CN113398716B - 可再生能源制氢耦合电厂捕集二氧化碳的生物甲烷化系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可再生能源制氢耦合电厂捕集二氧化碳的生物甲烷化系统，该系统包括：可再生能源制氢子系统：用以通过接收可再生能源发电进行电解水得到氧气以及作为底物气体的氢气；二氧化碳捕集子系统：以电厂烟气为源头捕集回收作为底物气体的二氧化碳；H2/CO2生物甲烷化子系统：用以以氢气和二氧化碳作为底物气体通过产甲烷菌的代谢作用生成甲烷并入天然气管网。与现有技术相比，本发明具有甲烷反应效果更好、二氧化碳转化效率更高、能量损耗更小、高效可靠、模块化建设且扩展性强、推广应用潜力大等优点，通过应用多种绿色低碳技术，构建了新型绿色的能源循环利用体系，实现了可再生能源的深度消纳和二氧化碳的减量化处理。
Description
技术领域
本发明涉及电解水制氢及CO2捕集及资源化能源利用领域，尤其是涉及一种可再生能源制氢耦合电厂捕集二氧化碳的生物甲烷化系统。
背景技术
能源的绿色生产及利用与气候环境的改善密切相关，而全面提高资源利用效率、有效解决能源电力行业中的二氧化碳减排问题是保证我国经济社会可持续发展的重要组成部分。可再生能源制氢、二氧化碳捕集以及生物甲烷化合成是优化我国能源结构、大规模发展可再生能源、推动绿色低碳发展的关键技术之一，助力我国尽早实现“碳排放达峰和碳中和”这个长期气候目标。
当前我国可再生能源利用率(水电、风电、光伏)总体上已达到95％以上，但由于可再生能源装机容量和发电量仍在增加且基数庞大，剩余5％左右的可再生能源消纳问题依旧存在。现阶段利用富余的可再生电力电解水制取得到对环境友好的绿色氢气，十分有利于分布式风电、光伏等可再生能源的大规模消纳。但由于国内氢能储运的基础设施发展还不够完备、制取成本偏高等因素制约，进而必需开发及探索氢气利用下游就近用户侧市场以及相关转化技术。
我国二氧化碳最主要来源于能源工业生产过程，其所排放的二氧化碳占比在40％以上。目前，二氧化碳捕集、利用及封存(CCUS)技术作为当前一项重要且技术相对成熟的碳减排及利用方式，能够显著减少化工制造及发电过程中的二氧化碳排放。在二氧化碳捕集方面，通常包括燃烧后捕集、富氧燃烧、燃烧前捕集以及内在的分离四种方法，其中，燃烧后捕集技术较为成熟且多应用于大型CCUS项目。在二氧化碳利用方面，应用范围比较广泛，包括：
1)非燃料的化工应用，如：食品加工、制作碳酸饮料和提高石油采收率(CO2-EOR)等；
2)在合成生产可再生燃料中使用，如：合成甲烷、甲醇、碳、汽油与柴油低分子烃类等。
但由于合成过程中需要大量低碳能源，因此基本只在拥有丰富且廉价的低碳电力的应用场景中具有竞争力。在二氧化碳储封存方面，虽然20多年来一直都有相关技术团队在努力验证和评估CO2封存项目的可行性，但其仍存在有可能发生重大事故的安全隐患风险。因此，对于二氧化碳捕集后的二次转化成为一种有价值的资源产品被加以利用则是更优的选择。
由以上现有技术可知，为了科学合理有效的解决可再生能源消纳和二氧化碳减排问题需要：①采用可再生电力或低碳电力电解水制取得到氢气后，它的应用或储存问题；②对电厂烟气捕集二氧化碳后，二氧化碳真正能够减量化和资源化利用的问题。
生物甲烷化技术作为一种新兴的生物能源与环境友好型绿色技术，可以有机的集合二氧化碳和氢气，是实现二氧化碳减排和可再生能源深度消纳的一种十分有效的技术方式，具有非常广阔的前景和发展空间。目前，主要开发出两种生物甲烷化技术，包括原位沼气甲烷化和非原位电合成甲烷化。前者操作简单便捷但获得甲烷产品纯度不高；后者需消耗一定的外源微电势但获得甲烷产品纯度较高且可对系统模块进行灵活扩展，常见系统有微生物电合成系统(MES)和微生物电解池(MEC)等。对于非原位电合成甲烷化技术而言，产甲烷菌还原CO2生产甲烷的胞外电子传递途径(Extracellular Electron Transfer，EET)可能存在以下两种方式：①直接电子传递途径(Direct EET)和②间接电子传递途径(Indirect EET，以H2为介质)；以上两种途径均通过利用产甲烷菌群落对提供的H2/CO2进行生物代谢作用，将简单的无机物转化成甲烷，这不仅仅能使“电力网络-氢能网络-天然气管网”协同优化生产，探索开发出一条新的绿色能源化技术路线，还能够满足当今社会人们对绿色生态人文居住环境的需求。
华电电力科学研究院有限公司的中国专利CN 110649650 A公开了一种可再生能源制氢与生物质气化耦合的发电系统及工作方法，该发明的内容主要是提供一种可再生能源大规模存储和消纳的方法，此发明虽然可以实现可再生能源的高效充分利用和降低电解水制氢成本及生物质资源收集储存运输成本，但此发明中的产品氢气主要用于与生物质气化燃气混合发电，需要增加或改造已有的燃气发电装置，应用的附加费用大大提高。
华东师范大学甄广印、郑韶娟、陆雪琴、张衷译、王建辉、潘阳的中国专利CN110078225 A公开了一种微生物电解池及有机物氧化降解同步CO2甲烷化方法，该发明的内容主要是设计一种微生物电解池及有机物氧化降解同步CO2甲烷化方法，该发明虽然采用复合生物电极表面负载电活性功能菌和CO2曝气的微生物电解池结构，实现了CO2高效转化合成CH4，但此发明并未考虑将合成的甲烷如何进行提纯和后端应用，应用场景也并未作出阐述。
昆明理工大学苏有勇、李珍、李思梅、廖小华、马汶绢、李关燕的中国发明CN104651412 A公开了一种二氧化碳和氢气生物甲烷化方法，该发明实现了利用产甲烷菌对工业尾气中的二氧化碳和氢气进行甲烷合成，但是反应底物气体中混有杂质气体，导致系统整体运行效果降低且产甲烷量不够高，同时混合气中80％的CH4含量纯度未能达到天然气的标准，缺少提纯手段且缺乏后端的应用场景。
综上，如何提供一种系统，基于充分消纳富余的可再生能源和有效减少二氧化碳排放原则，通过合理的工艺流程设计将可再生能源制氢、二氧化碳捕集和H2/CO2生物甲烷化有机融合，减少H2/CO2生物甲烷化系统的能力损耗和提高甲烷生产效率，能够实现深度消纳可再生能源和二氧化碳真正减量化、资源化利用的双赢局面，是“碳减排和碳中和”的形势下需要迫切解决的问题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可再生能源制氢耦合电厂捕集二氧化碳的生物甲烷化系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种可再生能源制氢耦合电厂捕集二氧化碳的生物甲烷化系统，该系统包括：
可再生能源制氢子系统：用以通过接收可再生能源发电进行电解水得到氧气以及作为底物气体的氢气；
二氧化碳捕集子系统：以电厂烟气为源头捕集回收作为底物气体的二氧化碳；
H2/CO2生物甲烷化子系统：用以以氢气和二氧化碳作为底物气体通过产甲烷菌的代谢作用生成甲烷并入天然气管网。
所述的可再生能源制氢子系统包括电解水制取装置、H2储罐和O2储罐，所述的电解水制取装置中通过电解纯水生成的氢气经过第一压缩机增压后，注入H2储罐中储存，生成的氧气经过第二压缩机增压后，注入O2储罐储存，所述的氢气作为甲烷化反应底物备用，或者供加氢站使用，所述的氧气供医疗机构使用，所述的H2储罐通过流量计和控制阀向H2/CO2生物甲烷化子系统提供氢气。
该生物甲烷化系统的用电原则为：
充分利用富余的可再生能源发电，为压缩机提供电力的电源主要包括风力发电电源和光伏电源，低碳电力和电网作为补充供电手段为压缩机提供电能，为提高本系统的经济效益，采用可再生电力优先为弃电电量。
所述的二氧化碳捕集子系统包括依次连接的洗涤脱硫模块、吸收再生模块以及分离压缩模块。
所述的洗涤脱硫模块包括依次设置的洗涤塔、脱硫塔、第三压缩机和烟气冷却器，所述的电厂烟气依次通过洗涤塔洗涤、脱硫塔脱硫、第三压缩机压缩和烟气冷却器冷却后进入吸收再生模块。
所述的吸收再生模块包括吸收塔、富液泵、贫富液热交换器、再生塔、贫液泵、贫液冷却器、储胺罐、储液罐、再生气分离器和CO2储罐，冷却后的电厂烟气自下而上进入吸收塔后，与从吸收塔上部自上而下的胺溶液形成逆向接触，使得CO2充分脱除，吸收CO2后的富液由富液泵输送至贫富液热交换器预先进行一次热交换后，到达再生塔经蒸汽加热解析出CO2，冷却后送至分离压缩模块，解析后的富液变为贫液后，依次经贫液泵、贫富液热交换器、贫液冷却器充分冷却后回到储液罐中，再由储胺罐补充胺溶液后返回吸收塔，实现胺溶液的循环利用。
所述的再生气分离器、第四压缩机和CO2储罐，冷却的二氧化碳经过再生气分离器进行水分去除后经第四压缩机加压后送入CO2储罐储存，并且通过流量计和控制阀连接H2/CO2生物甲烷化子系统。
所述的H2/CO2生物甲烷化子系统包括预处理室、液体注射器、微生物电解池、CH4储罐、CH4分析仪、循环泵、注气装置和残液回收罐，所述的预处理室预先接收作为底物气体的氢气和二氧化碳后与培养液、缓冲液充分混合形成具有相对稳定酸碱度的初始反应液，在初始反应液和底物气体共同进入微生物电解池后，经过产甲烷菌的代谢作用合成甲烷，并通过CH4储罐存储，CH4分析仪用以检测甲烷含量，当达到天然气管网的入网标准时，则通过3向旋塞阀进入注气装置后并入天然气管网，当未达到天然气管网的入网标准时，则通过3向旋塞阀和循环泵由下部返回微生物电解池的内部进行再循环，直至达到天然气管网的入网标准。
当系统定期补充反应液时，同时从微生物电解池下部排出部分原有液体至残液回收罐中进行处理。
对于产甲烷菌的代谢作用合成甲烷的过程，同时存在两种电子传递途径，即：
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、甲烷反应效果更好：本发明在原有微生物电解池装置的基础上，增加了一个预处理室，对两种底物气体、培养液以及缓冲液进行充分混合调节，预先为微生物电解池的阴极室提供一种酸碱度相对平衡的反应液，从而促进两种产甲烷反应机制初始运行的响应速度和生产效率。
二、二氧化碳转化效率更高：本发明代替原有以有机物或乙酸盐为反应底物的微生物产甲烷的代谢过程，将从电厂烟气捕集回收的二氧化碳作为无机碳源，协同由可再生能源电解水制取的氢气共同作为反应底物，根据转化效率最优化原则，直接向生物甲烷化系统中提供充足的外源氢气和二氧化碳底物气体，能够提高二氧化碳转化成甲烷的效率，并实现二氧化碳的资源循环利用。
三、能量损耗更小：本发明在原有生物甲烷化装置的基础上增加了预处理室，预先处理好的初始反应液已使得H2溶解至饱和状态；根据能量守恒定律和化学平衡原理，反应开始时直接将氢气通入微生物电解池的阴极室，可以在一定程度上抑制间接电子传递途径中H+转化成H2过程而直接与CO2进行合成作用，并同时促进直接电子传递途径合成过程，实现生物甲烷化系统的能量损耗减小，并提高了甲烷的生产效率。
四、高效可靠：本发明在H2储罐和CO2储罐之后各自设置一个配套的流量计和控制阀，根据微生物电解池的运行条件变化，科学检测及控制注入底物气体的流量和流速，防止产甲烷菌生长活性被抑制，并且在微生物电解池之后设置了CH4分析仪和循环泵，确保制取的甲烷气体含量符合天然气管网的注入标准，进而使系统能够高效、可靠的运行。
五、模块化建设且扩展性强：本发明中电解水制氢系统和生物甲烷化系统都是十分灵活独立的子系统，可根据工程实际需求，合理调整子系统的容量大小来进行扩展规模，并且模块化建设具有易组装、易维护、易扩容等结构优点。
六、推广应用潜力大：本发明在原有系统装置的基础上，根据各自的特点，利用生物甲烷化系统有机结合了可再生能源电解水制氢系统以及电厂烟气二氧化碳捕集系统，能够有效减少氢气和二氧化碳远距离输送和应用的成本及能耗，实现“氢气+二氧化碳→甲烷”的“能源化”过程，在该能源生产利用过程中始终秉承绿色低碳的“生态化”理念，充分消纳可再生能源、减少二氧化碳排放以及获取有价值且可循环利用的资源产品的共赢局面，同时还具有良好的优惠政策补贴和市场效应，推广应用前景十分广阔。
附图说明
图1为本发明的系统结构原理图。
图2为生物甲烷化子系统的结构示意图。
图中标记说明：
1、电解水制取装置，2、第一压缩机，3、H2储罐，4、第二压缩机，5、O2储罐，6、洗涤塔，7、脱硫塔，8、第三压缩机，9、烟气冷却器，10、吸收塔，11、富液泵，12、贫富液热换热器，13、再生塔，14、贫液泵，15、贫液冷却器，16、储胺罐，17、储液罐，18、再生气分离器，19、第四压缩机，20、CO2储罐，21、预处理室，22、液体注射器，23、微生物电解池，24、CH4储罐，25、CH4分析仪，26、循环泵，27、注气装置，28、残液回收罐，①、流量计，②、控制阀，③、流量计，④、控制阀，⑤、流量计，⑥、3向旋塞阀。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图1所示，本发明提供一种可再生能源制氢耦合电厂捕集二氧化碳的生物甲烷化系统，其核心是一套以微生物电解池为主的H2/CO2生物甲烷化子系统，另外两套系统分别用于制氢和二氧化碳捕集，各子系统的结构如下：
H2/CO2生物甲烷化子系统主要包括预处理室21、液体注射器22、微生物电解池23、CH4储罐24、CH4分析仪25、循环泵26、注气装置27、残液回收罐28；
可再生能源制氢子系统主要包括电解水制氢装置1、第一压缩机2、H2储罐3、第二压缩机4、O2储罐5；
二氧化碳捕集子系统主要包括洗涤塔6、脱硫塔7、第三压缩机8、烟气冷却器9、吸收塔10、富液泵11、贫富液热交换器12、再生塔13、贫液泵14、贫液冷却器15、储胺罐16、储液罐17、再生气分离器18、第四压缩机19和CO2储罐20。
该系统还包括：流量计①、控制阀②、流量计③、控制阀④、流量计⑤、3向旋塞阀⑥。
四台压缩机的电能主要来自风力发电与光伏发电等可再生能源发电，低碳电力和电网则作为补充供电手段为压缩机提供电能，为提高本系统的经济效益，采用可再生电力优先为弃电电量。
可再生能源制氢子系统中，电解水制氢装置1在纯水注入后经过电解作用产生氢气和氧气，氢气经过第一压缩机2增压后，注入H2储罐3中储存；氧气经过第二压缩机4增压后，注入O2储罐5储存，氢气作为甲烷化反应底物备用，或者提供给附近的加氢站使用；氧气则提供给附近的医疗机构使用。
在二氧化碳捕集子系统中，电厂烟气先进入洗涤塔6洗涤，再至脱硫塔7进行脱硫，然后进入第三压缩机8进行压缩，接着送入烟气冷却器9冷却后自下而上进入吸收塔10，与从塔上部自上而下的胺溶液形成逆向接触，使得CO2充分脱除，净化后的烟气由塔顶排出。吸收CO2后的富液由富液泵11输送至贫富液热交换器12预先进行一次热交换，之后到达再生塔13后经蒸汽加热解析出CO2，冷却后送至再生气分离器18除去水分后得到纯度99％(干基)以上的CO2气体产品，经第四压缩机19加压后送入CO2储罐20储存。然而，解析后的富液变成贫液，经贫液泵14、贫富液热交换器12、贫液冷却器15充分冷却后回到储液罐17中，再由储胺罐16补充胺溶液后送回吸收塔10，实现胺溶液的循环利用。
H2/CO2生物甲烷化子系统中，预处理室21与微生物电解池23连接，为菌群提供和补充培养生长所需的反应液，H2储罐3依次经过流量计①、控制阀②与微生物电解池连接提供氢源，CO2储罐20同样依次经过流量计③、控制阀④与微生物电解池23相连提供碳源，两种底物气体预先进入预处理室21中与培养液、缓冲液充分混合形成初始反应液，三者再协同进入微生物电解池23中，经过产甲烷菌的代谢作用合成甲烷，由CH4储罐24储存起来，然后CH4分析仪25进行分析甲烷含量的高低，如果达到天然气管网的入网标准(GB/T 13610-2014)则由3向旋塞阀⑥进入注气装置27中，最终注入天然气管网中储存起来。如果甲烷含量达不到入网标准，则需经过3向旋塞阀⑥和循环泵26由微生物电解池23下部返回装置内部进行再循环，如此往复多次直至甲烷含量达到入网标准，另外，本系统定期补充反应液时，须同时从微生物电解池23下部排出部分原有液体至残液回收罐中进行处理。
如图2所示，本发明中微生物电解池23采用的是双室结构，产甲烷菌则采用活性污泥驯化富集形成的优势菌种或者纯菌种培养形成的菌群作为甲烷化反应的生物催化媒介，对于微生物产甲烷的过程，本发明同时存在两种电子传递途径，即：
①经过
产甲烷途径直接实现甲烷的合成，抑制了2H++2e-→H2过程且减少了对电能的消耗；
②阳极室传输过来的H+，直接与通入的CO2经由
发生反应合成甲烷；
以上两种途径同时存在时，增加了一个预处理室21预先得到一种酸碱度相对稳定的反应液将有助于系统初始运行时响应速度更快且更易处于一个生产甲烷的动态平衡之中，能够有效提高系统的生产效率并维持较高的稳定性，有助于推动未来大规模产业化的发展和应用。
Claims (9)
1.一种可再生能源制氢耦合电厂捕集二氧化碳的生物甲烷化系统，其特征在于，该系统包括：
可再生能源制氢子系统：用以通过接收可再生能源发电进行电解水得到氧气以及作为底物气体的氢气；
二氧化碳捕集子系统：以电厂烟气为源头捕集回收作为底物气体的二氧化碳；
H2/CO2生物甲烷化子系统：用以以氢气和二氧化碳作为底物气体通过产甲烷菌的代谢作用生成甲烷并入天然气管网，所述的H2/CO2生物甲烷化子系统包括预处理室(21)、液体注射器(22)、微生物电解池(23)、CH4储罐(24)、CH4分析仪(25)、循环泵(26)、注气装置(27)和残液回收罐(28)，所述的预处理室(21)预先接收作为底物气体的氢气和二氧化碳后与培养液、缓冲液充分混合形成具有相对稳定酸碱度的初始反应液，在初始反应液和底物气体共同进入微生物电解池(23)后，经过产甲烷菌的代谢作用合成甲烷，并通过CH4储罐(24)存储，CH4分析仪(25)用以检测甲烷含量，当达到天然气管网的入网标准时，则通过3向旋塞阀进入注气装置(27)后并入天然气管网，当未达到天然气管网的入网标准时，则通过3向旋塞阀和循环泵(26)由下部返回微生物电解池(23)的内部进行再循环，直至达到天然气管网的入网标准；
预处理室(21)预先处理好的初始反应液已使得H2溶解至饱和状态，反应开始时直接将H2通入微生物电解池的阴极室，可以在一定程度上抑制间接电子传递途径中H+转化成H2过程而直接与CO2进行合成作用，实现生物甲烷化系统的能量损耗减小，并提高甲烷的生产效率。
2.根据权利要求1所述的一种可再生能源制氢耦合电厂捕集二氧化碳的生物甲烷化系统，其特征在于，所述的可再生能源制氢子系统包括电解水制取装置(1)、H2储罐(3)和O2储罐(5)，所述的电解水制取装置(1)中通过电解纯水生成的氢气经过第一压缩机(2)增压后，注入H2储罐(3)中储存，生成的氧气经过第二压缩机(4)增压后，注入O2储罐(5)储存，所述的氢气作为甲烷化反应底物备用，或者供加氢站使用，所述的氧气供医疗机构使用，所述的H2储罐(3)通过流量计和控制阀向H2/CO2生物甲烷化子系统提供氢气。
3.根据权利要求1所述的一种可再生能源制氢耦合电厂捕集二氧化碳的生物甲烷化系统，其特征在于，该生物甲烷化系统的用电原则为：
充分利用富余的可再生能源发电，为压缩机提供电力的电源主要包括风力发电电源和光伏电源，低碳电力和电网作为补充供电手段为压缩机提供电能，为提高本系统的经济效益，采用可再生电力优先为弃电电量。
4.根据权利要求1所述的一种可再生能源制氢耦合电厂捕集二氧化碳的生物甲烷化系统，其特征在于，所述的二氧化碳捕集子系统包括依次连接的洗涤脱硫模块、吸收再生模块以及分离压缩模块。
5.根据权利要求4所述的一种可再生能源制氢耦合电厂捕集二氧化碳的生物甲烷化系统，其特征在于，所述的洗涤脱硫模块包括依次设置的洗涤塔(6)、脱硫塔(7)、第三压缩机(8)和烟气冷却器(9)，所述的电厂烟气依次通过洗涤塔(6)洗涤、脱硫塔(7)脱硫、第三压缩机(8)压缩和烟气冷却器(9)冷却后进入吸收再生模块。
6.根据权利要求5所述的一种可再生能源制氢耦合电厂捕集二氧化碳的生物甲烷化系统，其特征在于，所述的吸收再生模块包括吸收塔(10)、富液泵(11)、贫富液热交换器(12)、再生塔(13)、贫液泵(14)、贫液冷却器(15)、储胺罐(16)、储液罐(17)、再生气分离器(18)和CO2储罐(20)，冷却后的电厂烟气自下而上进入吸收塔(10)后，与从吸收塔(10)上部自上而下的胺溶液形成逆向接触，使得CO2充分脱除，吸收CO2后的富液由富液泵(11)输送至贫富液热交换器(12)预先进行一次热交换后，到达再生塔(13)经蒸汽加热解析出CO2，冷却后送至分离压缩模块，解析后的富液变为贫液后，依次经贫液泵(14)、贫富液热交换器(12)、贫液冷却器(15)充分冷却后回到储液罐(17)中，再由储胺罐(16)补充胺溶液后返回吸收塔(10)，实现胺溶液的循环利用。
7.根据权利要求6所述的一种可再生能源制氢耦合电厂捕集二氧化碳的生物甲烷化系统，其特征在于，所述的再生气分离器(18)、第四压缩机(19)和CO2储罐(20)，冷却的二氧化碳经过再生气分离器(18)进行水分去除后经第四压缩机(19)加压后送入CO2储罐(20)储存，并且通过流量计和控制阀连接H2/CO2生物甲烷化子系统。
8.根据权利要求1所述的一种可再生能源制氢耦合电厂捕集二氧化碳的生物甲烷化系统，其特征在于，当系统定期补充反应液时，同时从微生物电解池(23)下部排出部分原有液体至残液回收罐(28)中进行处理。
9.根据权利要求1所述的一种可再生能源制氢耦合电厂捕集二氧化碳的生物甲烷化系统，其特征在于，对于产甲烷菌的代谢作用合成甲烷的过程，同时存在两种电子传递途径，即：
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