CN217266051U - 一种动态调节电解制氢与煤制甲醇耦合的系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开的一种动态调节电解制氢与煤制甲醇耦合的系统，属于煤化工技术领域。包括水煤浆制备单元、空分单元、储氧单元、煤气化单元、水煤气变换单元、低温甲醇洗单元、配气单元、甲醇合成单元、甲醇精馏单元、余热发电及蒸汽回收单元、配电单元、供水单元、电解制氢单元和储氢单元。本实用新型能够实现甲醇产量的提高与CO2排放的降低，实现煤炭资源的充分利用与能量的高效利用；同时能够动态地调节电解制氢与水煤气变换单元的负荷，使之与可再生电能供应量相匹配，实现可再生电能的消纳与甲醇产量的增加。
Description
技术领域
本实用新型属于煤化工技术领域，具体涉及一种动态调节电解制氢与煤制甲醇耦合的系统。
背景技术
随着全球经济的不断发展，源于人类活动的CO2排放量逐年上升，截至2020 年，全球大气CO2平均浓度已达412ppm，由CO2等温室气体引起的全球气候变化给人类的持续发展带来了重大挑战。
甲醇是重要的基础化工产品，因甲醇合成主要依靠煤制甲醇技术，单位产品CO2排放量为3.4～5.4吨CO2/吨甲醇，因此每年煤制甲醇行业CO2排放量超 2亿吨，是主要的工业碳排放源之一，也是具有巨大减排潜力的行业之一。传统煤制甲醇装置在煤气化过程后产生的CO与H2比例较高，不适于直接进行甲醇合成，因此需要通过水煤气变换，使CO与H2O发生产应生成氢气与CO2以提高H2的比例，在此过程中需要消耗部分能量并消耗大量原本可用于甲醇合成的 CO，因此造成能耗高与原料利用率低的问题。
发明内容
为了解决上述问题，本实用新型的目的在于提供一种动态调节电解制氢与煤制甲醇耦合的系统，能够实现甲醇产量的提高与CO2排放的降低，实现煤炭资源的充分利用与能量的高效利用；同时能够动态地调节电解制氢与水煤气变换单元的负荷，使之与可再生电能供应量相匹配，实现可再生电能的消纳与甲醇产量的增加。
本实用新型是通过以下技术方案来实现：
本实用新型公开了一种动态调节电解制氢与煤制甲醇耦合的系统，包括水煤浆制备单元、空分单元、储氧单元、煤气化单元、水煤气变换单元、低温甲醇洗单元、配气单元、甲醇合成单元、甲醇精馏单元、余热发电及蒸汽回收单元、配电单元、供水单元、电解制氢单元和储氢单元；
水煤浆制备单元的出口与煤气化单元的原料入口连接，空分单元的氧气出口与储氧单元的入口连接，储氧单元的氧气出口与煤气化单元的氧气入口连接，煤气化单元的出口分别与水煤气变换单元和低温甲醇洗单元的入口连接，水煤气变换单元的出口与低温甲醇洗单元的入口连接，低温甲醇洗单元的煤气出口与配气单元的煤气入口连接，配气单元的出口与甲醇合成单元的入口连接，甲醇合成单元的出口与甲醇精馏单元的入口连接，煤气化单元、低温甲醇洗单元和甲醇合成单元分别通过余热管路与余热发电及蒸汽回收单元连接，余热发电及蒸汽回收单元通过输电线路与配电单元连接，余热发电及蒸汽回收单元的冷凝水出口与供水单元的入口连接，配电单元通过电源接口与电网连接，并且通过输电线路与电解制氢单元连接，供水单元的出口与电解制氢单元的纯水入口连接，电解制氢单元的氧气出口与储氧单元的入口连接，电解制氢单元的氢气出口与储氢单元的入口连接，储氢单元的氢气出口与配气单元的氢气入口连接。
优选地，煤气化单元的出口连接有三通控制阀，三通控制阀的第一出口和第二出口分别与水煤气变换单元和低温甲醇洗单元的入口连接。
优选地，储氧单元与煤气化单元之间的管路上设有氧气控制阀，水煤浆制备单元与煤气化单元之间的管路上设有水煤浆控制阀。
优选地，储氢单元与配气单元之间的管路上设有氢气控制阀，低温甲醇洗单元与配气单元之间的管路上设有煤气控制阀。
优选地，供水单元的出口连接有三通控制阀，三通控制阀的第一出口与电解制氢单元的纯水入口连接，第二出口与余热发电及蒸汽回收单元的水入口连接。
优选地，配气单元包括混气装置和储气装置，混气装置的氢气入口与储氢单元的氢气出口连接，混气装置的煤气入口与低温甲醇洗单元的煤气出口连接，混气装置的出口与储气装置的入口连接，储气装置的出口与甲醇合成单元的入口连接。
优选地，配电单元包括储能装置，储能装置分别与余热发电及蒸汽回收单元和电解制氢单元连接。
优选地，储氧单元和储氢单元均设有温度监测装置、压力监测装置和安全阀。
与现有技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果：
本实用新型公开的一种动态调节电解制氢与煤制甲醇耦合的系统，在原有煤制甲醇装置基础上增加余热发电及蒸汽回收单元、配电单元、供水单元和电解制氢单元，甲醇利用现有合成装置进行合成与提纯，可大幅减少设备投资，同时电解制氢单元产生的氧气可用于煤气化单元运行，降低了空分单元的负荷，节约了能源，降低了运行成本。系统通过减少粗煤气的水煤气变换，降低CO消耗，同时以电解制氢来补充甲醇合成所需的氢元素以实现煤炭原料利用率与能量利用率的提高。因风电、光伏、水电等能源具有波动性的特征，系统能够动态地调节电解制氢与水煤气变换单元的负荷，使之与可再生电能供应量相匹配，实现可再生电能的消纳与甲醇产量的增加。同时，对于煤气化单元、水煤气变换单元和甲醇合成单元在工作时释放的热量进行了充分利用，所产生电能和水用于供给电解制氢，节约了电能和水资源。
进一步地，煤气化单元的出口连接有三通控制阀，三通控制阀的第一出口和第二出口分别与水煤气变换单元和低温甲醇洗单元的入口连接，能够对水煤气变换单元的负荷进行灵活调整，根据需要调节甲醇的产量。
进一步地，储氧单元与煤气化单元之间的管路上设有氧气控制阀，水煤浆制备单元与煤气化单元之间的管路上设有水煤浆控制阀，能够调节进入煤气化单元的氧气和水煤浆的量，控制煤气化单元的反应进度。
进一步地，储氢单元与配气单元之间的管路上设有氢气控制阀，低温甲醇洗单元与配气单元之间的管路上设有煤气控制阀，能够调节进入配气单元的氢气和煤气的比例，控制后续甲醇合成单元的反应进度。
进一步地，供水单元的出口连接有三通控制阀，三通控制阀的第一出口与电解制氢单元的纯水入口连接，第二出口与余热发电及蒸汽回收单元的水入口连接，能够调节电解制氢单元的纯水供应量，多余的纯水可返回用于产生蒸汽。
进一步地，配气单元包括混气装置和储气装置，能够使氢气和煤气在混气装置中进行充分混合并预先储存在储气装置中，控制后续甲醇合成单元的反应进度。
进一步地，配电单元包括储能装置，根据电解制氢单元的负荷动态调整所需补充电能的电量，对多余电量进行储存。
进一步地，储氧单元和储氢单元均设有温度监测装置、压力监测装置和安全阀，能够对温度和压力进行实时监测，并在必要时通过安全阀泄压，提高系统运行的安全性和稳定性。
附图说明
图1为本实用新型的动态调节电解制氢与煤制甲醇耦合的系统整体结构示意图；
图2为对比例的系统整体结构示意图。
图中：1为水煤浆制备单元、2为空分单元、3为储氧单元、4为煤气化单元、5为水煤气变换单元、6为低温甲醇洗单元、7为配气单元、8为甲醇合成单元、9为甲醇精馏单元、10为余热发电及蒸汽回收单元、11为配电单元、12 为供水单元、13为电解制氢单元、14为储氢单元。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步详细描述，其内容是对本实用新型的解释而不是限定：
如图1，为本实用新型的动态调节电解制氢与煤制甲醇耦合的系统，包括水煤浆制备单元1、空分单元2、储氧单元3、煤气化单元4、水煤气变换单元5、低温甲醇洗单元6、配气单元7、甲醇合成单元8、甲醇精馏单元9、余热发电及蒸汽回收单元10、配电单元11、供水单元12、电解制氢单元13和储氢单元 14。
水煤浆制备单元1的出口与煤气化单元4的原料入口连接，空分单元2的氧气出口与储氧单元3的入口连接，储氧单元3的氧气出口与煤气化单元4的氧气入口连接，煤气化单元4的出口分别与水煤气变换单元5和低温甲醇洗单元6的入口连接，水煤气变换单元5的出口与低温甲醇洗单元6的入口连接，低温甲醇洗单元6的煤气出口与配气单元7的煤气入口连接，配气单元7的出口与甲醇合成单元8的入口连接，甲醇合成单元8的出口与甲醇精馏单元9的入口连接，煤气化单元4、低温甲醇洗单元6和甲醇合成单元8分别通过余热管路与余热发电及蒸汽回收单元10连接，余热发电及蒸汽回收单元10通过输电线路与配电单元11连接，余热发电及蒸汽回收单元10的冷凝水出口与供水单元12的入口连接，配电单元11通过电源接口与电网连接，并且通过输电线路与电解制氢单元13连接，供水单元12的出口与电解制氢单元13的纯水入口连接，电解制氢单元13的氧气出口与储氧单元3的入口连接，电解制氢单元13 的氢气出口与储氢单元14的入口连接，储氢单元14的氢气出口与配气单元7的氢气入口连接。
在本实用新型的一个较优的实施例中，煤气化单元4的出口连接有三通控制阀，三通控制阀的第一出口和第二出口分别与水煤气变换单元5和低温甲醇洗单元6的入口连接。
在本实用新型的一个较优的实施例中，储氧单元3与煤气化单元4之间的管路上设有氧气控制阀，水煤浆制备单元1与煤气化单元4之间的管路上设有水煤浆控制阀。
在本实用新型的一个较优的实施例中，储氢单元14与配气单元7之间的管路上设有氢气控制阀，低温甲醇洗单元6与配气单元7之间的管路上设有煤气控制阀。
在本实用新型的一个较优的实施例中，供水单元12的出口连接有三通控制阀，三通控制阀的第一出口与电解制氢单元13的纯水入口连接，第二出口与余热发电及蒸汽回收单元10的水入口连接。
在本实用新型的一个较优的实施例中，配气单元7包括混气装置和储气装置，混气装置的氢气入口与储氢单元14的氢气出口连接，混气装置的煤气入口与低温甲醇洗单元6的煤气出口连接，混气装置的出口与储气装置的入口连接，储气装置的出口与甲醇合成单元8的入口连接。
在本实用新型的一个较优的实施例中，配电单元11包括储能装置，储能装置分别与余热发电及蒸汽回收单元10和电解制氢单元13连接。
在本实用新型的一个较优的实施例中，储氧单元3和储氢单元14均设有温度监测装置、压力监测装置和安全阀。
上述的动态调节电解制氢与煤制甲醇耦合的系统的工作方法：
水煤浆制备单元1制得的水煤浆通入煤气化单元4，空分单元2分离出的氧气通入储氧单元3进行储存与缓冲，储氧单元3的氧气出口与煤气化单元4连接提供煤气化所需氧气，煤气化单元4产生的粗煤气进入水煤气变换单元5进行水煤气变换调整CO与H2比例，变换后的气体通入低温甲醇洗单元6去除煤气或变换气中的酸性气体与杂质实现气体的净化，净化后的气体通入配气单元7 调整适于甲醇合成的合成气比例，调整后的合成气通入甲醇合成单元8进行甲醇合成，合成出的粗甲醇通入甲醇精馏单元9进行精馏纯化，最终得到合格的甲醇产品。煤气化单元4、水煤气变换单元5与甲醇合成单元8在工作时会释放大量热量，热量被取出后产生过热蒸汽通入余热发电及蒸汽回收单元10可回收其中能量发电，电能通过输电线路至配电单元11供电解制氢使用，不足的电能可由电网补充。冷凝后的脱盐水通入供水单元12供电解制氢使用，电解制氢单元13电解纯水得到氢气与氧气，氧气通入储氧单元3可供煤气化使用，氢气通入储氢单元14，储氢单元14中的氢气通入配气单元7调整CO：H2为1:2即可供甲醇合成使用。
水煤气变换单元5的负荷可在0～100％之间调整；当水煤气变换单元5负荷最低时，煤气化单元4产生的粗煤气全部进入低温甲醇洗单元6；当水煤气变换单元5负荷最高时，煤气化单元4产生的粗煤气全部进入水煤气变换单元5，电解制氢单元13切出系统；水煤气变换单元5在最低负荷下系统的甲醇产量为最高负荷下系统的甲醇产量的2倍。
实施例
水煤浆制备单元1对原料煤进行破碎并与水混合制备水煤浆用于煤气化单元4，投煤量为146.6t/h。空分单元2产生的O2与电解制氢单元13产生的O2进入储氧单元3进行收集，随后通入煤气化单元4与水煤浆制备单元1产生的水煤浆进行煤气化反应。煤中的碳被部分氧化生成H2、CO、CO2和H2O以及其它如H2S、CH4等气体共同组成粗煤气。粗煤气经三通控制阀，将18.3％的粗煤气通过旁路直接送入低温甲醇洗单元6，将剩余81.7％粗煤气通入水煤气变换单元5，粗煤气在催化剂的作用下发生变换反应，其中的CO与H2O发生反应，生成CO2与H2。经过变换后的气体经低温甲醇洗单元6进行净化处理去除CO2和 H2S等杂质，此时CO与H2摩尔比为1:1.67，经净化处理后的煤气通入配气单元7，配气单元通过储氢单元14提供氢气调节CO与H2摩尔比至1:2的合成气，随后将合成气送入甲醇合成单元8进行甲醇合成，合成得到的粗甲醇送往甲醇精馏单元9进行提纯，最终得到合格的甲醇产品；煤气化单元4，水煤气变换单元5和甲醇合成单元8产生的余热通过蒸汽换热输送至余热发电及蒸汽回收单元10进行发电实现能量回收与脱盐水回收，脱盐水水质符合水电解制氢系统技术要求(GB/T19774-2005)的要求，回收的电能与脱盐水可用于电解制氢单元13 进行电解水制氢，电解制氢不足的电能从电网补充。
经检测，该系统每小时甲醇产量为100t。
对比例
如图2，该系统不包括余热发电及蒸汽回收单元10、配电单元11、供水单元12和电解制氢单元13。
水煤浆制备单元1对原料煤进行破碎并与水混合制备水煤浆用于煤气化单元4，投煤量为146.6t/h。空分单元2产生的O2与电解制氢单元13产生的O2进入储氧单元3进行收集，随后通入煤气化单元4与水煤浆制备单元1产生的水煤浆进行煤气化反应。煤中的碳被部分氧化生成H2、CO、CO2和H2O以及其它如H2S、CH4等气体共同组成粗煤气。粗煤气经三通控制阀，全部通入水煤气变换单元5，粗煤气在催化剂的作用下发生变换反应，其中的CO与H2O发生反应，生成CO2与H2，控制变换反应的条件使得变换后CO和H2的摩尔比为1:2。经过变换后的气体经低温甲醇洗单元6进行净化处理去除CO2和H2S等杂质，经净化处理后的合成气通入配气单元7，配气单元无需额外氢气补充调节合成气比例，随后合成气送入甲醇合成单元8进行甲醇合成，合成得到的粗甲醇送往甲醇精馏单元9进行提纯，最终得到合格的甲醇产品。
经检测，该系统每小时甲醇产量为84t。
实施例与对比例相比，在没有电解制氢介入的传统煤制甲醇系统上每小时甲醇产量为84t/h，而在本实用新型的动态调节的电解制氢与传统煤制甲醇耦合的系统上，甲醇产量增加了16t/h至100t/h，产量增加了约19％。
以上所述，仅为本实用新型实施方式中的部分，本实用新型中虽然使用了部分术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了方便的描述和解释本实用新型的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本实用新型精神相违背的。以上所述仅以实施例来进一步说明本实用新型的内容，以便于更容易理解，但不代表本实用新型的实施方式仅限于此，任何依本实用新型所做的技术延伸或再创造，均受本实用新型的保护。
Claims (8)
1.一种动态调节电解制氢与煤制甲醇耦合的系统，其特征在于，包括水煤浆制备单元(1)、空分单元(2)、储氧单元(3)、煤气化单元(4)、水煤气变换单元(5)、低温甲醇洗单元(6)、配气单元(7)、甲醇合成单元(8)、甲醇精馏单元(9)、余热发电及蒸汽回收单元(10)、配电单元(11)、供水单元(12)、电解制氢单元(13)和储氢单元(14)；
水煤浆制备单元(1)的出口与煤气化单元(4)的原料入口连接，空分单元(2)的氧气出口与储氧单元(3)的入口连接，储氧单元(3)的氧气出口与煤气化单元(4)的氧气入口连接，煤气化单元(4)的出口分别与水煤气变换单元(5)和低温甲醇洗单元(6)的入口连接，水煤气变换单元(5)的出口与低温甲醇洗单元(6)的入口连接，低温甲醇洗单元(6)的煤气出口与配气单元(7)的煤气入口连接，配气单元(7)的出口与甲醇合成单元(8)的入口连接，甲醇合成单元(8)的出口与甲醇精馏单元(9)的入口连接，煤气化单元(4)、低温甲醇洗单元(6)和甲醇合成单元(8)分别通过余热管路与余热发电及蒸汽回收单元(10)连接，余热发电及蒸汽回收单元(10)通过输电线路与配电单元(11)连接，余热发电及蒸汽回收单元(10)的冷凝水出口与供水单元(12)的入口连接，配电单元(11)通过电源接口与电网连接，并且通过输电线路与电解制氢单元(13)连接，供水单元(12)的出口与电解制氢单元(13)的纯水入口连接，电解制氢单元(13)的氧气出口与储氧单元(3)的入口连接，电解制氢单元(13)的氢气出口与储氢单元(14)的入口连接，储氢单元(14)的氢气出口与配气单元(7)的氢气入口连接。
2.根据权利要求1所述的动态调节电解制氢与煤制甲醇耦合的系统，其特征在于，煤气化单元(4)的出口连接有三通控制阀，三通控制阀的第一出口和第二出口分别与水煤气变换单元(5)和低温甲醇洗单元(6)的入口连接。
3.根据权利要求1所述的动态调节电解制氢与煤制甲醇耦合的系统，其特征在于，储氧单元(3)与煤气化单元(4)之间的管路上设有氧气控制阀，水煤浆制备单元(1)与煤气化单元(4)之间的管路上设有水煤浆控制阀。
4.根据权利要求1所述的动态调节电解制氢与煤制甲醇耦合的系统，其特征在于，储氢单元(14)与配气单元(7)之间的管路上设有氢气控制阀，低温甲醇洗单元(6)与配气单元(7)之间的管路上设有煤气控制阀。
5.根据权利要求1所述的动态调节电解制氢与煤制甲醇耦合的系统，其特征在于，供水单元(12)的出口连接有三通控制阀，三通控制阀的第一出口与电解制氢单元(13)的纯水入口连接，第二出口与余热发电及蒸汽回收单元(10)的水入口连接。
6.根据权利要求1所述的动态调节电解制氢与煤制甲醇耦合的系统，其特征在于，配气单元(7)包括混气装置和储气装置，混气装置的氢气入口与储氢单元(14)的氢气出口连接，混气装置的煤气入口与低温甲醇洗单元(6)的煤气出口连接，混气装置的出口与储气装置的入口连接，储气装置的出口与甲醇合成单元(8)的入口连接。
7.根据权利要求1所述的动态调节电解制氢与煤制甲醇耦合的系统，其特征在于，配电单元(11)包括储能装置，储能装置分别与余热发电及蒸汽回收单元(10)和电解制氢单元(13)连接。
8.根据权利要求1所述的动态调节电解制氢与煤制甲醇耦合的系统，其特征在于，储氧单元(3)和储氢单元(14)均设有温度监测装置、压力监测装置和安全阀。
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