CN114604827B - 基于沼气干湿重整耦合甲醇裂解制备合成气系统与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于沼气干湿重整耦合甲醇裂解制备合成气系统与方法，其中，系统包括分流器、二氧化碳分离器、第一混合器、第二混合器、第三混合器、第四混合器、干重整反应器、湿重整反应器、甲醇裂解反应器、汽化器和太阳能集热器，本发明通过先将沼气分成干湿重整两部分，再将湿重整部分的二氧化碳分离到干重整部分，随后在太阳能集热器的驱动下，分别单独发生甲烷干重整和甲烷湿重整反应生成合成气，先利用甲烷干重整生成的合成气所携带的余热为甲醇汽化提供热源，再利用甲烷湿重整生成的合成气驱动甲醇裂解反应生成合成气。本发明实现了沼气双级转化耦合甲醇裂解制备合成气，与常规的制备合成气的方法相比，具有更高的二氧化碳转化率。
Description
技术领域
本发明属于沼气、甲醇制备合成气领域，具体地涉及一种基于沼气干湿重整耦合甲醇裂解制备合成气系统与方法。
背景技术
目前我国制备合成气的主要方式为甲烷干湿重整和甲醇裂解、重整。传统的甲醇裂解、重整制备合成气需要额外化石燃料为反应提供热源，导致额外的化石燃料消耗，所以传统的甲醇裂解、重整制备合成气系统的效率不高。我国天然气总储备量较少，因此，若长期采用传统的甲烷干湿重整制备合成气并无法优化我国能源结构。由于沼气组分与甲烷干重整的反应物相似，因此，可以将脱硫后的沼气用于制备合成气。
传统沼气制备合成气的方式主要为将去离子水与沼气一起通入至反应器中，在反应器中同时发生甲烷的干湿重整反应，会导致甲烷干重整和甲烷湿重整反应相互影响。由于甲烷干重整反应温度较高，因此，甲烷湿重整反应占据主要地位，从而导致沼气中的二氧化碳转化率低，不利于将沼气进一步高效利用。同时，干湿重整反应同时进行会消耗大量的去离子水，会导致生产过程初始投资高，运行成本高，在一定程度上限制了系统的使用。除此之外，生成的合成气往往携带着余热，传统的方式无法充分的利用该部分的热量，导致物理能的浪费。
因此探寻一种二氧化碳转化率高、结构简单、经济性高、余热利用充分的沼气耦合甲醇制备合成气的手段成为了亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于沼气干湿重整耦合甲醇裂解制备合成气系统与方法用以解决上述存在的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于沼气干湿重整耦合甲醇裂解制备合成气系统，包括分流器、二氧化碳分离器、第一混合器、第二混合器、合成气混合器、干重整反应器、湿重整反应器、甲醇裂解反应器、汽化器和太阳能集热器，分流器的入口接沼气输入，分流器的第一出口接二氧化碳分离器的入口，分流器的第二出口接第一混合器的第一入口，二氧化碳分离器的二氧化碳出口接第一混合器的第二入口，第一混合器的出口接干重整反应器的入口，干重整反应器的出口通过汽化器的热侧管路后接合成气混合器的第一入口，第二混合器的第一入口接水蒸气输入，第二混合器的第二入口接二氧化碳分离器的甲烷出口，第二混合器的出口接湿重整反应器的入口，湿重整反应器的出口通过第一合成气管道接合成气混合器的第二入口，第一合成气管道经过甲醇裂解反应器，为甲醇裂解反应器提供反应热，汽化器的冷侧入口接甲醇输入，汽化器的冷侧出口接甲醇裂解反应器的甲醇入口，甲醇裂解反应器的合成气出口接合成气混合器的第三入口，合成气混合器的出口用于输出最终合成气，太阳能集热器用于为干重整反应器和湿重整反应器提供反应热。
进一步的，所述合成气混合器包括第三混合器和第四混合器，第三混合器的第一入口为合成气混合器的第一入口，第三混合器的第二入口为合成气混合器的第二入口，第四混合器的第一入口为合成气混合器的第三入口，第三混合器的出口接第四混合器的第二入口，第四混合器的出口为合成气混合器的出口。
进一步的，还包括第一预热器，第一混合器的出口通过第一预热器的冷侧管路后接干重整反应器的入口，干重整反应器的出口依次通过第一预热器的热侧管路、汽化器的热侧管路后接合成气混合器的第一入口。
进一步的，还包括第二预热器，第二混合器的出口通过第二预热器的冷侧管路后接湿重整反应器的入口，第二预热器的热侧管路串接在湿重整反应器与甲醇裂解反应器之间的第一合成气管道上。
进一步的，还包括蒸发器，蒸发器的入口与给水管路连接，蒸发器的出口与第二混合器的第一入口连接。
进一步的，所述太阳能集热器为碟式太阳能集热器。
更进一步的，所述太阳能集热器包括第一太阳能集热器和第二太阳能集热器，第一太阳能集热器和第二太阳能集热器分别用于为干重整反应器和湿重整反应器提供反应热。
进一步的，所述干重整反应器的类型为管式反应器、塔式反应器、釜式反应器、有固体颗粒床层的反应器、喷射反应器、固定床反应器、流化床反应器或腔体式反应器。
进一步的，所述湿重整反应器的类型为管式反应器、塔式反应器、釜式反应器、有固体颗粒床层的反应器、喷射反应器、固定床反应器、流化床反应器或腔体式反应器。
进一步的，所述二氧化碳分离器为利用化学溶剂吸附方法将二氧化碳与甲烷进行分离的设备。
本发明还提供了一种基于沼气干湿重整耦合甲醇裂解制备合成气方法，包括如下步骤：
S1，将沼气分成两部分，对第一部分沼气进行二氧化碳分离，分离出的二氧化碳与第二部分沼气混合后进入干重整反应器中，在太阳能集热器提供的反应热作用下发生甲烷干重整反应，生成第一预合成气；
S2，分离出二氧化碳后的第一部分沼气与水蒸气混合后进入湿重整反应器，在太阳能集热器提供的反应热作用下发生甲烷湿重整反应，生成第二预合成气；
S3，甲醇吸收第一预合成气的热量从而汽化，随后通入甲醇裂解反应器中，在第二预合成气提供的反应热作用下发生甲醇裂解反应生成第三预合成气，第一预合成气、第二预合成气和第三预合成气混合形成最终合成气。
本发明的有益技术效果：
1.本发明采用沼气双级转化，将干重整反应和湿重整反应单独进行，使湿重整和干重整反应互不干扰进行，从而最大程度的提高了二氧化碳的转化率。
2.本发明输入的燃料为可再生能源沼气和清洁能源甲醇，在发生甲烷干湿重整和甲醇裂解时，不会额外生成二氧化碳，从而实现了二氧化碳净零排放。
3.本发明先回收干重整制备的合成气的余热用于预热甲醇，后回收湿重整制备的合成气的余热用于驱动甲醇裂解反应，实现了余热的高效利用。
4.本发明具有结构简单、生产成本低、使用寿命长、对环境友好等优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，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为本发明具体实施例的基于沼气干湿重整耦合甲醇裂解制备合成气系统的结构示意图；
图2为本发明具体实施例的基于沼气干湿重整耦合甲醇裂解制备合成气方法流程图。
具体实施方式
为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
如图1所示，一种基于沼气干湿重整耦合甲醇裂解制备合成气系统，包括分流器1、二氧化碳分离器2、第一混合器3、第二混合器4、第三混合器5、第四混合器6、干重整反应器7、湿重整反应器8、甲醇裂解反应器9、汽化器10和太阳能集热器11，分流器1是气体分流装置，用于将一股气体物流按照一定比例分离成两股气体物流，分流器1的入口接沼气输入，本具体实施例中，分流器1的入口接沼气输入管道12，分流器1的第一出口接二氧化碳分离器2的入口，分流器1的第二出口接第一混合器3的第一入口。
二氧化碳分离器2的二氧化碳出口接第一混合器3的第二入口，二氧化碳分离器2的甲烷出口接第二混合器4的第二入口，本具体实施例中，二氧化碳分离器2为利用化学溶剂吸附方法将沼气的二氧化碳与甲烷进行分离的设备，结构简单，易于实现，但并不限于此，在一些实施例中，二氧化碳分离器2也可以是采用固体吸附、膜吸附、低温吸附等其他方法将二氧化碳和甲烷进行分离的设备。
第一混合器3、第二混合器4、第三混合器5和第四混合器6是气体混合装置，用于将两股气体物流按照一定比例混合成一股气体物流。第一混合器3的出口接干重整反应器7的入口，干重整反应器7内部用于发生甲烷与二氧化碳的重整反应以及其它可能发生的所有反应。干重整反应器7的类型可以是管式反应器、塔式反应器、釜式反应器、有固体颗粒床层的反应器、喷射反应器、固定床反应器、流化床反应器或腔体式反应器。
干重整反应器7的出口通过汽化器10的热侧管路后接第三混合器5的第一入口，汽化器10为换热设备，一股热流体与一股冷流体在该设备内部交换热量。
第二混合器4的第一入口接水蒸气输入，本具体实施例中，还包括蒸发器13，蒸发器13为利用外界热量将水变为水蒸气的装置，用于提供水蒸气，外界热量可以由太阳能、地热能等能量提供，蒸发器13的入口与给水管路14连接，蒸发器13的出口与第二混合器4的第一入口连接。
第二混合器4的出口接湿重整反应器8的入口，湿重整反应器8内部用于发生甲烷与水蒸气的重整反应以及其它可能发生的所有反应，湿重整反应器8的类型可以是管式反应器、塔式反应器、釜式反应器、有固体颗粒床层的反应器、喷射反应器、固定床反应器、流化床反应器或腔体式反应器。
湿重整反应器8的出口通过第一合成气管道15接第三混合器5的第二入口，第一合成气管道15经过甲醇裂解反应器9，为甲醇裂解反应器9提供反应热，第一合成气管道15可以是曲折或盘旋经过甲醇裂解反应器9以进一步提升热交换效果。
汽化器10的冷侧入口接甲醇输入，具体为接甲醇输入管道16，汽化器10的冷侧出口接甲醇裂解反应器9的甲醇入口，甲醇裂解反应器9的合成气出口接第四混合器6的第一入口，第四混合器6的第二入口接第三混合器5的出口，第四混合器6的出口用于输出最终合成气，具体为接合成气输出管道17。
太阳能集热器11用于为干重整反应器7和湿重整反应器8提供反应热。本具体实施例中，太阳能集热器11为碟式太阳能集热器，太阳能的吸收效果更好，但并不以此为限，在一些实施例中，太阳能集热器11也可以采用现有的其它太阳能集热装置来实现。
本具体实施例中，太阳能集热器11包括第一太阳能集热器111和第二太阳能集热器112，第一太阳能集热器111和第二太阳能集热器112分别用于为干重整反应器7和湿重整反应器8提供反应热，进一步提升太阳能的吸收效果，且易于实现。
本具体实施例中，还包括第一预热器18，第一预热器18为换热设备，一股热流体与一股冷流体在该设备内部交换热量，第一混合器3的出口通过第一预热器18的冷侧管路后接干重整反应器7的入口，干重整反应器7的出口依次通过第一预热器18的热侧管路、汽化器10的热侧管路后接第三混合器5的第一入口，通过设置第一预热器18，进一步提升余热的利用率。
本具体实施例中，还包括第二预热器19，第二预热器19为换热设备，一股热流体与一股冷流体在该设备内部交换热量，第二混合器4的出口通过第二预热器19的冷侧管路后接湿重整反应器8的入口，第二预热器19的热侧管路串接在湿重整反应器8与甲醇裂解反应器9之间的第一合成气管道15上，通过设置第二预热器19，进一步提升余热的利用率。
当然，在一些实施例中，第三混合器5和第四混合器6也可以采用其它合成气混合器来实现，只要能实现将三股气体物流按照一定比例混合成一股气体物流的混合装置即可。
工作过程：沼气从沼气输入管道12输入，经分流器1分流成两部分沼气，分别为第一部分沼气和第二部分沼气，第一部分沼气输入至二氧化碳分离器2进行二氧化碳分离，二氧化碳分离器2分离出的二氧化碳在第一混合器3中与第二部分沼气混合后，通过第一预热器18吸收干重整反应器7输出的高温第一预合成气的余热后进入干重整反应器7中，在第一太阳能集热器111提供的反应热作用下发生甲烷干重整反应，生成第一预合成气，第一预合成气依次经过第一预热器18的热侧管路、汽化器10的热侧管路后接第三混合器5的第一入口；分离出二氧化碳后的第一部分沼气(基本不含二氧化碳)由二氧化碳分离器2的甲烷出口输出至第二混合器4与蒸发器13产生的水蒸气混合后，通过第二预热器19吸收湿重整反应器8输出的高温第二预合成气的余热后进入湿重整反应器8，在第二太阳能集热器112提供的反应热作用下发生甲烷湿重整反应，生成第二预合成气，第二预合成气经过第二预热器19的热侧管路后再为甲醇裂解反应器9提供反应热后输出给第三混合器5的第二入口；甲醇输入管道16输入的甲醇在汽化器10中吸收第一预合成气的热量从而汽化，随后通入甲醇裂解反应器9中，在第二预合成气提供的反应热作用下发生甲醇裂解反应生成第三预合成气，第一预合成气和第二预合成气在第三混合器5混合后输出至第四混合器6与第三预合成气混合形成最终合成气，由合成气输出管道17输出。
如图2所示，本发明还提供了一种基于沼气干湿重整耦合甲醇裂解制备合成气方法，包括如下步骤：
S1，将沼气分成两部分，对第一部分沼气进行二氧化碳分离，分离出的二氧化碳与第二部分沼气混合后进入干重整反应器中，在太阳能集热器提供的反应热作用下发生甲烷干重整反应，生成第一预合成气；
S2，分离出二氧化碳后的第一部分沼气与水蒸气混合后进入湿重整反应器，在太阳能集热器提供的反应热作用下发生甲烷湿重整反应，生成第二预合成气；
S3，甲醇吸收第一预合成气的热量从而汽化，随后通入甲醇裂解反应器中，在第二预合成气提供的反应热作用下发生甲醇裂解反应生成第三预合成气，第一预合成气、第二预合成气和第三预合成气混合形成最终合成气。
更具体的步骤可以详见上述的工作过程，此不再细说。
本发明将沼气干湿重整单独进行，使甲烷干重整和湿重整互不干扰，从而提高沼气的二氧化碳转化率。同时，利用制备的合成气中所携带的余热先后用于预热甲醇和用于驱动甲醇裂解反应制备合成气，能充分的运用合成气中的余热，实现了物理能的综合梯级利用。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于沼气干湿重整耦合甲醇裂解制备合成气系统，其特征在于：包括分流器、二氧化碳分离器、第一混合器、第二混合器、合成气混合器、干重整反应器、湿重整反应器、甲醇裂解反应器、汽化器和太阳能集热器，分流器的入口接沼气输入，分流器的第一出口接二氧化碳分离器的入口，分流器的第二出口接第一混合器的第一入口，二氧化碳分离器的二氧化碳出口接第一混合器的第二入口，第一混合器的出口接干重整反应器的入口，干重整反应器的出口通过汽化器的热侧管路后接合成气混合器的第一入口，第二混合器的第一入口接水蒸气输入，第二混合器的第二入口接二氧化碳分离器的甲烷出口，第二混合器的出口接湿重整反应器的入口，湿重整反应器的出口通过第一合成气管道接合成气混合器的第二入口，第一合成气管道经过甲醇裂解反应器，为甲醇裂解反应器提供反应热，汽化器的冷侧入口接甲醇输入，汽化器的冷侧出口接甲醇裂解反应器的甲醇入口，甲醇裂解反应器的合成气出口接合成气混合器的第三入口，合成气混合器的出口用于输出最终合成气，太阳能集热器用于为干重整反应器和湿重整反应器提供反应热。
2.根据权利要求1所述的基于沼气干湿重整耦合甲醇裂解制备合成气系统，其特征在于：所述合成气混合器包括第三混合器和第四混合器，第三混合器的第一入口为合成气混合器的第一入口，第三混合器的第二入口为合成气混合器的第二入口，第四混合器的第一入口为合成气混合器的第三入口，第三混合器的出口接第四混合器的第二入口，第四混合器的出口为合成气混合器的出口。
3.根据权利要求1所述的基于沼气干湿重整耦合甲醇裂解制备合成气系统，其特征在于：还包括第一预热器，第一混合器的出口通过第一预热器的冷侧管路后接干重整反应器的入口，干重整反应器的出口依次通过第一预热器的热侧管路、汽化器的热侧管路后接合成气混合器的第一入口。
4.根据权利要求1所述的基于沼气干湿重整耦合甲醇裂解制备合成气系统，其特征在于：还包括第二预热器，第二混合器的出口通过第二预热器的冷侧管路后接湿重整反应器的入口，第二预热器的热侧管路串接在湿重整反应器与甲醇裂解反应器之间的第一合成气管道上。
5.根据权利要求1所述的基于沼气干湿重整耦合甲醇裂解制备合成气系统，其特征在于：还包括蒸发器，蒸发器的入口与给水管路连接，蒸发器的出口与第二混合器的第一入口连接。
6.根据权利要求1所述的基于沼气干湿重整耦合甲醇裂解制备合成气系统，其特征在于：所述太阳能集热器为碟式太阳能集热器，太阳能集热器包括第一太阳能集热器和第二太阳能集热器，第一太阳能集热器和第二太阳能集热器分别用于为干重整反应器和湿重整反应器提供反应热。
7.根据权利要求1所述的基于沼气干湿重整耦合甲醇裂解制备合成气系统，其特征在于：所述干重整反应器的类型为管式反应器、塔式反应器、釜式反应器、有固体颗粒床层的反应器、喷射反应器、固定床反应器、流化床反应器或腔体式反应器。
8.根据权利要求1所述的基于沼气干湿重整耦合甲醇裂解制备合成气系统，其特征在于：所述湿重整反应器的类型为管式反应器、塔式反应器、釜式反应器、有固体颗粒床层的反应器、喷射反应器、固定床反应器、流化床反应器或腔体式反应器。
9.根据权利要求1所述的基于沼气干湿重整耦合甲醇裂解制备合成气系统，其特征在于：所述二氧化碳分离器为利用化学溶剂吸附方法将二氧化碳与甲烷进行分离的设备。
10.一种基于沼气干湿重整耦合甲醇裂解制备合成气方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，将沼气分成两部分，对第一部分沼气进行二氧化碳分离，分离出的二氧化碳与第二部分沼气混合后进入干重整反应器中，在太阳能集热器提供的反应热作用下发生甲烷干重整反应，生成第一预合成气；
S2，分离出二氧化碳后的第一部分沼气与水蒸气混合后进入湿重整反应器，在太阳能集热器提供的反应热作用下发生甲烷湿重整反应，生成第二预合成气；
S3，甲醇吸收第一预合成气的热量从而汽化，随后通入甲醇裂解反应器中，在第二预合成气提供的反应热作用下发生甲醇裂解反应生成第三预合成气，第一预合成气、第二预合成气和第三预合成气混合形成最终合成气。
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