一种生物质水热催化制甲烷的系统和方法

本发明属于生物质水热，具体涉及一种生物质水热催化制甲烷的系统和方法。

背景技术：

1、生物质水热催化制甲烷是一项新兴的生物质转化技术，利用高温高压水的特殊理化性质，在催化剂的作用下，将生物质中的碳、氢、氧元素转化为ch4和co2，在生产甲烷的同时实现co2富集。与传统的生物质热化学转化工艺相比，该技术反应温度低、物料适应性强、无需高耗能的干燥步骤、生产过程co2净零排放、生成物完全无害化，具有显著的经济效益与生态效益。

2、尽管生物质水热催化制甲烷技术已在实验室取得满意效果，但在实验中应用的多为间歇式反应釜或小型连续式反应器，无法连续大规模生产甲烷，系统无法长时间运行，能量利用率低。如何进行合理设计，在高效、清洁、大量地制取甲烷的同时，最大化地利用能量，如何将甲烷和co2分离富集起来，如何搭建可连续生产的、大规模工业化应用的反应系统仍是亟待解决的难题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述难题，提供一种生物质水热催化制甲烷的系统和方法，通过合理的系统设计，在利用生物质制取甲烷的同时，将热能最大化地回收，并将甲烷和co2分离富集，实现生物质水热催化制甲烷技术的规模化应用。

2、本发明通过以下技术方案实现：

3、一种生物质水热催化制甲烷的系统，包括生物质储料仓、高压浆料泵、浆料预热器、固定床催化反应器、辅助加热器、回热器、水冷器、背压阀、气液分离器、分离提纯装置、酸性水汽提塔、水箱和高压供水泵；

4、生物质储料仓连接高压浆料泵入口，高压浆料泵出口连接浆料预热器冷侧入口，浆料预热器冷侧出口连接固定床催化反应器入口；

5、固定床催化反应器出口连接回热器热侧入口，回热器热侧出口连接水冷器入口，水冷器出口经背压阀连接气液分离器入口；气液分离器的气体出口连接分离提纯装置入口，气液分离器的液体出口连接酸性水汽提塔入口，酸性水汽提塔液体出口连接水箱入口；水箱经高压供水泵连接回热器冷侧入口，回热器冷侧出口经辅助加热器连接固定床催化反应器入口；所述分离提纯装置用于分离甲烷和二氧化碳。

6、优选的，还包括蒸汽发生器，水箱连接水泵入口；水泵出口连接蒸汽发生器冷侧入口，回热器冷侧出口分为两个支路，一个支路经辅助加热器连接固定床催化反应器入口，另一个支路连接蒸汽发生器热侧入口，蒸汽发生器热侧出口连接浆料预热器热侧入口，浆料预热器热侧出口经流量调节阀与水冷器入口相连。

7、进一步的，水泵出口分为两个支路，一个支路连接蒸汽发生器冷侧入口，另一个支路连接辅助加热器并输出蒸汽。

8、优选的，所述辅助加热器为燃气锅炉，燃气锅炉的燃料为分离提纯装置分离出的甲烷。

9、优选的，水泵为除氧水泵。

10、一种生物质水热催化制甲烷的方法，基于所述的系统，生物质浆料储存在生物质储料仓中，生物质浆料经高压浆料泵升压后进入浆料预热器冷侧升温，随后进入固定床催化反应器；水箱中的水经高压供水泵升压后进入回热器冷侧，然后经辅助加热器升温并进入固定床催化反应器，生物质浆料与高温高压水在固定床催化反应器中混合并在催化剂的作用下发生反应生成甲烷和co2，固定床催化反应器的产物经回热器回收热量后进入水冷器冷却，冷却后经背压阀进入气液分离器进行气液分离，分离出的气体进入分离提纯装置进行甲烷和二氧化碳的分离，分离出的液体经酸性水汽提塔去除溶解的二氧化碳后进入水箱。

11、一种生物质水热催化制甲烷的方法，基于所述的系统，生物质浆料储存在生物质储料仓中，生物质浆料经高压浆料泵升压后进入浆料预热器冷侧升温，随后进入固定床催化反应器；水箱中的水经高压供水泵升压后进入回热器冷侧，然后分成两个支路，一个支路的水经辅助加热器升温并进入固定床催化反应器，另一个支路的水经蒸汽发生器换热后进入浆料预热器以预热生物质浆料；生物质浆料与高温高压水在固定床催化反应器中混合并在催化剂的作用下发生反应生成甲烷和co2，固定床催化反应器的产物经回热器回收热量后进入水冷器冷却，冷却后经背压阀进入气液分离器进行气液分离，分离出的气体进入分离提纯装置进行甲烷和二氧化碳的分离，分离出的液体经酸性水汽提塔去除溶解的二氧化碳后进入水箱；水箱的水经水泵进入蒸汽发生器冷侧入口，在蒸汽发生器内换热后输出蒸汽。

12、优选的，经过水泵的水分成两个支路，一个支路进入蒸汽发生器冷侧入口，在蒸汽发生器内换热后输出蒸汽；另一支路的水在辅助加热器内加热后输出蒸汽，辅助加热器采用的燃料为分离提纯装置分离出的甲烷。

13、优选的，所述水箱中的水为除盐水。

14、优选的，进入固定床催化反应器的生物质浆料的温度为130～200℃、压力为20～25mpa，进入固定床催化反应器的水的温度为370～450℃、压力为20～25mpa。

15、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

16、本发明的生物质水热催化制甲烷的系统，生物质浆料在浆料预热器中预热进入固定床催化反应器，水箱的水经加压后与固定床催化反应器的生成物进行换热，回收生成物的能量后经进一步加热进入固定床催化反应器，生物质浆料与高温高压水在固定床催化反应器中反应生成甲烷和二氧化碳，生成物经换热和水冷之后进行气液分离，分离出的高压气体在分离提纯装置中分离得到甲烷和二氧化碳，分离出的液体则经酸性水汽提塔处理后回到水箱中，实现循环。本发明通过浆料预热器和回热器可以有效地回收固定床催化反应器的生成物的余热，浆料预热器和回热器可以提前让参与反应的生物质浆料和水升温，有利于反应的进行。本发明系统可以利用高温高压水的特殊理化性质，将生物质中的碳、氢、氧元素高效地转化为甲烷和co2，因此对于高含湿量的生物质原料无需进行高耗能的干燥过程，从而显著降低了制甲烷过程的能耗，气液分离器出来的气体为高压的ch4和co2，进入分离提纯装置的气体压力可根据需求调节，无需在分离提纯时对气体增压，节约了能耗。本发明系统能长时间、连续运行，克服了以往技术手段无法长时间、连续制取甲烷的问题，适用于规模化、工业化的应用场景，可大规模制取ch4和co2，实现co2的自然富集，且设备紧凑、占地面积小、投资小。

17、进一步的，本发明系统还设置蒸汽发生器，回热器冷侧出口设有两个支路，分别与辅助加热器以及蒸汽发生器热侧入口相连，这样设置可以通过支路灵活调整流量，保证回热器和浆料预热器的冷侧流量等同于热侧流量，有利于热量回收利用，同时能副产高温高压蒸汽，副产的高温高压蒸汽可直接利用，也可出售创造经济效益。

18、进一步的，水箱的水一部分经水泵进入辅助加热器受热产生高温高压蒸汽，能在制备甲烷的同时副产高温高压蒸汽，同时，当辅助加热器采用本发明系统生产的甲烷为燃料时，可以实现资源再利用，通过调节加压蒸汽的生成量和甲烷的燃烧量，可以灵活调节系统的最终产物，实现在不同方向的应用。

19、进一步的，水泵采用除氧水泵，对水进行除氧，能避免氧气对高温高压蒸汽的影响。

技术特征：

1.一种生物质水热催化制甲烷的系统，其特征在于，包括生物质储料仓(1)、高压浆料泵(2)、浆料预热器(3)、固定床催化反应器(4)、辅助加热器(5)、回热器(7)、水冷器(8)、背压阀(9)、气液分离器(10)、分离提纯装置(11)、酸性水汽提塔(12)、水箱(13)和高压供水泵(14)；

2.根据权利要求1所述的生物质水热催化制甲烷的系统，其特征在于，还包括蒸汽发生器(6)，水箱(13)连接水泵(15)入口；水泵(15)出口连接蒸汽发生器(6)冷侧入口，回热器(7)冷侧出口分为两个支路，一个支路经辅助加热器(5)连接固定床催化反应器(4)入口，另一个支路连接蒸汽发生器(6)热侧入口，蒸汽发生器(6)热侧出口连接浆料预热器(3)热侧入口，浆料预热器(3)热侧出口经流量调节阀(16)与水冷器(8)入口相连。

3.根据权利要求2所述的生物质水热催化制甲烷的系统，其特征在于，水泵(15)出口分为两个支路，一个支路连接蒸汽发生器(6)冷侧入口，另一个支路连接辅助加热器(5)并输出蒸汽。

4.根据权利要求1所述的生物质水热催化制甲烷的系统，其特征在于，所述辅助加热器(5)为燃气锅炉，燃气锅炉的燃料为分离提纯装置(11)分离出的甲烷。

5.根据权利要求1所述的生物质水热催化制甲烷的系统，其特征在于，水泵(15)为除氧水泵。

6.一种生物质水热催化制甲烷的方法，其特征在于，基于权利要求1所述的系统，生物质浆料储存在生物质储料仓(1)中，生物质浆料经高压浆料泵(2)升压后进入浆料预热器(3)冷侧升温，随后进入固定床催化反应器(3)；水箱(13)中的水经高压供水泵(14)升压后进入回热器(7)冷侧，然后经辅助加热器(5)升温并进入固定床催化反应器(4)，生物质浆料与高温高压水在固定床催化反应器(4)中混合并在催化剂的作用下发生反应生成甲烷和co2，固定床催化反应器(4)的产物经回热器回收热量后进入水冷器(8)冷却，冷却后经背压阀(9)进入气液分离器进行气液分离，分离出的气体进入分离提纯装置进行甲烷和二氧化碳的分离，分离出的液体经酸性水汽提塔(12)去除溶解的二氧化碳后进入水箱(13)。

7.一种生物质水热催化制甲烷的方法，其特征在于，基于权利要求2所述的系统，生物质浆料储存在生物质储料仓(1)中，生物质浆料经高压浆料泵(2)升压后进入浆料预热器(3)冷侧升温，随后进入固定床催化反应器(3)；水箱(13)中的水经高压供水泵(14)升压后进入回热器(7)冷侧，然后分成两个支路，一个支路的水经辅助加热器(5)升温并进入固定床催化反应器(4)，另一个支路的水经蒸汽发生器(6)换热后进入浆料预热器(3)以预热生物质浆料；生物质浆料与高温高压水在固定床催化反应器(4)中混合并在催化剂的作用下发生反应生成甲烷和co2，固定床催化反应器(4)的产物经回热器回收热量后进入水冷器(8)冷却，冷却后经背压阀(9)进入气液分离器进行气液分离，分离出的气体进入分离提纯装置(11)进行甲烷和二氧化碳的分离，分离出的液体经酸性水汽提塔(12)去除溶解的二氧化碳后进入水箱(13)；水箱(13)的水经水泵(15)进入蒸汽发生器(6)冷侧入口，在蒸汽发生器(6)内换热后输出蒸汽。

8.根据权利要求7所述的生物质水热催化制甲烷的方法，其特征在于，经过水泵(15)的水分成两个支路，一个支路进入蒸汽发生器(6)冷侧入口，在蒸汽发生器(6)内换热后输出蒸汽；另一支路的水在辅助加热器(5)内加热后输出蒸汽，辅助加热器(5)采用的燃料为分离提纯装置(11)分离出的甲烷。

9.根据权利要求6～8任一项所述的生物质水热催化制甲烷的方法，其特征在于，所述水箱(13)中的水为除盐水。

10.根据权利要求6～8任一项所述的生物质水热催化制甲烷的方法，其特征在于，进入固定床催化反应器(3)的生物质浆料的温度为130～200℃、压力为20～25mpa，进入固定床催化反应器(3)的水的温度为370～450℃、压力为20～25mpa。

技术总结本发明提供一种生物质水热催化制甲烷的系统和方法，所述系统生物质浆料在浆料预热器中预热进入固定床催化反应器，水箱的水经加压后与固定床催化反应器的生成物进行换热，回收生成物的能量后经进一步加热进入固定床催化反应器，生物质浆料与高温高压水在固定床催化反应器中反应生成甲烷和二氧化碳，生成物经换热和水冷之后进行气液分离，分离出的高压气体在分离提纯装置中分离得到甲烷和二氧化碳，分离出的液体则经酸性水汽提塔处理后回到水箱中，实现循环。本发明通过合理的系统设计，在利用生物质制取甲烷的同时，将热能最大化地回收，制取可以直接利用的高温高压蒸汽，并将甲烷和CO2分离富集，实现生物质水热催化制甲烷技术的规模化应用。技术研发人员：吕友军,邵松禹,樊明境,张予,马露菁,王浩受保护的技术使用者：西安交通大学技术研发日：技术公布日：2024/3/27