CN108795523A - 一种太阳能和/或风力发电制氢与煤制天然气工艺耦合制备天然气的装置及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种太阳能和/或风力发电制氢与煤制天然气工艺耦合制备天然气的装置及应用。它包括依次连接的太阳能和/或风力发电单元、电的存储和调节单元、电解水制氢单元、氢气储存罐、气体混合罐、脱硫单元和甲烷化单元；气体混合罐还连接煤制天然气低温甲醇洗单元。利用该装置制备天然气的方法，包括如下步骤：通过太阳能和/或风力发电单元间歇和/或连续式发电，电解水制氢单元电解水得到H2，与煤制天然气工艺中低温甲醇洗单元脱除H2S的CO2的弛放气混合；经脱硫单元脱硫后进入甲烷化单元反应，经压缩单元后进入脱碳单元处理，然后与煤制天然气工艺气混合输出。本发明有效提高煤制天然气产量并降低二氧化碳的排放量。

Description

一种太阳能和/或风力发电制氢与煤制天然气工艺耦合制备 天然气的装置及应用
技术领域
本发明涉及一种太阳能和/或风力发电制氢与煤制天然气工艺耦合制备天然气的装置及应用，属于新能源发电与煤制天然气领域耦合技术领域。
背景技术
近年来，国内天然气需求一直保持较高速度增长，而供应一直相对紧张，2017年，我国全年天然气消费量约2352亿立方米，同比增长17％，增量超过340亿立方米。与此同时，2017年，我国天然气供需矛盾突出，全年天然气进口量926亿立方米，同比增长24.4％，对外依存度升至39.4％。
煤制天然气作为一种新型的天然气获取方式；同时煤制天然气也存在需要排放大量CO2温室气体的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种太阳能和/或风力发电制氢与煤制天然气工艺耦合制备天然气的装置及应用，本发明提出了新能源发电制氢与煤制天然气工艺耦合制备天然气，有效提高煤制天然气领域天然气产量和降低煤制天然气领域二氧化碳的排放量。
本发明提供的一种太阳能和/或风力发电制氢与煤制天然气工艺耦合制备天然气的装置，它包括依次连接的太阳能和/或风力发电单元、电的存储和调节单元、电解水制氢单元、氢气储存罐、气体混合罐、脱硫单元和甲烷化单元；
所述气体混合罐还连接煤制天然气工艺中低温甲醇洗单元。
上述的装置中，所述装置中，还包括所述甲烷化单元之后依次连接的压缩单元和脱碳单元；
所述太阳能和/或风力发电单元包括太阳能和风力组合发电单元、太阳能发电单元和风力发电单元中的一种或多种；优选太阳能和风力组合发电单元发电。
上述的装置中，还包括煤制天然气工艺单元。
上述的装置中，所述电的存储和调节单元通过充放电设备具备电的少量存储及调节功能。
本发明装置中，所述脱硫单元中设有铜基脱硫剂。
本发明还提供了一种天然气的制备方法，包括如下步骤：通过太阳能和/或风力发电制备含氢混合气体，将含氢气体混合物中氢气与煤制天然气中排放的富含CO2的气体反应，制备得到天然气。
上述的方法中，采用上述的装置制备天然气的方法，包括如下步骤：(1)通过所述太阳能和/或风力发电单元间歇和/或连续式发电；
(2)步骤(1)得到的电经所述电的存储和调节单元的存储和调节后，供给所述电解水制氢单元电解水得到含H2的气体混合物；
(3)所述含H2的气体混合物经过膜分离后得到高纯度的氢气和剩余混合气；所述高纯度的氢气依次进入所述氢气储存罐和所述气体混合罐；
(4)将所述煤制天然气工艺中低温甲醇洗单元脱除H2S的CO2的弛放气通入所述气体混合罐中，与所述高纯度的氢气混合得到混合气体；
(5)混合气体经过脱硫单元脱硫后进入甲烷化单元反应，生成甲烷气体；
(6)所述甲烷气体经压缩单元后进入脱碳单元处理脱CO2气体，然后与煤制天然气工艺气混合输出，即得到天然气。
本发明步骤(1)中，优选所述太阳能和风力组合发电单元连续式发电。
上述的方法中，所述电解水制氢单元还制备得到含H2的气体混合物经过膜分离后得到剩余混合气排出系统。
上述的方法中，进入所述气体混合罐的所述含H2的气体混合物与所述脱除H2S的CO2的弛放气的体积比可为8～2：1；具体可为8：1、4：1、3：1、2：1；
所述含H2的气体混合物中氢气的纯度为大于50mol％，具体可为70％、85％、95mol％；
所述脱除H2S的CO2的弛放气中CO2浓度大于50mol％，具体可为70mol％、80mol％或85mol％。
上述的方法中，所述脱硫单元通过铜基脱硫剂将所述混合气体中硫化物含量降低到200ppb以下，具体可为降低到80ppb以下、40ppb以下后；所述铜基脱硫剂采用本领域常规的试剂即可。
上述的方法中，所述甲烷化单元反应的条件如下：温度可为300～700℃，压力可为0.5～9.0MPaG，具体可为1.0MPaG、3.0MPaG、4.0MPaG。
上述的方法中，所述甲烷化单元反应的方法包括固定床绝热循环甲烷化工艺、固定床绝热非循环甲烷化工艺和流化床甲烷化工艺中的至少一种。
上述的方法中，所述电解水制氢单元采用的电解方法包括碱性水溶液电解制氢技术、固体聚合物制氢技术和高温固体氧化物制氢技术中的至少一种；优选高温固体氧化物制氢技术。
上述的方法中，所述脱碳单元采用的脱碳方法是指醇胺法和分子筛脱碳法中的一种，优先醇胺法。
本发明具有以下优点：
本发明方法通过可再生资源太阳能和/或风力发电制备含氢混合气体，该含氢气体混合物与煤制天然气中排放的富含CO2的气体反应，制备天然气，既提高了天然气产量又降低了CO2气体的排放。
附图说明
图1为本发明一种太阳能和/或风力发电制氢与煤制天然气工艺耦合制备天然气的工艺流程示意图。
图2为本发明中实施例1的工艺流程示意图。
图3为本发明中实施例2的工艺流程示意图。
图4为本发明中实施例3的工艺流程示意图。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
如图1所示，为本发明一种太阳能和/或风力发电制氢与煤制天然气工艺耦合制备天然气的工艺流程示意图。
本发明一种太阳能和/或风力发电制氢与煤制天然气工艺耦合制备天然气的装置包括依次连接的太阳能和/或风力发电单元、电的存储和调节单元、电解水制氢单元、氢气储存罐、气体混合罐、脱硫单元、甲烷化单元、压缩单元和脱碳单元；
气体混合罐还连接煤制天然气低温甲醇洗单元。
进一步地，太阳能和/或风力发电单元包括太阳能和风力组合发电单元、太阳能发电单元和风力发电单元中的一种或多种；优选太阳能和风力组合发电单元发电。
进一步地，电的存储和调节单元通过充放电设备具备电的少量存储及调节功能。
实施例1、
如图2所示，本发明一种太阳能发电制氢与煤制天然气工艺耦合制备天然气的方法包括如下步骤：
(1)通过太阳能照射半导体光电二极管，会把太阳的光能变成电能，产生电流。当许多个电池串联或并联起来产生比较大的太阳能电池方阵。
(2)太阳能产生的电流通过蓄电池储存和释放电能进行电量的少量调节后，通过碱性水溶液电解制氢技术制备富含H2的气体混合物。
(3)通过电解水制氢单元制备含氢气的混合气经膜分离后得到纯度为85％的含氢混合气后，依次进入氢气储存罐和气体混合罐；
(4)将煤制天然气工艺中低温甲醇洗单元脱除H2S的CO2浓度为80mol％的弛放气通入气体混合罐中；
(5)进入气体混合罐的含氢混合气与富含CO2的弛放气的体积比范围为4：1；
(6)混合罐混合后的气体经铜基脱硫剂将混合物中硫化物含量降低到40ppb以下后，通过固定床绝热循环甲烷化工艺甲烷化单元操作温度600℃，压力4.0MPaG。
(7)甲烷化反应单元内生成的甲烷气体经压缩到12MPaG后，进入变压吸附脱碳单元；
(8)经醇胺法CO2气体后，合格天然气经压缩后与煤制天然气工艺气混合后外输。
实施例2、
如图3所示，本发明一种风力发电制氢与煤制天然气工艺耦合制备天然气的方法包括如下步骤：
(1)通过风力发电机发出的风电经过变压、整流处理，将电压通过变压器调整到所需电压。
(2)经调整的风力发电的电流通过蓄电池储存和释放电能进行电量的少量调节后，通过固体聚合物电解制氢技术制备富含H2的气体混合物。
(3)通过电解水制氢单元制备含氢气的混合气经膜分离后得到纯度为70％的含氢混合气后，分别进入氢气储存罐和气体混合罐；
(4)将煤制天然气工艺中低温甲醇洗单元脱除H2S的CO2浓度为85mol％的弛放气通入气体混合罐中；
(5)进入气体混合罐的含氢混合气与富含CO2的弛放气的体积比范围为3：3；
(6)混合罐混合后的气体经铜基脱硫剂将混合物中硫化物含量降低到40ppb以下后，通过固定床绝热非循环甲烷化工艺甲烷化单元操作温度500℃，压力1.0MPaG。
(7)甲烷化反应单元内生成的甲烷气体经压缩到9MPaG后，进入醇胺法脱碳单元；
(8)经醇胺法CO2气体后，合格天然气经压缩后与煤制天然气工艺气混合后外输。
实施例4、
如图4所示，一种太阳能和风力发电制氢与煤制天然气工艺耦合制备天然气的方法包括如下步骤：
(1)通过太阳能和风力发电机发出的风电经过变压、调节和整流处理，将电压通过变压器调整到所需电压。
(2)经调整的风力发电的电流通过蓄电池储存和释放电能进行电量的少量调节后，通过高温固体氧化物制氢单元制氢技术制备富含H2的气体混合物。
(3)通过电解水制氢单元制备含氢气的混合气经膜分离后得到纯度为95％的含氢混合气后，分别进入氢气储存罐和气体混合罐；
(4)将煤制天然气工艺中低温甲醇洗单元脱除H2S的CO2浓度为70mol％的弛放气通入气体混合罐中；
(5)进入气体混合罐的含氢混合气与富含CO2的弛放气的体积比范围为1：6；
(6)混合罐混合后的气体经铜基脱硫剂将混合物中硫化物含量降低到80ppb以下后，通过流化床甲烷化工艺甲烷化单的甲烷化单元进行甲烷化反应，甲烷化单元的操作温度550℃，压力3.0MPaG。
(7)甲烷化反应单元内生成的甲烷气体经压缩单元到15MPaG后，进入醇胺法脱碳单元；
(8)经醇胺法CO2气体后，合格天然气经压缩后与煤制天然气工艺气混合后外输。

Claims (10)

1.一种太阳能和/或风力发电制氢与煤制天然气工艺耦合制备天然气的装置，其特征在于：它包括依次连接的太阳能和/或风力发电单元、电的存储和调节单元、电解水制氢单元、氢气储存罐、气体混合罐、脱硫单元和甲烷化单元；
所述气体混合罐还连接煤制天然气工艺中低温甲醇洗单元。
2.根据权利要求1的装置，其特征在于：所述装置中，还包括所述甲烷化单元之后依次连接的压缩单元和脱碳单元；
所述太阳能和/或风力发电单元包括太阳能和风力组合发电单元、太阳能发电单元和风力发电单元中的一种或多种。
3.根据权利要求1或2的装置，其特征在于：所述电的存储和调节单元通过充放电设备具备电的少量存储及调节功能。
4.一种天然气的制备方法，包括如下步骤：通过太阳能和/或风力发电制备含氢混合气体，将含氢气体混合物中氢气与煤制天然气中排放的富含CO2的气体反应，制备得到天然气。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：采用权利要求1-3中任一项的装置制备天然气的方法，包括如下步骤：(1)通过所述太阳能和/或风力发电单元间歇和/或连续式发电；
(2)步骤(1)得到的电经电的存储和调节单元的存储和调节后，供给电解水制氢单元电解水得到含H2的气体混合物；
(3)所述含H2的气体混合物经过膜分离后得到高纯度的氢气和剩余混合气；所述高纯度的氢气依次进入所述氢气储存罐和所述气体混合罐；
(4)将煤制天然气工艺中低温甲醇洗单元脱除H2S的CO2的弛放气通入气体混合罐中，与所述高纯度的氢气混合得到混合气体；
(5)混合气体经过脱硫单元脱硫后进入甲烷化单元反应，生成甲烷气体；
(6)所述甲烷气体经压缩单元后进入脱碳单元处理脱CO2气体，然后与煤制天然气工艺气混合输出，即得到天然气。
6.根据权利要求5的方法，其特征在于：进入所述气体混合罐的含H2的气体混合物与脱除H2S的CO2的弛放气的体积比为8～2：1；
所述含H2的气体混合物中氢气的纯度为大于50mol％；
所述脱除H2S的CO2的弛放气中CO2浓度大于50mol％。
7.根据权利要求5或6的方法，其特征在于：所述脱硫单元通过铜基脱硫剂将混合气体中硫化物含量降低到200ppb以下；
所述甲烷化单元反应的条件如下：温度为300～700℃，压力为0.5～9.0MPaG。
8.根据权利要求5-7中任一项的方法，其特征在于：所述甲烷化单元反应的方法包括固定床绝热循环甲烷化工艺、固定床绝热非循环甲烷化工艺和流化床甲烷化工艺中的至少一种。
9.根据权利要求5-8中任一项的方法，其特征在于：所述电解水制氢单元采用的电解方法包括碱性水溶液电解制氢技术、固体聚合物制氢技术和高温固体氧化物制氢技术中的至少一种。
10.根据权利要求5-9中任一项的方法，其特征在于：所述脱碳单元采用的脱碳方法是指醇胺法和分子筛脱碳法中的一种。
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