CN110436413B - 一种沼气和太阳能互补的两段式合成气制备系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种沼气和太阳能互补的两段式合成气制备系统及方法，该系统包括：第一三通阀、第二三通阀、一级回热器、一级反应器、第三三通阀、二级回热器、二级反应器和太阳能集热器。将脱硫后的沼气分流，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和水蒸气混合后预热，然后在一级反应器中吸收由太阳能转换成的热能并发生重整反应，生成重整反应的产物；重整反应的产物冷却后与第二部分脱硫后沼气混合，预热后在二级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。本发明通过集成太阳能集热、两段式沼气重整将太阳能的热能品位提升至合成气的化学能品位，减少了对水的消耗，提升了沼气和太阳能利用的经济性。

Description

一种沼气和太阳能互补的两段式合成气制备系统及方法

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、沼气重整等关键单元技术的沼气和太阳能互补的两段式合成气制备系统及方法。

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，我国的沼气发生系统借鉴为国外成熟技术，已经向大中型沼气发生系统方向发展；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两段式制备合成气的系统及方法，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，提升系统的热力性能。

(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两段式合成气制备系统，系统包括：第一三通阀、第二三通阀、一级回热器、一级反应器、第三三通阀、二级回热器、二级反应器和太阳能集热器，其中：

第一三通阀的第一出口与第二三通阀的第一入口相连接，第二三通阀的第二入口通入水蒸气，第二三通阀的出口与一级回热器的冷流体入口相连接，一级换热器的冷流体出口与一级反应器入口相连接，一级反应器的出口经一级回热器的热流体入口与第三三通阀的第一入口相连接；

第一三通阀的第二出口与第三三通阀的第二入口相连接，第三三通阀的出口与二级换热器的冷流体入口相连，二级换热器的冷流体出口与二级反应器的入口相连接，二级反应器的出口与二级换热器的热流体入口相连接；

太阳能集热器给一级反应器和二级反应器提供能量。

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两段式合成气制备方法。该方法包括，将脱硫后的沼气分流，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和水蒸气混合后预热，然后在一级反应器中吸收热能发生重整反应，生成重整反应的产物；重整反应的产物冷却后与第二部分脱硫后沼气混合，预热后在二级反应器中吸收热能发生重整反应，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两段式合成气制备系统及方法，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。此外，减少了对水的依赖。

2、本发明提供的沼气和太阳能互补的两段式合成气制备系统及方法，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，增加了系统热力性能，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两段式合成气制备系统及方法，所产生的高热值合成气用途广泛，湿式反应器产生的合成气可用于发电，且H₂和CO的摩尔比较传统甲烷重整更低，是F-T合成制取液体燃料、合成甲醇及二甲醚等的良好原料。

4、本发明提供的沼气和太阳能互补的两段式合成气制备系统及方法，将部分沼气通过高效分离手段得到较高浓度的甲烷和二氧化碳，将二氧化碳与未分离沼气混合，使得甲烷重整中二氧化碳含量大幅增加，大幅提升了甲烷转换率，高CO₂/CH₄摩尔比使得反应中催化剂失活的可能性大幅降低，降低了对催化剂的研制要求。另外，该反应过程中存在的少量二氧化碳在高温下同样可以降低了催化剂失活的可能性，减少了该技术的应用难度，提升了技术的经济性。

5、本发明提供的沼气和太阳能互补的两段式合成气制备系统及方法，技术流程简单且各部分技术较为成熟，便于工业化应用。

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两段式合成气制备系统的示意图。

图2是依照本发明实施例的沼气和太阳能互补的两段式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两段式合成气制备系统的示意图，该两段式合成气制备系统包括：第一三通阀1、第二三通阀2、一级回热器3、一级反应器4、第三三通阀5、二级回热器6、二级反应器7和太阳能集热器8，其中：

第一三通阀1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2和第三三通阀5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。一级换热器3和二级换热器6为回热器，一股热流体与一股冷流体在该回热器中进行热量交换。一级反应器4和二级反应器7为太阳能吸热装置和反应发生装置，用于将太阳能集热器8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，发生重整反应。太阳能集热器8用于将太阳光聚集并提供给一级反应器4和二级反应器7，作为发生重整反应的能量来源。

图1中，第一三通阀1的第一出口与第二三通阀2的第一入口相连接，第二三通阀2的第二入口通入水蒸气，第二三通阀2的出口与一级回热器3的冷流体入口相连接，一级换热器3的冷流体出口与一级反应器4入口相连接，一级反应器4的出口经一级回热器3的热流体入口与第三三通阀5的第一入口相连接。

第一三通阀1的第二出口与第三三通阀5的第二入口相连接，第三三通阀5的出口与二级换热器6的冷流体入口相连，二级换热器6的冷流体出口与二级反应器7的入口相连接，二级反应器7的出口与二级换热器6的热流体入口相连接。

一级反应器4和二级反应器7可以为管式反应器、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、腔体式反应器等。

太阳能集热器8用于将太阳光聚集，并提供给一级反应器4和二级反应器7，作为发生重整反应的能量来源。太阳能集热器可以是单个或多个集热器，用途是聚光转化为热能。

请再次参照图1，脱硫后沼气S1通过第一三通阀1的入口通入该两段式合成气制备系统，被第一三通阀1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S8。第一部分脱硫后沼气S2经第一三通阀1的第一出口流出并由第二三通阀2的第一入口进入第二三通阀2，在第二三通阀2中与第二三通阀2第二入口流入的水蒸气S3进行混合，得到沼气和水蒸气混合物S4；沼气和水蒸气混合物S4经过第二三通阀2的出口流出至一级换热器3中进行预热，预热后的沼气和水蒸气混合物S5经一级换热器3的冷流体出口流出并由一级反应器4的入口进入一级反应器4，在一级反应器4中吸收热能发生重整反应，生成合成气混合物S6；合成气混合物S6经过一级换热器3被冷流股冷却后成为冷却合成气混合物S7，该反应过程中所需的热能由一级反应器4将太阳能集热器8传递过来的太阳能辐射转换得到，冷却合成气混合物S7通过第三三通阀5的第一入口进入第三三通阀5。

第二部分脱硫后沼气S8经第一三通阀1的第二出口流出并由第三三通阀5的第二入口进入第三三通阀5，在第三三通阀5中与冷却合成气混合物S7形成混合物S9，混合物S9由第三三通阀5的出口流出并由二级换热器6的冷流体入口进入二级换热器6，在二级换热器6中进行预热，预热后的混合物S10经过二级换热器6的冷流体出口流出并由二级反应器7的入口进入二级反应器7，在二级反应器7中吸收热能发生重整反应，生成合成气S11，该反应过程中所需的热能由二级反应器7将太阳能集热器8传递过来的太阳能辐射转换得到，合成气S11经二级换热器6冷却后，作为产品输出。作为产品输出的合成气可用于发电和化工领域。本发明实现了太阳能和沼气的高效互补利用，与常规沼气和太阳能利用系统相比，具有更高的热力、经济和环境性能。

基于图1所示的沼气和太阳能互补的两段式合成气制备系统，图2示出了依照本发明实施例的沼气和太阳能互补的两段式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S8；

具体地，可参照图1，脱硫后沼气S1通过第一三通阀1的入口通入该两段式合成气制备系统，被第一三通阀1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S8。

S22，第一部分脱硫后沼气S2和水蒸气混合后预热，然后在一级反应器中吸收热能发生重整反应，生成重整反应的产物；

具体地，第一部分脱硫后沼气S2经第一三通阀1的第一出口流出并由第二三通阀2的第一入口进入第二三通阀2，在第二三通阀2中与第二三通阀2第二入流入的水蒸气S3进行混合，得到沼气和水蒸气混合物S4；沼气和水蒸气混合物S4经过第二三通阀2的出口流出至一级换热器3中进行预热，预热后的沼气和水蒸气混合物S5经一级换热器3的冷流体出口流出并由一级反应器4的入口进入一级反应器4，在一级反应器4中吸收热能发生重整反应，生成合成气混合物S6，该反应过程中所需的热能由一级反应器4将太阳能集热器8传递过来的太阳能辐射转换得到；

S23，重整反应的产物冷却后与第二部分脱硫后沼气S8混合，预热后在二级反应器中吸收热能发生重整反应，冷却后输出。

具体地，合成气混合物S6经过一级换热器3被冷流股冷却后成为冷却合成气混合物S7，冷却合成气混合物S7通过第三三通阀5的第一入口进入第三三通阀5。第二部分脱硫后沼气S8经第一三通阀1的第二出口流出并由第三三通阀5的第二入口进入第三三通阀5，在第三三通阀5中与冷却合成气混合物S7形成混合物S9，混合物S9由第三三通阀5的出口流出并由二级换热器6的冷流体入口进入二级换热器6，在二级换热器6中进行预热，预热后的混合物S10经过二级换热器6的冷流体出口流出并由二级反应器7的入口进入二级反应器7，在二级反应器7中吸收热能发生重整反应，生成合成气S11，该反应过程中所需的热能由二级反应器7将太阳能集热器8传递过来的太阳能辐射转换得到，合成气S11经二级换热器6冷却后，作为产品输出。作为产品输出的合成气可用于发电和化工领域。本发明实现了太阳能和沼气的高效互补利用，与常规沼气和太阳能利用系统相比，具有更高的热力、经济和环境性能。

基于上述本发明提供的沼气和太阳能互补利用系统及方法可知，本发明通过将一部分沼气与一定量水蒸气混合进入一级反应器，在太阳能的驱动下发生重整反应，将其产物与另一部分沼气混合后通入二级反应器，同样在太阳能的驱动下发生重整反应后最终得到合成气。本发明通过分步反应，降低了对催化的要求，同时将集成了太阳能集热、沼气重整将太阳能的热能品位提升至合成气的化学能品位，增加了系统热力性能，减少了对水的消耗，提升了技术的经济性。

以下进一步对本发明提供的沼气和太阳能互补利用方法进行模拟计算。在常压下，每千克沼气(含60％甲烷和40％二氧化碳)，在反应温度750℃，水碳比为1下，本发明方法(分离率为0.5)和现有技术中的常规方法的性能对比见表1所示。可知，在本发明提供的沼气和太阳能互补利用方法中生产合成气的热值，较常规方法具有一定优势，此外，耗水量大幅降低(50％)。此外，由于减少水的消耗带来的加热设备容量的降低，使得本发明提供的沼气和太阳能互补利用方法具有更高的经济性。

表1新系统性能参数表

因此，本发明提供的沼气和太阳能互补的两段式制备合成气的系统及方法，通过采用集成了太阳能集热、沼气重整、等关键单元技术，大幅提升了沼气热值；通过集成了高温热化学单元，体现出了对沼气化学能利用的用能思想，进一步提升了系统的热力性能。本发明将部分沼气通过高效分离手段得到较高浓度的甲烷和二氧化碳，将二氧化碳与未分离沼气混合，使得甲烷重整中二氧化碳含量大幅增加，大幅提升了甲烷转换率。另外高CO₂/CH₄摩尔比使得反应中催化剂失活的可能性大幅降低，降低了对催化剂的研制要求。再者，本发明将分离后得到较高浓度的甲烷与水蒸气发生甲烷湿重整反应，该反应可采用廉价的商用催化剂。另外，该反应过程中存在的少量二氧化碳在高温下同样可以降低了催化剂失活的可能性。

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 (9)

1.一种沼气和太阳能互补的两段式合成气制备系统，其特征在于，包括第一三通阀(1)、第二三通阀(2)、一级回热器(3)、一级反应器(4)、第三三通阀(5)、二级回热器(6)、二级反应器(7)和太阳能集热器(8)，其中：

第一三通阀(1)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，进而将脱硫后的沼气(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(S8)；

第二三通阀(2)和第三三通阀(5)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；

一级回热器(3)和二级回热器(6)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；

太阳能集热器(8)用于将太阳光聚集，并提供给一级反应器(4)和二级反应器(7)，作为发生重整反应的能量来源；

一级反应器(4)和二级反应器(7)为太阳能吸热装置和反应发生装置，用于将太阳能集热器(8)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，并发生重整反应；

所述第一部分脱硫后沼气(S2)和水蒸气混合后预热，然后在所述一级反应器中吸收热能发生重整反应，生成重整反应的产物；

所述重整反应的产物冷却后与所述第二部分脱硫后沼气(S8)混合，预热后在所述二级反应器中吸收热能发生重整反应，冷却后输出。

2.根据权利要求1所述的沼气和太阳能互补的两段式合成气制备系统，其特征在于，所述第一三通阀(1)的入口通入脱硫后沼气。

3.根据权利要求1所述的沼气和太阳能互补的两段式合成气制备系统，其特征在于，所述一级回热器(3)和二级回热器(6)均是换热器。

4.根据权利要求1所述的沼气和太阳能互补的两段式合成气制备系统，其特征在于，所述一级反应器(4)和二级反应器(7)均为管式反应器、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、流化床反应器或腔体式反应器。

5.根据权利要求1所述的沼气和太阳能互补的两段式合成气制备系统，其特征在于，所述太阳能集热器(8)是单个或多个集热器，用途是聚光转化为热能。

6.一种沼气和太阳能互补的两段式合成气制备方法，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两段式合成气制备系统，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(S8)；

第一部分脱硫后沼气(S2)和水蒸气混合后预热，然后在一级反应器中吸收热能发生重整反应，生成重整反应的产物；

重整反应的产物冷却后与第二部分脱硫后沼气(S8)混合，预热后在二级反应器中吸收热能发生重整反应，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两段式合成气制备方法，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(1)实现的。

8.根据权利要求6所述的沼气和太阳能互补的两段式合成气制备方法，其特征在于，所述第一部分脱硫后沼气(S2)和水蒸气混合后预热，然后在一级反应器(4)中吸收热能发生重整反应，生成重整反应的产物，具体包括：

第一部分脱硫后沼气(S2)经第一三通阀(1)的第一出口流出并由第二三通阀(2)的第一入口进入第二三通阀(2)，在第二三通阀(2)中与第二三通阀(2)第二入流入的水蒸气(S3)进行混合，得到沼气和水蒸气混合物(S4)；沼气和水蒸气混合物(S4)经过第二三通阀(2)的出口流出至一级换热器(3)中进行预热，预热后的沼气和水蒸气混合物(S5)经一级换热器(3)的冷流体出口流出并由一级反应器(4)的入口进入一级反应器(4)，在一级反应器(4)内吸收热能发生重整反应，生成合成气混合物(S6)，该反应过程中所需的热能由一级反应器(4)将太阳能集热器(8)传递过来的太阳能辐射转换得到。

9.根据权利要求6所述的沼气和太阳能互补的两段式合成气制备方法，其特征在于，所述重整反应的产物冷却后与第二部分脱硫后沼气(S8)混合，预热后在二级反应器中吸收热能发生重整反应，冷却后输出，具体包括：

合成气混合物(S6)经过一级换热器(3)被冷流股冷却后成为冷却合成气混合物(S7)，冷却合成气混合物(S7)通过第三三通阀(5)的第一入口进入第三三通阀(5)；

第二部分脱硫后沼气(S8)经第一三通阀(1)的第二出口流出并由第三三通阀(5)的第二入口进入第三三通阀(5)，在第三三通阀(5)中与冷却合成气混合物(S7)形成混合物(S9)，混合物(S9)由第三三通阀(5)的出口流出并由二级换热器(6)的冷流体入口进入二级换热器(6)，在二级换热器(6)中进行预热，预热后的混合物(S10)经过二级换热器(6)的冷流体出口流出并由二级反应器(7)的入口进入二级反应器(7)，在二级反应器(7)中吸收热能继续发生重整反应，生成合成气(S11)；该反应过程中所需的热能是由二级反应器(7)将太阳能集热器(8)传递过来的太阳能辐射转换得到，

合成气(S11)经二级换热器(6)冷却后，作为产品输出。

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