CN110357039B - 一种沼气和太阳能互补的合成气制备***及方法 - Google Patents

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Abstract

一种沼气和太阳能互补的合成气制备***及方法，该***包括：沼气提纯单元、湿重整反应器、干重整反应器、第一回热器、第二回热器、太阳能聚光器、第一三通阀、第二三通阀、第三三通阀。脱硫后的沼气分流，分成第一部分脱硫后沼气和第二部分脱硫后沼气；第一部分脱硫后沼气经沼气提纯单元后，输出分离的二氧化碳和高纯度的甲烷；高纯度的甲烷和水蒸气混合后预热，在湿重整反应器内吸收由太阳能转换成的热能并发生重整反应，生成合成气；二氧化碳与第二部分脱硫后沼气混合，加热后在干重整反应器中吸收由太阳能转换成的热能并发生重整反应，冷却后输出。本发明通过热化学反应将太阳能的热能品位提升至合成气的化学能品位，增加了***热力性能。

Description

一种沼气和太阳能互补的合成气制备***及方法
技术领域
本发明涉及太阳能利用、能源技术领域，尤其涉及一种集成了太阳能集热、沼气提纯、沼气转化等关键单元技术的沼气和太阳能互补利用的合成气制备***及方法。
背景技术
我国生物质资源丰富，生物沼气已经成为生物质利用的重要途径，我国的沼气发生***借鉴为国外成熟技术，已经向大中型沼气发生***方向发展；但沼气的利用技术相对落后，存在沼气利用效率偏低的问题。多种可再生能源互补利用具有提高能源利用效率和供能质量，降低供能成本的潜力，成为可再生能源领域热点技术。
通过沼气重整，引入其他可再生能源作为驱动反应热源，从而提高燃料热值，是一种高效的沼气升级技术手段；与此同时，将沼气中的两种温室气体甲烷和二氧化碳通过反应得到高热值合成气，对缓解温室效应和提升能源供给有重要意义。
但由于沼气中甲烷和二氧化碳成分比例的特殊性，使得沼气重整反应中甲烷转化率较低，且普通商用催化剂易于失活，从而需要昂贵金属特制的催化剂，不利于该技术的发展和推广。
传统沼气提纯制生物甲烷过程中，需要配备投资大、能耗高的分离设备，以分离得到符合要求的高浓度甲烷，同时将分离后的二氧化碳排入大气，加剧了温室效应。
发明内容(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种沼气和太阳能互补的制备合成气的***及方法，以解决沼气重整反应中甲烷转化率较低，普通商用催化剂易于失活的问题，提升***的热力性能。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明第一方面实施例提供了一种沼气和太阳能互补的合成气制备***，***包括：沼气提纯单元1、湿重整反应器2、干重整反应器3、第一回热器4、第二回热器5、太阳能聚光器6、第一三通阀7、第二三通阀8、第三三通阀9，其中：
第一三通阀7是气体分流装置，具有一个入口和两个出口，用于将一股气体物流按照某种比例分成两股气体物流；第二三通阀8和第三三通阀9是气体混合装置，均具有两个入口和一个出口，用于将两股气体物流混合成一股气体物流。沼气提纯单元1是沼气分离装置，用于将沼气中的二氧化碳与甲烷进行分离。沼气提纯单元1可以采用变压吸附、变温吸附、高压水洗、有机溶剂吸收、化学吸收、膜分离、低温分离、甲烷原位富集法等实现将沼气中的二氧化碳与甲烷进行分离。第一回热器4和第二回热器5为换热设备，一股热流体与一股冷流体在该设备内部交换热量。湿重整反应器2和干重整反应器3为太阳能吸热装置和化学反应发生装置，用于将太阳能聚光器6传递过来的太阳能辐射转换成热能，作为重整反应的反应热，甲烷与水蒸气在湿重整反应器2内吸收热能发生重整反应，甲烷与二氧化碳在干重整反应器3内发生重整反应。太阳能聚光器6用于将收集的太阳能转化为热能并提供给湿重整反应器2、干重整反应器3，作为发生重整反应的能量来源。
为了达到上述目的，本发明第二方面实施例提供了一种沼气和太阳能互补的合成气制备方法。该方法包括，将脱硫后的沼气S1分流，分成第一部分脱硫后沼气S2和第二部分脱硫后沼气S9；第一部分脱硫后沼气S2经沼气提纯单元1后，输出分离的二氧化碳S10和高纯度的甲烷S3；高纯度的甲烷S3和水蒸气混合后预热，然后在湿重整反应器2内吸收热能发生甲烷与水蒸气的重整反应，生成合成气；二氧化碳S10与第二部分脱硫后沼气S9混合，加热后在干重整反应器3中吸收热能，发生甲烷与二氧化碳的重整反应，生成合成气，冷却后输出。
(三)有益效果
从上述技术方案看，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的沼气和太阳能互补的合成气制备***及方法，主要燃料输入来源为可再生能源，可实现二氧化碳的净零排放，环保无污染。
2、本发明提供的沼气和太阳能互补的合成气制备***及方法，通过采用集成了太阳能集热、沼气重整等关键单元技术，使得太阳能的热能品位提升至合成气的化学能品位，增加了***热力性能，同时也将不连续、不易储存的太阳能转变为连续易存储的燃料化学能，太阳能份额较常规方法更高。
3、本发明提供的沼气和太阳能互补的合成气制备***及方法，所产生的高热值合成气用途广泛，湿重整反应器产生的合成气可用于发电，干重整反应器生成的合成气中，H2和CO的摩尔比接近1，是F-T合成制取液体燃料、合成甲醇及二甲醚等的理想原料。
4、本发明提供的沼气和太阳能互补的合成气制备***及方法，干重整反应器生成的合成气中，H2和CO的摩尔比接近1，是F-T合成制取液体燃料、合成甲醇及二甲醚等的理想原料。
附图说明
图1是依照本发明实施例的沼气和太阳能互补的合成气制备***的示意图。
图2是依照本发明实施例的沼气和太阳能互补的合成气制备方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，图1是依照本发明实施例的沼气和太阳能互补的合成气制备***的示意图，该合成气制备***包括：沼气提纯单元1、湿重整反应器2、干重整反应器3、第一回热器4、第二回热器5、太阳能聚光器6、第一三通阀7、第二三通阀8、第三三通阀9，其中：
沼气提纯单元1是沼气分离装置，用于将沼气中的二氧化碳与甲烷进行分离；第一三通阀7是气体分流装置，具有一个入口和两个出口，用于将一股气体物流按照某种比例分成两股气体物流；第二三通阀8和第三三通阀9是气体混合装置，均具有两个入口和一个出口，用于将两股气体物流混合成一股气体物流；第一回热器4、第二回热器5为换热设备，一股热流体与一股冷流体在该换热设备中进行热量交换；干重整反应器3内部发生了甲烷与二氧化碳的干重整反应以及其他可能发生的所有反应。湿重整反应器2和干重整反应器3为太阳能吸热装置和化学反应发生装置，用于将太阳能聚光器6传递过来的太阳能辐射转换成热能，作为重整反应的反应热，甲烷与水蒸气在湿重整反应器2内吸收热量发生重整反应，甲烷与二氧化碳在干重整反应器3内发生重整反应。太阳能聚光器6，用于将太阳光聚集并提供给湿重整反应器2和干重整反应器3，作为发生重整反应的能量来源。
其中，第一三通阀7的第一出口通入脱硫后沼气S1，第一三通阀7的第一出口与沼气提纯单元1的入口相连接，沼气提纯单元1的第一出口和第二出口分别流出高纯度甲烷和二氧化碳，沼气提纯单元1的第一出口与第二三通阀8的第一入口相连接，第二三通阀8的第二入口通入水蒸气。三通阀8的出口与第一回热器4的冷流体入口相连接，第一回热器4的冷流体出口与湿重整反应器2的入口相连接，湿重整反应器2的出口与第一回热器4的热流体入口相连接。第一三通阀7的第二出口与第三三通阀9的第二入口相连接，第三三通阀9的第一入口与沼气提纯单元1的第二出口相连接。第三三通阀9的出口与第二回热器5的冷流体进口相连接，第二回热器5的冷流体出口与干重整反应器3的进口相连接。干重整反应器3的出口与第二回热器5的热流体进口相连接。太阳能聚光器6与干重整反应器3和湿重整反应器2之间有能量传递。
沼气提纯单元1是沼气分离装置，用于将沼气中的二氧化碳与甲烷进行分离。沼气提纯单元1可以采用变压吸附、变温吸附、高压水洗、有机溶剂吸收、化学吸收、膜分离、低温分离、甲烷原位富集法等。湿重整反应器2内部发生了甲烷与水蒸气的重整反应及其他可能发生的所有反应。该反应器类型包括管式反应器、塔式反应器、釜式反应器、有固体颗粒床层的反应器、喷射反应器、固定床反应器、流化床反应器、腔体式反应器。干重整反应器3内部发生了甲烷与二氧化碳的干重整反应以及其他可能发生的所有反应。该反应器类型包括管式反应器、塔式反应器、釜式反应器、有固体颗粒床层的反应器、喷射反应器、固定床反应器、流化床反应器、腔体式反应器。第一回热器4和第二回热器5为换热设备，第一回热器4可以是湿式换热器，换热设备5可以是干式换热器。一股热流体与一股冷流体在该设备内部交换热量。太阳能聚光器6可将太阳光聚集提高太阳辐射强度。所述的太阳能聚光器6可采用塔式集热器或碟式集热器。第一三通阀7、第二三通阀8、第三三通阀9均为有三个通道的阀门，可调节阀门大小控制通过流体的流量。
再参照图1分析具体流程，脱硫后沼气S1通过第一三通阀7的入口通入该合成气制备***，被第一三通阀7等比例的分成两部分，即第一部分脱硫后沼气S2和第二部分脱硫后沼气S9，第一部分脱硫后沼气S2经第一三通阀7的第一出口流出流入沼气提纯单元1，分离成高纯度的甲烷S3和二氧化碳S10，分别在沼气提纯单元1的第一出口和第二出口流出。沼气提纯单元1的第一出口流出的高纯度的甲烷S3由第二三通阀8的第一入口进入第二三通阀8，在第二三通阀8中与第二三通阀8第二入口流入的水蒸气S4进行混合，得到高纯度甲烷和水蒸气的混合气体S5；混合气体S5经过第一回热器4的冷流体入口进入第一回热器4中加热，加热后的混合气体S6经过第一回热器4冷流体出口与湿重整反应器2的入口，在湿重整反应器2中吸收热能发生甲烷的重整反应生成合成气S7，该反应过程中所需的热能由湿重整反应器2将太阳能聚光器6传递过来的太阳能辐射转换得到。合成气S7最后在第一回热器4中被降温后输出。第二部分脱硫后沼气S9经第一三通阀7的第二出口流出并由第三三通阀9的第二入口进入第三三通阀9，在第三三通阀9中与沼气提纯单元1的第二出口流出的二氧化碳气体S10形成沼气和二氧化碳混合后的混合气体S11。混合气体S11由第三三通阀9的出口流出并由第二回热器5的冷流体进口进入第二回热器5进行加热，加热后的混合物S12经过第二回热器5的冷流体出口与干重整反应器3的进口进入干重整反应器3，在干重整反应器3中吸收热能发生甲烷与二氧化碳的重整反应，生成高温合成气S13，该反应过程中所需的热能是由干重整反应器3将太阳能聚光器6传递过来的太阳能辐射转换得到。合成气S13经第二回热器5中降温后输出。
基于图1所示的沼气和太阳能互补的合成气制备***，图2示出了依照本发明实施例的沼气和太阳能互补的合成气制备方法流程图，该方法包括以下步骤：
S21，将脱硫后的沼气S1分流，分成第一部分脱硫后沼气S2和第二部分脱硫后沼气S9；
脱硫后沼气S1通过第一三通阀7的入口通入该合成气制备***，被第一三通阀7等比例的分成两部分，即第一部分脱硫后沼气S2和第二部分脱硫后沼气S9。
S22，第一部分脱硫后沼气S2经沼气提纯单元1后，输出分离的二氧化碳S10和高纯度的甲烷S3；
第一部分脱硫后沼气S2经第一三通阀7的第一出口流出流入沼气提纯单元1，分离成高纯度的甲烷S3和二氧化碳S10，分别在沼气提纯单元1的第一出口和第二出口流出。
S23，高纯度的甲烷S3和水蒸气混合后预热，然后在湿重整反应器2内吸收热能发生甲烷与水蒸气的重整反应，生成合成气；
沼气提纯单元1的第一出口流出的高纯度的甲烷S3由第二三通阀8的第一入口进入第二三通阀8，在第二三通阀8中与第二三通阀8第二入口流入的水蒸气S4进行混合，得到高纯度甲烷和水蒸气的混合气体S5；混合气体S5经过第一回热器4的冷流体入口进入第一回热器4中加热，加热后的混合气体S6经过第一回热器4冷流体出口与湿重整反应器2的入口，在湿重整反应器2中吸收热量发生甲烷的湿重整反应生成合成气S7，该反应过程中所需的热量是由湿重整反应器2将太阳能聚光器6传递过来的太阳能辐射转换得到。合成气S7最后在第一回热器4中被降温后输出。
S24，二氧化碳S10与第二部分脱硫后沼气S9混合，加热后在干重整反应器3中吸收热能，发生甲烷与二氧化碳的重整反应，生成合成气，冷却后输出。第二部分脱硫后沼气S9经第一三通阀7的第二出口流出并由第三三通阀9的第二入口进入第三三通阀9，在第三三通阀9中与沼气提纯单元1的第二出口流出的二氧化碳气体S10形成沼气和二氧化碳混合后的混合气体S11。混合气体S11由第三三通阀9的出口流出并由第二回热器5的冷流体进口进入第二回热器5进行加热，加热后的混合物S12经过第二回热器5的冷流体出口与干重整反应器3的进口进入干重整反应器3，在干重整反应器3中吸收热能发生甲烷与二氧化碳的重整反应，生成高温合成气S13，该反应过程中所需的热量是由干重整反应器3将太阳能聚光器6传递过来的太阳能辐射转换得到。合成气S13经第二回热器5中降温后输出。
基于上述本发明提供的沼气和太阳能互补利用***及方法可知，本发明通过集成了高温热化学单元，使得太阳能的热能品位提升至合成气的化学能品位，增加了***热力性能，同时也将不连续、不易储存的太阳能转变为连续易存储的燃料化学能，反应催化剂的要求较低，大幅减少了该技术的应用难度，提升了高技术的经济性。
通过对新***的模拟计算，可知：采用该技术使得沼气热值提升了26.26％。若采用内燃机对沼气和合成气进行发电，发电效率按照40％选取，新***多产电能25.22％。由于太阳能和沼气的互补利用，发电后新***中烟气携带的热量更多，可用于制冷，供暖和沼气池保温等。
表1新***性能参数表
Figure BDA0002163517600000071
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种沼气和太阳能互补的合成气制备***，其特征在于，包括沼气提纯单元(1)、湿重整反应器(2)、干重整反应器(3)、第一回热器(4)、第二回热器(5)、太阳能聚光器(6)、第一三通阀(7)、第二三通阀(8)和第三三通阀(9)，其中：
沼气提纯单元(1)是沼气分离装置，用于将沼气中的二氧化碳与甲烷进行分离；
第一三通阀(7)是气体分流装置，具有一个入口和两个出口，第一三通阀(7)的入口通入沼气，第一三通阀(7)的一个出口连接沼气提纯单元(1)，另一个出口连接第三三通阀(9)，用于将沼气按照某种比例分成两股气体物流；
第二三通阀(8)和第三三通阀(9)是气体混合装置，均具有两个入口和一个出口，用于将两股气体物流混合成一股气体物流；其中，
第二三通阀(8)的一个入口与沼气提纯单元(1)连接，用于接收分离后的甲烷，另一个入口通入水蒸气与所述甲烷混合，第二三通阀(8)的出口与湿重整反应器(2)连接；
第三三通阀(9)的一个入口与第一三通阀(7)连接，另一个入口与沼气提纯单元(1)连接，用于接收分离后的二氧化碳与所述沼气的一股气体物流混合，第三三通阀(9)的出口与干重整反应器(3)连接；
第一回热器(4)、第二回热器(5)为换热设备，一股热流体与一股冷流体在该换热设备中进行热量交换；
太阳能聚光器(6)，用于将太阳光聚集并提供给湿重整反应器(2)和干重整反应器(3)，作为发生重整反应的能量来源；
湿重整反应器(2)和干重整反应器(3)为太阳能吸热装置和化学反应发生装置，用于将太阳能聚光器(6)传递过来的太阳能辐射转换成热能，作为重整反应的反应热，甲烷与水蒸气在湿重整反应器(2)内吸收热量发生重整反应，甲烷与二氧化碳在干重整反应器(3)内发生重整反应。
2.根据权利要求1所述的沼气和太阳能互补的合成气制备***，其特征在于，所述沼气提纯单元(1)采用变压吸附、变温吸附、高压水洗、有机溶剂吸收、化学吸收、膜分离、低温分离或甲烷原位富集法将沼气中的二氧化碳与甲烷进行分离。
3.根据权利要求1所述的沼气和太阳能互补的合成气制备***，其特征在于，所述第一三通阀(7)的入口通入脱硫后沼气。
4.根据权利要求1所述的沼气和太阳能互补的合成气制备***，其特征在于，所述第一回热器(4)是湿式换热器，所述第二回热器(5)是干式换热器。
5.根据权利要求1所述的沼气和太阳能互补的合成气制备***，其特征在于，所述太阳能聚光器(6)是单个或多个聚光器。
6.一种沼气和太阳能互补的合成气制备方法，应用于权利要求1至5中任一项所述的沼气和太阳能互补的合成气制备***，该方法包括：
将脱硫后的沼气(S1)分流，分成第一部分脱硫后沼气(S2)和第二部分脱硫后沼气(S9)；
第一部分脱硫后沼气(S2)经沼气提纯单元(1)后，输出分离的二氧化碳(S10)和高纯度的甲烷(S3)；
高纯度的甲烷(S3)和水蒸气混合后预热，然后在湿重整反应器(2)内吸收热能发生甲烷与水蒸气的重整反应，生成合成气；
二氧化碳(S10)与第二部分脱硫后沼气(S9)混合，加热后在干重整反应器(3)中吸收热能，发生甲烷与二氧化碳的重整反应，生成合成气，冷却后输出。
7.根据权利要求6所述的沼气和太阳能互补的合成气制备方法，其特征在于，所述将脱硫后的沼气(S1)分流是通过第一三通阀(7)实现的。
8.根据权利要求6所述的沼气和太阳能互补的合成气制备方法，其特征在于，所述第一部分脱硫后沼气(S2)经沼气提纯单元(1)后，输出分离的二氧化碳(S10)和高纯度的甲烷(S3)是通过沼气提纯单元(1)实现。
9.根据权利要求6所述的沼气和太阳能互补的合成气制备方法，其特征在于，所述高纯度的甲烷(S3)和水蒸气混合后预热，然后在湿重整反应器(2)内吸收热能发生甲烷与水蒸气的重整反应，生成合成气，具体包括：
沼气提纯单元(1)的第一出口流出的高纯度的甲烷(S3)由第二三通阀(8)的第一入口进入第二三通阀(8)，在第二三通阀(8)中与第二三通阀(8)第二入口流入的水蒸气(S4)进行混合，得到高纯度甲烷和水蒸气的混合气体(S5)；混合气体(S5)经过第一回热器(4)的冷流体入口进入第一回热器(4)中加热，加热后的混合气体(S6)经过第一回热器(4)冷流体出口与湿重整反应器(2)的入口，在湿重整反应器(2)中吸收热能发生甲烷和水蒸汽的重整反应生成合成气(S7)，该反应过程中所需的热能由湿重整反应器(2)将太阳能聚光器(6)传递过来的太阳能辐射转换得到；合成气(S7)最后在第一回热器(4)中被降温后输出。
10.根据权利要求6所述的沼气和太阳能互补的合成气制备方法，其特征在于，所述二氧化碳(S10)与第二部分脱硫后沼气(S9)混合，加热后在干重整反应器(3)中吸收热能发生重整反应，冷却后输出，具体包括：
第二部分脱硫后沼气(S9)经第一三通阀(7)的第二出口流出并由第三三通阀(9)的第二入口进入第三三通阀(9)，在第三三通阀(9)中与沼气提纯单元(1)的第二出口流出的二氧化碳气体(S10)形成沼气和二氧化碳混合后的混合气体(S11)；混合气体(S11)由第三三通阀(9)的出口流出并由第二回热器(5)的冷流体进口进入第二回热器(5)进行加热，加热后的混合物(S12)经过第二回热器(5)的冷流体出口与干重整反应器(3)的进口进入干重整反应器(3)，甲烷与二氧化碳在干重整反应器(3)中吸收热能发生重整反应，生成高温合成气(S13)，该反应过程中所需的热能是由干重整反应器(3)将太阳能聚光器(6)传递过来的太阳能辐射转换得到，合成气(S13)经第二回热器(5)中降温后输出。
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