CN103380198A - 用于利用生物质制油工厂中产生的气体的热能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明用于利用在生物质制油工厂中产生的气体的热能。本发明的突出特征在于：在生物质制油工厂中产生的排放气体流的热能用于驱动各种压缩机和/或发电机，由此，工厂能够作为独立设施运转。

Description

用于利用生物质制油工厂中产生的气体的热能的方法

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的用于利用在生物质制油工厂中产生的气体的热能的方法。本发明还涉及根据权利要求9所述的应用。

背景技术

在使用现有技术的生物质制油工厂中，在高温或低温气化器中气化固态生物质。生物质制油工厂的功能是通常通过费托合成而将生物质由合成气转化成液态燃料（生物质至液体）。在高温气化中，气化器在高于灰熔融温度（更具体地为在大约1200-1400℃）下运转。根据所使用的技术，在1-40bar的压力下发生气化。目前，技术已经得以发展，以尤其适于在大约5bar的气化器压力下对生物质进行高温气化。

在气化中产生的并且进一步经过纯化的气体通常被称作合成气，这是因为合成气随后用于制备诸如氨或者长链芳族烃的其它产物。

在制造合成生物燃料中，在气化中产生的原料合成气必须被冷却并且纯化以去除灰尘，由此，除了氢气和一氧化碳之外的其它组分需要从气体流中分离出。所产生的纯合成气，（即，氢气和一氧化碳）被传送到费托反应器（FT反应器），其中，在存在催化剂的情况下产生石蜡烃。通常在20-40bar的压力并且在大约200℃的温度下进行费托FT处理。由此所获得的蜡状产物被称为生物蜡。

从FT处理获取的生物蜡需要通过例如氢化作用、裂化和蒸馏而进一步提炼，以由生物蜡生产出适于发动机使用的燃料。而且，在升高的压力（30-80bar）下进行这些处理。氢化作用指的是在氢环境中进行处理，其中，碳之间的双键是饱和的。相应地，裂化指的是在反应器中断裂过长的烃链。蒸馏最后使得燃料馏分彼此分离，从而产生柴油燃料、石脑油、煤油、液化石油气等。

如果在低于FT处理和提炼处理的压力的压力下进行气化，则必须升高合成气的压力。传统地，在冷却合成气并且过滤以去除固体杂质之后实施所述步骤。通过可获得的多种不同类型的气体压缩机来实现压力升高。典型地，所述气体压缩机可被分类为轴向压缩机、径向压缩机、活塞式压缩机和螺杆式压缩机。更为一般地，已经使用轴向压缩机和径向压缩机来实施合成气压缩。基于所需的压力升高、气体组分和体积来选择适当的压缩机类型。

压缩机的共同特征是它们是旋转设备。压缩所需的机械能典型地来源于电动机，或者可替代地，来自蒸汽涡轮机或者燃气涡轮机。例如，在大约5bar至35bar压力下具有300-500MW的气化燃料功率的生物质制油工厂中的合成气压缩需要大约10-17MW的输入功率。

取代空气的是，使用氧气来进行气化，所述氧气必须被加压以用于气化处理。通过首先将空气冷却成液体形式并且然后蒸馏空气使气体相互分离而由空气制备出氧气。对于300-500MW气化燃料功率的合成气设备而言，空气气体设备的压缩机功率是10-15MW。在氧气设备中，在冷却处理中和氧气压力升高至气化处理压力中需要压缩机。

在生物质制油处理中，压力在加压步骤之后朝向处理出口端的下游减小。这是由于以累积的方式在不同处理阶段中发生压力损失。如果期望在处理中反向供给气体流，则必须通过压缩来升高这种气体流的压力水平。然而，这些压缩机相对于使主要气体流运动所需的压缩功率而言功率较低，典型地每个压缩机为大约200-700kW。

而且，如果处理包括为了捕获一氧化碳而将一氧化碳液化，则借助于热交换器和膨胀阀在将气态一氧化碳冷却至-50℃之前必须将其压力升高至大约20bar。在气化燃油功率为300-500MW的生物质制油工厂中的一氧化碳压缩和冷却设备压缩机的输入功率需求量为大约10-15MW，由此一氧化碳的液化量为大约50-75t/h。

如从以上讨论所显而易见的是，很多不同压缩机消耗生物质制油工厂所需的电能中的大部分。因此，尽管生物质制油工厂根据其处理用蒸汽资源有在工厂内发电的可能性，但是工厂依然依赖于外部电力。

发明内容

本发明主要针对合成气压缩，但是更一般地，本发明可以应用于其它用途，例如，应用于在上文提及的需要压缩的处理步骤。

在此必须注意的是，生物质制油处理在不同的压力水平（尤其在高压下）通过冷却原料合成气并且对其自身净化而产生饱和蒸汽。更具体地，费托（FT）合成的受控冷却在中-高压力下释放大量饱和蒸汽。除了生物质制油处理自身的相对少量的自用需求之外，在工厂中，背压蒸汽的主要最大消耗者为生物质干燥。不过，生物质制油工厂具有低压蒸汽的丰富的固有供给。

典型地，由于上述原因，目的是使得生物质制油工厂与能够使用其过多蒸汽的工业设备结合在一起。有利地，例如在使纸、纸浆和硬纸板干燥以及在地区的供热和发电中使用蒸汽。从生物质制油工厂可获得的蒸汽减小了与所述生物质制油工厂相组合的工厂的燃料消耗。

然而，由此产生的问题在于：发现相组合的适当工厂对用于建造生物质制油工厂的切实可行的多个可能位置的形成主要限制。因为生物质制油工厂必须位于工厂厂址的之前没有预定用途的剩余区域中，所以生物质制油工厂的布局通常变得欠佳。后勤保障较佳的相组合的工厂位置没有必要是生物质制油工厂的最有利场所。

而且，值得注意的是，生物质制油工厂和与其相组合的工厂必须构造成能应对这些约束条件，所述约束条件为设备/工厂中的任意一个没有持续运转，这意味着它们皆需要装配有独立设施。因此，相组合不必然导致总投资成本削减，而是相反地，需要设置独立运转的相组合的设施和处理。

应当最有效地利用在独立情况中产生的过多蒸汽——所述情况在缺乏蒸汽消耗者时需要借助于蒸汽涡轮机发电。然而，在涡轮机中使用饱和蒸汽是不可能的，除非通过例如在单独的过热锅炉中燃烧气态燃料而使饱和蒸汽过热，而所述单独的过热锅炉在该处理中是冗余的单元。

现在本发明提供了一种能够克服上述问题的布置。本发明的目的涉及一种情况，其中，在生物质制油处理中同时存在电力短缺和饱和蒸汽过多。需要电力向由电动机驱动的各种压缩机供电。同时，蒸汽被发送至相组合的工厂的处理或电力设备，其中，蒸汽驱动涡轮机而发电。这种电力的一部分可返回以在生物质制油处理中使用。

在本发明的实施例中，根本目的是就地利用过量蒸汽并且由此使所购买的电力量减小。通过用在生物质制油工厂处理中产生的蒸汽来驱动压缩机可使这两个目标相组合。从而，使机械能转化成电能并且重新转化成机械能的转化损耗最小化。对于在涡轮机中使用蒸汽而言，首先必须使蒸汽过热。接下来将描述一种方法，其中，借助于被称为蒸汽重整器的处理设备来实现使蒸汽过热。

蒸汽重整器是一种单元，所述单元通常应用在炼油工业中以用于从甲烷和重烃馏分产生氢气，从而用在炼油中。借助于适当的催化剂并且在高温下通过将蒸汽供给到正被重整的气体中来实现重整。该处理也被称为英文术语Steam Methane Reformer（SMR（蒸汽甲烷重整器））或者Steam Reformer Unit（SRU（蒸汽重整器单元））。

接下来描述一种方法，其中，使用SMR技术来实现过热。产生于生物质制油处理的气化阶段的原料合成气包含非足量的用于FT处理的氢气。因此，基于被称为水煤气变换技术（WGS=水煤气变换）的水煤气转移反应进行氢气添加是必需的。在这个处理中，将一氧化碳（CO）从在气化中产生的合成气中分离出，将蒸汽喷射到气体流中，并且在接下来的催化反应中，如下地产生氢气：

CO+H₂O→CO₂+H₂

生物质制油工厂的FT处理和炼油的不同阶段产生各种尾气，使用SMR技术可从所述各种尾气中回收氢气。由此，与氢气源是诸如甲烷的化石资源这样的情况相比，提高了生物质制油处理的产量并且从而使得产生氢气（即，来源于生物质）更加经济。

尾气源于设备的生物质基的原料并且包括不同种类的轻质烃，所述尾气被自由地翻译成芬兰语为“rear-end gases”并且在费托处理和随后的后处理阶段中产生。传统地，使用SMR技术由天然气的甲烷产生氢气：

CH₄+H₂O→CO+3H₂

现在，将这种技术应用于在FT处理中产生的尾气。因此，如下地重整诸如丙烷的具有长链的气体分子：

C₃H₈+3H₂O→3CO+7H₂

由此可经由WGS反应在处理中进一步利用一氧化碳：

CO+H₂O→CO₂+H₂

因此，可利用WGS和/或SMR处理来补充生物质制油处理，以用于提高产量并且调整氢气与一氧化碳之比。就甲烷而言，例如，总反应是：

CH₄+2H₂O→CO₂+4H₂

为了在高压涡轮机中使用源自冷却气化器的原料合成气的高压饱和蒸汽，必须使所述蒸汽过热，这是因为在蒸汽膨胀期间没有冷凝水可被传送到涡轮机。在单独的过热锅炉中或者通过蒸汽重整器的热燃料气可以实现过热，所述蒸汽重整器的热燃料气更加适当地适于生物质制油处理。在重整器中进行对FT处理的尾气的重整，所述尾气包括不同烃的混合物。正被重整的气体的温度通过使锅炉中的一部分气体或者某些其它燃料燃烧而被典型地升高至大约900-1100℃。

处理温度如此之高，以使得排放的烟气仍然可以用于使蒸汽过热，这意味着可以在无需安装锅炉的情况下以针对SMR技术的最小额外投资来实现使蒸汽过热。因为烟气源自无灰尾气（即，源自排放气和剩余气体），所以所述烟气是清洁的。明显地，还可以使用外部供给的燃料（诸如天然气或者源自生物质制油处理的其它可燃气体）来加热SMR单元。

过量背压蒸汽可在蒸汽冷凝涡轮机中被转换成电力。冷凝涡轮机可以是一台独立的设备或者与合成气涡轮压缩机结合成一体。再者，背压涡轮机可以独立于压缩机，从而有助于压缩机和涡轮机的完全独立操作。

所述布置允许更加有效地利用整个处理链。本发明的基本特征是方法及其应用中的关键因素。更具体地，本发明的特征在于各权利要求中所述的内容。

附图说明

在下文中，通过参照附图1-3借助于优选实施例来更加详细地描述本发明，在所述附图中：

图1-3示出了用于实施根据本发明的方法的布置的工艺流程示意图。

具体实施方式

图1示出了用于由固体生物质生产生物燃料的流程示意图。供给到处理中的生物质12被干燥并且其颗粒尺寸在原材料预处理步骤1中是均匀一致的，以适于供给到气化器。供给已预处理的生物质以进行氧气气化3，所述氧气气化3具有使得气体的焦油组分完全分解这样的高温。焦油组分的分解对于防止它们在气化步骤下游处的处理设备中冷凝是必要的。在氧气设备2中制备处理用氧气。

在步骤4中冷却原料合成气28并且在处理5中过滤原料合成气以去除灰尘。随后，可通过压缩机24将气体压力升高至FT反应器8所需要的水平。在供给到FT反应器之前，在WGS反应器6中调整气体中的一氧化碳与氢气之比，并且将其它气态组分和催化剂毒物7从合成气中分离出，该其它气态组分和催化剂毒物被分流成流22。源自FT处理的生物蜡在提炼设备9中被后期处理成适于不同应用的馏分15，诸如生物柴油。

在处理4中借助于热交换器进行原料合成气28的冷却，高压引入的水20被传送到所述热交换器。在热交换器中，水被蒸发为蒸汽并且被以饱和状态被移出。在设备启动开始时，气化3发挥功能而不是在处理的下游阶段6-9发挥功能。这意味着如图1的替代方案26a所示出的，饱和蒸汽必须经由减压阀25传送至背压网38。该操作状态必须继续很长一段时间，直到在压缩机24中接收纯合成气。在下文中，可启动压缩机以输出压缩的合成气27。

如果压缩机和涡轮机通过公共轴永久地彼此连接，即，迫使所述压缩机和涡轮机以相同速度或者经由变速箱以不同速度彼此旋转，当电动机驱动机器时，少量冷却蒸汽必须被传送至涡轮机。

如果涡轮机23被设计成由饱和蒸汽驱动，则蒸汽可经由图1中的区域26b中所示的路径经线路通到涡轮机。然而，由于高压涡轮机通常没有设计成接收饱和蒸汽，在这种情况中，蒸汽经由路径26a传送至背压网很长一段时间，直到已经由电动机驱动压缩机时蒸汽重整器10变得可操作为止。随后，饱和蒸汽流被导向图1的区域26c所示出的路径。

在图2中，示出了与本发明有关的处理的蒸汽流动网的布局。其中，图1的饱和蒸汽流26c经由过热器33进行传送，由此，产生适于供给到涡轮机23的过热蒸汽流39。

在饱和蒸汽冷凝涡轮机24b与高压涡轮机24a和压缩机23在同一轴上相连接时，其还可作为独立的机器运转。使各机器彼此独立地运转在特殊情况中和启动时允许设备具有更好的运转性能。在稳定地运转一段延长的时间段的处理中，具有固定构造的系统的效能和投资成本将更加有利。

就背压蒸汽38而言，生物质制油处理是基本上自足的。可以例如在冷凝蒸汽发电或者在诸如造纸厂或者化工厂中的那些热密集处理中可以使用过量蒸汽。当蒸汽冷凝涡轮机24b与高压涡轮机24a安装在同一轴上时，当涡轮机24a和24b的组合功率超过压缩机23所需的功率需求时，安装在同一轴上的同步电动机34还可履行发电机的功能。

由于因冬季生物质水分含量较高并且使空气干燥的户外温度较低，所以使生物质干燥37在冬季消耗蒸汽为在夏季消耗蒸汽的三倍，所以过量的背压蒸汽38从冬季到夏季变化。与季节无关地，来自气化器的饱和高压蒸汽26的输出和产自生物质制油处理35的其它蒸汽保持不变。必要时，例如，来自纸浆厂的背压蒸汽网36的其它过量蒸汽流也可供给至生物质制油工厂的背压蒸汽网。

在平衡状态中，所有可获得的高压蒸汽26均经由高压涡轮机24a传送至背压蒸汽网38。过量蒸汽被传送至蒸汽冷凝涡轮机24b并且随后在冷凝器30中冷凝。如果由蒸汽冷凝涡轮机提供的冷却能力不充足，则可在与水路连接的辅助冷却器31中冷却过量蒸汽。冷凝物29返回到处理中作为引入水20。

在图2中还示出了用于冷却正被压缩的合成气28的中间冷却单元32。根据所使用的技术，中间冷却阶段的数量可以是多个，例如，4-6。倘若水温足够高，有利地大约为+50℃或者更高，则可利用中间冷却器的暖流出水，例如用于干燥生物质制油工厂的生物质原料。

在图3中，示出了根据本发明的SMR处理的流程图。与蒸汽40b一起，在处理中未利用的可燃气体16a被供给至SMR反应器10，该SMR反应器借助于燃烧空气13通过燃烧PSA单元的废气16b和净化气体44b的一部分而被加热。该处理产生重整气体17，氢气在PSA单元42中在冷却之后从所述重整气体中分离出。

PSA出口气体或净化气体44也包含经线路通到SMR单元用作燃料的可燃气体。PSA（即，变压吸附反应器）是一种能够将不同分子量的气体彼此分离开的单元，例如通常将氢气43从由二氧化碳和氢气构成的气体混和物中分离出来。

还可以在没有PSA单元的情况下通过借助于再循环压缩机11将重整气体流供给至如图1所示的已压缩的合成气体流27进行处理。

从SMR10离开的出口烟气18和重整气17是热的并且由此在高温条件下包含足够的能量以足以在过热器33a和33b中使离开气化器的饱和蒸汽26c过热。例如，在90bar压力下的饱和蒸汽具有大约305℃的温度。为了供给到涡轮机，温度还必须升高至大约500℃。当必要时，可以通过将供水20喷射41到蒸汽流中来调节过热蒸汽的温度。

在离开高压过热器33a和33b之后，烟气18的温度仍然相当高，从而允许利用烟气在锅炉46a和过热器46b上在低压下产生蒸汽40，以加热用于干燥生物质的水，或者可替代地预热47热交换器45中的SMR单元中的燃烧空气。已冷却的烟气可被排放至烟囱19。

在上述方式中，本发明针对一种新颖的方法和应用，所述方法和应用能够利用在生物质制油工厂中形成的气体的热能，用于在工厂内使用。所述方法提供了显著的益处，更特别地是通过利用在生物质制油工厂中产生的气体流的热能使蒸汽过热，以用于驱动生物质制油工厂的涡轮机以及用于后处理尾气以使设备最终产品的产量最大化。

通过使用在生物质制油工厂处理中产生的蒸汽流由蒸汽涡轮机驱动生物质制油工厂处理阶段的压缩机和/或发电机来实现所述目的，所述生物质制油工厂处理原则上由蒸汽重整器（即，与生物质制油工厂设备结合成一体的SMR反应器10）的烟气进行过热。另外，通过在PSA单元42处回收氢气43使工厂的产量最大化。

以这种方式，对离开生物质制油处理的饱和蒸汽流增压显著地提高了生物质制油的自给电平衡并且有助于生物质制油工厂作为独立于另一个工业设备或者电力公共设施的独立设施的自给自足运转。

根据本发明，与生物质制油工厂相结合的方法用于利用蒸汽重整器10的烟气18和/或重整气17的热能，以使在生物质制油工厂中使用的蒸汽过热39，以用于驱动合成气涡轮压缩机23、24和/或发电以及提高氢气产量43，由此，包括WGS处理，使蒸汽重整器10连接到PSA单元42。

生物质制油工厂在其FT处理8中产生不同的FT尾气，即，被传送至蒸汽重整器10的处理废气16，其中FT尾气被重整17，以使得气体17的碳氢化合物被重整成氢气43以及基本上重整成一氧化碳并且由此进一步重整成二氧化碳44，气体流在PSA单元42中进行冷却33、46之后，从其中回收氢气43，于是，残留气体44被再循环至蒸汽重整器10，以用于将蒸汽重整器10加热至大约800-1100℃的合适温度。为了冷却，将蒸汽重整器10中的重整气体17和离开蒸汽重整器10的烟气18传送至热交换器33，由此，气体流的热能用于使离开气化器的饱和高压蒸汽26c过热。以这种方式，利用在生物质制油工厂中产生的气体的热能来使得用于驱动生物质制油工厂的涡轮机的气体过热。

如上所述，该处理产生了大量饱和蒸汽流，例如，那些源自冷却气化器容器外壳或者合成气体流的饱和蒸汽流。根据本发明，能够借助于在处理中产生的热气体（诸如，蒸汽重整器的烟气）来实现使这些气体过热。过热对于使蒸汽可在涡轮机中使用并且进一步用于驱动压缩机来说是完全必要的。因此，本发明可能避免对购买独立的过热锅炉的需求。

另一显著的益处是可建造工厂而不必使另一个工厂（诸如，例如能够使用饱和蒸汽的造纸厂）位于附近。现在，根据本发明的方法允许发电厂与该处理相结合。而且，饱和蒸汽可应用在其它处理（诸如，使纸和纸浆干燥）中，或者应用于产生地区供热的热能。

对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明并不局限于上述示例性实施例，而是可以在所附的权利要求的发明精神和范围内改变。

Claims (13)

1.用于利用在生物质制油工厂中产生的气体的热能的方法，其特征在于，在所述生物质制油工厂的生产处理中产生的气体的热能用来使蒸汽过热，以驱动所述生物质制油工厂的涡轮机。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述方法中，使用蒸汽流由蒸汽涡轮机来驱动工厂处理阶段的压缩机和/或发电机，所述蒸汽流在所述生物质制油工厂处理中产生并且由蒸汽重整器的烟气使所述蒸汽流过热，所述蒸汽重整器是蒸汽甲烷重整器反应器（10），所述蒸汽甲烷重整器反应器与生物质制油工厂的设备结合成一体，另外，为了使所述生物质制油工厂的最终产品的产量最大化，借助于变压吸附反应器单元（42）回收氢气（43）。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述方法中，使在生物质制油处理中产生的饱和蒸汽流过热显著地增大了生物质制油的自给电平衡，并且有助于生物质制油工厂作为独立于另一工业工厂或者电力公共设施的独立设施自给自足地运转，而同时使最终产品的产量最大化。

4.根据权利要求1-3中的任意一项所述的方法，其特征在于，生物质制油工厂具有与其相结合的方法，该方法用于利用蒸汽重整器（10）的烟气（18）和/或重整气体（17）的热能，以用于使在所述生物质制油工厂中使用的蒸汽过热（39），从而驱动合成气涡轮压缩机（23，24）和/或发电以及提高氢气产量（43），由此包括水煤气变换处理，使蒸汽重整器（10）连接到所述变压吸附反应器单元（42）。

5.根据权利要求1-4中的任意一项所述的方法，其特征在于，所述生物质制油工厂在其费托处理（8）中产生不同的费托尾气，即，传送到所述蒸汽重整器（10）的处理废气（16），其中，费托尾气被重整（17），以使得重整气体（17）的碳氢化合物被重整成氢气（43），并且基本上重整成一氧化碳，并且由一氧化碳进一步重整成二氧化碳（44），在所述变压吸附反应器单元（42）中冷却（33）之后从气体流中回收氢气（43），此后，将剩余气体（44）再循环至蒸汽重整器（10），以用于将所述蒸汽重整器（10）加热到大约800-1100℃的合适温度。

6.根据权利要求1-5中的任意一项所述的方法，其特征在于，在所述蒸汽重整器（10）中重整的气体（17）和离开所述蒸汽重整器（10）的烟气（18）被传送到热交换器（33）中以进行冷却，由此所述气体流的热能用于使离开气化器的饱和高压蒸汽（26c）过热。

7.根据权利要求1-6中的任意一项所述的方法，其特征在于，所述热交换器（33）包括过热器（33a）和（33b），其中，使所述饱和高压蒸汽（26c）过热（39）以用于压缩机/涡轮机（24）和（23），并且利用锅炉（46a）和过热器（46b）以用于产生在蒸汽重整（10）中所需的蒸汽。

8.根据权利要求1-7中的任意一项所述的方法，其特征在于，将蒸汽冷凝涡轮机（24b）连接到作为涡轮压缩机起作用的压缩机/涡轮机组合（23）和（24a），将在生物质制油工厂中产生的低压蒸汽流和中-高压蒸汽流传送到所述蒸汽冷凝涡轮机，并且使发电机（34）设置用于发电。

9.利用在生物质制油工厂中产生的气体的热能来使蒸汽流过热从而驱动所述生物质制油工厂的涡轮机并且后处理气体流以从该气体流中回收氢气的应用。

10.根据权利要求9所述的应用，所述应用用于利用在所述生物质制油工厂中产生的饱和蒸汽流，其中，过热增加了生物质制油的自给电平衡并且有助于生物质制油工厂作为独立于另一工业工厂或者电力公共设施的独立设施自给自足地运转，而同时使最终产品的产量最大化。

11.根据权利要求9-10所述的应用，所述应用用于与所述生物质制油工厂的设备结合成一体的诸如蒸汽甲烷重整器反应器（10）的蒸汽重整器，以用于使在所述生物质制油工厂中产生的排放气体流过热，从而驱动所述工厂的压缩机和/或发电单元，另外，使所述生物质制油工厂的最终产品的产量最大化，由此，借助于变压吸附反应器单元（42）回收氢气（43）。

12.根据权利要求9-11所述的应用，所述应用用于利用烟气（18）和/或重整气（17）的热能来使在所述生物质制油工厂中使用的蒸汽过热（39），以用于驱动合成气涡轮压缩机（23、24）和/或用于发电。

13.根据权利要求9-12所述的应用，所述应用用于提高所述生物质制油工厂的产量，由此，使用水煤气变换处理，使蒸汽重整器（10）和变压吸附反应器单元（42）与所述生物质制油工厂的设备结合成一体。

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