CN201334445Y - 用大规模非并网风电进行甲醇生产的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型的用大规模非并网风电进行甲醇生产的装置，主要是在现有的生产甲醇的基础上，使用大规模非并网风电作为电解设备的工作电源，将水电解成的氧气作为气化剂，将水电解成的氢气用于调节脱硫后的水煤气中的碳氢比，将获得的最佳碳氢比的水煤气再制成甲醇。其结构主要是在现有的包括煤气化炉、压缩机、换热器、脱硫装置、甲醇合成装置的基础上，与大功率风力发电机组组成的大规模非并网风电相结合，增设有电解水槽等装置组成，是一种既为大规模非并网风电找到合适的负载，又为生产甲醇提供一种能大幅度提高产率、降低煤耗、减少二氧化碳排放的两全齐美的生产甲醇的装置。

Description

用大规模非并网风电进行甲醇生产的装置

技术领域

本实用新型涉及一种甲醇的生产装置，特别是一种使用大规模非并网风电作电解设备的电源将水电解成的氢气和氧气作为重要的生产原料生产甲醇的装置，属于化工原料的生产领域。

背景技术

我国是一个贫油、贫气，而煤炭资源和风能资源相对较多的国家。而且在我国，煤炭资源相对丰富的省份，都有着得天独厚的风能资源。随着研究的不断深入，对于煤炭资源的有效利用方式主要有两种途径：一是利用水煤气生产甲醇，从而开创以甲醇为源头的碳一化学；另外一种是以煤为原料，通过水煤气制备、甲烷重整、石脑油异构化等技术生产柴油、汽油、液化石油气的技术。但是无论采用何种途径利用煤炭资源，均存在生产过程中要消耗大量的能量，而这些能量的绝大部分还是来源于煤炭资源(约75％)。这种以煤炭为原料和动力来源的生产方式，对于煤的利用效率较低，而且带来大量温室气体CO₂的排放和大量水资源消耗，严重影响自然环境。

甲醇生产工艺

甲醇，分子式CH₃OH，为无色、略带乙醇香气的挥发性液体。甲醇是极其重要的有机化工原料，是碳一化学的基础产品，在国民经济中占有重要的地位。另外，甲醇也与能源关系密切：一方面，随着近代研究的发展，甲醇己经可以作为运输燃料直接应用；另一方面，甲醇生产需要以煤为原料，同时生产过程中还需要煤等化石能源提供能量，因此甲醇既是一种能源供给品同时也是一种能源消耗较大的化工产品。对于甲醇工业，急需解决的是生产过程中的节能降耗以及与新能源的有机综合利用，提高能源的利用效率。

甲醇的生产方法已经趋于成熟。目前工业上几乎都是采用一氧化碳、二氧化碳加压催化氢化法合成甲醇。典型的流程包括原料气的制造、原料气的净化、甲醇合成和粗甲醇的精制等工序，如图1所示。其中原料气的制造以及原料气的净化是甲醇生产工艺中极其重要的一部分，也是甲醇生产工艺中耗能最高的部分，约占甲醇工艺总耗能的45％。

原料气制造工艺中，制造甲醇原料气的固体燃料主要是煤和焦碳。用蒸汽和氧气对煤、焦碳进行热加工即可制得可燃性的气体即煤气。生产中需要的氧气主要由空分装置提供，而空分装置的运行需要消耗电能，若电能是通过火力发电的形式来实现，则每生产一吨甲醇，仅运行空分装置就要消耗约11吨煤和118吨水，同时副产28吨的二氧化碳。

而在原料气的净化工艺中，除脱除工艺中所产生的会使催化剂中毒的硫外，主要的目的是调节碳氢比。根据化学反应计量式(1)和式(2)可知，氢与一氧化碳合成甲醇的化学当量比为2，与二氧化

碳反应的化学当量比为3，当一氧化碳和二氧化碳都存在时，对原料气中的氢碳比的要求如下：

$f=\frac{H_2-{\mathrm{CO}}_2}{\mathrm{CO}+{\mathrm{CO}}_2}=2.10-2.15---\left(3\right)$

或 $M=\frac{H_2}{\mathrm{CO}+1.5{\mathrm{CO}}_2}=2.0-2.05---\left(4\right)$

不同的原料所采用不同的工艺所制得的原料气的组成往往偏离f值或M值。以煤为原料所制得的粗原料气中氢碳比太低。因此必须调节原料气中的氢碳比例。

典型的调节氢碳比的工艺为一氧化碳变换反应：使一氧化碳和水蒸汽反应变换为氢气和二氧化碳，进而进行二氧化碳的脱除工艺。这种调节氢碳比的方法存在着以下的缺点：

(一)对于一氧化碳和水蒸气的变换反应需要在5.5MPa、320～550℃下才能发生，因此需要消耗大量的能量，同时高压操作，会大大增加工艺的固定资产投资和操作运行风险；

(二)一氧化碳和水蒸气的变换反应中，副产大量的CO₂，同时需要消耗大量的水；

(三)对于二氧化碳的脱碳工艺主要有化学吸收法和物理吸收法，但是无论采取何种方法，都需要在高达5.0MPa(表压)下操作，设备成本投资巨大。同时，脱碳吸收工艺还需配套吸收剂的再生系统，操作成本高。

因此，对于原料气的制造和原料气的净化系统，若有一种“绿色”的能源能够提供原料气制造过程所需要的氧气以及能够直接提供氢气来调节氢碳比，这将大大促进甲醇工艺的优化和节能降耗。

风能作为一种绿色的能源，已经越来越收到研究学者的青睐。风电并网是目前世界上大规模风电场的唯一应用方式。风能的利用主要按照“风轮-发电机-电网-用户(负载)”这个路线来进行(图2a)，其中电网是风电的负载和用户的电源，电网的存在保证了风电的利用。但是由于风电的不稳定性和波动特性，大规模风电上网还存在着现阶段难以克服的技术障碍，风电对电网贡献率难以超过10％已成为一个世界性难题。同时风电上网对风力机提出了满足电网稳频、稳压和稳相位的要求，由此大幅度增加了风力机制造成本和风电价格，使风电大规模应用受到限制。

针对风电并网存在的缺点，本研究者提出了“非并网风电”理论，简言之，就是风电系统的终端负荷不再是传统的单一电网，而是直接应用于一系列能适应风电特性的高耗能产业及其它特殊领域，主要适用于10万-1000万kW以上大规模风电场。其主要特点是：将风电直接应用于用户(负载)(见图2b)。

风电的这种非并网运行方式的优势体现在：

(一)采用直流电，回避风电上网电压差、相位差、频率差难以控制的问题，绕开电网这一限制风电大规模应用的瓶颈，也避免了风电并网对电网系统的影响。

(二)突破终端负荷使用风电的局限，使大规模风电在非并网风电系统中的供电比重达到100％。

(三)提高风能利用效率，简化风力机结构和风电并网运行时所需大量辅助设备，风电经简单配置就可以直接应用于某些特定产业，大幅度降低风电场的制造成本和风电价格。

基于上述的背景，我们提出了一种非并网风电直接应用于煤化工的生产工艺。此工艺是将大规模、随机性变化的风能转化为脉动直流电，并直接利用该电能电解水生产氢气和氧气。用获得的氢气和氧气作为甲醇生产工艺中的原料。利用该工艺将风能有效利用的同时，还可以优化传统煤化工工艺，实现生产工艺的节能降耗、绿色环保。

发明内容

本实用新型的目的是既为绿色环保的随机性变化的大规模非并网风电找到合适的负载，又为生产甲醇提供一种能大幅度提高产率、降低煤耗、减少二氧化碳排放两全齐美的用大规模非并网风电进行甲醇生产的装置。

本实用新型的用大规模非并网风电进行甲醇生产的装置，主要是在现有的生产甲醇的基础上，使用大规模非并网风电作为电解设备的工作电源，将水电解成的氧气作为气化剂，将水电解成的氢气用于调节脱硫后的水煤气中的碳氢比，将获得的最佳碳氢比的水煤气再制成甲醇。其结构主要是在现有的包括煤气化炉、压缩机、换热器、脱硫装置、甲醇合成装置的基础上，与若干台大功率风力发电机组组成的大规模非并网风电相结合，增设有电解水槽、氧气储罐、氧气压缩机、氢气储罐、氢气压缩机、换热器、流量调节阀和在线检测装置而组成，所述大功率风力发电机组输出的脉动直流电经输电线与电解水槽的电源端连接，电解水槽将水电解成的氧气和氢气分别用输气管与氧气储罐和氢气储罐连接，氧气储罐出口经氧气压缩机与煤气化炉的氧气物流进口连接，煤气化炉的碳物流进口和水物流进口分别经输送管与碳物流和水物流连接，煤气化炉的输出端经压缩机和换热器与脱硫装置连接；电解水槽的氢气储罐的出口经氢气压缩机和换热器与流量调节阀连接，脱硫装置的输出端和流量调节阀的输出端均与甲醇合成装置的输入端连接，在线检测装置装在脱硫装置的输出端用于检测该水煤气物流中碳氢的比例并根据目标碳氢比控制流量调节阀，甲醇合成装置的输出端输出的粗甲醇物流再经冷凝、精馏等常规工艺处理后即可获得甲醇产品。

为了获得足够的氧气和氢气，所述电解水槽选用DQ375/1.6型加压水电解制氢装置或ZDQ375/1.6水电解制氢装置或产量更大的电解水槽，为了获得足够的电量，所述大规模非并网风电的风力发电机组选用多台等于或大于1.5兆瓦的大功率风力发电机组相并联而直接供电。

本实用新型提供的利用非并网风电生产甲醇装置，并不同于传统的利用变化法调节氢碳比的工艺，同时也不同于单纯的利用传统并网电能电解水生产甲醇的工艺。因为利用并网电能生产甲醇，其本质还是利用煤等化石能源来转化，而且其中存在煤转化为电能的损失以及大量排放二氧化碳的环境污染问题。

采用本实用新型提供的方法生产甲醇具有以下的优点：

(一)大幅度提高甲醇的产率，其中单位煤量的甲醇产量增加一倍；

(二)大大降低甲醇生产工艺的设备投资和操作费用，节能降耗；

(三)大幅度减排二氧化碳，使绿色煤化工成为可能。传统的利用变化法生产甲醇会产生大量的CO₂，而利用本发明提供的方法可以减少50％以上的二氧化碳排放量。

(四)生产每吨甲醇的耗水量减少近20％。

(五)将瞬时变化性的风能进行累计最终转化成为一种稳定性的能源，充分利用了可再生风能资源，且对环境和生态的干扰小。

附图说明

图1是原料气的制造及净化工艺流程图；

图2(a)为常规风电系统结构示意图；

图2(b)为非并网风电系统结构示意图；

图3为本实用新型的利用大规模非并网风电生产甲醇的结构示意图。

具体实施方式

参见图3，图中的1为碳物流；2为水物流；3为氧气物流；4为煤气化炉；5为压缩机；6为换热器；7为脱硫装置；8为风能；9为风力发电机组；10为电解水槽；11为氧气储罐；12氧气压缩机；13为氢气储罐；14为氢气压缩机；15为换热器；16为流量调节阀；17为在线检测装置；18为最佳碳氢比的水煤气物流；19为甲醇合成装置；20为粗甲醇物流。

结合图3的工艺流程图，通过以下实施例解释本发明。

将风能通过100台1500KW的风力发电机组转化为随机性变化的脉动直流电，该风力发电机可选购自金风科技股份有限公司生产的型号为金风70/1500的简化型(省却全功率逆变器)，直接输出直流电，其技术参数如表1所示。也可选用等于或大于1.5兆瓦的其它型号的大功率风力发电机组。

表1金风70/1500风力发电机技术参数

额定功率	1500KW
		切入风速	3m/s
稳定风速	12m/s
		切出风速	25m/s(10分钟均值)
抗最大风速	60m/s(3秒均值)
		叶轮直径	70m
风机高度	65/85m
		发电机重量	44T

利用大功率风力发电机组获得的脉动直流电能作为电解水槽的工作电源，该电解水槽设备按风电输出总功率进行匹配，可购自苏州竞力制氢设备有限公司的型号为DQ375/1.6型加压水电解制氢装置，其主要技术参数指标如表2所示。也可选用ZDQ-375/1.6等型号的产量大的水电解装置。

表2DQ375/1.6制氢设备技术参数

产氢量(m3/h)	产氧量(m3/h)	操作压力MPa	氢气纯度％	氢气纯度％	直流电耗KW./m3/h	控制方式
							375	187.5	1.6	≥99.8	≥99.3	≤4.5	微机控制

本实用新型的主要结构如图3所示，其结构主要包括煤气化炉4、压缩机5、换热器6、脱硫装置7、甲醇合成装置19，和大功率风力发电机组9、电解水槽10、氧气储罐11、氧气压缩机12、氢气储罐13、氢气压缩机14、换热器15、流量调节阀16和在线检测装置17，所述大功率风力发电机组9在自然风8的驱动下输出的脉动直流电经输电线与电解水槽10的电源端连接，电解水槽10将水电解成的氧气和氢气分别用输气管与氧气储罐11和氢气储罐12连接，氧气储罐11出口经氧气压缩机12与煤气化炉4的氧气物流进口3连接，煤气化炉4的碳物流进口1和水物流进口2分别经输送管与碳物流和水物流连接，煤气化炉4的输出端经压缩机5和换热器6与脱硫装置7连接；电解水槽10的氢气储罐13的出口经氢气压缩机14和换热器15与流量调节阀16连接，脱硫装置7的输出端和流量调节阀16的输出端均与甲醇合成装置19的输入端连接，在线检测装置17装在脱硫装置7的输出端用于检测该水煤气物流中碳氢的比例并根据目标碳氢比控制流量调节阀16，甲醇合成装置19的输出端输出的粗甲醇物流20再经冷凝、精馏等常规工艺处理后即可获得甲醇产品。所述电解设备选用DQ375/1.6型加压水电解制氢装置或ZDQ375/1.6水电解制氢装置或产量更大的电解装置，所述大规模非并网风电的风力发电机组选用多台等于或大于1.5兆瓦的大功率风力发电机组相并联而直接供电。其它设备均为选用现有的常规设备。是一种既为绿色环保的随机性变化的大规模非并网风电找到合适的负载，又为生产甲醇提供一种能大幅度提高产率、降低煤耗、减少二氧化碳排放两全齐美的生产甲醇的装置。

Claims (2)

1.一种用大规模非并网风电进行甲醇生产的装置，包括煤气化炉、压缩机、换热器、脱硫装置、甲醇合成装置，其特征在于还包括大功率风力发电机组、电解水槽、氧气储罐、氧气压缩机、氢气储罐、氢气压缩机、换热器、流量调节阀和在线检测装置，所述大功率风力发电机组输出的脉动直流电经输电线与电解水槽的电源端连接，电解水槽将水电解成的氧气和氢气分别用输气管与氧气储罐和氢气储罐连接，氧气储罐出口经氧气压缩机与煤气化炉的氧气物流进口连接，煤气化炉的碳物流进口和水物流进口分别经输送管与碳物流和水物流连接，煤气化炉的输出端经压缩机和换热器与脱硫装置连接；电解水槽的氢气储罐的出口经氢气压缩机和换热器与流量调节阀连接，脱硫装置的输出端和流量调节阀的输出端均与甲醇合成装置的输入端连接，在线检测装置装在脱硫装置的输出端用于检测该水煤气物流中碳氢的比例并根据目标碳氢比控制流量调节阀。

2、如权利要求1所述的用大规模非并网风电进行甲醇生产的装置，其特征在于所述电解水槽选用DQ375/1.6型加压水电解制氢装置或ZDQ375/1.6水电解制氢装置，所述大规模非并网风电的风力发电机组选用等于或大于1.5兆瓦的大功率风力发电机组。

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