CN211199065U - 沼气全组分热催化转化甲醇小型化设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种沼气全组分热催化转化甲醇小型化设备。一种沼气全组分热催化转化甲醇小型化设备，其中，包括依次顺序连接的气体净化单元、沼气预热器、干湿双重整反应器、第一冷凝换热单元、第一气液分离器、气体增压系统、合成气预热器、合成气制甲醇反应器、第二冷凝换热单元以及第二气液分离器；所述沼气预热器上连接有纯净水制备操作单元，所述第一冷凝换热单元和第二冷凝换热单元的水路出水端均与所述沼气预热器连接，所述第一气液分离器的水路出水端与所述第二冷凝换热单元的水路入水端连接，所述第二气液分离器的气路出气端与所述气体增压系统连接。

Description

沼气全组分热催化转化甲醇小型化设备

技术领域

本实用新型涉及沼气转化技术领域，更具体地，涉及一种沼气全组分热催化转化甲醇小型化设备。

背景技术

充足的物质保障和能源供应才能保证人类正常的社会生活，其中能源一直都是人类社会文明进步的基础。当今世界的能源供应主要是以煤、石油、天然气这三种不可再生化石资源为主。现在全球化的脚步迈进新世纪，人口数量的急剧上升和经济总量的快速增长，导致了地球资源被大肆利用，虽然目前仍然存在深海油气、可燃冰、煤层气及页岩气等多种资源可供开发和利用，人类也开始关注不可再生化石燃料潜在的短缺问题，在2050年之前，石油、天然气等不可再生自然资源将被耗尽，这种观点得到了全社会的一致认同。同时能源分布存在的不均衡问题，也导致并加剧了石油危机等现实的社会连锁矛盾。能源作为人类文明生存和发展的根本，也是用来衡量综合国力和制约国民经济的重要指标，因此对于国家安全具有关键性作用。我国石油储量和产量严重匮乏，当前的石油消费活动主要依赖进口，对国外供应产生严重依赖，致使我国面临极大的能源安全威胁。因此石油资源与国家安全己经牢不可分，成为了我国能源安全战略方面的核心内容。CO₂是温室气体的主要成分，而超过90％的人为CO₂排放被认为是化石能源使用时产生的，大量的的温室气体排放使大气中温室气体浓度增加、温室效应增强，从而导致全球气候变暖，海平面上升等诸多问题。化石能源的大量使用也是造成我国现在大气污染问题的重要原因。所以开发化石能源的替代清洁能源，对于我国国家安全和经济发展具有重大意义。当人类面临化石能源储量逐年降低的现实威胁时，随着甲醇成本和价格的降低，利用甲醇作为石油化工原料新来源已经发展为一种趋势。

作为可持续能源的沼气中的两个主要成分为甲烷和二氧化碳，这两种主要温室气体转化为有价值的重要的化学品甲醇在全球能源安全和气候变化方面具有重要意义。将这些气体转化为合成气，再经费-托反应制备出可持续的甲醇具有重要的发展前景。合成气系指一氧化碳和氢气的混合气，合成气中CO和H₂比值随原料和生产方法的不同而异，其摩尔比为1/2～3/1。合成气为有机合成原料之一，也是氢气和一氧化碳的来源，在化学工业中有着重要的作用。利用可再生的沼气作为原料代替合成气能够有效的降低环境污染以及温室效应。而现有的沼气利用技术及相关设备仍存在一些问题，首先现有技术的设备规模太大只能进行大规模的处理并且处理对象是具有大规模来源的天然气，煤炭和焦炉气。因此不能满足可持续原料沼气的处理需求。其次沼气的产地多种多样地域空间复杂，大型化设备不能有效的进行对应的处理并且浪费了大量的人工效率。最后现有的沼气处理技术和设备条件具有最低的操作限制，没有更好的小型设备能够做出相应的灵活化处理。

综上所诉开发出一套高效的沼气全组分热催化转化甲醇小型化设备对于我国目前的国情具有深远的意义。

实用新型内容

为了实现上述目的，本实用新型提供一种沼气全组分热催化转化甲醇小型化设备。本实用新型能够完美解决产地以及利用设施的差异性，克服了时间和空间的限制，即产即用，摆脱了中间过程转化的繁琐，一步得到了所需的重要产品甲醇。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种沼气全组分热催化转化甲醇小型化设备，其中，包括依次顺序连接的气体净化单元、沼气预热器、干湿双重整反应器、第一冷凝换热单元、第一气液分离器、气体增压系统、合成气预热器、合成气制甲醇反应器、第二冷凝换热单元以及第二气液分离器；所述沼气预热器上连接有纯净水制备操作单元，所述第一冷凝换热单元和第二冷凝换热单元的水路出水端均与所述沼气预热器连接，所述第一气液分离器的水路出水端与所述第二冷凝换热单元的水路入水端连接，所述第二气液分离器的气路出气端与所述气体增压系统连接。该设备运行时，将现场沼气(主要成分为H₂O、H₂S、CH₄和CO₂)经过动力设备抽送至气体净化单元进行净化，去除一些不必要的杂质，得到净化沼气(主要成分为CH₄和CO₂)；然后进入沼气预热器预热到重整操作的反应温度，紧接着进入干湿双重整反应器进行第一步催化反应，将净化沼气转化为合成气(主要成分为H₂O、H₂、CO和CO₂)，该反应要在较高温度下进行，一般在800℃左右。由于净化沼气在干湿双重整反应器进行第一步催化反应时是需要纯净水的，所以沼气预热器上连接的纯净水制备操作单元就可以为反应提供足够量的纯净水。转化成的高温合成气经过第一冷凝换热单元降温冷却至较低温度，一般在30℃左右，析出其中的水分，并通过第一气液分离器分离出其中的水分，之后去除水分的合成气经过气体增压系统的增压后进入合成气预热器预热到转化甲醇反应所需的温度，然后进入合成气制甲醇反应器中，CO、CO₂与H ₂反应生成甲醇和水，最后反应完的产物经过第二冷凝换热单元和第二气液分离器实现未反应气与反应产物的分离，分离后甲醇和水作为产物自动排出；由于所述第二气液分离器的气路出气端与所述气体增压系统连接，所以经过第二气液分离器分离出的未反应气可以进入气体增压系统进行重复利用。

本实用新型中，在沼气转化甲醇的生产过程中，合成气经过第一冷凝换热单元和第一气液分离器分离出其中的水分，分离出的水分温度较低，并且由于所述第一气液分离器的水路出水端与所述第二冷凝换热单元的水路入水端连接，所以分离出的水分可以作为第二冷凝换热单元的冷凝水使用，充分合理利用水资源，以实现节约用水。另外，由于沼气预热器需要将沼气预热到一个较高的反应温度，一般在800℃左右，所以需要大量的热量；而第一冷凝换热单元和第二冷凝换热单元出来的冷凝水具有较高的温度，含有大量的热量，所以将所述第一冷凝换热单元和第二冷凝换热单元的水路出水端均与所述沼气预热器连接，可以充分回收第一冷凝换热单元和第二冷凝换热单元出来的冷凝水中的热量来供沼气预热器使用，节约能源。

进一步的，所述第一冷凝换热单元包括串联的第一热量回收换热器和第一水冷却换热器，所述干湿双重整反应器与所述第一热量回收换热器连接，所述第一水冷却换热器与所述第一气液分离器连接，所述第一水冷却换热器的水路出水端连接所述第一热量回收换热器的水路入水端，所述第一热量回收换热器的水路出水端与所述沼气预热器连接。这样，就采用了两级冷凝换热，第一热量回收换热器作为第一级冷凝换热的目的主要是实现热量的回收，第一水冷却换热器作为第二级冷凝换热的目的是进行产物的深冷，进而实现过量水的回收和产物气的分离。由于设置了两级冷凝换热，并且从干湿双重整反应器出来的合成气温度是很高的(800℃左右)，所以第一级冷凝换热时冷凝水的温度不需要很低即可实现一定热量的回收，而第二级冷凝换热是为了产物的深冷，分离出水分，所以需要的冷凝水的温度就比较低，一般在30℃左右；由于前面已经经过了第一级冷凝换热，所以第二级冷凝换热后的冷凝水的最终温度远远低于从干湿双重整反应器出来的合成气温度；因此，将所述第一水冷却换热器的水路出水端与所述第一热量回收换热器的水路入水端连接，就可以利用第二级冷凝换热后的冷凝水作为第一级冷凝换热时的冷凝水，节约水资源，并且所述第一热量回收换热器的水路出水端与所述沼气预热器连接，所以第一级冷凝换热后的冷凝水所含有的热量可以被沼气预热器回收利用，节约能源。

进一步的，所述第二冷凝换热单元包括串联的第二热量回收换热器和第二水冷却换热器，所述合成气制甲醇反应器与所述第二热量回收换热器连接，所述第二水冷却换热器与所述第二气液分离器连接，所述第一气液分离器的水路出水端与所述第二水冷却换热器的水路入水端连接，所述第二水冷却换热器的水路出水端与所述第二热量回收换热器的水路入水端连接，所述第二热量回收换热器的水路出水端与所述沼气预热器连接。与第一冷凝换热单元的工作原理相同，第二热量回收换热器的目的主要是实现热量的回收，第二水冷却换热器的目的是进行产物的深冷，进而实现未反应气和反应产物的分离。第二水冷却换热器换热后的冷凝水可以作为第二热量回收换热器的冷凝水使用，第二热量回收换热器换热后的冷凝水所含有的热量可以被沼气预热器回收利用，节约能源。

进一步的，所述气体净化单元包括串联的气体干燥罐和脱硫塔。由于现场沼气中一般都含有H₂S气体和一定的非纯净水水分，这些会影响后续的干湿双重装操作，所以设置干燥罐和脱硫塔对现场沼气进行脱水和脱硫处理，干燥罐和脱硫塔在设计时采用一用一备的设计方式，保证其脱水和脱硫效果。

进一步的，所述纯净水制备操作单元包括相互连接的纯净水制备系统和纯净水储存系统，所述纯净水储存系统通过计量输送装置与所述沼气预热器连接，为后续干湿双重整反应提供足够量的纯净水。

优选的，本实用新型还包括冷却水储备单元，所述冷却水储备单元与所述第一水冷却换热器的水路入水端连接。当然，也可以直接将第一水冷却换热器的水路入水端与外部水源连接。

优选的，本实用新型还包括供热燃烧锅炉单元，所述供热燃烧锅炉单元分别与所述沼气预热器、干湿双重整反应器以及合成气预热器连接，为所述沼气预热器、干湿双重整反应器和合成气预热器提供必要的热量。供热燃烧锅炉单元的燃料可以采用气体净化单元处理后的净化沼气，也即气体净化单元处理后的净化沼气一部分作为燃料进入供热燃烧锅炉单元作为燃料，为反应提供热量；另外一部分作为干湿双重整的反应气体。

进一步的，所述干湿双重整反应器采用二氧化碳-甲烷干法重整以及水-甲烷湿法重整联合双重整的操作方式。在此重整过程中约1/3的甲烷参与二氧化碳-甲烷的干法重整，2/3的甲烷参与水-甲烷的湿法重整，所得合成气的氢碳比约为2.2:1，符合合成气制甲醇及未转化气回收的需求。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果：

本实用新型克服了沼气产地和利用设施之间所产生的时间和空间差异的缺陷，提供一种沼气全组分热催化转化甲醇小型化设备。本实用新型完美解决了产地以及利用设施的差异性，克服了时间和空间的限制即产即用，摆脱了中间过程转化的繁琐，一步得到了所需的重要产品甲醇。并且小型化设备具有模块化方式可以根据产能不同的需要进行相应的组合以达到不同要求下的应用需求。

附图说明

图1是本实用新型实施例1的整体结构示意图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

实施例1

如图1所示，一种沼气全组分热催化转化甲醇小型化设备，其中，包括依次顺序连接的气体净化单元1、沼气预热器2、干湿双重整反应器3、第一冷凝换热单元、第一气液分离器4、气体增压系统5、合成气预热器6、合成气制甲醇反应器7、第二冷凝换热单元以及第二气液分离器8；沼气预热器2上连接有纯净水制备操作单元9，第一冷凝换热单元和第二冷凝换热单元的水路出水端均与沼气预热器2连接，第一气液分离器4的水路出水端与第二冷凝换热单元的水路入水端连接，第二气液分离器8的气路出气端与气体增压系统5连接。该设备运行时，将现场沼气经过动力设备抽送至气体净化单元1进行净化，去除一些不必要的杂质；然后进入沼气预热器2预热到重整操作的反应温度，紧接着进入干湿双重整反应器3进行第一步催化反应，将原料沼气转化为合成气，由于沼气在干湿双重整反应器3进行第一步催化反应时是需要纯净水的，所以沼气预热器2上连接的纯净水制备操作单元9就可以为反应提供足够量的纯净水；合成气经过第一冷凝换热单元和第一气液分离器4分离出其中的水分，之后去除水分的合成气经过气体增压系统5的增压后进入合成气预热器6预热到转化甲醇反应所需的温度，然后进入合成气制甲醇反应器7进行反应生成甲醇，该反应同时伴有水生成，最后反应完的产物经过第二冷凝换热单元和第二气液分离器8实现未反应气与反应产物的分离，分离后甲醇和水作为产物自动排出；由于第二气液分离器8的气路出气端与气体增压系统5连接，所以经过第二气液分离器8分离出的未反应气可以进入气体增压系统5进行重复利用。

本实施例中，在沼气转化甲醇的生产过程中，合成气经过第一冷凝换热单元和第一气液分离器4分离出其中的水分，分离出的水分温度较低，并且由于第一气液分离器4的水路出水端与第二冷凝换热单元的水路入水端连接，所以分离出的水分可以作为第二冷凝换热单元的冷凝水使用，充分合理利用水资源，以实现节约用水。另外，由于沼气预热器2需要将沼气预热到一个较高的反应温度，一般在800℃左右，所以需要大量的热量；而第一冷凝换热单元和第二冷凝换热单元出来的冷凝水具有较高的温度，含有大量的热量，所以将第一冷凝换热单元和第二冷凝换热单元的水路出水端均与沼气预热器2连接，可以充分回收第一冷凝换热单元和第二冷凝换热单元出来的冷凝水中的热量来供沼气预热器2使用，节约能源。

如图1所示，第一冷凝换热单元包括串联的第一热量回收换热器10和第一水冷却换热器11，干湿双重整反应器3与第一热量回收换热器10连接，第一水冷却换热器11与第一气液分离器4连接，第一水冷却换热器11的水路出水端连接第一热量回收换热器10的水路入水端，第一热量回收换热器10的水路出水端与沼气预热器2连接。这样，就采用了两级冷凝换热，第一热量回收换热器10作为第一级冷凝换热的目的主要是实现热量的回收，第一水冷却换热器11作为第二级冷凝换热的目的是进行产物的深冷，进而实现过量水的回收和产物气的分离。由于设置了两级冷凝换热，并且从干湿双重整反应器3出来的合成气温度是很高的(800℃左右)，所以第一级冷凝换热时冷凝水的温度不需要很低即可实现一定热量的回收，而第二级冷凝换热是为了产物的深冷，分离出水分，所以需要的冷凝水的温度就比较低，一般在30℃左右；由于前面已经经过了第一级冷凝换热，所以第二级冷凝换热后的冷凝水的最终温度远远低于从干湿双重整反应器3出来的合成气温度；因此，将第一水冷却换热器11的水路出水端与第一热量回收换热器10的水路入水端连接，就可以利用第二级冷凝换热后的冷凝水作为第一级冷凝换热时的冷凝水，节约水资源，并且第一热量回收换热器10的水路出水端与沼气预热器2连接，所以第一级冷凝换热后的冷凝水所含有的热量可以被沼气预热器2回收利用，节约能源。

如图1所示，第二冷凝换热单元包括串联的第二热量回收换热器12和第二水冷却换热器13，合成气制甲醇反应器7与第二热量回收换热器12连接，第二水冷却换热器13与第二气液分离器8连接，第一气液分离器4的水路出水端与第二水冷却换热器13的水路入水端连接，第二水冷却换热器13的水路出水端与第二热量回收换热器12的水路入水端连接，第二热量回收换热器12的水路出水端与沼气预热器2连接。与第一冷凝换热单元的工作原理相同，第二热量回收换热器12的目的主要是实现热量的回收，第二水冷却换热器13的目的是进行产物的深冷，进而实现未反应气和反应产物的分离。第二水冷却换热器13换热后的冷凝水可以作为第二热量回收换热器12的冷凝水使用，第二热量回收换热器12换热后的冷凝水所含有的热量可以被沼气预热器2回收利用，节约能源。

本实施例中，气体净化单元1包括串联的气体干燥罐和脱硫塔。由于现场沼气中一般都含有H₂S气体和一定的非纯净水水分，这些会影响后续的干湿双重装操作，所以设置干燥罐和脱硫塔对现场沼气进行脱水和脱硫处理，干燥罐和脱硫塔在设计时采用一用一备的设计方式，保证其脱水和脱硫效果。

本实施例中，纯净水制备操作单元9包括相互连接的纯净水制备系统和纯净水储存系统，纯净水储存系统通过计量输送装置与沼气预热器2连接，为后续干湿双重整反应提供足够量的纯净水。

本实施例中，直接将第一水冷却换热器11的水路入水端与外部水源连接；沼气预热器2、干湿双重整反应器3以及合成气预热器6直接与外部热源连接或者各自自带热源。

本实施例中，干湿双重整反应器3采用二氧化碳-甲烷干法重整以及水-甲烷湿法重整联合双重整的操作方式。在此重整过程中约1/3的甲烷参与二氧化碳-甲烷的干法重整，2/3的甲烷参与水-甲烷的湿法重整，所得合成气的氢碳比约为2.2:1，符合合成气制甲醇及未转化气回收的需求。

实施例2

本实施例与实施例1类似，其区别在于，本实施例还包括冷却水储备单元，冷却水储备单元与第一水冷却换热器11的水路入水端连接。本实施例还包括供热燃烧锅炉单元，供热燃烧锅炉单元分别与沼气预热器2、干湿双重整反应器3以及合成气预热器6连接，为沼气预热器2、干湿双重整反应器3和合成气预热器6提供必要的热量。供热燃烧锅炉单元的燃料可以采用气体净化单元1处理后的净化沼气，也即气体净化单元1处理后的净化沼气一部分作为燃料进入供热燃烧锅炉单元作为燃料，为反应提供热量；另外一部分作为干湿双重整的反应气体。

本实施例其他部分的结构及工作原理与实施例1相同。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为了清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种沼气全组分热催化转化甲醇小型化设备，其特征在于，包括依次顺序连接的气体净化单元(1)、沼气预热器(2)、干湿双重整反应器(3)、第一冷凝换热单元、第一气液分离器(4)、气体增压系统(5)、合成气预热器(6)、合成气制甲醇反应器(7)、第二冷凝换热单元以及第二气液分离器(8)；所述沼气预热器(2)上连接有纯净水制备操作单元(9)，所述第一冷凝换热单元和第二冷凝换热单元的水路出水端均与所述沼气预热器(2)连接，所述第一气液分离器(4)的水路出水端与所述第二冷凝换热单元的水路入水端连接，所述第二气液分离器(8)的气路出气端与所述气体增压系统(5)连接。

2.根据权利要求1所述的一种沼气全组分热催化转化甲醇小型化设备，其特征在于，所述第一冷凝换热单元包括串联的第一热量回收换热器(10)和第一水冷却换热器(11)，所述干湿双重整反应器(3)与所述第一热量回收换热器(10)连接，所述第一水冷却换热器(11)与所述第一气液分离器(4)连接，所述第一水冷却换热器(11)的水路出水端连接所述第一热量回收换热器(10)的水路入水端，所述第一热量回收换热器(10)的水路出水端与所述沼气预热器(2)连接。

3.根据权利要求2所述的一种沼气全组分热催化转化甲醇小型化设备，其特征在于，所述第二冷凝换热单元包括串联的第二热量回收换热器(12)和第二水冷却换热器(13)，所述合成气制甲醇反应器(7)与所述第二热量回收换热器(12)连接，所述第二水冷却换热器(13)与所述第二气液分离器(8)连接，所述第一气液分离器(4)的水路出水端与所述第二水冷却换热器(13)的水路入水端连接，所述第二水冷却换热器(13)的水路出水端与所述第二热量回收换热器(12)的水路入水端连接，所述第二热量回收换热器(12)的水路出水端与所述沼气预热器(2)连接。

4.根据权利要求1所述的一种沼气全组分热催化转化甲醇小型化设备，其特征在于，所述气体净化单元(1)包括串联的气体干燥罐和脱硫塔。

5.根据权利要求1所述的一种沼气全组分热催化转化甲醇小型化设备，其特征在于，所述纯净水制备操作单元(9)包括相互连接的纯净水制备系统和纯净水储存系统，所述纯净水储存系统通过计量输送装置与所述沼气预热器(2)连接。

6.根据权利要求3所述的一种沼气全组分热催化转化甲醇小型化设备，其特征在于，还包括冷却水储备单元，所述冷却水储备单元与所述第一水冷却换热器(11)的水路入水端连接。

7.根据权利要求3所述的一种沼气全组分热催化转化甲醇小型化设备，其特征在于，还包括供热燃烧锅炉单元，所述供热燃烧锅炉单元分别与所述沼气预热器(2)、干湿双重整反应器(3)以及合成气预热器(6)连接，为所述沼气预热器(2)、干湿双重整反应器(3)和合成气预热器(6)提供必要的热量。

8.根据权利要求1到7任一所述的一种沼气全组分热催化转化甲醇小型化设备，其特征在于，所述干湿双重整反应器(3)采用二氧化碳-甲烷干法重整以及水-甲烷湿法重整联合双重整的操作方式。

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