CN110467947A - 一种基于风光沼气资源的可再生天然气生产工艺 - Google Patents

一种基于风光沼气资源的可再生天然气生产工艺 Download PDF

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Abstract

本发明的一种基于风光沼气资源的可再生天然气生产工艺，包括以下步骤：（1）来自沼气源的沼气经过沼气净化装置除去杂质，获得主要成分为甲烷和二氧化碳的净化气；（2）将净化气送入沼气提纯装置进行分离，提纯后的甲烷输入天然气管网，排出的二氧化碳送入电制气装置；同时，利用风力发电和/或光伏发电获得的电力，通入电解水装置中进行电解水，获得的氢气送入电制气装置；（3）在电制气装置中，氢气和二氧化碳在一定的温度和压力下进行反应，生成的甲烷送入天然气管网。本发明构造了“风、光、沼气”多能互补供能资源，利用可再生能源制取天然气，过程清洁环保，可以缓解电网“弃风、弃光”现象，有利于风、光间歇性新能源消纳。

Description

一种基于风光沼气资源的可再生天然气生产工艺
技术领域
本发明涉及一种基于风光沼气资源多能互补的可再生天然气生产工艺。
背景技术
天然气作为一种清洁、环保的绿色能源在全世界范围受到了广泛的推广和应用，世界天然气消耗占一次能源比例达24.1％，其中：北美31.8％，中南美46.2％，欧洲32.3％，中东51.5％，非洲28.2％，亚太11.7％。与世界平均水平相比，我国天然气利用仍处于较低水平，《加快推进天然气利用的意见》提出：“逐步将天然气培育成为我国现代清洁能源体系的主体能源之一，到2030年，力争将天然气在一次能源消费结构中的占比提高到15％左右。2017年，我国全年天然气消费量2352亿立方米，天然气国内产量1476亿立方米，全年天然气进口量926亿立方米，对外依存度升至38.5％。如何提高天然气产量成为国内专家学者关注的重点。
中国专利文献CN105623762A公开了一种二氧化碳分段甲烷化制取天然气的方法，主要关注将二氧化碳分段甲烷化的步骤；中国专利文献CN103396853A公开了一种沼气净化制取天然气的工艺，通过脱硫、脱水、脱碳等一系列工序净化沼气，得到主产物天然气和副产物液态二氧化碳；中国专利文献CN103756741A公开了一种利用可再生电力的固体氧化物电解池制天然气的方法，利用可再生电力能源，通过SOEC高温共电解CO2/H2O混合气体，将捕集到的CO2高效转化为CO/H2/CH4混合气体和纯氧，所得产物可返回煤制天然气过程进一步分别供甲烷化和气化炉使用。
但是，目前的技术往往只关注天然气合成技术，而缺少对于多能互补的理念应用。一方面，可再生能源发电具有波动性和间歇性特性，另一方面如何找到稳定的CO2来源也是要解决的问题。因此，可再生天然气生产的关键就在于可再生电力能源与可再生生物沼气的有机互补。
近年来逐渐成熟的电转气(Power to gas)技术为可再生能源的大量存储和利用提供了新的思路：通过电转气设备将富余的电能转化为人造天然气，注入到天然气网络中进行存储和传输，在此基础上通过协调电力系统与天然气网络之间的运行，可以明显提高系统接纳可再生能源发电的能力。
我国能源结构为“多煤、贫油、少气”，本发明提供了一种制取可再生天然气的技术路线，可以提高我国天然气产量，满足我国日益增长的天然气消耗量的需求。同时，本方案利用可再生能源，能有效缓解新能源“弃电”的现象。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于风光沼气资源的可再生天然气生产工艺，采用气电耦合供能系统，着重考虑风、光等可再生能源、燃料能源与可再生能源的互补特性，以解决现有技术中缺少能源侧互补的问题，可满足气电互补，协调运行的需求。
本发明的一种基于风光沼气资源的可再生天然气生产工艺，其特征在于，主要包括下列步骤：
(1)来自沼气源的沼气经过沼气净化装置除去杂质，获得主要成分为甲烷(CH4)和二氧化碳(CO2)的净化气；
(2)将净化气送入沼气提纯装置进行分离，提纯后的甲烷输入天然气管网，排出的二氧化碳送入电制气装置；同时，利用风力发电和/或光伏发电获得的电力，通入电解水装置中进行电解水，获得的氢气送入电制气装置；
(3)在电制气装置中，氢气和二氧化碳在一定的温度和压力下进行反应，生成的甲烷送入天然气管网。
由于工业、污水、农业有机垃圾等产生的沼气含少量的氧气、氢气、氮气、硫化氢等气体，因此，在所述的步骤(1)中，所述的杂质为氧气、氮气和硫化氢，所述的净化气中甲烷含量为30％～70％，二氧化碳的含量为30％～40％。
本发明一种基于风光沼气资源的可再生天然气生产工艺，构造“风、光、沼气”多能互补供能资源，利用可再生能源制取天然气，整个过程清洁、环保，无污染物排放，是一种可再生的天然气工艺流程，可以缓解电网“弃风、弃光”现象，有利于新能源消纳。
本发明在关注天然气生产工艺的同时，更加关注气、电耦合技术的应用于推广。通过风光沼气资源多能互补，改变了传统电网与天然气网之间的耦合仅限于燃气轮机，即天然气向电能单向转换这一现状，使电网和天然气网之间的能量实现双向传输成为可能，密切了电网与天然气网之间的联系。同时P2G技术可将丰富的风光电能制成氢气，再吸收CO2合成甲烷，注入天然气网进行传输，对提升电-气互联系统的风、光间歇性可再生电力消纳及低碳均具有重要意义。
附图说明
图1为本发明的基于风光沼气资源的可再生天然气生产工艺示意图；
图2为实施例1的气体产量逐时负荷图；
图3为实施例1的典型日能量平衡图；
图4为实施例1的制氢耗电量图；
图5为实施例1的CH4逐时产量。
具体实施方式
本技术领域的一般技术人员应当认识到本实施例仅是用来说明本发明，而并非用作对本发明的限定，只要在本发明的实施范围内对实施例进行变换、变型都可落在本发明权利要求的范围内。
实施例1
如图1所示，本发明的基于风光沼气资源的可再生天然气生产工艺，包括以下步骤：(1)来自沼气源的沼气经过沼气净化装置除去杂质，获得主要成分为甲烷(CH4)和二氧化碳(CO2)的净化气；(2)将净化气送入沼气提纯装置进行分离，提纯后的甲烷输入天然气管网，排出的二氧化碳送入电制气装置；同时，利用风力发电和/或光伏发电获得的电力，通入电解水装置中进行电解水，获得的氢气送入电制气装置；(3)在电制气装置中，氢气和二氧化碳在一定的温度和压力下进行反应，生成的甲烷送入天然气管网。
进一步地，在步骤(1)中所述的沼气净化装置由串联的脱硫设备、脱水设备和过滤设备组成，以除去沼气中的H2S和/或H2O以及夹带的固体杂质；
沼气进入所述的脱硫设备进行脱硫，采用干法氧化铁脱硫塔脱硫，脱硫反应式如下：
Fe2O3+3H2O+3H2S＝Fe2S3+6H2O (1)
Fe2O3+3H2O+3H2S＝2FeS+S+6H2O (2)
所述的脱水装置为铺设了干燥剂(例如：硅胶、氧化铝等)的吸附床，沼气通过吸附床时被干燥剂吸收了水分从而被干燥；脱水后的沼气通过所述的过滤装置过滤掉夹带的杂质。
进一步地，在步骤(2)中所述的沼气提纯装置采用压力水洗法对沼气进行提纯；压力水洗法是利用CO2、CH4在水中溶解度的巨大差异实现它们的分离，在水中，CO2在溶解度是CH4的30倍左右，加压水洗时，CO2水中溶解在水中，而CH4在水中几乎不溶解，CH4在水洗塔顶部富集后被收集，降压时，溶解在水中的CO2解吸出来，实现CH4、CO2的分离，完成沼气提纯。
进一步地，在步骤(2)中所述的电解水装置采用碱液(例如：KOH和/或NaOH溶液)为电解质，电解过程中水被电解，产生氢气和氧气；
直流电作用在以碱液为电介质的溶液时，在阴极和阳极发生下列反应：(1)阴极反应：
电解液中水电离后产生的H+受阴极的吸引而移向阴极，接受电子而析出氢气，其放电反应应为：
4e+4H2O＝2H2↑+4OH- (3)
(2)阳极反应：
电解液中的OH-受阳极的吸引而移向阳极，最后放出电子而成为水和氧气，其放电反应为：
4OH-＝2H2O＝O2↑+4e (4)。
进一步地，在所述的步骤(3)的电制气装置中，CO2和H2在催化剂加热条件下反应生成甲烷；主要化学反应公式如下：
4H2+CO2→2H2O+CH4 (5)
化学式(5)中：H2O、H2、O2、CO2、CH4分别代表水、氢气、氧气、二氧化碳、甲烷。
目前通过电解水装置制得1m3氢气的实际电能消耗为5kWh左右，实际耗水量约为850g；假设电网在夜间0：09-15:00允许可再生电能上网，其余时间禁止上网，对某一沼气源24小时进行反应进行仿真模拟；净化后沼气产量、提纯后CH4产量，CO2产量、电解水H2产量如图2所示。
图3可以看出：风电、光伏发电满足用电负荷后，如果不能利用将在1:00-8:00、16:00-24:00时段会出现大量可再生能源弃电；
图4可以看出1:00-8:00、16:00-24:00时段，可再生能源弃电电量电解水制氢合成甲烷。累计消耗弃电电量3901kWh，网购电量5591；
图5为甲烷逐时产量，沼气提纯CH4累计产量为1107.4m3，CO2合成CH4产量为474.6m3；甲烷典型日总产量为1582m3。
目前生产甲烷气的价格为3元/m3，网购电价格为0.5元/kWh，气电价格0.2元/kWh测算，日收益1170.3元。

Claims (7)

1.一种基于风光沼气资源的可再生天然气生产工艺，其特征在于，包括以下步骤：（1）来自沼气源的沼气经过沼气净化装置除去杂质，获得主要成分为甲烷和二氧化碳的净化气；（2）将净化气送入沼气提纯装置进行分离，提纯后的甲烷输入天然气管网，排出的二氧化碳送入电制气装置；同时，利用风力发电和/或光伏发电获得的电力，通入电解水装置中进行电解水，获得的氢气送入电制气装置；（3）在电制气装置中，氢气和二氧化碳在一定的温度和压力下进行反应，生成的甲烷送入天然气管网。
2.根据权利要求1所述的可再生天然气生产工艺，其特征在于，在步骤（1）中所述的沼气净化装置由串联的脱硫设备、脱水设备和过滤设备组成；沼气进入所述的脱硫设备进行脱硫；所述的脱水装置为铺设了干燥剂的吸附床；脱水后的沼气通过所述的过滤装置过滤掉夹带的杂质。
3.根据权利要求2所述的可再生天然气生产工艺，其特征在于，所述的脱硫设备为干法氧化铁脱硫塔；所述的干燥剂为硅胶和/或氧化铝干燥剂。
4.根据权利要求1所述的可再生天然气生产工艺，其特征在于，在步骤（2）中所述的沼气提纯装置采用压力水洗法对沼气进行提纯。
5.根据权利要求1所述的可再生天然气生产工艺，其特征在于，在步骤（2）中所述的电解水装置采用碱液为电解质，电解过程中水被电解，产生氢气和氧气。
6.根据权利要求5所述的可再生天然气生产工艺，其特征在于，所述的碱液为KOH和/或NaOH溶液。
7.根据权利要求1所述的可再生天然气生产工艺，其特征在于，在所述的步骤（3）的电制气装置中，CO2和H2在催化剂加热条件下反应生成甲烷。
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