CN114466831B - 可再生能源在甲醇合成中的用途 - Google Patents

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Abstract

一种甲醇合成设备，包括：进料预处理部分，其可操作以预处理进料流；合成气体(合成气)合成部分，其包括一个或多于一个反应器，反应器可操作以从进料流生产包含合成气体的合成气合成产物流；甲醇合成部分，其包括一个或多于一个甲醇合成反应器，可操作以生产包含甲醇的合成产物；和/或甲醇纯化部分，其可操作以从合成产物中除去至少一种组分以提供经纯化的甲醇产物；其中甲醇合成设备配置成使得相对于常规甲醇合成设备，甲醇合成设备、进料预处理部分、合成气合成部分、甲醇合成部分、甲醇纯化部分或其组合所需的更多净能量，由非碳基能源、可再生能源和/或电力提供。

Description

可再生能源在甲醇合成中的用途
技术领域
本公开涉及可再生能源在甲醇合成中的应用；更具体地，本公开涉及甲醇合成设备的电气化；还更具体地，本公开涉及通过减少用于甲醇合成设备中的燃料的烃(例如，天然气/化石燃料)的燃烧来减少环境排放，例如二氧化碳。
背景技术
化学合成设备用于提供多种化学品。通常，燃烧(burn)或“燃烧(combust)”专用燃料以提供化学合成的反应热、加热一个或多于一个工艺流的能量、蒸发液体(例如，烧开用作稀释剂的水)的能量、作功的能量(例如，驱动压缩机或泵)或为整个化学合成设备的其他工艺操作提供能量。燃料的这种燃烧(burning)或燃烧(combustion)导致产生对环境有害的烟道气，并且还导致该工艺的能量效率的损失。同样，蒸汽通常常规地用作化学合成设备内的全设备范围的热量和/或能量传递流体。用于热量和/或能量传递的蒸汽通常是通过燃料的燃烧产生的，导致在化学合成过程中产生额外的烟道气和进一步的能量效率损失。此外，使用本来可用作燃烧反应物的材料作为燃料也减少化学合成设备中从给定量材料中产生所需化学产品的量。因此，需要增强的化学合成系统和方法，从而减少或消除燃烧以提供能量的燃料，特别是化石燃料的量。理想地，这种系统和方法还提供化学合成设备的能量效率的增加和/或排放的减少，例如温室气体(GHG)的排放。
发明内容
本文公开了一种甲醇合成设备，包括：进料预处理部分，其可操作以预处理进料流，所述进料流包括LPG、石脑油、沼气、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、石脑油沸程组分、煤、石油焦或其组合；合成气体(合成气)合成部分，其包含一个或多于一个选自预重整器、蒸汽重整器、干式重整器、部分氧化反应器、自热重整器、气化器或其组合的反应器，其可操作以从所述进料流产生包含合成气体的合成气合成产物流；甲醇合成部分，其包括一个或多于一个甲醇合成反应器，可操作以生产包含甲醇的合成产物；和/或甲醇纯化部分，其可操作以从所述合成产物中除去至少一种组分以提供经纯化的甲醇产物；其中甲醇合成设备配置为使得相对于常规甲醇合成设备，甲醇合成设备、进料预处理部分、合成气合成部分、甲醇合成部分、甲醇纯化部分或其组合所需的更多净能量，由非碳基能源、可再生能源和/或电力提供。
本文还公开了一种甲醇合成设备，包括：进料预处理部分，其可操作以预处理进料流，所述进料流包括LPG、石脑油、沼气、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、石脑油沸程组分、煤、石油焦或其组合；合成气合成部分，包括一个或多于一个选自预重整器、蒸汽重整器、干式重整器、部分氧化反应器、自热重整器、气化器或其组合的反应器，其可操作以从所述进料流产生包含合成气体的合成气合成产物流；甲醇合成部分，其包括一个或多于一个甲醇合成反应器，可操作以生产包含甲醇的合成产物；和/或甲醇合成部分，其包括一个或多于一个甲醇合成反应器，可操作以生产包含甲醇的合成产物；和/或甲醇纯化部分，其可操作以从所述合成产物中除去至少一种组分从而提供经纯化的甲醇产物；其中甲醇合成设备配置为使得甲醇合成设备、进料预处理部分、合成气合成部分、甲醇合成部分、甲醇纯化部分或其组合所需的大部分净能量由电力提供。
附图说明
为了更完整地理解本公开及其优点，现参考以下简要描述，并且结合附图和详细描述，其中相同的附图标记代表相同的部件。
图1显示典型的现有技术化学工艺的概念图；
图2显示根据本公开的实施方案的由可再生能源提供动力的化学工艺的概念图；
图3显示根据本公开的实施方案的通用甲醇合成设备或工艺I的方框流程图；
图4显示根据本公开的实施方案的示例性甲醇合成设备或工艺II的方框流程图；
图5显示本公开的比较例1中讨论的常规甲醇合成设备或工艺III的方框流程图；
图6显示根据本公开的实施例1的实施方案的示例性部分电气化甲醇合成设备或工艺IV的方框流程图；
图7显示根据本公开的实施例2的实施方案的示例性基本上完全电气化的甲醇合成设备或工艺V的方框流程图；
图8显示根据本公开的实施例3的实施方案的示例性基本上完全电气化的甲醇合成设备或工艺VI的方框流程图；
图9显示本公开的比较例2中讨论的常规甲醇合成设备或工艺VII的方框流程图；
图10显示根据本公开的实施例4的实施方案的示例性基本上完全电气化的甲醇合成设备或工艺VIII的方框流程图；
图11显示根据本公开的实施例6和实施例7的实施方案的示例性基本上完全电气化的甲醇合成设备或工艺X和工艺XI的方框流程图；和
图12是描绘当使用可再生能源时，碳效率、天然气消耗和总能量消耗随着返回到实施例8中的甲醇合成反应器的合成气的循环分数的工艺变量的变化的示意图。
具体实施方式
一开始应当理解，尽管下面提供一个或多于一个实施方案的说明性实施，但是可以使用任意数量的技术来实现所公开的组合物、方法和/或产品，无论是目前已知的还是尚不存在的。本公开不应以任何方式限于以下说明的说明性实施方式、附图和技术，包括本文说明和描述的示例性设计和实施方式，而是可在所附权利要求的范围内连同其等同物的全部范围内进行修改。
虽然相信本领域的普通技术人员可很好地理解以下术语，但阐述以下定义以促进对当前公开的主题的解释。除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与当前公开的主题所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。
如本文所用，“间歇性能源”或“IES”是不能连续地转换为电力并且不受直接控制的任何能源，因为使用的能源无法储存或在经济上不合需要。间歇性能源的可用性可以是可预测的或不可预测的。可再生的间歇性能源是间歇性能源，它也是可再生能源的来源，如下文所定义。“间歇性电力”是指由IES产生的电力。
如本文所用，“可再生能源”和“非化石能源(ENF)”包括源自可持续能源的能源，所述能源被自然、持续过程和核能迅速替代。因此，术语“可再生能源”和“非化石能源(ENF)”是指源自不基于化石燃料的能源(例如，不是通过燃烧化石燃料如煤或天然燃料产生能量)，而“不可再生”或“化石能源(EF)”是源自基于化石燃料的能源(例如，能量通过化石燃料燃烧产生)的能源。化石燃料是在地质历史中由生物体的遗骸形成的天然燃料，例如煤或天然气。因此，如本文所用，“可再生”和“非化石能源(ENF)”包括但不限于风能、太阳能、水流/运动或生物质，它们在使用时不会被耗尽，其与使用时会耗尽的来自例如化石燃料的“不可再生能源”相反。因此，可再生能源不包括基于化石燃料的能源(EF)，包括生物燃料。
如本文所用，“非碳基能源(ENC)”是来自非碳基能量来源的能源(例如，能量不是通过碳基燃料如烃的燃烧产生)，而碳基能源(EC)是来自碳基能量来源的能源(例如，能量通过碳基燃料如烃的燃烧产生)。核能在本文中认为是可再生的非化石能源(ENF)和非碳基能源(ENC)。因此，碳基能源(EC)可以是可再生的(例如基于非化石燃料的)或不可再生的(例如基于化石燃料的)。例如，各种碳基生物燃料在本文中认为是可再生的碳基能源。
如本文所用，“可再生电力”表示由可再生能源产生的电力，而“不可再生电力”是由不可再生能源产生的电力。如本文所用，“非碳基电力”表示由非碳基能源产生的电力，而“碳基电力”是由碳基能源产生的电力。
例如，在实施方案中，可通过来自可再生(例如，生物)来源的可再生烃的燃烧来提供贯穿本文公开的甲醇合成设备的可再生电力和/或热量。例如，在实施方案中，可再生电力可以通过ENF/EC能源的燃烧产生，所述能源包括在用农业废物供给的消化池中产生的甲烷。同样，在实施方案中，包括使用短循环碳废料产生的合成气的ENF/EC能源可用作燃料(例如，燃烧以产生可再生电力和/或热)。理想地，由这种燃烧产生的二氧化碳被回收(例如，通过新作物的生长)。
如本文所用，“外部”燃烧燃料是指在反应器外部，例如在炉中燃烧燃料。作为主要反应一部分的燃烧(例如，在自热重整(ATR)中的重整发生的燃烧)不会视为“外部”燃烧。如本文所用，“专用”燃料是仅用于提供燃烧料值(例如，燃烧热)而不转化为产品的所引入的燃料或进料流的一部分。
如本文所用，“传热蒸汽(SHT)”表示单独或主要作为能量或热量传递介质而产生的蒸汽(例如，不用作稀释剂和/或反应物的蒸汽)。
如本文所用，“净”热量输入或排出是指导致一次能源消耗的热量输入或排出，例如，未从设备的另一部分或流提供，例如未通过与另一工艺流进行热交换提供的热量输入或排出。类似地，“净”能量是指导致一次能源消耗的能量，例如，未从设备的另一部分或流提供的能量，例如，未通过与另一工艺流进行热交换提供的热能。
如本文所用，“驱动”表示提供机械能和/或电能。
如本文所用，“加热”表示供应热能。如本文所用，“冷却”表示从中排出热能。如本文所用，“直接”加热或冷却是指不使用传热介质/流体的加热或冷却；“间接”加热或冷却是指通过传热介质/流体的加热或冷却。
如本文所用，“多数”或“大部分”表示大于50％或大于一半。
如本文所用，“期望”参数(例如，期望温度)可以指参数的预期值或目标值，例如预定值，例如用于工艺控制的设定点值。
耗电量：对耗电量的提及可以是指在特定位置测量的电力使用率(例如，以MW计)。例如，可以在每个电炉的边界处或在整个烯烃合成设备的边界处计算速率。该计算可考虑该位置内使用的所有电力。
烟道气：在发电站和/或工业设备中燃烧燃料或其他材料可产生的气体混合物，其中气体混合物可通过管道抽取。
烟道气热回收：烟道气热回收可以指从热烟道气中提取有用的热能，例如通过将所述热烟道气通过一个或多于一个热交换器以提高较冷工艺流体的温度和/或改变所述流体的相(例如，将水煮沸以产生蒸汽)。在任何烟道气热回收之后留在烟道气中的任何能量都可称为烟道气(能量)损失。烟道气热回收部分可以是用于回收烟道气热量的装置和所述装置的相应位置。缺少烟道气热回收部分可意指没有从热烟道气中回收热量的装置或区域。
对流部分：对流部分可以是炉(例如，蒸汽裂解炉或重整炉)的一部分，其中通过对流热传递从热烟道气中回收热量。缺少对流部分可意指没有可通过来自热烟道气的对流热传递来回收热量的装置或区域。
“无蒸汽”或“基本上无蒸汽”：“无蒸汽”可以指不使用蒸汽将能量从一个过程操作转移到另一个过程操作或从外部将能量带入过程的过程。“基本上无蒸汽”可意指使用蒸汽将能量从一个过程操作转移到另一个过程操作或从外部将能量带入过程已被最小化，使得使用蒸汽的所有能量转移的总和小于提供的净能量的大约10％、大约20％或大约30％。用作反应物、稀释剂、作为产物获得或直接与工艺流混合的蒸汽可称为“工艺蒸汽”，并且不包括在该定义中。
主要能量传递介质：主要能量传递介质可以是一种物质，其用于将热能形式的能量从一个过程操作转移到另一个过程操作，或将能量带入过程。注意，一种物质在一个过程中可以起到多个目的，例如充当反应物或反应稀释剂，同时还充当将热量从一个过程操作传递到另一个过程操作的介质。在这种情况下，使用蒸汽作为反应物或稀释剂可认为是主要的，而传递热量的效果也可认为是次要的。
电阻加热：电阻加热可以是通过使电流通过电阻单元来加热。
感应加热：感应加热可以是通过电磁感应加热导电物体(通常是金属)的过程。
辐射加热：辐射加热可以是通过来自一个或多于一个较热物体的辐射加热物体的过程。
外部燃烧：外部燃烧可意指燃烧燃料以产生热量并且将该热量通过表面(例如管壁)传递给工艺流体，使得燃烧产物不会与工艺流体混合。
热电装置：热电装置可以是通过热电偶将温差直接转换为电压(或反之亦然)的装置。
等温操作：等温操作可以是在恒定温度下的操作。等温操作可将温度保持在预定操作温度的0.5％、1％、2％、3％、4％、5％、最高10％以内。
对流传热：对流传热可以是通过一种或多于一种流体的运动将热量从一个位置移动到另一个位置。
尽管上述定义中的大部分基本上如本领域技术人员所理解的那样，但上述定义中的一个或多个可以不同于本领域技术人员通常理解的含义的方式在上文中定义，这是由于本文对当前公开的主题的具体描述。
图1显示典型的传统化学工艺的概念图。该工艺的目标是将进料A转化为产品B，但通常也会产生一些副产物(表示为流C)。
用于实现这种转换的单元操作需要大量的能量。通常，能量主要通过燃烧燃料(通常是天然气)以产生热量来提供，在图1中表示为ΔHc(例如，燃烧热)。这导致不希望的二氧化碳(CO2)产生和排放。如果反应是放热的，则可通过反应热ΔHr提供额外能量；如果反应是吸热的，则需要添加等于ΔHr的额外能量。如果燃烧某些副产物以产生能量(表示为ΔHbp)，则总能量平衡也可受到影响。然而，许多化学工艺，即使是涉及放热反应的工艺，都是净能量消耗的，因此需要外部能源(通常由烃燃料提供)来提供净工艺能量。
在大多数化学生产过程中，电力通常只是很小的外部输入。内部电气需求，例如照明或控制，通常小到可以忽略不计，在那些需要大量电力的少数过程中，例如电化学反应器(例如，氯碱工艺制造氯(Cl2)和氢氧化钠(NaOH))，其电力通常是在设备边界内通过烃的燃烧产生的，即使不是在设备边界内产生的，如果电力是通过烃的燃烧获得的而不是可再生的，就能源效率和CO2排放而言，电力的使用与通过烃燃烧现场发电的效果相当。
在大多数化工生产工艺中，能源消耗可方便地分为三大类。在第一个这样的大类中，本文中称为第一类C1，热量通过燃料(例如天然气/化石燃料)在炉中的燃烧直接以热能提供。(本文使用的“直接”表示不存在中间传热介质，例如蒸汽)。这些炉通常在高温下运行并且需要大的热通量。这种炉的能量效率受到炉烟道气的热损失的限制。即使通过冷却烟道气以回收能量将这些热损失降至最低，例如产生蒸汽或提供工艺加热，燃料中包含的化学能转化为可用热能的转化率通常不超过85％至90％，即使有大量设计和操作灵活性的投资及损失。
化学过程中能源消耗的第二大类，本文中称为第二类C2，包括加热各种化学品流，主要是为了将其温度升高到所需反应温度，或者是为了向分离提供能量，最常见的是蒸馏。尽管可通过与其他化学品流进行交换来获得该热量中的一部分，但最常见的是通过烃类燃料(例如天然气/化石燃料)燃烧直接产生的蒸汽或通过来自高温炉的烟道气的热传递来提供(例如，C1类)。大多数现代化学工艺包括相对复杂的蒸汽系统(或其他传热流体系统，为了简单起见，本文将其统称为蒸汽传热系统)以将能量从过剩的地方转移到需要的地方。该蒸汽系统可包括多个压力水平的蒸汽以在不同温度下提供热量，以及蒸汽和冷凝水回收系统，并且容易受到腐蚀、结垢和其他操作困难，包括水处理和受污染的冷凝水处理。由于传热、蒸汽冷凝和锅炉水循环的实际限制，蒸汽中所含能量可用于加热工艺流的比例通常限制为90％至95％。如果蒸汽是由专用的外部锅炉产生的，则燃料中至多有80％至85％的化学能将由化学工艺用作热量，因为另外10％至15％或更多将损失给烟道气，如第一类C1。
化学工艺中能量使用的第三大类，在本文中称为第三类C3，是用于执行机械功的能量。功主要用于加压和将流体从一个地方移动到另一个地方，并且用于驱动旋转装置，例如泵、压缩机和风扇。第三类C3还包括制冷装置，因为它主要由压缩提供动力。在大多数化学设施中，功的能量由蒸汽提供，所述蒸汽通过与热工艺流的热传递、通过与来自C1类的炉(例如，在对流部分)的部分冷却的烟道气流进行热传递而获得，或直接来自专用外部锅炉中的烃(例如天然气/化石燃料)的燃烧。由于热能转化为机械功的限制，这些用途的能源效率相对于用作燃料的烃所含的化学能很低，通常仅有25％至40％。
已经出人意料地发现，在化学工艺中使用电力(例如，可再生电力和/或不可再生电力)替代从烃燃料获得能量可通过提高整体能量效率同时减少二氧化碳排放来改进工艺。在一些情况下，在化学工艺中使用电力(例如，可再生和/或不可再生电力)来替代从烃燃料中获得能量还可提高可靠性和可操作性，减少例如NOx、SOx、CO和/或挥发性有机化合物，和/或降低生产成本(例如，如果低成本电力是可用的)。
根据本公开的实施方案，通常由燃料(例如，天然气/化石燃料)在炉的燃烧和/或第一类C1的其他加热作为热能供应的热被电加热替代。电热、电加热、电产生热、电加热器装置等是指将电能转化为可应用于流体的热能。这种电加热包括但不限于通过阻抗加热(例如，当电流流过携带待加热流体的导管时)，通过欧姆加热、等离子体、电弧、射频(RF)、红外线(IR)、UV和/或微波加热，通过电阻加热元件加热，通过电加热元件的辐射加热，通过感应(例如，振荡磁场)加热，通过电驱动的机械方式(例如压缩)加热，经由热泵加热，通过使相对热的惰性气体或另一种介质通过包含待加热的流体的管来加热，其中热的惰性气体或另一种介质是电加热的，或者通过这些的某些组合等进行加热。
根据本公开的实施方案，排除如在第二类C2中使用蒸汽(或另一种传热流体)，和/或仅用作中间传热介质的任何蒸汽(或其他流体)通过电产生或加热(例如，通过电加热水)。
根据本公开的实施方案，在第三类C3中使用的传统旋转装置(例如，蒸汽涡轮)被电驱动装置替代。根据本公开的实施方案，第三类C3中的热除去被电力驱动的热除去例如冷却和/或制冷替代。电冷却、电冷却器、电除去热量、电冷却或制冷装置等是指从流体中除去热能。这种电冷却包括但不限于通过电动装置进行冷却。例如但不限于，电冷却可通过用电驱动制冷循环而提供，其中制冷剂由电动压缩机压缩。作为另一实例，电冷却可通过驱动吹送空气的冷却风扇而提供，其中空气冷却工艺流体或元件。在实施方案中，任何电力来源都可实施电加热和冷却。
图2是根据本公开的实施方案的由可再生能源提供动力的化学工艺示意图。如图2中所示，在实施方案中，由可再生能源驱动的工艺看起来可类似于传统的化学工艺。然而，燃料提供的一部分、大部分或在一些情况下几乎所有的能量输入可被可再生能源和/或可再生电力替代。在实施方案中，这种由非碳基能源、可再生能源和/或可再生电力替代燃料输入将使得CO2排放量能够显著减少。在实施方案中，可使用任何可用形式的可再生能源。然而，如果使用可再生电力，收益可最大。可再生能源可从例如但不限于太阳能、风能或水力发电而获得。根据本公开的实施方案，其他类型的可再生能源也可应用于化工设备。例如，在实施方案中，聚光太阳能、地热能和/或使用直接太阳能加热可用于提供热能并且减少CO2排放。
通过(例如，可再生)电力供应所需能源的主要优势之一是将提高该工艺的能源效率。表1显示单元操作的能源效率，示例上述化工设备中能源使用的三类C1、C2和C3。从表1中可以看出，当使用电能时，三类能源消耗的效率都更高。根据本公开的实施方案，当用于旋转装置的蒸汽驱动器替代为电动机(如上文讨论的第三类C3)时，收益可最大，电动机可以以高达蒸汽驱动器三倍的能量效率运行。这些收益仅有当电力来自非碳基可再生能源时才实现，因为通过碳基燃料燃烧发电的能源效率仅为30％至45％。将可再生电力用于加热应用时(如上文讨论的第一类C1和第二类C2)的能源效率收益较小，但仍然显著。最终结果是，如果使用可再生能源代替碳基燃料(例如天然气或其他烃)，将使用较少的总能源。
根据本公开，可以利用非碳基能源、可再生能源和/或电力(例如，来自可再生资源和/或不可再生资源)而不是上文描述的类别C1、C2和/或C3中的常规能源。在实施方案中，大多数或基本上所有公用工程都采用电气化。在实施方案中，大多数或基本上所有单元操作都采用电气化。在实施方案中，大多数或基本上所有公用工程和单元操作都采用电气化。在实施方案中，电气化用于大多数或基本上所有工艺应用、发动机、冷却和/或加热(例如，电动热泵、制冷、电加热)、辐射、存储系统或其组合。
在实施方案中，非碳基能源和/或可再生能源包括风能、太阳能、地热能、水力发电、核能、潮汐能、波浪能、海洋温差能、压力延迟渗透或其组合。在实施方案中，非碳基能源包括氢。在实施方案中，本文所述用于电气化的电力由这种可再生能源和/或非碳基能源产生。在实施方案中，部分或所有电力来自不可再生能源和/或碳基能源，例如但不限于烃(例如，可再生或不可再生的烃)、煤或源自烃的氢(例如，可再生或不可再生的烃)的燃烧。
大多数化工设备排放的大部分CO2是化石燃料燃烧从而为设备提供能量的结果。根据本公开的实施方案，在化学合成中使用可再生能源的另一益处是相对于其中可燃烧烃和/或化石燃料的等同常规化学合成设备或方法，排放的温室气体量将显著(例如，大于或等于至少5％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％或100％)减少。燃烧碳氢化合物(例如天然气、甲烷)以产生能量导致产生二氧化碳(CO2)；根据本公开的实施方案，可通过使用可再生能源来减少或避免这种产生。本公开的实施方案中，每生产一吨产品所产生的CO2量减少到小于或等于约1.6、1.5、1.4、1.3、1.2、1.1、1.0、0.75、0.5、0.30、0.25、0.2、0.1、0.05或0吨CO2每吨化学产品(例如甲醇)。此外，本公开的实施方案中，可再生能源的使用释放了通常燃料燃烧的这些烃(例如天然气、甲烷)用作化学原料(例如，制造甲醇)的用途，这是更高价值的用途。
在化学品生产中使用可再生电力也可带来操作优势。例如，在实施方案中，电力可用于提供更准确和可调节的热量输入，例如控制沿反应器的温度分布或改变蒸馏塔中特定塔板的温度。在实施方案中，在反应部分(例如，在热解反应部分)中使用电加热导致更好地控制除焦和/或更快除焦。非限制性地，其他实例包括使用电动制冷装置来提高分离效率，以及用快速响应的按需电加热器和蒸汽发生器替换低效的备用燃气锅炉以及用于其他公用工程用途。电力的使用还可以在启动或关闭期间获得显著的操作优势，或响应工艺变化性。一般而言，电力作为能源可应用于特定位置，并且以精确和可调的量应用，对工艺变化做出快速响应，从而比使用热能/燃烧能具有多种优势。
根据本公开的实施方案的可再生电力的使用还可提高向多于一个化工设备(例如，甲醇合成设备和附近的氨合成设备或甲醇合成设备和附近的烯烃合成设备)供应能量的公用工程的能源效率。例如，如果为几个不同的生产设施提供氧气和氮气的空气分离装置中的压缩机使用可再生电力驱动，则相对于使用天然气燃烧产生的蒸汽供应这种动力，可获得显著的能源收益。
在实施方案中，可通过高温热泵或蒸汽再压缩来提供能量回收。设备可还包括热和/或能量储存器，例如在利用间歇性能源(IES)时使用。在实施方案中，废热可通过电动热泵升级到可使用的温度水平。在其他实施方案中，当通过使用发电涡轮机而不是控制阀降低工艺流压力时，能量可作为电能回收。在其他实施方案中，使用热电装置可将能量回收为电能。
根据本公开的实施方案，使用可再生电力代替天然气或其他碳氢化合物作为能源，可作为现有化学工艺(例如现有甲醇合成设备)改造的一部分或作为新化工设备(例如，新甲醇合成设备)设计的组成部分来完成。在改造中，使用可再生能源的机会可取决于现有设计的要素，例如蒸汽系统；在改造中，将需要仔细检查整个能量平衡和蒸汽系统，因为在不考虑这些因素的情况下为单个设备通电会导致能源效率低下。在实施方案中，如表1所见，将旋转设备(例如，第三类C3)的蒸汽驱动器替换为电动机实现最高的效率增益。然而，不同目标可导致部分电气化的不同选择；在实施方案中，在一些情况下，有时可通过首先更换烃燃料炉(例如，第一类C1)来实现较大程度的CO2减排，代价是能源效率的提高幅度较小。在实施方案中，如果热能和/或蒸汽从多于一个的烃来源获得，则可通过首先消除最昂贵和/或污染的燃料来源以实现最有利的操作。可包括多少可再生能源以及现有燃料消耗和二氧化碳(CO2)排放可减少到什么程度可根据应用而变化，并且在阅读本公开内容后将在本领域技术人员的技能范围内。
在实施方案中，在基层化学设施(例如基层甲醇合成设备)的设计中规划使用可再生能源可为提高能源效率和降低CO2排放提供更多重要机会。在实施方案中，利用电力驱动所有旋转设备(例如，第三类C3中)可实现能源效率的大幅提升。在实施方案中，利用了基本上所有(或大部分，或大于40％、大于50％、大于60％、大于70％、大于80％或大于90％)电加热(例如，在第一类C1和/或第二类C2中)，并且由于烟道气中的热量损失而导致的低效率显著减少或甚至得以避免。在实施方案中，可最大限度地减少或完全避免使用通过燃烧化石燃料(例如，第二类C2中)产生的蒸汽。在实施方案中，利用催化剂和/或反应器操作条件的改变使得在反应器中能够产生更少的热量和/或产生更少的燃烧的副产物。在实施方案中，基于使用可再生电力的设备(例如甲醇合成设备)设计使得能够增强分离操作的优化，因为压缩和制冷的相对成本通过根据本公开的可再生电力的利用而改变。在实施方案中，这种增强的分离还使得能够从排放流中进一步捕获次要副产物，释放这些次要产品以进一步用作原料或产品。此外，根据本公开的实施方案，使用低成本电力，可引入新技术，例如但不限于混合燃气和电加热器、变速压缩机驱动、分布式制冷、热泵、改进的蒸馏塔、流体的被动太阳能加热、精确控制反应器温度分布、新型结构材料以及使用电制冷稀释剂进行骤冷或冷却。如果电的成本足够低，则如本文所教导的利用这种电力可有利于引入新的电化学工艺。对于新构造，由于例如缺乏(例如，全设备范围内)蒸汽分配系统，电力驱动过程的资本密集度可较低。
根据本公开的实施方案，非碳基能源、可再生能源和/或电力(可再生、不可再生、碳基和/或非碳基电力)可用于生产几乎所有化学品，包括但不限于甲醇、氨、烯烃(例如乙烯、丙烯)、芳烃、二醇和聚合物。在实施方案中，非碳基能源、可再生能源和/或电力也可用于化学品原料和燃料生产原料的制备，例如甲基叔丁基醚(MTBE)合成、裂化、异构化和重整。在这种实施方案中，整个设备/工艺或其一部分的一些(例如，至少约10％、至少约20％、至少约30％、至少约40％或至少约50％)、大部分(例如，至少约50％、至少约60％、至少约70％、至少约80％、至少约90％或至少约95％)或全部(例如，约100％)的加热可通过电加热提供，和/或整个设备/工艺或其一部分的一些(例如，至少约10％、20％、30％、40％或50％)、大部分(例如，至少约50％、至少约60％、至少约70％、至少约80％、至少约90％或至少约95％)或全部(例如，约100％)的冷却可通过如上所述的电冷却来提供。下文公开可再生能源、非碳基能源和/或电力在甲醇合成应用中的使用。
如下的公开内容：美国临时专利申请第62/792,612号和第62/792,615号，标题为“可再生能源在烯烃合成中的应用”；美国临时专利申请第62/792,617号和第62/792,619号，标题为“可再生能源在氨合成中的应用”；美国临时专利申请第62/792,622号和第62/792,627号，标题为“可再生能源在甲醇合成中的应用”；和于2019年1月15日提交的美国专利申请第62/792,631号、第62/792,632号、第62/792,633号、第62/792,634号和第62/792,635号，标题为“可再生能源在化学品生产中的应用”；为了与本公开内容不相违背的目的，特此并入本文。
本公开描述用于生产甲醇的甲醇合成设备，其中该设备配置为使得甲醇合成设备的一个或多于一个部分、单元或类似单元组或单元操作所需的大部分净能量由来自如下的非碳基能源(ENC)提供：非碳基能源(例如，不是通过碳基燃料如烃的燃烧产生)、可再生能源(例如，来自非化石燃料衍生能源(ENF))、来自基于非化石燃料的能源(例如，不是通过燃烧化石燃料如煤或天然气产生)和/或电力。在实施方案中，ENC或ENF能源可包括电力、主要包括电力、基本上由电力组成或由电力组成。在实施方案中，ENC或ENF能源可包括可再生电力、主要包括可再生电力、基本上由可再生电力组成或由可再生电力组成。在实施方案中，整个甲醇合成设备、设备的一部分(例如，进料预处理部分、合成气体(或“合成气”)合成(例如重整)部分、甲醇合成部分和/或甲醇纯化部分)、类似单元组(例如，压缩机、动力提供单元、加热单元、再沸器、冷却单元、制冷单元、分离器、重整器、甲醇合成反应器、蒸馏/分馏塔)或设备的单元操作(例如，压缩、驱动、加热操作、冷却操作、重整操作、分离)或其组合的一部分(例如，大于或等于约5％、约10％、约20％、约30％、约40％、约50％)、大部分(例如，大于或等于约50％、约60％、约70％、约80％、约90％或约95％)或全部(例如约100％)由电力、可再生能源(例如，非化石燃料衍生能源(ENF))和/或非碳基能源(ENC)提供。在实施方案中，电力由可再生能源提供，例如但不限于风能(例如，通过风力涡轮机)、太阳能(例如，光伏(PV)面板或太阳能热)、水力发电、波浪能、地热、核能、潮汐能、生物质燃烧与替代作物中CO2的相关捕获，或其组合。在实施方案中，整个甲醇合成设备、该设备的一部分(例如，进料预处理部分、合成气合成部分、甲醇合成部分和/或甲醇纯化部分)、甲醇合成设备的一个单元或类似单元组(例如，压缩机、动力提供单元、加热单元、再沸器、冷却单元、制冷单元、重整器、甲醇合成反应器、分离器、蒸馏/分馏塔)或单元操作(例如，压缩、驱动、分离、加热、冷却、重整)或其组合所需的，并且通常在类似甲醇合成设备中通过燃料、碳基燃料和/或化石燃料的燃烧和/或使用蒸汽(例如，其本身通过这种燃料的燃烧产生)作为中间热量(和/或能量)传递流体提供的一部分(例如，大于或等于约5％、约10％、约20％、约30％、约40％、约50％)、大部分(例如，大于或等于约50％、约60％、约70％、约80％、约90％或约95％)或全部(例如约100％)的电力、可再生能源(例如，非化石燃料衍生能源(ENF))或非碳基能源(ENC)，在不燃烧燃料、碳基燃料和/或化石燃料和/或不使用这种燃料燃烧产生的蒸汽作为中间热量(和/或能量)传递流体的情况下提供。在实施方案中，整个设备或设备的一个或多于一个部分、单元或类似单元组的净能源由来自可再生能源的电力提供。例如，在实施方案中，加热通过电阻加热或以其他方式将电能转换为热能和/或机械能而提供。
在实施方案中，本公开的甲醇合成设备配置成使得如下文所述经由进料预处理系统、一个或多于一个重整器、一个或多于一个甲醇合成反应器、甲醇纯化系统或其组合用于驱动、加热、冷却、压缩、分离或其组合使用的大部分(例如，大于50％、60％、70％、80％或90％)的净能量(例如，除了工艺流之间的热交换之外)由电力提供。
在实施方案中，根据本公开的实施方案的甲醇合成设备是具有大于或等于每年约200000吨、每年1000000吨或每年5000000吨的甲醇生产能力的大型设备。在本公开中预期的较大规模下，由非碳基能源、可再生能源和/或电力提供的能量的量将相应地大。在实施方案中，根据本公开的方法的部分或完全电气化的设备将消耗20MW、50MW、100MW、150MW、200MW、500MW、750MW或1000MW或多于1000MW的电力。
尽管将利用甲醇合成设备的一个特定实施方案来描述甲醇合成设备的电气化，如本文所公开的，但应理解，多种装置安排和利用多种原料(例如，天然气、甲烷、LPG、石脑油、石油焦、煤或其组合)的甲醇合成技术可以根据本公开进行电气化，如对于本领域技术人员在阅读本文的描述后将是明显的。尽管下文有时描述通过包含天然气的进料重整来生产甲醇，但是根据本公开，利用用于从多种进料合成甲醇的其他技术的甲醇合成设备可以电气化。
参考图3的通用甲醇合成设备I的方框流程图，可认为甲醇合成设备包括一个或多于一个用于将进料流5转化为甲醇产物流45(和任选一个或多于一个副产物流41)的如下工艺部分：进料预处理部分10、合成气合成部分20、甲醇合成部分30、甲醇纯化部分40或其组合。这些部分将在接下来的几个段落中简要描述，并且在下文中更详细地描述。
如图3的甲醇合成方框流程图所示，甲醇合成设备的进料预处理部分10可操作以制备(例如，从进料中去除不需要的组分(例如硫)、调节进料的温度和/或压力)用于重整的进料5，提供经预处理的进料15。在应用中，本公开的甲醇合成设备不包括进料预处理部分。合成气合成部分20可操作以从进料5或经预处理的进料15生产合成气从而生产包含一氧化碳(CO)和氢气(H2)的合成气合成产物25。在实施方案中，如图2所示和下文进一步讨论的，合成气合成部分20是可操作以对进料(例如，包含天然气的进料5或经预处理的进料15)进行蒸汽重整以产生包含一氧化碳(CO)和氢气(H2)的重整产物的合成气合成部分。合成气合成(或“重整器”)产物25还可包含二氧化碳(CO2)、水、甲烷(CH4)和/或杂质。甲醇合成部分30可操作以从合成气合成产物25生产甲醇并且因此提供粗甲醇流35。甲醇纯化部分40可操作以从粗甲醇流35中分离经纯化的甲醇产物45和副产物41。
如图3所示和上面提到的，输入至甲醇合成设备或一个或多于一个部分或单元组、类似单元或其单元操作或在甲醇合成设备或一个或多于一个部分或单元组、类似单元或其单元操作内的能量(E)(通常可通过来自碳基能量来源的碳基能源(EC)2A、来自基于化石燃料的化石燃料衍生能源(EF)3A或通过使用蒸汽(例如，为该目的使用的来自基于碳或化石燃料的能源的能量产生的蒸汽)单独或主要作为热或能量传递介质(SHT)1来提供)，可部分或完全被来自非碳基能量来源的非碳基能源(ENC)2B、来自可再生能量来源的可再生能源/基于非化石燃料的能源(ENF)3B和/或电力(例如，电力和/或可再生电力)替代。碳基能源(EC)2A、化石燃料衍生能源(EF)3A或两者都可部分或完全被电力替代。在实施方案中，电力可源自非碳基燃料、可再生燃料、可再生能源或其组合。通过本文公开的系统和方法获得的益处可以是减少甲醇合成设备或工艺的温室气体(GHG)排放4。在实施方案中，上述蒸汽系统的消除或减少还可导致较低的资本和操作成本。
根据本公开，当冷却工艺流时，应使用尽可能多的热量来加热其他工艺流。然而，低于某个温度，进一步的热传递不再有效或有用，并且使用鼓风机、冷却水和/或制冷(需要能量输入以排出热量)。在这种实施方案中，例如，用于改变工艺流温度的热交换器、制冷单元或其组合可以是电力驱动的。在实施方案中，蒸汽不仅仅用作中间热和/或能量传输流，并且设备或其部分不包括复杂蒸汽系统，例如常规用于能量传输的复杂蒸汽系统。在实施方案中，蒸汽用作传热流体，并且不用于做机械功，例如驱动泵或压缩机。在实施方案中，通过电阻加热提供加热。在实施方案中，通过感应加热提供加热。
尽管不意欲受本文提供的实例的限制，但现将参考图4的甲醇合成设备II的示例性甲醇合成方框流程图，提供对根据本公开的实施方式的甲醇合成设备可电气化的一些方式的描述。在各种实施方案中，所描述的步骤、部分、单元组或单元操作可以任何合适顺序存在或操作，一个或多于一个步骤、部分、单元或单元操作可不存在、重复、由不同的步骤、部分、单元或单元操作替代，并且可采用本文未描述的另外的步骤、部分、单元或单元操作。另外，尽管步骤(例如，合成气冷却B1)标记为在特定部分(例如，在甲醇合成部分30/130)中，但该步骤也可视为另一部分(例如，合成气合成(或“重整”)部分20/120)的一部分。
如上文所述，参考图3和图4的实施方案，在实施方案中，本公开的甲醇合成设备包括进料预处理部分10/110。这样的进料预处理部分10/110可操作以从进料(例如天然气进料)中除去一种或多于一种组分，例如但不限于硫和/或汞，将进料的压力调节至所需操作压力、将进料温度调节至所需操作温度、预重整进料或其组合。
如上文所述，在实施方案中，预处理部分10/110可操作以为下游合成气合成部分20/120提供在所需操作压力下的进料。在图4的示例性甲醇合成设备II中，进料预处理部分110包括用于调节进料气体压力的设备C1，其可操作以调节经由天然气进料流105引入其中的进料的压力。可使用一台或多于一台压缩机来增加进料流105的压力。在其他实施方案中，如果进料的输送压力高于工艺所需的压力，则通过发电涡轮机降低压力，使得回收超压的能量，例如作为电能回收。
如上文所述，在实施方案中，预处理部分10/110可操作以提供在所需操作温度下的进料。例如，在图4的示例性甲醇合成设备II中，进料预处理部分110包括第一进料预热A1、第二进料预热A2和第三进料预热A3，其可操作以将引入其中的进料的温度调节至所需下游温度。在图4的实施方案中，第一进料预热A1配置成将流101中进料的温度(通过第一热输入Q1)增加到用于在流102中的110A(下文描述)处的进料纯化所需的温度；第二进料预热A2配置成将来自进料纯化110A的流103中进料的温度(通过第二热输入Q2)增加到用于流104中的110B(如下所述)处的进料预重整所需的温度；第三进料预热A3配置成将来自进料预重整的流105中进料的温度(通过第三热输入Q3)增加到进料流115中的期望温度，用于下游合成气合成部分120中的下游重整。
在实施方案中，从冷却重整产物获得的热量(例如，下文中进一步讨论的Q6、Q7和/或Q8)用于预热进料(例如，用于提供热量Q1、Q2和/或Q3的第一部分)。在实施方案中，Q1、Q2和/或Q3所需的剩余热量由电阻加热、过热蒸汽、通过添加少量氧气或空气获得的内部氧化或其组合来提供。
如上文所述，在实施方案中，预处理部分10/110可操作以在下游合成气合成(例如重整)部分20/120中的下游合成气生产之前从进料流中除去一种或多于一种组分。例如，可通过预处理部分10/110从进料流(例如天然气进料流)中除去杂质例如硫化合物、二氧化碳、氮、汞或其组合。例如，如果进料包含硫，则可以除去硫化合物，因为硫会使后续步骤中使用的一种或多于一种催化剂失活。脱硫可利用催化加氢脱硫(HDS)以将原料中的硫化合物通过反应式(1)转化为气态硫化氢：
H2+RSH→RH+H2S(气体) (1)。
然后，气态硫化氢可通过例如氧化锌床进行吸附和除去，其中将它通过反应式(2)转化为固体硫化锌：
H2S+ZnO→ZnS+H2O (2)。
例如，在图4的示例性甲醇合成设备II中，进料预处理部分110包括进料纯化(例如，脱硫、脱Hg等)110A。可将氢气流106引入用于进料纯化(例如，脱硫、脱Hg等)110A的进料纯化装置中。110A中使用的进料纯化装置可以是本领域技术人员已知的任何合适的污染物/毒物除去装置。
如上文所述，在实施方案中，预处理部分10/110可操作以预重整进料。例如，在图4的示例性甲醇合成设备II中，进料预处理部分110包括进料预重整110B。预重整装置可操作以除去可污染主重整器的高级烃。110B中使用的进料预重整装置可以是本领域技术人员已知的任何合适的预重整装置。
根据本公开的实施方案，进料预处理可通过减少使用非碳基能源、非化石能源、使用可再生能源或使用电力(例如，来自可再生能源和/或不可再生能源的电力)来实现。例如：预处理部分的压缩机(例如，进料气体压力调节C1)可以用电动机而不是气体或蒸汽驱动的涡轮机来操作，进料预热A1、A2和/或A3可通过电阻加热来实现，用于预重整(和/或如下描述的下游重整或其他合成气合成)的蒸汽产生112处产生的蒸汽可电力产生，110A处的进料纯化装置和/或110B处的预重整装置可用电操作，或其组合。在实施方案中，预处理床可以使用热、蒸汽或其他气体再生，其中能量由电力供应。在实施方案中，加氢脱硫反应器的进料预热器可采用电力加热。在实施方案中，蒸汽压缩热泵可用于加热进料，和/或热电加热器和冷却器可用于加热或冷却进料。例如，可将超过99％的输入电能转化为蒸汽的电极锅炉产生的蒸汽，用于提供比传统烃(或化石燃料)燃烧蒸汽锅炉更高的能源效率。
在实施方案中，进料预热可通过电阻加热元件来完成，电阻加热元件可布置在工艺导管内部、传热元件护套内和/或工艺导管外部同时通过导管加热进料。来自电阻加热元件的热量可流经传热装置(例如金属表面、翅片、管等)、传热气体、蒸汽、流体、固体、等离子体和/或其他介质，并且可以传导、对流和/或辐射的形式传递到工艺。在实施方案中，可利用工艺管道或装置的欧姆电阻加热或感应加热。在实施方案中，可使用机械加热。在实施方案中，可以利用电磁波加热，通过吸收工艺流体热量，或通过另一种介质吸收并随后将热量传递给工艺流体。在实施方案中，可使用蒸汽压缩热泵和/或热电加热器和/或冷却器。在实施方案中，使用电极锅炉或电阻浸入式加热器产生蒸汽。在实施方案中，通过注入热工艺流体来实现预加热。在实施方案中，该热工艺流体包括蒸汽。在实施方案中，蒸汽是电加热的。在实施方案中，蒸汽通过氢气的氧化或燃料电池的废气获得。
根据本公开的甲醇合成设备包括合成气合成部分，其可操作以重整烃进料从而生产氢气和一氧化碳(例如，合成气体或“合成气”)。尽管参考图4的实施方案进行描述，其包括合成气合成部分作为合成气合成部分120，但用于甲醇合成的合成气也可或另外通过部分氧化(例如甲烷部分氧化)和/或气化(例如煤气化)而生产，并且这旨在包括在本公开的范围内。
合成气合成部分20/120可以是或可以包括重整部分、部分氧化部分、气化部分或其组合。在实施方案中，例如图4的实施方案，合成气合成部分20/120包括重整。在图4的实施方案中，合成气合成部分120可包括蒸汽甲烷重整120A、干重整120B、自热重整120C或其组合。任选技术(未示出)包括但不限于与蒸汽、氧气和/或二氧化碳的混合重整。在实施方案中，重整合成气合成部分120包括蒸汽甲烷重整器或反应器、部分氧化重整器或反应器、自热重整反应器、干重整反应器或其组合。如图4的实施方案中所示，热输入Q4可用于在120A保持所需蒸汽甲烷重整温度，和/或热输入Q5可用于在120B保持所需干重整温度。二氧化碳流123可用于干重整120B，和/或氧气流128可用于自热重整120C。空气分离单元127可用于从空气流126提供氧气流128用于自热重整120C。在实施方案中，热除去Q15可用于在空气分离单元127例如低温空气分离单元中实施空气分离。蒸汽流113可通过蒸汽发生装置112从水流111中的水产生。如图4所示，蒸汽113可用于预重整器(当存在时)和重整器(例如蒸汽甲烷重整器120A)。
作为合成气合成部分20/120的重整部分可操作以实施(例如，无硫)甲烷进料的催化蒸汽重整，从而通过反应式(3)形成氢气和一氧化碳：
也发生反应式(4)所示的水煤气变换反应：
通常，在平衡状态下，反应式(3)和反应式(4)的反应可组合以提供反应式(5)的整个反应：
例如，图4的实施方案的合成气合成部分120包括在120A处的蒸汽甲烷重整，由此甲烷进料115中的甲烷和管线113中的蒸汽合并，然后进给到蒸汽甲烷重整120A的蒸汽甲烷重整炉中，其中甲烷通过反应式(3)部分转化成一氧化碳和氢气。在实施方案中，蒸汽甲烷重整(SMR)在约500℃至约1000℃(约930°F至1830°F)的温度和约8巴至约35巴的压力下进行。蒸汽甲烷重整(SMR)反应是吸热的，反应热通常通过在炉燃烧器处燃烧甲烷和/或工艺吹扫气体以提供热量输入(表示为Q4)来提供。如下文进一步所述，根据本公开的实施方案，热量输入Q4通过可再生能源和/或电力来提供。可再生能源可以包括来自可再生能源(例如风能或太阳能等)的电力。因此，根据本公开的实施方案，蒸汽甲烷重整装置120A不通过专用燃料的燃烧加热(例如，不通过在炉中燃烧碳基和/或化石燃料来为反应提供热量而产生)。通过反应式(4)或(5)产生的二氧化碳可转化为甲醇，因此不会导致通常在炉中燃烧专用燃料以为反应提供热量并且伴随产生包含CO2的烟道气时所见到的排放。
在实施方案中，根据本公开的甲醇合成系统或方法导致生产每吨甲醇通过燃烧燃料(例如，碳基燃料、化石燃料或其组合)产生小于或等于约2吨、1.5吨、1吨、0.5吨、0.1吨或0(例如，无)吨的燃烧烟道气。本公开的实施方案中，每生产一吨甲醇所产生的CO2量减少到每吨甲醇0.30吨、0.25吨、0.2吨、0.1吨、0.05吨或0吨CO2。在实施方案中不产生烟道气，例如，在本公开的甲醇合成设备的合成气合成部分、一个或多于一个部分或所有部分内不产生烟道气。
在实施方案中，一个或多于一个蒸汽甲烷重整器是电加热的。在实施方案中，一个或多于一个蒸汽重整器通过电阻或感应加热进行加热。在实施方案中，一个或多于一个蒸汽重整器通过电加热(例如，通过电阻加热、感应加热、欧姆加热等)的辐射板来加热。
在实施方案中，使用两级重整器，将氧气128加入到来自第一级重整器的部分转化的混合物中，其中它与甲烷燃烧以通过部分氧化产生碳氧化物和热量。例如，在实施方案中，温度升高到自热催化剂床入口处约1200℃至1250℃的温度和自热催化剂床出口处约700℃至900℃的温度)。在实施方案中，可利用蒸汽重整和部分氧化的组合来控制所得合成气的组成。
在实施方案中，CO2流123用于在合成气合成反应器(例如，蒸汽重整器)之前或在合成气合成反应器(例如，蒸汽重整器)的下游将一些CO2加入到工艺气流中。这可允许SMR所产生的更多的氢结合到甲醇分子中(例如，通过与CO2反应)。在实施方案中，在甲醇合成部分30/130(下文进一步描述)的一个或多于一个甲醇合成反应器的上游引入CO2以消耗额外的氢气，平衡一个或多于一个甲醇合成反应器中的热量(例如，使其放热更少，使得所需的热除去Q10更少)，并且允许将CO2电转化为甲醇。替代地或另外，在实施方案中，可将CO2引入反向水煤气变换(WGS)反应器(例如，甲醇合成部分30/130的WGS130A，下文进一步描述)以提供吸热和低温WGS和/或用于电力和/或来自冷却产品流的过量低品位热能的容易和低温散失。
合成气合成部分20/120可包括干重整。在干重整中，甲烷和二氧化碳的反应在称为干重整的过程中产生合成气，因为不使用蒸汽或使用少于用于蒸汽甲烷重整的正常量的蒸汽。干重整按照反应式(6)进行：
反应式(6)的反应比蒸汽甲烷重整更吸热，并且产生用于甲醇合成的氢气明显不足的气体。虽然这对于甲醇合成是不利的，但干重整在实施方案中可以利用。在实施方案中，干重整与蒸汽重整结合使用。
合成气的生产通常是强吸热的，需要添加热能(作为热量Q提供)。如上所述，通常，燃烧燃料(例如天然气、甲烷、来自甲醇合成部分的吹扫气体)以提供达到所需重整温度和提供必要的反应热的热量(例如Q4和/或Q5)。本公开的实施方案中，无需在炉内燃烧外部燃料即可达到所需的重整温度。本公开的实施方案中，无需燃烧碳基燃料即可达到所需的重整温度。在实施方案中，所需的重整温度通过注入由电产生的蒸汽或由氢气燃烧产生的蒸汽来实现。理想地，本公开的实施方案中，没有化石燃料、没有碳基燃料(例如，甲烷或天然气)和/或没有氢气作为专用燃料燃烧，因为这些通常作为燃料燃烧的材料可以用作进料以根据本公开的实施方案生产额外的甲醇产物。
在实施方案中，合成气合成部分20/120配置为通过在工艺内部燃烧来生产二氧化碳(CO2)以向合成气合成部分增加热量并且减少甲醇合成部分30/130的一个或多于一个甲醇合成反应器中的热量产生，在下文中进一步描述。在实施方案中，这种二氧化碳通过可再生(例如非化石)燃料的燃烧来产生。
在实施方案中，合成气合成部分20/120配置为供应合成气和/或经纯化的氢气作为产品。例如，这可通过将污染物吸收在吸收溶剂中清洁污染物，然后通过电加热使溶剂再生来完成。或者，变压或变温吸附可用于氢气分离和纯化。或者，具有电动循环或充电压缩机的膜分离可用于分离。电驱动的低温蒸馏可用于纯化。在其他实施方案中，合成气或经纯化的氢气产品是中间流，其与消耗氢气或合成气的另一化学工艺整合。在实施方案中，通过有目的地操纵各种工艺变量，例如蒸汽与碳的比率或氧与碳的比率，可增加氢气的产生量。
在实施方案中，可通过减少非碳基能源(ENC)的使用、使用可再生能源(例如，基于非化石燃料的能源(ENF))或电力(例如，来自可再生能源的电力)的使用来实现重整。例如：合成气合成部分的压缩机和泵(例如用于引入蒸汽113、二氧化碳123或氧气128的压缩机或泵)可用电动机或以其他方式电驱动而不是通过气体或蒸汽驱动的涡轮机操作，达到期望重整温度(在蒸汽甲烷重整器120A或干重整器120B中)所需的热量输入Q4或Q5可以电提供，或其组合。
在实施方案中，H2O(例如，水流111)、CO2(例如，CO2流123)、O2(例如，O2流128)或其组合可在引入之前电预热。在实施方案中，使用电极锅炉产生用于重整的蒸汽。在实施方案中，当H2O和/或CO2(例如，在水流111和/或CO2流123中)被引入时，可电过热以提高工艺流的温度。替代地或另外，在实施方案中，可电提供用于合成气合成部分20/120的重整反应的热量(例如，Q3、Q4和/或Q5)。在实施方案中，重整热(例如，Q3、Q4和/或Q5)可由电阻加热元件提供，所述电阻加热元件可布置在工艺导管内部、传热元件护套内和/或工艺导管外部并通过导管加热工艺。来自电阻加热元件的热量可流经传热装置(例如金属表面、翅片、管等)、传热气体、蒸汽、流体、固体、等离子体和/或其他介质，并且可以传导、对流或辐射的形式传递至工艺。在实施方案中，可利用工艺导管或装置的欧姆电阻加热或感应加热。在实施方案中，可使用机械加热。在实施方案中，可利用通过电磁波的加热，通过工艺流体吸收，或通过另一种介质吸收，其随后将热量传递至工艺流体。
在实施方案中，热电装置可用于加热合成气合成部分20/120(例如，蒸汽重整部分120A、干重整部分120B和/或自热重整部分120C)的反应，同时为热合成气提供冷却。多级热电装置可用于向来自甲醇合成部分30/130的下游甲醇合成反应或工艺的另一部分提供热量。热电装置可用于在冷却氧化反应(例如，部分氧化合成气合成部分20/120)或重整器流出物(重整合成气合成部分20/120)的同时发电。在使用电加热的情况下，由此产生的一个优势可以是增强的热量分布和更高的热量均匀性。例如，管金属温度是来自传统燃烧源的加热器的设计限制，最热的部分位于火焰附近。通过消除火焰，设计可在工艺侧方面具有更高的整体温度，更均匀，可能导致重整器中更高的转化率，从而导致更高的总转化率。在实施方案中，供应到合成气合成部分20/120的蒸汽可电产生。在实施方案中，蒸汽在合成气合成部分20/120中用作反应物和/或用于稀释，并且用于反应物和/或稀释的蒸汽是使用电产生的。在实施方案中，供应到合成气合成部分20/120的重整部分的氧化部分的氧气可通过由电力驱动的空气分离来制备。在实施方案中，提供给干重整或混合重整的二氧化碳可通过电加热和/或电驱动设备回收和/或供应。
在实施方案中，本公开的甲醇合成设备中的合成气合成部分20/120或其他部分的至少5％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、大部分或全部空气分离装置(ASU)是电动的。
如上所述，本公开的甲醇合成设备可包括甲醇合成部分30/130。重整完成后，合成气流可部分冷却，任选地进料至水煤气变换反应器，其中通过变换水和一氧化碳而形成额外的氢气，以产生额外的氢气和二氧化碳。经变换的流可冷却到接近环境温度，并且大部分水被冷凝出以提供大量干燥气体，称为甲醇合成用干气。可通过一台或多于一台压缩机将大量干燥气体的压力增加到所需的甲醇合成反应压力，例如可以是约1000psia至3000psia。因此，参考图4，在实施方案中，甲醇合成部分30/130可包括在合成气冷却B1和/或B2处冷却合成气合成部分20/120产生的合成气，在130A处水煤气变换合成气，在冷却B3处冷凝水，在C2处压缩合成气，在A4处加热合成气，在甲醇反应130B处由合成气形成甲醇，或其组合。甲醇合成部分30/130因此可包括实现冷却B1/B2/B3的冷却装置，其可操作以从合成气中除去热量；水煤气变换装置，其可操作以在130A处使合成气进行水煤气变换；压缩装置(本文也称为合成气压缩机)，其可操作以在C2处压缩干燥合成气；加热装置，其可操作以在合成气加热A4处加热合成气以在130B处引入甲醇合成；和/或在130B处进行甲醇合成的甲醇合成装置。
如上所述，本公开的甲醇合成部分30/130可以包括合成气冷却B1/B2/B3。例如，在合成气合成部分20/120重整后，合成气可进行冷却。例如，第一合成气冷却B1可操作用于水煤气变换130A上游的热除去(Q6处所示)，第二合成气冷却B2可操作用于水煤气变换130A下游的热除去(Q7处所示)，水冷凝或第三合成气冷却B3可操作用于热除去(Q8处所示)并且从130B处的甲醇合成的上游的合成气中除去水138。如上所述，甲醇合成部分30/130可包括水除去、“水冷凝”或第三冷却装置B3。在图4的实施方案中，任选经变换的合成气流132流在第二合成气冷却B2中冷却并且水138在水冷凝B3处冷凝(伴随Q8处热除去)，以产生干气流134。
如下所示，在实施方案中，大部分、大于20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％或90％或基本上所有的冷却B1/B2/B3通过非碳基能源，例如来自可再生能源驱动，和/或通过与设备另一部分中的工艺流热交换而冷却。例如，在实施方案中，通过与离开合成气压缩装置的压缩合成气流136(下文描述)进行热交换(例如，使用Q7提供能量Q9的一些或全部)，可至少部分地实现冷却。在实施方案中，在冷却B1/B2/B3中回收的部分或全部热量用于进料预热A1/A2/A3。在实施方案中，这是使用一个或多于一个进料/出料热交换器完成的。
如上所述，本公开的甲醇合成部分30/130可包括合成气变换130A。例如，重整完成后，重整产物流25/125可在变换部分130A中进行水煤气变换，以通过上述反应式(4)的水煤气变换(WGS)反应产生额外的氢气。
期望地但不限于，在实施方案中，操作重整和/或变换，以提供氢气与一氧化碳之比(H2/CO)为约2和(H2-CO2)/(CO+CO2)之比或化学计量数等于或略大于2的合成气(例如，用于进给到甲醇合成130B的甲醇合成反应器中)。在实施方案中，可通过本领域已知的任何合适方法来实现变换。例如，变换可包括高温变换、低温变换或两者。在图4的实施方案中，重整产物流125中的重整产物在第一冷却步骤或单元B1部分冷却(热除去由Q6所示)以产生流131所示的经冷却的重整产物。将经冷却的重整流131在130A处引入一个或多于一个变换反应器，其中通过上述反应式(4)的水煤气变换(WGS)反应使H2O和CO变换产生CO2和额外的氢气以形成额外的氢气(H2)，从而提供变换流132。变换流132的冷却B2可在第二冷却步骤或单元B2(热除去由Q7表示)和通过冷却B3(热除去由Q8表示)除去水进行，由此流进一步冷却以分别提供冷却流133、变换流134。非限制性地，本公开的甲醇合成设备可包括在130A处的高温变换和低温变换，因为需要低温来驱动反应接近完成，但反应在高温下进行得更快。
在实施方案中，在甲醇合成反应的下游，例如粗甲醇回收140A的下游和吹扫气体系统140B的上游使用变换反应器。在这种实施方案中，变换反应器可用于在引入例如氢气纯化装置之前将一部分气流142变换，以将氢气分离和循环至130B处的甲醇合成。在这种实施方案中，一部分气流142可循环至130B的甲醇合成(例如，通过氢气纯化装置)而无需变换。类似地，来自上游变换反应器的变换流的至少一部分(例如，来自130A的水煤气变换的经变换的合成气流133的一部分)可在引入130B的甲醇合成之前引入氢气纯化装置。在实施方案中，一部分合成气可转用于分离经纯化的氢气产品。
如上所述，本公开的甲醇合成部分30/130可包括合成气压缩C2。例如，在通过冷却B3除去水之后，干燥合成气进行压缩以在130B处的甲醇合成之前提供压缩流136。如本文所示，在实施方案中，在不使用气体和/或蒸汽涡轮机(其中蒸汽通过烃的燃烧产生)的情况下，可实现干燥合成气的压缩。例如，在实施方案中，例如在改进的应用中，电驱动压缩机或电动机或用电产生的蒸汽操作的蒸汽涡轮机可用于在130B处合成甲醇之前压缩干燥合成气。如上所述，甲醇合成部分30/130可包括合成气压缩C2。例如，在图4的实施方案中，通过用一台或多于一台压缩机的压缩C2将干燥气流134引入甲醇合成反应130B。在实施方案中，压缩C2可将压缩合成气流136中的压力升至约1000psia至约3000psia。
如上所述，本公开的甲醇合成部分30/130可包括合成气加热A4。合成气加热可用于将干燥的经压缩的合成气流136加热至加热的合成气进料137所需的甲醇合成反应温度。在实施方案中，根据甲醇合成反应器的设计，所需的甲醇合成反应温度可以是约150℃至260℃。
根据本公开，在实施方案中，压缩流135通过合成气加热A4(和在Q9处所示的热输入)的加热的大部分、大于20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％或90％或基本上全部可通过电实现，和/或在其他情况下不需要燃料燃烧(例如，通过与另一工艺气流，例如但不限于冷却的经变换的合成气流133进行热交换)。
如上所述，本公开的甲醇合成部分30/130包括甲醇合成130B。因此，本公开的甲醇合成设备包括用于进行甲醇合成130B的甲醇合成装置。甲醇合成部分30/130可包括一个或多于一个甲醇合成反应器或催化剂床以进行甲醇合成130B。甲醇合成反应器的数量和布置是本领域技术人员通常已知的。例如，甲醇合成反应器可以是在合成气压缩的下游并且具有在回收粗甲醇后用于循环的第二压缩机的单通道甲醇合成反应器(如在图4的实施方案中)、单通道甲醇合成反应器后设置带循环甲醇合成反应器、在合成气循环回路内串联的2个甲醇合成反应器，或本领域技术人员已知的用于甲醇合成的多种其他配置中的任一种。
甲醇合成涉及以下三个反应式，反应式(7)-(9)：
在甲醇合成中，流137中的合成气进料中的CO、CO2和H2通过反应式(7)和(8)反应产生甲醇。反应可例如在约235℃下在含铜或锆的催化剂上进行。在实施方案中，负载在氧化铝上的氧化铜和氧化锌的混合物用作催化剂。反应是放热的(热除去在Q10处表示)并且转化率是平衡限制的。热除去可整合到反应器设计中，例如，通过多个反应器之间的级间冷却和/或同一反应器内的催化剂床之间的级间冷却，通过水冷却，或通过注入包括合成气在内的冷气体。水煤气变换反应(反应式(8))也在催化剂上发生。由于反应式(7)、(8)和(9)是可逆的，因此重要的是控制关于温度、压力和合成气混合物的工艺条件。许多反应器设计已经实施，并且主要的反应器设计差异在于如何控制反应温度。根据本公开，可使用任何合适的甲醇合成技术，只要操作遵循本文提供的能量限制即可。例如，在实施方案中，甲醇合成反应器在冷却下操作，以保持电实施所需的甲醇合成温度。在实施方案中，根据本公开，电控制反应器温度可使得能够实现改善的温度控制。例如，在实施方案中，加热和冷却技术的组合可用于甲醇合成部分30/130中的甲醇合成。在实施方案中，电加热器用于将合成气加热至甲醇合成反应温度。在实施方案中，蒸汽压缩热泵用于将合成气加热至甲醇合成反应温度。在实施方案中，热泵(蒸汽压缩、化学、吸收或吸附)用于冷却甲醇合成反应器。在实施方案中，热电装置用于加热、冷却，或同时加热反应的一部分和冷却反应的另一部分。在实施方案中，甲醇合成反应的热量通过加热水产生蒸汽，通过加热另一种传热流体，和/或通过与工艺气体或气态传热介质进行热交换来除去。例如，在实施方案中，在Q10和/或Q11产生的热量可用于通过甲醇产物流135和压缩合成气流136之间的热交换来提供在Q9处所需的部分或全部热量输入。产物甲醇可以通过甲醇产物流135从甲醇合成130B中除去。
根据本公开的实施方案，甲醇合成30/130可通过减少非碳基能源的使用、使用可再生能源和/或电力(例如，来自可再生能源和/或不可再生能源)来实现。例如：在实施方案中，通过冷却B1达到所需的水煤气变换温度所需的热除去Q6可以电提供；实现合成气冷却B2所需的热除去Q7可以电提供；用于冷却和水除去/冷凝B3的热除去Q8可以电提供；在合成气压缩C2处提供的压缩可以通过马达或其他电力驱动的压缩机而不是通过蒸汽或气体驱动的涡轮机实现，或通过由电力产生的蒸汽驱动的涡轮机实现；加热A4处达到所需甲醇合成温度所需的加热Q9可以电提供；电冷却可用于来自甲醇合成130B的甲醇合成反应器的热除去Q10，或其组合。
如上所述，本公开的甲醇合成设备可包括甲醇纯化部分40/140。甲醇纯化部分40/140可操作以从甲醇合成产物中除去粗甲醇产物，从粗甲醇产物中除去一种或多于一种组分(例如，轻馏分、重质副产物、水或其组合)，再循环合成气蒸汽到甲醇合成130B，和/或从系统中吹扫气体。在实施方案中，根据本公开，可使用本领域已知的任何合适的甲醇纯化系统，只要它已修改为包括非碳基能源、可再生能源和/或电力(例如，已电气化以使用用于驱动的可再生电力和/或不可再生电力)。
在实施方案中，甲醇纯化部分40/140可包括粗甲醇分离装置、将合成气蒸气再循环至甲醇合成装置的循环压缩机、可操作以吹扫来自甲醇纯化部分的气体(例如，富含惰性物质的未转化合成气的一部分和其他不太需要的组分，例如CO2和N2)的吹扫气体系统、轻馏分除去装置、重质副产物分离装置、甲醇/水分离装置、相关加热、冷却和/或压缩装置或其组合，如下文进一步描述。
如上所述，甲醇纯化部分40/140可包括冷却。例如，冷却B4可用于甲醇合成130B的下游(热除去在Q11处表示)。在实施方案中，甲醇合成反应器流出物在冷却B4处冷却至接近环境温度，其中粗甲醇和反应形成的水冷凝。在实施方案中，提供合成气冷却B4处所需的热除去Q11所消耗能量的大部分、大于20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％或90％或基本上全部提供自非碳基能源，可再生能源例如可再生电力，和/或电力(来自可再生能源和/或不可再生能源)。在实施方案中，用于循环冷却水的许多泵中的一些或大部分是电力驱动的。期望地，如上文所述，热除去Q11通过与压缩合成气流136的热交换进行，以在合成气加热A4处提供热量输入Q9。
如上所述，甲醇纯化部分40/140可包括在140A处的粗甲醇回收。在实施方案中，粗甲醇回收通过气/液分离器实现，所述气/液分离器可操作以将在冷却B4处冷凝的水和甲醇与气体(例如，合成气蒸气)分离。
如上所述，甲醇纯化部分40/140可包括压缩装置(本文也称为循环压缩机)C3，其可操作以将未转化的合成气循环到一个或多于一个甲醇合成反应器中。在图4的实施方案中，未反应的气体通过循环压缩机C3压缩，并且通过气体循环流144循环回到甲醇合成130B。在实施方案中，循环压缩也可与合成气压缩组合。通过蒸汽重整从甲烷生产合成气时，每产生1摩尔一氧化碳产生3摩尔氢气(反应式(3))，而甲醇合成(反应式(6))每消耗1摩尔一氧化碳仅消耗2摩尔氢气。在实施方案中，为了处理过量的氢气，可将二氧化碳注入一个或多于一个甲醇合成反应器中。因此，在实施方案中，二氧化碳可通过压缩机C2或C3引入一个或多于一个甲醇合成反应器，如图4的实施方案中的CO2流123'所示。
残留的甲烷和其他惰性物质，如氮气和氩气，以及未反应的CO、H2和CO2，在循环气流中积聚。这些可通过吹扫气体系统从循环气体中吹扫出。如上所述，因此，甲醇纯化部分40/140可包括吹扫气体系统，其可操作以从甲醇纯化部分40/140吹扫气体(例如，包括甲烷、氮气、氩气)。在实施方案中，为了处理在气体循环流144的循环气体中积聚的残余气体(例如，甲烷、氮气、氩气)，经由吹扫气体系统140B从循环气体中吹扫一部分气体。在图4的实施方案中，管线143中的吹扫气体进入吹扫气体系统140B，并且通过吹扫管线105'从甲醇合成设备中除去。在实施方案中，吹扫流105”用于提取循环压缩机C3上游的吹扫气体。在实施方案中，可将全部或部分吹扫气体作为重整器进料的组分引入预处理部分10/110或合成气合成部分20/120。在实施例中，吹扫气体系统140B可涉及可由电力提供的热量除去。额外的步骤，例如水洗，可用于帮助提高甲醇的单程回收率并且避免损失。一些吹扫气体系统包括另外的分离，以回收特定的吹扫气体组分，例如氢气。这种另外的步骤、分离及其装置(例如，氢除去和/或氢纯化装置、水洗涤和/或水洗涤装置)在本公开的范围内。在实施方案中，分馏、吸附、气体渗透膜分离、分子筛、吸收可用作分离方法。在实施方案中，化学反应(例如，甲烷化)可用于增强或使得能够实现分离方法的实际可行性或有效性。在实施方案中，这种额外的分离也是电气化的和/或另外至少部分地在不使用非可再生碳基能源的情况下实现的。在实施方案中，吹扫气体不会因为其燃料价值而燃烧，这在常规操作中是常见的。在实施方案中，小于或等于约50、40、30、20、10、5、4、3、2或1重量百分比(重量％)的吹扫气体燃烧(例如，在合成气合成部分20/120或甲醇合成设备中的其他地方)。在实施方案中，吹扫气体不因其燃料价值而燃烧，而是分离成一种或多于一种包含特定化合物或化合物组的不同流，其中以特定有益方式进一步处理这种一种或多于一种不同流。例如在实施方案中，甲烷和/或氮气从吹扫气体中除去(例如，通过分馏)。在实施方案中，甲烷和氮气通过低温分馏从净化气体中除去，低温分馏由蒸汽压缩热泵来冷却，其中压缩机由电动机提供动力。在实施方案中，甲烷回收用作甲醇合成的原料。在实施方案中，从该工艺中除去的氮气和/或甲烷被送往氨合成工艺中使用。在实施方案中，惰性气体如氮气和氩气从工艺中除去，同时部分或全部剩余组分(例如，CO、CO2、甲烷和/或氢气)被回收。在实施方案中，将氢气从吹扫气体流105'或105”的吹扫气体中分离出，并且将分离的氢气直接循环到甲醇合成部分30/130和/或用于设备内的一些其他任务(例如，用于进料预处理部分，例如通过反应式(1)进行加氢脱硫或燃烧以提供热量)。在实施方案中，从吹扫气体流105'或105”的吹扫气体中分离的氢气从该过程中除去并且在其他地方消耗。
在实施方案中，吹扫气体分离系统包括多个系统，以从设备的不同部分获取气流，例如，用于甲醇合成回路吹扫气体的高压吹扫气体系统和用于粗甲醇脱气塔轻馏分的低压吹扫气体系统。在实施方案中，在整个吹扫气体处理方案中，多个系统的不同流可以串联或并联连接在一起。在实施方案中，压缩机用于增加低压吹扫气体的压力，以在更高压力下运行的吹扫气体分离系统中能够循环或处理。在实施方案中，吹扫气体系统是单一、统一的处理单元。
在实施方案中，甲醇合成设备还包括位于甲醇合成部分下游并且配置为将重整器中产生的氢气与吹扫气体分离从而提供经分离的氢气流的氢气分离装置、配置为纯化经分离的氢气流从而提供经纯化的氢气流的氢气纯化装置；和/或可操作以由经纯化的氢气流发电的一个或多于一个燃料电池。甲醇合成设备还可包括储存装置，其配置用于储存经分离的氢气、经纯化的氢气或其组合，使得可在电力容易获得时储存经分离的氢气、经纯化的氢气或其组合，并且由此当其他电力来源不容易获得和/或无法以理想的价格获得时，储存的氢气可用于在一个或多于一个燃料电池中发电。在实施方案中，将分离的氢气送入氨合成和/或其他工艺。
如上所述，甲醇纯化部分40/140可包括从粗甲醇流146的粗甲醇产物中分离甲醇。根据本公开，任何合适的分离都可使用，只要它们是按照甲醇合成设备对非碳基能源、可再生能源和/或电力(例如，可再生电力和/或不可再生电力)的利用来实现的。在实施方案中，用于从粗甲醇流中分离甲醇的纯化部分中的温度通常为150℃或低于150℃。在实施方案中，从粗甲醇流中分离甲醇包括从甲醇中除去轻馏分、重质副产物和/或水以提供经纯化的甲醇产物145。
在实施方案中，从粗甲醇流146中分离甲醇包括在140C从粗甲醇产物中除去轻馏分。在实施方案中，在140C使用脱气塔将流147中的粗甲醇与轻质气体分离。在实施方案中，可以引入热量(如Q12所示)以实现这种轻馏分的除去。根据本公开，在实施方案中，产品轻馏分除去140C所需的净热量输入(Q12)的大部分、大于20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％或90％或基本上所有提供自非碳基能源、可再生能源，例如可再生电力，和/或电力(例如，来自可再生能源和/或不可再生来源的电力)。
在实施方案中，从粗甲醇流中分离甲醇还包括在重质副产物分离140D处分离重质副产物。在甲醇合成130B处的甲醇合成反应中形成的烃和高级醇副产物可通过分馏分离。这些重质副产物可作为侧馏分从轻馏分除去140B处使用的轻馏分除去装置(例如脱气塔)或甲醇/水分离140E处的甲醇/水分离装置(例如甲醇纯化塔)取出，或通过来自单独蒸馏塔的顶部或底部产品取出。例如，如图4的实施方案所示，来自轻馏分除去140C的甲醇流147可在140D处引入重质副产物分离装置，其中重质副产物可从甲醇流148中除去。在实施方案中，可引入或除去热量(如Q13所示)以实现这种重质副产物的除去。根据本公开，在实施方案中，重质产物分离140D处所需的净热量输入或除去(Q13)的大部分、大于20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％或90％或基本上全部提供自非碳基能源、可再生能源(例如，来自基于非化石燃料的能源ENF)，例如可再生电力，和/或电力(例如，来自可再生电力和/或不可再生电力)。
在实施方案中，从粗甲醇流中分离甲醇还包括在甲醇/水分离140E处分离甲醇和水。在实施方案中，甲醇和水进行蒸馏以纯化甲醇，并且从而提供经纯化的甲醇产物145和水149。在充分不含有害污染物或痕量化学改性剂(例如NaOH)的情况下，水149可循环到用于在130A处变换的一个或多于一个变换反应器和/或循环到蒸汽发生112。或者，水149可在循环之前进行清洁。
出于热集成的目的，在140E处的甲醇/水分离可在单个分馏塔(例如，蒸馏塔)或多个塔(例如，多个蒸馏塔)中进行。在实施方案中，可引入或除去热量(如在Q14所示)以实现这种甲醇/水分离。根据本公开，在实施方案中，甲醇/水分离140E处所需的净热量输入或除去(Q14)的大部分、大于20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％或90％或基本上全部提供自非碳基能源ENC、可再生能源(例如，来自基于非化石燃料的能源ENF)，例如可再生电力，和/或电力(例如，来自可再生能源和/或不可再生能源的电力)。在实施方案中，甲醇/水分离140E的蒸馏塔上各个塔板的温度是电控的，以提高分离效率。
根据本公开的实施方案，甲醇纯化可通过减少非碳基能源和/或不可再生能源的使用、(增加)可再生能源的使用和/或电力(例如，来自可再生能源和/或不可再生资源的可再生电力)的使用来实现。例如，在实施方案中，合成气冷却B4处所需的净热除去Q11(例如，与另一工艺流热交换所提供的热除去之外需要的任何热除去)可以电提供；在循环压缩机C3处提供的压缩可通过马达或其他电力驱动的压缩机而不是通过蒸汽或气体驱动的涡轮机实现，或是通过由电力产生的蒸汽驱动的涡轮机来实现；在140℃的轻质馏分除去所需的净热量输入或除去Q12可以电提供；重质副产物分离140D所需的净热量输入或除去Q13可以电提供；水/甲醇分离140E所需的净热量输入或除去Q14可以电提供；或其组合。
如上文表1中所述，电加热提供比通过燃料燃烧加热更高的能量效率。在实施方案中，蒸馏塔进料可通过机械加热、电阻加热元件、阻抗、热电装置和/或电磁波加热工艺流体或从中传递热量的其他介质来加热。在实施方案中，蒸馏塔可以在再沸器处和/或在各个部分通过机械加热、电阻加热器、阻抗、热电装置和/或电磁波加热工艺流体或从中传递热量的其他介质进行电加热。可使用热泵(蒸汽压缩、吸收、吸附或化学)。在实施方案中，热电装置可用作热泵。在实施方案中，蒸馏塔冷凝器和产品冷却器可通过电力驱动的空气冷却器、冷却水回路、热电装置和/或热泵来冷却。
在实施方案中，Q1-Q15中的一个或多于一个可由回收的热量而不是由外部提供的能量来提供。在实施方案中，甲醇合成设备、进料预处理部分、合成气合成部分、甲醇合成部分、甲醇纯化部分或其组合中所需净热量输入或除去的大部分、大于20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％或90％或基本上全部提供自非碳基能源ENC、可再生能源(例如，来自基于非化石燃料的能源ENF)，例如可再生电力，和/或电力(例如，来自可再生能源和/或不可再生能源的电力)。在实施方案中，甲醇合成设备、进料预处理部分、合成气合成部分、甲醇合成部分、甲醇纯化部分或其组合中所需净热量输入或除去的大部分、大于20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％或90％或基本上全部提供自非碳基能源ENC、可再生能源(例如，来自基于非化石燃料的能源ENF)，例如可再生电力，和/或电力(例如，来自可再生能源和/或不可再生能源的电力)。
在实施方案中，甲醇合成设备、进料预处理部分、合成气合成部分、甲醇合成部分、甲醇纯化部分或其组合中的压缩(例如，在进料气压力调节C1、合成气压缩C2和/或循环压缩机C3)所需能量的大部分、大于20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％或90％或基本上全部提供自非碳基能源、可再生能源，例如可再生电力，和/或电力(例如，来自可再生能源和/或不可再生能源的电力)。例如，电动机、电动涡轮机和/或由电力产生的蒸汽驱动的涡轮机可用于在整个甲醇合成设备或其一个或多于一个部分提供压缩。在实施方案中，压缩机的大部分、大于20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％或90％或基本上全部使用或由电动机、电动涡轮机和/或由电力产生的蒸汽驱动的涡轮机替代。
在实施方案中，电力可用于为流体提供动力。例如，电力可用于驱动泵以移动和/或加压液体，和/或驱动鼓风机和/或风扇。在实施方案中，甲醇合成设备中使用泵数量的一部分、大部分或全部(例如，20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％或100％)是电气化的。
在实施方案中，电力用于产生比常规冷却水稍冷(例如，冷2℃、5℃、10℃或15℃)的冷却水。
如上所述，根据本公开的实施方案，当利用来自具有潜在或已知间歇性供应(例如，间歇性能源或IES)的可再生能源的电力时，可采取各种步骤来保持甲醇合成设备的操作。IES的这种处理可如以下中所述：2019年1月15日提交的题为“间歇性能源在化学品生产中的应用”的美国临时专利申请第62/792,636号和第62/792,637号，出于不违背本公开的目的，其在此并入本文。例如，在实施方案中，储存压缩氢气用于间歇性电力供应。替代地或另外，可储存一种或多于一种低温液体以用间歇性于电力供应。替代地或另外，可储存热量以用于间歇性电力供应。替代地或另外，可保持电池以用于电力供应的间歇性。可为关键部件提供备用电源；在实施方案中，不可再生电力可用作间歇性可再生电力的备用电源。例如，这种备用电源可通过由压缩气体或飞轮驱动的装置产生。替代地或另外，在实施方案中，当电力可用时，进料(例如，天然气进料)可进行压缩和储存，并且通过发电涡轮机膨胀以在电力供应不足的时候提供进料和电力。替代地或另外，回收的H2(例如，从吹扫气体143、105'、105”)可在电力可用时加压和储存，并且在电力供应不足时用于使用燃料电池发电。
本公开的甲醇合成设备的电气化可通过可以是高压或低压的电源提供。电气设备在交流电(单相或多相)或直流电上可操作或操作。
在实施方案中，由燃料燃烧产生或仅用于热和/或能量传递的蒸汽未用于本公开的甲醇合成设备和方法中(例如，在预处理部分10、合成气合成/重整部分20/120、甲醇合成部分30/130和/或甲醇纯化部分40/140中)。在实施方案中，以这种方式，可操作根据本公开的甲醇合成设备，而无需复杂的蒸汽热和/或能量转移系统(其可常规地用在用于生产甲醇的化工设备中)。在一些应用中，例如，当蒸汽在反应器内用作进料组分和/或稀释剂时，这种蒸汽可通过与甲醇合成设备内工艺流的热传递产生和/或可以电产生。在实施方案中，通过与工艺流的热传递产生的蒸汽可使用电力过热。在实施方案中，整个甲醇合成设备不使用蒸汽作为工业成品或公用工程。在实施方案中，与用于甲醇生产的常规设备相比，本公开的甲醇合成设备基本上无蒸汽，或使用显著更少的蒸汽(例如，使用少至少10、20、30、40、50、60、70、80、90或100体积百分比(体积％)的蒸汽)。例如，用于生产甲醇的常规设备可利用蒸汽生产用于进料预处理部分10和/或甲醇纯化部分40/140的蒸馏塔的再沸器，可利用蒸汽生产来驱动用于压缩工艺和/或循环流的蒸汽涡轮机，或可利用蒸汽生产来驱动蒸汽轮机进行制冷。在实施方案中，在根据本公开的甲醇合成设备中，不为这些操作产生蒸汽，或产生显著更少的蒸汽(例如，少至少10、20、30、40、50、60、70、80、90或100体积百分比(体积％)的蒸汽)。在实施方案中，蒸汽用作传热流体，但不用于做机械功(例如，驱动压缩机或泵)。在实施方案中，为这些操作产生的蒸汽主要是(例如，在所利用的总蒸汽中，最大百分比是电产生的)、主要(例如，大于50％的蒸汽是电产生的)或基本上全部是电产生的。在实施方案中，用作反应物或稀释剂的蒸汽主要是(在所利用的总蒸汽中，最大百分比是电产生的)、主要是(例如，大于50％的蒸汽是电产生的)或基本上全部是电产生的。
在实施方案中，在本公开的甲醇合成设备或方法中，更多能量直接“原样”利用，例如，利用来自热产品流出物流的热量来加热进料流，而不是转化，例如，通过产生蒸汽以及通过汽轮机将热能转化为机械能。根据本公开的实施方案，直接使用能源可提高甲醇合成设备的能源效率，例如，通过减少热量转化为机械能时发生的能源效率损失来提高。
由于能源消耗是常规甲醇合成设备运营成本的很大一部分，因此根据本公开提高能源效率(例如，通过电气化)和/或利用常规用来燃烧的甲烷为重整提供热量和/或燃烧以进行压缩(例如，燃烧以产生蒸汽轮机的蒸汽或燃烧用于燃气轮机)从而产生额外的甲醇，这可相对于常规甲醇合成设备提供经济上的优势。伴随地，通过本公开实现化石燃料(例如，天然气、甲烷)作为燃料的燃烧的减少提供了相对于其中烃作为燃料燃烧的常规甲醇合成设备的温室气体(GHG)排放的减少。在实施方案中，相对于其中烃作为燃料燃烧的常规甲醇合成设备，GHG排放(例如，二氧化碳排放)减少至少5％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％或100％。本公开的实施方案中，每生产一吨甲醇所产生的CO2量减少到每吨甲醇0.30吨、0.25吨、0.2吨、0.1吨、0.05吨或0吨CO2。在实施方案中，能量效率(例如，减少的能量损失)通过烟道气的消除而增加，因为消除烟道气中所含热量向大气中的损失。在实施方案中，能源效率(例如，减少的能量损失)通过减少或消除使用蒸汽做机械功来提高。在实施方案中，提高工艺的能源效率，使得能耗率(总净能源输入，包括进料甲烷、燃料和电力，并计入工艺所产生的副产物，除以生产速率)为34、33、32、31、30、29、28或27GJ/吨生产的甲醇，其中能耗率的计算使用燃料、进料和副产物的较高热值。在实施方案中，本公开的方面可导致工艺碳效率的增加，即工艺中消耗的一部分碳作为有用产品重新出现。在实施方案中，工艺的碳效率大于或等于约82％、84％、86％、88％、90％、92％、94％、95％、96％、97％、98％、99％或100％。
通常，化学工艺中单元操作所需的能量通常由燃烧化石燃料特别是天然气来提供。在实施方案中，本文公开系统和方法，通过这些系统和方法，可用非碳基能源、可再生能源，例如可再生电力和/或来自任何来源的电力(例如，可再生和/或不可再生电力)来减少或替代这种能量输入，使得能源效率提高。本文公开的非碳基能源、可再生能源(例如，基于非化石燃料的能源)和/或电力在化学品生产中的应用，例如通过合成气重整或部分氧化生产甲醇，增加能量效率和/或降低和/或消除甲醇合成工艺中的二氧化碳排放和化石燃料消耗。
在实施方案中，工艺中的任何地方都未使用蒸汽作为能量传递介质。在实施方案中，蒸汽仅用作能量传递介质以在工艺中移动热能，例如，促进使用从冷却一个工艺流中回收的热量加热第二个工艺流。在实施方案中，从冷却一个或多于一个工艺流中回收的部分或全部热量仅用于通过直接热交换加热一个或多于一个其他工艺流(即，通过与另一个工艺流直接或间接传热，而不使用蒸汽作为传热中间体)。在实施方案中，甲醇合成设备内不使用蒸汽做机械功。在实施方案中，在甲醇合成设备内，没有烟道气通过燃烧燃料、碳基燃料、化石燃料或其组合产生。在实施方案中，将从甲醇合成工艺(例如从吹扫气体流143、105'、105”)中回收的氢气送到氨合成设备。在实施方案中，将从工艺(例如从吹扫气体流143、105'、105”)中回收的氢气送至另一个化学工艺，例如用于油和/或油衍生物的精炼。
在实施方案中，电加热用于对合成气合成部分20/120、甲醇合成反应器和/或水煤气变换反应器的反应器(例如，重整器)施加温度分布，例如在甲醇合成部分30/130的甲醇合成130B和水煤气变换130A，或其组合。在实施方案中，机械加热用于加热合成气合成部分20/120、甲醇合成反应器和/或水煤气变换反应器的反应器(例如，重整器)的进料，例如甲醇合成部分30/130的甲醇合成130B和水煤气变换130A，或其组合。
实施例
实施方案已大致描述，下面的实施例作为本公开的具体实施方案给出并且证明其实践和优点。应当理解，实施例是为了说明而给出的，并不意在以任何方式限制说明书或权利要求。如本文在部件或工艺步骤之间使用的，斜线“/”表示和/或，例如，‘进料预热A1/A2/A3’表示‘进料预热A1、A2、A3或其组合”。类似地，“140D/140E”表示“140D、140E或两者”。尽管在实施例的工艺模拟中使用特定操作条件，但应当理解，在阅读本公开内容后，其他操作条件(例如，温度、流速等)对于本领域技术人员来说可以是明显的，并且旨在包括在本公开的范围内。
对比例1
进行工艺模拟以确定从天然气生产甲醇的典型工艺III的热量和质量流量。该对比例1中使用的工艺模拟使用商业化学工艺模拟软件工具Aspen 来进行。它不代表特定的操作设备，但它代表典型的设备或工艺III，如下文参考图5所述；设计参数取自特定设备的知识以及关于典型工艺操作的文献信息。尽管变化对于本领域技术人员来说是显而易见的，但该对比例1代表典型的工艺III，其可用作比较根据本公开的实施方案的电气化修改的效果的基础。
对比例1的工艺III配置为日产甲醇5000公吨。如果一年操作8000小时，这将导致生产167万吨甲醇，尽管由于故障和维护导致的停机时间变化会增加或减少该产量。这种规模是当代大型甲醇设备的典型规模。
对比例1和所有后续实施例和对比例中使用的天然气成分是中东部分地区发现的天然气的典型代表。它包含88.9摩尔％的甲烷、2.3摩尔％的乙烷、0.8摩尔％的C3+烃、7.8％的N2和0.2％的CO2。它具有48.0GJ/t的高发热值(HHV)。
如图5中所示(已简化为仅展示该对比例1的工艺III的基本特征)，将每小时135公吨(t/h)的天然气进料205送入进料预处理部分，其中在加热(例如，在进料预处理A1)至所需脱硫温度385℃后，进行压力调节(例如，在C1)和脱硫(例如，在210A)(加氢未示出)。添加水214和蒸汽213以提供重整进料215(例如，蒸汽与碳的摩尔比为1.8)，并且将进料215预热(例如，在进料预处理A1/A2/A3处)并且进料至220A的蒸汽甲烷重整器，其中进料通过重整催化剂，同时在重整炉220'的辐射部分中加热。将蒸汽重整器的流出物221传送至部分氧化重整单元220B，其中加入95t/h的氧气228并且与气流反应。离开部分氧化重整器220B的流出物225的温度是976℃。将重整产物225冷却(例如，在合成气冷却B1/B2中)接近混合物露点，然后在水冷凝和除去部分(例如，水冷凝B3)中将冷却的合成气231进一步冷却至45℃以产生基本上干燥的合成气流234和循环水流238。将干燥的合成气234传送至合成气压缩机C2，其中压力从35巴增至99巴。经压缩、干燥的合成气236与循环合成气244混合并且预热(例如，在合成气加热A4处)至165℃。将预热合成气237送入230B的甲醇反应器，其中将其加热至最终反应温度并且通过甲醇合成催化剂。放热的甲醇合成反应通过水冷却(例如，在冷却B4处，其在本实施例中并入230B的甲醇合成反应器中)，其中水被蒸发、送至水添加216并且冷凝以提供将水添加至进料中所需的热量。甲醇反应器流出物241在粗甲醇回收/分离240A中冷却至45℃，其中汽相和液相分离。将汽相242在减去34t/h作为吹扫气体流205'之后传送至循环压缩机C3。来自合成回路的该吹扫气体205'与来自轻馏分除去240C的脱气塔的低压尾气247'合并以提供44.6t/h的流，其包含53摩尔％H2、19摩尔％N2、13摩尔％CH4、10摩尔％CO2和4％其他化合物；该流然后用作燃料在重整炉220'中与10.3t/h的天然气205”一起燃烧。将液体流247送入240C的脱气塔，其中将其加热以除去溶解在粗甲醇流246中的轻质气体247'。将脱气的粗甲醇247分馏以提供基本上纯的甲醇产物流。在该对比例1中，这是通过两个塔顺序实现的，其中甲醇的部分回收245A在第一个塔240D中取出并且剩余的甲醇245B通过在第二个塔240E中的分馏而纯化。重质副产物通过塔中的小支流(未示出)清除。每个塔(分别为240D/240E)的塔顶流(245A/245B)在B5处的甲醇产品冷却器中冷却至45℃，然后作为甲醇产品245C送至甲醇产品处理和储存。与甲醇分离的水249A也进行冷却，例如，在B6处的分离水冷却中，然后作为冷却水249B排出。从合成气231冷凝的水238重新加热(例如，在工艺水加热A5处)并且循环至水添加216。可从系统中清除一小部分水(图中未示出)以防止杂质积聚。
对比例1的主要能源消耗者是(见表2，下文中进一步讨论)：(1)提供给蒸汽重整器的热量(例如Q4)，(2)产生作为合成气生产进料所需的蒸汽，(3)甲醇蒸馏(例如，在240D的第一甲醇分离塔和240E的第二甲醇分离塔中)，(4)重整器进料预热(例如，在进料预热A1/A2/A3处)，(5)甲醇反应器进料预热(例如，在合成气加热A4处)，(6)驱动合成气压缩机C2的能量(例如，作功W2)，和(7)驱动空气分离单元ASU以生产氧气228的能量。较少量的能量用于各种其他目的。按照惯例，对比例1中耗电量很少，主要是一些较小泵；工艺用户的电力需求仅为1.7MW。大量使用的能量可通过与待冷却的产物流进行热交换而获得，最特别的是来自重整器(例如，在220A/220B处)的热合成气(例如，221/225)和来自在230B/B4处的甲醇反应器的产物。剩余能量作为重整炉220'和蒸汽锅炉260中的燃烧燃料供应。重整炉220'有多种用途，为来自辐射部分的蒸汽重整反应提供热量，在对流部分中提供一些进料预热，并且在对流部分中提供热量以用于产生高压蒸汽262A。合成气的冷却也用于产生高压蒸汽262A。剩余的高压蒸汽262B由蒸汽锅炉260产生。高压蒸汽262A/262B引导通过蒸汽轮机系统(例如，363/265)以驱动设备的大功率用户。在对比例1中，合成气增压压缩机C2、空气分离单元ASU和冷却水泵是部分抽气加冷凝涡轮机(例如，263处所示)。供气增压压缩机、重整空气/烟道气风机、合成气循环压缩机C3为背压式涡轮机(例如，265处所示)，其排出182t/h低压蒸汽266用于工艺III的加热。对比例1中，有两个主要位置利用外部能源。第一个是在220A处的重整器，它消耗10.3t/h的天然气205”，所含化学能(高发热值，或HHV)为138MW，加上44.6t/h的工艺尾气，其包括来自合成回路的吹扫气体205'和低压废气247'，包括252MW的化学能(高热值，或HHV)。剩余的外部能量由蒸汽锅炉260提供，蒸汽锅炉利用包含130MW的化学能的9.7t/h的天然气燃料261B将锅炉给水BFW 261A转化为高压(HP)蒸汽262B。如何以最高效率将这种能量最有效地分配给工艺中的各种能量消耗者是工程问题，其可由本领域技术人员在阅读本公开内容后通过仔细匹配温度、能量类型和能量含量得以解决。一些能量可通过热交换直接传递，而另一些能量可转化为蒸汽，其可用于热交换或做机械功，例如驱动压缩机。对比例1中，已采用典型策略来匹配热输入和输出，但其他布置也是可能的，这对于本领域技术人员在阅读本公开内容后将是明显的。使用燃烧炉来提供工艺所需的外部能量输入伴随着一个缺点——来自这些炉的烟囱废气或烟道气包含能量，其由于温度低而无法有效回收。例如，在对比例1的工艺中，这种未回收的能量，有时称为烟囱损失，在蒸汽重整220A的重整炉220'处等于71MW，在蒸汽锅炉260处等于26MW。能量也在几个工艺步骤中损失，主要是在来自不同点的水冷凝中，例如来自合成气(例如，在水冷凝B3处)，因为温度太低而无法使能量回归至有用的目的。
对比例1显示为该实施例的目的而选择的能量集成配置。本领域技术人员将认识到可以配置合成气冷却和重整器烟囱的热回收以增加高压蒸汽的多种方式。例如，水预热、汽化、蒸汽过热的供能比例可根据设计和设备配置在单元之间重新分配。同样，在230B处的甲醇合成反应器中产生的蒸汽热可用于蒸馏加热(例如，在240D/240E处)而不是重整水(例如，在A5处)和蒸汽加热(例如，在212处)。这些和其他热集成选择是已知技术，并且出于各种原因，甲醇设备设计领域的技术人员可采取不同选择，同时保持在本公开的范围内。
表2显示对比例1的工艺III的能量平衡。如表2中所示，通过在220A处的蒸汽重整的重整炉220'中的吹扫气体205'、工艺尾气247'和天然气205”以及蒸汽锅炉260中的天然气燃料261B的燃烧供应了520MW的量的化学能；这代表工艺III的从外部来源提供的总能量输入中除2MW外的所有能量。包括重整炉220'提供的热量在内，工艺III内有大量的热量(1410MW)可用。除了甲醇合成化学反应和冷却热工艺流之外，通过天然气与氧气228在220B处的部分氧化重整器中的反应在工艺内部产生热量。从工艺源中回收总共705MW；然而，由于蒸汽轮机(例如，263/264)提供的可用热量以及工艺的温度和焓要求，385MW的热量排放到冷却水中。此外，蒸汽系统SS将213MW的热量排放到冷凝涡轮机(例如，269)的冷却水中。炉烟囱损失总计97MW。总共705MW的能量，占可用总热量的50％，弃用而不是为对工艺有用。
表3提供对比例1的工艺III相关的能源使用统计数据。如表3中数据所见，工艺III的碳效率，定义为产品甲醇(例如245C处)所含的碳除以消耗的全部天然气的碳，为76.8％。这种燃料的燃烧导致大气排放86t/h的CO2，即每年69万吨CO2。每生产一吨甲醇的净能耗率为35.8GJ(33.9MMBTU)。净能耗率包括用于制造甲醇的天然气原料(具有高发热值)以及以其他形式提供的外部能量例如电力和用作燃料的天然气的能量含量；因为在重整炉220’中燃烧的吹扫气体在设备内部，天然气原料的能量含量包括吹扫气体的热含量。
实施例1
实施例1是对比例1中描述的甲醇工艺III的根据本公开一个实施方案的包括部分电气化的部分电气化工艺IV。实施例1中，将外部蒸汽锅炉移除，由天然气燃烧提供给此锅炉的能量被少量可再生电能替代，所述可再生电能用于为空气分离单元(ASU)提供动力。
实施例1的部分电气化设备或工艺IV的关键要素如图6所示。如在对比例1中，量为135t/h的天然气205进给至工艺IV。实施例1中的主要区别在于氧气生成单元ASU的能量(例如，W4)不是从蒸汽系统中获得的，而是由可再生能源提供的电动机的功率所替代。这减少对高压蒸汽的总需求，使得不再需要操作蒸汽锅炉(例如，图5的工艺III的蒸汽锅炉260)，并且可节省9.7t/h的燃料(例如，图5中的261B)。另外还有少量的超高压蒸汽268A，其运行通过连接到发电机263A的涡轮机以回收2.4MW的功率。
表2显示实施例1的部分电气化工艺IV的能量平衡。通过燃烧工艺气体(例如，吹扫气体205'和轻质气体247')和天然气(例如，205”)提供量为390MW的化学能，并且提供24MW的可再生电力；这代表工艺IV的总净能量输入为414MW，或比对比例1的工艺III中少的21％。系统的烟道气总损失、蒸汽和电力的使用效率低下以及工艺IV中的损失比对比例1的工艺III中的少15％。
表3提供根据本公开的一个实施方案的该实施例1的工艺IV的相关能源使用统计。工艺Ⅳ的碳效率为82.0％，相对于对比例1的工艺III中的碳效率提高约5％。在该实施例1中，天然气消耗导致大气排放63t/h的CO2，即每年54万吨CO2；这代表相对于对比例1的工艺III减少27％。通过工艺IV每年节省的78000吨天然气可用于其他地方，例如，作为氨合成工艺和/或另一个甲醇设备的进料。工艺IV的净能耗率为33.9GJ(32.2MMBTU)/吨生产的甲醇，其比对比例1的工艺III中的净能耗率低5％。
实施例2
实施例2是对比例1中描述的甲醇工艺III的根据本公开一个实施方案的包含完全电气化的完全电气化工艺V。在实施例2中，通过燃烧提供给外部蒸汽锅炉和重整炉的能量被可再生电力替代，其为所有泵和压缩机提供动力，为蒸汽重整提供能量，并且提供一些工艺热量。因此，实施例2中没有外部蒸汽系统。也没有烟道气，排放的唯一CO2来自废水流中释放的少量CO2。对比例1中燃烧以提供热量的吹扫气体，现输出作其他用途。
电气化设备V的关键元件如图7所示。将量为135公吨每小时(t/h)的天然气进料205进料至进料预处理部分，其中其在加热(例如在进料预热A1处)至所需脱硫温度385℃后，在C1处进行压力调节，并且在210A处脱硫。添加水214和蒸汽213并且预热进料(例如，在进料预热A1/A2/A3处)。在实施例2中，进料215通过220B处氧化重整单元的流出物225预热并且进给至220A处的第一蒸汽甲烷重整器，其中进料通过重整催化剂，同时通过冷却部分220B处氧化重整单元的流出物225而加热。来自220A处的蒸汽重整的流出物221然后经过部分氧化重整220B的第二重整催化剂床，其在该实施方案中是电加热的。将在220A处的蒸汽重整器的流出物221传送至部分氧化重整单元220B，其中加入95t/h的氧气228(例如，来自ASU)并且与气流反应。在220B处离开部分氧化重整器的流出物225的温度是976℃。将重整产物225冷却(例如，在合成气冷却B1/B2中)以接近混合物露点，然后将冷却的合成气231在水冷凝和除去部分(例如，在B3处的水冷凝)中进一步冷却至45℃以产生基本上干燥的合成气流234和循环水流238。将干燥的合成气234传送至合成气压缩机C2，其中压力从35巴增至99巴。将压缩、干燥的合成气236与循环合成气244混合并且预热(例如，在A4处的合成气加热中)。将预热合成气237在230B处进给至甲醇反应器，其中将其加热至最终反应温度并且通过甲醇合成催化剂。将甲醇反应器流出物235冷却(例如，通过甲醇反应器冷却B4，其在该实施例中整合到230B的甲醇合成反应器中)至45℃并且将汽相和液相分离(例如，在240A处的粗甲醇分离)。在减去34t/h作为吹扫气体流205'之后，将汽相242带至循环压缩机C3。将液体流246进给至240C处的脱气塔，其中将其加热以除去溶解在粗甲醇流246中的轻质气体247'。来自合成回路的吹扫气体205'与低压尾气247'组合的总量为44.6t/h。总吹扫气体205A是有价值的产品，其包含53摩尔％H2、19摩尔％N2、13摩尔％CH4、10摩尔％CO2和4％其他化合物，这些化合物可作为产品在进一步分离或不进一步分离的情况下用于其他有用的目的，如本领域技术人员已知的。有用的目的可特别包括但不限于氨生产、(基本上)纯的氢气生产和加氢反应。将脱气的粗甲醇247分馏以提供基本上纯的甲醇产物流。这在工艺V中以两个塔顺序完成，其中甲醇的部分回收245A在第一塔240D中取出并且剩余的甲醇245B通过在第二塔240E中的分馏而纯化。蒸馏塔再沸器的大部分能量(例如，Q14/Q16)由热回收提供。在该实施方案中，甲醇塔再沸器所需的剩余75MW热量由电工艺加热器提供。重质副产物通过塔中的小支流(未示出)清除。每个塔(例如，分别为240D/240E)的塔顶流(例如，245A/245B)冷却(例如，在B5处的甲醇产品冷却器中)至45℃，然后发送至甲醇产品处理和储存等作为甲醇产品245C。与甲醇分离的分离水249A也可在排放之前冷却(例如，在B6处的分离水冷却中)。从合成气231冷凝的水238进行重新加热(例如，在工艺水加热A5处)并且循环至水添加216。可从系统中清除一小部分水(图中未示出)以防止杂质积聚。
如何在工艺中以最高效率将来自各种能源的能量最有效地分配给各种能源消耗者是工程问题，其可在本领域技术人员阅读本公开内容后通过仔细匹配温度、能量类型和能量含量得以解决。实施例2中，已采用逻辑策略来匹配热输入和输出，但通过其他布置可实现相同的整体能量平衡，这对于本领域技术人员在阅读本公开内容后将是明显的。认为在220B处的氧化重整器、在220A处的蒸汽重整器和220A的电炉之间的热整合顺序和量是灵活变化的，因为它主要受设备选择和热整合选择的控制。例如，在220B处的氧化重整器和在220A处的蒸汽重整器之间更紧密的热整合(例如通过降低温距)可减少重整反应中使用的电量。类似地，通过热回收与电加热的热重整顺序在两种使用的温度可用性范围内都是灵活的。例如，高于700℃不需要施加电加热，因为600℃是足够的，热回收当高于600℃时是可用的。类似地，75MW的低温电热可以不同方式施用，并且仍能实现相同的整体净热平衡。例如，可安装电加热器用于工艺的水添加步骤216中所需的热量(例如，用于A5处的工艺水加热)，因而为塔再沸器(例如，在240D/240E处)节省更高温度的甲醇反应器热量，由于具有更高的温度驱动力，因此其可成为节省资本投资的替代方案，并且因此塔再沸器中的换热器面积更小。
实施例2的主要能源消耗者是(参见表2，下文进一步讨论)：(1)在220A处向蒸汽重整器提供热量(例如，Q4)，(2)产生作为合成气生产原料所需的蒸汽，(3)甲醇蒸馏(在240D/240E处)，(4)重整器进料预热(例如，在进料预热A1/A2/A3处)，(5)甲醇反应器进料预热(例如，在合成气加热A4处)，(6)驱动合成气压缩机(例如，在C2处)的能量(例如，功W2)，和(7)驱动空气分离单元ASU以生产氧气228的能量(例如，功W4)。较少量的能量用于各种其他目的。大量使用的能量可通过与待冷却的产品流进行热交换来获得，最特别的是来自重整器和甲醇反应器的热合成气。外部能量输入是由电力提供给蒸汽重整部分220A的22MW热量、由电加热器提供给蒸馏部分的75MW热量(例如，在240D/240E处)，以及工艺驱动所需的74MW功率(例如，马达270)。通过将天然气与自热重整器(例如，在220B处)中和来自甲醇合成化学反应的氧气228反应，在工艺V内部也产生大量热量。根据本公开的实施例2，在各种工艺流的冷却过程中，总工艺热量中有597MW在内部传递。尽管在工艺V中回收了大量热量，但最终仍有363MW热量排放到冷却水中。
表2显示实施例2的该完全电气化工艺V的能量平衡。量为180MW的可再生电力供应给工艺V；这代表该工艺的总净能量输入比对比例1中工艺III的净能量输入少约65％。与对比例1中不同，实施例2的实施方案中除了在进料中用作稀释剂的蒸汽之外，没有蒸汽系统。与对比例1的另一个区别是，完全电气化的甲醇工艺V没有烟囱损失或蒸汽系统损失。总共有372MW的能量弃用而不是为对工艺V所用，这相对于对比例1的工艺III减少47％。废气产物205A具有252MW的能量含量(高发热值)。
表3提供根据本公开的实施例2相关的能源使用统计。实施例2中，天然气仅作为化学原料消耗。工艺Ⅴ的碳效率为88.2％，相对于对比例1的工艺Ⅲ提高约11％。低压废气燃烧产生较少量的CO2，每年12000吨，占对比例1的工艺III的CO2产量的2％。天然气消耗量比对比例1的工艺III中少13％。通过工艺V每年节省的161000吨天然气可用于其他地方，例如但不限于，作为氨合成工艺的进料和/或作为该氨合成工艺的进料或另一甲醇合成工艺的进料。净能耗率(计算为制造甲醇的天然气原料的能量含量加上作为电力供应的外部能量减去输出的吹扫气体的能量含量，每生产一吨甲醇)为29.9GJ/吨甲醇，其比对比例1的工艺III中低16％。
实施例3
根据本公开的一个实施方案，实施例3是完全电气化工艺VI，包括对比例1中描述的甲醇工艺III的基本上完全电气化。在本公开内容的范围内，实施例3显示甲醇合成工艺可如何与实施例2中不同地设计，同时仍然由可再生电力提供所有外部能量。如在实施例2中，实施例3没有外部蒸汽锅炉，所有的泵和压缩机都是电动的。与实施例2相比，在实施例3中，将吹扫气体分离并且在内部使用而不是输出。将吹扫气体中的甲烷回收用作进料，减少消耗的天然气量，同时燃烧氢气以产生蒸汽和热量用于最终重整反应器。因为吹扫气体已分离并且仅燃烧氢气，所以第一蒸汽重整器是电加热的，且重整反应器不排放二氧化碳。(甲醇脱气塔的尾气燃烧形成少量CO2)。如在实施例2中，实施例3中没有蒸汽系统。
如在对比例1中，工艺VI配置为日产甲醇5000公吨。该电气化设备或工艺VI的关键元件如图8所示。一个显著特征是吹扫气体分离单元240B，其配置/利用以回收甲烷285用于作为天然气进料循环使用，从工艺VI中清除氮气283，并且将富氢流282返回到该工艺。将量为123.2公吨每小时(t/h)的天然气进料205与来自吹扫气体分离单元240B的3.8t/h回收的甲烷流285合并，并且进给至进料预处理部分，其中它在C1处进行压力调节并且在加热(例如，在进料预热A1处)至所需脱硫温度(例如，385℃)后，在210A处脱硫。添加水214和蒸汽213并且预热进料215(例如，在进料预热A1/A2/A3处)。进料由氧化重整单元220B的流出物225预热并且进料到220A处的蒸汽甲烷重整器，其中进料通过重整催化剂，同时通过冷却部分氧化重整单元220B的流出物225而加热。在220A处的蒸汽重整器的流出物221传送至220B处的部分氧化重整单元，其中加入来自ASU的89t/h的氧气228并且与气流反应。在实施方案中，离开220B处的部分氧化重整器的流出物225的温度是972℃。来自吹扫气体分离单元240B的11t/h富氢流282(约76摩尔％H2、24摩尔％N2)与氧气287反应以生成高温水流288，该高温水流与部分氧化重整产物225混合。气体在220C处的第三重整催化剂床上进一步反应，得到流出物225A的1071℃的最终重整器出口温度。将重整产物225A冷却(例如，通过合成气冷却B1/B2)至接近混合物露点，然后在水冷凝和除去部分(例如，水冷凝B3)中进一步冷却至45℃以产生基本上干燥的合成气流234和循环水流238。将干燥的合成气234传送至合成气压缩机C2，其中压力从35巴增至99巴。将压缩、干燥的合成气236与循环合成气244混合并且预热(例如，通过在A4处的合成气加热)。将预热合成气237进给至230B处的甲醇反应器，其中将其加热至最终反应温度并且通过甲醇合成催化剂。将甲醇反应器流出物235冷却(例如，通过在B4处的甲醇反应器冷却，其在该实施例中整合至230B的甲醇合成反应器中)至45℃，其中汽相和液相分离(例如，在粗甲醇分离240A中)。将汽相242在减去35t/h的包含61摩尔％H2、30摩尔％N2、5摩尔％CO2、1摩尔％CO和3摩尔％CH4的吹扫气流205'后带至循环压缩机C3。将液体流246进给至240C处的脱气塔，其中将其加热以除去溶解在粗甲醇流246中的轻质气体247'。将脱气的粗甲醇247分馏以提供基本上纯的甲醇产物流。这在该实施例3中是通过两个塔顺序完成的，其中甲醇的部分回收245A在240D处的第一塔中进行，剩余的甲醇245B在240E处的第二塔中通过分馏纯化。在该实施方案中，蒸馏塔再沸器的大部分能量由热回收提供。在该实施方案中，甲醇塔再沸器所需的剩余11MW热量由电工艺加热器提供。重质副产物通过塔中的小支流(未示出)清除。每个塔(例如，分别在240D/240E处)的塔顶流(例如，245A/245B)冷却(例如，在B5处的甲醇产品冷却器中)至45℃，然后发送至甲醇产品处理和储存作为甲醇产品245C。与甲醇分离的水249A在作为冷却水249B排放之前也进行冷却(例如，在分离水冷却249B中)。将从合成气231冷凝的水238重新加热(例如，在工艺水加热A5处)并且循环至水添加216。可从系统中清除一小部分水(图中未示出)以防止杂质积聚。将来自240C处的甲醇脱气塔的低压吹扫气体247'送至废气炉290，其中将其燃烧(例如，与燃料291一起产生出口气体292)以提供20MW作为热量(例如，Q26)。将吹扫气体205'送至吹扫气体分离系统240B进行组分回收。实施例3中的实施方案采用吹扫气体205'的低温分馏。因为吹扫气体含有二氧化碳，所以吹扫气体进行预热，然后在甲烷化280处与甲烷化催化剂接触，其中吹扫气体中包含的氢气与CO2和CO反应，以在甲烷化产物281中形成甲烷和水。将甲烷化反应产物冷却至40℃并且分离一些水(例如，在284处除去)。甲烷化产物281在分子筛吸附床(其使用电加热气体再生)上干燥以除去残留的痕量水至足够低的水平，以适用于随后在240B处的低温分离步骤。低温分离系统240B由闭环蒸气压缩制冷回路、分馏塔、汽提塔和系统之间的集成热交换器组成。闭环制冷系统中的制冷剂是在43巴和2.6巴压力之间运行的氮气。吹扫气体分离系统的气体进料进入一系列热交换器，在其中通过与产品流(例如，282/283/284)和制冷剂进行热交换，将其从40℃冷却至-130℃。冷却的进料流在以32巴压力操作的分馏塔中分馏。塔的塔底产物为-94℃的高纯甲烷。它通过系统的进料-流出物热交换器运送进行蒸发和重新加热。塔的顶部是氢气和氮气的混合物。塔顶通过氮气制冷剂的蒸发从-163℃冷却至-180℃。液氮从蒸气中分离出并且作为回流液体被泵回塔中。塔顶蒸气包含3:1摩尔比的氢气和氮气。该流通过单元的进料-流出物热交换器运送进行温热。从分馏塔中取出液体侧馏分并且送至汽提塔。汽提塔通过在分馏塔中间阶段上运行的部分冷凝器再沸。从汽提塔进料中汽提氢气并且返送至分馏塔。汽提塔底部产物是-149℃的液氮，其在单元进料流出物热交换器中汽化和再加热。氮气制冷剂进入进料-流出物热交换器，其与工艺进料流一起通过工艺流出物流冷却至-70℃。然后通过为分馏塔再沸器提供热量将其冷却至-92℃。然后通过与工艺流出物流进行热交换，将其进一步冷却至-130℃，返回低压制冷剂，一部分(约14％)制冷剂流从主要流中分离出，在涡轮膨胀机中膨胀至3巴，并且通过进料-流出物热交换器的冷侧重新进料。将制冷剂流的剩余部分进给热交换器，与氢产物流接触并且返回制冷剂流。然后将其通过涡轮膨胀机达到3.4巴的压力，其中去除额外能量，产生含有-185℃液氮的流。该含液氮流在分馏塔的塔顶冷凝器中蒸发，并且通过系统的进料-流出物热交换器系列返回。制冷剂通过中间冷却器和后冷却器在多个阶段中压缩至43巴的起始压力，从而完成循环。14t/h的氮气产品283纯度为约99％，含有少量残留氢气和氩气，可用作干燥气体或送往其他地方用于其他有用目的，例如，用于氨合成工艺。
实施例3的工艺VI的能量集成以一种特定方式配置，但本领域技术人员在阅读本公开内容后可以认识到，通过配置的变化可实现相同或相当的所得整体能量平衡，认为其在本公开的范围内。220B处的氧化重整器和220A处的蒸汽重整器之间的热整合顺序和数量认为是灵活变量，因为它主要受设备选择和热整合选择的控制。例如，在实施方案中，220A处的氧化重整器和220B处的蒸汽重整器之间较少的热整合(例如，通过升高温距)可增加重整反应的外部热需求，其中能量空隙可用电炉填充。或者，不是燃烧含氢气体282以生成水288，而是可简单地将其循环到重整进料中，排除220C处的第三重整催化剂床，但在稍低的最终温度下平衡反应产物。或者，可将含氢气体282送入燃料电池以发电用于该工艺(如下文实施例6和实施例7所述)。类似地，通过外部加热和部分氧化的重整的顺序可重新排列或分成更多步骤。同样，11MW的低温电加热可以不同方式施加，并且仍能实现相同的整体净热平衡。例如，可安装电加热器用于干燥气体加热和甲醇反应预热(例如，在A4处)。与燃烧(例如，在废气炉290处)少量低压废气247'不同，它可再压缩并且重新进料到工艺VI中，或者可将其输出到外部用于其他有用的目的，例如氨生产。
该实施例3的主要能源消耗者是(参见表2，下文进一步讨论)：(1)向220A处的蒸汽重整器提供热量(例如，Q4)，(2)产生合成气生产所需的蒸汽，(3)甲醇蒸馏(例如在240D/240E处)，(4)重整器进料预热(例如，在进料预热A1/A2/A3处)，(5)甲醇反应器进料预热(例如，在A4处)，(6)驱动C2处的合成气压缩机的能量(例如，做功W2)，和(7)驱动空气分离单元ASU从而生产氧气228的能量(例如，做功W4)。较少量的能量用于各种其他目的。吹扫气体分离系统240B需要12MW用于电动制冷压缩机。大量使用的能量可通过与待冷却的产物流进行热交换而获得，最特别的是来自重整器的热合成气(例如，225)和230B处甲醇反应器的产物235。外部能量输入是由电力提供给甲醇蒸馏(例如，在240D/240E处)的11MW热量，以及工艺驱动所需的89MW功率(例如，在270处)。通过使天然气221与220B处氧化重整器中的氧气228反应、通过燃烧富氢流282以及来自230B处的甲醇合成化学反应，在工艺VI内部产生大量热量。在各种工艺流的冷却过程中回收1052MW的热量；其中，根据本公开的实施3的工艺VI，将663MW在内部转移用于其他工艺用途。在工艺VI中回收大量热量，然而，378MW的热量最终弃置到冷却水中。
表2显示该实施例3的完全电气化工艺VI的能量平衡。将量为130MW的可再生电力供给至工艺VI；这代表该工艺的总净能量输入比对比例1中少的约75％。与对比例1的工艺III不同的是，在该实施例3的工艺VI中，没有产生动力的蒸汽系统SS用于工艺驱动270。与对比例1的一个重要区别是实施例3的电气化甲醇工艺VI具有非常小的烟囱损失或蒸汽系统损失。工艺VI总共弃用388MW的能量，主要用于冷却，而不是为对工艺所用，这相对于对比例1的工艺III减少45％。
表3提供根据本公开的实施例3的工艺VI的相关能源使用统计。在实施例3中，没有天然气消耗仅用于产热。另外，进给至该工艺的天然气量相对于对比例1减少8.7％。综合来看，工艺VI的总天然气消耗量比对比例1少20％。通过工艺VI每年节省的254000吨天然气可用于其他地方，例如但不限于，作为合成氨工艺的进料。实施例3的工艺中产生相对较少量的CO2，每年10000吨，来自低压废气247'(例如，在废气炉290处)的燃烧，CO2产量相对于对比例1减少98.6％。工艺VI的总净能耗率为30.2GJ(28.7MMBTU)/吨生产的甲醇，比对比例1的工艺III少15％。实施例3的工艺VI的碳效率为97％，相对于对比例1的工艺III的77％碳效率有显著提高。
对比例2
对比例2描述了不包含部分氧化反应器的用于生产甲醇的常规(例如，非电气化)工艺VII。由于工艺内部没有部分氧化，因此必须提供额外的外部能量。工艺VII不代表具体的操作设备或工艺，而是代表如下文参考图9所述的典型的设备或工艺VII；设计参数取自特定设备的知识以及关于典型工艺操作的文献信息。虽然本领域技术人员在阅读本公开内容后各种变化会变得明显，但该对比例2代表典型工艺VII，根据本公开的实施方案，其可作为用于比较电气化修改(后续实施例4-6)的效果的基础。
对比例2的工艺VII配置为日产甲醇5000公吨。如果一年运行8000小时，这将导致生产167万吨甲醇，尽管由于故障和维护导致的停机时间变化会增加或减少该产量。这种规模是当代大型甲醇设备的典型规模。
如图9中所示(已简化为仅显示对比例2的工艺VII的基本特征)，将141公吨每小时(t/h)的天然气进料205进给至进料预处理部分，其中它在加热(例如，在进料预热A1处)至所需的脱硫温度(385℃)后，进行C1处的压力调节和210A处的脱硫(加氢未示出)。添加水214和蒸汽213以提供重整进料215(例如，蒸汽与碳的摩尔比为2.8)并且对进料215进行预热(例如，在进料预热A1/A2/A3处)并进料至220A处的蒸汽甲烷重整器中，在此进料通过重整催化剂，同时在重整炉220'的辐射部分中加热(例如，至860℃)。将重整产物225冷却(例如，在合成气冷却B1/B2处)至接近混合物露点，然后在水冷凝和除去部分(例如，水冷凝B3)中进一步冷却至45℃以产生基本上干燥的合成气流234和循环水流238。将干燥的合成气234传送至合成气压缩机C2，其中压力从15巴增至99巴。将压缩、干燥的合成气236与循环合成气244混合并且预热(例如，在合成气加热A4处)至165℃。将预热合成气237进给至230B处的甲醇反应器，其中将其加热至最终反应温度并且通过甲醇合成催化剂。放热的甲醇合成反应的流出物235通过水冷却(例如，在冷却B4处，在该实施例中，将其整合到230B的甲醇合成反应器中)，其中水被蒸发、发送至水添加部分216并且冷凝以提供将水添加至进料所需的热量。将冷却的甲醇反应器流出物241冷却至45℃(例如，在粗甲醇分离240A处)，其中汽相和液相进行分离。汽相242在减去51t/h作为吹扫气流205'之后传送至循环压缩机C3。来自合成回路的吹扫气体205'与低压尾气247'组合，以提供54t/h的气流，其包含79摩尔％H2、11摩尔％CH4、7摩尔％N2和3摩尔％其他化合物，其与11.7t/h的天然气205”一起用作燃料在重整炉220'中燃烧。将液体流246进给至240C处的脱气塔，其中将其加热以除去溶解在粗甲醇流246中的轻质气体247'。将脱气的粗甲醇247分馏以提供基本上纯的甲醇产物流。这在该对比例2中通过两个塔顺序实现，其中部分回收245A的甲醇在240D处的第一塔中取出，并且剩余的甲醇245B在240E处的第二塔中通过分馏而纯化。重质副产物通过塔中的小支流(未示出)清除。每个塔(例如，分别为240D/240E)的塔顶流(例如，245A/245B)冷却(例如，在甲醇产品冷却器B5处)至45℃，然后发送至甲醇产品处理和储存等作为甲醇产品245C。与甲醇分离的水249A在作为冷却水249B排放之前也进行冷却(例如，在分离水冷却B6处)。从合成气231冷凝的水238重新加热(例如，在工艺水加热A5处)并且循环至水添加216。从系统中清除一小部分水(图中未示出)以防止杂质积聚。
对比例2的工艺VII的主要能源消耗者是(参见表2，下文进一步讨论)：(1)向蒸汽重整器提供热量(例如，Q4)，(2)产生作为合成气生产进料所需的蒸汽，(3)甲醇蒸馏(例如，在240D/240E处)，(4)甲醇反应器进料预热(例如，在合成气加热A4处)，(5)重整器进料预热(例如，在进料预热A1/A2/A3处)，和(6)能量(例如，用于功W2)以驱动合成气压缩机(例如，在C2处)。较少量的能量用于各种其他目的。在实践中，该对比例2的工艺VII耗电量很少，主要是一些较小泵；工艺用户的电力需求仅为1.7MW。大量使用的能量可通过与待冷却的产物流进行热交换而获得，最特别的是来自220A处重整器的热合成气(例如，225)和来自230B处甲醇反应器的流出物235。剩余的能量作为重整炉220'和蒸汽锅炉260中的燃烧燃料供应。重整炉220'用作多种用途，从辐射部分为蒸汽重整反应提供热量，在对流部分中提供一些进料预热，并且在对流部分中提供热量以用于产生高压蒸汽262A。合成气的冷却也用于产生高压蒸汽262A。剩余的高压蒸汽262B由蒸汽锅炉260产生。将高压蒸汽262A/262B引导通过蒸汽轮机系统(例如，263/265)以驱动设备的大功率用户。在对比例2中，合成气增压压缩机C2和冷却水泵是部分抽气加冷凝涡轮机263。供气增压压缩机、重整空气/烟道气风机和合成气循环压缩机C3是背压涡轮机265，排出231t/h的低压蒸汽266，用于工艺VII中的加热。在对比例2中，有两个主要位置利用外部能源。第一个是在蒸汽重整220A处的重整炉220'，消耗11.7t/h的天然气205”，其中包含157MW的化学能(高发热值，或HHV)，加上工艺废气(例如，吹扫气体205'和轻质气体247')，其中包含781MW的化学能(高发热值，或HHV)。在该实施方案中，剩余能量由蒸汽锅炉260提供，该蒸汽锅炉将21.8t/h的含有290MW的化学能的天然气燃料261B转化以从BFW 261A产生高压(HP)蒸汽262B。如何以最高效率将这种能量最有效地分配给工艺中的各种能量消耗者是工程问题，其可由本领域技术人员在阅读本公开内容后通过仔细匹配温度、能量类型和能量含量得以解决。一些能量可通过热交换直接传递，而另一些能量可转化为蒸汽，其可用于热交换或做机械功，例如驱动压缩机。在对比例2中，已采用典型策略来匹配热输入和输出，但其他布置也是可能的，这对于本领域技术人员在阅读本公开内容后将是明显的。使用燃烧炉来提供工艺所需的外部能量输入伴随着一个缺点——来自这些炉的烟囱气或烟道气包含的能量由于温度低而无法有效回收。例如，在对比例2的工艺中，这种未回收的能量，有时称为烟囱损失，在重整炉220'处等于177MW，在蒸汽锅炉260处等于58MW。能量也在几个工艺步骤中损失，主要是在来自不同点的水冷凝中，例如来自合成气(例如，在水冷凝B3处)，因为温度太低而无法使能量回归至有用的目的。
对比例2显示为该实施例的目的而选择的能量集成配置。本领域技术人员将认识到可以配置合成气冷却热回收方式，且重整器烟囱可以配置以提高高压蒸汽。例如，水预热、汽化和蒸汽过热的供能比例可根据设计和装置配置在单元之间重新分配。同样，在230B处的甲醇合成反应器中产生的蒸汽热可用于蒸馏加热(例如，在240D/240E处)而不是重整水和蒸汽加热(例如，在工艺水加热A5处和/或重整蒸汽生成212处)。这些和其他热集成选择是已知技术，并且出于各种原因，甲醇设备设计领域的技术人员可在阅读本公开内容后采取不同选择；这种变化旨在在本公开的范围内。
表2显示该对比例2的工艺VII的能量平衡。如表2中所示，量为1228MW的化学能通过燃烧220A处的蒸汽重整的重整炉220'中的工艺尾气(例如，吹扫气体205'和轻质气体247')和天然气(例如，205”)和蒸汽锅炉260的燃料/甲烷261B来提供；这代表工艺VII的来自外部来源的总能量输入中除2MW外的所有能量。包括由重整炉220'提供的热量，大量热量(1991MW)在该工艺中是可用的。从工艺源中回收总共775MW；然而，由于蒸汽轮机(例如，263/265)提供的可用热量以及该工艺的温度和焓要求，455MW的热量弃置至冷却水中。此外，蒸汽系统将272MW的热量排放到蒸汽冷凝器(例如269)的冷却水中。炉烟囱损失总计235MW。总共975MW的能量，占可用总热量的49％，弃用而不为对工艺所用。
表3提供对比例2的工艺VII相关的能源使用统计数据。如表3中数据所见，工艺VII的碳效率，定义为产品甲醇(例如，甲醇产品245C)中所含的碳除以消耗的总天然气的碳，为68.4％。这种燃料的燃烧导致大气排放132t/h的CO2，或每年106万吨CO2。工艺VII中每生产一吨甲醇的净能耗率为40.1GJ(38.1MMBTU)。净能耗率包括用于制造甲醇的天然气原料能量含量以及以其他形式提供的外部能量，例如电力和用作燃料的天然气。
实施例4
根据本公开，实施例4是完全电气化工艺VIII，包括对比例2中描述的甲醇工艺VII的基本上完全电气化。在实施例4中，供应给外部蒸汽锅炉和重整炉的能量被可再生电力替代，其为所有泵和压缩机提供动力，为蒸汽重整提供能量，并且提供一些工艺热量。因此，实施例4中没有外部蒸汽系统。也没有烟道气，排放的唯一CO2来自废水流中释放的少量CO2。对比例2中燃烧以提供热量的吹扫气体，在该实施例中输出作其他用途。
该电气化设备或工艺VIII的关键元件如图10所示。量为141公吨每小时(t/h)的天然气进料205进料至进料预处理部分，其中其在加热(例如在进料预热A1处)至所需脱硫温度(例如，385℃)后，在C1处进行压力调节，并且在210A处脱硫。添加水214和蒸汽213以产生重整进料215(例如，蒸汽与碳的摩尔比为2.8)并且预热进料215(例如，在进料预热A1/A2/A3处)。进料通过220A处蒸汽重整器的流出物225预热，同时进料至220A处的蒸汽重整器。在该实施方案中，进料215经过电加热的重整催化剂床。离开重整器220A的流出物225的温度为860℃。重整产物225进行冷却(例如，通过在合成气冷却B1/B2处进行热交换)接近混合物露点，然后在水冷凝和除去部分(例如，在水冷凝B3处)中进一步冷却至45℃以产生基本上干燥的合成气流234和循环水流238。将干燥的合成气234传送至合成气压缩机C2，其中压力从15巴增至99巴。将压缩、干燥的合成气236与循环合成气244混合并且预热(例如，在甲醇反应器进料预热A4处)至165℃。将预热的合成气237进给至230B处的甲醇反应器，其中将其加热至最终反应温度并且通过甲醇合成催化剂。将甲醇反应器流出物235冷却(例如，通过甲醇反应器冷却B4，在该实施例中，将其整合到230B的甲醇合成反应器中)和粗甲醇分离240A至45℃，其中汽相和液相分离。在去除51t/h作为吹扫气体流205'之后，将汽相242传送至循环压缩机C3。将液体流246进给至240C处的脱气塔，其中将其加热以除去溶解在粗甲醇流246中的轻质气体247'。来自合成回路的吹扫气体205'与低压尾气247'组合的总量为54t/h。总吹扫气体205A是有价值的产品，其包含79摩尔％H2、11摩尔％CH4、7摩尔％N2和3摩尔％其他化合物，这些化合物可作为产品在进一步分离或不进一步分离的情况下用于其他有用的目的，其对于本领域技术人员在阅读本公开内容后将是明显的。有用的目的可包括但不限于氨生产、(基本上)纯氢气生产、加氢反应和电力生产，以及其他用途。将脱气的粗甲醇247分馏以提供基本上纯的甲醇产品流。这在该实施例4中以两个塔顺序来实现，其中部分回收245A的甲醇在240D处的第一塔中取出，剩余的甲醇245B在240E处的第二塔中通过分馏而纯化。蒸馏塔再沸器的大部分能量(例如，Q14/Q16)通过热回收提供。在该实施方案中，甲醇塔再沸器所需的剩余75MW热量由电工艺加热器提供。重质副产物通过塔中的小支流(未示出)清除。每个塔(例如，240D/240E)的塔顶流(例如，245A/245B)冷却(例如，在甲醇产品冷却器B5处)至45℃，然后发送至甲醇产品处理和储存等作为甲醇产品245C。与甲醇分离的水249A在作为冷却水249B排放之前也进行冷却(例如，在分离水冷却B6处)。将从合成气231冷凝的水238重新加热(例如，在工艺水加热A5处)并且循环至水添加216。可从系统中清除一小部分水(图中未示出)以防止杂质积聚。在该实施方案中，循环水通过提供71MW热量的电动蒸汽锅炉转换回到中压蒸汽中。
如何在工艺中以最高效率将来自各种能源的能量最有效地分配给各种能源消耗者是工程问题，其可在本领域技术人员阅读本公开内容后通过仔细匹配温度、能量类型和能量含量得以解决。在实施例4中，已采用逻辑策略来匹配热输入和输出，但通过其他布置可实现相同的整体能量平衡，这对于本领域技术人员在阅读本公开内容后将是明显的。合成气冷却和电炉之间的热整合顺序和数量认为是灵活变量，因为它主要受设备选择和热整合选择的控制。例如，在220A处蒸汽重整器的进料215和流出物225之间更紧密的热整合(例如通过降低温距)可减少重整反应中使用的电量。类似地，75MW的低温电热可以不同方式施用，并且仍能实现相同的整体净热平衡。例如，可以安装电加热器用于工艺VIII的加水步骤216中所需的热量，从而为塔再沸器(例如，在240D/240E处)节省更高温度的甲醇反应器热量，这可以是节省资本投资的替代方案，由于具有较高的温度驱动力，因此塔再沸器中的热交换器面积较小。
实施例4的工艺VIII的主要能源消耗者是(参见表2，下文进一步讨论)：(1)提供给蒸汽重整器的热量(例如，Q4)，(2)产生作为合成气生产进料所需的蒸汽，(3)甲醇蒸馏(例如，在240D/240E处)，(4)重整进料预热(例如，在进料再加热A1/A2/A3处)，(5)甲醇反应器进料预热(例如，在合成气加热A4处)，(6)驱动合成气压缩机(例如，在C2处)的能量(例如，对于功W2)。较少量的能量用于各种其他目的。大量使用的能量可通过与待冷却的产物流进行热交换而获得，最特别的是来自220A处重整器的热合成气(例如，225)和来自230B处甲醇反应器的流出物235。外部能量输入为415MW由电力提供给220A的蒸汽重整部分的热量，75MW由电加热器提供给蒸馏部分的热量(例如，在240D/240E处)，71MW用于重整蒸汽生成的热量(例如，在212处)，以及工艺驱动所需的90MW功率(例如，在270处)。工艺VIII内部产生大量热量，达到1627MW热量。其中，651MW在根据本公开的该实施例4的各种工艺流冷却期间在内部传递。尽管工艺中回收大量热量，但最终仍有413MW的热量弃置到冷却水中。
表2显示实施例4的完全电气化工艺VIII的能量平衡。687MW的可再生电力提供给工艺；这代表对工艺的总净能量输入比对比例2中工艺VII少约44％。与对比例2中不同，在实施例4中，除了在进料中用作稀释剂的蒸汽之外，没有蒸汽系统。与对比例2的另一个区别是完全电气化甲醇工艺不具有烟囱损失或蒸汽系统损失。总共有448MW的能量弃用，而不是为对工艺所用，其相对于对比例2的工艺VII减少54％。废气产物(例如，205A)具有781MW的高发热值能量含量。
表3提供根据本公开实施例4的工艺VIII相关的能源使用统计。在实施例4中，天然气仅作为化学原料消耗。工艺的碳效率为84.7％，其相对于对比例2的工艺VIII提高约16.3％。废水流中溶解的有机物分解产生较少量的CO2，每年13000吨，其占对比例2的工艺VII的CO2产量的1％。工艺VIII的天然气消耗量比对比例2工艺VII的天然气消耗量小19％。工艺VIII每年节省的268000吨天然气可用于其他地方，例如但不限于，作为氨合成工艺的进料和/或作为该氨合成工艺的进料或另一个甲醇合成工艺的进料。净能耗率(计算为制造甲醇的天然气原料的能量含量加上作为电力供应的外部能量减去输出的吹扫气体的能量含量，每生产一吨甲醇)为30.8GJ/吨甲醇，比对比例2的工艺VII低23％。
实施例5
实施例4中的工艺VIII说明，出乎意料的是，对于对比例2中的甲醇设备/工艺VII以前处于最佳条件下的一些工艺变量，可受益于设备的电气化版本的重新优化。在该实施例5的工艺IX中，具有与图10中所示的实施例4的相同物理布局，发现来自工艺IX的甲醇合成回路的最佳吹扫气体速率从51t/h降至47t/h。这提供到230B处甲醇合成反应器的循环气流244的增加。表2提供实施例5的工艺IX的能量平衡细节。电力输入增加20MW至707MW。表3提供该实施例5的工艺IX的相关能源使用统计。碳效率增至85.9％，比实施例4的工艺VIII提高1.1个百分点。工艺IX的具体天然气消耗量为1.9t/h，或15000吨/年，小于实施例4的工艺VIII。工艺IX的总净能耗率为31.2GJ/吨生产的甲醇，其比实施例4的工艺VIII高0.4GJ/吨，但仍比对比例2低22％。实施例5显示根据待优化的输入，根据本公开的不同电气化模式可以是合乎需要的。实施例5的工艺IX比实施例4的工艺VIII的能量效率略低，但消耗的天然气更少，碳效率更高。
实施例6
如图11所示，工艺X包括增加到实施例2中所述工艺V的变压吸附(PSA)气体分离单元295和燃料电池296。PSA 295可操作以纯化吹扫气体流205'；该PSA单元295回收80％的3.37t/h的可用氢气。所得2.7t/h的纯化氢气293进给至燃料电池296，其中氢气以45％的电效率转化为水291和电力296，从而连续产生48MW的电力。该电力用于提供工艺X所需的180MW电力的大约27％(参见表2)。
实施例7
如图11中虚线所示，根据本公开的工艺XI包括增加至实施例6的工艺IX的压缩机C4和储存容器297。如上文实施例6所述，变压吸附(PSA)气体分离单元295可操作以纯化吹扫气体流205'；该PSA单元295回收3.37t/h可用氢气的80％。所得2.7t/h的纯化氢气293在C4处压缩并且储存在储存容器297中，以在可再生电力的可用性较低或较昂贵时使用。当需要时，储存的氢气293A与当时通过工艺XI产生的氢气293组合，并且使用燃料电池296将两者转化为电能。如本领域技术人员将理解的，何时将储存的氢用于发电将由多种因素确定。作为一种可能性，如果在白天有一些可再生电力可用，则可在12小时内收集32.4吨氢气，在C4处压缩并且在297处储存。当在接下来的12小时内释放并且通过储存的氢气流293A与仍在由工艺IX生产的2.7t/h氢气293组合时，大约96MW的电力可连续使用12小时。该电力将提供工艺XI操作所需的180MW电力的大约53％。
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实施例8
发现甲醇合成工艺在使用可再生能源时，部分工艺优化点会发生变化。作为一个实例，图12显示循环分数(总循环流242中返回到甲醇合成反应器230B而不是被吹扫205'的部分)对碳效率、天然气消耗和总能量消耗的影响。如图12所示，当使用天然气作为能源时，在循环比为约0.9时，碳效率最大，能量消耗最小。相反，在使用可再生电力能源时，碳效率随着循环分数的增加而单调增加。出乎意料地发现，循环压缩机使用可再生电力时，总能量消耗的最佳点偏移到不同的点。从图12可以看出，当使用可再生能源时，0.95或更大的循环分数导致总能量消耗低、碳效率高、天然气消耗低。该循环分数对应于19:1的循环气体/吹扫气体比率。不希望受理论限制，这可以是因为本公开的电气驱动压缩机系统的电源侧的效率与常规蒸汽驱动压缩机系统相比存在差异。
尽管已经示出和描述各种实施方案，但本领域技术人员可以在不脱离本公开的精神和教导的情况下对其进行修改。本文描述的实施方案仅是示例性的，并不旨在进行限制。本文公开的主题的许多变化和修改是可能的并且在本公开的范围内。在明确规定数值范围或限制的情况下，这种明确范围或限制应理解为包括落入明确规定的范围或限制内的类似量级的迭代范围或限制(例如，约1至约10包括，2、3、4等；大于0.10包括0.11、0.12、0.13等)。例如，每当公开具有下限RL和上限RU的数值范围时，落入该范围内的任何数字被具体公开。特别地，具体公开该范围内的以下数字：R＝RL+k*(RU-RL)，其中k是1％到100％范围内的变量，增量为1％，即k是1％，2％、3％、4％、5％、...、50％、51％、52％、...、95％、96％、97％、98％、99％或100％。此外，还具体公开由如上定义的两个R数所定义的任何数值范围。关于权利要求的任何要素，使用术语“任选地”旨在表示主题要素是必需的，或替代地，不是必需的。两种替代方案都旨在权利要求的范围内。使用更广泛的术语例如包括、包括、具有等应理解为支持更狭义的术语，例如由......组成、基本上由......组成、基本上包含......等。
因此，保护范围不受上述描述的限制，而仅受以下权利要求的限制，此范围包括权利要求的主题的所有等同物。每项和各项权利要求都作为本公开的一个实施方案并入说明书。因此，权利要求是对本发明的该实施方案的进一步描述和补充。对参考文献的讨论并不是承认它是本公开的现有技术，特别是公布日期可在本申请的优先权日之后的任何参考文献。本文引用的所有专利、专利申请和出版物的公开内容在此通过引用并入，以使得它们提供对于本文所述那些的示例性、程序性或其他细节补充内容。
另外第I部分的公开内容
以上公开的特定实施方案仅是说明性的，因为本公开可以不同但等同的方式进行修改和实践，这对于受益于本文教导的本领域技术人员是明显的。此外，除了如下面权利要求中描述的那样之外，并不旨在限制本文所示的构造或设计的细节。因此很明显，上面公开的特定说明性实施方案可进行改变或修改并且所有这样的变化都认为在本公开的范围和精神内。由于组合、整合和/或省略一个或多个实施方案的特征而产生的替代实施方案也在本公开的范围内。虽然以“具有”、“包含”、“含有”或“包括”各种组分或步骤的更广泛术语描述组合物和方法，但组合物和方法也可“基本上由各种组分和步骤组成”或“由各种组分和步骤组成”。对权利要求的任何要素使用术语“任选地”意指该要素是必需的，或替代地，该要素不是必需的，这两种选择都在权利要求的范围内。
上面公开的数字和范围可能会有所不同。每当公开具有下限和上限的数值范围时，则具体公开落入该范围内的任何数字和任何包含的范围。特别地，本文公开的每个数值范围(形式为“约a至约b”，或等同地，“大约a至b，”或等同地，“大约a-b”)应理解为阐述更广泛的数值范围内包含的每个数字和范围。此外，除非专利权人另有清楚和明确的定义，否则权利要求中的术语具有其简单、普通的含义。此外，权利要求中使用的不定冠词“一个”或“一种”在本文中定义为表示其引入的一个或多于一个要素。如果本说明书中的措辞或术语与一个或多个专利或其他文件的用法有冲突，应采用与本说明书一致的定义。
本文公开的实施方案包括：
A：一种甲醇合成设备，包括：进料预处理部分，其可操作以预处理进料流，进料流包括LPG、石脑油、沼气、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、石脑油沸程组分、煤、石油焦或其组合；合成气体(合成气)合成部分，其包含一个或多于一个选自预重整器、蒸汽重整器、干式重整器、部分氧化反应器、自热重整器、气化器或其组合的反应器，其可操作以从所述进料流产生包含合成气的合成气合成产物流；甲醇合成部分，其包括一个或多于一个甲醇合成反应器，其可操作以生产包含甲醇的合成产物；和/或甲醇纯化部分，其可操作以从合成产物中除去至少一种组分以提供经纯化的甲醇产物；其中甲醇合成设备配置成使得相对于常规甲醇合成设备，甲醇合成设备、进料预处理部分、合成气合成部分、甲醇合成部分、甲醇纯化部分或其组合所需的更多净能量，由非碳基能源、可再生能源和/或电力提供。
B：一种甲醇合成设备，包括：进料预处理部分，其可操作以预处理进料流，进料流包括LPG、石脑油、沼气、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、石脑油沸程组分、煤、石油焦或其组合；合成气合成部分，包括一个或多于一个选自预重整器、蒸汽重整器、干式重整器、部分氧化反应器、自热重整器、气化器或其组合的反应器，其可操作以从进料流产生包含合成气的合成气合成产物流；甲醇合成部分，其包括一个或多于一个甲醇合成反应器，其可操作以生产包含甲醇的合成产物；和/或甲醇合成部分，其包括一个或多于一个甲醇合成反应器，其可操作以生产包含甲醇的合成产物；和/或甲醇纯化部分，其可操作以从合成产物中除去至少一种组分以提供经纯化的甲醇产物；其中甲醇合成设备配置成使得甲醇合成设备、进料预处理部分、合成气合成部分、甲醇合成部分、甲醇纯化部分或其组合所需的大部分净能量由电力提供。
实施方案A和B中的每一个可具有以下其他要素中的一个或多于一个：要素1：其中非碳基能源包括电力。要素2：其中电力由可再生能源生产。要素3：其中可再生能源包括风能、太阳能、地热能、水力发电、波浪能、潮汐能、核能或其组合。要素4：其中可在一个或多于一个反应器中的至少一个获得所需的合成气生成温度，而无需外部(例如，在炉中)燃烧专用燃料、碳基燃料或化石燃料。要素5：其中一个或多于一个反应器通过来自电力或可再生电力的加热并且包括相关的对流、传导、辐射或其他传热方式加热到所需的合成气生成温度。要素6：其中一个或多于一个反应器由电阻或感应加热。要素7：其中：除了生产用于一个或多于一个反应器的蒸汽外，蒸汽不用作主要的能量传递介质；没有蒸汽用于机械作功；和/或在设备的一个或多于一个反应器、一个或多于一个、大部分或所有蒸汽轮机或其组合中所用蒸汽的大部分、部分或全部由电力产生和/或不燃烧化石燃料而产生。要素8：其中预处理部分、合成气合成部分、甲醇合成部分、甲醇纯化部分或其组合包括一台或多于一台压缩机，其中一台或多于一台压缩机中的至少10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％或100％或大部分配置用于非气体驱动操作、非蒸汽驱动操作和/或由以电气方式产生的蒸汽操作。要素9：其中一台或多于一台压缩机中的至少一台配置为通过电动机驱动和气体驱动或电动机驱动和蒸汽驱动操作进行双功能操作(或“双驱动”)，使得设备的配置能够使一台或多于一台压缩机通过可再生电力或由可再生电力生产的蒸汽(当可用时)操作，以及当可再生电力不可用时，通过不可再生电力生产的蒸汽或燃烧操作。要素10：包含用于进料预处理部分、合成气合成部分、甲醇合成部分、甲醇纯化部分或其组合的一个或多于一个压缩步骤的双压缩机，使得压缩步骤可以在双压缩机中的第二个离线时通过双压缩机中在线的第一个进行，反之亦然，其中双压缩机中的第一个是电动机驱动的，而双压缩机中的第二个是蒸汽驱动或燃烧驱动的，使得设备的配置能够使一台或多于一台压缩机通过可再生电力或由可再生电力生产的蒸汽(当可用时)操作，以及当可再生电力不可用时，通过不可再生电力生产的蒸汽或燃烧操作。要素11：包含冷却或加热工艺流、一个或多于一个重整反应器、一个或多于一个甲醇合成反应器和/或甲醇纯化部分的分离器的装置，其中至少10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％或100％的由加热装置提供的加热、由冷却装置提供的冷却或两者的净能量的是电力提供的。要素12：包括位于一个或多于一个重整器中每一个的下游的冷却装置；位于一个或多于一个重整器的最后一个的下游的冷却装置；水煤气变换反应器下游的冷却装置；位于合成气合成部分的下游并且配置为从重整器产品流中冷凝水的冷却装置；在一个或多于一个甲醇合成反应器中一个或多于一个的下游的冷却装置；甲醇纯化部分内的冷却装置；或其组合。要素13：包括进料预处理部分内的一个或多于一个进料预热装置；一个或多于一个甲醇合成反应器上游的合成气加热装置；甲醇纯化部分内的加热装置；或其组合。要素14：其中压缩的进料(例如，天然气)、压缩的氢气、低温液体、热、电能或其组合被储存，使得当可再生电力不可用时，可利用储存的压缩的进料、压缩的氢气、低温液体、热和/或电能。要素15：还包含电力生产装置，其配置成由甲醇合成设备内的压力或热量生产电力。要素16：其中电力生产装置包括膨胀机、热电装置或其组合。要素17：其中合成气合成部分包括与烃进料流流体连接的重整器，其中烃进料流包括天然气、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、石脑油、瓦斯油或其组合，或与部分氧化进料流体连接的部分氧化反应器，其中部分氧化进料流包括煤、石油焦、天然气、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、石脑油、瓦斯油或其组合；甲醇合成部分任选地包括水煤气变换反应器，在变换反应器的上游和下游具有冷却装置；水煤气变换反应器下游的水冷凝装置；一个或多于一个压缩合成气的合成气压缩机；和/或一个或多于一个甲醇合成反应器上游的加热装置；和/或甲醇纯化部分包括甲醇合成反应器产物冷却装置；粗甲醇回收装置，其配置为将包含甲醇的合成产物分离成粗甲醇流和分离的合成气流；循环压缩机，其配置为将至少一部分分离的合成气流循环到一个或多于一个甲醇合成反应器中；吹扫气体系统，其可操作以将吹扫气体与分离的合成气流分离；和/或甲醇纯化装置，其配置为从粗甲醇流中分离轻馏分、重质副产物、水或其组合，以提供经纯化的甲醇产品；其中合成气合成部分所需的净热量输入的大部分或基本上全部能量；由加热装置提供的净热量；吹扫吹气系统需要的净热量输入或去除；甲醇纯化装置所需的净热量输入；或其组合由电力提供；和/或其中选自用于对进料流加压的压缩机、一台或多于一台合成气压缩机和循环压缩机的大部分或主要部分的压缩机是电气驱动的和/或由不是由燃料、碳基燃料和/或化石燃料燃烧产生的蒸汽驱动。要素18：还包含分馏装置，其配置为分馏吹扫气体以产生甲烷流。要素19：其中分馏包括低温分馏。要素20：还包含甲烷化反应器，其配置为在分馏之前或之后，将吹扫气体中的一氧化碳和二氧化碳转化为甲烷。要素21：还包含循环管线，由此将在甲烷化反应器中产生的甲烷循环至合成气合成部分。要素22：配置用于燃烧小于或等于约50、40、30、20、10、5、4、3、2或1重量百分比(重量％)的吹扫气体。要素23：其中氢作为副产物共同生产，并且甲醇合成设备还包含：氢分离装置，其任选地在甲醇合成部分的下游，配置成将重整器中产生的氢气与吹扫气体分离，从而提供经分离的氢气；氢气纯化装置，其配置为纯化经分离的氢气，从而提供经纯化的氢气；和一个或多于一个燃料电池，其可操作用于由经纯化的氢气发电。要素24：还包含储存装置，其配置用于储存经分离的氢气、经纯化的氢气或其组合，由此经分离的氢气、经纯化的氢气或其组合可在电力容易获得时储存，并且由此储存的氢气可在其他电力来源不容易获得和/或无法以理想的价格获得时用于在一个或多于一个燃料电池中发电。要素25：配置用于将分离的氢气输出到氨合成设备和/或还包括用于从至少一部分分离的氢气生产氨的装置。要素26：配置成每生产一吨甲醇生产少于或等于约2吨通过燃料、碳基燃料、化石燃料或其组合的燃烧产生的燃烧烟道气。要素27：还包含一个或多于一个空气分离单元(ASU)，其中一个或多于一个ASU所需能源的至少5％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、大部分或全部由电力供应。要素28：配置用于：在一个或多于一个甲醇合成反应器的上游引入二氧化碳以消耗额外的氢气，平衡一个或多于一个甲醇合成反应器中的热量(例如，使其放热更少，从而减少甲醇合成部分所需的热除去)，并且允许将CO2电转化为甲醇；和/或将CO2引入水煤气变换(WGS)反应器，以提供吸热和低温WGS和/或用于电力和/或来自冷却产品流的过量低品位热能的容易和低温散失。要素29：其配置用于通过在合成气合成部分中燃烧产生二氧化碳(CO2)以向合成气合成部分增加热量并且减少一个或多于一个甲醇合成反应器中的热量生成。要素30：配置用于通过可再生(例如，非化石)燃料的燃烧产生二氧化碳。
另外第II部分的公开内容
以下是根据本公开的非限制性具体实施方案：
第一实施方案，其为甲醇合成设备，包含进料预处理部分，其可操作以预处理进料流，所述进料流包括LPG、石脑油、沼气、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、石脑油沸程组分、煤、石油焦或其组合；合成气体(合成气)合成部分，其包含一个或多于一个选自预重整器、蒸汽重整器、干重整器、部分氧化反应器、自热重整器、气化器或其组合的反应器，可操作以从进料流生产包含合成气的合成气合成产物流；甲醇合成部分，其包括一个或多于一个甲醇合成反应器，可操作以生产包含甲醇的合成产物；和/或甲醇纯化部分，其可操作以从合成产物中除去至少一种组分以提供经纯化的甲醇产物，其中甲醇合成设备配置成使得相对于常规甲醇合成设备，甲醇合成设备、进料预处理部分、合成气合成部分、甲醇合成部分、甲醇纯化部分或其组合所需的更多净能量由非碳基能源、可再生能源和/或电力提供。
第二实施方案，其为第一实施方案的甲醇合成设备，其中非碳基能源包括电力。
第三实施方案，其为甲醇合成设备，包括进料预处理部分，其可操作以预处理进料流，所述进料流包括LPG、石脑油、沼气、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、石脑油沸程组分、煤、石油焦或其组合；合成气合成部分，包括一个或多于一个选自预重整器、蒸汽重整器、干重整器、部分氧化反应器、自热重整器、气化器或其组合的反应器，可操作以从进料流生产包含合成气的合成气合成产物流；甲醇合成部分，其包括一个或多于一个甲醇合成反应器，可操作以生产包含甲醇的合成产物；和/或甲醇合成部分，其包括一个或多于一个甲醇合成反应器，可操作以生产包含甲醇的合成产物；和/或甲醇纯化部分，其可操作以从合成产物中除去至少一种组分以提供经纯化的甲醇产物，其中甲醇合成设备配置成使得甲醇合成设备、进料预处理部分、合成气合成部分、甲醇合成部分、甲醇纯化部分或其组合所需的大部分净能量由电力提供。
第四实施方案，其为第二或第三实施方案的甲醇合成设备，其中电力由可再生能源生产。
第五实施方案，其为第四实施方案的甲醇合成设备，其中可再生能源包括风能、太阳能、地热能、水电、波浪能、潮汐能、核能或其组合。
第六实施方案，其为第二或第三实施方案的甲醇合成设备，其中在一个或多于一个反应器中的至少一个中所需的合成气生成温度无需外部(例如，在炉中)燃烧专用燃料、碳基燃料或化石燃料获得。
第七实施方案，其为第六实施方案的甲醇合成设备，其中一个或多于一个反应器通过来自电力或可再生电力并且包括相关的对流、传导、辐射或其他传热方式的加热而加热至所需的合成气生成温度。
第八实施方案，其为第六实施方案的甲醇合成设备，其中一个或多于一个反应器是电阻或感应加热的。
第九实施方案，其为第二或第三实施方案的甲醇合成设备，其中除了生产用于一个或多于一个反应器的蒸汽之外，不使用蒸汽作为主要能量传递介质，不使用蒸汽进行机械做功；和/或设备的一个或多于一个反应器、一个或多于一个、大部分或所有蒸汽轮机或其组合使用的大部分、部分或全部蒸汽是由电力生产和/或不燃烧化石燃料生产的。
第十实施方案，其为第二或第三实施方案的甲醇合成设备，其中预处理部分、合成气合成部分、甲醇合成部分、甲醇纯化部分或其组合包括一台或多于一台压缩机，并且其中一台或多于一台压缩机中的至少10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％或100％或大部分配置为用于非气体驱动操作、非蒸汽驱动操作和/或由以电气产生的蒸汽操作。
第十一实施方案，其为第十实施方案的甲醇合成设备，其中一台或多于一台压缩机中的至少一个配置为通过电动机驱动和气体驱动或电动机驱动和蒸汽驱动操作的双功能操作(或“双驱动”)，使得设备的配置能够使一台或多于一台压缩机通过可再生电力或由可再生电力(当可用时)生产的蒸汽操作，以及通过不可再生电力生产的蒸汽或燃烧(当可再生电力不可用时)操作。
第十二实施方案，其为第十实施方案的甲醇合成设备，包含用于进料预处理部分、合成气合成部分、甲醇合成部分、甲醇纯化部分或其组合的一个或多于一个压缩步骤的双压缩机，使得压缩步骤可在双压缩机中的第二个离线时通过双压缩机中在线的第一个进行，反之亦然，其中双压缩机中的第一个由电动机驱动，而双压缩机中的第二个由蒸汽驱动或燃烧驱动，使得该设备的配置能够使一台或多于一台压缩机通过可再生电力或由可再生电力(当可用时)生产的蒸汽操作，以及通过不可再生电力生产的蒸汽或燃烧(当可再生电力不可用时)操作。
第十三实施方案，其为第二或第三实施方案的甲醇合成设备，包含冷却或加热工艺流、一个或多于一个重整反应器、一个或多于一个甲醇合成反应器和/或甲醇纯化部分的分离器的装置，其中用于由加热装置提供的加热、由冷却装置提供的冷却或两者的净能量的至少10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％或100％是电力提供的。
第十四实施方案，其为第十三实施方案的甲醇合成设备包含在一个或多于一个重整器中每一个的下游的冷却装置；一个或多于一个重整器的最后一个的下游的冷却装置；水煤气变换反应器下游的冷却装置；位于合成气合成部分的下游并且配置为从重整器产品流中冷凝水的冷却装置；在一个或多于一个甲醇合成反应器中一个或多于一个的下游的冷却装置；甲醇纯化部分内的冷却装置；或其组合。
第十五实施方案，其为第十三实施方案的甲醇合成设备，包含进料预处理部分内的一个或多于一个进料预热装置；一个或多于一个甲醇合成反应器上游的合成气加热装置；甲醇纯化部分内的加热装置；或其组合。
第十六实施方案，其为第二或第三实施方案的甲醇合成设备，其中压缩进料(例如，天然气)、压缩氢气、低温液体、热量、电能或其组合被储存，使得在可再生电力不可用时可使用储存的压缩进料、压缩氢气、低温液体、热量和/或电能。
第十七实施方案，其为第二或第三实施方案的甲醇合成设备，其还包含电力生产装置，其配置为由甲醇合成设备内的压力或热量生产电力。
第十八实施方案，其为第十七实施方案的甲醇合成设备，其中电力生产装置包括膨胀机、热电装置或其组合。
第十九实施方案，其为第二或第三实施方案的甲醇合成设备，其中合成气合成部分包括与烃进料流流体连通的重整器，其中烃进料流包括天然气、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、石脑油、瓦斯油或其组合，或包括与部分氧化进料流体连通的部分氧化反应器，其中部分氧化进料流包括煤、石油焦、天然气、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、石脑油、瓦斯油或其组合，甲醇合成部分任选地包含水煤气变换反应器，变换反应器的上游和下游具有冷却装置；水煤气变换反应器下游的水冷凝装置；一个或多于一个压缩合成气的合成气压缩机；和/或一个或多于一个甲醇合成反应器上游的加热装置；和/或甲醇纯化部分包括甲醇合成反应器产物冷却装置；粗甲醇回收装置，其配置成将包含甲醇的合成产物分离成粗甲醇流和经分离的合成气流；循环压缩机，其配置为将至少一部分分离的合成气流循环至一个或多于一个甲醇合成反应器；吹扫气体系统，其可操作以将吹扫气体与分离的合成气流分离；和/或甲醇纯化装置，其配置为从粗甲醇流中分离轻馏分、重质副产物、水或其组合，以提供经纯化的甲醇产品，其中合成气合成部分所需的净热输入的大部分或基本上所有能量；由加热装置提供的净热量；吹扫吹气系统需要的净热量输入或除去；甲醇纯化装置所需的净热量输入；或其组合由电力提供；和/或其中选自用于对进料流加压的压缩机、一台或多于一台合成气压缩机和循环压缩机的压缩机的大部分或主要部分是电气驱动的和/或由非燃料、碳基燃料和/或化石燃料燃烧产生的蒸汽驱动。
第二十实施方案，其为第十九实施方案的甲醇合成设备，其还包含分馏装置，其配置为分馏吹扫气体以产生甲烷流。
第二十一实施方案，其为第二十实施方案的甲醇合成设备，其中分馏包括低温分馏。
第二十二实施方案，其为第二十实施方案的甲醇合成设备，包含甲烷化反应器，其配置为在分馏之前或之后将吹扫气体中的一氧化碳和二氧化碳转化为甲烷。
第二十三实施方案，其为第二十实施方案的甲醇合成设备，还包含循环管线，由此将甲烷化反应器中产生的甲烷循环至合成气合成部分。
第二十四实施方案，其为第十九实施方案的甲醇合成设备，配置用于燃烧小于或等于约50、40、30、20、10、5、4、3、2或1重量百分比(重量％)的吹扫气体。
第二十五实施方案，其为第二或第三实施方案的甲醇合成设备，其中氢气作为副产物一同生产，并且甲醇合成设备还包括氢气分离装置，其任选地在甲醇合成部分的下游，配置成将重整器中产生的氢气与吹扫气体分离，从而提供分离的氢气；氢气纯化装置，其配置为纯化经分离的氢气，从而提供经纯化的氢气；和一个或多于一个燃料电池，其可操作用于由所述经纯化的氢气发电。
第二十六实施方案，其为第二十五实施方案的甲醇合成设备，还包含配置用于存储经分离的氢气、经纯化的氢气或它们的组合的储存装置，由此经分离的氢气、经纯化的氢气或其组合可在电力容易获得时储存，并且由此储存的氢气可在其他电力来源不易获得和/或无法以理想的价格获得时，用于在一个或多于一个燃料电池中发电。
第二十七实施方案，其为第二十五实施方案的甲醇合成设备，其配置用于将分离的氢气输出至氨合成设备，和/或还包含用于从至少一部分分离的氢气生产氨的装置。
第二十八实施方案，其为第一、第二或第三实施方案的甲醇合成设备，配置为每生产一吨甲醇生产少于或等于约2吨通过燃料、碳基燃料、化石燃料或其组合的燃烧产生的燃烧烟道气。
第二十九实施方案，其为第二或第三实施方案的甲醇合成设备，还包含一个或多于一个空气分离单元(ASU)，其中一个或多于一个ASU所需能源的至少5％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、大部分或全部由电力供应。
第三十实施方案，其为第二或第三实施方案的甲醇合成设备，配置用于在一个或多于一个甲醇合成反应器的上游引入二氧化碳以消耗额外的氢气，平衡一个或多于一个甲醇合成反应器中的热量(例如，使其放热更少，从而在甲醇合成部分中需要更少的热除去)，并且允许将CO2电转化为甲醇；和/或将CO2引入水煤气变换(WGS)反应器，以提供吸热和低温WGS和/或用于电力和/或来自冷却产品流的过量低品位热能的容易和低温散失。
第三十一实施方案，其为第二或第三实施方案的甲醇合成设备，其配置用于通过在合成气合成部分中燃烧产生二氧化碳(CO2)以向合成气合成部分增加热量并且减少一个或多于一个甲醇合成反应器中的热量生成。
第三十二实施方案，其为第三十一实施方案的甲醇合成设备，其配置用于通过可再生(例如，非化石)燃料的燃烧产生二氧化碳。
另外第III部分的公开内容
以下是根据本公开的非限制性具体实施方案：
本文公开的实施方案包括：
A：一种在甲醇合成设备生产甲醇的方法，所述方法包括：(a)将包含甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、LPG、石脑油、沼气或其组合的进料进行重整以产生包含一氧化碳和氢气的重整产物，其中重整温度由净热量输入Q1来保持；(b)通过实现净热量除去Q2以冷却重整产物来生产经冷却的重整产物；(c)变换重整产物以生产变换的重整产物；(d)通过实现净除去热量Q3来冷却变换的产物；(e)通过实现净除去热量Q4从重整产物中冷却和冷凝水以提供经纯化的重整产物；(f)压缩经纯化的重整产物；(g)通过净热量输入Q5加热压缩的纯化重整产物以提供甲醇合成进料；(h)由甲醇合成进料生产包含甲醇的产物；(i)通过净热量除去Q6冷却包含甲醇的产物以除去粗甲醇流并且提供包含一氧化碳和氢气的循环气流；(j)通过循环压缩机压缩循环气流；(k)通过吹扫气体系统而吹扫，其中吹扫可通过净热量输入或除去Q7来实现；(l)通过从粗甲醇流中除去轻馏分、重质副产物、水或其组合来纯化粗甲醇产物中的甲醇，其中除去轻馏分、重质副产物、水或其组合需要净热量输入或除去Q8；或(m)其组合，其中，在整个甲醇合成设备、压缩或其组合中，相对于生产甲醇的常规方法，给定步骤(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)、(g)、(h)、(i)、(j)、(k)、(l)或其组合(m)的净能量输入或除去所需的更多能量，由非碳基能源、可再生能源和/或电力提供。
B：一种在甲醇合成设备中生产甲醇的方法，方法包括：(a)将包含甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、LPG、石脑油、沼气或其组合的进料进行重整以产生包含一氧化碳和氢气的重整产物，其中重整温度由净热量输入Q1来保持；(b)通过实现净热量除去Q2以冷却重整产物来生产经冷却的重整产物；(c)变换重整产物以生产经变换的重整产物；(d)通过实现净除去热量Q3来冷却经变换的产物；(e)通过实现净除去热量Q4从重整产物中冷却和冷凝水以提供经纯化的重整产物；(f)压缩经纯化的重整产物；(g)通过净热量输入Q5加热经压缩的纯化重整产物以提供甲醇合成进料；(h)由甲醇合成进料生产包含甲醇的产物；(i)通过净热量除去Q6冷却包含甲醇的产物以除去粗甲醇流并且提供包含一氧化碳和氢气的循环气流；(j)通过循环压缩机压缩循环气流；(k)通过吹扫气体系统而吹扫，其中吹扫通过净热量输入或除去Q7来实现；(l)通过从所述粗甲醇流中除去轻馏分、重质副产物、水或其组合来纯化粗甲醇产物中的甲醇，其中除去轻馏分、重质副产物、水或其组合需要净热量输入或除去Q8；或(m)其组合，其中，在整个甲醇合成设备、压缩或其组合中，给定步骤(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)、(g)、(h)、(i)、(j)、(k)、(l)或其组合(m)的净能量输入或除去所需的大部分能量，由非碳基能源、可再生能源和/或电力提供。
C：一种生产甲醇的方法，方法包括：(a)重整包含甲烷、天然气、乙烷、丙烷、丁烷、石脑油、煤或其组合的重整器进料以产生包含合成气的重整产物；(b)任选地变换重整产物以生产包含一氧化碳、二氧化碳和氢气的经变换的产物；(c)从重整产物或经变换的产物中除去水以提供干燥的合成气；(d)任选地压缩干燥的合成气以提供压缩的干燥合成气；(e)加热任选地压缩的干燥合成气以提供甲醇合成进料；(f)由甲醇合成进料合成甲醇以提供甲醇合成产物；和/或(g)纯化甲醇合成产物以产生经纯化的甲醇产物，其中(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)、(g)或其组合中所需的净能量的大部分或大于或等于约40％、50％、60％、70％、80％或90％由非碳基能源、可再生能源、电力或其组合提供。
实施方案A、B和C中的每一个可具有以下另外要素中的一个或多于一个：要素1：其中非碳基能源包括电力。要素2：其中电力由可再生能源生产。要素3：其中可再生能源包括风能、太阳能、地热能、水力发电、核能、潮汐能、波浪能或其组合。要素4：其中保持重整温度是在不燃烧进料外部的燃料、化石燃料、碳基燃料或其组合下实现的。要素5：其中非碳基能源包括或通过间歇性能源(IES)产生的电力，并且还包括在IES可用时保持重整温度而不燃烧进料外部的燃料、化石燃料、碳基燃料或其组合，以及在IES不可用时通过IES储存的能量供应或通过燃烧燃料或碳基燃料来保持重整温度。要素6：其中重整是一个或多于一个重整器中进行，所述重整器通过由电力或再生电力进行加热和包括相关的对流、辐射或其它传热方式保持在重整温度。要素7：其中来自电力或可再生电力的加热是电阻加热或感应加热。要素8：其中：除了生产用于蒸汽甲烷重整器和/或预重整器的蒸汽外，蒸汽不用作主要能量传递介质。要素9：其中：在设备的蒸汽甲烷重整器、预重整器、一个或多于一个、大部分或所有汽轮机或其组合中使用的用于产生蒸汽的大部分、部分或全部外部能量输入是电力。要素10：其中一个或多于一个或所有步骤(a)-(l)中的热除去不包括产生用于蒸汽涡轮机的蒸汽。要素11：其中压缩干燥的合成气或经纯化的重整产物、压缩循环气流、压缩进料流以引入一个或多于一个重整器或其组合，包括在所用的至少一个、大多数或所有压缩机中，用由电动机驱动的压缩机、电气驱动的涡轮机或由电气产生的蒸汽驱动的涡轮机进行压缩。要素12：其中(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)、(g)或其组合中的热除去、热输入、压缩或其组合所需的净能量的大部分或大于或等于约40％、50％、60％、70％、80％或90％由非碳基能源、可再生能源、电力或其组合提供。要素13：其中(a)重整无需外部燃烧燃料、化石燃料和/或碳基燃料即可实现。要素14：其中利用非碳基能源、可再生能源、电力或其组合来提供(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)、(g)或其组合中所需的净能量的大部分或大于或等于约40％、50％、60％、70％、80％或90％导致相对于生产甲醇的常规方法温室气体排放量减少至少5％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、95％或98％。要素15：其中从冷却重整产物(例如，通过热除去Q2、Q3和/或Q4)中获得的热量用于预热进料(例如，用于提供热量输入Q1的第一部分)。要素16：其中热输入Q1所需热量的第二部分由电加热、过热蒸汽、通过添加少量氧气或空气获得的内部氧化或其组合来提供。要素17：其中蒸汽在(a)中作为反应物或用于稀释，并且作为反应物或稀释剂的蒸汽使用电力产生。要素18：其中电加热用于对(a)的重整器、(c)的水煤气变换反应器、(h)的甲醇合成反应器或其组合施加温度分布。要素19：其中机械加热用于加热(a)的重整器、(c)的水煤气变换反应器、(h)的甲醇合成反应器或其组合的进料。要素20：其中(i)中的循环气流与(k)中的吹扫气体流的重量比为至少19:1。要素21：其中氢气作为副产物一同生产。要素22：还包含燃烧至少一部分一同生产的氢气以提供热量、用作蒸汽重整中的反应物的高温蒸汽或两者，而不产生CO2。要素23：其中消耗的电量大于或等于20MW。要素24：其中每吨甲醇产生的CO2量小于每吨甲醇0.3吨CO2。要素25：其中净能耗率小于34GJ/吨甲醇。要素26：其中碳效率大于或等于82％。
另外第IV部分的公开内容
以下是根据本公开的非限制性具体实施方案：
第一实施方案，其为在甲醇合成设备中生产甲醇的方法，方法包括(a)将包含甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、LPG、石脑油、沼气或其组合的进料进行重整以产生包含一氧化碳和氢气的重整产物，其中重整温度由净热量输入Q1来保持；(b)通过实现净热量除去Q2冷却重整产物以生产经冷却的重整产物，(c)变换重整产物以生产经变换的重整产物，(d)通过实现净除去热量Q3来冷却经变换的产物，(e)通过实现净除去热量Q4从所述重整产物中冷却和冷凝水以提供经纯化的重整产物，(f)压缩经纯化的重整产物，(g)通过净热量输入Q5加热经压缩、纯化的重整产物以提供甲醇合成进料，(h)从甲醇合成进料生产包含甲醇的产物，(i)通过净热量除去Q6冷却包含甲醇的产物以除去粗甲醇流，并且提供包含一氧化碳和氢气的循环气流，(j)通过循环压缩机压缩循环气流，(k)通过吹扫气体系统来吹扫，其中可通过净热量输入或除去Q7来实现吹扫，(l)通过从粗甲醇流中除去轻馏分、重质副产物、水或其组合来纯化粗甲醇产物中的甲醇，其中除去轻馏分、重质副产物、水或其组合需要净热量输入或除去Q8，或(m)其组合，其中，在整个甲醇合成设备，压缩或其组合中，相对于生产甲醇的常规方法，给定步骤(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)、(g)、(h)、(i)、(j)、(k)、(l)或其组合(m)的净能量输入或除去所需的更多能量，由非碳基能源、可再生能源和/或电力提供。
第二实施方案，其为第一实施方案的方法，其中非碳基能源包括电力。
第三实施方案，其为在甲醇合成设备中生产甲醇的方法，方法包括(a)将包含甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、LPG、石脑油、沼气或其组合的进料进行重整以产生包含一氧化碳和氢气的重整产物，其中重整温度由净热量输入Q1来保持；(b)通过实现净热量除去Q2冷却重整产物以生产经冷却的重整产物，(c)变换重整产物以生产经变换的重整产物，(d)通过实现净除去热量Q3来冷却经变换的产物，(e)通过实现净除去热量Q4从重整产物中冷却和冷凝水以提供经纯化的重整产物，(f)压缩经纯化的重整产物，(g)通过净热量输入Q5加热经压缩、纯化的重整产物以提供甲醇合成进料，(h)从甲醇合成进料生产包含甲醇的产物，(i)通过净热量除去Q6冷却包含甲醇的产物以除去粗甲醇流，并且提供包含一氧化碳和氢气的循环气流，(j)通过循环压缩机压缩循环气流，(k)通过吹扫气体系统来吹扫，其中吹扫通过净热量输入或除去Q7来实现，(l)通过从粗甲醇流中除去轻馏分、重质副产物、水或其组合来纯化粗甲醇产物中的甲醇，其中除去轻馏分、重质副产物、水或其组合需要净热量输入或除去Q8，或(m)其组合，其中，在整个甲醇合成设备，压缩或其组合中，给定步骤(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)、(g)、(h)、(i)、(j)、(k)、(l)或其组合(m)的净能量输入或除去所需的大部分能量，由非碳基能源、可再生能源和/或电力提供。
第四实施方案，其为第二或第三实施方案的方法，其中电力由可再生能源产生。
第五实施方案，其为第四实施方案的方法，其中可再生能源包括风能、太阳能、地热能、水电、核能、潮汐能、波浪能或其组合。
第六实施方案，其为第一、第二或第三实施方案的方法，其中保持重整温度是在不燃烧进料外部的燃料、化石燃料、碳基燃料或其组合下实现的。
第七实施方案，其为第六实施方案的方法，其中非碳基能源包括或电力通过间歇性能源(IES)产生，并且还包括在IES可用时在不燃烧进料外部的燃料、化石燃料、碳基燃料或其组合的情况下保持重整温度，以及在IES不可用时通过储存来自IES的能量供应或通过燃烧燃料或碳基燃料来保持重整温度。
第八实施方案，其为第二或第三实施方案的方法，其中重整是在一个或多于一个重整器中进行的，所述重整器通过来自电力或可再生电力的加热以及相关的对流、辐射或其他传热方式保持在重整温度。
第九实施方案，其为第八实施方案的方法，其中来自电力或可再生电力的加热是电阻加热或感应加热。
第十实施方案，其为第二或第三实施方案的方法，其中，除了生产用于蒸汽甲烷重整器和/或预重整器的蒸汽之外，不利用蒸汽作为主要的能量传递介质。
第十一实施方案，其为第十实施方案的方法，其中设备的蒸汽甲烷重整器、预重整器、一个或多于一个、大部分或所有蒸汽涡轮机或其组合中使用的用于产生蒸汽的外部能量输入的大部分、部分或全部是电力。
第十二实施方案，其为第二或第三实施方案的方法，其中一个或多于一个或全部步骤(a)-(l)中的热除去不包含产生用于蒸汽涡轮机的蒸汽。
第十三实施方案，其为第二或第三实施方案的方法，其中压缩经干燥的合成气或经纯化的重整产物、压缩循环气流、压缩进料流以引入一个或多于一个重整器或其组合，包括在所用的至少一台、大部分或所有压缩机种，用由电动机驱动的压缩机、电气驱动的涡轮机，或由电气产生的蒸汽驱动的涡轮机进行压缩。
第十四实施方案，其为第二或第三实施方案的方法，其中从冷却重整产物(例如，通过热除去Q2、Q3和/或Q4)得到的热量用来预热进料(例如，用于提供热输入Q1的第一部分)。
第十五实施方案，其为第十四实施方案的方法，其中热输入Q1所需热量的第二部分由电加热、过热蒸汽、通过添加少量氧气或空气获得的内部氧化或其组合来提供。
第十六实施方案，其为第二或第三实施方案的方法，其中蒸汽在(a)中作为反应物或用于稀释，并且作为反应物或稀释剂的蒸汽使用电力产生。
第十七实施方案，其为第二或第三实施方案的方法，其中电加热用于对(a)的重整器、(c)的水煤气变换反应器、(h)的甲醇合成反应器或其组合施加温度分布。
第十八实施方案，其为第二或第三实施方案的方法，其中机械加热用于加热到(a)的重整器、(c)的水煤气变换反应器、(h)的甲醇合成反应器或其组合的进料。
第十九实施方案，其为第二或第三实施方案的方法，其中(i)中的循环气流与(k)中的吹扫气体流的重量比为至少19:1。
第二十实施方案，其为第二或第三实施方案的方法，其中氢气作为副产物一同生产。
第二十一实施方案，其为第二十实施方案的方法，还包括燃烧至少一部分一同生产的氢气以提供热量、用作蒸汽重整中的反应物的高温蒸汽或两者，而不产生CO2。
第二十二实施方案，其为第二或第三实施方案的方法，其中消耗的电量大于或等于20MW。
第二十三实施方案，其为第一、第二或第三实施方案的方法，其中每吨甲醇产生的CO2量小于每吨甲醇0.3吨CO2。
第二十四实施方案，其为第一、第二或第三实施方案的方法，其中净能耗率小于34GJ/吨甲醇。
第二十五实施方案，其为第一、第二或第三实施方案的方法，其中碳效率大于或等于82％。
第二十六实施方案，其为生产甲醇的方法，方法包括(a)重整包含甲烷、天然气、乙烷、丙烷、丁烷、石脑油、煤或其组合的重整器进料，以产生包含合成气的重整产物，(b)变换重整产物以生产包含一氧化碳、二氧化碳和氢气的经变换的产物，(c)从重整产物或经变换的产物中除去水以提供干燥的合成气，(d)压缩干燥合成气以提供压缩的干燥合成气，(e)加热压缩的干燥合成气以提供甲醇合成进料，(f)从甲醇合成进料合成甲醇以提供甲醇合成产物，和/或(g)纯化甲醇合成产物以生产经纯化的甲醇产物，其中(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)、(g)或其组合中所需的净能量的大部分或大于或等于约40％、50％、60％、70％、80％或90％，由非碳基能源、可再生能源、电力或其组合提供。
第二十七实施方案，其为第二十六实施方案的方法，其中(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)、(g)或其组合中所需的用于热除去、热输入、压缩或其组合的净能量的大部分或大于或等于约40％、50％、60％、70％、80％或90％，由非碳基能源、可再生能源、电力或其组合提供。
第二十八实施方案，其为第二十六实施方案的方法，其中(a)重整无需外部燃烧燃料、化石燃料和/或碳基燃料即可实现。
第二十九实施方案，其为第二十六实施方案的方法，其中利用非碳基能源、可再生能源、电力或其组合来提供(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)、(g)或其组合中所需净能量的大部分或大于或等于约40％、50％、60％、70％、80％或90％导致相对于生产甲醇的常规方法温室气体排放量减少至少5％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、95％或98％。
第三十实施方案，其为如本文所述的甲醇合成方法或装置。
另外第V部分的公开内容
以下是根据本公开的非限制性具体实施方案：
第一实施方案，其为甲醇合成设备，包括进料预处理部分，其可操作以预处理进料流，所述进料流包括LPG、石脑油、沼气、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、石脑油沸程组分、煤、石油焦或其组合；合成气体(合成气)合成部分，其包含一个或多于一个反应器，所述反应器选自预重整器、蒸汽重整器、干重整器、部分氧化反应器、自热重整器、气化器或其组合，并且可操作以从进料流生产包含合成气的合成气合成产物流；甲醇合成部分，其包含一个或多于一个甲醇合成反应器，所述甲醇合成反应器可操作以生产包含甲醇的合成产物；甲醇纯化部分，其可操作以从合成产物中除去至少一种组分以提供经纯化的甲醇产物；其中甲醇合成设备消耗大于或等于20MW的电力，其中每吨甲醇产生的CO2量小于每吨甲醇0.3吨CO2，且其中净能耗率小于34GJ/吨甲醇。
第二实施方案，其为根据第一实施方案的甲醇合成设备，其中碳效率大于或等于82％。
第三实施方案，其为根据第一或第二实施方案的甲醇合成设备，其中可在一个或多于一个反应器中的至少一个内达到预定的合成气生成温度而无需外部燃烧专用燃料、不可再生碳基燃料或化石燃料。
第四实施方案，其为根据第一至第三实施方案中任一项所述的甲醇合成设备，其中甲醇合成设备不包括烟道气热回收部分。
第五实施方案，其为根据第一至第四实施方案中任一项所述的甲醇合成设备，其中通过来自电力和相关的对流、传导、辐射或感应传热方式的加热，将一个或多于一个反应器加热至预定的合成气生成温度。
第六实施方案，其为根据第一至第五实施方案中任一项所述的甲醇合成设备，其中除了产生用于一个或多于一个反应器的蒸汽之外，蒸汽不作为主要能量传递介质，或蒸汽不用于机械作功。
第七实施方案，其为根据第一至第六实施方案中任一项所述的甲醇合成设备，其还包含在一个或多于一个重整器中每一个的下游的冷却装置；一个或多于一个重整器的最后一个的下游的冷却装置；水煤气变换反应器的下游的冷却装置；位于合成气合成部分的下游并且配置为从重整器产品流中冷凝水的冷却装置；在一个或多于一个甲醇合成反应器中一个或多于一个的下游的冷却装置；甲醇纯化部分内的冷却装置；或其组合，其中用于冷却装置的净能量的至少50％是电力提供的。
第八实施方案，其为根据第一至第七实施方案中任一项所述的甲醇合成设备，其中压缩进料、压缩氢气、低温液体、热量、电能或其组合被储存，使得当可再生电力不可用时，可以利用储存的压缩进料、压缩氢气、低温液体、热量和/或电能。
第九实施方案，其为根据第一至第八实施方案中任一项所述的甲醇合成设备，其还包含分馏装置和甲烷化反应器，分馏装置配置为分馏吹扫气体以产生甲烷流，甲烷化反应器配置为在分馏之前或之后将所述吹扫气体中的一氧化碳和二氧化碳转化为甲烷。
第十实施方案，其为根据第九实施方案所述的甲醇合成设备，配置用于燃烧小于或等于约50重量百分比(重量％)的吹扫气体。
第十一实施方案，其为根据第一至第十实施方案中任一项所述的甲醇合成设备，其中氢气作为副产物一同生产，并且甲醇合成设备还包括氢分离装置，其任选地在甲醇合成部分的下游，配置成将重整器中产生的氢气与吹扫气体分离，从而提供经分离的氢气；氢气纯化装置，其配置为纯化所分离的氢气，从而提供经纯化的氢气；和一个或多于一个燃料电池，其可操作用于由经纯化的氢气发电。
第十二实施方案，其为根据第一至第十一实施方案中任一项所述的甲醇合成设备，其中甲醇合成设备配置为每生产一吨甲醇，通过燃料燃烧产生的燃烧烟道气少于或等于约两吨。
第十三实施方案，其为根据第一至第十二实施方案中任一项所述的甲醇合成设备，其配置用于在一个或多于一个甲醇合成反应器的上游引入二氧化碳以消耗额外的氢气，平衡一个或多于一个甲醇合成反应器中的热量，并且允许将CO2电转化为甲醇，或将CO2引入水煤气变换(WGS)反应器。
第十四实施方案，其为根据第一至第十三实施方案中任一项所述的甲醇合成设备，其配置用于通过在合成气合成部分中燃烧产生二氧化碳(CO2)以向所述合成气合成部分增加热量并且减少所述一个或多于一个甲醇合成反应器中的热量生成。
第十五实施方案，其为在甲醇合成设备中生产甲醇的方法，方法包括(a)将包含甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、LPG、石脑油、沼气或其组合的进料进行重整以产生包含一氧化碳和氢气的重整产物，其中重整温度由净热量输入Q1来保持；(b)通过实现净热量除去Q2冷却重整产物以生产经冷却的重整产物，(c)变换重整产物以生产经变换的重整产物，(d)通过实现净除去热量Q3来冷却经变换的产物，(e)通过实现净除去热量Q4从重整产物中冷却和冷凝水以提供经纯化的重整产物，(f)压缩经纯化的重整产物，(g)通过净热量输入Q5加热经压缩、纯化的重整产物以提供甲醇合成进料，(h)从甲醇合成进料生产包含甲醇的产物，(i)通过净热量除去Q6冷却包含甲醇的产物以除去粗甲醇流，并且提供包含一氧化碳和氢气的循环气流，(j)通过循环压缩机压缩循环气流，(k)通过吹扫气体系统来吹扫，其中可通过净热量输入或除去Q7来实现吹扫，和(l)通过从粗甲醇流中除去轻馏分、重质副产物、水或其组合来纯化粗甲醇产物中的甲醇，其中除去轻馏分、重质副产物、水或其组合需要净热量输入或除去Q8，其中方法每天消耗大于或等于20MW的电力，其中每吨甲醇产生的CO2量小于每吨甲醇0.3吨CO2，且其中净能耗率小于34GJ/吨甲醇。
第十六实施方案，其为根据第十五实施方案所述的方法，其中碳效率大于或等于82％。
第十七实施方案，其为根据第十五或第十六实施方案所述的方法，其中通过热除去Q2、Q3和Q4冷却重整产物所获得的热量用于通过提供第一部分的热输入Q1来预热进料。
第十八实施方案，其为根据第十五至第十七实施方案中任一项所述的方法，其中热输入Q1所需热量的第二部分由电加热、过热蒸汽、通过添加少量氧气或空气获得的内部氧化或其组合来提供。
第十九实施方案，其为根据第十五至第十八实施方案中任一项所述的方法，其中蒸汽在(a)中仅用作反应物或用于稀释，并且用作反应物或稀释剂的蒸汽使用电加热来产生。
第二十实施方案，其为根据第十五至第十九实施方案中任一项所述的方法，其中机械加热用于加热(a)的重整器、(c)的水煤气变换反应器、(h)的甲醇合成反应器或其组合的进料。
第二十一实施方案，其为根据第十五至第二十实施方案中任一项所述的方法，其中(i)中的循环气流与(k)中的吹扫气体流的重量比为至少19:1。
第二十二实施方案，其为根据第十五至第二十一实施方案中任一项所述的方法，其中氢气作为副产物一同生产，并且还包括燃烧至少一部分一同生产的氢气以提供热量、用作蒸汽重整中的反应物的高温蒸汽或两者，而不产生CO2。
虽然已经示出和描述本发明的优选实施方案，但是本领域技术人员可以在不脱离本公开的教导的情况下对其进行修改。本文所描述的实施方案仅是示例性的，并非旨在进行限制。本文公开的本发明的许多变化和修改是可能的并且在本发明的范围内。
一旦完全理解上述公开内容，许多其他修改、等同物和替代物对于本领域技术人员将变得明显。旨在将以下权利要求解释为在适用的情况下包括所有此类修改、等同物和替代物。因此，保护范围不受上述描述的限制，而仅受以下权利要求的限制，此范围包括权利要求的主题的所有等同物。每项和各项权利要求都作为本发明的一个实施方案并入说明书中。因此，权利要求是对本发明的详细描述的进一步描述和补充。本文引用的所有专利、专利申请和出版物的公开内容通过引用并入本文。

Claims (22)

1.一种甲醇合成设备，其包括：
进料预处理部分，其能够操作以预处理包含LPG、石脑油、沼气、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、石脑油沸程组分、煤、石油焦或其组合的进料流；
合成气体合成部分，其包含一个或多于一个选自预重整器、蒸汽重整器、干式重整器、部分氧化反应器、自热重整器、气化器或其组合的反应器，能够操作以从进料流产生包含合成气的合成气合成产物流；
甲醇合成部分，其包含一个或多于一个能够操作以生产包含甲醇的合成产物的甲醇合成反应器；和甲醇纯化部分，其能够操作以从合成产物中除去至少一种组分以提供经纯化的甲醇产物；其中甲醇合成设备消耗大于或等于20MW的电力，其中每吨甲醇产生的CO2量小于0.3吨CO2/吨甲醇，其中净能耗率小于34GJ/吨甲醇，且
其中甲醇合成设备配置为使得甲醇合成设备、进料预处理部分、合成气合成部分、甲醇合成部分、甲醇纯化部分或其组合所需的大于50％的净能量由电力提供。
2.根据权利要求1所述的甲醇合成设备，其中进料预处理部分、合成气合成部分、甲醇合成部分、甲醇纯化部分或其组合是电气化的。
3.根据权利要求2所述的甲醇合成设备，其中甲醇合成部分是电气化的。
4.根据权利要求1所述的甲醇合成设备，其中所述甲醇合成设备不包括烟道气热回收部分。
5.根据权利要求1所述的甲醇合成设备，其中通过来自电力的加热和相关的对流、传导、辐射或感应传热方式，将一个或多于一个反应器加热至预定的合成气生成温度。
6.根据权利要求1所述的甲醇合成设备，其中合成气合成部分配置为使得能够在所述一个或多于一个反应器中的至少一个内达到预定的合成气生成温度而无需外部燃烧专用燃料、不可再生碳基燃料或化石燃料。
7.根据权利要求1所述的甲醇合成设备，其还包含在一个或多于一个重整器中每一个的下游的冷却装置；一个或多于一个重整器的最后一个的下游的冷却装置；水煤气变换反应器的下游的冷却装置；位于合成气合成部分的下游并且配置为从重整器产物流中冷凝水的冷却装置；在一个或多于一个甲醇合成反应器中一个或多于一个的下游的冷却装置；甲醇纯化部分内的冷却装置；或其组合，其中用于冷却装置的净能量的至少50％是电力提供的。
8.根据权利要求1所述的甲醇合成设备，其中经压缩的进料、经压缩的氢气、低温液体、热量、电能或其组合被储存，使得当可再生电力不可用时，能够利用储存的经压缩的进料、经压缩的氢气、低温液体、热量和/或电能。
9.根据权利要求1所述的甲醇合成设备，其还包含分馏装置和甲烷化反应器，所述分馏装置配置为分馏吹扫气体以产生甲烷流，所述甲烷化反应器配置为在分馏之前或之后将吹扫气体中的一氧化碳和二氧化碳转化为甲烷。
10.根据权利要求9所述的甲醇合成设备，其配置用于燃烧小于或等于50重量百分比的吹扫气体。
11.根据权利要求1所述的甲醇合成设备，其中甲醇纯化部分是电气化的。
12.根据权利要求1所述的甲醇合成设备，其中所述甲醇合成设备配置为每生产一吨甲醇，通过燃料燃烧产生的燃烧烟道气少于或等于两吨。
13.根据权利要求1所述的甲醇合成设备，其中合成气合成部分是电气化的。
14.根据权利要求1所述的甲醇合成设备，其配置用于通过在合成气合成部分中燃烧产生二氧化碳(CO2)以向合成气合成部分增加热量并且减少一个或多于一个甲醇合成反应器中的热量生成。
15.一种在甲醇合成设备中生产甲醇的方法，所述方法包括：
(a)将包含甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、LPG、石脑油、沼气或其组合的进料进行重整以产生包含一氧化碳和氢气的重整产物，其中重整温度由净热量输入Q1来保持；
(b)通过实现净热量除去Q2以冷却重整产物来生产经冷却的重整产物；
(c)在水煤气变换反应器中变换经冷却的重整产物以生产经变换的重整产物；
(d)通过实现净热量除去Q3来冷却经变换的产物；
(e)通过实现净热量除去Q4从重整产物中冷却和冷凝水以提供经纯化的重整产物；
(f)压缩经纯化的重整产物以生产经压缩和纯化的重整产物；
(g)通过净热量输入Q5加热经压缩和纯化的重整产物以提供甲醇合成进料；
(h)由甲醇合成进料生产包含甲醇的产物；
(i)通过净热量除去Q6冷却包含甲醇的产物以除去粗甲醇流并且提供包含一氧化碳和氢气的循环气流；
(j)通过循环压缩机压缩循环气流；
(k)通过吹扫气体系统吹扫，其中吹扫能够通过净热量输入或除去Q7实现；和
(l)通过从粗甲醇流中除去轻馏分、重质副产物、水或其组合来纯化粗甲醇产物中的甲醇，其中除去轻馏分、重质副产物、水或其组合需要净热量输入或除去Q8；
其中所述方法每天消耗大于或等于20MW的电力，
其中每吨甲醇产生的CO2量小于0.3吨CO2/吨甲醇，且其中净能耗率小于34GJ/吨甲醇。
16.根据权利要求15所述的方法，其中碳效率大于或等于82％。
17.根据权利要求15所述的方法，其中通过热除去Q2、Q3和Q4冷却重整产物所获得的热量用于通过提供第一部分的热输入Q1来预热进料。
18.根据权利要求15所述的方法，其中热输入Q1所需热量的第二部分由电加热、过热蒸汽、通过添加少量氧气或空气获得的内部氧化或其组合来提供。
19.根据权利要求15所述的方法，其中蒸汽在(a)中仅用作反应物或稀释剂，并且用作反应物或稀释剂的蒸汽使用电加热产生。
20.根据权利要求15所述的方法，其中机械加热用于加热(a)的重整器、(c)的水煤气变换反应器、(h)的甲醇合成反应器或其组合的进料。
21.根据权利要求15所述的方法，其中(i)中的循环气流与(k)中的吹扫气体流的重量比为至少19:1。
22.根据权利要求15所述的方法，其中氢气作为副产物一同生产，并且还包括燃烧至少一部分一同生产的氢气以提供热量、用作蒸汽重整中的反应物的高温蒸汽或两者，而不产生CO2。
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