CN113292394A - 一种焦炉煤气耦合垃圾焚烧发电制甲醇系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及甲醇制备技术领域，尤其涉及一种焦炉煤气耦合垃圾焚烧发电制甲醇系统，包括：燃烧生活垃圾进行发电的垃圾焚烧发电单元，从排放的烟气中捕集二氧化碳的二氧化碳捕集单元，以及将焦炉煤气、捕集到的二氧化碳和氧气共重整后，合成为甲醇，并排出甲醇驰放气的甲醇合成单元，其中，甲醇驰放气部分送入到垃圾焚烧发电单元内与生活垃圾混合燃烧，本发明提供的系统不光解决了焦炉煤气制备甲醇过程中的二氧化碳来源问题，充分利用了垃圾焚烧产生烟气中的二氧化碳，减少了碳排放，还解决了焦炉煤气制备甲醇过程中的副产物甲醇驰放气的排放问题，将甲醇驰放气燃烧，又可以用于发电，提高了发电量。

Description

一种焦炉煤气耦合垃圾焚烧发电制甲醇系统
技术领域
本发明涉及甲醇制备技术领域，尤其涉及一种焦炉煤气耦合垃圾焚烧发电制甲醇系统。
背景技术
炼焦过程主要副产品为焦炉煤气，中国作为最大的焦炭生产地，焦炉煤气产量非常巨大，年产高达20000亿方。焦炉煤气能量密度较高，为了避免资源浪费和环境污染，一般将焦炉煤气作为燃料、化工合成原料使用，其中利用焦炉煤气生产基础化工原料甲醇工业化程度最高。由于焦炉煤气制甲醇工艺经济性和环境友好度较高，因此应用占比较大。合成甲醇最优氢碳比一般为2.0-2.1，但焦炉煤气中氢碳比一般高于5，重整后仍偏离最优氢碳较远，因此限制了转化效率。同时，采用焦炉煤气制备甲醇的过程中会产生大量的甲醇驰放气，而且甲醇驰放气的利用成本高，利用率不高。
生活垃圾焚烧发电可有效实现垃圾减量化、无害化和资源化。为了避免高温腐蚀，余热锅炉一般产出中温中压蒸汽，因此整体发电效率较低。
鉴于上述问题的存在，本设计人基于从事此类产品工程应用多年丰富的实务经验及专业知识，积极加以研究创新，以期创设一种焦炉煤气耦合垃圾焚烧发电制甲醇系统，使其更具有实用性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种焦炉煤气耦合垃圾焚烧发电制甲醇系统，既为焦炉煤气制备甲醇过程寻找到了一种高效的补碳方式，又能兼顾高效、低成本利用甲醇驰放气来提升生活垃圾焚烧发电的发电效率。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种焦炉煤气耦合垃圾焚烧发电制甲醇系统，包括：
垃圾焚烧发电单元，用于对生活垃圾燃烧并利用其产生的热量进行发电；
二氧化碳捕集单元，用于捕集垃圾焚烧单元排出烟气中的二氧化碳；
空气分离装置，用于从空气中分离出氧气；
甲醇合成单元，用于将焦炉煤气、二氧化碳捕集单元捕集到的二氧化碳和氧气共重整后，合成为甲醇，并排出甲醇驰放气；其中，
所述甲醇驰放气部分送入到所述垃圾焚烧发电单元内与生活垃圾混合燃烧。
进一步地，所述垃圾焚烧发电单元包括垃圾焚烧炉、余热锅炉、汽轮机高压缸、汽轮机低压缸和发电机组，其中，所述余热锅炉的烟气入口与所述垃圾焚烧炉相连，所述汽轮机高压缸的入口与所述余热锅炉的蒸汽出口相连，所述汽轮机低压缸的入口与所述汽轮机高压缸的出口相连，所述汽轮机高压缸和所述汽轮机低压缸均输出动能给所述发电机组，所述发电机组利用动能产出电能。
进一步地，所述垃圾焚烧炉采用机械炉排焚烧炉、流化床焚烧炉或回转焚烧炉中的任一种。
进一步地，所述汽轮机低压缸出口连通有去凝气器，所述去凝气器将从所述汽轮机低压缸出口排出的气体冷凝成水，凝结水作为给水依次通过凝结水泵、低压加热器、除氧器、给水泵送回到余热锅炉内。
进一步地，所述甲醇合成单元包括顺次由管线相连接的焦炉煤气脱硫装置、焦炉煤气重整反应器、压缩机、甲醇合成反应器、气体冷却器、气液分离罐、闪蒸罐和精馏塔，其中，
所述焦炉煤气脱硫装置用于将焦炉煤气中有机硫和无机硫脱除；
所述焦炉煤气重整反应器的进气口连通有所述焦炉煤气脱硫装置、所述二氧化碳捕集单元和所述空气分离装置，经焦炉煤气脱硫装置处理后的焦炉煤气、经二氧化碳捕集单元捕集到的二氧化碳和经空气分离装置分离出的氧气均送入到所述焦炉煤气重整反应器内混合并发生重整反应，重整成含有一氧化碳和氢气的合成气；
所述压缩机用于对上述合成气进行压缩；
所述甲醇合成反应器用于将压缩后的混合气体催化生成甲醇；
所述气体冷却器用于对生成的甲醇进行冷却；
所述气液分离罐用于将冷却后的甲醇进行分离，分离出液相的粗甲醇，分离出的气相部分送回到甲醇合成反应器进口、其余部分作为甲醇驰放气排出；
所述闪蒸罐用于对液相的粗甲醇进行闪蒸，并排出一部分甲醇驰放气；
所述精馏塔用于对闪蒸后的甲醇进行精馏，获得高纯度甲醇。
进一步地，所述甲醇合成反应器内装填有甲醇合成催化剂，所述甲醇合成反应器为固定床反应器、列管式反应器中的一种。
进一步地，还包括独立蒸汽再热单元，所述气液分离罐和所述闪蒸罐排出的甲醇驰放气部分送入到所述垃圾焚烧发电单元内进行燃烧、其余部分送入到所述独立蒸汽再热单元内进行燃烧，所述独立蒸汽再热单元用于再次加热所述汽轮机高压缸和所述汽轮机低压缸之间的蒸汽。
进一步地，所述独立蒸汽再热单元采用燃烧加热炉。
进一步地，所述独立蒸汽再热单元内燃烧后生成的烟气通过管道也送入到所述二氧化碳补集单元内。
进一步地，所述甲醇合成反应器采用列管式反应器，甲醇合成反应产生的热量用于将饱和水加热成饱和水蒸气，该水蒸气通入到所述精馏塔和所述二氧化碳捕集单元内。
本发明的有益效果为：本发明的焦炉煤气耦合垃圾焚烧的工艺不光解决了焦炉煤气制备甲醇过程中的二氧化碳来源问题，充分利用了垃圾焚烧产生烟气中的二氧化碳，减少了碳排放，还解决了焦炉煤气制备甲醇过程中的副产物甲醇驰放气的排放问题，将部分甲醇驰放气与生活垃圾混合燃烧，产生的热量又可以用于发电，进一步提高了发电量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中焦炉煤气耦合垃圾焚烧发电制甲醇系统的工艺流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一 个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元 件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用 的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目 的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术 领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术 语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的 术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
如图1所示的焦炉煤气耦合垃圾焚烧发电制甲醇系统，包括：
垃圾焚烧发电单元，用于对生活垃圾燃烧并利用其产生的热量进行发电；
二氧化碳捕集单元，用于捕集垃圾焚烧单元排出烟气中的二氧化碳；
空气分离装置，用于从空气中分离出氧气；
甲醇合成单元，用于将焦炉煤气、二氧化碳捕集单元捕集到的二氧化碳和氧气合成为甲醇，并排出甲醇驰放气；其中，
甲醇驰放气部分送入到垃圾焚烧发电单元内与生活垃圾混合燃烧。
本发明中将垃圾焚烧工艺和焦炉煤气制备甲醇的工艺相结合，其中垃圾焚烧发电单元排放的烟气中富含大量的二氧化碳，通过二氧化碳捕集单元对烟气中的二氧化碳进行捕集，甲醇合成单元利用上述捕集到的二氧化碳、空气分离装置分离出的氧气和供应的焦炉煤气作为原料通过催化的方式制备甲醇，并排出甲醇驰放气，甲醇驰放气作为燃气又可以送入到垃圾焚烧发电单元与生活垃圾进行混合燃烧，提高了燃烧效率，而且也对甲醇驰放气进行了无害化处理，充分利用了该资源。
上述方式不光解决了焦炉煤气制备甲醇过程中的二氧化碳来源问题，充分利用了垃圾焚烧产生烟气中的二氧化碳，减少了碳排放，还解决了焦炉煤气制备甲醇过程中的副产物甲醇驰放气的排放问题，将甲醇驰放气与生活垃圾混合燃烧，产生的热量又可以用于发电，进一步提高了发电量。
作为上述实施例的优选，垃圾焚烧发电单元包括垃圾焚烧炉、余热锅炉、汽轮机高压缸、汽轮机低压缸和发电机组，其中，余热锅炉的烟气入口与垃圾焚烧炉相连，汽轮机高压缸的入口与余热锅炉的蒸汽出口相连，汽轮机低压缸的入口与汽轮机高压缸的出口相连，汽轮机高压缸和汽轮机低压缸均输出动能给发电机组，发电机组利用动能产出电能。
如图1所示，余热锅炉的烟气入口与垃圾焚烧炉相连，垃圾焚烧炉内生活垃圾焚烧产生的高温烟气进入到余热锅炉内进行换热，余热锅炉内置水冷壁、过热器和省煤器，将高温烟气中热能回收，对进入到余热锅炉的水进行加热，生成过过热蒸汽，汽轮机高压缸的入口与余热锅炉的蒸汽出口相连，汽轮机低压缸的入口与汽轮机高压缸的出口相连，过热蒸汽依次进入到汽轮机高压缸和汽轮机低压缸，使汽轮机输出动能带动发电机组进行发电，从而完成垃圾焚烧发电单元的发电作业。
更具体的，垃圾焚烧炉采用机械炉排焚烧炉、流化床焚烧炉或回转焚烧炉中的任一种，生活垃圾、甲醇驰放气和空气在炉内混合燃烧产生高温烟气。
为了节约用水，汽轮机低压缸出口连通有去凝气器，去凝气器将从汽轮机低压缸出口排出的气体冷凝成水，凝结水作为给水依次通过凝结水泵、低压加热器、除氧器、给水泵送回到余热锅炉内，水从余热锅炉内加热生成过热蒸汽，过热蒸汽依次通过汽轮机高压缸和汽轮机低压做功后又在去凝气器内冷凝成水，冷凝水通过泵重新回流到余热锅炉内，从而组成了一个水循环，充分利用了水资源，减少了资源浪费，更具实用性。
作为上述实施例的优选，甲醇合成单元包括顺次由管线相连接的焦炉煤气脱硫装置、焦炉煤气重整反应器、压缩机、甲醇合成反应器、气体冷却器、气液分离罐、闪蒸罐和精馏塔，其中，
焦炉煤气脱硫装置用于将焦炉煤气中有机硫和无机硫脱除；
焦炉煤气重整反应器的进气口连通有焦炉煤气脱硫装置、二氧化碳捕集单元和空气分离装置，经焦炉煤气脱硫装置处理后的焦炉煤气、经二氧化碳捕集单元捕集到的二氧化碳和经空气分离装置分离出的氧气均送入到焦炉煤气重整反应器内混合并发生重整反应，重整成含有一氧化碳和氢气的合成气；
压缩机用于对上述合成气进行压缩；
甲醇合成反应器用于将压缩后的混合气体催化生成甲醇；
气体冷却器用于对生成的甲醇进行冷却；
气液分离罐用于将冷却后的甲醇进行分离，分离出液相的粗甲醇，分离出的气相部分送回到甲醇合成反应器进口、其余部分作为甲醇驰放气排出；
闪蒸罐用于对液相的粗甲醇进行闪蒸，并排出一部分甲醇驰放气；
精馏塔用于对闪蒸后的甲醇进行精馏，获得高纯度甲醇。
本发明中，焦炉煤气先送入到焦炉煤气脱硫装置内进行脱硫处理，然后通过管道送入到焦炉煤气重整反应器内，二氧化碳捕集单元从烟气中吸附到二氧化碳，其中二氧化碳捕集技术可采用膜分离法、化学吸收法和活性炭吸附法中的任一种，推荐采用化学吸附法，吸附的二氧化碳经过脱附反应从二氧化碳补集单元中脱附出来，然后进入到焦炉煤气重整反应器内，空气分离装置从空气中分离出纯氧来也送入到焦炉煤气重整反应器内，焦炉煤气重整反应器中焦炉煤气、二氧化碳和氧气发生重整反应，将焦炉煤气中甲烷重整为一氧化碳和氢气，并通过调节进气比获得最优碳氢比，重整后的混合气体进入到压缩机内进行压缩，压缩至60-80bar，压缩后的混合气体送入到甲醇反应器内催化生成甲醇，生成的甲醇先经过气体冷却器进行冷却处理，再送入到气液分离罐内进行分离处理，分离出液相的粗甲醇，分离出气相部分送回到甲醇合成反应器内作为原料继续生成甲醇，气相其余部分作为甲醇驰放气排出，液相的粗甲醇送入到闪蒸罐内进行闪蒸，同时排出一部分甲醇驰放气，闪蒸后的粗甲醇进入到精馏塔内进行精馏，获得高纯度甲醇。
更具体的，甲醇合成反应器内装填有甲醇合成催化剂，甲醇合成反应器为固定床反应器、列管式反应器中的一种，通过催化剂催化的方式来制备甲醇。
为了高效的利用甲醇驰放气，还包括独立蒸汽再热单元，气液分离罐和闪蒸罐排出的甲醇驰放气部分送入到垃圾焚烧发电单元内进行燃烧、其余部分送入到独立蒸汽再热单元内进行燃烧，独立蒸汽再热单元用于再次加热汽轮机高压缸和汽轮机低压缸之间的蒸汽，将气液分离罐和闪蒸罐排出的甲醇驰放气部分送入到垃圾焚烧发电单元内进行燃烧，具体好处前面已经陈述，在此不再赘述，其余部分送入到独立蒸汽再热单元内进行燃烧，独立蒸汽再热单元用于再次加热汽轮机高压缸和汽轮机低压缸之间的蒸汽，通过在汽轮机高压缸和汽轮机低压缸之间设计独立蒸汽再热单元可以将汽轮机高压缸排出的过热蒸汽进行再次加热，之后送入汽轮机低压缸内，直接对过热蒸汽进行再热，可提高蒸汽循环的平均吸热温度，进而提高了发电效率。
更具体的，独立蒸汽再热单元采用燃烧加热炉，燃烧加热炉以甲醇驰放气作为燃料，内部设置有换热管道，对汽轮机高压缸内排出的过热蒸汽进行再次加热。
为了减少碳排放，充分利用资源，独立蒸汽再热单元内燃烧后生成的烟气通过管道也送入到二氧化碳补集单元内，对独立蒸汽再热单元排出的二氧化碳也进行了二次利用，有效减少了烟气中的二氧化碳。
作为上述实施例的优选，甲醇合成反应器采用列管式反应器，甲醇合成反应产生的热量用于将水加热成水蒸气，该水蒸气通入到精馏塔和二氧化碳捕集单元内，精馏塔在精馏过程中需要吸收热量，以及二氧化碳捕集单元在对二氧化碳进行捕集过程中也需要吸收热量，而甲醇合成反应是一个放热反应，通过采用列管式反应器来将热量传给精馏塔和二氧化碳捕集单元，有效利用了甲醇合成反应的产热，减少了热排放。
实施例一：
本实施例已用于实际生产，具体为脱硫处理后的焦炉煤气流量为112000 m3/hr，焦炉煤气的成分组成为H2：CO：CO2：CH4：C2H6：N2=57.5：8.9：3.2：27.1：1.3：2.3，垃圾焚烧量为600 吨/天，余热锅炉产生过热蒸汽，过热蒸汽参数为400 ℃、4 Mpa，二氧化碳的捕集量为420 kmol/hr，从空气中分离纯氧量为810 mol/hr，甲醇产量为甲醇产量为74.55 t/hr，甲醇驰放气排放量9.89 t/hr。65%的甲醇驰放气送入垃圾焚烧炉内与垃圾混合燃烧，产出蒸汽总量为82.1 t/hr。35%的甲醇驰放气送入独立蒸汽再热单元，燃烧后加热汽轮机高压缸出口的蒸汽，然后将参数为400℃、1.2Mpa的蒸汽送回汽轮机低压缸。系统改进前同容量垃圾焚烧装置发电量为11.3MW，改进后发电量为20.7MW，甲醇驰放气转化热效率达到69%，有效提高了发电量。
本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种焦炉煤气耦合垃圾焚烧发电制甲醇系统，其特征在于，包括：
垃圾焚烧发电单元，用于对生活垃圾燃烧并利用其产生的热量进行发电；
二氧化碳捕集单元，用于捕集垃圾焚烧单元排出烟气中的二氧化碳；
甲醇合成单元，用于将焦炉煤气、二氧化碳捕集单元捕集到的二氧化碳和氧气共重整后，合成为甲醇，并排出甲醇驰放气；其中，
所述甲醇驰放气部分送入到所述垃圾焚烧发电单元内与生活垃圾混合燃烧。
2.根据权利要求1所述的焦炉煤气耦合垃圾焚烧发电制甲醇系统，其特征在于，所述垃圾焚烧发电单元包括垃圾焚烧炉、余热锅炉、汽轮机高压缸、汽轮机低压缸和发电机组，其中，所述余热锅炉的烟气入口与所述垃圾焚烧炉相连，所述汽轮机高压缸的入口与所述余热锅炉的蒸汽出口相连，所述汽轮机低压缸的入口与所述汽轮机高压缸的出口相连，所述汽轮机高压缸和所述汽轮机低压缸均输出动能给所述发电机组，所述发电机组利用动能产出电能。
3.根据权利要求2所述的焦炉煤气耦合垃圾焚烧发电制甲醇系统，其特征在于，所述垃圾焚烧炉采用机械炉排焚烧炉、流化床焚烧炉或回转焚烧炉中的任一种。
4.根据权利要求2所述的焦炉煤气耦合垃圾焚烧发电制甲醇系统，其特征在于，所述汽轮机低压缸出口连通有去凝气器，所述去凝气器将从所述汽轮机低压缸出口排出的气体冷凝成水，凝结水做为给水送回到余热锅炉内。
5.根据权利要求2-4任一项所述的焦炉煤气耦合垃圾焚烧发电制甲醇系统，其特征在于，所述甲醇合成单元包括顺次由管线相连接的焦炉煤气脱硫装置、焦炉煤气重整反应器、压缩机、甲醇合成反应器、气体冷却器、气液分离罐、闪蒸罐和精馏塔，其中，
所述焦炉煤气脱硫装置用于将焦炉煤气中有机硫和无机硫脱除；
所述焦炉煤气重整反应器的进气口连通有所述焦炉煤气脱硫装置、所述二氧化碳捕集单元和空气分离装置，经焦炉煤气脱硫装置处理后的焦炉煤气、经二氧化碳捕集单元捕集到的二氧化碳和经空气分离装置分离出的氧气均送入到所述焦炉煤气重整反应器内混合并发生重整反应，重整成含有一氧化碳和氢气的合成气；
所述压缩机用于对上述合成气进行压缩；
所述甲醇合成反应器用于将压缩后的混合气体催化生成甲醇；
所述气体冷却器用于对生成的甲醇进行冷却；
所述气液分离罐用于将冷却后的甲醇进行分离，分离出液相的粗甲醇，分离出的气相部分送回到甲醇合成反应器进口、其余部分作为甲醇驰放气排出；
所述闪蒸罐用于对液相的粗甲醇进行闪蒸，并排出一部分甲醇驰放气；
所述精馏塔用于对闪蒸后的甲醇进行精馏，获得高纯度甲醇。
6.根据权利要求1所述的焦炉煤气耦合垃圾焚烧发电制甲醇系统，其特征在于，所述甲醇合成反应器内装填有甲醇合成催化剂，所述甲醇合成反应器为固定床反应器、列管式反应器中的一种。
7.根据权利要求5所述的焦炉煤气耦合垃圾焚烧发电制甲醇系统，其特征在于，还包括独立蒸汽再热单元，所述气液分离罐和所述闪蒸罐排出的甲醇驰放气部分送入到所述垃圾焚烧发电单元内进行燃烧、其余部分送入到所述独立蒸汽再热单元内进行燃烧，所述独立蒸汽再热单元用于再次加热所述汽轮机高压缸和所述汽轮机低压缸之间的蒸汽。
8.根据权利要求7所述的焦炉煤气耦合垃圾焚烧发电制甲醇系统，其特征在于，所述独立蒸汽再热单元采用燃烧加热炉。
9.根据权利要求7所述的焦炉煤气耦合垃圾焚烧发电制甲醇系统，其特征在于，所述独立蒸汽再热单元内燃烧后生成的烟气通过管道也送入到所述二氧化碳补集单元内。
10.根据权利要求6所述的焦炉煤气耦合垃圾焚烧发电制甲醇系统，其特征在于，所述甲醇合成反应器采用列管式反应器，甲醇合成反应产生的热量用于将饱和水加热成饱和水蒸气，该水蒸气通入到所述精馏塔和所述二氧化碳捕集单元内。
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