CN116554937A - 通过电解水制氢合成天然气的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了通过电解水制氢合成天然气的系统及方法，包括提供二氧化碳的碳源装置和将二氧化碳和氢气催化合成甲烷的甲烷化机构，还包括提供氢气的电解水制氢装置、换热器和气液分离器，所述换热器分别和电解水制氢装置与甲烷化机构相连，所述甲烷化机构催化反应产生的高温甲烷气体和高温水蒸气进入换热器后再进入气液分离器实现气液分离，所述气液分离器的液体出口与电解水制氢装置相连，所述电解水制氢装置的水源经换热器处理后成为过热水蒸气进入电解水制氢装置。该通过电解水制氢合成天然气的系统及方法将甲烷化反应过程中的热量和水直接利用，而不是现有技术中将热量进行移转，装置流程合理，具备大规模应用的可能。
Description
技术领域
本发明属于合成天然气技术领域，具体涉及一种通过电解水制氢合成天然气的系统及方法。
背景技术
合成天然气是一种根据甲烷化反应原理利用相应的设备将含碳资源转化为甲烷的技术。利用二氧化碳和生物质资源生产天然气，不仅可拓宽二氧化碳和生物质的利用方式，同时也将大大减少温室气体的排放。
现有技术如公开号为CN102876411B的中国发明专利，公开了一种生产合成天然气的方法及装置，该发明以煤或生物质气化产物为原料生产含甲烷摩尔百分比为94％以上的富甲烷气体的连续工艺流程。工艺流程如下：原料气经预热后分成四股，其中第一股原料气与蒸汽、第一股循环气混合后进入第一段甲烷化反应器发生反应；第二股原料气与第一段产品气、蒸汽、第二股循环气混合后进入第二段甲烷化反应器发生反应，第二段产品气分成两股，第一股经循环压缩机增压后进入第一段甲烷化反应器，第二股第二段产品气与第三股原料气、蒸汽混合后进入第三段甲烷化反应器发生反应；第三段产品气与第四股原料气、蒸汽混合后进入第四段甲烷化反应器发生反应，第四段产品气经气液分离后得到产品气。
现有技术存在下列不足：(1)甲烷化反应过程中的热量和水通过生产不同等级的饱和蒸汽和过热蒸汽，热量转移过程中损失较大，且装置成本高；(2)现有技术将原料气分为四股后通过四段甲烷化反应，同时配套独立蒸汽体系，工艺流程复杂且成本较高。
发明内容
本发明的发明目的是提供一种通过电解水制氢合成天然气的系统及方法。
该通过电解水制氢合成天然气的系统及方法将甲烷化反应过程中的热量和水直接利用，而不是现有技术中将热量进行移转，装置流程合理，具备大规模应用的可能。
为实现上述发明目的，本发明的技术方案为：
一种通过电解水制氢合成天然气的系统，包括提供二氧化碳的碳源装置和将二氧化碳和氢气催化合成甲烷的甲烷化机构，还包括提供氢气的电解水制氢装置、换热器和气液分离器，所述换热器分别和电解水制氢装置与甲烷化机构相连，所述甲烷化机构催化反应产生的高温甲烷气体和高温水蒸气进入换热器后再进入气液分离器实现气液分离，所述气液分离器的液体出口与电解水制氢装置相连，所述电解水制氢装置的水源经换热器处理后成为过热水蒸气进入电解水制氢装置。
本申请将二氧化碳和氢气催化合成甲烷的过程中产生的热量直接用来加热水蒸气，热量损失少还降低了电解水制氢的制备成本，该系统内的热量和水均得到回收，减少运行成本的同时还降低污染，环境友好。
在上述的通过电解水制氢合成天然气的系统中，所述电解水制氢装置包括水箱和制氢机，所述水箱的出水口经管道通过换热器与制氢机连接，所述气液分离器的液体出口经管道与水箱相连。
换热器直接利用甲烷化机构产生的热量加热制氢机需要的水蒸气，而气液分离器将甲烷化机构产生的甲烷气体和水蒸气分离，纯化甲烷化机构产品的同时还将水进行了回收，实现水循环，减少系统中水的补给量。
在上述的通过电解水制氢合成天然气的系统中，所述电解水制氢装置还包括氢气纯化器和提纯氢气设备，制氢机制得的氢气经氢气纯化器预纯化处理后再由提纯氢气设备提纯，提纯后氢气纯度为99.9999％。
为了提高甲烷化机构的生产效率，制氢机产生的氢气必须经过多次提纯，同时也能避免可能产生的安全隐患。
在上述的通过电解水制氢合成天然气的系统中，所述电解水制氢装置还包括过热水蒸气发生设备，所述换热器水蒸气出口与过热水蒸气发生设备入口相连。
尽管甲烷化机构向换热器提供了大量能量，但是由于制氢机对于水蒸气品质的要求较高，必须达到过热状态，因此为了保证制氢机顺利进行氢气的合成，经过换热器产生的水蒸气需经过过热水蒸气发生设备进行过热处理。
在上述的通过电解水制氢合成天然气的系统中，所述碳源装置包括碳源储存罐、二氧化碳分离器和脱硫提纯设备。同理，为了保证制氢机高效安全的进行氢气的合成，二氧化碳也需进行多次提纯。
在上述的通过电解水制氢合成天然气的系统中，所述碳源储存罐为沼气或高炉煤气储存罐。
在上述的通过电解水制氢合成天然气的系统中，还包括混合二氧化碳和氢气的气体混合器，所述气体混合器将输入的二氧化碳和氢气混合的同时，将混合气体升温至250-450℃。甲烷化反应催化剂起活温度大约220-275℃，实际反应中为避免催化剂失活反应温度多控制在700℃以下，所以混合气体需预热至250-450℃。
在上述的通过电解水制氢合成天然气的系统中，所述气体混合器内二氧化碳和氢气的气体体积比始终保持1：3-5。
即保证最终进入甲烷化机构中氢气稍过量，既保证反应的充分进行，也减轻二氧化碳浓度过高造成的甲烷化反应中的飞温现象。
在上述的通过电解水制氢合成天然气的系统中，所述甲烷化机构包括不少于三个串联的催化反应套组。
不少于三个串联的催化反应套组的可以提高转化效率，催化反应套组包括固定床甲烷化反应器和分离器，分离器将产生的水和高温甲烷气体分开，进一步提高系统的出品率。
一种通过电解水制氢合成天然气的方法，利用如上述通过电解水制氢合成天然气的系统合成天然气。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
(1)本申请将二氧化碳和氢气催化合成甲烷的过程中产生的热量直接用来加热水蒸气，热量损失少还降低了电解水制氢的制备成本，该系统内的热量和水均得到回收，减少运行成本的同时还降低污染，环境友好。
(2)换热器直接利用甲烷化机构产生的热量加热制氢机需要的水蒸气，而气液分离器将甲烷化机构产生的甲烷气体和水蒸气分离，纯化甲烷化机构产品的同时还将水进行了回收，实现水循环，减少系统中水的补给量。
附图说明
图1是本发明通过电解水制氢合成天然气的系统装置流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细说明。
实施例1
本实施例提供了一种通过电解水制氢合成天然气的系统，包括提供二氧化碳的碳源装置1，提供氢气的电解水制氢装置3，将二氧化碳和氢气催化合成甲烷的甲烷化机构2，换热器4和气液分离器5，换热器4分别和电解水制氢装置3与甲烷化机构2相连。
具体的，电解水制氢装置3包括水箱31、过热水蒸气发生设备35、制氢机32、氢气纯化器33和提纯氢气设备34。水箱31的入水口与气液分离器5的液体出口联通，水箱31的出水口经管道通过换热器4与制氢机32连接；换热器4水蒸气出口与过热水蒸气发生设备35入口相连，制氢机32制得的氢气经氢气纯化器33预纯化处理后再由提纯氢气设备34提纯，提纯后氢气纯度为99.9999％。
碳源装置1包括碳源储存罐11、二氧化碳分离器12和脱硫提纯设备13，本实施例的碳源储存罐11为高炉煤气储存罐。
甲烷化机构2的催化反应套组包括固定床甲烷化反应器21和分离器22。
本实施例还利用该系统通过电解水制氢合成天然气，制备步骤如下：
A、氢气与二氧化碳的预处理：水经过水箱31预处理后，经换热器4处理成为过热水蒸气，再经过过热水蒸气发生设备35进一步处理，处理后的气体进入制氢机32进行电解水制氢反应，反应产生的氢气进入氢气收集装置，反应产生的氧气进入氧气收集装置，反应产生的废气进入废气收集装置，氢气收集装置内的氢气再通过氢气纯化器33和提纯氢气设备34纯化后，进入气体混合器6；碳源装置1的二氧化碳依次经过二氧化碳分离器12和脱硫提纯设备13纯化后，进入气体混合器6。
B、甲烷化反应：气体混合器6将输入的二氧化碳和氢气混合，气体混合器6内二氧化碳和氢气的气体体积比始终保持1∶3-5，气体混合器6将混合气体升温至250-450℃。预处理完成的混合气体进入固定床甲烷化反应器21中发生反应，反应后的产品气进入分离器22将甲烷和水分离，并得到高温甲烷气体和高温水蒸气。
C、回收热量和水：高温甲烷气体和高温水蒸气分别进入换热器4，通过换热器4将产生的热量回收后，再进入气液分离器5进行纯化处理，并将水回收，最终得到温度为产品气，即所述的合成天然气。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (10)
1.一种通过电解水制氢合成天然气的系统，包括提供二氧化碳的碳源装置(1)和将二氧化碳和氢气催化合成甲烷的甲烷化机构(2)，其特征在于，还包括提供氢气的电解水制氢装置(3)、换热器(4)和气液分离器(5)，所述换热器(4)分别和电解水制氢装置(3)与甲烷化机构(2)相连，所述甲烷化机构(2)催化反应产生的高温甲烷气体和高温水蒸气进入换热器(4)后再进入气液分离器(5)实现气液分离，所述气液分离器(5)的液体出口与电解水制氢装置(3)相连，所述电解水制氢装置(3)的水源经换热器(4)处理后成为过热水蒸气进入电解水制氢装置(3)。
2.根据权利要求1所述的通过电解水制氢合成天然气的系统，其特征在于，所述电解水制氢装置(3)包括水箱(31)和制氢机(32)，所述水箱(31)的出水口经管道通过换热器(4)与制氢机(32)连接，所述气液分离器(5)的液体出口经管道与水箱(31)相连。
3.根据权利要求2所述的通过电解水制氢合成天然气的系统，其特征在于，所述电解水制氢装置(3)还包括氢气纯化器(33)和提纯氢气设备(34)，制氢机(32)制得的氢气经氢气纯化器(33)预纯化处理后再由提纯氢气设备(34)提纯，提纯后氢气纯度为99.9999％。
4.根据权利要求3所述的通过电解水制氢合成天然气的系统，其特征在于，所述电解水制氢装置(3)还包括过热水蒸气发生设备(35)，所述换热器(4)水蒸气出口与过热水蒸气发生设备(35)入口相连。
5.根据权利要求1所述的通过电解水制氢合成天然气的系统，其特征在于，所述碳源装置(1)包括碳源储存罐(11)、二氧化碳分离器(12)和脱硫提纯设备(13)。
6.根据权利要求5所述的通过电解水制氢合成天然气的系统，其特征在于，所述碳源储存罐(11)为沼气或高炉煤气储存罐。
7.根据权利要求1所述的通过电解水制氢合成天然气的系统，其特征在于，还包括混合二氧化碳和氢气的气体混合器(6)，所述气体混合器(6)将输入的二氧化碳和氢气混合的同时，将混合气体升温至250-450℃。
8.根据权利要求7所述的通过电解水制氢合成天然气的系统，其特征在于，所述气体混合器(6)内二氧化碳和氢气的气体体积比始终保持1：3-5。
9.根据权利要求1所述的通过电解水制氢合成天然气的系统，其特征在于，所述甲烷化机构(2)包括不少于三个串联的催化反应套组。
10.一种通过电解水制氢合成天然气的方法，其特征在于，利用如权利要求1·9所述通过电解水制氢合成天然气的系统合成天然气。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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