WO2023029151A1 - 一种利用有机废弃物实现碳氢循环利用的方法和系统 - Google Patents
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- Carbon neutrality is a major national strategic decision.
- One of the requirements for achieving carbon neutrality is to reshape the low-carbon industrial process, and the clean synthesis gas preparation process is the basis for realizing green and low-carbon chemical industry.
- Providing green and low-carbon carbon and hydrogen sources is a sustainable and safe way to reduce CO2 emissions.
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Abstract
一种利用有机废弃物实现碳氢循环利用的方法和系统。有机废弃物首先进行粗碎和干燥预处理，然后进行热解，将干燥过程中产生的H 2O与捕集的CO 2，与有机废弃物热解产物混合后进行气化重整，生产合成气用于合成甲醇和氨，进一步合成有机原料和化工产品，以甲醇或氨为原料的有机产品及其衍生物使用废弃后可采用上述方法进行碳氢元素的循环利用。所述系统包括：有机废弃物预处理系统、热解系统、烟气处理系统、CO 2储存装置、气化重整系统、合成气净化系统、气体分离系统、空分系统、合成甲醇（氨）系统和有机废弃物循环回收系统。该方法和系统可实现CO 2减排，减少化石资源消耗，并消纳有机废弃物。
Description
本发明属于能源、化工和循环经济领域，具体涉及一种利用有机废弃物实现碳氢循环利用的方法和系统。
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
目前，有机产品的生产和有机废弃物的处理存在温室气体排放量大、资源循环利用水平较低等问题。
从生产过程来看，有机工业材料、生活用品的生产消耗了大量化石原料，并且排放了大量CO
2与大气污染物。以甲醇和氨这两种重要化工原料为例。目前甲醇合成气主要通过煤炭或天然气等化石原料制备，某些地区由于天然气资源的限制，大部分合成气通过煤炭气化的方法制备。为了调整煤炭中过高的碳氢比，大量的碳在制备合成气的过程中以CO
2的形式排放到大气中。根据目前的技术水平，以煤和以天然气为原料的生产工艺每生产1吨甲醇，分别向大气中排放约7.4吨和3.9吨CO
2，并且生产过程伴有SO
2、NO
x和烟尘的排放。目前氨主要以煤为原料制备。按照煤制合成氨的行业平均水平，生产1吨氨需要原料煤约2.5吨，合成能耗约为1.3～1.6吨标准煤，约向大气排放8.4吨CO
2，且生产过程伴有SO
2、NO
x和烟尘的排放。CO
2与大气污染物排放对环境造成不利影响，进而 威胁人类与其他生物的健康。此外，利用化石原料合成甲醇和氨会还加重不可再生资源紧张问题。
从有机废弃物处理过程来看，目前的处理方式也存在温室气体和环境污染物排放的问题，而且循环利用水平较低，造成资源的大量浪费。有机废弃物主要包括有机生活垃圾、工业固废，以及农业秸秆。有机生活垃圾、工业固废主要通过填埋法、焚烧法和堆肥法处置。填埋法占用土地较多，臭气不易控制，渗滤液处理难度较高，有机废弃物稳定化周期较长，在周期内容易发生CO
2与甲烷等气体的泄露，环境风险影响时间长。焚烧法虽然有助于实现废弃物减容、减重及资源化，但是会产生大量CO
2与大气污染物。堆肥法是通过微生物的作用实现有机废弃物无害化和资源化的一种处理方式，但仍无法避免温室气体的产生和排放。在农业秸秆的处理过程中，秸秆还田会导致部分碳元素排放到大气中；秸秆燃烧发电及秸秆燃料化的利用方式，不利于发挥秸秆作为生物质的固碳作用。此外，有研究表明，每年仍有大量秸秆尚未有效利用，还有相当数量的秸秆被露天焚烧，不仅造成资源浪费，而且排放大量CO
2与大气污染物，对大气环境、人体健康构成很大威胁。
碳中和是重大国家战略决策，实现碳中和目标的要求之一是重塑低碳工业流程，而清洁的合成气制备过程是实现绿色低碳化工的基础，碳氢循环利用可为化工行业提供绿色低碳的碳源和氢源，是CO
2减排的可持续安全途径。
发明内容
甲醇和氨等有机化工原料的传统制备工艺，不仅消耗大量化石资源，而且向大气中排放大量CO
2和大气污染物，对环境、气候和人类健康造成不利影响；目前有机废弃物的处理方式也排放大量温室气体和环境污染物，且循环利用率低、 资源浪费严重。针对上述问题，本发明提出一种利用有机废弃物实现碳氢循环利用的方法和系统，具体包括将有机工业固废、生活垃圾和农业秸秆等有机废弃物进行粗碎、干燥后热解，获得焦碳粉和热解气；利用捕集的CO
2与有机废弃物干燥过程中产生的水蒸气，与有机废弃物热解产物混合后进行气化重整，生产合成气用于合成甲醇或氨，以达到减少CO
2排放和化石资源消耗，消纳有机废弃物，实现碳氢循环利用的目的。
为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面，提供了一种利用有机废弃物实现碳氢循环利用的方法,包括：
将有机废弃物进行粗碎、干燥、热解，生成热解产物和热解气；
所述热解产物、所述干燥过程产生的水蒸气与捕获的CO
2气体，高温重整生成合成气(CO、H
2)；
以所述合成气(CO、H
2)为原料生产甲醇或氨；
以甲醇和氨为原料合成有机原料、生产有机产品，有机产品及其衍生物使用废弃后经回收，再通过上述方法进行循环利用。
本发明通过热解有机废弃物，将热解产物中的高能物质与捕集的CO
2混合，生产合成气用于合成甲醇和氨，进一步合成其他有机化工原料并生产有机产品，最终形成碳氢的循环利用，实现了减少CO
2排放和化石资源消耗、消纳固体废弃物的目的。
本发明的第二个方面，提供了一种利用有机废弃物实现碳氢循环利用的系统,其特征在于，包括：有机废弃物预处理系统、热解系统、烟气处理系统、CO
2 储存装置、气化重整系统、合成气净化系统、气体分离装置、甲醇合成系统、空分系统、氨合成系统、有机废弃物回收系统；
所述有机废弃物预处理系统物料出口与热解系统的物料进口相连，所述热解系统的热解产物出口与气化重整系统的进气口相连，气化重整系统的进气口还分别与有机废弃物预处理系统的水蒸气出口和CO
2储存装置的CO
2出口相连；
所述气化重整系统的气体出口分别与合成气净化系统的进气口和气体分离装置的进气口相连；
所述合成气净化系统的合成气出口与甲醇合成系统相连；
所述气体分离装置的氢气出口与氨合成系统的氢气进口相连；
所述有机废弃物预处理系统的物料进口与有机废弃物回收系统的物料出口相连。
本发明的第三个方面，提供了任一上述的利用有机废弃物实现碳氢循环利用的系统在能源、化工和循环经济领域中的应用。
本发明的有益效果在于：
(1)从CO
2排放角度来看，本发明提出的利用有机废弃物实现碳氢循环利用的方法和系统减排效益显著，具体从以下三个方面实现CO
2减排。首先，在本发明涉及的方法中，除用于燃烧炉的部分热解气以外，有机废弃物中的碳绝大部分进入合成气或碳产品，相比有机废弃物的常规处理方法，CO
2排放大幅降低。其次，在本发明涉及的方法中，以有机废弃物替代煤炭等化石原料制备甲醇和氨合成气，不再释放化石原料中的碳元素，因而可显著降低CO
2排放。再次，本发明提出的甲醇合成气制备方法，对捕集的CO
2进行再利用，可实现负排放。因此，本发明可以在有机废弃物清洁低碳处置、甲醇和氨绿色低碳合成、捕集 CO
2再利用等三个方面实现减排效益。
(2)从资源消耗角度来看，相比以煤或天然气为合成原料，本发明使用有机废弃物为原料进行氨和甲醇的合成，可明显减少不可再生化石资源的使用量。以合成氨为例，利用有机废弃物代替煤炭合成氨，每生产1吨氨可以减少2.5吨原料煤的使用。本发明的实施可减少化石资源使用量，促进化工生产向以可再生资源为主、环境友好的方向转型。
(3)从有机废弃物处置角度来看，本发明将有机废弃物进行粗碎、干燥等预处理后进行热解，将热解产物用于制备甲醇和氨的合成气，是对目前有机废弃物处置方式的有效补充，促进有机废弃物的无害化、减量化和资源化的处理与应用。
(4)本申请的装置结构简单、运行方便、实用性强，易于规模化生产。
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明提出的利用有机废弃物实现碳氢循环利用的方法；
图2为本发明实施例1利用有机废弃物制备甲醇合成气实现碳氢循环利用的系统；
图3为本发明实施例2利用有机废弃物制备氨合成气实现碳氢循环利用的系统；
其中，1破碎机、2干燥器、3热解炉、4燃烧炉、5CO
2储存装置、6碳粉气化炉、7气化重整炉、8布袋除尘器、9脱硫塔、10烟囱、11合成气净化系统、12第一压缩机、13甲醇合成塔、14分离器、15第二压缩机、16脱轻组分塔、 17精馏塔、18原料气压缩机、19过滤器、20加热器、21气体分离装置、22空压机、23空分精馏塔、24氢压机、25氮压机、26洗涤塔、27换热器、28氨合成气压缩机、29氨合成塔、30氨储存装置。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
甲醇和氨等有机化工原料的传统制备工艺，不仅消耗大量化石资源，而且向大气中排放大量CO
2和大气污染物，对环境、气候和人类健康造成不利影响；目前有机废弃物的处理方式也排放大量温室气体和环境污染物，且循环利用率低、资源浪费严重。针对上述现有背景技术中存在的问题，本发明提出一种利用有机废弃物实现碳氢循环利用的方法和系统，具体包括将有机工业固废、生活垃圾和农业秸秆等有机废弃物进行粗碎、干燥后热解，获得焦炭粉和热解气；将捕集的CO
2与有机废弃物干燥过程中产生的水蒸气，与有机废弃物热解产物混合，进行气化重整，生产合成气用于合成甲醇或氨，以达到减少CO
2排放和化石资源消耗，消纳有机废弃物，实现碳氢循环利用的目的。
具体地，本发明是通过如下所述的技术方案实现的：
第一方面，本发明提供一种通过利用有机废弃物制备甲醇合成气实现碳氢循环利用的方法和系统。
所述方法包括：有机废弃物首先进行干燥、破碎等预处理，收集干燥过程产生的水蒸气；预处理后有机废弃物进行热解，热解产物为热解气和焦碳粉；将部分热解气送入燃烧炉燃烧，为热解炉提供热量；将热解产物焦碳粉和捕集的CO
2 送入碳粉气化炉，使焦碳粉气化生成CO；将热解气、气化得到的CO和有机废弃物脱水干燥过程中产生的水蒸气一起通入气化重整炉，通过重整提高氢气含量，使制备的合成气中碳氢比调整为适宜比例，用于合成甲醇；甲醇可用于合成烯烃、醋酸等有机原料，并进一步合成塑料、橡胶等工业材料和生活用品，这些有机产品使用废弃后经回收可采用上述方法实现碳氢的循环利用。
在本发明的一些实施方式中，有机废弃物包括有机工业固废、生活垃圾和农业秸秆。有机废弃物在热解前先进行脱水干燥，干燥方法包括加热干燥、红外线干燥、微波干燥等。干燥产生的水分进行回收并用于重整。
干燥后有机废弃物进行热解。在本发明的一些实施方式中，有机废弃物的热解方法可包括直接加热法、间接加热法及微波加热法。热解产物包括焦炭粉和热解气。热解产物焦炭粉可与CO
2进一步气化产生CO，与焦炭粉发生气化反应的CO
2为在能源利用、工业过程或空气中捕集的CO
2，重整过程中加入的H
2O为有机废弃物干燥过程中分离出的水蒸气。加入的CO
2与H
2O量依据合成气的合成目的调整。
所述系统包括：有机废弃物预处理系统、热解系统、烟气处理系统、CO
2储存装置、气化重整系统、合成气净化系统、甲醇合成系统和有机废弃物循环回收系统。
有机废弃物预处理系统的输出端同时与热解系统和气化重整系统连接，热解系统的热解产物输出端和CO
2储存装置的输出端共同连接到气化重整系统的输入端，气化重整系统的输出端与合成气净化系统输入端连接，合成气净化系统的输出端与甲醇合成系统的输入端连接，合成的甲醇产品可用于合成烯烃、醋酸等有机化学品，并进一步用于生产塑料、橡胶等有机材料，有机材料使用废弃后进 入有机废弃物回收系统，回收系统与预处理系统相连，形成碳氢循环利用系统。
第二方面，本发明提供一种通过利用有机废弃物制备氨合成气实现氢循环利用的方法和系统。
所述方法包括：有机废弃物首先进行干燥、粗碎等预处理，收集干燥过程中产生的水蒸气，预处理后有机废弃物进行热解，热解产物为热解气和焦炭粉；将部分热解气送入燃烧炉燃烧，为热解炉提供热量，焦炭粉可收集用于生产碳产品；将热解产物热解气与有机废弃物脱水干燥过程中产生的水蒸气通入气化重整炉进行气化重整，反应生成氢气和其它气体；通过气体分离得到氢气和其他气体；氢气与空气分离制得的氮气合成氨；氨可用于生产尿素等有机原料并进一步合成其他化工产品；这些有机产品及其衍生产物使用废弃后可采用上述方法实现氢的循环利用。
所述系统包括：有机废弃物预处理系统、热解系统、烟气处理系统、气化重整系统、氢气分离系统、空分系统、合成氨系统和有机废弃物循环回收系统。
有机废弃物预处理系统的输出端同时与热解系统和气化重整系统连接，热解系统的热解气输出端连接到气化重整系统，气化重整系统的气体输出端与氢气分离系统输入端连接，氢气分离系统的氢气输出端与氨合成系统的氢气输入端连接，空分系统的氮气输出端与氨合成系统的氮气输入端连接，氨合成系统制备的氨可作为原料合成其他有机产品；上述有机产品及其衍生产物使用废弃后进入有机物废弃物循环回收系统，回收系统与预处理系统相连，形成氢循环利用系统。
下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的详细说明，应该指出，所述具体实施例是对本发明的解释而不是限定。
实施例1
如图2所示，为本实施例公开的一种利用有机废弃物制备甲醇合成气实现碳氢循环利用的系统，包括：有机废弃物预处理系统、热解系统、烟气处理系统、CO
2储存装置、气化重整系统、合成气净化系统、甲醇合成系统和有机废弃物循环回收系统。
所述有机废弃物进入有机废弃物预处理系统中，通过破碎机1粗碎、干燥器2干燥后，有机废弃物预处理系统输出的干原料与热解系统的输入端连接，进入热解炉3；有机废弃物预处理系统中收集的H
2O与气化重整系统的输入端连接，进入气化重整炉7；热解炉3的热解产物部分热解气进入燃烧炉4进行燃烧，产生的烟气经除尘器8和脱硫塔9从烟囱10排出；CO
2储存装置5输出端与碳粉气化炉6输入端相连，CO
2与热解产物焦碳粉一起进入碳粉气化炉6进行气化；气化产物CO与热解产物热解气，进入气化重整炉7；气化重整炉7输出的合成气与合成气净化系统11的输入端连接，合成气净化系统11输出的气体经第一压缩机12压缩后，进入甲醇合成塔13，然后进入分离器14，分离出的部分气体再次进入第二压缩机15进行循环，分离器14的另一输出端与脱轻组分塔16的输入端连接，进行脱轻组分工艺，脱轻组分完成后连接精馏塔17，输出甲醇，最终将甲醇作为原料合成有机材料；有机材料经使用废弃后连接到有机废弃物循环回收系统。
实施例2
如图3所示，为本实施例公开的一种利用有机废弃物制备氨合成气实现氢循环利用的系统，包括：有机废弃物预处理系统、热解系统、烟气处理系统、气化重整系统、气体分离系统、空分系统、合成氨系统和有机废弃物循环回收系统。
所述有机废弃物进入有机废弃物预处理系统中，通过破碎机1粗碎、干燥器 2干燥后，有机废弃物预处理系统输出的干原料与热解系统的输入端连接，进入热解炉3；有机废弃物预处理系统中收集的H
2O与气化重整系统的输入端连接，进入气化重整炉7；热解炉3的热解产物部分热解气进入燃烧炉4进行燃烧，产生的烟气经除尘器8和脱硫塔9处理后从烟囱10排出；热解产物热解气进入气化重整系统的输入端，进入气化重整炉7；气化重整炉7输出的合成气经重整原料气压缩机18、过滤器19、加热器20、气体分离装置21分离后，氢气输出端与氨合成系统的氢气输入端连接，进入氢压机24；空分系统中，空气依次进入空压机22、空分精馏塔23，产生氮气和氧气，氧气经氧气输出端收集至氧气收集装置，氮气经氮气输出端进入氨合成系统中的氮压机25；氢压机24输出的氢气和氮压机25输出的氮气进入洗涤塔26，再经换热器27和氨合成气压缩机28进入氨合成塔29，进行氨合成反应；氨合成塔29产生的氨一方面再次进入换热器27进行循环，另一方面进入氨储存装置30进行储存，氨储存装置30中氨作为原料合成有机产品；有机产品及其衍生产物经使用废弃后连接到有机废弃物循环回收系统。
其中，有机产品包括有机材料和化肥，衍生产物主要指秸秆等。
最后应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
- 一种利用有机废弃物实现碳氢循环利用的方法,其特征在于，包括：将有机废弃物进行粗碎、干燥、热解，生成碳粉和热解气等热解产物；所述热解产物、捕获的CO 2与干燥产生的水蒸气气化重整，生成合成气；以所述合成气为原料生产甲醇或氨；以甲醇和氨为原料合成有机产品，有机产品及其衍生产物使用废弃后经回收，再通过上述方法进行循环利用；所述合成气以CO、H 2为主要成分。
- 一种利用有机废弃物实现碳氢循环利用的系统,其特征在于，包括：有机废弃物预处理系统、热解系统、烟气处理系统、CO 2储存装置、气化重整系统、合成气净化系统、气体分离系统、空分系统、甲醇合成系统、氨合成系统、有机废弃物循环回收系统；所述的有机废弃物预处理系统物料出口与热解系统的物料进口相连，所述热解系统的热解产物出口与气化重整系统的进气口相连；气化重整系统的进气口还与有机废弃物预处理系统的水蒸气出口相连，所述气化重整系统的进气口还与CO 2储存装置的出气口相连；所述气化重整系统的气体出口与合成气净化系统的进气口或者气体分离装置的进气口相连；所述合成气净化系统的出气口与甲醇合成系统相连；所述气体分离系统的氢气出口与氨合成系统的氢气进口相连；所述有机废弃物预处理系统的物料进口与有机废弃物循环回收系统的物料出口相连。
- 如权利要求2所述的利用有机废弃物实现碳氢循环利用的系统,其特征在 于，所述热解装置的热解气出口和燃烧炉的进气口相连。
- 如权利要求3所述的利用有机废弃物实现碳氢循环利用的系统,其特征在于，所述燃烧炉的烟气出口与烟气处理系统相连。
- 如权利要求4所述的利用有机废弃物实现碳氢循环利用的系统,其特征在于，所述烟气处理系统包括：除尘器、脱硫塔、烟囱；所述除尘器、脱硫塔、烟囱的气体输送通道依次相连。
- 如权利要求2所述的利用有机废弃物实现碳氢循环利用的系统,其特征在于，所述甲醇合成系统包括：甲醇合成塔、分离器、脱轻组分塔、精馏塔；所述甲醇合成塔的物料出口与分离器的进口相连，所述分离器的第一气体出口与脱轻组分塔的原料气进口相连，所述脱轻组分塔的物料出口与精馏塔的物料进口相连。
- 如权利要求6所述的利用有机废弃物实现碳氢循环利用的系统,其特征在于，所述分离器的第二气体出口与甲醇合成塔的气体进口相连。
- 如权利要求2所述的利用有机废弃物实现碳氢循环利用的系统,其特征在于，所述氨合成系统的氮气入口与空分系统的氮气出口相连。
- 如权利要求2所述的利用有机废弃物实现碳氢循环利用的系统,其特征在于，所述有机废弃物循环回收系统包括：有机工业固废、生活垃圾、农业秸秆循环回收系统，以及通过权利要求2-9所述系统生产的有机产品及其衍生产物循环回收系统。
- 权利要求2-9任一项所述的利用有机废弃物实现碳氢循环利用的系统在能源、化工和循环经济领域中的应用。
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