CN107180985A - 低浓度煤层气辅助电解co2/h2o制备合成气方法及装置 - Google Patents
低浓度煤层气辅助电解co2/h2o制备合成气方法及装置 Download PDFInfo
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Abstract
低浓度煤层气辅助电解CO2/H2O制备合成气方法及装置系统。在原有SOEC高温共电解制备合成气的基础上，耦合了煤层气部分氧化与尾气催化燃烧两个反应，二者辅助SOEC高温共电解过程的进行，实现了以废制废。与原来阳极通入空气的传统模式相比，阳极通入煤层气取代空气可有效降低工作电压，电堆甚至能实现自发运行，若辅以一定的外加电压，则可实现过程的高效运行，极大的降低了电堆的电耗水平。同时煤层气经电堆内部部分氧化后所得的低品质产物，通过催化氧化可以为原料气预热，从而进一步降低了原过程的能耗水平，实现整个过程的低能耗运行。
Description
技术领域
本发明属于能源利用技术领域，涉及一种利用低浓度煤层气辅助电解 CO2/H2O制备合成气方法及装置系统，尤其是涉及一种通过固体氧化物电解池 (SOEC)，从而实现低浓度煤层气辅助电解CO2/H2O制备合成气方法及装置系统。
背景技术
能源和环境是目前世界各国共同关注的焦点问题。以全球变暖为明显特征的气候变化主要是人类过度使用化石燃料导致二氧化碳等温室气体排放量居高不下造成的。
固体氧化物电池(Solid Oxide Cell，SOC)是一种由陶瓷氧化物材料构成，在燃料化学能和电能之间实现高效转换及可逆存储的电化学器件。它以固体氧化物电解池(SolidOxide Electrolysis Cell，SOEC)方式工作时，通过共电解方式将H2O/CO2转化为H2/CO，把电能以化学能形式存储下来，制得的合成气再通过费托合成过程(Fischer-TropschProcess，F-T)转化成碳氢(液体)燃料予以储存和应用。
《煤矿安全规程》规定，甲烷含量低于30％的煤层气为低浓度煤层气。我国煤层气主要以井下抽采方式为主，采出的CHn(n＝0～4)浓度范围多在3％～80％之间，其中三分之二的浓度都低于30％。我国是煤炭生产大国，每年由于采煤排放出的低浓度煤层气高达1.2×1010m3，相当于107t标准煤。目前我国对这部分低浓度煤层气的利用主要为矿区民用燃料和坑口发电，利用率仅占总排放量的 5％～7％，绝大部分(超过80％)排放到大气中，不仅浪费资源，而且会引起大气污染。煤层气直接排放到大气中对生态环境的破坏力极强，同体积气体引起的温室效应是CO2的21倍，对臭氧的破坏能力是CO2的7倍。
人工合成的液体碳氢燃料，在国民经济中可直接作为交通能源使用，而不需要另外铺设能源运输设施。合成气是制备合成碳氢燃料的基本原料，其生产主要是通过煤气化和天然气重整来实现，这两种制备方法均消耗了化石能源并且最终都导致了温室气体CO2的大量排放，且生产工艺流程复杂，设备投入大，反应条件也相对较高。
由此可见，现有技术有待于进一步的改进。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种低浓度煤层气辅助电解CO2/H2O 制备合成气方法及装置系统，从而实现以废制废，即利用通常废弃低浓度煤层气帮助固定CO2温室气体，同时制备附加值高的合成气。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
在原有SOEC高温共电解制备合成气的基础上，耦合了煤层气部分氧化与尾气催化燃烧两个反应，二者辅助SOEC高温共电解过程的进行，实现了以废制废。与原来阳极通入空气的传统模式相比，阳极通入煤层气取代空气可有效降低工作电压，电堆甚至能实现自发运行，若辅以一定的外加电压，则可实现过程的高效运行，极大的降低了电堆的电耗水平。同时煤层气经电堆内部部分氧化后所得的低品质产物，通过催化氧化可以为原料气预热，从而进一步降低了原过程的能耗水平，实现整个过程的低能耗运行。
本发明的有益效果是，通过低浓度煤层气辅助电解CO2/H2O制备合成气，不仅可达到有效利用能源的作用，还可以减少气体排放对环境的污染，实现以废制废，达到节能减排的作用，并获得环境、经济、社会三重效益。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1为现有SOEC电解CO2/H2O制备合成气原理示意图。
图2为本发明所述低浓度煤层气辅助SOEC电解CO2/H2O制备合成气原理示意图。
图3为(a)现有SOEC电解CO2/H2O制备合成气能量理论计算图(b)本发明所述低浓度煤层气辅助SOEC电解CO2/H2O制备合成气能量理论计算图。
图4为现有SOEC电解CO2/H2O制备合成气与本发明所述低浓度煤层气辅助SOEC电解CO2/H2O制备合成气电解电压理论计算图。
图5为本发明所述低浓度煤层气辅助SOEC电解CO2/H2O制备合成气电解装置系统示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种低浓度煤层气辅助电解CO2/H2O制备合成气方法及装置系统，为了使本发明的目的、技术方案以及优点更清楚、明确，以下将结合附图与实施例，对本发明进一步详细说明。
图1为现有SOEC电解CO2/H2O制备合成气原理示意图，其中1为SOEC 阳极，2为SOEC电解质，3为SOEC阴极，4为外接电源。在现有传统SOEC 电解CO2/H2O制备合成气过程中，由4外接电源提供电解电能；1阳极通入空气，释放出氧气；3阴极通入CO2及水蒸气，释放出合成气(CO和H2)。总反应式为：
H2O(g)+CO2(g)→H2(g)+CO(g)+O2(g)
图2为本发明所述低浓度煤层气辅助SOEC电解CO2/H2O制备合成气原理示意图，其中1为SOEC阳极，2为SOEC电解质，3为SOEC阴极，4为外接电源。在本发明所述低浓度煤层气辅助SOEC电解CO2/H2O制备合成气过程中，由4外接电源提供电解电能；1阳极通入低浓度煤层气，释放出合成气(CO和 H2)；3阴极通入CO2及水蒸气，释放出合成气(CO和H2)。总反应式为：
H2O(g)+CO2(g)+CHn(g)→H2(g)+CO(g)
图3(a)为现有SOEC电解CO2/H2O制备合成气能量理论计算图；图3(b) 为本发明所述低浓度煤层气辅助SOEC电解CO2/H2O制备合成气能量理论计算图。由图3(a)(b)对比知本发明所述所述低浓度煤层气辅助SOEC电解CO2/H2O 制备合成气可显著降低反应能量需求，600℃之后反应ΔG可降低为负值，证明反应可以自发进行。
图4为现有SOEC电解CO2/H2O制备合成气与本发明所述低浓度煤层气辅助SOEC电解CO2/H2O制备合成气电解电压理论计算图。由图4对比知本发明所述低浓度煤层气辅助SOEC电解CO2/H2O制备合成气可显著降低反应所需电解电压，在600至900℃工作温度下，电解电压可降至0至-0.5V。
图5为本发明所述低浓度煤层气辅助SOEC电解CO2/H2O制备合成气电解装置系统示意图。低浓度煤层气经脱硫塔脱硫及换热器预热后进入SOEC反应器阳极，阳极产物混合气体通入催化燃烧器进行催化燃烧，把上述混合气体燃料中的化学能直接转化为热能对两级原料气体进行预热，以供系统在较高温度下自维持运行。阴极侧气体由水蒸气及CO2经混气罐混合后送入，所得产物合成气收集用于下一步利用。同时，换热器冷凝水收集至釜式再沸器，经加热后再次供给阴极水蒸气原料或向外部供热。
需要说明的是，在本说明书的指导下，本领域技术人员所作出的任何等同替代方式，或明显变型方式，均应在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种低浓度煤层气辅助电解CO2/H2O制备合成气方法及装置系统，所述方法：
在原有SOEC高温共电解制备合成气的基础上，耦合了煤层气部分氧化与尾气催化燃烧两个反应，二者辅助SOEC高温共电解过程的进行，实现了以废制废。与原来阳极通入空气的传统模式相比，阳极通入煤层气取代空气可有效降低工作电压，电堆甚至能实现自发运行，若辅以一定的外加电压，则可实现过程的高效运行，极大的降低了电堆的电耗水平。同时煤层气经电堆内部部分氧化后所得的低品质产物，通过催化氧化可以为原料气预热，从而进一步降低了原过程的能耗水平，实现整个过程的低能耗运行。
2.根据权利要求1所述，其所述低浓度煤层气浓度范围为3％～80％。
3.根据权利要求1所述，其所述低浓度煤层气主要成分CHn中n＝0～4。
4.根据权利要求1所述，其所述SOEC设备由阳极、电解质、阴极和外接电源组成。
5.根据权利要求4所述，其所述SOEC阳极材料为Ni-YSZ、Ni-GDC、Ni-LSGM、La0.75Sr0.25Cr0.5Mn0.5O3-δ(LSCM)、Sr2Fe1.5Mo0.5O6-δ(SFM)、La0.4Sr0.6Co0.2Fe0.7Nb0.1O3-δ(LSCFN)、Pr0.4Sr0.6Co0.2Fe0.7Nb0.1O3-δ(PSCFN)等。
6.根据权利要求4所述，其所述SOEC阴极材料为La0.5Sr0.5Co3-δ(LSC)、Sm0.5Sr0.5Co3-δ(SSC)、La0.5Sr0.5Co0.2Fe0.8O3-δ(LSCF)、La0.8Sr0.2MnO3-δ(LSM)、Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ(BSCF)等。
7.根据权利要求4所述，其所述SOEC电解质材料为氧化锆系电解质、氧化铈系电解质、LaGaO3钙钛矿系电解质。
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