其特征在于，煤气化模块为地上煤气化和/或地下煤气化。

29.根据权利要求28所述的系统，其特征在于，地上煤气化为煤的直接气化和/或煤的催化气化。

30.根据权利要求27～29所述的任意一种系统，其特征在于，煤气化得到的粗煤气通过合成气净化工段得到精合成气，精合成气通过配入适量的H₂来调节氢碳比以反应合成甲烷、甲醇、乙二醇、低碳醇和/或二甲醚或者它们的任意组合；或将其中部分精合成气配入适量的氢气反应合成甲醇、乙二醇、低碳醇和/或二甲醚，另一部分精合成气与上述甲醇、乙二醇、低碳醇和/或二甲醚合成产生的弛放气混合，再加入适量的氢气合成甲烷。

31.根据权利要求27～30所述的任意一种系统，其特征在于，煤基多联产生产过程中余热回收推动蒸汽发电和/或以煤基多联产生产过程中产生的弛放气作为燃气发电。

32.根据权利要求27～31所述的任意一种系统，其特征在于，藻类生物固碳模块是利用藻类通过光合作用吸收煤基能源化工产品生产过程中产生的CO₂并释放出大量O₂。

33.根据权利要求27～32所述的任意一种系统，其特征在于，藻类生物固碳模块中产生的藻类通过生物提炼技术制备生物柴油，藻类残渣则利用生物发酵技术生产乙醇、氢气或甲烷中的一种或多种，所产生的氢气可以返回煤基多联产模块，藻类生物固碳过程中产生的O₂则可以返回煤气化模块，形成循环工艺。

34.根据权利要求27～33所述的任意一种系统，其特征在于，藻类生物固碳模块中产生的藻类经提取后的残渣和煤共混送至气化炉形成煤与生物质的共气化，或将藻类直接和煤共混送至气化炉，形成煤与生物质的共气化。

35.根据权利要求27～34所述的任意一种系统，其特征在于，藻类生物固碳模块中所用的藻类为蓝藻、绿藻、甲藻、硅藻、衣藻、红藻、褐藻、金藻、黄藻、轮藻或裸藻。

36.根据权利要求27～35所述的任意一种系统，其特征在于，系统生产过程中所需要的氢气由水电解制氢氧技术、生物制氢技术、生物电化学制氢技术或光电催化制氢技术中的一种或多种组合提供。

37.根据权利要求36所述的系统，其特征在于，光电催化制氢技术为太阳能光电化学法制氢或太阳能半导体光催化反应制氢。

38.根据权利要求36所述的系统，其特征在于，生产过程中所产生的有机废水作为生物电化学制氢的原料。

39.根据权利要求27～38所述的任意一种系统，其特征在于，复合能源制氢氧模块中所需的能量采用太阳能、风能、水能、地热能、潮汐能、核电、低谷电能、煤基多联产生产过程中余热回收推动的蒸汽发电或者以其中的弛放气作为燃气发电，或普通电能中的一种或多种。

40.根据权利要求27～39所述的任意一种系统，其特征在于，复合能源制氢氧模块中所用的水电解系统为固体聚合物电解质电解槽系统、碱性电解槽系统或固体氧化物电解质电解槽系统。

41.根据权利要求40所述的系统，其特征在于，水电解产生的氧气单独或与其他气化剂组分混合然后鼓入地下气化通道，作为地下气化的气化剂；或直接输送至地上气化炉中作为煤气化的原料之一。

42.根据权利要求27～41所述的任意一种系统，其特征在于，煤基多联产模块中合成甲烷、甲醇、二甲醚、乙二醇和/或低碳醇所需的合成气中氢碳比是通过配氢利用一种或多种制氢方法制氢来调节；或通过部分配氢、部分利用水煤气变换反应来调节；或完全通过水煤气变化反应来调节。

43.一种煤基能源化工产品多联产方法，包括：

煤气化反应得到粗合成气；

粗合成气净化后的气体经过煤基多联产模块合成甲烷、甲醇、乙二醇、低碳醇或二甲醚中的一种或多种；

煤基多联产生产过程中余热回收推动蒸汽发电和/或以煤基多联产生产过程中产生的弛放气作为燃气发电。

44.一种煤基化工产品多联产方法，包括：

煤气化反应得到粗合成气；

粗合成气净化分离甲烷后的气体经过煤基多联产模块合成甲醇、甲烷、乙二醇、低碳醇或二甲醚中的一种或多种；

煤基多联产生产过程中余热回收推动蒸汽发电和/或以煤基多联产生产过程中产生的弛放气作为燃气发电；

煤气化和多联产过程产生的二氧化碳通过藻类生物固碳技术转化为生物柴油、甲烷、氢气和乙醇中的一种或多种。

45.一种煤基化工产品多联产方法，包括：

煤气化反应得到粗合成气；

粗合成气净化后的气体经过煤基多联产模块合成甲烷、甲醇、乙二醇、低碳醇或二甲醚中的一种或多种；

煤基多联产生产过程中余热回收推动蒸汽发电和/或以煤基多联产生产过程中产生的弛放气作为燃气发电；

由水电解制氢氧技术、生物制氢技术、生物电化学制氢技术或光电催化制氢技术中的一种或多种组合提供多联产工艺模块和/或煤气化模块中所需的氢气和/或氧气。

46.一种煤基能源化工产品多联产方法，包括：

煤气化反应得到粗合成气；

粗合成气净化后的气体经过煤基多联产模块合成甲烷、甲醇、乙二醇、低碳醇或二甲醚中的一种或多种；

煤基多联产生产过程中余热回收推动蒸汽发电和/或以煤基多联产生产过程中产生的弛放气作为燃气发电；

煤气化和多联产过程产生的二氧化碳通过藻类生物固碳技术转化为生物柴油、甲烷、氢气和乙醇中的一种或多种；

由水电解制氢氧技术、生物制氢技术、生物电化学制氢技术或光电催化制氢技术中的一种或多种组合提供多联产工艺模块和/或煤气化模块中所需的氢气和/或氧气。

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