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CN118165767B - 一种基于气化炉的生物质制备绿色甲醇的离网系统及方法 - Google Patents

一种基于气化炉的生物质制备绿色甲醇的离网系统及方法 Download PDF

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Jiangsu Tianying Environmental Protection Energy Equipment Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种基于气化炉的生物质制备绿色甲醇的离网系统及方法，包含生物质干燥与破碎装置、气化炉、高温重整室、余热锅炉、合成气处理装置、第一压缩机、甲醇合成塔和甲醇处理装置。本发明采用气化炉将生物质直接气化，将生物质中的碳转化为CO和CO2后直接加氢气进入甲醇合成塔反应，生物质碳利用率高，生物质碳源消耗量小，且完全离网生产，制备纯绿色甲醇产品。

Description

一种基于气化炉的生物质制备绿色甲醇的离网系统及方法
技术领域
本发明涉及一种生物质制备绿色甲醇的系统及方法，特别是一种基于气化炉的生物质制备绿色甲醇的离网系统及方法，属于绿色甲醇制备技术领域。
背景技术
甲醇作为一种重要的化工原料和清洁燃料，广泛应用于有机合成、医药、染料和国防等领域中。然而，传统甲醇生产过程主要依赖于煤和天然气等传统化石能源，使得甲醇工业成为碳排放最高的化工行业之一。而秸秆等生物质材料，本身具备碳资源，作为一种可再生碳源，其能源化利用具有清洁、零碳、可再生等显著优势。秸秆直接燃烧处理会产生较大的烟尘的大气污染，而且浪费了生物质材料内的碳资源，如果能够采用生物质材料直接制备甲醇，则可以对生物质材料进行绿色回收应用，即提供了一种生物质材料的良好的处理方法，而且制备的甲醇为纯绿色甲醇产品。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于气化炉的生物质制备绿色甲醇的离网系统及方法，实现生物质制备绿色甲醇。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种基于气化炉的生物质制备绿色甲醇的离网系统，包含生物质干燥与破碎装置、气化炉、高温重整室、余热锅炉、合成气处理装置、第一压缩机、甲醇合成塔、甲醇处理装置、汽轮机发电系统和电解水制氢装置，生物质干燥与破碎装置的出口与气化炉的进料口连接，气化炉的合成气出口与高温重整室的进气口连接，高温重整室的出气口与余热锅炉的进气口连接，余热锅炉的出气口与合成气处理装置的进气口和汽轮机发电系统的进气口连接，合成气处理装置的出气口与第一压缩机的一端连接，第一压缩机的另一端和电解水制氢装置的氢气出口与甲醇合成塔的进气口连接，甲醇合成塔的粗甲醇出口与甲醇处理装置连接。
进一步地，所述合成气处理装置包含布袋除尘装置、水洗塔、第二压缩机、干法脱硫装置、降温脱水装置，布袋除尘装置的进气口与余热锅炉的出气口连接，布袋除尘装置的出气口与水洗塔的进气口连接，水洗塔的出气口与第二压缩机的一端连接，第二压缩机的另一端与干法脱硫装置的进气口连接，干法脱硫装置的出气口与降温脱水装置的进气口连接，降温脱水装置的出气口与第一压缩机的一端连接。
进一步地，所述甲醇处理装置包含精馏塔、甲醇储罐和杂醇储罐，精馏塔的进料口与甲醇合成塔的粗甲醇出口连接，精馏塔的甲醇出口与甲醇储罐连接，精馏塔的杂醇出口与杂醇储罐连接。
进一步地，还包含甲醇内燃机，甲醇储罐中的甲醇通入到甲醇内燃机中发电作为系统的启动电源。
进一步地，还包含第一蒸汽轮机，余热锅炉的蒸汽出口与第一蒸汽轮机的进气口连接。
进一步地，所述汽轮机发电系统包含燃气轮机、废热锅炉和第二蒸汽轮机，余热锅炉出来的合成气一部分通入到燃气轮机内发电作为厂用电，燃气轮机的烟气出口与废热锅炉的进气口连接，废热锅炉的蒸汽出口与第二蒸汽轮机的进气口连接。
进一步地，所述电解水制氢装置包含风光发电系统、电储能设备、电解槽和氢压缩机，风光发电系统为电解槽供电，风光发电系统的多余电量存储在电储能设备中，电解槽的氢气出口通过氢压缩机与甲醇合成塔的进口连接，电解槽的氧气出口与气化炉和高温重整室连接。
进一步地，所述高温重整室通入纯氧并控制高温重整室温度大于1100℃以充分脱出合成气中的焦油。
进一步地，还包含醋酸合成塔、绿色含有合成装置，第一压缩机的另一端和电解水制氢装置的氢气出口与甲醇合成塔的进气口、醋酸合成塔的进气口或绿色航油合成装置的进气口连接。
一种基于气化炉的生物质制备绿色甲醇的方法，包含以下步骤：
S1、生物质原料经过生物质干燥与破碎装置进行干燥破碎后送入气化炉中；
S2、干燥破碎后的生物质原料与氧气或水蒸气反应生成合成气；
S3、合成气在高温重整室内通过通入纯氧控制高温重整室温度大于1100℃，以充分脱出合成气中的焦油，并降低合成气中的颗粒物含量；
S4、设置与气化炉匹配的余热锅炉，余热锅炉将温度1100℃的合成气降温至180℃，余热锅炉额定蒸汽产汽量6t/h，温度400℃，压力4.0MPa，产出的蒸汽通入第一蒸汽轮机中；余热锅炉出来的合成气分成两部分，一部分合成气进入到合成气处理装置用于甲醇合成，另一部分合成气进入汽轮机发电系统进行发电提供厂用电；
S5、降温至180℃的合成气进入布袋除尘装置脱除合成气中夹带的颗粒物；
S6、布袋除尘装置出口合成气经过水洗塔喷水减温，同步脱除合成气中的氯化氢，合成气降温到30-40℃除水加压后进入干法脱硫装置脱除二氧化硫，脱硫后的合成气再降温脱水加压后进入甲醇合成塔；
S7、电解水制氢装置通过风光发电系统作为绿色能源制备氢气，氢气通过氢压缩机加压后送入甲醇合成塔内；
S8、将合成气中的一氧化碳、二氧化碳与氢气充分混合，在恒温恒压下在甲醇合成塔内反应生成粗甲醇、水及副反应产物，粗甲醇通过甲醇分离器进行气液分离获得粗甲醇，粗甲醇在通过精馏塔得到高纯度的甲醇和杂醇；
S9、系统开启阶段，甲醇储罐内的甲醇送入甲醇内燃机中发电产生电能作为系统的启动电源，当系统运行稳定后，甲醇内燃机停止工作，系统由第一蒸汽轮机和汽轮机发电系统提供厂用电；
S10、当风光发电系统发电功率小于电解水制氢的额定功率时，此时优先消耗储氢罐中存储的氢气，当储氢罐中存储的氢气消耗完全时，由电储能设备与风光发电系统为电解水制氢设备联合供电，保证电解水制氢工作在额定功率，当电储能设备的储存电能耗完全时，汽轮机发电系统开启将余热锅炉出来的一部分合成气送入汽轮机发电系统进行发电，汽轮机发电系统与风光发电系统为电解水制氢设备联合供电，保证电解水制氢工作在额定功率。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：
1、本发明的气化炉合成气中存在焦油，通过高温重整室将焦油裂解为CO、CO2、H2等小分子合成气，使合成气内的碳损失降低；
2、本发明采用气化炉将生物质直接气化，将生物质中的碳转化为CO和CO2后直接加氢气进入甲醇合成塔反应，生物质碳利用率高，生物质碳源消耗量小，碳利用率可达到90-92%；
3、本发明气化合成气中含有20-25%的氢气，对电解氢气的需求量更小；
4、本发明气化炉的气化工艺，节省了大量氧气和氢气，大大降低了甲醇生产的成本；
5、本发明无论是系统启动还是系统正常运行过程中，都不需要连接外部电网，真正实现了离网运行，从而保证整个过程的能源都是绿色能源，生产真正的绿色甲醇产品。
附图说明
图1是本发明的一种基于气化炉的生物质制备绿色甲醇的离网系统的示意图。
具体实施方式
为了详细阐述本发明为达到预定技术目的而所采取的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清晰、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例，并且，在不付出创造性劳动的前提下，本发明的实施例中的技术手段或技术特征可以替换，下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1所示，本发明的一种基于气化炉的生物质制备绿色甲醇的离网系统，包含生物质干燥与破碎装置、气化炉、高温重整室、余热锅炉、合成气处理装置、第一压缩机、甲醇合成塔、甲醇处理装置、汽轮机发电系统和电解水制氢装置，生物质干燥与破碎装置的出口与气化炉的进料口连接，气化炉的合成气出口与高温重整室的进气口连接，高温重整室的出气口与余热锅炉的进气口连接，余热锅炉的出气口与合成气处理装置的进气口和汽轮机发电系统的进气口连接，合成气处理装置的出气口与第一压缩机的一端连接，第一压缩机的另一端和电解水制氢装置的氢气出口与甲醇合成塔的进气口连接，甲醇合成塔的粗甲醇出口与甲醇处理装置连接。
合成气处理装置包含布袋除尘装置、水洗塔、第二压缩机、干法脱硫装置、降温脱水装置，布袋除尘装置的进气口与余热锅炉的出气口连接，布袋除尘装置的出气口与水洗塔的进气口连接，水洗塔的出气口与第二压缩机的一端连接，第二压缩机的另一端与干法脱硫装置的进气口连接，干法脱硫装置的出气口与降温脱水装置的进气口连接，降温脱水装置的出气口与第一压缩机的一端连接。
甲醇处理装置包含精馏塔、甲醇储罐和杂醇储罐，精馏塔的进料口与甲醇合成塔的粗甲醇出口连接，精馏塔的甲醇出口与甲醇储罐连接，精馏塔的杂醇出口与杂醇储罐连接。
本发明的一种基于气化炉的生物质制备绿色甲醇的离网系统还包含甲醇内燃机，甲醇储罐中的甲醇通入到甲醇内燃机中发电作为系统的启动电源。
本发明的一种基于气化炉的生物质制备绿色甲醇的离网系统还包含第一蒸汽轮机，余热锅炉的蒸汽出口与第一蒸汽轮机的进气口连接。
汽轮机发电系统包含燃气轮机、废热锅炉和第二蒸汽轮机，余热锅炉出来的合成气一部分通入到燃气轮机内发电作为厂用电，燃气轮机的烟气出口与废热锅炉的进气口连接，废热锅炉的蒸汽出口与第二蒸汽轮机的进气口连接。
电解水制氢装置包含风光发电系统、电储能设备、电解槽和氢压缩机，风光发电系统为电解槽供电，风光发电系统的多余电量存储在电储能设备中，电解槽的氢气出口通过氢压缩机与甲醇合成塔的进口连接，电解槽的氧气出口与气化炉和高温重整室连接。
高温重整室通入纯氧并控制高温重整室温度大于1100℃以充分脱出合成气中的焦油。
本发明的一种基于气化炉的生物质制备绿色甲醇的离网系统还包含醋酸合成塔、绿色含有合成装置，第一压缩机的另一端和电解水制氢装置的氢气出口与甲醇合成塔的进气口、醋酸合成塔的进气口或绿色航油合成装置的进气口连接。本发明的一种基于气化炉的生物质制备绿色甲醇的离网系统不仅可以合成甲醇，也可以用来合成醋酸以及绿色航油等产品，由于风光发电系统本身波动较大，制备的氢气的量不稳定，因此，我们可以根据实际的氢气的产量，从而根据合成气与氢气实际能够达到的配比来选择生产合适的产品。
一种基于气化炉的生物质制备绿色甲醇的方法，包含以下步骤：
S1、生物质原料经过生物质干燥与破碎装置进行干燥破碎后送入气化炉中。
S2、干燥破碎后的生物质原料与氧气或水蒸气反应生成合成气。
S3、合成气在高温重整室内通过通入纯氧控制高温重整室温度大于1100℃，以充分脱出合成气中的焦油，并降低合成气中的颗粒物含量，降低下游合成气烟气净化流程，以满足甲醇合成气用气要求。高温重整室的纯氧来源于电解水制氢装置，实现了对电解水制得的氧气的合理运用。
S4、设置与气化炉匹配的余热锅炉，余热锅炉将温度1100℃的合成气降温至180℃，余热锅炉额定蒸汽产汽量6t/h，温度400℃，压力4.0MPa，产出的蒸汽通入第一蒸汽轮机中。余热锅炉出来的合成气分成两部分，一部分合成气进入到合成气处理装置用于甲醇合成，另一部分合成气进入汽轮机发电系统进行发电提供厂用电。系统中，合成气进入汽轮机发电系统的燃气轮机中进行发电，燃气轮机排出的废气温度高达500℃以上，将这些排出的高温废气通入到废热锅炉从而得到水蒸气，利用这些水蒸气再通过第二蒸汽轮机进行发电，通过两级能量的利用，大大提高了合成气能量的转化效率。
S5、降温至180℃的合成气进入布袋除尘装置脱除合成气中夹带的颗粒物。布袋除尘装置由布袋除尘器、压缩空气反吹、蒸汽伴热、保温、检测和控制等系统组成，除尘效率不小于99.99%。
S6、布袋除尘装置出口合成气经过水洗塔喷水减温，同步脱除合成气中的氯化氢，合成气降温到30-40℃除水加压后进入干法脱硫装置脱除二氧化硫，脱硫后的合成气再降温脱水加压后进入甲醇合成塔。干法脱硫采用固体吸收剂或吸附剂来脱除硫化氢，具有流程短、设备结构简单、气体净化高、操作平稳的优点。
S7、电解水制氢装置通过风光发电系统作为绿色能源制备氢气，氢气通过氢压缩机加压后送入甲醇合成塔内。电解水制备装置制备的氧气则通入到气化炉和高温重整室，实现氧气的合理利用。
S8、将合成气中的一氧化碳、二氧化碳与氢气充分混合，在恒温恒压下在甲醇合成塔内反应生成粗甲醇、水及副反应产物，粗甲醇通过甲醇分离器进行气液分离获得粗甲醇，粗甲醇在通过精馏塔得到高纯度的甲醇和杂醇。
S9、系统开启阶段，甲醇储罐内的甲醇送入甲醇内燃机中发电产生电能作为系统的启动电源，当系统运行稳定后，甲醇内燃机停止工作，系统由第一蒸汽轮机和汽轮机发电系统提供厂用电。
S10、当风光发电系统发电功率小于电解水制氢的额定功率时，此时优先消耗储氢罐中存储的氢气，当储氢罐中存储的氢气消耗完全时，由电储能设备与风光发电系统为电解水制氢设备联合供电，保证电解水制氢工作在额定功率，当电储能设备的储存电能耗完全时，汽轮机发电系统开启将余热锅炉出来的一部分合成气送入汽轮机发电系统进行发电，汽轮机发电系统与风光发电系统为电解水制氢设备联合供电，保证电解水制氢工作在额定功率。
本发明的气化炉合成气中存在焦油，通过高温重整室将焦油裂解为CO、CO2、H2等小分子合成气，使合成气内的碳损失降低；本发明采用气化炉将生物质直接气化，将生物质中的碳转化为CO和CO2后直接加氢气进入甲醇合成塔反应，生物质碳利用率高，生物质碳源消耗量小，碳利用率可达到90-92%；本发明气化合成气中含有20-25%的氢气，对电解氢气的需求量更小；本发明气化炉的气化工艺，节省了大量氧气和氢气，大大降低了甲醇生产的成本；本发明无论是系统启动还是系统正常运行过程中，都不需要连接外部电网，真正实现了离网运行，从而保证整个过程的能源都是绿色能源，生产真正的绿色甲醇产品。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于气化炉的生物质制备绿色甲醇的方法，应用于基于气化炉的生物质制备绿色甲醇的离网系统，基于气化炉的生物质制备绿色甲醇的离网系统包含生物质干燥与破碎装置、气化炉、高温重整室、余热锅炉、合成气处理装置、第一压缩机、甲醇合成塔、甲醇处理装置、汽轮机发电系统和电解水制氢装置，生物质干燥与破碎装置的出口与气化炉的进料口连接，气化炉的合成气出口与高温重整室的进气口连接，高温重整室的出气口与余热锅炉的进气口连接，余热锅炉的出气口与合成气处理装置的进气口和汽轮机发电系统的进气口连接，合成气处理装置的出气口与第一压缩机的一端连接，第一压缩机的另一端和电解水制氢装置的氢气出口与甲醇合成塔的进气口连接，甲醇合成塔的粗甲醇出口与甲醇处理装置连接；所述合成气处理装置包含布袋除尘装置、水洗塔、第二压缩机、干法脱硫装置、降温脱水装置，布袋除尘装置的进气口与余热锅炉的出气口连接，布袋除尘装置的出气口与水洗塔的进气口连接，水洗塔的出气口与第二压缩机的一端连接，第二压缩机的另一端与干法脱硫装置的进气口连接，干法脱硫装置的出气口与降温脱水装置的进气口连接，降温脱水装置的出气口与第一压缩机的一端连接；还包含第一蒸汽轮机，余热锅炉的蒸汽出口与第一蒸汽轮机的进气口连接；所述电解水制氢装置包含风光发电系统、电储能设备、电解槽和氢压缩机，风光发电系统为电解槽供电，风光发电系统的多余电量存储在电储能设备中，电解槽的氢气出口通过氢压缩机与甲醇合成塔的进口连接，电解槽的氧气出口与气化炉和高温重整室连接；所述甲醇处理装置包含精馏塔、甲醇储罐和杂醇储罐，精馏塔的进料口与甲醇合成塔的粗甲醇出口连接，精馏塔的甲醇出口与甲醇储罐连接，精馏塔的杂醇出口与杂醇储罐连接；
其特征在于包含以下步骤：
S1、生物质原料经过生物质干燥与破碎装置进行干燥破碎后送入气化炉中；
S2、干燥破碎后的生物质原料与氧气或水蒸气反应生成合成气；
S3、合成气在高温重整室内通过通入纯氧控制高温重整室温度大于1100℃，以充分脱出合成气中的焦油，并降低合成气中的颗粒物含量；
S4、设置与气化炉匹配的余热锅炉，余热锅炉将温度1100℃的合成气降温至180℃，余热锅炉额定蒸汽产汽量6t/h，温度400℃，压力4.0MPa，产出的蒸汽通入第一蒸汽轮机中；余热锅炉出来的合成气分成两部分，一部分合成气进入到合成气处理装置用于甲醇合成，另一部分合成气进入汽轮机发电系统进行发电提供厂用电；
S5、降温至180℃的合成气进入布袋除尘装置脱除合成气中夹带的颗粒物；
S6、布袋除尘装置出口合成气经过水洗塔喷水减温，同步脱除合成气中的氯化氢，合成气降温到30-40℃除水加压后进入干法脱硫装置脱除二氧化硫，脱硫后的合成气再降温脱水加压后进入甲醇合成塔；
S7、电解水制氢装置通过风光发电系统作为绿色能源制备氢气，氢气通过氢压缩机加压后送入甲醇合成塔内；
S8、将合成气中的一氧化碳、二氧化碳与氢气充分混合，在恒温恒压下在甲醇合成塔内反应生成粗甲醇、水及副反应产物，粗甲醇再通过精馏塔得到高纯度的甲醇和杂醇；
S9、系统开启阶段，甲醇储罐内的甲醇送入甲醇内燃机中发电产生电能作为系统的启动电源，当系统运行稳定后，甲醇内燃机停止工作，系统由第一蒸汽轮机和汽轮机发电系统提供厂用电；
S10、当风光发电系统发电功率小于电解水制氢的额定功率时，此时优先消耗储氢罐中存储的氢气，当储氢罐中存储的氢气消耗完全时，由电储能设备与风光发电系统为电解水制氢设备联合供电，保证电解水制氢工作在额定功率，当电储能设备的储存电能耗完全时，汽轮机发电系统开启将余热锅炉出来的一部分合成气送入汽轮机发电系统进行发电，汽轮机发电系统与风光发电系统为电解水制氢设备联合供电，保证电解水制氢工作在额定功率。
2.根据权利要求1所述的一种基于气化炉的生物质制备绿色甲醇的方法，其特征在于：所述汽轮机发电系统包含燃气轮机、废热锅炉和第二蒸汽轮机，余热锅炉出来的合成气一部分通入到燃气轮机内发电作为厂用电，燃气轮机的烟气出口与废热锅炉的进气口连接，废热锅炉的蒸汽出口与第二蒸汽轮机的进气口连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于气化炉的生物质制备绿色甲醇的方法，其特征在于：还包含醋酸合成塔、绿色航油合成装置，第一压缩机的另一端和电解水制氢装置的氢气出口与甲醇合成塔的进气口、醋酸合成塔的进气口或绿色航油合成装置的进气口连接。
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