CN116904238A - 一种光伏与生物质耦合制备生物天然气系统、制备方法及优化耦合方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种光伏与生物质耦合制备生物天然气系统、制备方法及优化耦合方法，属于及二氧化碳甲烷化技术领域，本发明针对波动光伏条件下的生物质制生物天然气过程，通过将沼气直接甲烷化和沼气脱碳进行耦合，根据氢气的产生量调节进入甲烷化的沼气流量，多余的沼气则进入碳分离装置并进行CO2储存，通过沼气甲烷化反应器循环量的控制保证反应器的稳定空速、满足转化率要求。同时，将制氢过程产生的氧气用于发酵沼渣富氧燃烧，克服沼渣低热值、高含水量带来的燃烧性能差的问题，同时综合利用沼气甲烷化释放的热量产蒸汽，满足电解制氢和脱碳过程的蒸汽消耗，提高了耦合系统能量效率。
Description
技术领域
本发明涉及可再生能源利用领域，尤其涉及一种光伏与生物质耦合制备系统、制备方法及优化耦合方法。
背景技术
在当前的低碳背景下，在新型电力系统中，甲烷作为天然气能源的接入已作为实现低碳调度的一个选项。二氧化碳甲烷化反应是二氧化碳资源化利用的重要途径，在减少二氧化碳排放的同时得到甲烷，直接用于现有天然气能源网络。
根据已经公开文献，以生物质为原料，通过厌氧发酵生产沼气，再利用氢气进行甲烷化反应，可以将沼气直接转化为生物天然气。但当氢气波动时，常规的方法是采用沼气储存的形式，即根据氢气的流量计算所需的沼气量，通过控制沼气流量以满足氢气的消耗，同时多余或不足的沼气通过储罐提供。然而，当规模较大时，沼气的储存本身存在安全风险。
经检索专利文献库，未查到明确的解决方案。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是在进行大规模工业化安全生产生物天然气过程中的提高生产转化效率的问题，本发明的目的旨在提供一种可应用于工业化生产的场景，通过对生物天然气转化系统及制备方法进行优化设计，既能适应制氢波动性，又能避免可燃气体储存的问题，同时又促进整个生产系统的综合高产能的技术方案。
本发明采用的技术方案是：一种光伏与生物质耦合制备生物天然气系统，包括：固体氧化物电解池中，利用光伏电能将水蒸气电解出氢气和富氧空气；厌氧发酵池中，生物质经厌氧发酵产生沼气和沼渣；蒸汽锅炉，利用沼渣为燃料，产出水蒸气；气体分配器，调节沼气或CO2，在CO2吸收塔与沼气甲烷化反应器的流量分配；CO2吸收塔，塔内采用逆流操作，有机胺吸收剂吸收沼气中的CO2形成富液，产出的富含甲烷的气体；CO2解吸塔，塔内逆向接触，将吸收CO2的富液分离出CO2，脱碳后的有机胺吸收剂作为料液回流到CO2吸收塔；沼气甲烷化反应器，吸入氢气与沼气中脱碳后的CO2甲烷化反应，产出生物天然气；天然气管网，富含甲烷的气体与生物天然气耦合后进入天然气管网。
采用高温固体氧化物电解池制备氢气，可以很好的与沼气甲烷化进行热量耦合，提高甲烷化放热的利用效率，并进一步提高整体能量效率。
电解水制氢需要消耗大量的电能，目前的储电和储氢成本依然非常高，采用光伏发电提供所需电能是一种有效的解决方式。后端的生物天然气转化过程需要快速地适应光伏制氢的波动性，通过综合系统的耦合生产，可有效提高整体能源利用效率。
生物天然气转化过程包括生物质发酵得到沼气，经过净化后，与电解得到的氢气进行甲烷化反应，脱水后得到生物天然气。同时，生物质产沼气只能利用其中的易于消化的有机物，其他的如纤维素、木质素等组分难以转化，形成的酵渣由于热值低、含水量高，常规处理方法通常只能用作堆肥，难以利用其热量，但通过本发明可以综合利用酵渣生产水蒸气，从而提高整体能源利用效率。固体氧化物电解池采用高温电解，可提高制氢能力。
通过将沼气直接甲烷化和沼气脱碳进行耦合，根据氢气的产生量调节进入甲烷化的沼气流量，多余的沼气则进入碳分离装置，得到的甲烷和甲烷化得到的生物天然气一同输出到天然气管网，分离的CO2进行存储，用于高氢气产生量时补充所需CO2。另一方面，将制氢过程产生的氧气用于发酵沼渣富氧燃烧，克服沼渣低热值、高含水量带来的燃烧性能差的问题，同时综合利用沼气甲烷化释放的热量产蒸汽，满足电解制氢和脱碳过程的蒸汽消耗，提高系统能量效率。
在本方案中，进一步地，固体氧化物电解池中采用高温加压电解，解析出的富氧空气进入蒸汽锅炉，用于沼渣的富氧燃烧；蒸汽锅炉产出的水蒸气用于进入固体氧化物电解池，或用于进入CO2解吸塔；CO2储罐将CO2解吸塔析出的CO2转储后，经气体分配器分配给沼气甲烷化反应器，参与CO2甲烷化反应；沼气甲烷化反应器通过热回收与循环装置产出生物天然气；热回收与循环装置的部分气体回收热量后循环回沼气甲烷化反应器，调节循环气的流量。
将产出的氧气用于沼渣的富氧燃烧，将蒸汽锅炉产出的水蒸气用于进入固体氧化物电解池，将沼气中的CO2析出后，参与CO2甲烷化反应，进一步提高综合利用效率。采用高温加压电解，能进一步提高制氢能力。通过热回收与循环装置进一步提高了能源利用效率。
本发明采用的另一种技术方案是：一种光伏与生物质耦合制备生物天然气的制备方法，包括以下步骤：S1：利用厌氧发酵池，获取生物质经厌氧发酵后产生的沼气和沼渣；S2：利用蒸汽锅炉，以沼渣为燃料，利用固体氧化物电解池析出的富氧空气进行燃烧，产出水蒸气；S2：利用光伏电能，在固体氧化物电解池中，引入蒸汽锅炉产出的水蒸气，并电解出氢气和富氧空气，氢气进入沼气甲烷化反应器；S4：利用CO2吸收塔与CO2解吸塔构成的沼气提纯机构，提纯后产出甲烷，水析后产出CO2；S5：通过气体分配器调节沼气在CO2吸收塔与沼气甲烷化反应器的流量分配，调节CO2进入沼气甲烷化反应器的流量波动性；S6：甲烷与生物天然气经耦合后进入天然气管网。
通过将沼气直接分离甲烷和沼气脱碳进行耦合步骤配合处理，水蒸气的综合利用、氢气的产生量调节、分离得到的甲烷和甲烷化后得到的生物天然气再一同输出到天然气管网，提高了系统的产量。另一方面，将制氢过程产生的氧气用于发酵沼渣富氧燃烧，克服沼渣低热值、高含水量带来的燃烧性能差的问题，同时综合利用沼气甲烷化释放的热量产蒸汽，满足电解制氢和脱碳过程的蒸汽消耗，提高系统能量转化效率。
在本方案中，进一步地，沼气甲烷化反应器出口连接热回收和循环装置产出生物天然气，热回收和循环装置的部分气体回收热量后循环到沼气甲烷化反应器，调节循环气的流量分配，稳定氢气波动。
更进一步地，热回收和循环装置，其循环气与输出的生物天然气的流量比为1:1～10:1。
更进一步地，沼气甲烷化反应器，其氢气波动时反应器内的空速维持稳定，稳定的空速范围为1000～1000h-1，CO2转化率不低于98％，反应温度为250～450℃。
更进一步地，蒸汽锅炉，采用富氧空气作为助燃剂，生产的蒸汽因素为：压力不低于0.3MPa，过热温度不低于600℃。
蒸汽锅炉还可采用：以富氧空气作为助燃剂，生产的蒸汽因素为：压力不低于1MPa，温度不低于200℃。
更进一步地，气体分配器，维持沼气甲烷化反应器中的H2/CO2的摩尔比为4:1～4.1:1。
本发明采用的另一种技术方案是：一种光伏与生物质耦合制备生物天然气的优化耦合方法，包括以下步骤：T1：构建基于厌氧发酵池、固体氧化物电解池和沼气甲烷化反应器耦合制备生物天然气的耦合制备系统；T2：考虑耦合制备系统的制备参数，以周期内制备生物天然气能耗成本最低为优化目标，建立耦合制备模型；T3：以固体氧化物电解池产出的氢气、厌氧发酵池产出的沼气及CO2解吸塔析出的CO2的质量比为约束条件，优化求解，得到最低制备能耗成本的最优制备状态。
该技术方案通过周期内制备生物天然气能耗成本最低为优化目标，考虑厌氧发酵池、固体氧化物电解池和沼气甲烷化反应器耦合制备的各个环节，建立相应的设备耦合制备模型，在满足大规模生产安排的实际情况下，优化各个时段固体氧化物电解池产出的氢气、厌氧发酵池产出的沼气及CO2解吸塔析出的CO2的产量比的情况，优化耦合配置，从而降低能耗成本提高整个综合系统运行效率。
在本方案中，进一步地，周期内制备生物天然气能耗成本最低的优化目标为：
式中，Pcell,t为固体氧化物电解池的输入电功率，CM,t为沼气甲烷化反应器的单元消耗的CO2质量，PrEt为t时段制氢用电的电价；PrMt为t时段制备生物天然气所用的CO2解析单位成本；T表示优化周期；Δt表示单位制备时间。
相对现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明光伏发电用于电解制氢，产生的氧气用于沼渣富氧燃烧，克服沼渣低热值、高水含量导致的燃烧性能差的问题，提高了整体能量利用效率；得到的蒸汽可以满足沼气脱碳、电解制氢蒸汽原料等的使用，实现了光伏与生物质耦合制生物天然气。
本发明通过沼气脱碳和沼气甲烷化的耦合，适应波动光伏导致的氢气流量波动；沼气负荷变化时只影响脱碳过程的吸收剂CO2负载量，进入解吸装置后只对蒸汽能耗有影响，能够充分适应波动性；进入甲烷化的沼气流量始终跟随氢气产量变化，通过改变循环气的流量保障反应器内的空速稳定，保证CO2的转化率，从而适应氢气流量波动。
附图说明
图1为本发明的耦合制备流程图。
具体实施方式
下面通过实施例，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例1。
如图1所示，本实施例提供一种光伏与生物质耦合制备生物天然气系统，包括：固体氧化物电解池中，采用高温加压电解，利用光伏电能将水蒸气电解出氢气和富氧空气；厌氧发酵池中，生物质经厌氧发酵产生沼气和沼渣；固体氧化物电解池中解析出的富氧空气进入蒸汽锅炉；蒸汽锅炉，利用沼渣为燃料，富氧燃烧产出水蒸气；蒸汽锅炉产出的水蒸气用于进入固体氧化物电解池，同时也用于进入CO2解吸塔；气体分配器，调节沼气或CO2，在CO2吸收塔与沼气甲烷化反应器的流量分配；CO2吸收塔，塔内采用逆流操作，有机胺吸收剂吸收沼气中的CO2形成富液，产出的富含甲烷的气体；CO2解吸塔，塔内逆向接触，将吸收CO2的富液分离出CO2，脱碳后的有机胺吸收剂作为料液回流到CO2吸收塔；CO2解吸塔析出的CO2转储后，经气体分配器分配给沼气甲烷化反应器，参与CO2甲烷化反应；沼气甲烷化反应器，吸入氢气与沼气中脱碳后的CO2甲烷化反应，通过热回收与循环装置产出生物天然气；热回收与循环装置的部分气体回收热量后循环回沼气甲烷化反应器，调节循环气的流量；天然气管网，富含甲烷的气体与生物天然气耦合后进入天然气管网。
实施例2。
如图1所示，本实施例提供一种光伏与生物质耦合制备生物天然气的制备方法，其过程包括：
电解制氢过程。将光伏发电产生的电能直接用于固体氧化物电解池制氢，不使用储电设备存储波动光伏产生的多余电能；水蒸气进入固体氧化物电解池，阴极得到氢气，脱水后进入甲烷化反应器；阳极产生的氧气由空气吹扫带走，得到富氧空气。
生物质发酵过程。采用厌氧发酵产生沼气，所用生物质为常规的餐厨垃圾、木质纤维素等生物质，发酵酵渣初步脱水后进入蒸汽锅炉燃烧。
富氧燃烧过程。采用发酵沼渣进行富氧燃烧，所用富氧空气来自于电解制氢过程的阳极；燃烧产生的热量用于生产蒸汽，蒸汽则用于固体氧化物电解制氢的蒸汽原料和沼气脱碳过程的加热能耗。
沼气脱碳过程。采用有机胺法吸收沼气中的CO2，脱碳后的沼气作为生物天然气输出到管网；吸收剂通过蒸汽加热的方式进行再生，所用蒸汽来自于沼渣富氧燃烧过程，解吸的CO2进入储罐进行储存。
沼气甲烷化过程。将氢气和沼气混合后进入甲烷化反应器，通过预热后进入催化剂床层，经过甲烷化反应得到生物天然气；离开反应器的气体回收所释放的热量产蒸汽，并将一部分气体作为循环气返回甲烷化反应器入口，与新鲜原料气混合，以保障反应器内空速稳定。
实施例3。
如图1所示，本实施例提供一种光伏与生物质耦合制备生物天然气的制备方法，其步骤包括：
同时存在沼气CO2吸收塔、CO2解吸塔以及沼气甲烷化反应器，通过气体分配器调节沼气在CO2吸收塔与沼气甲烷化反应器的流量分配，以适应光伏发电和氢气流量的波动性。
沼气脱碳产生的CO2进行存储，当氢气流量过大时送入沼气甲烷化装置，以满足沼气甲烷化反应.
固体氧化物电解池制氢产生的富氧空气用于发酵沼渣的富氧燃烧，促进发酵沼渣的燃烧性能，蒸汽锅炉产生的蒸汽用于固体氧化物电解池和脱碳装置。
沼气甲烷化反应器出口接热回收和循环装置，部分气体回收热量后循环回沼气甲烷化反应器，调节循环气的流量以保证氢气波动时反应器内的空速稳定。
如图1所示的热回收和循环装置，其循环气与输出的生物天然气的流量比为1:1～10:1。
如图1所示的沼气甲烷化反应器，其空速维持稳定，稳定的空速范围为1000～1000h-1，CO2转化率不低于98％，反应温度为250～450℃。
如图1所示的蒸汽锅炉，采用富氧空气作为助燃剂，生产的蒸汽包括两种：一种压力不低于0.3MPa，过热温度不低于600℃；一种压力不低于1MPa，温度不低于200℃。
如图1所示的气体分配器，维持沼气甲烷化反应器中的H2/CO2的摩尔比为4:1～4.1:1，同时可以控制沼气和储罐CO2的气体分配。
实施例4。
如图1所示，本实施例提供一种光伏与生物质耦合制备生物天然气的制备方法，其步骤包括：
光伏面板产生的电能进入固体氧化物电解池，通入600℃的高温常压蒸汽，电解池温度为650℃；阴极气体离开固体氧化物电解池，经过冷却脱水后，得到氢气；阳极采用空气进行吹扫，产生的氧气进入空气中，得到富氧空气。
生物质进入厌氧发酵池，产生沼气，通过气体分配器进入CO2吸收塔或沼气甲烷化反应器；同时，未转化的沼渣经过简单脱水后进入蒸汽锅炉燃烧。
蒸汽锅炉利用富氧空气和沼渣燃烧产生蒸汽，产生0.3MPa、600℃的过热蒸汽进入固体氧化物电解池，产生1MPa、200℃的蒸汽进入CO2解吸塔，根据电解池和解吸塔的蒸汽需求，调节不同蒸汽的生产量。
气体分配器根据实际的氢气产生量调整进入沼气甲烷化反应器的沼气量，保证原料氢气和CO2的摩尔比为4.05:1；沼气、氢气以及循环气混合后进入沼气甲烷化反应器，维持催化剂床层的空速2000h-1，平均温度300℃，CO2转化率为98％。离开反应器的气体立即进行热回收，产生150℃、0.3MPa的蒸汽，蒸汽进入锅炉过热；热回收后的反应气体一部分进行循环，一部分输出作为生物天然气，循环气和输出气体的摩尔比在1:1～10:1之间根据氢气总气量进行调控，当原料氢气过低，则始终维持10:1的循环比。
进入CO2吸收塔的沼气采用MEA进行CO2吸收，吸收温度50℃，CO2脱除率达到98％；贫气主要成分是甲烷，与生物天然气一起进入天然气管网。吸收富液进入解吸塔，利用锅炉来的蒸汽进行解吸，解吸温度140℃，解吸CO2送入储罐。
气体分配器根据产氢量计算，当全部沼气中的CO2都无法满足H2/CO2摩尔比时，将CO2储罐中的气体送入沼气甲烷化反应器。
实施例5。
如图1所示，本实施例提供一种光伏与生物质耦合制备生物天然气的优化耦合方法，其包括以下步骤：
构建基于厌氧发酵池、固体氧化物电解池和沼气甲烷化反应器耦合制备生物天然气的耦合制备系统。
考虑耦合制备系统的制备参数，以周期内制备生物天然气能耗成本最低为优化目标，建立耦合制备模型。
其中，周期内制备生物天然气能耗成本最低的优化目标算法为：
式中，Pcell,t为固体氧化物电解池的输入电功率，CM,t为沼气甲烷化反应器的单元消耗的CO2质量，PrEt为t时段制氢用电的电价；PrMt为t时段制备生物天然气所用的CO2解析单位成本；T表示优化周期；Δt表示单位制备时间。
以固体氧化物电解池产出的氢气、厌氧发酵池产出的沼气及CO2解吸塔析出的CO2的质量比为约束条件，优化求解，得到最低制备能耗成本的最优制备状态。
从以上实施例可以看出，通过本发明提供的光伏与生物质耦合制备生物天然气系统、制备方法及优化耦合方法的技术方案，本发明针对波动光伏条件下的生物质制生物天然气过程，通过将沼气直接甲烷化和沼气脱碳进行耦合，根据氢气的产生量调节进入甲烷化的沼气流量，多余的沼气则进入碳分离装置并进行CO2储存，通过沼气甲烷化反应器循环量的控制保证反应器的稳定空速、满足转化率要求。同时，将制氢过程产生的氧气用于发酵沼渣富氧燃烧，克服沼渣低热值、高含水量带来的燃烧性能差的问题，同时综合利用沼气甲烷化释放的热量产蒸汽，满足电解制氢和脱碳过程的蒸汽消耗，提高了耦合系统能量效率。
Claims (10)
1.一种光伏与生物质耦合制备生物天然气系统，其特征在于，包括：
固体氧化物电解池中，利用光伏电能将水蒸气电解出氢气和富氧空气；
厌氧发酵池中，生物质经厌氧发酵产生沼气和沼渣；
蒸汽锅炉，利用沼渣为燃料，产出水蒸气；
气体分配器，调节沼气及CO2，在CO2吸收塔与沼气甲烷化反应器的流量分配；
CO2吸收塔，塔内采用逆流操作，有机胺吸收剂吸收沼气中的CO2形成富液，产出的富含甲烷的气体；
CO2解吸塔，塔内逆向接触，将吸收CO2的富液分离出CO2，脱碳后的有机胺吸收剂作为料液回流到CO2吸收塔；
沼气甲烷化反应器，吸入氢气与沼气中脱碳后的CO2甲烷化反应，产出生物天然气；
天然气管网，富含甲烷的气体与生物天然气耦合后进入天然气管网。
2.根据权利要求1所述的光伏与生物质耦合制备生物天然气系统，其特征在于：
固体氧化物电解池中采用高温加压电解，解析出的富氧空气进入蒸汽锅炉，参与沼渣的富氧燃烧；蒸汽锅炉产出的水蒸气，引入固体氧化物电解池，引入CO2解吸塔；CO2储罐将CO2解吸塔析出的CO2转储后，经气体分配器分配给沼气甲烷化反应器，参与CO2甲烷化反应；沼气甲烷化反应器通过热回收与循环装置产出生物天然气；热回收与循环装置的部分气体回收热量后循环回沼气甲烷化反应器，调节循环气的流量。
3.一种光伏与生物质耦合制备生物天然气的制备方法，适于权利要求1或2的光伏与生物质耦合制生物天然气系统，其特征在于，包括：
S1：利用厌氧发酵池，获取生物质经厌氧发酵后产生的沼气和沼渣；
S2：利用蒸汽锅炉，以沼渣为燃料，利用固体氧化物电解池析出的富氧空气进行燃烧，产出水蒸气；
S2：利用光伏电能，在固体氧化物电解池中，引入蒸汽锅炉产出的水蒸气，并电解出氢气和富氧空气，氢气进入沼气甲烷化反应器；
S4：利用CO2吸收塔与CO2解吸塔构成的沼气提纯机构，提纯后产出甲烷，水析后产出CO2；
S5：通过气体分配器调节沼气在CO2吸收塔与沼气甲烷化反应器的流量分配，调节CO2进入沼气甲烷化反应器的流量波动性；
S6：甲烷与生物天然气经耦合后进入天然气管网。
4.根据权利要求3所述光伏与生物质耦合制备生物天然气的制备方法，其特征在于：
沼气甲烷化反应器出口连接热回收和循环装置产出生物天然气，热回收和循环装置的部分气体回收热量后循环到沼气甲烷化反应器，调节循环气的流量分配，稳定氢气波动。
5.根据权利要求4所述光伏与生物质耦合制备生物天然气的制备方法，其特征在于：热回收和循环装置，其循环气与输出的生物天然气的流量比为1:1～10:1。
6.根据权利要求4或5所述光伏与生物质耦合制备生物天然气的制备方法，其特征在于：沼气甲烷化反应器，其氢气波动时反应器内的空速维持稳定，稳定的空速范围为1000～1000h-1，CO2转化率不低于98％，反应温度为250～450℃。
7.根据权利要求6所述光伏与生物质耦合制备生物天然气的制备方法，其特征在于：蒸汽锅炉，采用富氧空气作为助燃剂，生产的蒸汽因素为：压力不低于0.3MPa，过热温度不低于600℃；或者压力不低于1MPa，温度不低于200℃。
8.根据权利要求6所述光伏与生物质耦合制备生物天然气的制备方法，其特征在于：气体分配器，维持沼气甲烷化反应器中的H2/CO2的摩尔比为4:1～4.1:1。
9.一种光伏与生物质耦合制备生物天然气的优化耦合方法，适于权利要求1或2所述的系统，其特征在于，包括：
T1：构建基于厌氧发酵池、固体氧化物电解池和沼气甲烷化反应器耦合制备生物天然气的耦合制备系统；
T2：考虑耦合制备系统的制备参数，以周期内制备生物天然气能耗成本最低为优化目标，建立耦合制备模型；
T3：以固体氧化物电解池产出的氢气、厌氧发酵池产出的沼气及CO2解吸塔析出的CO2的质量比为约束条件，优化求解，得到最低制备能耗成本的最优制备状态。
10.根据权利要求9所述的光伏与生物质耦合制备生物天然气的优化耦合方法，其特征在于，周期内制备生物天然气能耗成本最低的优化目标为：
式中，Pcell,t为固体氧化物电解池的输入电功率，CM,t为沼气甲烷化反应器的单元消耗的CO2质量，PrEt为t时段制氢用电的电价；PrMt为t时段制备生物天然气所用的CO2制备单位成本；T为优化周期；Δt为单位制备时间。
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| CN202310633363.8A CN116904238A (zh) | 2023-05-31 | 2023-05-31 | 一种光伏与生物质耦合制备生物天然气系统、制备方法及优化耦合方法 |
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