生產(chǎn)代用天然氣的設(shè)備和方法以及包括其的網(wǎng)絡(luò)的制作方法
【專利摘要】一種設(shè)備，包括：?氣化爐(102)，用于由生物質(zhì)生產(chǎn)氣態(tài)化合物，包括生物質(zhì)和氧化劑進(jìn)口(104,106)和含有一氧化碳的氣態(tài)化合物的出口(108)；?一氧化碳甲烷化裝置(110)，使一氧化碳甲烷化以生產(chǎn)由氣化爐輸出的代用天然氣，包括至少一個(gè)水和來自氣化爐的氣態(tài)化合物的進(jìn)口(112)。?二氧化碳甲烷化裝置(114)，使二氧化碳甲烷化以生產(chǎn)代用天然氣，包括至少一個(gè)進(jìn)水口(116)和一個(gè)二氧化碳的進(jìn)口。?裝置(118)，用于由水和電流來生產(chǎn)氫氣，包括：?供電電源?進(jìn)水口(120)，和?氫氣出口(122)，給二氧化碳甲烷化裝置(118)提供氫氣。
【專利說明】
生產(chǎn)代用天然氣的設(shè)備和方法以及包括其的網(wǎng)絡(luò)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ] 本發(fā)明涉及生產(chǎn)代用天然氣(substitute natural gas)的設(shè)備和方法，以及包括其的網(wǎng)絡(luò)。本發(fā)明尤其適用于工業(yè)甲烷化以及熱能與甲烷聯(lián)產(chǎn)。
【背景技術(shù)】
[0002]甲烷化是一種將氫與一氧化碳或二氧化碳催化轉(zhuǎn)化為甲烷的工業(yè)方法。
[0003]甲烷化反應(yīng)的方程式根據(jù)碳基化合物的性質(zhì)而改變。依情況而定，反應(yīng)方程式如下:
[0004]C0+3H2^CH4+H20
[0005]C02+4H2^CH4+2H20
[0006]通常情況下，生物質(zhì)是主要輸入物的生物甲烷生產(chǎn)設(shè)備包括三個(gè)主要的要素(element)。第一個(gè)要素是將生物質(zhì)氣化為合成氣體(也稱為“合成氣”)的裝置。這種合成氣主要由不凝結(jié)的氣體組成，例如，H2、CO、W2SCH4 ο對(duì)于特定的方法，除了生成的合成氣，氣化裝置還生產(chǎn)焦油型可凝性氣體，在下文中被稱為“焦油”，并且生產(chǎn)“炭”(char)型的固體殘?jiān)?，即固體可燃物經(jīng)熱解所產(chǎn)生的固體部分。
[0007]氣化裝置與燃燒裝置相連，諸如炭的固體殘余物在燃燒裝置中燃燒以保持氣化裝置的溫度。這種燃燒裝置通常是移動(dòng)床反應(yīng)器或循環(huán)床反應(yīng)器。流化介質(zhì)優(yōu)選由橄欖石催化劑的顆粒組成，且更優(yōu)選由諸如沙的傳熱固體組成。該流化介質(zhì)能夠有助于氣化裝置中未反應(yīng)的剩余炭的取出，并有助于將這些炭輸送至燃燒裝置。
[0008]第二個(gè)主要的要素是氣化生物質(zhì)的催化甲烷化過程，這種甲烷化過程包括將H2和CO轉(zhuǎn)化成CH4(SNG，“合成天然氣”)。
[0009]第三個(gè)主要的要素是使殘余SNG達(dá)標(biāo)，也就是除去殘留的H2，⑶，H2O和⑶2，以便生產(chǎn)出盡可能符合注入天然氣供應(yīng)網(wǎng)要求的SNG，尤其在更高的熱值，被簡稱為“HHV”和沃泊指數(shù)方面符合規(guī)定。在此提醒，沃泊指數(shù)可以評(píng)估氣體、燃料或可燃物的互換能力。
[0010]由于在所提到的上述生產(chǎn)過程中損失了很多的碳與能量，所以目前的系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)來源于沒有對(duì)系統(tǒng)輸出SNG的產(chǎn)率進(jìn)行優(yōu)化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011 ]本發(fā)明旨在補(bǔ)救上述的部分或者全部缺點(diǎn)。
[0012]為了達(dá)到這個(gè)目的，根據(jù)第一方面，本發(fā)明提出了生產(chǎn)代用天然氣的集成設(shè)備，包括:
[0013]-配置成由生物質(zhì)生產(chǎn)氣態(tài)化合物的氣化爐，包括:
[0014]-生物質(zhì)進(jìn)口；
[0015]-氧化劑進(jìn)口；和
[0016]-包括一氧化碳的氣態(tài)化合物出口；
[0017]-使一氧化碳甲烷化以便由氣化爐輸出的氣態(tài)化合物來生產(chǎn)代用天然氣的裝置，一氧化碳甲烷化裝置包括至少一個(gè)進(jìn)水口和從氣化爐輸出的氣態(tài)化合物的進(jìn)口。
[0018]-使二氧化碳甲烷化以生產(chǎn)代用天然氣的裝置，包括至少一個(gè)進(jìn)水口和來自一氧化碳甲烷化裝置的二氧化碳的進(jìn)口。
[0019]-用水和電流生產(chǎn)氫氣的裝置，包括:
[0020]-電源；
[0021]-進(jìn)水口，和
[0022]-供應(yīng)二氧化碳甲烷化裝置的氫氣出口。
[0023]應(yīng)注意，由于語言的誤用，“氣化爐”(gasifier)有時(shí)候也稱為“燃?xì)獍l(fā)生爐”(gasificator)。
[0024]因?yàn)檫@些規(guī)定，二氧化碳甲烷化裝置將一氧化碳甲烷化裝置的輸出物中存在的二氧化碳轉(zhuǎn)化為SNG，因此在總體上提高了設(shè)備的碳轉(zhuǎn)化產(chǎn)率。此外，電解水裝置的存在實(shí)現(xiàn)了 “電能轉(zhuǎn)氣”型應(yīng)用。在此提醒，電能轉(zhuǎn)氣應(yīng)用由如下構(gòu)成:將未使用的電能，例如核電站在夜里生產(chǎn)的電能，轉(zhuǎn)化為能夠隨后被用于再生電能的代用氣體。
[0025]在一些實(shí)施方案中，作為本發(fā)明主題的設(shè)備還包括燃燒裝置，包括:
[0026]-非氣化固體可燃物熱解產(chǎn)生的固體部分的進(jìn)口，該固體部分也稱為“炭”，其來自于氣化爐并由傳熱介質(zhì)運(yùn)輸；
[0027]-氧化劑進(jìn)口；
[0028]-用于加熱傳熱介質(zhì)的非氣化炭燃燒裝置；
[0029]-與氣化爐傳熱介質(zhì)進(jìn)口相連的傳熱介質(zhì)出口，和
[0030]-煙道氣出口。
[0031]這些方案的優(yōu)點(diǎn)是通過使用非氣化的碳化殘留物產(chǎn)生加熱氣化爐的熱而使氣化爐的產(chǎn)量增加。這些碳化殘留物的燃燒，也給輸送碳化殘留物的傳熱介質(zhì)加熱。
[0032]在一些實(shí)施方案中，將氫氣生產(chǎn)裝置配置為執(zhí)行水的電解，包括供應(yīng)燃燒裝置氧化劑進(jìn)口的氧氣出口
[0033]這些實(shí)施方案的優(yōu)點(diǎn)是:通過避免將來自氣化爐的一部分合成氣體注入燃燒裝置以使燃燒成為可能從而極大提高了代用天然氣的產(chǎn)量。尤其是這些實(shí)施方案通過利用電解水的所有產(chǎn)物和優(yōu)化代用天然氣的產(chǎn)率，從而使電能轉(zhuǎn)氣的轉(zhuǎn)化效率達(dá)到最大化。
[0034]在一些實(shí)施方案中，作為本發(fā)明主題的設(shè)備包括:在氣化爐的氣態(tài)化合物出口和一氧化碳甲烷化裝置的氣態(tài)化合物進(jìn)口之間，設(shè)置分離器，該分離器被配置為將氣體與固體和/或氣態(tài)化合物中的焦油分開并且將分離的固體和/或焦油輸送到燃燒裝置。
[0035]這些實(shí)施方案的第一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是:通過除去可能跟隨氣體運(yùn)輸?shù)墓腆w來凈化氣化爐產(chǎn)生的合成氣。這些實(shí)施方案的第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是:通過在燃燒裝置使用這些固體來對(duì)它們循環(huán)使用，從而提高燃燒裝置的產(chǎn)量。
[0036]在一些實(shí)施方案中，作為本發(fā)明主題的設(shè)備包括:當(dāng)從燃燒裝置輸出時(shí)，循環(huán)含有氧氣的部分煙道氣的裝置，該裝置朝向燃燒裝置的氧化劑進(jìn)口
[0037]這些實(shí)施方案通過循環(huán)使用燃燒裝置的一部分產(chǎn)物，提高了燃燒裝置的產(chǎn)率。這些實(shí)施方案使給定的設(shè)備采用空氣燃燒來運(yùn)轉(zhuǎn)與采用氧燃燒來運(yùn)轉(zhuǎn)一樣有效。對(duì)于最初設(shè)計(jì)成使用空氣燃燒來操作的方法來說，將它轉(zhuǎn)變成氧燃燒的事實(shí)會(huì)導(dǎo)致速度急劇下降并且引起傳熱固體循環(huán)的停止，并且因此引起氣體生產(chǎn)停止。在這種情況下，為了轉(zhuǎn)變成氧燃燒，需要直徑更小的新的燃燒裝置，以便擁有適當(dāng)?shù)倪\(yùn)輸速度，或者需要煙道氣的再循環(huán)，以便補(bǔ)償氧化劑中缺少的一氧化二氮。煙道氣的選擇必定是最重要的，因?yàn)樗莵碜酝幌到y(tǒng)的產(chǎn)物。
[0038]在一些實(shí)施方案中，作為本發(fā)明主題的設(shè)備包括燃燒裝置的煙道氣出口的下游，配置成向二氧化碳甲烷化裝置提供二氧化碳的二氧化碳分離器。
[0039]這些實(shí)施方案提高了二氧化碳甲烷化裝置的產(chǎn)率。
[0040]在一些實(shí)施方案中，作為本發(fā)明主題的設(shè)備包括氫氣分離器，位于一氧化碳甲烷化裝置的下游，為的是向所述一氧化碳甲烷化裝置提供氫氣。
[0041]這些實(shí)施方案提高了一氧化碳甲烷化裝置的產(chǎn)率。這些實(shí)施方案在如下情況下是優(yōu)選的:合成氣體的沃泊指數(shù)或較高熱值不符合合成氣體所供給的氣體運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的要求。
[0042]在一些實(shí)施方案中，作為本發(fā)明主題的設(shè)備包括一氧化碳甲烷化裝置的下游，用于供應(yīng)二氧化碳甲烷化裝置的二氧化碳分離器。
[0043]這些實(shí)施方案能夠?qū)⒁谎趸技淄榛b置輸出的甲烷與提供給二氧化碳甲烷化裝置的二氧化碳分開。用這種方法，氣體在輸入到二氧化碳甲烷化裝置時(shí)具有較高的二氧化碳濃度，因此提高了二氧化碳甲烷化裝置的輸出產(chǎn)率。
[0044]在一些實(shí)施方案中，二氧化碳甲烷化裝置的出口與一氧化碳甲烷化裝置的出口相連。
[0045]這些實(shí)施方案能夠使每種甲烷化裝置的出口與設(shè)備的代用天然氣出口之間的設(shè)備數(shù)量達(dá)到最少。
[0046]在一些實(shí)施方案中，作為本發(fā)明主題的設(shè)備包括在一氧化碳甲烷化裝置和/或燃燒裝置的下游，配置成濃縮蒸汽中含有的水并將水提供給電解裝置的冷凝器。
[0047]這些實(shí)施方案提高了電解裝置的產(chǎn)率。
[0048]根據(jù)第二方面，本發(fā)明提出了一種網(wǎng)絡(luò)，其包括至少一個(gè)作為本發(fā)明主題的設(shè)備。
[0049]因?yàn)樵摼W(wǎng)絡(luò)的具體特征、優(yōu)點(diǎn)和目的與作為本發(fā)明主題的設(shè)備相同，所以在此不再重復(fù)。
[0050]在一些實(shí)施方案中，作為本發(fā)明主題的網(wǎng)絡(luò)還包括多能量管理裝置，用于控制:
[0051]-盈余電力生產(chǎn)期間，采用至少一個(gè)作為本發(fā)明主題的設(shè)備生產(chǎn)與存儲(chǔ)甲烷;和
[0052]-用這些時(shí)期之外存儲(chǔ)的甲烷生產(chǎn)電力。
[0053]這些實(shí)施方案使生產(chǎn)的電不盈余時(shí)，允許在本網(wǎng)絡(luò)中對(duì)可用的能量進(jìn)行優(yōu)化。
[0054]在一些實(shí)施方案中，作為本發(fā)明主題的網(wǎng)絡(luò)包括氣體分配管道，通過使壓力上升到管道的公稱壓力之上，實(shí)現(xiàn)用于發(fā)電的甲烷的存儲(chǔ)。
[0055]這些實(shí)施方案使得由作為本發(fā)明主題的設(shè)備生產(chǎn)的甲烷以較低的成本進(jìn)行存儲(chǔ)。
[0056]根據(jù)第三個(gè)方面，本發(fā)明提出了一種生產(chǎn)代用天然氣的方法，包括:
[0057]-用生物質(zhì)生產(chǎn)氣態(tài)化合物的氣化步驟，包括:
[0058]-輸入生物質(zhì)的步驟；
[0059]-輸入氧化劑的步驟;和
[0060]輸出含有一氧化碳的氣態(tài)化合物的步驟。
[0061]-—氧化碳甲烷化以便由氣化步驟輸出的氣態(tài)化合物來生產(chǎn)代用天然氣的步驟，一氧化碳甲烷化步驟包括至少一步輸入水和輸入來自氣化爐的氣態(tài)化合物的步驟。
[0062]- 二氧化碳甲烷化以生產(chǎn)代用天然氣的步驟，包含至少一步輸入水和輸入來自一氧化碳甲烷化步驟的二氧化碳的步驟。
[0063]-由水和電流生產(chǎn)氫氣的步驟，包括:
[0064]-供應(yīng)電源的步驟；
[0065 ]-輸入水的步驟，和
[0066]-輸出氫氣的步驟，輸出的氫氣供二氧化碳甲烷化步驟使用。
[0067]因?yàn)樵摼W(wǎng)絡(luò)的具體特征、優(yōu)點(diǎn)和目的與作為本發(fā)明主題的設(shè)備相同，所以在此不再重復(fù)。
【附圖說明】
[0068]參考附錄中的附圖，根據(jù)對(duì)作為本發(fā)明主題的生產(chǎn)代用天然氣的設(shè)備和方法以及包括所述設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)的至少一個(gè)實(shí)施方案的非限制性描述，本發(fā)明的其它特別的優(yōu)點(diǎn)、目的和特征將是顯而易見的，其中:
[0069]-按照?qǐng)D示，圖1代表本發(fā)明要求保護(hù)的生產(chǎn)代用天然氣的設(shè)備的一種特定實(shí)施方案；
[0070]-按照?qǐng)D示，圖2代表本發(fā)明要求保護(hù)的網(wǎng)絡(luò)的一種特定實(shí)施方案;和
[0071]-按照?qǐng)D示，圖3代表本發(fā)明要求保護(hù)的方法的一種特定實(shí)施方案的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0072]本描述為非限制性例子。
[0073]注意，附圖不按比例。
[0074]圖1表示作為本發(fā)明主題的、用于生產(chǎn)代用天然氣的集成設(shè)備的實(shí)施方案。該設(shè)備包括:
[0075]-氣化爐102，包括:
[0076]-生物質(zhì)進(jìn)口104;
[0077]-氧化劑進(jìn)口106;和
[0078]-含有一氧化碳的合成氣體的出口108;
[0079]-配置為將分離出的固體和焦油輸送至燃燒裝置124的分離器138;
[0080]-使氣化爐102輸出的一氧化碳甲烷化的裝置110，包括至少一個(gè)水及來自氣化爐102的合成氣體的進(jìn)口 112，用來提供甲烷和二氧化碳；
[0081 ]-氫氣分離器144;
[0082]-第一二氧化碳分離器146;
[0083]- 二氧化碳甲烷化裝置114，包括至少一個(gè)水與來自一氧化碳甲烷化裝置的二氧化碳的進(jìn)口 116，用來供應(yīng)甲烷；
[0084]-電解水裝置118，包括:
[0085]-電源176;
[0086]-進(jìn)水口120;
[0087]-氧氣出口136;和
[0088]-氫氣出口122;和
[0089]-燃燒裝置124，包括:
[0090]-來自于氣化爐102并由傳熱介質(zhì)輸送的非氣化炭的進(jìn)口126;
[0091]-三個(gè)進(jìn)口128;
[0092]-用于加熱傳熱介質(zhì)的非氣化炭、焦油和合成氣的燃燒裝置130;
[0093]-傳熱介質(zhì)出口132，其與氣化爐102的傳熱介質(zhì)進(jìn)口相連;和
[0094]-煙道氣出口134;
[0095]-非氣化炭與從氣化爐102輸出的氣體中分離的焦油的進(jìn)口168;和
[0096]-將來自燃燒裝置124的一部分煙道氣進(jìn)行回收的裝置140;
[0097]-第二二氧化碳分離器142;和
[0098]-兩個(gè)冷凝器148;
[0099]-三個(gè)冷卻裝置150;
[0100]-兩個(gè)加熱裝置172;
[0101]-第一水蒸氣進(jìn)口152;
[0102]-氧氣出口158;
[0103]-灰燼與固體殘留物出口160;
[0104]-第一水出口154;
[0105]-第二水出口162;
[0106]-未被設(shè)備使用的氣體出口164;
[0107]-第二水蒸氣進(jìn)口166;和
[0108]-代用天然氣出口170。
[0109]氣化爐102可以是反應(yīng)器，在該反應(yīng)器中提供的生物質(zhì)進(jìn)行熱化學(xué)轉(zhuǎn)化生成合成氣體(也稱為“合成氣”)，合成氣體包括氫氣、一氧化碳、二氧化碳、水、焦油、或者任何類型的碳化化合物。氣化爐102包括生物質(zhì)進(jìn)口 104，它可以是使生物質(zhì)被引入到反應(yīng)器中的閥門、分配螺絲或料斗。氣化爐102還包括氧化劑進(jìn)口 106，它可以是使得水蒸氣被引入到反應(yīng)器中的閥門。在氧化劑進(jìn)口 106的上游設(shè)置加熱裝置172，這樣是為了使進(jìn)入的氧化劑不會(huì)打破氣化爐里的熱平衡。
[0110]氣化爐102還包括非氣化炭的出口(圖未示)，它可以是將流態(tài)的傳熱介質(zhì)轉(zhuǎn)移至其中的管道。這種流態(tài)的傳熱介質(zhì)可以由橄欖石或者沙子構(gòu)成，并且給生物質(zhì)的熱化學(xué)轉(zhuǎn)化提供必要的能量。氣化爐102還包括流態(tài)的傳熱介質(zhì)的進(jìn)口(圖未示)。最后，氣化爐102包括合成氣體出口 108，它可以是與反應(yīng)器連接的管道。
[0111]為了加熱氣化爐102，該設(shè)備包括燃燒裝置124。燃燒裝置124可以是反應(yīng)器。燃燒裝置124包括由來自氣化爐102的傳熱介質(zhì)輸送的非氣化炭的進(jìn)口 126，它可以是將氣化爐102連接到燃燒裝置124的管道。燃燒裝置124還包括三個(gè)氧化劑進(jìn)口 128，例如，連接到管道使氧化劑被引入至燃燒裝置124的閥門。一個(gè)進(jìn)口 128被配制成將空氣，氮?dú)饣蜓鯕?，或者這些氣體混合物，例如富氧空氣，注入到燃燒裝置124中。在該進(jìn)口 128的上游，可選地設(shè)置加熱氧化劑的裝置172，這樣加入氧化劑不會(huì)打破燃燒裝置124內(nèi)部的熱平衡。另一個(gè)進(jìn)口 128被配置成將電解水產(chǎn)生的氧氣注入到燃燒裝置124中。如果必要的話，最后一個(gè)進(jìn)口 128被配置成將來自氣化爐的合成氣體注入到燃燒裝置124中，當(dāng)炭和焦油不充足的時(shí)候可以作為熱引發(fā)劑。
[0112]在一些變型中，這些氧化劑進(jìn)口128可以合并成兩個(gè)或者一個(gè)氧化劑進(jìn)口。燃燒裝置124使從進(jìn)口 168輸入的非氣化炭和/或焦油燃燒，從而對(duì)傳熱介質(zhì)進(jìn)行加熱，該傳熱介質(zhì)從傳熱介質(zhì)出口 132離開燃燒裝置124，傳熱介質(zhì)出口 132與氣化爐102的傳熱介質(zhì)進(jìn)口相連接，它可以是連接燃燒裝置124與氣化爐102的管道。燃燒裝置124還包括煙道氣出口 134，它可以是連接到燃燒裝置124的管道。
[0113]使用氧氣作為氧化劑，提高了燃燒裝置124的能量輸出。尤其是，使用氧氣大大減少了來自氣化爐102被重新用作氧化劑的合成氣體?？梢圆捎闷渌绞交厥沼呻娊庋b置118生產(chǎn)的過剩氧氣。此外，因?yàn)檠趸瘎┲醒鹾吭黾樱ɡ淠?48和二氧化碳分離器的分離鏈的效率得到改善。
[0114]作為熱化學(xué)平衡和炭多相氣化產(chǎn)生化合物的結(jié)果，水蒸氣或其它氧化劑(例如氧氣或空氣)輸入到反應(yīng)器中，在水蒸氣或其它氧化劑的作用下，氣化爐102產(chǎn)生的合成氣體的組成發(fā)生改變。因此，生產(chǎn)的合成氣體通常含有對(duì)一氧化碳甲烷化裝置110中含有的催化劑使用壽命有害的污染物。為此，在氣化爐102的出口處設(shè)置冷卻或熱回收裝置150，并且，在冷卻裝置150的出口處配置分離器138，將分離出的固體和焦油輸送到燃燒裝置124。冷卻裝置150例如是熱交換器。該冷卻裝置150能夠執(zhí)行熱交換，使回收的熱在設(shè)備的其它部位被使用。
[0115]分離器138可以是過濾器，其被配置成保留與吸附劑配對(duì)的固體化合物以保留焦油。該分離器138通過管道給燃燒裝置124提供分離的固體。被保留的固體可以是有機(jī)化合物，諸如焦油、硫化氫、一氧化碳硫化物的無機(jī)化合物或者由氣流輸送的大部分的水和固體。必要的情況下，分離器138輸出的一部分氣體可以供給燃燒裝置124。
[0116]同樣的，以相同的方式用冷卻或熱回收裝置150，例如熱交換器，處理燃燒裝置124輸出的煙道氣，冷卻煙道氣，并且，氣體/固體分離器174配置成將過濾的固體輸送至灰塵和洗滌固體的出口 160。必要的情況下，由分離器174輸出的含有氧氣的一部分氣體，可以作為氧化劑供給燃燒裝置124。
[0117]這個(gè)設(shè)備包括使氣化爐輸出的一氧化碳甲烷化的裝置110，其可以是催化甲烷化反應(yīng)器。該催化甲烷化反應(yīng)器例如是固定床反應(yīng)器或流化床反應(yīng)器，或反應(yīng)器/交換器類型。該催化甲烷化反應(yīng)器將一氧化碳、氫氣和水轉(zhuǎn)變成二氧化碳和甲烷。該一氧化碳甲烷化裝置110包括水和來自氣化爐102的合成氣體的進(jìn)口 112。進(jìn)口 112可以是能夠使水蒸氣和合成氣體進(jìn)入一氧化碳甲烷化裝置110的閥門。
[0118]水蒸氣通過向進(jìn)口112提供水和合成氣體的第一進(jìn)水口 152進(jìn)入設(shè)備。加入水蒸氣能夠?qū)錃馀c一氧化碳的比例調(diào)整至接近水煤氣變換反應(yīng)方程式(C0+H20 = H2+C02)的化學(xué)計(jì)量比，因此避免由于焦炭沉積而導(dǎo)致的催化劑的過早失活。一氧化碳甲烷化裝置110生產(chǎn)甲烷和二氧化碳。
[0119]由甲烷化裝置110輸出的氣體混合物被冷卻裝置150(例如，熱交換器)冷卻。輸出的合成氣體由冷凝器148脫水。冷凝器148可以使用所有除水技術(shù)或者它們的組合，例如熱冷凝、吸附或吸收。通過這種途徑回收的水被傳送到出水口 154。以這種方式輸出的水可以從設(shè)備排出或者供應(yīng)給電解裝置118。
[0120]從冷凝器148輸出的氣體混合物，被輸送到二氧化碳分離器146中。二氧化碳分離器146可以使用所有已知的方法或者它們的組合，例如使用低溫、吸收或者吸附。本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠選擇合適的方案以便獲得以體積計(jì)純度在85%以上的二氧化碳。二氧化碳中存在的一氧化碳體積過大對(duì)一氧化碳甲烷化反應(yīng)有利，但是不利于甲烷反應(yīng)器114中的二氧化碳甲烷化反應(yīng)。
[0121]在一些變型中，回收的二氧化碳由附加的純化裝置處理，該純化裝置配置成去除存在于二氧化碳中的一氧化碳。除了傳統(tǒng)的解決方案，例如吸收和吸附，含有分離器146分離出的二氧化碳的混合物可以在燃燒裝置124中進(jìn)行熱氧化。值得注意的是，只有當(dāng)燃燒裝置124在純氧氣條件下運(yùn)行或者當(dāng)設(shè)備包括設(shè)置在燃燒裝置124輸出處的二氧化碳分離器時(shí)，熱氧化才是可行的。
[0122]在其他的變型中，該設(shè)備包括位于二氧化碳甲烷化裝置114上游的最終的一氧化碳甲烷化裝置。
[0123]該設(shè)備包括使氣化爐102輸出的二氧化碳甲烷化的裝置114，例如是催化甲烷化反應(yīng)器。該催化甲烷化反應(yīng)器可以是固定床反應(yīng)器或者流動(dòng)床反應(yīng)器，或者是反應(yīng)器/交換器的類型。該催化甲烷化反應(yīng)器將二氧化碳、氫氣和水轉(zhuǎn)化成二氧化碳和甲烷。該二氧化碳甲烷化裝置114包括水和來自分離器146的合成氣體的進(jìn)口 116。進(jìn)口 116可以是能夠?qū)⑺魵夂秃铣蓺怏w輸入到二氧化碳甲烷化裝置114的閥門。水蒸氣通過第一進(jìn)水口 166進(jìn)入設(shè)備，第一進(jìn)水口 166供應(yīng)水和合成氣體的進(jìn)口 116。二氧化碳甲烷化裝置114生產(chǎn)并輸出甲烷和水。
[0124]除了從一氧化碳甲烷化裝置110的輸出物中分離的二氧化碳之外，還可以從甲烷化裝置124輸出的煙道氣中回收二氧化碳。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，該裝置包括氣固分離器174輸出處的冷凝器148，冷凝器148配置成脫去分離器174輸出的煙道氣中的水?；厥盏乃晦D(zhuǎn)移到出水口 162從設(shè)備中排出或者被輸送到電解水裝置118。
[0125]從冷凝器148輸出時(shí)，剩余的氣體混合物進(jìn)入二氧化碳分離器142，類似于從一氧化碳甲烷化裝置110輸出時(shí)的二氧化碳分離器146。與二氧化碳分離的氣體供應(yīng)給設(shè)備未使用的氣體的出口 164。提供由分離器142分離的二氧化碳，將其輸入到二氧化碳的甲烷化裝置 114。
[0126]在冷卻裝置150的下游，二氧化碳甲烷化裝置114的甲烷與水的出口156與一氧化碳甲烷化裝置110的出口(圖未示)相連接。
[0127]在二氧化碳分離器146的下游，該設(shè)備包括氫氣分離器144。氫氣分離器144能夠使合成氣體的技術(shù)參數(shù)被調(diào)整至符合天然氣的特征。該氫氣分離器144能夠采用所有常規(guī)方法或者這些方法的組合。提供分離出來的氫氣，通過管道156輸送到一氧化碳甲烷化裝置110 中。
[0128]從氫氣分離器144中輸出的合成氣體提供至設(shè)備的合成氣出口170。
[0129]該設(shè)備包括電解水裝置118，其被配置成將水轉(zhuǎn)變成氧氣和氫氣。電解水裝置118可以是電解池，其包括浸入水中的兩個(gè)電極，每個(gè)電極與直流電源176的相反電極相連。該電解裝置118包括進(jìn)水口 120，其可以是能夠?qū)⑺⑷腚娊庋b置118的閥門。該電解裝置還包括供應(yīng)二氧化碳甲烷化裝置114的氫氣出口 122。此外，該電解裝置118包括供應(yīng)燃燒裝置124的氧化劑進(jìn)口 128的氧氣出口 136。最后，該設(shè)備包括氧氣出口 158，用于從設(shè)備中去除過剩的氧氣。
[0130]圖2表示作為本發(fā)明主題的網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)實(shí)施方案。該網(wǎng)絡(luò)包括:
[0131]-用來生產(chǎn)圖1中所描述的代用天然氣的設(shè)備205;
[0132]-多能源管理裝置210;
[0133]-輸送或者分配氣體的管道215;
[0134]-將氣體轉(zhuǎn)化成電能的裝置220;和
[0135]-直流電發(fā)電機(jī)225。
[0136]多能源管理裝置210可以是控制如下過程的開關(guān):
[0137]-在盈余電力生產(chǎn)期間，由裝置205進(jìn)行的甲烷的生產(chǎn)和存儲(chǔ);和
[0138]-這些期間之外，由存儲(chǔ)的甲烷生產(chǎn)電力。
[0139]盈余電力生產(chǎn)時(shí)期可以在系統(tǒng)中預(yù)先設(shè)定或者來自外部信息源，例如服務(wù)器。
[0140]當(dāng)多能源管理裝置210識(shí)別出盈余電力生產(chǎn)時(shí)期，該管理裝置210命令生產(chǎn)甲烷。為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，直流發(fā)電機(jī)225使用盈余電力供給設(shè)備205的電解裝置(圖未示)用于生產(chǎn)代用天然氣。與此同時(shí)，生物質(zhì)和氧化劑投放到設(shè)備205的氣化爐中，以此來生產(chǎn)合成氣體。在輸出時(shí)，設(shè)備205生產(chǎn)代用天然氣，代用天然氣由超壓，超過管道公稱壓力的壓力，來存儲(chǔ)在氣體分配管道215中。超壓可以是超過公稱壓力10%。
[0141]當(dāng)多能源管理裝置210識(shí)別出電力生產(chǎn)不在盈余時(shí)期時(shí)，該管理裝置210命令氣-電轉(zhuǎn)化裝置220生產(chǎn)電。該氣-電轉(zhuǎn)化裝置220可以是使用管道225中超壓存儲(chǔ)的代用天然氣來生產(chǎn)電的熱電廠。
[0142]圖3表示作為本發(fā)明主題的方法的一種特定實(shí)施方案的流程圖。這個(gè)方法包括:
[0143]-生產(chǎn)合成氣體的氣化步驟305，包括:
[0144]-輸入生物質(zhì)的步驟310;
[0145]-輸入氧化劑的步驟315;和
[0146]-輸出包括一氧化碳的合成氣體的步驟320;
[0147]-使氣化步驟305輸出的一氧化碳甲烷化的步驟325，包括:輸入水和來自氣化步驟305的合成氣的步驟330，和提供甲烷及二氧化碳的步驟335。
[0148]-二氧化碳甲燒化步驟340，包括:輸入水和來自一氧化碳甲燒化步驟325的二氧化碳的步驟345，和供應(yīng)甲烷步驟350 ；
[0149]-將水轉(zhuǎn)變成氧氣和氫氣的電解水步驟355，包括
[0150]-提供電源的步驟370;
[0151]-輸入水的步驟360，和
[0152]-輸出氫氣的步驟365，該氫氣用于二氧化碳甲烷化步驟340。
[0153]可以使用氣化爐來執(zhí)行氣化步驟305，氣化爐是一種反應(yīng)器，在該反應(yīng)器中提供的生物質(zhì)經(jīng)歷熱化學(xué)轉(zhuǎn)化生成合成氣體(“合成氣”)，該合成氣體含有氫氣、一氧化碳、二氧化碳、水、焦油或者，一般來說，包含任何類型的碳化化合物。
[0154]氣化步驟305包括輸入生物質(zhì)的步驟310，可以使用將生物質(zhì)供應(yīng)至氣化爐的閥門來實(shí)施步驟310。氣化步驟305還包括輸入氧化劑的步驟315，可以使用將氧化劑供應(yīng)至氣化爐的閥門來實(shí)施步驟315。氣化步驟305進(jìn)一步包括輸出包含一氧化碳的合成氣體的步驟320，可以使用與氣化爐連接的管道來實(shí)施步驟320。
[0155]該方法包括使氣化步驟305輸出的一氧化碳甲烷化的步驟325，可以使用流化床一氧化碳甲烷化裝置來實(shí)施步驟325。一氧化碳甲烷化步驟325包括輸入水和來自氣化步驟305的合成氣體的步驟330，可以使用甲烷化裝置的閥門實(shí)施步驟330。一氧化碳甲烷化步驟325還包括提供甲烷和二氧化碳+H2O的步驟335，可以使用一氧化碳甲烷化裝置的輸出管道來實(shí)施步驟335。
[0156]該方法包括二氧化碳甲烷化步驟340，可以通過使用流化床二氧化碳甲烷化裝置來實(shí)施步驟340。二氧化碳甲烷化步驟340包括輸入水和二氧化碳的步驟345，二氧化碳來自一氧化碳甲烷化步驟325，可以通過使用二氧化碳甲烷化裝置的水和二氧化碳注入閥門可以實(shí)施步驟345。二氧化碳甲烷化步驟340包括供應(yīng)甲烷的步驟350，可以通過使用二氧化碳甲烷化裝置的輸出管道來實(shí)施步驟350。
[0157]該方法包括電解水的步驟355，以將水轉(zhuǎn)化成氫氣和氧氣，通過使用浸入水中并且每個(gè)電極都與直流發(fā)電機(jī)的相反電極相連的兩個(gè)電極來實(shí)施步驟355。電解步驟355包括輸入水的步驟360，可以通過利用在電解步驟355所用的兩個(gè)電極之間的注水管來實(shí)施步驟360。供電步驟370可以通過將電極連接到直流電源來實(shí)現(xiàn)。電解步驟355包括輸出氫氣的步驟365，輸出的氫氣用于二氧化碳甲燒化步驟340，可以使用管道來實(shí)施步驟365。
[0158]在一些變型中，該方法30還包括燃燒步驟，包含:
[0159]-輸入非氣化固體可燃物熱解產(chǎn)生的固體部分的步驟，該固體部分也被稱為“炭”，來自于氣化爐并由傳熱介質(zhì)輸送；
[0160]-氧化劑輸入步驟；
[0161 ]-非氣化炭燃燒步驟，用于加熱傳熱介質(zhì)；
[0162 ]-傳熱介質(zhì)的輸出步驟，該步驟與氣化爐的傳熱介質(zhì)的輸入相連接;和
[0163]-輸出煙道氣的步驟。
[0164]在一些變型中，生產(chǎn)氫氣的步驟實(shí)現(xiàn)了水的電解，包括輸出供應(yīng)燃燒步驟使用的燃燒裝置氧化劑入口的氧氣的步驟。
[0165]在一些變型中，在從氣化爐輸出氣態(tài)化合物的步驟和輸入一氧化碳甲烷化步驟的氣態(tài)化合物的步驟之間，方法30包括將氣體與氣態(tài)化合物中的固體和/或焦油分離的步驟，和將分離出的固體和/或焦油輸送到燃燒步驟使用的燃燒裝置的步驟。
[0166]在一些變型中，方法30包括回收燃燒步驟輸出的包含氧氣的部分煙道氣的步驟，將其回收至燃燒步驟使用的燃燒裝置的氧化劑進(jìn)口。
[0167]在一些變型中，在燃燒步驟的煙道氣輸出步驟的下游，方法30包括二氧化碳分離步驟以將二氧化碳提供給二氧化碳甲烷化裝置，由二氧化碳甲烷化步驟使用。
[0168]在一些變型中，在一氧化碳甲烷化步驟的下游，方法30包括氫氣分離步驟以將氫氣提供給一氧化碳甲烷化裝置，由一氧化碳甲烷化步驟使用。
[0169]在一些變型中，在一氧化碳甲烷化步驟的下游，方法30包括二氧化碳分離步驟以供應(yīng)二氧化碳甲烷化裝置，由二氧化碳甲烷化步驟使用。
[0170]在一些變型中，二氧化碳甲烷化步驟的輸出步驟與一氧化碳甲烷化步驟的輸出步驟相連接。
[0171 ]在一些變型中，在一氧化碳甲烷化步驟和/或燃燒步驟的下游，方法30包括冷凝蒸汽中含有的水并向電解步驟提供水的步驟。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于生產(chǎn)代用天然氣的集成設(shè)備，包括: -氣化爐(102)，配置成用生物質(zhì)生產(chǎn)氣態(tài)化合物，包括: -生物質(zhì)進(jìn)口(104); -氧化劑進(jìn)口(106);和 -氣態(tài)化合物出口(108)，該氣態(tài)化合物含有一氧化碳； -一氧化碳甲烷化裝置(110)，用于使一氧化碳甲烷化以便由氣化爐輸出的氣態(tài)化合物來生產(chǎn)代用天然氣，該一氧化碳甲烷化裝置(110)包含至少一個(gè)進(jìn)水口(112)和來自氣化爐的氣態(tài)化合物進(jìn)口； -二氧化碳甲烷化裝置(114)，用于使二氧化碳甲烷化以生產(chǎn)代用天然氣，包括至少一個(gè)進(jìn)水口( 116)和來自一氧化碳甲烷化裝置的二氧化碳進(jìn)口 ； -裝置(118)，用于由水和電流來生產(chǎn)氫氣，包括: -供電電源； -進(jìn)水口(120);和 -氫氣出口(122)，用于向二氧化碳甲烷化裝置(118)提供氫氣。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，該設(shè)備還包括燃燒裝置(124)，包括: -固體部分進(jìn)口(126)，該固體部分由非氣化固體可燃物熱解產(chǎn)生，也稱為“炭”，其來自于氣化爐(102)并由傳熱介質(zhì)輸送。 -氧化劑進(jìn)口(128); -非氣化炭燃燒裝置(130)，用于加熱傳熱介質(zhì)； -傳熱介質(zhì)出口(132)，其與氣化爐(102)的傳熱介質(zhì)進(jìn)口相連;和 -煙道氣出口(134)。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中，氫氣生產(chǎn)裝置(118)被配置成執(zhí)行水的電解，其包括氧氣出口( 136)，該出口供應(yīng)燃燒裝置的氧化劑進(jìn)口。4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的設(shè)備，該設(shè)備包括設(shè)置在氣化爐(102)的氣態(tài)化合物出口(108)和一氧化碳甲烷化裝置(110)的氣態(tài)化合物進(jìn)口(112)之間的分離器(138)，該分離器被配置成將氣體與氣態(tài)化合物中的固體和/或焦油分離，并將分離的固體和/或焦油輸送到燃燒裝置(124)。5.根據(jù)權(quán)利要求2至4任一項(xiàng)所述的設(shè)備，該設(shè)備包括裝置(140)，用于回收燃燒裝置(124)輸出的包含氧氣的部分煙道氣，并將煙道氣送至燃燒裝置的氧化劑進(jìn)口(128)。6.根據(jù)權(quán)利要求2至5任一項(xiàng)所述的設(shè)備，該設(shè)備在燃燒裝置(124)的煙道氣出口(134)的下游包括二氧化碳分離器(142)，其被配置成向二氧化碳甲烷化裝置(114)提供二氧化碳。7.根據(jù)權(quán)利要求1至6任一項(xiàng)所述的設(shè)備，該設(shè)備包括氫氣分離器(144)，設(shè)置在一氧化碳甲烷化裝置(110)的下游，目的是向一氧化碳甲烷化裝置(110)提供氫氣。8.根據(jù)權(quán)利要求1至7任一項(xiàng)所述的設(shè)備，該設(shè)備在一氧化碳甲烷化裝置(110)的下游包括二氧化碳分離器(146)，用于供應(yīng)二氧化碳甲烷化裝置(114)。9.根據(jù)權(quán)利要求1至8任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中，二氧化碳甲烷化裝置(114)的出口與一氧化碳甲烷化裝置(110)的出口相連接。10.根據(jù)權(quán)利要求1至9任一項(xiàng)所述的設(shè)備，該設(shè)備在一氧化碳甲烷化裝置(110)和/或燃燒裝置(124)的下游包括冷凝器(148)，其被配置成冷凝蒸氣里含有的水，并將水供應(yīng)給電解裝置(118)。11.一種網(wǎng)絡(luò)，其特征在于，該網(wǎng)絡(luò)包括至少一個(gè)權(quán)利要求1至10任一項(xiàng)所述的設(shè)備(205)。12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)包括多能源管理裝置(210)，用于控制: -利用至少一個(gè)權(quán)利要求1至10任一項(xiàng)所述的設(shè)備(205)進(jìn)行的甲烷生產(chǎn)，以及在盈余電力生產(chǎn)期間對(duì)甲烷的存儲(chǔ);和 -采用這些時(shí)期之外存儲(chǔ)的甲烷進(jìn)行的電力生產(chǎn)。13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)包括氣體分配管道(215)，通過超過管道公稱壓力的超壓來實(shí)現(xiàn)用于發(fā)電的甲烷的存儲(chǔ)。14.一種生產(chǎn)代用天然氣的方法，包括: -氣化步驟(305)，用于由生物質(zhì)生產(chǎn)氣態(tài)化合物，包括: -輸入生物質(zhì)的步驟(310); -輸入氧化劑的步驟(315);和 -輸出氣態(tài)化合物的步驟(320)，該氣態(tài)化合物含有一氧化碳； -一氧化碳甲烷化步驟(325)，使一氧化碳甲烷化以便由氣化步驟輸出的氣態(tài)化合物來生產(chǎn)代用天然氣，一氧化碳甲烷化步驟(325)包括至少一步水和氣化爐的氣態(tài)化合物的輸出步驟(330)。 -二氧化碳甲烷化步驟(340)，使二氧化碳甲烷化以生產(chǎn)代用天然氣，包括至少一步輸入水和輸入來自一氧化碳甲烷化裝置的二氧化碳的輸入步驟(345); -步驟(355)，用水和電流來生產(chǎn)氫氣，包括: -提供電源的步驟(370); -輸入水的步驟(360)，和 -輸出氫氣的步驟(365)，氫氣用于二氧化碳甲烷化步驟。15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，該方法還包括燃燒步驟，包括: -輸入固體部分的步驟，該固體部分由非氣化固體可燃物熱解產(chǎn)生，也稱為“炭”，其來自于氣化爐并由傳熱介質(zhì)輸送。 -氧化劑輸入步驟； -非氣化炭燃燒步驟，用于加熱傳熱介質(zhì)； -傳熱介質(zhì)輸出步驟，其與氣化爐傳熱介質(zhì)輸入相連;和 -輸出煙道氣步驟。16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，氫氣生產(chǎn)步驟實(shí)現(xiàn)水的電解，其包括輸出氧氣的步驟，氧氣供應(yīng)給燃燒裝置的氧化劑進(jìn)口，在燃燒步驟中使用。17.根據(jù)權(quán)利要求15或16所述的方法，該方法在氣化爐輸出氣態(tài)化合物步驟與一氧化碳甲烷化步驟輸入氣態(tài)化合物步驟之間包括如下步驟:將氣態(tài)化合物中的氣體與固體和/或焦油分離的步驟，和將分離出的固體和/或焦油輸送到燃燒裝置在燃燒步驟中使用的步驟。18.根據(jù)權(quán)利要求15至17任一項(xiàng)所述的方法，該方法包括回收燃燒步驟輸出的包含氧氣的部分煙道氣的步驟，該煙道氣被回收至燃燒裝置的氧化劑進(jìn)口，在燃燒步驟中使用。19.根據(jù)權(quán)利要求15至18任一項(xiàng)所述的方法，該方法在燃燒步驟的煙道氣輸出步驟的下游包括二氧化碳分離步驟，以便將二氧化碳提供給二氧化碳甲烷化裝置，在二氧化碳甲烷化步驟中使用。20.根據(jù)權(quán)利要求14至19任一項(xiàng)所述的方法，該方法在一氧化碳甲烷化步驟的下游包括氫氣分離步驟，以便將氫氣提供給一氧化碳甲烷化裝置，在一氧化碳甲烷化步驟中使用。21.根據(jù)權(quán)利要求14至20任一項(xiàng)所述的方法，該方法在一氧化碳甲烷化步驟的下游包括二氧化碳分離步驟，以便提供給二氧化碳甲烷化裝置，在二氧化碳甲烷化步驟中使用。22.根據(jù)權(quán)利要求14至21任一項(xiàng)所述的方法，其中，二氧化碳甲烷化步驟的輸出步驟與一氧化碳甲烷化步驟的輸出步驟相連接。23.根據(jù)權(quán)利要求14至22任一項(xiàng)所述的方法，該方法在一氧化碳甲烷化步驟和/或燃燒步驟的下游包含冷凝蒸氣中含有的水并將水提供給電解步驟的步驟。
【文檔編號(hào)】C10L3/08GK105829507SQ201480068273
【公開日】2016年8月3日
【申請(qǐng)日】2014年10月28日
【發(fā)明人】Y·卡拉, B·馬錢德, S·卡佩拉
【申請(qǐng)人】蘇伊士環(huán)能集團(tuán)