CN219621111U - 一种垃圾发电与光伏发电制气耦合实现co2回收并生产甲醇的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种垃圾发电与光伏发电制气耦合实现CO₂回收并生产甲醇的装置，包括垃圾焚烧锅炉、垃圾发电机组、换热设备、烟气除尘单元、烟气冷凝单元、增压风机、电解水装置、甲醇合成单元、甲醇精馏单元和水处理装置，本实用新型技术用电解水装置制取的O₂和部分富含CO₂烟气配气替代现有传统垃圾焚烧锅炉中空气助燃，烟气中高浓度CO₂通过回收用作甲醇合成的原料气，本实用新型技术与现有垃圾焚烧发电和单一的光伏发电制气生产甲醇比较，不仅可以回收85％垃圾发电产生的CO₂，而且可以避免烟气中的酸性气、重金属等排放到大气，降低发电过程的热量损失，解决了单一光伏发电制气合成甲醇的CO₂碳源和生产甲醇原料成本过高问题。

Description

一种垃圾发电与光伏发电制气耦合实现CO2回收并生产甲醇的 装置

技术领域

本实用新型涉及新能源及节能技术领域，尤其是一种垃圾发电与光伏发电制气耦合实现CO₂回收并生产甲醇的方法。

背景技术

随着我国城市化进程的加快，城市生活垃圾产生量不断增长，有效处理生活垃圾、减缓生态环境污染日益受到重视。目前生活垃圾处理技术除卫生填埋、堆肥处理外，主要以焚烧发电为主，焚烧处理过程中会产生许多烟气，这部分烟气会带走约30％的热能，同时产生可造成二次污染的有害物质，包括酸性气体、重金属和二噁英等。因此，目前急需寻求一种可以稳定、减量、高效、无害的处理城市生活垃圾方法，可以减少大量污染源并保护环境，并带来一定的经济效益和环境效益。

传统的甲醇生产是以煤、天然气等化石能源为原料，通过气化或重整技术制取合成气，再经过压缩、合成和精馏等工序获得甲醇产品，生产过程向大气中排放大量的CO2。2018年施春风、张涛等提出液态阳光的理念，即利用太阳能等可再生能源转化水和二氧化碳制取液体燃料，中科院大连化学物理研究所团队与兰州新区石化等合作开始建设全球首个液态阳光甲醇合成工业示范项目，利用大规模太阳能发电，进而电解水产氢，用可再生能源产生的氢气与二氧化碳反应生成甲醇，从而把可再生能源的能量存储在液体燃料甲醇中。但项目在生产过程中光伏发电制氢成本高，合成甲醇的CO₂和电解用水均来自外部，单一的光伏发电进行电解水制气生产甲醇与传统的以煤为原料生产甲醇相比现阶段成本不具优势。

浙江工业大学陈晨等专利CN115354345A公开了光伏光热耦合共电解结合垃圾发电的综合能源***及其工艺方法，利用太阳能光伏及光热并结合氨基热化学热泵***为SOEC电解***提供电和热，利用太阳能发电驱动空气分离为氮气与氧气、驱动水电解为氢气和氧气，氧气作为垃圾焚烧发电的助燃剂，垃圾焚烧发电输出电能，其产生的高温CO2可直接与水蒸气混合通入SOEC电解池进行共电解生成H2和CO，再通过催化剂将氢气与一氧化碳催化为甲醇，其实用新型主要侧重固体氧化物电解池(SOEC)技术和化学热泵技术实现电与甲醇、氨等联产，甲醇生产流程较为复杂，合成甲醇的原料需要通过CO₂与水蒸气混合通入SOEC电解池进行共电解生成H₂和CO的逆变换过程，增加了甲醇生产的环节，能耗增加。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型提出了下述一种垃圾发电与光伏发电制气耦合实现CO₂回收并生产甲醇的方法，不仅可以回收85％垃圾发电产生的CO₂，而且可以避免烟气中的酸性气、重金属等排放到大气，降低发电过程的热量损失，解决了单一光伏发电制气合成甲醇的CO₂碳源和生产甲醇原料成本过高问题。

一种垃圾发电与光伏发电制气耦合实现CO₂回收并生产甲醇的方法，包括垃圾焚烧、垃圾发电、换热、烟气除尘、烟气冷凝、电解水、水处理、合成气压缩、气体净化、甲醇合成和甲醇精馏；

外部垃圾送入垃圾焚烧锅炉内燃烧，来自电解水装置制取的O₂与烟气循环来的CO₂按比例混合作为助燃剂，垃圾焚烧产生的中压过热蒸汽压力3.5～4.5MPa、温度350～500℃送垃圾发电机组用于发电；

垃圾焚烧排放的烟气经过换热、烟气除尘和烟气冷凝后，一部分经增压风机与电解水装置送来的O₂按比例调配混合返回垃圾焚烧，另一部分送去甲醇合成，烟气冷凝产生的冷凝水去水处理装置；

电解水制取的H₂送去甲醇合成，制取的O₂送去垃圾焚烧，电解水用电来自太阳能光伏发电；

来自电解水的H₂和来自烟气的CO₂混合经合成气压缩后，在气体净化装置脱除杂质，再进行2H₂+O₂＝H₂O混合气脱氧反应，脱氧反应生成的水经冷凝去水处理装置，冷凝后气体进入甲醇合成；

甲醇合成进行3H₂+CO₂＝CH₃OH+H₂O反应生成甲醇和化学水，甲醇合成装置入口的H₂和CO₂调配按H₂/CO₂控制在2.0～3.2，甲醇合成产生的甲醇和水去甲醇精馏单元提纯达到合格的甲醇产品，甲醇精馏所需蒸汽来自甲醇合成单元，甲醇精馏分离产生的化学水去水处理装置；水处理装置接受甲醇合成单元的脱氧水、甲醇精馏单元的含醇废水和烟气冷凝单元产生的冷凝水，处理后的水合格送去电解水装置用于制取H₂和O₂。

所述的气体净化装置中反应压力2.0～10.0MPa，反应温度200～350℃，过程产生2.5～4.0MPa蒸汽；所述的甲醇合成中合成压力5.0～10.0MPa，反应温度200～350℃，过程产生2.5～6.0MPa蒸汽。

一种垃圾发电与光伏发电制气耦合实现CO₂回收并生产甲醇的装置，包括垃圾焚烧锅炉、垃圾发电机组、换热设备、烟气除尘单元、烟气冷凝单元、增压风机、电解水装置、甲醇合成单元、甲醇精馏单元和水处理装置，所述的垃圾焚烧锅炉与换热设备、烟气除尘设备、烟气冷凝单元、甲醇合成单元、甲醇精馏单元依次连接，所述的垃圾焚烧锅炉还连接垃圾发电机组，所述的水处理装置与甲醇合成单元、甲醇精馏单元均通过管道连接，所述的电解水装置通过管道与水处理装置、甲醇合成单元连接，所述的电解水装置还通过管道经换热设备与垃圾焚烧锅炉连接；上述设备组成整个发电和甲醇生产的装置。

所述的垃圾焚烧锅炉优选炉排式焚烧炉、回转窑焚烧炉或循环流化床焚烧炉，配套余热锅炉

所述的垃圾发电机组包括汽轮机和发电机，其中汽轮机优选抽汽凝汽式。

所述的甲醇合成单元包括合成气压缩机、气体净化装置和甲醇合成装置。

所述的甲醇合成装置优选绕管甲醇合成反应器或均温型甲醇合成反应器，

所述的合成气压缩机优选电驱离心式合成气压缩机或蒸汽透平压缩机。

本实用新型技术与现有垃圾焚烧发电和单一的光伏发电制气生产甲醇比较，具有下列突出优势：

1、通过本实用新型专利的工艺方法，用电解水装置制取的O₂和部分富含CO₂烟气配气替代现有传统垃圾焚烧锅炉中空气助燃，助燃气中富含O₂，炉内温度高、垃圾焚烧更彻底、排烟体积比传统空气燃烧要少，热效率提高约5％。

2、通过本实用新型专利的工艺方法，用电解水装置制取的O₂和烟气循环中CO₂配气替代现有传统垃圾焚烧锅炉中空气进行助燃，排烟气中CO₂浓度高，CO₂可以回收85％、能耗低，大幅降低烟气向大气排放，彻底消除了烟气中酸性气、重金属对环境污染。

3、通过本实用新型专利的工艺方法，烟气中高浓度CO₂通过回收，用作甲醇合成的原料气，相比现有单一的光伏发电制气生产甲醇装置，解决的CO₂的碳源问题，减少用于生产甲醇的CO₂原料成本。

4、通过本实用新型专利的工艺方法，电解水装置制取的H₂用作甲醇合成的原料气，电解水装置制取的O₂替代空气用于垃圾焚烧锅炉助燃，相比现有单一的光伏发电制气生产甲醇，电解水制气利用效率更高。

5、电解水装置用水全部来自垃圾原料，不需要外部再补水，通过水处理装置回收烟气中全部冷凝水和甲醇合成生成的化学水，经水处理后的合格水送电解水装置。

本实用新型以废弃城市生活垃圾和太阳能可再生能源为基础，通过垃圾发电与光电制气耦合达到CO₂回收并生产甲醇，提高了综合能量效率并降低消耗。

附图说明：

图1是本实用新型垃圾发电与光伏发电制气耦合实现CO₂回收并生产甲醇工艺流程简图。

图2是本实用新型方法的物料流动图。

图3是本实用新型方法的能量流动图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细描述。

实施例1垃圾焚烧发电配套光伏发电制气日产435吨甲醇

采用如图1所示的垃圾焚烧发电配套光伏发电制气生产甲醇工艺，其中物料流动如图2所示，能量流动如图3所示。

日处理城市生活垃圾1084吨(12.55kg/s)，垃圾元素组成C_ar/18.63％、H_ar/2.85％、O_ar/11.72％、N_ar/0.5％、S_ar/0.2％、A_ar/28.3％、M_ar/37.8％，垃圾低位热值Q_net.ar/5.125MJ/Kg。外部垃圾送往垃圾焚烧锅炉燃烧，来自电解水装置制取的O₂和烟气中循环CO₂混合按O₂/CO₂调配比例50％/50％，通入气量按过量空气系数为1.1送往垃圾焚烧锅炉，O₂设计流量21143Nm³/h(8.39kg/s)，垃圾焚烧后放热产生3.82MPa、450℃中压过热蒸汽，蒸汽流量75t/h，用于垃圾发电机组发电，供电量15.81MW；垃圾焚烧锅炉排放的烟气温度256℃，依次经换热设备、烟气除尘单元和烟气冷凝单元降温至30℃，冷凝后的富含CO₂烟气一部分经增加风机升压后与电解水装置制取的O₂混合送垃圾焚烧锅炉，返回垃圾焚烧锅炉的烟气量13480Nm³/h(12.95kg/s)，另一部分烟气流量17868Nm³/h(9.62kg/s)送甲醇合成单元，烟气冷凝单元产生的冷凝水去水处理装置；

所述的甲醇合成单元包括合成气压缩机、气体净化装置和甲醇合成装置，来自电解水装置制取的H₂，流量42286Nm³/h(1.06kg/s)，与CO₂烟气混合经合成气压缩机先提压至2.4MPa，经气体净化装置先进行脱硫、脱氯等杂质，再进行2H₂+O₂＝H₂O混合气脱氧反应，反应温度200～350℃，过程产生2.5～4.0MPa蒸汽，脱氧反应生成的水经冷凝去水处理装置，冷凝后气体H₂/CO₂比例～2.45返回合成气压缩机提压8.0MPa后进入甲醇合成装置，按CO₂+3H₂＝CH₃OH+H₂O反应式进行反应，甲醇反应温度250～280℃，过程产生2.5～6.0MPa蒸汽,反应后的产物为含甲醇和水的粗甲醇送往甲醇精馏单元，甲醇合成单元产生的蒸汽用于甲醇精馏单元热源。

甲醇精馏单元进行甲醇和水的分离获得合格的甲醇产品，甲醇流量435t/d(5.04kg/s)，分离后的化学水送水处理装置，甲醇精馏单元加热用蒸汽来自甲醇合成单元的甲醇合成装置和气体净化装置。

电解水装置制取的H₂送甲醇合成单元，电解水装置制取的O₂，送垃圾焚烧锅炉。电解用电来自太阳能光伏发电，用电190.3MW，电解用水来自垃圾中水分，不需外部再供水。

水处理装置接收来自甲醇合成单元的脱氧水、甲醇精馏单元的含醇废水和烟气冷凝单元的冷凝水，水处理后的纯净水送往电解水装置。

各项能耗见下表，综合能量效率49.61％，指标优于常规垃圾焚烧发电效率和传统煤制甲醇能量效率。

Claims (6)

1.一种垃圾发电与光伏发电制气耦合实现CO₂回收并生产甲醇的装置，其特征在于：包括垃圾焚烧锅炉、垃圾发电机组、换热设备、烟气除尘单元、烟气冷凝单元、增压风机、电解水装置、甲醇合成单元、甲醇精馏单元和水处理装置，所述的垃圾焚烧锅炉与换热设备、烟气除尘设备、烟气冷凝单元、甲醇合成单元、甲醇精馏单元依次连接，所述的垃圾焚烧锅炉还连接垃圾发电机组，所述的水处理装置与甲醇合成单元、甲醇精馏单元均通过管道连接，所述的电解水装置通过管道与水处理装置、甲醇合成单元连接，所述的电解水装置还通过管道经换热设备与垃圾焚烧锅炉连接；上述设备组成整个发电和甲醇生产的装置。

2.如权利要求1所述的垃圾发电与光伏发电制气耦合实现CO₂回收并生产甲醇的装置，其特征在于，所述的垃圾焚烧锅炉优选炉排式焚烧炉、回转窑焚烧炉或循环流化床焚烧炉，配套余热锅炉。

3.如权利要求1所述的垃圾发电与光伏发电制气耦合实现CO₂回收并生产甲醇的装置，其特征在于，所述的垃圾发电机组包括汽轮机和发电机，其中汽轮机优选抽汽凝汽式。

4.如权利要求1所述的垃圾发电与光伏发电制气耦合实现CO₂回收并生产甲醇的装置，其特征在于，所述的甲醇合成单元包括合成气压缩机、气体净化装置和甲醇合成装置。

5.如权利要求4所述的垃圾发电与光伏发电制气耦合实现CO₂回收并生产甲醇的装置，其特征在于，所述的甲醇合成装置优选绕管甲醇合成反应器或均温型甲醇合成反应器。

6.如权利要求4所述的垃圾发电与光伏发电制气耦合实现CO₂回收并生产甲醇的装置，其特征在于，所述的合成气压缩机优选电驱离心式合成气压缩机或或蒸汽透平压缩机。