CN107998840A - 一种可再生能源驱动碳捕集与水解制氢合成甲烷装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可再生能源驱动碳捕集与水解制氢合成甲烷装置。该装置主要由可再生能源发电系统、水电解制氢系统、空气碳捕集系统与甲烷化合成系统组成。其集成方式如下：将水电解产生的氢气与碳捕集系统捕集的CO2以一定比例混合后通入固定床反应器进行甲烷化合成反应，产生的甲烷合成气通入天然气管道或天然气储箱，碳捕集系统根据CO2分离的要求可以实现多级CO2分离的串并联。集成系统所需的电耗和热耗来源均由可再生能源发电产生的弃电提供。本发明利用可再生能源产生的弃电来进行水电解制氢与空气碳捕集，以提供甲烷化合成的原料气，提升了可再生能源发电的消纳能力，在降低碳减排的同时实现了CO2的资源化利用，有力推动我国可再生能源发电与碳捕集技术以及甲烷化合成天然气技术的发展与规模化应用。
Description
技术领域
本发明涉及可再生能源利用与温室气体减排与资源化利用领域，具体涉及一种可再生能源驱动碳捕集与水解制氢合成甲烷装置。
背景技术
CO2是引起全球温室效应的主要成分，而化石燃料的燃烧排放的CO2是造成的空气中CO2浓度升高的主要原因。降低CO2的排放一方面需减少化石燃料的燃烧，开发清洁高效能源，另一方面需采取相关技术手段进行CO2捕集与封存或资源化再利用。
空气中碳捕集是目前众多碳捕集技术中的一种，由于捕集源是空气，因此与CO2的产生地点、时间和燃料类型无关，几乎可在任意地点安装该装置，但由于空气中CO2浓度过低，捕集过程的耗能较高，消耗化石能源进行空气中CO2捕集得不偿失。
光电与风电作为可再生能源发电的典型代表，近年来得到了大力的发展，中国的光伏与风电装机容量增长迅速。然而，由于光电、风电增长过快，电力外输通道受限、地区的能源结构性矛盾等一系列问题，导致光电、风电上网困难，弃光弃风现象严重。根据国家能源局数据，2015年上半年全国弃风电量同比上升6.8％，平均弃风电率高达15.2％，而光伏发电同样面临着较高的弃电率，弃电现象不仅造成可再生能源的极大浪费，而且造成光电风电的利用率降低。
天然气是我国目前大力提倡使用的清洁能源。天然气的主要成分是甲烷，因此合成天然气的主要工艺是甲烷化合成。甲烷化合成是将合成气中的CO和CO2与H2在镍基等催化剂上反应生成CH4。其发生的主要反应方程式如下：利
CO2+4H2→CH4+2H2O+164.9kJ/mol (1)
CO+3H2→CH4+H2O+206.4kJ/mol (2)
CO+H2O→CO2+H2+41.5kJ/mol (3)
在甲烷化合成反应中，需要提供CO2和H2。如果用温室气体CO2和H2进行甲烷化，生产清洁燃料CH4，并且使CO2循环，可以减缓温室效应。过程中CO2来源于空气中碳捕集，而H2则来源于水电解制氢，过程中的能耗来源于光电或风电的弃电，将空气碳捕集、水电解制氢与甲烷化合成与光电风电进行集成，过程中既利用了光电风电等可再生能源，同时也实现了温室气体减排与CO2转化成能源的资源化利用。
发明内容
针对目前光电风电上网困难导致弃电严重的困境，提升可再生能源发电的消纳能力与资源化利用，本发明提出一种可再生能源驱动碳捕集与水解制氢合成甲烷装置的集成方式及实现方法，充分利用可再生能源弃电作为集成系统的能量供应进行碳捕集、水解制氢与甲烷合成，同时简化系统工艺，降低系统建设的投资成本。
该可再生能源驱动碳捕集与水解制氢合成甲烷的集成系统主要可再生能源发电系统、空气碳捕集系统、水电解制氢系统以及甲烷合成系统组成，其主要设备包括空气压缩机、CO2分离膜、CO2储罐、储水槽、水电解制氢装置、O2储罐、H2储罐、混合气预热装置、反应器、冷凝器、气液分离器、三通阀以及相关阀门等。
可再生能源发电系统的发电供给水电解制氢装置，利用储水槽的水进行电解制氢，电解过程产生的氧气可以储存于O2储罐中利用，而氢气可以通入H2储罐中进行存储，也可以通过混合气预热装置后进入反应器进行甲烷化反应，H2储罐中的氢气在可再生能源发电少或无电力供应导致水电解制氢不足时对甲烷化反应进行补充，空气经过空气压缩机压缩后进入 CO2膜分离装置进行CO2分离，分离产生的CO2进入CO2储罐，CO2储罐出口CO2通入混合气预热装置，与H2在混合气预热装置中混合加热后进入固定床反应器，从反应器中出来的气体经过冷凝器后进入气液分离器，从气液分离器中分离出来的气体主要为甲烷气体，作为燃料可以直接通入燃气管道或进行封装处理，而从气液分离器中分离的液体则为水，可以直接进入储水槽，作为电解水的补充。
所述空气碳捕集系统包括多级CO2分离膜和多级CO2压缩机，CO2分离膜和CO2压缩机的个数均为N个，多级CO2分离膜和多级CO2压缩机的连接关系有下述两种情形之一：
一是：一级CO2分离膜、二级CO2分离膜、三级CO2分离膜、......、N-1级CO2分离膜、N级CO2分离膜顺次串联连接，而一级CO2压缩机、二级CO2压缩机、三级CO2压缩机、......、N-1级CO2压缩机、N级CO2压缩机入口端依次连接一级CO2分离膜、二级CO2分离膜、三级CO2分离膜、......、N-1级CO2分离膜、N级CO2分离膜，出口端连接到CO2储罐12；
二是：一级CO2分离膜、一级CO2压缩机、二级CO2分离膜、二级CO2压缩机、三级 CO2分离膜、三级CO2压缩机、......、N-1级CO2分离膜、N-1级CO2压缩机、N级CO2分离膜、N级CO2压缩机顺次连接；
本发明通过可再生能耗水电解制氢与空气碳捕集的集成，解决了甲烷合成过程中的原料供应与匹配问题，过程中原料的产生所需能源完全由可再生能源发电提供，既实现了可再生能源发电的消纳问题，同时达到了碳减排与CO2资源化燃料转化的集成双重目标。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)采用可再生能源驱动水电解制氢和空气中碳捕集有效解决了可再生能源发电严重的弃电问题。
(2)将水电解制氢与空气碳捕集集成在一起实现了甲烷合成过程原料气的有效供应，节省了原料气管道运输过程产生能耗与费用。
(3)实现了集成系统的灵活运行，当有弃电时运行系统，无弃电时可以停止运行，同时增加CO2和H2储罐增强了系统运行的可靠性，可以利用两者对各子系统进行充分调节。
(4)集成系统对可再生能源发电系统无影响，其仅是电力供应，因此，碳捕集与水电解制氢合成甲烷系统应用范围更广，不仅可以使用可再生能源产生的弃电，也可以是其它形式的电力输入，同时将集成系统小型化，可以实现不同地点的使用。
附图说明
图1为本发明实施方式一的系统原理图及结构示意图；
图2为本发明实施方式二的系统原理图及结构示意图；
具体实施方式
下面结合具有二级CO2分离膜与二级CO2压缩装置为例，结合附图和具体实施对本发明作进一步详细地描述。
本发明一种可再生能源驱动碳捕集与水解制氢合成甲烷装置的集成方式之一如图1 所示，包括可再生能源发电系统1、水电解制氢系统2、空气碳捕集系统3与甲烷化合成系统 4。
所述水电解制氢系统2包括储水槽5、水电解制氢装置6、O2储罐7、三通阀8、H2储罐9、阀门20，所述储水槽5的出口与水电解制氢装置6的入口相连，水电解制氢装置6电解产生的氧气经管道与O2储罐7相连，产生的氧气储存于O2储罐6中，而水电解制氢装置6 电解产生的氢气则连接到三通阀8的入口，三通阀8的一端出口连接到H2储罐9的入口，另一端出口则连接到混合气预热装置16的氢气入口，H2储罐9的出口与混合气预热装置16的氢气入口连接；
所述空气碳捕集系统3，包括空气压缩机10、一级CO2分离膜11、一级CO2压缩机12、二级CO2分离膜13、二级压缩机14、CO2储罐15，所述空气压缩机10的入口连接到大气中，出口与一级CO2分离膜11的空气入口连接，一级CO2分离膜11的空气出口与二级CO2分离膜12的空气入口相连，一级CO2分离膜11另一侧的CO2出口与一级CO2压缩机12入口相连，一级CO2压缩机12出口与CO2储罐15的入口相连，二级CO2分离膜12的CO2出口与二级压缩机14的入口相连，二级压缩机14的出口连接到CO2储罐15的入口，CO2储罐15 的出口与混合气预热装置16的CO2入口相连；
所述甲烷化合成系统4包括混合气预热装置16、反应器17、冷凝器18、气液分离器19，所述混合气预热装置16的出口连接到反应器17的底部，经过甲烷化反应后产生的气体从反应器17的顶部连接到冷凝器18的入口，冷凝器18的出口与气液分离器19的入口相连，分离出来的气体经管道与天然气管道相连或通入天然气储箱，从气液分离器19分离出来的液体经阀门20相连后通入储水槽5的入口。
本发明一种可再生能源驱动碳捕集与水解制氢合成甲烷装置的集成方式之二如图2 所示，所述水电解制氢系统包括储水槽5、水电解制氢装置6、O2储罐7、三通阀8、H2储罐8、阀门20，所述储水槽5的出口与水电解制氢装置6的入口相连，水电解制氢装置6电解产生的氧气经管道与O2储罐7相连，产生的氧气储存于O2储罐6中，而水电解制氢装置6 电解产生的氢气则连接到三通阀8的入口，三通阀8的一端出口连接到H2储罐9的入口，另一端出口则连接到混合气预热装置16的氢气入口，H2储罐9的出口与混合气预热装置16的氢气入口连接；
所述空气碳捕集系统3，包括空气压缩机10、一级CO2分离膜11、一级CO2压缩机12、二级CO2分离膜13、二级压缩机14、CO2储罐15，所述空气压缩机10的入口连接到大气中，出口与一级CO2分离膜11的空气入口连接，一级CO2分离膜11的空气出口与一级CO2压缩机12的入口相连，一级CO2压缩机12的出口与二级CO2分离膜13的入口相连，CO2出口与二级CO2压缩机14的入口相连，二级CO2压缩机14出口与CO2储罐16的入口相连；
所述甲烷化合成系统4包括混合气预热装置16、反应器17、冷凝器18、气液分离器19 以及阀门20，所述混合气预热装置16的出口连接到反应器17的底部，经过甲烷化反应后产生的气体从反应器17的顶部连接到冷凝器18的入口，冷凝器18的出口与气液分离器19的入口相连，分离出来的气体经管道与天然气管道相连或通入天然气储箱，从气液分离器19分离出来的液体经阀门20相连后通入储水槽5的入口。
本发明中可再生能源驱动碳捕集与水解制氢合成甲烷装置中，所述可再生能源发电系统1的发电量分别提供给水电解制氢装置6、空气压缩装置10、一级压缩机12、二级压缩机14、混合气预热装置16以及反应器17。
本发明中可再生能源驱动碳捕集与水解制氢合成甲烷装置中，所述可再生能源发电系统1可以由光伏发电场、风力发电场、潮汐发电场、波浪能发电场以及其它可再生能源发电中的一种或几种形式的能源组合。
本发明中可再生能源驱动碳捕集与水解制氢合成甲烷装置中，所述空气碳捕集系统 3中的CO2分离膜可以沸石膜、陶瓷膜、玻璃膜和金属膜中的一种或几种膜的叠加。
本发明中可再生能源驱动碳捕集与水解制氢合成甲烷装置中，所述反应器17可以是固定床、循环流化床、气流床或移动床。
尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (5)
1.一种可再生能源驱动碳捕集与水解制氢合成甲烷装置，包括可再生能源发电系统1、水电解制氢系统2、空气碳捕集系统3和甲烷化合成系统4，其特征在于：
所述水电解制氢系统2包括储水槽5、水电解制氢装置6、O2储罐7、三通阀8、H2储罐9、阀门20，所述储水槽5的出口与水电解制氢装置6的入口相连，水电解制氢装置6电解产生的氧气经管道与O2储罐7相连，产生的氧气储存于O2储罐7中，而水电解制氢装置6电解产生的氢气则连接到三通阀8的入口，三通阀8的一端出口连接到H2储罐9的入口，另一端出口则连接到混合气预热装置16的氢气入口，H2储罐9的出口与混合气预热装置16的氢气入口连接；
所述空气碳捕集系统3包括多级CO2分离膜和多级CO2压缩机，CO2分离膜和CO2压缩机的个数均为N个，多级CO2分离膜和多级CO2压缩机的连接关系有下述两种情形之一：
一是：一级CO2分离膜、二级CO2分离膜、三级CO2分离膜、......、N-1级CO2分离膜、N级CO2分离膜顺次串联连接，而一级CO2压缩机、二级CO2压缩机、三级CO2压缩机、......、N-1级CO2压缩机、N级CO2压缩机入口端依次连接一级CO2分离膜、二级CO2分离膜、三级CO2分离膜、......、N-1级CO2分离膜、N级CO2分离膜，出口端连接到CO2储罐15；
二是：一级CO2分离膜、一级CO2压缩机、二级CO2分离膜、二级CO2压缩机、三级CO2分离膜、三级CO2压缩机、......、N-1级CO2分离膜、N-1级CO2压缩机、N级CO2分离膜、N级CO2压缩机顺次连接；
所述甲烷化合成系统4包括混合气预热装置16、反应器17、冷凝器18、气液分离器19，所述混合气预热装置16的出口连接到反应器17的底部，经过甲烷化反应后产生的气体从反应器17的顶部连接到冷凝器18的入口，冷凝器18的出口与气液分离器19的入口相连，分离出来的气体经管道与天然气管道相连或通入天然气储箱，从气液分离器19分离出来的液体经阀门20相连后通入储水槽5的入口。
2.根据权利要求1所述的可再生能源驱动碳捕集与水解制氢合成甲烷装置，其特征在于，所述可再生能源发电系统1的发电量分别提供给水电解制氢装置6、空气压缩装置10、混合气预热装置16反应器17以及一级压缩机、二级压缩机、......、N-1级压缩机、N级压缩机。
3.根据权利要求1所述的可再生能源驱动碳捕集与水解制氢合成甲烷装置，其特征在于，所述可再生能源发电系统1可以由光伏发电场、风力发电场、潮汐发电场、波浪能发电场以及其它可再生能源发电中的一种或几种形式的能源组合。
4.根据权利要求1所述的可再生能源驱动碳捕集与水解制氢合成甲烷装置，其特征在于，所述空气碳捕集系统1中的CO2分离膜可以沸石膜、陶瓷膜、玻璃膜和金属膜中的一种或几种膜的叠加。
5.根据权利要求1所述的可再生能源驱动碳捕集与水解制氢合成甲烷装置，其特征在于，所述反应器17可以是固定床、循环流化床、气流床或移动床。
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