CN115282734A - 一种联动碳捕集与电解水制氢的氢碳制甲烷方法及*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种联动碳捕集与电解水制氢的氢碳制甲烷方法及***，利用波动可再生电力，灵活快速得到波动氢气，作为氢碳制甲烷反应原料，采用有机胺捕集燃料燃烧烟气中的二氧化碳，配备储罐存储二氧化碳，作为反应原料，利用波动的氢气进料，实时调控输入的二氧化碳，在反应器中催化转化为甲烷，通过二氧化碳进料流量调控，适应可在生电力的波动，无需大规模电力和氢气存储，可以更好的用于可再生电力的消纳与利用，并且将氢碳制甲烷反应器放出的热量直接用于碳捕集再沸器实现热循环，大大降低能耗。
Description
技术领域
本发明涉及碳氢合成天然气技术领域，尤其涉及一种联动碳捕集与电解水制氢的氢碳制甲烷方法及***。
背景技术
二氧化碳甲烷化反应是二氧化碳资源化利用的重要途径，可以充分减少二氧化碳的排放，有助于缓解我国“缺油少气”的能源结构；同时，利用电解水制氢技术解决氢气来源的问题，可以实现可再生能源的高效存储，提高二氧化碳甲烷化效率。根据甲烷化反应方程式：
，该反应为强放热过程，单位二氧化碳转化释放的能量为3.75 GJ/t二氧化碳。另一方面，二氧化碳的主要来源于燃料燃烧烟气，包括火力发电、内燃机、蒸汽锅炉等，通过有机胺捕集二氧化碳过程可以得到高纯度的二氧化碳。然而，碳捕集过程能耗高，主要集中的在吸收剂再生过程，能耗超过3 GJ/t二氧化碳。将二氧化碳转化为甲烷释放的热量用于碳捕集过程，可以极大的降低***能耗。
波动性是可再生电力的重要特征，实际应用中需要大量的储能设备以提高可再生电力实用性；常规的电解水制氢同样需要大量的储氢设备以避免波动性问题。从***设计和控制的角度，避免大规模储电或储氢是可再生电力应用的关键。
有资料显示，我国炼焦、电石、兰炭、炼钢等工业发达，副产大量工业尾气，这些富含碳、氢的工业尾气得不到有效利用，不仅造成资源浪费，而且污染环境。如果以这些碳氢工业尾气为原料，合成代用天然气，不仅能够变废为宝，还能够节能减排，具有较高的经济效益和社会效益。
中国专利文献CN103194286B公开了一种“由碳氢工业尾气合成代用天然气的甲烷化方法”。采用了包括碳氢工业尾气原料气通过三级或四级甲烷化反应、热回收、冷却分离等步骤，生产出合格的合成天然气产品。本发明将碳氢工业尾气中的CO、CO2全部转化成甲烷，实现了CO2的零排放。上述技术方案仅利用工业尾气中的碳排放及氢气进行甲烷合成，反应物浓度有限，反应效率低，且缺少氢气补充，难以有效保证尾气中的碳有效利用。
发明内容
本发明主要解决原有的技术方案仅利用工业尾气中的碳排放及氢气进行甲烷合成，反应物浓度有限，反应效率低，且缺少氢气补充，难以有效保证尾气中的碳有效利用的技术问题，提供一种联动碳捕集与电解水制氢的氢碳制甲烷方法及***，利用波动可再生电力，灵活快速得到波动氢气，作为氢碳制甲烷反应原料，采用有机胺捕集燃料燃烧烟气中的二氧化碳，配备储罐存储二氧化碳，作为反应原料，利用波动的氢气进料，实时调控输入的二氧化碳，在反应器中催化转化为甲烷，通过二氧化碳进料流量调控，适应可在生电力的波动，无需大规模电力和氢气存储，可以更好的用于可再生电力的消纳与利用，并且将氢碳制甲烷反应器放出的热量直接用于碳捕集再沸器实现热循环，大大降低能耗。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
一种联动碳捕集与电解水制氢的氢碳制甲烷方法，包括以下步骤：
S1采用有机胺捕集烟气中的二氧化碳，解吸得到二氧化碳并存储，实现碳捕集；
S2利用波动电力制取波动氢气并输入反应器；
S3在反应器中输入二氧化碳并根据氢气输入量实时调控；
S4将二氧化碳和氢气催化反应制取甲烷；
S5将制取甲烷反应产生的热量传递到碳捕集再利用。
利用波动可再生电力，灵活快速得到波动氢气，作为氢碳制甲烷反应原料，采用有机胺捕集燃料燃烧烟气中的二氧化碳，配备储罐存储二氧化碳，作为反应原料，利用波动的氢气进料，实时调控输入的二氧化碳，在反应器中催化转化为甲烷，通过二氧化碳进料流量调控，适应可在生电力的波动，无需大规模电力和氢气存储，可以更好的用于可再生电力的消纳与利用。
作为优选，所述的步骤S1具体包括：通过吸收塔对烟气中二氧化碳进行吸收，吸收富液泵入解吸塔，并回收贫液中的热量，解吸塔通过蒸汽加热再沸器，解吸塔塔顶输出气体进行冷却并分离水，得到二氧化碳，送入储罐。
作为优选，所述的步骤S2具体包括：电解水制氢子***中直接输入波动的可再生电力，通过电解水得到波动氢气，波动氢气除水增压后通过管道直接输送至氢碳制甲烷反应器。无需考虑波动氢气制取波动，不需要储氢罐对氢气进行存储，直接输入反应器。
作为优选，所述的步骤S3对输入氢碳制甲烷反应器内的氢气和二氧化碳的比例进行监测，根据监测结果控制二氧化碳的输出流量，控制的比例为4:1-4.1:1。二氧化碳捕集子***调整输出二氧化碳流量，控制氢气和二氧化碳混合气的体积比为4:1~4.1:1，适应波动的氢气流量。
作为优选，所述的步骤S3具体包括：氢气和二氧化碳混合进入一段反应器，经过冷却除水进入二段反应器，经过冷却除水得到甲烷。利用波动的氢气进料，实时调控输入的二氧化碳，在反应器中催化转化为甲烷。
作为优选，所述的步骤S5具体包括：二段反应器中的甲烷输出后，在氢碳制甲烷反应器中通入纯净水进行蒸发，将反应释放的热量移出，将蒸发得到的蒸汽传输至解吸塔的再沸器，通过蒸汽加热再沸器实现热量再利用。二氧化碳捕集子***与氢碳制甲烷子***具有热量交换，反应器释放的热量通过蒸汽进行回收，得到的蒸汽直接用于碳捕集再沸器加热。
一种应用联动碳捕集与电解水制氢的氢碳制甲烷方法的***，包括：
电解水制氢子***，用于利用波动电力制取波动氢气，与氢碳制甲烷子***相连；
二氧化碳捕集子***，用于采用有机胺捕集燃料燃烧烟气中的二氧化碳，与氢碳制甲烷子***相连；
氢碳制甲烷子***，用于利用波动的氢气，并实时调控输入的二氧化碳，在反应器中催化转化为甲烷。
电解水制氢子***，利用波动可再生电力，灵活快速得到波动氢气，作为氢碳制甲烷反应原料；二氧化碳捕集子***，采用有机胺捕集燃料燃烧烟气中的二氧化碳，配备储罐存储二氧化碳，作为反应原料；氢碳制甲烷子***，利用波动的氢气进料，实时调控输入的二氧化碳，在反应器中催化转化为甲烷。
作为优选，所述的电解水制氢子***包括依次相连的汽化器和电解槽，在汽化器和电解槽之间设有气体混合器、预热器，在电解槽输出端分别与氧气冷却器、氢气冷却器相连，氢气冷却器输出端经过气液分离罐和氢气压缩机与氢碳制甲烷子***输入端相连。电解水制氢子***输入波动的可再生电力，通过电解水得到氢气，氢气增压至0.15~0.3 MPa，通过管道直接输送至氢碳制甲烷反应器。制备得到的氢气流量随输入可再生电力波动，不需要储氢罐对氢气进行存储。
作为优选，所述的二氧化碳捕集子***包括依次相连的吸收塔、解吸塔和气液分离器，吸收塔与解吸塔之间设有液体泵、换热器，解吸塔与气液分离器之间设有冷却器，气液分离器输出端与二氧化碳储罐输入端相连，二氧化碳储罐输出端经过流量控制阀与氢碳制甲烷子***输入端相连。二氧化碳捕集子***通过吸收塔对烟气中二氧化碳进行吸收，吸收富液泵入解吸塔，并对回收贫液中的热量；解吸塔通过蒸汽加热再沸器，解吸塔压力控制在0.1~0.3 MPa，塔底温度100~130℃。塔顶采出气体冷却并分离水，得到二氧化碳，送入储罐；储罐输出二氧化碳流量根据氢碳制甲烷反应器进口氢气与二氧化碳比例进行控制，控制的比例为4:1~4.1:1，适应波动的氢气流量。
作为优选，所述的氢碳制甲烷子***包括一段反应器和二段反应器，一段反应器输入端设有气体混合器，一段反应器和二段反应器之间设有冷却器、气液分离器，二段反应器输出端经过冷却器、气液分离器与甲烷输出口相连，一段反应器和二段反应器经过蒸汽混合器与解吸塔相连。氢碳制甲烷子***将氢气和二氧化碳转化为甲烷，反应压力0.1~0.2MPa，反应温度300~450 ℃，二氧化碳的转化率不低于98%，反应器通入纯净水进行蒸发，将反应释放的热量移出，蒸汽压力0.2~0.4 MPa，得到的蒸汽直接用于碳捕集再沸器加热，蒸汽的露点高于解吸塔再沸器温度。
本发明的有益效果是：利用波动可再生电力，灵活快速得到波动氢气，作为氢碳制甲烷反应原料，采用有机胺捕集燃料燃烧烟气中的二氧化碳，配备储罐存储二氧化碳，作为反应原料，利用波动的氢气进料，实时调控输入的二氧化碳，在反应器中催化转化为甲烷，通过二氧化碳进料流量调控，适应可在生电力的波动，无需大规模电力和氢气存储，可以更好的用于可再生电力的消纳与利用，并且将氢碳制甲烷反应器放出的热量直接用于碳捕集再沸器实现热循环，大大降低能耗。
附图说明
图1是本发明的一种流程图。
图2是本发明的一种原理连接结构框图。
图3是本发明的一种二氧化碳调控图。
图中1汽化器，2气体混合器，3预热器，4电解槽，5氧气冷却器，6氢气冷却器，7气液分离罐，8氢气压缩机，9吸收塔，10液体泵，11换热器，12解吸塔，13冷却器，14气液分离器，15二氧化碳储罐，16流量控制阀，17气体混合器，18一段反应器，19冷却器，20气液分离器、21二段反应器，22冷却器，23气液分离器、24蒸汽混合器。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：本实施例的一种联动碳捕集与电解水制氢的氢碳制甲烷方法及***，如图1所示，包括以下步骤：
S1采用有机胺捕集烟气中的二氧化碳，解吸得到二氧化碳并存储，实现碳捕集，具体包括：通过吸收塔对烟气中二氧化碳进行吸收，吸收富液泵入解吸塔，并回收贫液中的热量，解吸塔通过蒸汽加热再沸器，解吸塔塔顶输出气体进行冷却并分离水，得到二氧化碳，送入储罐。
S2利用波动电力制取波动氢气并输入反应器，具体包括：电解水制氢子***中直接输入波动的可再生电力，通过电解水得到波动氢气，波动氢气除水增压后通过管道直接输送至氢碳制甲烷反应器。无需考虑波动氢气制取波动，不需要储氢罐对氢气进行存储，直接输入反应器。
S3在反应器中输入二氧化碳并根据氢气输入量实时调控，对输入氢碳制甲烷反应器内的氢气和二氧化碳的比例进行监测，根据监测结果控制二氧化碳的输出流量，控制的比例为4:1-4.1:1。二氧化碳捕集子***调整输出二氧化碳流量，控制氢气和二氧化碳混合气的体积比为4:1~4.1:1，适应波动的氢气流量。
S4将二氧化碳和氢气催化反应制取甲烷，具体包括：氢气和二氧化碳混合进入一段反应器，经过冷却除水进入二段反应器，经过冷却除水得到甲烷。利用波动的氢气进料，实时调控输入的二氧化碳，在反应器中催化转化为甲烷。
S5将制取甲烷反应产生的热量传递到碳捕集再利用，具体包括：二段反应器中的甲烷输出后，在氢碳制甲烷反应器中通入纯净水进行蒸发，将反应释放的热量移出，将蒸发得到的蒸汽传输至解吸塔的再沸器，通过蒸汽加热再沸器实现热量再利用。二氧化碳捕集子***与氢碳制甲烷子***具有热量交换，反应器释放的热量通过蒸汽进行回收，得到的蒸汽直接用于碳捕集再沸器加热。
利用波动可再生电力，灵活快速得到波动氢气，作为氢碳制甲烷反应原料，采用有机胺捕集燃料燃烧烟气中的二氧化碳，配备储罐存储二氧化碳，作为反应原料，利用波动的氢气进料，实时调控输入的二氧化碳，在反应器中催化转化为甲烷，通过二氧化碳进料流量调控，适应可在生电力的波动，无需大规模电力和氢气存储，可以更好的用于可再生电力的消纳与利用。
一种应用联动碳捕集与电解水制氢的氢碳制甲烷方法的***，如图2所示，包括氢碳制甲烷子***和分别与氢碳制甲烷子***相连的电解水制氢子***、二氧化碳捕集子***。电解水制氢子***用于利用波动电力制取波动氢气，二氧化碳捕集子***用于采用有机胺捕集燃料燃烧烟气中的二氧化碳，氢碳制甲烷子***用于利用波动的氢气，并实时调控输入的二氧化碳，在反应器中催化转化为甲烷。
电解水制氢子***包括依次相连的汽化器1和电解槽4，在汽化器1和电解槽4之间设有气体混合器2、预热器3，在电解槽4输出端分别与氧气冷却器5、氢气冷却器6相连，氢气冷却器6输出端经过气液分离罐7和氢气压缩机8与氢碳制甲烷子***输入端相连。电解水制氢子***中，纯水经过气化、预热后进入电解槽4产生氢气和氧气，氧气冷却后排出***外，氢气冷却后分离除水，经过压缩机8增压至0.3 MPa，进入氢碳制甲烷***。
二氧化碳捕集子***包括依次相连的吸收塔9、解吸塔12和气液分离器14，吸收塔9与解吸塔12之间设有液体泵10、换热器11，解吸塔12与气液分离器14之间设有冷却器13，气液分离器14输出端与二氧化碳储罐15输入端相连，二氧化碳储罐15输出端经过流量控制阀16与氢碳制甲烷子***输入端相连。二氧化碳捕集子***中，烟气进入吸收塔9，与吸收剂逆流接触，得到净化烟气；吸收二氧化碳的富液经过泵增压至0.2 MPa，与解吸塔底的贫液换热后，进入解吸塔12顶部，解吸气体从塔顶进入冷却器13将水蒸气冷凝，进入气液分离罐14，分离得到的二氧化碳进入储罐15；通过对反应器进口氢气和二氧化碳的比例监测，通过控制阀16控制二氧化碳流量。
氢碳制甲烷子***包括一段反应器18和二段反应器21，一段反应器18输入端设有气体混合器17，一段反应器18和二段反应器21之间设有冷却器19、气液分离器20，二段反应器21输出端经过冷却器22、气液分离器23与甲烷输出口相连，一段反应器18和二段反应器21经过蒸汽混合器24与解吸塔12相连。氢碳制甲烷***中，氢气和二氧化碳混合进入一段反应器18，经过冷却除水进入二段反应器21，经过冷却除水得到甲烷；纯水分别进入反应器18和21，产生的蒸汽混合后送入解吸塔12的再沸器。通过热量回收，可以使***的综合能效从41%提高到59%。
如图3所示，一段氢碳制甲烷反应器在不同氢气进料下控制二氧化碳流量以及反应参数。在氢气波动时，通过本发明的控制方法，可以使***在25min左右达到稳定，能够很好的适应可再生电力的波动特性。
Claims (10)
1.一种联动碳捕集与电解水制氢的氢碳制甲烷方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1采用有机胺捕集烟气中的二氧化碳，解吸得到二氧化碳并存储，实现碳捕集；
S2利用波动电力制取波动氢气并输入反应器；
S3在反应器中输入二氧化碳并根据氢气输入量实时调控；
S4将二氧化碳和氢气催化反应制取甲烷；
S5将制取甲烷反应产生的热量传递到碳捕集再利用。
2.根据权利要求1所述的一种联动碳捕集与电解水制氢的氢碳制甲烷方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：通过吸收塔对烟气中二氧化碳进行吸收，吸收富液泵入解吸塔，并回收贫液中的热量，解吸塔通过蒸汽加热再沸器，解吸塔塔顶输出气体进行冷却并分离水，得到二氧化碳，送入储罐。
3.根据权利要求1所述的一种联动碳捕集与电解水制氢的氢碳制甲烷方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：电解水制氢子***中直接输入波动的可再生电力，通过电解水得到波动氢气，波动氢气除水增压后通过管道直接输送至氢碳制甲烷反应器。
4.根据权利要求1所述的一种联动碳捕集与电解水制氢的氢碳制甲烷方法，其特征在于，所述步骤S3对输入氢碳制甲烷反应器内的氢气和二氧化碳的比例进行监测，根据监测结果控制二氧化碳的输出流量，控制的比例为4:1-4.1:1。
5.根据权利要求1所述的一种联动碳捕集与电解水制氢的氢碳制甲烷方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：氢气和二氧化碳混合进入一段反应器，经过冷却除水进入二段反应器，经过冷却除水得到甲烷。
6.根据权利要求5所述的一种联动碳捕集与电解水制氢的氢碳制甲烷方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括：二段反应器中的甲烷输出后，在氢碳制甲烷反应器中通入纯净水进行蒸发，将反应释放的热量移出，将蒸发得到的蒸汽传输至解吸塔的再沸器，通过蒸汽加热再沸器实现热量再利用。
7.一种应用联动碳捕集与电解水制氢的氢碳制甲烷方法的***，其特征在于，包括：
电解水制氢子***，用于利用波动电力制取波动氢气，与氢碳制甲烷子***相连；
二氧化碳捕集子***，用于采用有机胺捕集燃料燃烧烟气中的二氧化碳，与氢碳制甲烷子***相连；
氢碳制甲烷子***，用于利用波动的氢气，并实时调控输入的二氧化碳，在反应器中催化转化为甲烷。
8.根据权利要求7所述的一种应用联动碳捕集与电解水制氢的氢碳制甲烷方法的***，其特征在于，所述电解水制氢子***包括依次相连的汽化器（1）和电解槽（4），在汽化器（1）和电解槽（4）之间设有气体混合器（2）、预热器（3），在电解槽（4）输出端分别与氧气冷却器（5）、氢气冷却器（6）相连，氢气冷却器（6）输出端经过气液分离罐（7）和氢气压缩机（8）与氢碳制甲烷子***输入端相连。
9.根据权利要求7所述的一种应用联动碳捕集与电解水制氢的氢碳制甲烷方法的***，其特征在于，所述二氧化碳捕集子***包括依次相连的吸收塔（9）、解吸塔（12）和气液分离器（14），吸收塔（9）与解吸塔（12）之间设有液体泵（10）、换热器（11），解吸塔（12）与气液分离器（14）之间设有冷却器（13），气液分离器（14）输出端与二氧化碳储罐（15）输入端相连，二氧化碳储罐（15）输出端经过流量控制阀（16）与氢碳制甲烷子***输入端相连。
10.根据权利要求9所述的一种应用联动碳捕集与电解水制氢的氢碳制甲烷方法的***，其特征在于，所述氢碳制甲烷子***包括一段反应器（18）和二段反应器（21），一段反应器（18）输入端设有气体混合器（17），一段反应器（18）和二段反应器（21）之间设有冷却器（19）、气液分离器（20），二段反应器（21）输出端经过冷却器（22）、气液分离器（23）与甲烷输出口相连，一段反应器（18）和二段反应器（21）经过蒸汽混合器（24）与解吸塔（12）相连。
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