CN114867966A - 用于利用来自电力多元转换设施的废气的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种使用废气的电力多元转换设施(1)，包括：用于产生氢气H2和氧气O2的电解器(2)；连接到所述电解器(2)上的用于处理氢气H2的设施(3)，以从所产生的氢气H2流中分离剩余的氧气O2和水H2O；连接到用于处理氢气H2的设施(3)上的压缩机(4)，用于压缩氢气H2；和连接到压缩机(4)上的化学反应器(5)，用于从氢气H2和可输送的二氧化碳CO2产生合成气体(6)。根据本发明，还包括氧燃料燃烧设施(7)，所述氧燃料燃烧设施能够被输送有出自所述化学反应器(5)中的不可冷凝的废气(8)和出自所述电解器(2)的氧气O2，并且通过燃烧所述废体(8)在所述氧燃料燃烧设施(7)中产生的二氧化碳CO2能够经由返回管路(9)返回到所述电解器(2)下游的氢气H2流中。

Description

用于利用来自电力多元转换设施的废气的设备和方法
技术领域
本发明涉及一种用于利用在电力多元转换(power-to-X)设施中产生的废气的设备和方法。例如，电力多元转换设施的一种应用情况是制备诸如甲醇或碳氢化合物的基于碳的物质。电力多元转换在此是指使用或储存例如来自可再生能源(例如太阳能、风能和水力)的电能的不同可能性。
背景技术
这些技术的一部分是电力到液体/电力到气体的转换过程，其能够是运输和能源行业的用于脱碳或去化石化的基本要素，并且也能够用于储能。未来，在运输行业中化石燃料因此能够部分地或完全地由基于电流的合成燃料(e-fuels)来替代。这种基于碳的合成燃料是通过氢气和二氧化碳的合成来生产。
氢气的获得通过借助于可再生电能进行电解来实现。二氧化碳能够来自点源，或者能够通过借助于化学或物理清洗的分离获得，或者借助于吸附方法从空气中获得。这种合成燃料的一个实例是e-甲醇(e-Methanol)，所述e甲醇于是例如能够直接或经由混合用于内燃机。此外，甲醇是许多化学品的起始材料并且也能够用于产生合成汽油(e-Benzin)。传统的甲醇生产过程的出自化石原料中的起始材料是合成气体，即主要是氢气和一氧化碳的混合物。
用于将可再生能源转化为合成燃料的电力多元转换设施基本上包括用于产生氢气H2和氧气O2的电解器、用于处理氢气连同干燥所产生的氢气H2的设施、用于压缩氢气H2的压缩机和用于合成例如甲醇的化学反应器。在管式反应器中进行的合成在此不能在一个步骤中完全地执行。因此，未反应的产物流返回化学反应器中。
在此，所谓的废气流必须连续或不连续地从过程中排出，以便避免不可冷凝的气体的浓缩。
这些废气流的实质成分是氢气H2、二氧化碳CO2、一氧化碳CO、甲烷CH4、甲醇CH3OH。在处理粗甲醇时在进行蒸馏以分离水和甲醇的情况中产生其他废气。
这些废气目前与空气一起燃烧。废气燃烧所需的空气可选地必须由风扇压缩以进行燃烧。在此产生的废气，主要是CO2、水H2O和氮气N2，被释放到大气中。由此，未提出使用二氧化碳CO2作为合成的起始材料，所述合成可能需要从废气中进行耗费的分离，优选通过化学或物理清洗。
发明内容
本发明的目的是提供一种电力多元转换设施，通过所述电力多元转换设施能够经济地使用废气并且能够避免二氧化碳CO2的排放。本发明的另一目的是给出一种用于运行这种电力多元转换设施以利用废气的相应方法。
本发明的针对设备的目的通过根据权利要求1的特征的用于使用废气的电力多元转换设施来实现。所述电力多元转换设施包括：用于产生氢气H2和氧气O2的电解器；连接到电解器上的设施，所述设施用于处理氢气、用于从所产生的氢气H2流中分离剩余的氧气O2和水H2O；至少一个用于压缩氢气H2或由氢气H2和二氧化碳CO2构成的混合物的压缩机；和用于由氢气H2和可输送的二氧化碳CO2产生合成气体的化学反应器。根据本发明，还包括一种氧燃料燃烧设施，其中可输送来自化学反应器的不可冷凝的废气和出自电解器的氧气O2，并且通过燃烧废气在氧燃料设施中产生的二氧化碳CO2经由返回管路可返回在电解器下游的氢气H2流中。
本发明在此基于如下考虑：在化学反应器中进行合成时必然产生的废气在化学反应器下游的氧燃料燃烧设施中进行热处理。氧燃料燃烧设施适用于基于氧气的燃烧。用几乎纯的氧气O2作为氧化剂进行热处理。
本发明在此认识到，在上游的电解中本来就必然产生氧气，而要不然通常本来就无法经济地继续使用。这种氧气部分也可能含有低微量氢在此也并非是不利的，因为氢气H2燃烧为纯水。
特别有利的是，基于氧气的燃烧的废气几乎仅由水蒸气和二氧化碳CO2构成。通过水蒸气的相对简单的冷凝，能够得到非常纯净的二氧化碳CO2并且将其返回给生产过程。
以这种方式，废气能够有利地返回到电力多元转换过程中，而不必经由吹气炬进行燃烧。除了来自电解的氧气O2之外，还能够使用来自独立的氧气源的氧气O2，由此根据本发明的设备也能够集成到现有设施中，其中氧气O2作为过程气体出现。
通过在生产过程中燃烧废气并且返回二氧化碳CO2以及其他成分，能够避免有害于气候的CO2排放。能够省去从废气中例如通过化学或物理清洗耗费地分离二氧化碳CO2。与传统的借助于空气的废气燃烧相比，通过本发明同样能够可选地节省用于鼓风机的能量，因为不必一起压缩氮气N2。
在本发明的一个有利的改进形式中，电力多元转换设施还包括换热器，通过换热器，在燃烧时产生的热量可导出并且整合到电力多元转换设施的其他部分中。热量在此尤其能够整合到粗甲醇处理中或整合到用于启动化学反应器的辅助蒸汽生成中。粗甲醇含有水作为反应产物。在粗甲醇处理中，通过蒸馏分离甲醇/水混合物。通过将氧燃料燃烧设施中产生的热量整合到电力多元转换设施的其他部分中，能够提高所述设施的整体效率。由此也产生提高灵活性的附加的可行性，因为热量也能够用于在短暂的设施停机时部件的保温。
在本发明的另一有利的设计方案中，氧燃料燃烧设施替选地或附加地可被输送有生物质和/或处理过的废物以进行CO2中性燃烧，和/或氧燃料燃烧设备包括加热设备，通过所述加热设备，氧燃料燃烧设施可通过出自可再生源的电流电加热。其他可燃物质也能够在氧燃料燃烧设施中燃烧。以这种方式，电力多元转换设施也能够有利地集成到垃圾燃烧设施、污水处理设施或生物质设施或相应的过程中。附加地或替选地，优选也能够燃烧来自电力多元转换设施的废气或其他残余气体。
优选地，电力多元转换设施包括提取流管路，通过所述提取流管路，再循环的合成气体可从化学反应器输送给氧燃料燃烧设施。通过调节合成气体流，能够有利地辅助在氧燃料燃烧设施中的燃烧。
在本发明的另一有利的设计方案中，在氧燃料燃烧设施的废气管路中设置有λ探针，使得通过测量和调节所引入的氧气O2量来确保废气和混合气体完全燃烧为CO2。测量废气中的氧气含量O2，然后调节所引入的氧气量O2的流。在此，所述调节尤其避免废气中相关的O2过量，这可能导致关于所产生的CO2流的纯度的问题。替选地或附加地，分离的CO2流中剩余的氧气O2能够通过与氢气H2的催化反应去除。
在本发明的一个有利的设计方案中，H2/CO2合成气体的压缩通过活塞式压缩机在大于10bar的运行压力上发生。通过活塞式压缩机的所选择的运行压力，后续的干燥(H2O的冷凝)和O2的分离(脱氧干燥机)能够低成本地实施。由于较高的入口压力和二氧化碳CO2的份额，压缩机替选地能够设计为涡轮压缩机。出自电解的氢气流含有水蒸气和少量氧气。氧气与氢气催化转化成水，所述水然后通过冷凝整体分离。
在本发明的一个特殊的设计方案中，电力多元转换设施还包括用于二氧化碳CO2的返回管路，通过所述返回管路，来自氧燃料燃烧设施的二氧化碳CO2可输送到位于压缩机上游的用于氢气H2的管路中。返回管路连接到电解器和压缩机之间的用于氢气H2的管路中。这种设计方案考虑：二氧化碳CO2附加地还包含其他气体，所述其他气体一起作为燃烧气体在电解之后和压缩之前与氢气H2流混合。这是可行的，因为电解后氢气流中含有水蒸气和残余氧气O2，而燃烧气体仅含有少量氧气O2。
在另一有利的改进形式中，电力多元转换设施还包括用于杂质的分离设备，所述分离设备连接到氧燃料燃烧设施上，并且在所述分离设备中，在氧燃料过程中产生的杂质如硫化合物、碱金属化合物和卤素化合物以及氧气O2是可分离的。这例如当氧燃料燃烧设施附加地被输送有生物质时是有意义的。在此，尤其地，氧气O2是可低温分离的。纯化的二氧化碳CO2可经由返回管路输送给压缩机上游的氢气H2流。这种分离设备是特别有利的，因为在氧燃料过程中产生的二氧化碳CO2被硫化合物、碱金属化合物和卤素化合物污染并且含有较大量氧气O2，所述大量氧气在与氢气H2混合之前必须分离出。
本发明的涉及方法的目的通过根据权利要求9所述的用于利用在电力多元转换设施中的废气的方法来实现。
在根据本发明的方法中，氢气H2和氧气O2由电解器产生，在用于处理氢气的设施中分离氢气H2中剩余的水H2O和氧气O2，氢气H2在至少一个用于压缩氢气H2或氢气H2和二氧化碳CO2的混合物的压缩机中被压缩，并且在化学反应器中产生醇或碳氢化合物。根据本发明，来自化学反应器的不可冷凝的废气与来自电解器的氧气O2一起被输送给氧燃料燃烧设施，并且通过燃烧废气产生的二氧化碳CO2返回到电解器下游的氢气H2流中。上述根据本发明的设备的优点同样适用于根据本发明的方法。
在一个有利的改进形式中，氧燃料燃烧设施还包括换热器，通过所述换热器，在燃烧时产生的热量被导出并且整合到电力多元转换设施的其他部分中。热量在此能够尤其转送到粗甲醇处理中和/或用于启动化学反应器的辅助蒸汽产生中。
在该方法的一个特殊的设计方案中，替选地或附加地，生物质和/或处理过的废物在氧燃料燃烧设施中燃烧以进行CO2中性燃烧。对此附加地或替选地，氧燃料燃烧设施还包括加热设备，通过所述加热设备，氧燃料燃烧设施通过来自可再生的源的电流电加热。附加地或替选地，氧燃料燃烧系统也能够被输送有来自电力多元转换设施的废气或残余气体。
为了辅助在氧燃料燃烧设施中的燃烧过程，在一个有利的改进形式的范畴中，来自化学反应器的合成气体经由提取流管路输送给氧燃料燃烧设施。
在所述方法的一个特殊的改进形式中，氧燃料燃烧设施的氧气浓度通过废气管路中的λ探针测量并且通过调节所引入的氧气O2量，确保混合气体完全燃烧为CO2。
在根据本发明的方法的一个有利的设计方案中，压缩机是在大于10bar的压力下运行的活塞式压缩机，并且用于处理氢气H2的设施是脱氧干燥机(DeOxoDryer)。
有利地，来自氧燃料燃烧设施的二氧化碳CO2通过用于二氧化碳CO2的返回管路输送到压缩机上游的用于氢气H2的管路中。
在本发明的另一特别的改进形式中，在氧燃料燃烧过程中产生的杂质，例如硫化合物、碱金属化合物和卤素化合物，以及氧气O2，在用于杂质的分离设备中被分离，其中氧气O2尤其在低温下分离，并且纯化的二氧化碳CO2经由压缩机上游的返回管路输送到氢气H2流中。
附图说明
下面根据附图详细描述本发明。在此示出：
图1示出根据现有技术的电力多元转换设施。
图2示出根据本发明的第一实施方式的电力多元转换设施。
图3示出根据本发明的另一实施方式的电力多元转换设施。
具体实施方式
图1示出根据现有技术的电力多元转换设施1。该电力多元转换设施基本上由电解器2、用于处理氢气的设施3、压缩机4和用于甲醇合成的化学反应器5构成。
电解器2被输送有可再生的电能18，其例如来自风力设施或光伏设施。此外，电解器2被输送有水19。在电解器中产生氢气H2和氧气O2。氧气O2被释放到大气中，而氢气H2被引导到用于处理的设施3中进行干燥。从用于处理氢气的设施3中提取和导出氢气H2。在设施3中干燥的氢气H2从所述设施3中导出并且与二氧化碳CO2混合，所述二氧化碳从外部输送给电力多元转换设施。
氢气H2/二氧化碳CO2混合物也称为合成气体22。然后将合成气体22输送给压缩机4，在其中对所述合成气体进行压缩。然后将压缩的合成气体22引导到化学反应器5中，在该处所述合成气体是合成甲醇的起始材料。合成气体22反应为甲醇在管式反应器中发生并且在一个步骤中不完全地进行。在化学反应器5下游连接气液分离设施20，其中提取部分反应的产物(甲醇和水)。未完全反应的子流21返回到化学反应器5中从而循环。
通过在化学反应器5中的反应，除了甲醇之外还产生其他不可冷凝的气体，所述气体由于在化学反应器5中的循环而被浓缩。主要成分是氢气H2、二氧化碳CO2、一氧化碳CO、甲烷CH4、甲醇CH3OH。这些气体混合物称为废气8，所述废气连续或不连续地从所述过程中排出，以便避免化学反应器5中的不可冷凝的气体过强地浓缩。
在现有技术中，所述废气8被输送给燃烧设施23并且在输送空气24的情况下燃烧。在此产生废气25，所述废气主要包含二氧化碳CO2、水H2O和氮气N2并且被释放到大气中。
合成地产生的甲醇CH3OH离开电力多元转换设施。
图2示出根据本发明的第一实施方式的电力多元转换设施。与图1相反，在电解器2中产生的氧气O2没有或者没有完全释放到大气中，而是导出用于在其他过程中使用。与现有技术的其他区别在于，设有另一压缩机26，其设置在用于处理氢气的设施3上游。作为与现有技术的主要区别，设有氧燃料燃烧设施7，所述氧燃料燃烧设施被输送有来自电解器2的氧气O2和来自化学反应器5的废气8。
在氧燃料燃烧设施7中，废气8同样被热使用，然而利用几乎纯氧气O2作为氧化剂，其作为副产物从电解器2中提取。基于氧气的燃烧的废气几乎仅由水蒸气和二氧化碳CO2构成。通过水蒸气的相对简单的冷凝，能够获得非常纯净的二氧化碳CO2并且将其返回给生产过程。
根据本发明，由几乎纯的二氧化碳CO2构成的废气经由返回管路9返回给电解器2下游的氢气H2流中。所述返回在此适宜地在压缩机26上游进行。
为了辅助在氧燃料燃烧设施7中的燃烧，还设有提取流管路12，通过所述提取流管路，来自化学反应器5的合成气体可输送给氧燃料燃烧设施7。
在根据图2的电力多元转换设施1中，能够在氧燃料燃烧设施7的返回管路9中设置λ探针14，使得通过测量和调节所引入的氧气量O2确保废气完全燃烧为CO2，但不输入过量氧气。
压缩机4能够设计为活塞式压缩机，其设计用于超过10bar的运行压力。用于处理氢气的设施3可以是氧干燥机(OxyDryer)。
图3示出本发明的一个替选的实施方式。与图2中的实施方式的实质区别在于氧燃料燃烧设施7是氧燃料锅炉，所述氧燃料锅炉替选地或者附加地被输送有生物质和/或处理过的废物27。替选于此或补充于此，能够在氧燃料燃烧设施7中设有加热设备11，所述加热设备可通过来自可再生的源的电流电加热。
此外，设有换热器10，其连接在氧燃料燃烧设施7下游。在燃烧时产生的热量可通过换热器10导出并且可整合到电力多元转换设施1的其他部分中。热量优选能够转送到粗甲醇处理中和/或用于启动化学反应器5的辅助蒸汽产生中。
用于二氧化碳CO2的返回管路15连接到图3的氧燃料燃烧设施7上，二氧化碳CO2能够通过所述返回管路从氧燃料燃烧设施中导出。用于杂质的分离设备16连接到返回管路15中，所述分离设备去除在氧燃料过程中产生的杂质，例如硫化合物、碱金属化合物和卤素化合物以及大量氧气O2。尤其地，氧气O2在此低温分离。通过分离设备16净化的尽可能纯的二氧化碳CO2流经由返回管路17输送给压缩机4上游的氢气H2流。
通过本发明可以实现，对于过程使用在电力多元转换设施中产生的废气，而不必将其释放到大气中。这实现：减少整个设施的CO2排放，同时使用在实际过程中的二氧化碳CO2和来自电解器的氧气O2。与传统的废气燃烧相比，由此还能够节省用于鼓风机的能量。

Claims (16)

1.一种用于使用废气的电力多元转换设施(1)，包括：用于产生氢气H2和氧气O2的电解器(2)；连接到所述电解器(2)上的用于处理氢气的设施(3)，以从所产生的氢气H2流中分离剩余的氧气O2和水H2O；至少一个压缩机(4)，用于压缩氢气H2或由氢气H2和二氧化碳CO2构成的混合物；和用于生产醇或碳氢化合物的化学反应器(5)，
其特征在于，
还包括氧燃料燃烧设施(7)，出自所述化学反应器(5)中的不可冷凝的废气(8)和出自所述电解器(2)的氧气O2能够输送给所述氧燃料燃烧设施(7)，并且通过燃烧所述废体(8)在所述氧燃料燃烧设施(7)中产生的二氧化碳CO2能够经由返回管路(9)返回到所述电解器(2)下游的氢气H2流中。
2.根据权利要求1所述的电力多元转换设施(1)，
其特征在于，
所述氧燃料燃烧设施(7)包括换热器(10)，通过所述换热器(10)，能够导出燃烧时产生的热量并且整合到所述电力多元转换设施(1)的其他部分中，尤其整合到粗甲醇处理中和/或用于启动所述化学反应器(5)的辅助蒸汽产生中。
3.根据权利要求1或2所述的电力多元转换设施(1)，
其特征在于，
替选地或附加地，生物质和/或处理过的废物能够输送给所述氧燃料燃烧设施(7)，和/或所述氧燃料燃烧设施(7)包括加热设备(11)，通过所述加热设备(11)，所述氧燃料燃烧设施能够通过出自可再生的源的电流电加热。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的电力多元转换设施(1)，还包括提取流管路(12)，通过所述提取流管路(12)，出自所述化学反应器(5)的合成气体能够输送给所述氧燃料燃烧设施。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的电力多元转换设施(1)，其特征在于，
在所述氧燃料燃烧设施(7)的返回管路(9)中设有λ探针(14)，使得通过测量和调节所引入的氧气量O2确保所述废气完全燃烧为CO2。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的电力多元转换设施(1)，其特征在于，
用于压缩氢气H2和二氧化碳CO2的压缩机(4)是活塞式压缩机，其设计用于10bar以上的运行压力，并且所述用于处理氢气的设施(3)是脱氧干燥机。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的电力多元转换设施(1)，还包括用于二氧化碳CO2的返回管路(15)，通过所述返回管路(15)，出自所述氧燃料燃烧设施(7)的二氧化碳CO2能够输送到所述压缩机(4)上游的氢气H2流中。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的电力多元转换设施(1)，
还包括用于杂质的分离设备(16)，所述分离设备(16)连接到所述氧燃料燃烧设施(7)上，并且在所述分离设备(16)中能够分离在氧燃料过程中产生的杂质，例如硫化合物、碱金属化合物和卤素化合物以及氧气O2，其中尤其地，氧气O2能够低温分离，并且纯化的二氧化碳CO2能够经由返回管路(17)输送给所述压缩机(4)上游的氢气H2流。
9.一种用于在电力多元转换设施(1)中利用废气(8)的方法，其中
-通过电解器(2)产生氢气H2和氧气O2，
-在用于处理氢气的设施(3)中从氢气H2中分离剩余的水H2O和氧气O2，
-在压缩机(4)中压缩氢气H2，并且
-在化学反应器(5)中由氢气H2与二氧化碳CO2一起产生合成气体，
其中，
包含在所述合成气体中的、出自所述化学反应器(5)的不可冷凝的废气(8)与出自所述电解器(2)的氧气O2一起输送给氧燃料燃烧设施(7)，并且将燃烧废气(8)所产生的二氧化碳CO2输送给所述电解器(2)下游的氢气H2流中。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述氧燃料燃烧设施(7)包括换热器(10)，通过所述换热器(10)，在燃烧时产生的热量被导出并且整合到所述电力多元转换设施(1)的其他部分中，尤其整合到粗甲醇处理中和/或用于启动所述化学反应器(5)的辅助蒸汽生成中。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其中，在所述氧燃料燃烧设施(7)中，替选地或者附加地，生物质和/或处理过的废物被燃烧以进行燃烧，和/或所述氧燃料燃烧设施(7)包括加热设备(11)，通过所述加热设备(11)，所述氧燃料燃烧设施通过出自可再生的源的电流电加热。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，其中
出自所述化学反应器(5)的合成气体经由提取流管路(12)输送给所述氧燃料燃烧设施(7)。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的方法，其中所述氧燃料燃烧设施(7)的氧气浓度由所述返回管路(9)中的λ探针(14)测量，并且通过调节所引入的氧气O2量来确保混合气体完全燃烧为CO2。
14.根据权利要求9至13中任一项所述的方法，其中，所述压缩机(4)是在大于10bar的压力下运行的活塞式压缩机，并且其中所述用于处理所述氢气的设施(3)是脱氧干燥机。
15.根据权利要求9至14中任一项所述的方法，其中将出自所述氧燃料燃烧设施(7)的二氧化碳CO2通过用于二氧化碳CO2的返回管路(15)输送到所述压缩机(4)上游的用于氢气H2的管路中。
16.根据权利要求9至15中任一项所述的方法，其中在用于杂质的分离设备(16)中分离在氧燃料过程中产生的杂质，例如硫化合物、碱金属化合物和卤素化合物以及氧气O2，其中尤其地，氧气O2低温分离，并且经过纯化的二氧化碳CO2经由所述压缩机上游的返回管路(17)输送到氢气H2流中。
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