CN219168388U - 一种新型二氧化碳加氢制备甲醇的生产系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种新型二氧化碳加氢制备甲醇的生产系统，包括焚烧系统、膜分离系统、制氢系统和甲醇合成系统；所述焚烧系统产出净化的燃烧烟气；所述膜分离系统包括多级膜分离器，所述多级膜分离器接受燃烧烟气并逐级分离出O₂、CO₂；所述制氢系统包括电解槽以及为电解槽供直流电的清洁发电系统，所述电解槽分别与产出H₂的H₂分离器、产出O₂的O₂分离器连通；所述甲醇合成系统包括甲醇合成塔，所述甲醇合成塔接受CO₂和H₂并产出粗甲醇产品。本实用新型将垃圾焚烧、二氧化碳捕集、水电解制氢、二氧化碳加氢制备甲醇进行系统耦合，实现垃圾焚烧富氧燃烧，提高垃圾焚烧效率；实现二氧化碳资源化利用和固碳减排。

Description

一种新型二氧化碳加氢制备甲醇的生产系统

技术领域

本实用新型涉及节能减排技术领域，尤其涉及一种新型二氧化碳加氢制备甲醇的生产系统。

背景技术

全球气候变暖，气候形势严峻，减少碳排放，发展绿色经济成为国际社会发展的主流，我国也出台了“碳达峰、碳中和”的新战略，减少碳排放成为电力行业的减排大趋势。减碳化工工艺可以减少工业生产中二氧化碳的排放量，但对于部分反应，二氧化碳作为产物或者副产物，其产生和排放难以避免。因此，碳资源化利用是实现碳中和目标不可或缺的环节。中国专利CN113292394B公开了“一种焦炉煤气耦合垃圾焚烧发电制甲醇装置”，包括燃烧生活垃圾进行发电的垃圾焚烧发电单元，从排放的烟气中捕集二氧化碳的二氧化碳捕集单元，以及将焦炉煤气、捕集到的二氧化碳和氧气共重整后合成为甲醇，并排出甲醇释放气的甲醇合成单元，其中，甲醇释放气部分送入到垃圾焚烧发电单元内与生活垃圾混合燃烧，该专利系统解决了焦炉煤气制备甲醇过程中的二氧化碳来源问题，充分利用了垃圾焚烧产生烟气中的二氧化碳，减少了碳排放，也解决了焦炉煤气制备甲醇过程中的副产物甲醇释放气的排放问题，将甲醇释放气燃烧，又可以用于发电，提高了发电量。该专利存在的问题在于利用焦炉煤气为原料制备甲醇，焦炉煤气的产生原料为煤炭，为化石燃料，未能在源头减少碳源引入；需要配合设置空分装置生产氧气，作为甲醇制备的反应气源，经济性不佳；工艺流程较长，需要针对煤炉气进行脱硫等操作，环保型较差。

实用新型内容

发明目的：本实用新型的目的是提供一种新型甲醇生产系统，不仅高效的实现对焚烧尾气减碳、固碳，而且能从系统中降低碳源的引入，实现清洁化生产。

技术方案：本实用新型所述的一种新型二氧化碳加氢制备甲醇的生产系统，包括：

焚烧系统，所述焚烧系统产出净化的燃烧烟气；

膜分离系统，所述膜分离系统包括多级膜分离器，所述多级膜分离器接受燃烧烟气并逐级分离出O₂、CO₂；

制氢系统，所述制氢系统包括电解槽以及为电解槽供直流电的清洁发电系统，所述电解槽分别与产出H₂的H₂分离器、产出O₂的 O₂分离器连通；

甲醇合成系统，所述甲醇合成系统包括甲醇合成塔，所述甲醇合成塔接受CO₂和H₂并产出粗甲醇产品。

优选的，所述膜分离系统还包括分别与多级膜分离器连接的N₂缓冲罐、O₂缓冲罐、CO₂缓冲罐。

优选的，所述O₂分离器通过输送管路与O₂缓冲罐连通，且输送管路内连接有洗涤器。

优选的，所述焚烧系统包括焚烧炉以及依次与焚烧炉连接的余热锅炉、烟气净化系统、压缩机、过滤器和电加热器。

优选的，所述压缩机与过滤器之间还连接有冷凝器，所述冷凝器通过冷凝水管路返液至电解槽。

优选的，所述甲醇合成系统还包括依次与甲醇合成塔连接的甲醇分离器。

优选的，所述甲醇合成塔与甲醇分离器之间管路上还连接有高温换热器和粗甲醇水冷器。

优选的，所述清洁发电系统为光伏发电系统、风力发电系统、水力发电系统之一或组合。

有益效果：与现有技术相比，本实用新型具有如下优点：1、本实用新型将垃圾焚烧、二氧化碳捕集、水电解制氢、二氧化碳加氢制备甲醇进行系统耦合，在实现垃圾焚烧富氧燃烧，提高垃圾焚烧效率的同时，达到了固碳减排、二氧化碳资源化利用的目的；2、垃圾焚烧产生的烟气中碳排放体量大，利用多级膜分离器分离收集二氧化碳、氧气、氮气，便于二氧化碳的分离、捕集以及固化减碳；3、二氧化碳加氢制备甲醇过程中，氢气原料来自于水电解过程，水电解采用光伏、风能等清洁电能电解制氢，制氢过程中无碳源引入，绿色环保，有利于提高固碳减排效果；4、该生产系统实现能量的多级回收利用，具有较好的经济效益。

附图说明

图1为本实用新型的甲醇生产系统流程示意图；

图2为图1中多级膜分离器工作原理示意图。

附图标记：1、焚烧系统；11、生活垃圾；12、焚烧炉；13、余热锅炉；14、烟气净化系统；15、压缩机；16、冷凝器；17、过滤器；18、电加热器；19、冷凝水管路；2、膜分离系统；21、多级膜分离器；22、N₂缓冲罐；23、O₂缓冲罐；24、CO₂缓冲罐；3、制氢系统；31、清洁发电系统；32、电解槽；33、H₂分离器；34、O₂分离器；35、洗涤器；36、H₂缓冲罐；4、甲醇合成系统；41、甲醇合成塔；42、高温换热器；43、粗甲醇水冷器；44、甲醇分离器；45、甲醇产品。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例的附图1-2所示，对本实用新型实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本实用新型的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

结合图1所示，本实用新型的一种新型二氧化碳加氢制备甲醇的生产系统，包括焚烧系统1、膜分离系统2、制氢系统3和甲醇合成系统4。焚烧系统1包括焚烧炉12以及依次与焚烧炉连接的余热锅炉13、烟气净化系统14、压缩机15、过滤器17和电加热器18，人类日常生活产生的生活垃圾11投入焚烧炉12中进行充分燃烧产生高温高压烟气，高温高压烟气通过余热锅炉13生产蒸汽，蒸汽驱动与余热锅炉配合设置的汽轮发电机进行发电。烟气经过余热锅炉13后压力逐步降低并伴随烟气温度降低，烟气在通过烟气净化系统14可以除去烟气中的大颗粒粉尘等杂物，经过烟气净化系统的烟气在压缩机作用下，气压得以提升。压缩机15与过滤器17之间还连接有冷凝器16，增压后的烟气通过冷凝器16将烟气中水汽冷凝后作为返液加以利用。冷凝后的烟气进入过滤器17中进一步脱出细小颗粒物。经过过滤后的燃烧烟气进入电加热器18进行加热，通过压缩机15、电加热器18后，将燃烧烟气的气压力维持在1.2-1.4MPa，温度维持在40-50℃。焚烧系统1可将生活垃圾燃烧并产出热量用于发电，燃烧烟气经过脱尘、冷凝脱水、增压后即可得到清洁的燃烧烟气。

膜分离系统2包括多级膜分离器21以及与多级膜分离器21连接的N₂缓冲罐22、O₂缓冲罐23、CO₂缓冲罐24。如图2所示，多级膜分离器的工作原理为：烟尘气体中不同气体成分在高分子膜两侧的溶解度和扩散系数不同，渗透率较快的气体组分先透过高分子膜进入低压侧，而渗透率较慢的气体组分在高压侧滞留富集。常见气体组分的渗透率由快到慢依次为：H₂O＞H₂＞CO₂＞O₂＞Ar＞CO＞CH₄＞N₂，采用不同选择性的高分子膜，利用燃烧烟气中各关键组分在一定压力下，通过高分子膜的速率不同，即可实现对燃烧烟气中不同气体组分的分离。本具体实施例中，多级膜分离器21包括至少包括三组高分子膜，燃烧烟气在一级高分子膜一侧进行气体分离，气体分子在压力作用下首先与一级高分子膜的高压侧接触，燃烧烟气在一级高分子膜的高压侧表面以不同的溶解度溶于膜内，然后在高分子膜两侧压力差的推动下，燃烧烟气中的分子以不同的速度向膜的低压侧扩散，扩散速度快的H₂O、CO₂、H₂、O₂首先通过一级高分子膜，在一级高分子膜前侧的扩散速度慢的N₂、CO等组分难以通过一级高分子膜，从而在一级高分子膜高压侧富集并通过管道进入N₂缓冲罐22中存储，作为制备液氮的原料气；经过一级高分子膜的混合气体依次经由二级高分子膜、三级高分子膜，从而实现O₂、CO₂分离并分别进入O₂缓冲罐23、CO₂缓冲罐24存储备用。经过膜分离系统2即可实现对燃烧烟气中O₂、CO₂、N₂分离富集。

制氢系统3包括电解槽32以及为电解槽供直流电的清洁发电系统31，清洁发电系统为光伏发电系统、风力发电系统、水力发电系统之一或组合，采用清洁能源发电为电解槽提供直流电能，从源头降低化石燃料的使用，从根本上减少碳的排放，进而产生更大的经济效益；清洁发电系统均可采用现有技术实现其功能。焚烧系统1中的冷凝器产出的冷凝水通过冷凝水管路19返液至电解槽32内进行充分利用，电解液在电解槽内通过直流电即可产生H₂、O₂。电解液通常采用浓度为20%-30%碱性水溶液，电解液温度为70-90℃，电解槽电耗为4.3~5kWh/m³H₂，电流效率为98%~99.9%，产品氢纯度为99.7%，产品氧纯度为99.3%。电解槽32分别与H₂分离器33、O₂分离器34连通，水电解产出的氢气和氧气分别通过H₂分离器33、O₂分离器34，而后通过洗涤器35进行洗涤，H₂、O₂分别进入H2缓冲罐36、O₂缓冲罐23进行存储，O2缓冲罐23中存储的氧气通过一次风管道作为助燃气体通入焚烧炉，提高焚烧炉的焚烧效率。

甲醇合成系统4包括甲醇合成塔41以及依次与甲醇合成塔41连接的高温换热器42、粗甲醇水冷器43、甲醇分离器44。膜分离系统2分离得到的CO₂、制氢系统3制得的H₂作为制备甲醇的原料气体，在恒温恒压反应温度约为250~350℃，反应压力为6~8MPa下，在甲醇合成塔41中反应生成甲醇、水及副反应产物，制得粗甲醇产品。粗甲醇产品通过高温换热器42、粗甲醇水冷器43、甲醇分离器44，即可制得纯度较高的甲醇产品45。

本实用新型的工作原理或工作方法：

本实用新型的二氧化碳加氢制备甲醇的生产系统，焚烧系统1作为焚烧生活垃圾发电的重要组成部分，可实现对生活垃圾的高效处理，其产出的燃烧烟气富含碳资源，如实现碳资源化利用不仅能够降低碳排放，而且可实现碳回收，从而大大降低环境污染。燃烧烟气通过膜分离系统2进行分离获得O₂、CO₂和氮源，CO₂作为制备甲醇的气源得以利用。制氢系统采用清洁发电系统作为电能供应，通过电解水产生O₂、H₂，H₂作为制备甲醇的原料气，电解产生的O₂和膜分离系统产出O₂混合可作为助燃气体返回至焚烧炉，不仅可提高焚烧炉的燃烧效率，且可降低燃烧烟气的排放量，降低垃圾焚烧烟气净化系统的负荷，同时减少了燃烧烟气中N₂比例，提高氧气和二氧化碳的分离比例，烟气排放量的减少也降低了膜分离系统的负荷。本实用新型通过绿氢与焚烧系统中分离的二氧化碳作为原料制备甲醇，不仅提高了能源利用率，而且有效的实现了固碳减排，对碳达峰、碳中和具有重要意义。

以上是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种新型二氧化碳加氢制备甲醇的生产系统，其特征在于，包括：

焚烧系统（1），所述焚烧系统（1）产出净化的燃烧烟气；

膜分离系统（2），所述膜分离系统（2）包括多级膜分离器（21），所述多级膜分离器（21）接受燃烧烟气并逐级分离出O₂、CO₂；

制氢系统（3），所述制氢系统（3）包括电解槽（32）以及为电解槽供直流电的清洁发电系统（31），所述电解槽（32）分别与产出H₂的H₂分离器（33）、产出O₂的 O₂分离器（34）连通；

甲醇合成系统（4），所述甲醇合成系统（4）包括甲醇合成塔（41），所述甲醇合成塔（41）接受CO₂和H₂并产出粗甲醇产品。

2.根据权利要求1所述的新型二氧化碳加氢制备甲醇的生产系统，其特征在于，所述膜分离系统（2）还包括分别与多级膜分离器（21）连接的N₂缓冲罐（22）、O₂缓冲罐（23）、CO₂缓冲罐（24）。

3.根据权利要求2所述的新型二氧化碳加氢制备甲醇的生产系统，其特征在于，所述O₂分离器（34）通过输送管路与O₂缓冲罐（23）连通，且输送管路内连接有洗涤器（35）。

4.根据权利要求1所述的新型二氧化碳加氢制备甲醇的生产系统，其特征在于，所述焚烧系统（1）包括焚烧炉（12）以及依次与焚烧炉连接的余热锅炉（13）、烟气净化系统（14）、压缩机（15）、过滤器（17）和电加热器（18）。

5.根据权利要求4所述的新型二氧化碳加氢制备甲醇的生产系统，其特征在于，所述压缩机（15）与过滤器（17）之间还连接有冷凝器（16），所述冷凝器（16）通过冷凝水管路（19）返液至电解槽（32）。

6.根据权利要求1所述的新型二氧化碳加氢制备甲醇的生产系统，其特征在于，所述甲醇合成系统（4）还包括依次与甲醇合成塔（41）连接的甲醇分离器（44）。

7.根据权利要求6所述的新型二氧化碳加氢制备甲醇的生产系统，其特征在于，所述甲醇合成塔（41）与甲醇分离器（44）之间管路上还连接有高温换热器（42）和粗甲醇水冷器（43）。

8.根据权利要求1所述的新型二氧化碳加氢制备甲醇的生产系统，其特征在于，所述清洁发电系统为光伏发电系统、风力发电系统、水力发电系统之一或组合。

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