CN117380113A - 甲醇制备系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种甲醇制备系统，包括制氢设备、合成气处理设备、二氧化碳处理设备以及合成设备。合成气处理设备包括：气化工段，用于供反应而产生粗合成气；第一能量利用工段，设置于气化工段的下游，回收利用气化工段所产生的热量；二氧化碳处理设备包括：捕碳工段，设置于第一能量利用工段的下游，用于接收粗合成气并捕获二氧化碳而分别得到二氧化碳和第二混合气；储碳工段，其设置于捕碳工段的下游，用于接受并储存捕碳工段的二氧化碳；二氧化碳膨胀能量利用工段，设置于储碳工段的下游，以将二氧化碳膨胀时的能量转化为电能；合成设备用于合成甲醇，其同时设置于制氢设备、气化工段、捕碳工段以及储碳工段的下游，用于接收气体作为反应气体。

Description

甲醇制备系统

技术领域

本发明涉及甲醇制备技术领域，特别涉及一种甲醇制备系统。

背景技术

甲醇作为燃料具有燃烧高效、排放清洁、可再生等特点。同时，甲醇在常温常压下为液态，储存、运输、使用等环节更安全便捷，成为业界公认的理想新型清洁可再生燃料。

甲醇相比传统汽油燃料，能直接减少二氧化碳排放，并有效降低氮氧化物及颗粒物等污染物，同时，甲醇具有辛烷值高、抗爆性强、资源丰富、碳氢与氧分布均匀、可使发动机工作更加平稳、可提高能源转换效率等特点与功能，在汽车、船舶、航空等领域有着明显优势。甲醇相比新能源氢燃料能源，其具有便于储存、性价比高、储运用便捷、安全性高、可即产即用等特点，利于大规模推广。

目前，通常通过电解水制氢与合成气反应而得到甲醇。但是，上述合成反应中，存在大量能量浪费的情况，使得整个甲醇制备的能耗较大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种成本较低的甲醇制备系统，以解决现有技术中的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种甲醇制备系统，包括制氢设备、合成气处理设备、二氧化碳处理设备以及合成设备，所述制氢设备用于制备氢气，

所述合成气处理设备包括：

气化工段，其用于供反应而产生粗合成气，所述粗合成气包括一氧化碳、二氧化碳和氢气；

第一能量利用工段，其设置于所述气化工段的下游，用于回收利用所述气化工段所产生的热量；

所述二氧化碳处理设备包括：

捕碳工段，其设置于所述第一能量利用工段的下游，用于接收所述粗合成气并捕获二氧化碳而分别得到二氧化碳和第二混合气；

储碳工段，其设置于所述捕碳工段的下游，用于接受并储存所述捕碳工段的二氧化碳；

二氧化碳膨胀能量利用工段，其设置于所述储碳工段的下游，以将二氧化碳膨胀时的能量转化为电能；

所述合成设备用于合成甲醇，其同时设置于所述制氢设备、所述气化工段、所述捕碳工段以及所述储碳工段的下游，用于接收气体作为反应气体。

在其中一实施方式中，所述第一能量利用工段包括设置于所述气化工段下游的余热回收工段，所述余热回收工段同时位于所述捕碳工段和所述合成设备的上游，所述余热回收工段包括能够相互进行热交换的第一通道和第二通道，所述气化工段与所述第一通道连通，所述第二通道的入口用于外接供热介质，以用于吸收所述粗合成气的热量而转换为蒸汽。

在其中一实施方式中，所述余热回收工段的下游设置有蒸汽能量利用工段，所述蒸汽能量利用工段与所述第二通道的出口连接，用于接收蒸汽并转换为电能。

在其中一实施方式中，所述制氢设备包括：

制氢工段，其用于制备氢气；

储氢工段，其设置于所述制氢工段的下游，用于压缩氢气并储存氢气；

氢气膨胀能量利用工段，其设置于所述储氢工段的下游，以用于将氢气膨胀时的能量转化为电能。

在其中一实施方式中，所述储碳工段包括设置于所述捕碳工段下游的液化器、设置于所述液化器下游的储存容器以及设置于所述储存容器下游的气化器，所述液化器用于接收所述捕碳工段的二氧化碳并液化处理而得到液态二氧化碳，所述储存容器用于储存液态二氧化碳，所述气化器用于气化二氧化碳而得到二氧化碳气体。

在其中一实施方式中，所述液化器的下游设置有蓄热储罐，所述蓄热储罐的出口与所述气化器连通。

在其中一实施方式中，所述气化器的下游设置有蓄冷储罐，所述蓄冷储罐的出口与所述液化器连通。

在其中一实施方式中，所述合成设备的下游还设有氢回收工段，所述氢回收工段用于接收所述合成设备内未反应的氢气，并将氢气输送至所述合成设备的上游。

在其中一实施方式中，所述氢回收工段的下游依次设有甲烷提浓工段和甲烷转化利用工段，所述氢回收工段用于向所述甲烷提浓工段提供脱氢后的剩余气体，所述甲烷提浓工段用于提高甲烷的浓度，所述甲烷转化利用工段用于接收提浓后的甲烷并进行转化利用。

在其中一实施方式中，所述合成气设备包括设置于所述第一能量利用工段下游的氢碳比调节工段，以接收所述粗合成气并进行水汽变换反应而生成氢气，从而得到第一混合气，所述合成设备具有第一合成模式、第二合成模式和第三合成模式；

在所述第一合成模式下，所述合成设备接收所述制氢设备的氢气和所述气化工段的粗合成气作为反应气体；

在所述第二合成模式下，所述氢碳比调节工段以及所述储碳工段开启，所述合成设备接收所述制氢设备的氢气、所述气化工段的粗合成气、所述氢碳比调节工段的第一混合气作为反应气体，同时所述储碳工段接收所述捕碳工段的二氧化碳以储存；

在所述第三合成模式下，所述氢碳比调节工段关闭，所述合成设备接收所述制氢设备的氢气、所述气化工段的粗合成气以及所述储碳工段气化的二氧化碳作为反应气体。

由上述技术方案可知，本发明的优点和积极效果在于：

本发明中的甲醇制备系统，通过在制备过程中增加第一能量利用工段，回收利用气化工段所产生的热量，通过二氧化碳膨胀能量利用工段将二氧化碳膨胀时的能量转化为电能，充分利用整个合成甲醇过程中的能量，节约能源，降低成本，绿色环保。

附图说明

图1是本发明中甲醇制备系统的示意图。

图2是本发明中二氧化碳处理设备的示意图。

附图标记说明如下：

111、制氢工段；112、氢气纯化工段；113、氢气压缩工段；114、氢气储罐；115、氢气膨胀能量利用工段；121、可再生电力发电设备；122、供电电缆；131、气化工段；132、氢碳比调节工段；133、余热回收工段；134、蒸汽能量利用工段；135、合成气净化工段；136、合成气压缩工段；141、捕碳工段；142、液化器；143、储存容器；144、气化器；145、蓄热储罐；146、蓄冷储罐；147、二氧化碳膨胀能量利用工段；148、释能储罐；151、合成工段；152、甲醇精馏工段；153、甲醇储罐；161、氢回收工段；171、甲烷提浓工段；172、甲烷转化利用工段。

具体实施方式

尽管本发明可以容易地表现为不同形式的实施例，但在附图中示出并且在本说明书中将详细说明的仅仅是其中一些具体实施例，同时可以理解的是本说明书应视为是本发明原理的示范性说明，而并非旨在将本发明限制到在此所说明的那样。

由此，本说明书中所指出的一个特征将用于说明本发明的一个实施例的其中一个特征，而不是暗示本发明的每个实施例必须具有所说明的特征。此外，应当注意的是本说明书描述了许多特征。尽管某些特征可以组合在一起以示出可能的系统设计，但是这些特征也可用于其他的未明确说明的组合。由此，除非另有说明，所说明的组合并非旨在限制。

在附图所示的实施例中，方向的指示(诸如上、下、左、右、前和后)用于解释本发明的各种元件的结构和运动不是绝对的而是相对的。当这些元件处于附图所示的位置时，这些说明是合适的。如果这些元件的位置的说明发生改变时，则这些方向的指示也相应地改变。

本发明提供一种甲醇制备系统，其充分利用合成过程中所产生的各种能量，节约能源，降低成本，绿色环保。

图1示出了甲醇制备系统的示意图，参阅图1，甲醇制备系统包括制氢设备、合成气处理设备、二氧化碳处理设备以及合成设备。

其中，制备甲醇的目标主反应如下：

CO+2H₂→CH₃OH

CO₂+3H₂→CH₃OH+H₂O

主要的副反应包括以下：

CO+3H₂→CH₄+H2O

CO₂+4H₂→CH₄+2H2O

nCO+H₂→2nCH₂+nH₂O

2CO+4H₂→CH₃OCH₃+H₂O

为了保证以CO、CO₂、H₂为主要组成的原料气进行甲醇合成的转化率，目标产物的选择性与收率，并且最大限度地抑制副反应，通常需要保证作为甲醇合成的原料气中的氢碳比即(V_H2-V_CO2):(V_CO+V_CO2)的比值为2.0～3.0。在氢碳比小于2.0时，原料气中的氢气是缺乏的。在氢碳比大于3.0时，原料气中的氢气是富余的。

本申请的发明人结合上述主反应以及副反应，通过增加氢气的含量以及减小二氧化碳的含量来调节合成甲醇的气体中的氢碳比，而实现甲醇的充分合成。

因此，本发明的甲醇制备系统，以供电设备提供制氢设备所需的电力，在供电设备出力不足时通过调整粗合成气中的氢碳比并进一步将二氧化碳分离出来储存，在供电设备出力富裕而氢气产量高时补充储存的二氧化碳而增大甲醇产量。

以下具体介绍该甲醇制备系统。

制氢设备用于制备反应所需的氢气。具体地，制氢设备包括制氢工段111、设置于制氢工段111下游的储氢工段。制氢工段111用于制备氢气。

制氢工段111可以通过电解水制备得到氢气，也可以通过烃类或醇类重整制背得到氢气，还可以是上述两种的组合。具体依据实际需要而选择。

储氢工段设置于制氢工段111的下游，用于压缩氢气并储存。储氢工段与合成设备连接而提供氢气。

具体地，储氢工段包括氢气压缩工段113和氢气储罐114，氢气压缩工段113用于压缩纯化后的氢气，氢气储罐114用于储存压缩后的氢气。

氢气储罐114可采用低温液化储氢装置、大型高压气态储氢装置、固体材料储氢装置、有机液体储氢装置中的一种或两种以上的组合储氢装置。进一步地，固体材料储氢装置包括物理吸附材料储氢装置、金属基储氢合金、配位氢化物储氢中的一种或两种以上的协同式固体材料储氢装置。

氢气膨胀能量利用工段115设置于储氢工段的下游，以用于将氢气膨胀所产生的能量转换为电能。氢气膨胀能量利用工段115与供电设备连接。

制氢工段111与储氢工段之间还设置有氢气纯化工段112。氢气纯化工段112用于纯化制氢工段111制备的氢气。

甲醇制备系统包括用于提供电力的供电设备。例如，向制氢工段111提供电力以制备氢气，向储碳工段提供电力以液化二氧化碳。其中，供电设备包括可再生电力发电设备121，可再生电力发电设备121的输出端连接制氢设备和储氢工段。可再生电力发电设备121通过供电电缆122的连接而将电力输送至所需的结构处。

其中，可再生电力发电设备121包括水电发电设备、生物质发电设备、风电发电设备、光电发电设备、地热发电设备和余压/余热回收发电设备中的至少一种。

水电发电设备、生物质发电设备、风电发电设备、光电发电设备、地热发电设备和余压/余热回收发电设备单独或并联设置。

即供电设备可以仅采用水电发电设备，仅采用生物质发电设备，仅采用风电发电设备，也可以仅采用光电发电设备，仅采用地热发电设备，仅采用余压/余热回收发电设备。或者供电设备还可以采用风电发电设备和光电发电设备的组合，水电发电设备和风电发电设备的组合，水电发电设备和光电发电设备的组合，风电发电设备和生物质发电设备的组合，光电发电设备和地热发电设备等任意两种的组合，或者水电发电设备、风电发电设备和光电发电设备等任意三种的组合，或者水电发电设备、生物质发电设备、风电发电设备和光电发电设备的四种的组合。具体依据实际需要而选择。

水电是指采用水发电，即利用水的位能转为电能。

生物质发电是指是以生物质及其加工转化成的固体、液体、气体为燃料的热力发电技术。

风电是指采用风力发电，即将风的动能转为电能。

光电是指太阳能光伏发电或光热发电，光伏发电即利用光电效应将太阳光能直接转化为电能；光热发电系指将太阳能转换为热能再将热能转换为电能。

地热发电是指将低下的热能转化为电能。

余压/余热回收发电设备是指将流体的多余压力能/热能转化为电能。

在上述供电设备采用组合使用时，多个发电设备并联设置。采用上述可再生电提供电力，使氢气的制备较环保，进而使整个甲醇制备系统较环保。

一般来说，可再生电力具有间歇性、波动性等不稳定特点，如水电有丰水期和枯水期，风电和光电出力不但每小时发生变化，每个月也有较大的不同呈现季节性变化，可再生电力出力变化将导致电解水制氢量发生变化。

供电设备还可以包括不可再生电力发电设备121。

合成气处理设备用于处理合成气。具体地，合成处理设备包括气化工段131和氢碳比调节工段132。

气化工段131用于供反应而产生粗合成气。

具体地，粗合成气通过生物质气化反应而得到。其中，生物质包括林业和农业废弃物及副产品、沼气、污水、城市固体废弃物以及纸浆和造纸行业的黑液。

其中，以体积百分比计，生物质气化后产生的粗合成气包括35％～39％的CO、10％～30％的CO₂、39％～45％的H₂、100～1000ppm的H₂S、200～500ppm的COS(羰基硫)以及小于1％的CH₄。

其他实施例中，粗合成气还可以通过煤或焦炭等固体燃料气化产生，也可通过天然气和石脑油等轻质烃类制取，还可通过重油经部分氧化法生产。

气化工段131为并流、逆流式的固定床、移动床、气流床、流化床、循环流化床、喷动床中的两种或两种以上协同式气化结构。

示例性地，以纯度99～100％的纯氧、水蒸汽、CO₂中一种及一种以上组分经过预热、混合后，作为转化剂及连续相分散介质，通过并流、逆流式的固定床、移动床、气流床、流化床、循环流化床、喷动床中的两种或两种以上相组合的方式，实现含碳物料的高效热转化，将含碳物料转化为以CO、CO₂、H₂为主要组成，含少量CH₄、C_nH_m(n≤3)低碳烃，且有效组分(CO+CO₂+H₂)的体积分数介于70～99vol％，C_nH_m(n≤10)烃类的含量介于0～10vol％。

氢碳比调节工段132设置于气化工段131的下游，以接收粗合成气并发生水汽变换反应而生成氢气，从而得到第一混合气。

其中，水汽变换反应为：CO+H₂O→CO₂+H₂。

即，通过氢碳比调节工段132，使一氧化碳与水反应生成氢气，进而提高氢气的含量，以调节氢碳比，进而满足甲醇充分合成的需要。

第一混合气和粗合成气中的主要成分均为一氧化碳、二氧化碳和氢气，区别在于氢碳比不同。

本实施例中，氢碳比调节工段132包括低水碳比变换塔与催化/非催化氧化塔、热裂解炉、催化裂解炉、蒸汽裂解炉、水蒸气湿重整炉、自热式氧气-水蒸汽重整炉、CO2干重整炉、自热式氧气-水蒸汽-CO2混合重整炉中的至少两种，同步实现粗合成气中混合烃转化制合成气有效气组分及合成气中氢碳比的调控。

第一能量利用工段设置于气化工段131的下游，用于回收利用气化工段所产生的热量。具体地，第一能量利用工段包括设置于气化工段131下游的余热回收工段133，余热回收工段133同时位于捕碳工段141和合成设备的上游。具体地，余热回收工段133包括能够相互进行热交换的第一通道和第二通道，气化工段131与第一通道连通，第二通道的入口用于外接供热介质，以吸收粗合成气的热量而转换为蒸汽。供热介质用于吸收粗合成气的热量后供热，示例性地，如锅炉水。

其中，余热回收工段133所产出的蒸汽规格为压力0～15MPaG、100～500℃的饱和蒸汽或过热蒸汽。

余热回收工段133通过依次相连接的两级过热器、蒸发器、再热器、预热器、加热器等辐射热、对流热回收结构实现含碳物料气化工段131输出的高温粗合成气80～1500℃区间的全部显热回收利用。本实施例中，余热回收工段133包括管壳式、套管式、蛇管式、翅片式及平板式、螺旋板式、热板式的火管式、水管式、流化床余热锅炉中的至少两种，实现高温粗合成气显热的全流程回收。

余热回收工段133的下游设置有蒸汽能量利用工段134，蒸汽能量利用工段134与第二通道的出口连接以接收蒸汽，并转换为电能，蒸汽能量利用工段134与供电设备连接。具体地，蒸汽能量利用工段134与供电电缆122连接，进而将所产生的电能通过供电电缆122提供至需要电能的工段。

蒸汽能量利用工段134充分利用余热回收工段133副产的过热蒸汽，优先通过全凝或部分抽凝或部分抽汽发电机组进行发电。较佳地，发电机组剩余的不同温度和压力等级的乏汽再作为氢碳比调节工段132、合成气净化工段135、提浓甲烷转化利用工段172所需的反应原料。

合成气处理设备还包括设置于气化工段131下游的合成气净化工段135，合成气净化工段135设置于合成设备上游，合成气净化工段135设置于捕碳工段141和储碳工段之间，合成气净化工段135用于脱除硫化氢和羰基硫。

即粗合成气进入合成设备之前还进行脱硫脱碳处理。

合成气净化工段135用于净化合成气，以降低进行甲醇合成反应时对催化剂的影响，保证了催化剂的活性。

本实施例中，合成气净化工段135包括依次设置的除尘装置、脱碳净化装置、脱硫净化装置、脱氮净化装置。脱碳净化装置用于脱除羰基硫。脱硫净化装置用于脱除硫化氢。脱氮净化装置用于脱除HCN、HCNO和NH3等。

合成气处理设备包括设置于气化工段131和合成设备之间的合成气压缩工段136。具体地，合成气压缩工段136设置于合成气净化工段135的下游，即合成气处理设备包括依次设置的气化工段131、合成气净化工段135和合成气压缩工段136。余热回收工段133设置于气化工段131和合成气净化工段135之间。

合成气压缩工段136设置于储碳工段的下游。

二氧化碳处理设备用于从合成气中捕获二氧化碳并对二氧化碳进行处理。参阅图2，二氧化碳处理设备包括捕碳工段141和储碳工段。

捕碳工段141同时设置于气化工段131和氢碳比调节工段132的下游，用于接收粗合成气或第一混合气并进行捕获二氧化碳而分别得到二氧化碳和第二混合气。即，在对粗合成气或第一混合气进行捕碳处理前先进行脱硫脱碳处理。

本申请中的捕碳工段141用于捕获二氧化碳。

本实施例中，捕碳工段141可采用低温甲醇洗、醇胺溶液吸收、变压吸附或低温精馏分离中的至少一种。

储碳工段设置于捕碳工段141的下游，用于接受并储存捕碳工段141的二氧化碳。

具体地，储碳工段包括设置于捕碳工段141下游的液化器142、设置于液化器142下游的储存容器143以及设置于储存容器143下游的气化器144。液化器142用于接收净化器的二氧化碳并液化处理，储存容器143用于储存液化的二氧化碳，气化器144用于气化二氧化碳而得到二氧化碳气体。

液化器142液化处理后得到常温高压液体或低温低压液体，然后再进入储存容器143进行存储。

本实施例中，液化器142采用加压冷却精馏方式，其制冷剂采用单一制冷剂或混合制冷剂。

液态二氧化碳的储存温度为-18℃，因此，储存容器143采用普通碳钢外加普通保温绝热措施即可，成本较低。

即，捕碳工段141捕获得到的二氧化碳经液化器142液化处理转化为液态二氧化碳，然后输送至储存容器143中进行储存。由于储存容器143成本更低，进而使整个甲醇制备系统的成本较低。

较佳地，液化器142的下游设置有蓄热储罐145，蓄热储罐145的出口与气化器144连通。具体地，气态二氧化碳液化时释放热量进而产生热量，该热量回收至蓄热储罐145内，供气化器144气化二氧化碳时使用，充分利用能量，节约能源。

气化器144的下游设置有蓄冷储罐146，蓄冷储罐146的出口与液化器142连通。具体地，液态二氧化碳气化时吸收热量进而产生冷量，该冷量回收至蓄冷储罐146内，供液化器142液化二氧化碳时使用，充分利用能量，节约能源。

二氧化碳膨胀能量利用工段147设置于储碳工段的下游，以将二氧化碳膨胀时的能量转化为电能。二氧化碳膨胀能量利用工段147与供电设备连接。具体地，二氧化碳膨胀能量利用工段147设置于气化器144和合成气压缩工段136之间。

进一步地，二氧化碳膨胀能量利用工段147的下游还设有释能储罐148。

合成设备用于供发生反应而生成甲醇。合成设备同时设置于制氢设备、气化工段131、捕碳工段141以及储碳工段的下游。合成设备中的反应主要是氢气与一氧化碳，氢气与二氧化碳发生反应而得到甲醇。

具体地，合成设备包括依次设置的合成工段151、甲醇精馏工段152以及甲醇储罐153，合成工段151用于供反应而合成得到粗甲醇，甲醇精馏工段152用于接收粗甲醇并进行精馏处理，甲醇储罐153用于接收并储存精馏后的甲醇。

其中，依据供电设备的出力能力，合成设备具有第一合成模式、第二合成模式和第三合成模式。在第一合成模式下，合成设备接收制氢设备的氢气和气化工段131的粗合成气作为反应气体。在第二合成模式下，氢碳比调节工段132以及储碳工段开启，合成设备接收制氢设备的氢气、气化工段131的粗合成气以及氢碳比调节工段132的第一混合气作为反应气体，同时储碳工段接收捕碳工段141的二氧化碳以储存。在第三合成模式下，氢碳比调节工段132关闭，合成设备接收制氢设备的氢气、气化工段131的粗合成气以及储碳工段气化的二氧化碳作为反应气体。

即，第一合成模式是指直接合成甲醇，第二合成模式是指脱碳合成甲醇，第三合成模式是指补碳合成甲醇。

具体地，在供电设备的出力值落入预设范围时，合成设备在第一合成模式下反应。在供电设备的出力值小于预设范围时，合成设备在第二合成模式下反应。在供电设备的出力值大于预设范围时，合成设备在第三合成模式下反应。其中，预设范围是指依据甲醇制备系统所在当地的气象条件，供电设备的出力处于较稳定的一段时间内的出力值范围，且该预设范围通常小于出力最大值，大于出力最小值。

在制氢设备所制备的氢气量足够时，制氢设备的氢气以及气化工段131的粗合成气均直接进入合成设备中，氢气以及粗合成气发生反应而生成甲醇。此时为直接合成甲醇即第一合成模式。

进一步地，在第一合成模式下，还可以开启氢碳比调节工段132，以调节粗合成气中的氢碳比，合成设备接收第一混合气和氢气作为反应气体。即，气化工段131所输出的粗合成气经氢碳比调节工段132后输出第一混合气，第一混合气直接进入合成设备内与氢气进行甲醇合成反应。

通过增加水汽转换反应而调整氢碳比，进而保证进行合成反应的气体的氢碳比，使甲醇合成反应更充分。

在制氢设备所制备的氢气量较少时，制氢设备的氢气直接进入合成设备中，气化工段131的粗合成气先经水汽转换，再经捕碳工段141捕获至少部分二氧化碳后进入合成设备中，氢气与混合气在合成设备中进行反应而生成甲醇。此时为脱碳合成甲醇即第二合成模式。此时，将脱碳后得到的二氧化碳液化并单独保存。通过水汽转换后进一步保证了在合成设备内发生反应的气体中的氢碳比，进一步保证甲醇合成反应的充分。同时，通过水汽转换提高氢气的比例，从而降低了对制氢设备所制备氢气的量的需求，进而降低了对供电设备的出力值的要求。

捕获后所储存的二氧化碳不仅可以为后续补碳合成甲醇时提供来源，还可以用于其他所需二氧化碳的领域，例如制冷剂、膨胀剂、焊接保护气体等。

在制氢设备所制备的氢气量富裕时，制氢设备的氢气和气化工段131中的粗合成气均直接进入合成设备中，同时储存工段中的二氧化碳经气化后也进入合成设备中，氢气、粗合成气以及二氧化碳共同在合成设备中反应而生成甲醇。此时为补碳合成甲醇即第三合成模式。

其中，制氢设备11的制氢能力由供电设备的出力能力决定，即依据供电设备的出力能力而选择直接合成甲醇、脱碳合成甲醇或补碳合成甲醇。

进一步地，在供电设备的出力值大于预设范围时，合成设备还具有第四合成模式，在第四合成模式下，合成设备受控的与外部二氧化碳气体供应源连通。外部二氧化碳可以是购买的，也可以是自制的二氧化碳，还可以是另一非甲醇合成系统所产生的二氧化碳。

因此，在进行补碳合成甲醇时，具体依据实际情况而选择二氧化碳的来源。

同时，捕碳工段141还依据供电设备的出力能力而选择捕碳程度，捕碳程度与供电设备的出力能力成负相关。即供电设备的出力能力越小，捕碳程度越大。

其中，捕碳程度是指所捕获的二氧化碳的体积占整个粗合成气或第一混合气的百分比。示例性地，如捕碳25％，捕碳50％，捕碳75％等。捕碳25％后，第二混合气中剩余的二氧化碳占整个第二混合气的75％。第二混合气中可以含有部分二氧化碳，也可以完全不含有二氧化碳，具体依据氢气的量而实际选择捕碳的程度。

还依据供电设备的出力能力而选择储存设备17向合成设备19补充的二氧化碳的量即补碳程度，补碳程度与供电设备的出力能力成正相关。即供电设备的出力能力越大，补碳程度越大。

在供电设备的出力能力较好时，制氢设备11的制氢能力较好。在供电设备的出力能力较差时，制氢设备11的制氢能力较差。

示例性地，在供电设备仅采用风电时，供电设备的出力能力与风力相关，在风力较充足的时候，出力能力较好，风力贫乏时出力能力较差。

在供电设备仅采用光电时，供电设备的出力能力与光照相关，在光照较充足的时候，出力能力较好，光照贫乏时出力能力较差。

即，本申请中的甲醇制备系统，在供电设备的出力能力较小而导致氢气的产量较小时，对粗合成气进行氢碳比调节以及捕碳处理，增加氢气的含量。降低二氧化碳的含量甚至完全去除二氧化碳，使氢气满足反应所需的量。而脱碳处理后得到的二氧化碳进行单独保存，以用于氢气产量较足时使用而提高甲醇产量。

进一步地，供电设备可作为甲醇合成系统的厂用电，也可作为制氢工段111的内供电源，还可以作为液化气的内供电源。在作为制氢工段111的内供电源时，蒸汽能量利用工段134的出力值占制氢工段111所需电量的0～100％。

为提高整个甲醇系统的循环能效并保障合成设备的甲醇的产能稳定，供电设备优先为液化器142提供电能，其次为制氢工段111提供电能。

气化工段131与制氢设备连接，以向制氢设备提供气体膨胀时所产生的能量。具体地，液态二氧化碳气化而膨胀为气态时所产生的能量通过透平机转化为电能，而向制氢设备11提供电能，分利用能量，节约能源。

合成设备的下游还设有氢回收工段161，氢回收工段161接收合成设备内未反应的氢气，并将氢气输送至合成设备的上游。具体地，氢回收工段161设置于合成工段151的下游，设置于合成气压缩工段136的上游。合成设备通过甲醇合成驰放气而得到氢气。

即，在合成工段151内发生甲醇合成反应后，甲醇进入甲醇精馏工段152，未反应的氢气进入氢回收工段161，回收后的氢重新进入合成气压缩工段136，为合成工段151内的合成反应提供氢气。

进一步地，氢回收工段161的下游依次设有甲烷提浓工段171和甲烷转化利用工段172。氢回收工段161经脱氢后的剩余气体进入甲烷提浓工段171内。具体地，氢回收工段161内的气体经脱氢驰放气后得到甲烷，并进入甲烷提浓工段171内。

甲烷提浓工段171用于提高甲烷的浓度。甲烷转化利用工段172用于接收提浓后的甲烷并进行转化利用。

甲烷提浓工段171可采用有机膜分离装置、变压吸附装置、变温吸附装置、无机膜分离装置中的两种及两种以上以并联或串联的方式进行。

甲烷转化利用工段172可采用燃气锅炉-蒸汽轮机发电、内燃机发电、燃气-蒸汽联合循环发电机组发电，还可以采用催化/非催化氧化、蒸汽裂解、水蒸气湿重整、自热式氧气-水蒸汽重整、CO₂干重整、自热式氧气-水蒸汽-CO₂混合重整中的两种或两种以上转化为合成气组分并作为甲醇合成工段151的原料气。

本发明中的甲醇制备系统制备甲醇的制备方法，包括以下步骤：

S1、提供一供电设备，通过供电设备提供电力而电解水制备氢气。

具体是指，供电设备提供电力，制氢设备电解水产生氢气。

S2、提供粗合成气。

具体地，将原料上料至气化工段131内，使其反应而得到粗合成气。原料可以为生物质，还可以为其他。

S3、依据供电设备的出力能力，在第一合成模式、第二合成模式和第三合成模式的其中一种下反应制甲醇。

在第一合成模式下，氢气和粗合成气作为反应气体。此时，制氢设备11所制备的氢气与气化工段131所制备的粗合成气进入合成设备内发生甲醇合成反应。

具体在本实施例中，气化工段131、合成气净化工段135、捕碳工段141启动运行，氢碳比调节工段132、储碳工段的气化器144停止运行，合成设备的二氧化碳来源仅有一路。储碳工段的液化器142的运行负荷率介于0～30％。制氢设备输出的氢气以及气化工段131提供的粗合成气汇合后，经合成气压缩工段136增压至4.0～10.0MPaG，然后进入合成工段151，进行合成反应。在第二合成模式下，粗合成气经水汽转化为第一混合气后，再经捕碳处理而分别得到第二混合气和二氧化碳，二氧化碳经液化处理后储存，氢气、粗合成气和第一混合气作为反应气体。

具体在本实施例中，气化工段131、合成气净化工段135、氢碳比调节工段132以及捕碳工段141启动运行，储碳工段的液化器142运行，储碳工段的气化器144停止运行，合成设备的二氧化碳来源有两路，分别为气化工段131提供的粗合成气以及氢碳比调节工段132提供的第一混合气。制氢设备输出的氢气、气化工段131提供的粗合成气以及氢碳比调节工段132提供的第一混合气汇合后，经合成气净化工段135净化后进入合成气压缩工段136，并经合成气压缩工段136增压至4.0～10.0MPaG，然后进入合成工段151，进行合成反应。

其中，储碳工段的液化器142的运行负荷率介于50～100％。

在第三合成模式下，将液化保存的二氧化碳进行气化处理得到气态的二氧化碳，氢气、粗合成气以及气态的二氧化碳作为反应气体。此时，氢气是富余的，因此，补充二氧化碳进行甲醇合成。

具体在本实施例中，气化工段131、合成气净化工段135、氢碳比调节工段132启动运行，捕碳工段141、储碳工段的液化器142停止运行，储碳工段的气化器144运行，合成设备的二氧化碳来源有两路，分别为气化工段131提供的粗合成气以及气化器144提供的二氧化碳。制氢设备输出的氢气、气化工段131提供的粗合成气以及气化器144提供的二氧化碳汇合后，经合成气压缩工段136增压至4.0～10.0MPaG，然后进入合成工段151，进行合成反应。

其中，储碳工段的储存容器143内的液态二氧化碳依次通过气化器144和二氧化碳膨胀能量利用工段147后与粗合成气和氢气汇合。本发明中的甲醇制备系统，依据制备甲醇反应中主反应以及副反应，创造性地提出了一种灵活储碳的合成方法，增加了低成本的氢碳比调节工段132、捕碳工段141和储碳工段，先对粗合成气进行水汽转换而调节氢碳比，再进行捕碳处理，以及储碳处理，根据供电设备的出力状况决定捕碳或补碳的程度来进行调峰。在供电设备出力不足使氢气产量较低时，调节氢碳比并将粗合成气中的二氧化碳捕获并制取液态二氧化碳储存起来，此时粗合成气中的氢碳比较高，甲醇的合成反应能够充分反应，同时，二氧化碳降低可显著降低氢气消耗量，较等比例降低粗合成气负荷具有较大优势。在供电设备出力富余即电力富裕时，氢气产量较高，将储存的二氧化碳气化并补充到合成设备中，提高甲醇产量弥补出力不足的月份中甲醇产量的缺口。

示例性地，在供电设备仅采用风电时，结合风力气象资料，依据风力情况而选择第一合成模式、第二合成模式或第三合成模式即选择脱碳合成、补碳合成或直接合成。在风力较大的月份选择补碳合成，在风力中等的情况选择直接合成，在风力贫乏的月份选择脱碳合成。具体情况可以依据当地的风力情况而绘制风功率密度随月份变化的曲线图，然后结合中长期天气预报做出的发电预测，安排每月产量、脱碳和补碳的调节方案，调节方案包括了依据风力情况而选择脱碳程度和补碳程度。

本实施例中的方案还具有以下效果：

(1)实现生物质可再生碳源、氢源与可再生电力、氢的耦合，实现了甲醇合成过程中可再生碳利用效率的最大化，理论上可将生物质中碳元素全部转化为甲醇中的碳，最大化减轻了常规生物质甲醇工厂原料收储、供应端的压力，有效化解生物质资源与风力、光伏电力资源错位配置的天然矛盾。

(2)通过灵活调整捕集、液化、储存CO₂来代替储电、储氢，很好的实现了对风电、光伏发电设备“削峰填谷”的效果，最大程度减轻了可再生电力的因明显的昼夜、季节性出力差异对甲醇合成装置运行的冲击，实现了甲醇合成装置在80～120％正常运行负荷可控调整范围内的平稳、连续运行，提高了常规风光耦合生物质制甲醇项目的运行安全性、稳定性。

(3)以最小的能量输入、资金投入，代替了大规模的储电、储氢装置投资及极高的能量输入，进而很好的突破了风电、光伏发电固有的峰谷差异带来的甲醇合成装置产能规模波动大，难以实现规模化且有经济性竞争力的巨大劣势。

(4)通过由生物质热转化过程中的蒸汽能量利用工段、氢气膨胀能量利用工段、二氧化碳膨胀能量利用工段构建的内源供电与风电、光伏可再生外供电源的耦合，实现生物质能的梯级利用，可实现系统整体能量循环效率的最大化，显著提高甲醇生产过程的能效水平，并从根本上减少甲醇生产过程中的温室气体GHG排放。

(5)根据外输可再生电力的昼夜、季节性波动特点而导致的电解水制氢装置负荷的波动，将合成气生产、绿氢生产、CO₂液化捕集、甲醇合成装置的生产运行模式分为三种模式，同时兼顾实现甲醇工厂全厂的物料平衡、能量平衡，大幅削减甲醇生产成本，提高甲醇工厂的经济性竞争力。

虽然已参照几个典型实施方式描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施方式不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种甲醇制备系统，其特征在于，包括制氢设备、合成气处理设备、二氧化碳处理设备以及合成设备，所述制氢设备用于制备氢气，

所述合成气处理设备包括：

气化工段，其用于供反应而产生粗合成气，所述粗合成气包括一氧化碳、二氧化碳和氢气；

第一能量利用工段，其设置于所述气化工段的下游，用于回收利用所述气化工段所产生的热量；

所述二氧化碳处理设备包括：

捕碳工段，其设置于所述第一能量利用工段的下游，用于接收所述粗合成气并捕获二氧化碳而分别得到二氧化碳和第二混合气；

储碳工段，其设置于所述捕碳工段的下游，用于接受并储存所述捕碳工段的二氧化碳；

二氧化碳膨胀能量利用工段，其设置于所述储碳工段的下游，以将二氧化碳膨胀时的能量转化为电能；

所述合成设备用于合成甲醇，其同时设置于所述制氢设备、所述气化工段、所述捕碳工段以及所述储碳工段的下游，用于接收气体作为反应气体。

2.根据权利要求1所述的甲醇制备系统，其特征在于，所述第一能量利用工段包括设置于所述气化工段下游的余热回收工段，所述余热回收工段同时位于所述捕碳工段和所述合成设备的上游，所述余热回收工段包括能够相互进行热交换的第一通道和第二通道，所述气化工段与所述第一通道连通，所述第二通道的入口用于外接供热介质，以用于吸收所述粗合成气的热量而转换为蒸汽。

3.根据权利要求2所述的甲醇制备系统，其特征在于，所述余热回收工段的下游设置有蒸汽能量利用工段，所述蒸汽能量利用工段与所述第二通道的出口连接，用于接收蒸汽并转换为电能。

4.根据权利要求1所述的甲醇制备系统，其特征在于，所述制氢设备包括：

制氢工段，其用于制备氢气；

储氢工段，其设置于所述制氢工段的下游，用于压缩氢气并储存氢气；

氢气膨胀能量利用工段，其设置于所述储氢工段的下游，以用于将氢气膨胀时的能量转化为电能。

5.根据权利要求1所述的甲醇制备系统，其特征在于，所述储碳工段包括设置于所述捕碳工段下游的液化器、设置于所述液化器下游的储存容器以及设置于所述储存容器下游的气化器，所述液化器用于接收所述捕碳工段的二氧化碳并液化处理而得到液态二氧化碳，所述储存容器用于储存液态二氧化碳，所述气化器用于气化二氧化碳而得到二氧化碳气体。

6.根据权利要求5所述的甲醇制备系统，其特征在于，所述液化器的下游设置有蓄热储罐，所述蓄热储罐的出口与所述气化器连通。

7.根据权利要求5所述的甲醇制备系统，其特征在于，所述气化器的下游设置有蓄冷储罐，所述蓄冷储罐的出口与所述液化器连通。

8.根据权利要求1所述的甲醇制备系统，其特征在于，所述合成设备的下游还设有氢回收工段，所述氢回收工段用于接收所述合成设备内未反应的氢气，并将氢气输送至所述合成设备的上游。

9.根据权利要求8所述的甲醇制备系统，其特征在于，所述氢回收工段的下游依次设有甲烷提浓工段和甲烷转化利用工段，所述氢回收工段用于向所述甲烷提浓工段提供脱氢后的剩余气体，所述甲烷提浓工段用于提高甲烷的浓度，所述甲烷转化利用工段用于接收提浓后的甲烷并进行转化利用。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的甲醇制备系统，其特征在于，所述合成气设备包括设置于所述第一能量利用工段下游的氢碳比调节工段，以接收所述粗合成气并进行水汽变换反应而生成氢气，从而得到第一混合气，所述合成设备具有第一合成模式、第二合成模式和第三合成模式；

在所述第一合成模式下，所述合成设备接收所述制氢设备的氢气和所述气化工段的粗合成气作为反应气体；

在所述第二合成模式下，所述氢碳比调节工段以及所述储碳工段开启，所述合成设备接收所述制氢设备的氢气、所述气化工段的粗合成气、所述氢碳比调节工段的第一混合气作为反应气体，同时所述储碳工段接收所述捕碳工段的二氧化碳以储存；

在所述第三合成模式下，所述氢碳比调节工段关闭，所述合成设备接收所述制氢设备的氢气、所述气化工段的粗合成气以及所述储碳工段气化的二氧化碳作为反应气体。