CN117326914A - 一种热电厂耦合清洁能源制氢并合成甲醇的工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电力行业碳捕捉和利用技术领域，具体是一种热电厂耦合清洁能源制氢并合成甲醇的工艺，其可以利用CO2加氢制成甲醇过程中释放大量的热量来产生蒸汽，富裕的蒸汽还可以输入热电厂低压蒸汽管网进行外售，降低碳捕集过程中的成本，增加蒸汽和甲醇销售带来的效益，热电厂湿法脱硫后的烟气，经化学吸收法进行捕集CO2，尾气经烟囱排放，捕集的CO2经净化工艺，输入制甲醇单元；清洁能源发电装置提供给水解制氢单元用电，水解制氢单元送出的氢气经净化后，输入制甲醇单元，水解反应副产物O2可加压后外售，或与烟气混合后作为锅炉助燃剂；来自捕集单元的CO2和来自电解水单元的氢气经1:3比例混合后进入制甲醇单元中的原料气混合罐充分混合，混合后的原料气由原料气压缩机加压，经由原料气预热器、电加热器、产品气换热器升温。

Description

一种热电厂耦合清洁能源制氢并合成甲醇的工艺
技术领域
本发明属于电力行业碳捕捉和利用技术领域，具体是一种热电厂耦合清洁能源制氢并合成甲醇的工艺。
背景技术
在全球变暖，气候变化日趋严重的背景下，碳捕集、封存和利用（CCUS）技术逐渐被世界各国公认为是最具潜力的一种碳减排技术。在中国，火电行业将是CCUS的应用重点，预计2060年可通过CCUS实现约10亿吨/年的CO2减排量，占总体CO2减排量的42.5%。
CO2捕集技术指利用吸收、吸附、膜分离、低温分馏、富氧燃烧等方式将不同排放源的 CO2进行分离和富集的过程。国内目前已经拥有数十个建成或正在建设中的燃煤电厂CO2捕集项目，其主要应用的捕集方式为化学吸收法，其解析再生工艺需消耗大量低压蒸汽，如何降低碳捕集的能耗是行业关注的重点。
对于企业来说，对CO2仅捕集封存无法产生经济效益，更需要通过技术手段把捕集的CO2进行提纯，继而投入到新的生产过程中，可以循环再利用。简而言之，就是封存二氧化碳不是公益活动，最终目的依然是要赚钱的。CO2制高价值产品主要有两条路径：生物转化与化学合成。
甲醇作为一种重要化工原料和可再生的清洁能源，在运输和储存方面具有优势。但是当下甲醇代替传统的能源仍面临着诸多的挑战，传统生产甲醇是以煤、天然气等化石能源为原料，通过气化或重整技术制取合成气，再经过压缩、合成和精馏等工艺获得甲醇，生产过程中排放大量的CO2。
利用电解水制氢，捕集的CO2加氢制成甲醇，该过程降低碳排放 ，是迄今为止人类制备甲醇最清洁环保的方式之一，被成为“液态阳光”。热电厂排放的CO2经过捕集后与光伏发电制氢合成甲醇，既有利于降低热电厂CO2排放，又有利于氢能源的运输和储存。但是CO2捕集过程中，解析再生时需要消耗大量低温蒸汽，降低了电厂利润，经济效益不佳。
发明内容
为了解决现有CO2捕集过程中消耗大量低温蒸汽，影响经济效益的问题，本发明提供了一种热电厂耦合清洁能源制氢并合成甲醇的工艺，其可以利用CO2加氢制成甲醇过程中释放大量的热量来产生蒸汽，富裕的蒸汽还可以输入热电厂低压蒸汽管网进行外售，降低碳捕集过程中的成本，增加蒸汽和甲醇销售带来的效益。
其技术方案是这样的：一种热电厂耦合清洁能源制氢并合成甲醇的工艺，热电厂湿法脱硫后的烟气，经化学吸收法进行捕集CO2，尾气经烟囱排放，捕集的CO2经净化工艺，输入制甲醇单元；
清洁能源发电装置提供给水解制氢单元用电，水解制氢单元送出的氢气经净化后，输入制甲醇单元，水解反应副产物O2可加压后外售，或与烟气混合后作为锅炉助燃剂；
来自捕集单元的CO2和来自电解水单元的氢气经1:3比例混合后进入制甲醇单元中的原料气混合罐充分混合，混合后的原料气由原料气压缩机加压，经由原料气预热器、电加热器、产品气换热器升温至240-250℃；其中原料气预热器、电加热器仅在系统启动阶段使用，当整套合成甲醇工艺系统完全启动后即可关闭，减少蒸汽消耗和用电负荷。
高温高压的原料气进入均温反应器中进行3H2+CO2＝CH3OH+H2O反应生成甲醇和化学水，反应器中产生的大量热量，合成反应单程转化率约为80%；均温反应器出口送出的温度为260~280℃产品气经过产品气换热器与原料气进行热交换，降温至140℃，再经产品气冷凝器进行热交换，降温至70℃，进入气液分离器，液体侧重量百分数为60%浓度的粗甲醇，可进入后续精制单元，气相侧的CO2、H2、甲醇蒸汽、水蒸汽经循环气压缩机进入原料气混合罐与原料气进行混合回收利用；
给水泵为系统提供足量的除盐水，除盐水经电解液换热器换热，温度升至50℃，再经产品气冷凝器预热，温度升至120℃，进入均温反应器内部的盘管，反应器内盘管分为上下三段，除盐水在盘管内进行加热并蒸发为220℃，1.6MPa的过热蒸汽；一部分过热蒸汽提供给原料气预热器，对原料气进行加热，凝结后进入冷凝器集水箱，一部分过热蒸汽提供给CO2捕集再生单元的加热设备利用，凝结后也进入冷凝器集水箱，冷凝器集水箱内冷凝水经冷凝水泵加压后汇入除盐水给水管路，进入反应器盘管进行再次蒸发利用，多余的蒸汽汇入热电厂低压蒸汽管网，可供其他设备使用或出售。
采用本发明后，均温反应器中，CO2加氢制成甲醇过程中释放大量的热量，反应器内流经盘管的除盐水将这部分热量吸收蒸发为蒸汽，并利用到CO2捕集过程中的消耗，富裕的蒸汽还可以输入热电厂低压蒸汽管网进行外售，降低碳捕集过程中的成本，增加蒸汽和甲醇销售带来的效益，有效提高了经济效益。
附图说明
图1为本发明的工艺流程示意图。
其中1.脱硫系统；2.CO2捕集再生单元；3.烟囱；4.CO2净化系统；5.原料气混合罐；6.清洁能源发电装置；7.电解水制氢系统；8.电解液换热器；9.电解液冷却器；10.碱液泵；11.给水泵；12.原料气压缩机；13.原料气预热器；14.电加热器；15.产品气换热器；16.均温反应器；17.产品气冷凝器；18.气液分离器；19.循环气压缩机；20.冷凝水集水箱；21.冷凝水泵。
具体实施方式
结合附图并举例详细描述本发明的特点与优点，本发明包括但不限于附图和所述具体实施例中描述的内容，包括附图中未体现的非重要辅助设备等。
如图1 所示，在本实施例展示的一种热电厂耦合清洁能源制氢并合成甲醇的工艺，其主要由CO2捕集系统、电解水制氢系统、甲醇合成系统结合而成。
热电厂脱硫系统1排出的烟气经CO2捕集再生单元2对其中的CO2进行捕集和解析后得到CO2气体，残余的尾气通过烟囱3排放至大气中，CO2气体通过CO2净化系统3，脱除硫化物、氯化物和氨等杂质气体后，通入原料气混合罐5。
清洁能源发电系统6（诸如光伏、风电等）生产的电力输入电解水制氢系统7，在其系统内部电解水生成氢气和氧气，其中氧气可进行压缩后进行外供售卖，氢气通入原料气混合罐5。
二氧化碳和氢气按1:3的比例调节通入原料气混合器5，在其中充分混合，经原料气压缩机12进行绝热压缩，压力升至5.0~8.0MPa，温度升至120℃；然后经原料气预热器13进行加热至200℃，原料气预热器13使用的加热介质为厂区低压蒸汽（温度220~230℃，压力1.6~2.0MPa），再经过电加热器14升温至240~250℃，原料气预热器13和电加热器14，只需在系统启动运行时候开启，等系统整体运行稳定后可停止使用，以节约能源消耗。
在系统稳定运行阶段，原料气不经过原料气预热器13和电加热器14加热，直接进入产品气换热器15，在其中与产品气进行换热，温度升至240~250℃，进入均温反应器16。
高温高压原料气在均温反应器16内部进行合成反应3H2+CO2＝CH3OH+H2O，生成甲醇和化学水，均温反应器至少为3级，内部填装宽温催化剂，并安装换热盘管，CO2加氢制甲醇是放热反应，通过盘管内的水吸收反应生产的热量，控制反应器内各级的反应温度，一般控制入口温度为240~250℃，出口温度为260~280℃，反应器内部温度260~350℃，入口压力5.0~8.0MPa，出口压力2.0~5.0MPa，空速3000~18000h-1，均温反应器16内甲烷的转化率为80%。
产品气和少量未反应的原料气经过产品气换热器15，与原料气进行换热降温，温度降至140℃，然后再经过产品气冷凝器17继续降温至70~80℃，混合气进入气液分离器18，此温度下大部分产品甲醇和水凝结为液体从下部流出，去往下道工序进行精制，未反应的原料气和少量甲烷气体和水蒸气从顶部流出进入循环气压缩机19进行加压，再进入原料气混合器5，与新鲜的CO2、氢气进行混合，重复进行压缩后继续进行反应。
电解水制氢系统7通过直流电对内部碱液进行电解产生氢气和氧气，同时产生大量热量，需通过碱液的循环带走。电解水制氢系统7内碱液温度一般90℃左右，经电解液换热器8初步降温，再经电解液冷却器9深度降温至40~50℃，通过碱液泵10输送至电解水制氢系统7形成循环，定期在循环管路中补充去离子水和碱液，保证PH值和水平衡。
整个系统中大部分热量通过加热除盐水生成蒸汽带走，除盐水经给水泵11进行加压，给水泵11为变频调节，可精确控制系统水流量。冷的除盐水先流经电解液换热器8，升温至50℃；继续流经产品气冷凝器，升温至120℃；进入均温反应器16，内部有多级盘管，分段进行除盐水预热，蒸发，过热加热，控制出口蒸汽温度约温度220~230℃，压力1.6~2.0MPa，与厂区低压蒸汽管网匹配。产生的蒸汽可输送至CO2捕集再生单元2中的再生塔加热器进行利用，也可输送至原料气预热器进行利用，多余的蒸汽汇入厂区低压蒸汽管网，供厂内其他设备使用或外售。CO2捕集再生单元2和原料气预热器13使用过的蒸汽冷凝为饱和水，流至冷凝水集水箱20进行临时储存，通过冷凝水泵21加压，送至均温反应器16的除盐水入口管路，与预热的除盐水混合进入均温反应器16重新加热蒸发，循环使用。
作为本申请中一种较好的实施方式，所述的均温反应器16为多级反应器，反应的级数至少为3级，级数越多有利于反应温度的控制。
作为本申请中一种较好的实施方式，所述的均温反应器16内盘管段数为多段，至少为3段，段数越多有利于反应温度的控制。
本发明中均温反应器16内CO2单程转化率80%，CO2的总转化率为95％以上。
本发明对于电解水制氢系统、甲醇合成系统反应产生的热量，实现了热量充分吸收和利用，降低了整个系统的能耗。

Claims (4)

1.一种热电厂耦合清洁能源制氢并合成甲醇的工艺，其特征在于：
热电厂CO2捕集再生单元捕集的CO2和电解水制氢系统产生的H2按比例混合后进入原料气压缩机，经压缩并预热后进入用于甲醇合成的均温反应器，原料气在其中高温高压反应生产甲烷和水，均温反应器送出的产品气经换热冷凝后分离出粗产品甲醇和未反应的原料气，原料气重新回收循环利用；除盐水经电解水制氢系统内的电解液换热器和产品气冷凝器进行预热，再进入甲醇合成均温反应器内设置的盘管，经加热、蒸发、过热后生成过热蒸汽，供给原料气预热器和CO2捕集再生单元使用，多余蒸汽可纳入厂内低压蒸汽管网，实现热量充分利用。
2.根据权利要求1所述的一种热电厂耦合清洁能源制氢并合成甲醇的工艺，其特征在于，所述甲醇合成均温反应器为至少三段式设计，安装对应数量层的催化剂，有效控制内部反应温度。
3.根据权利要求1所述的一种热电厂耦合清洁能源制氢并合成甲醇的工艺，其特征在于，除盐水经过变频调节的给水泵控制给水流量，用于有效控制甲醇合成均温反应器内温度。
4.根据权利要求1所述的一种热电厂耦合清洁能源制氢并合成甲醇的工艺，其特征在于，甲醇合成反应器产生的蒸汽，用于CO2捕集再生单元中再生塔加热器使用，并回收冷凝水进行重复利用。
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