一种零碳排放的海洋液化天然气生产系统装置及其方法

本发明涉及海洋天然气生产工艺及应用领域。更具体地，涉及一种零碳排放的海洋液化天然气生产系统装置及其方法。

背景技术：

1、富碳天然气的开发的挑战不仅来自于技术，还有环保的压力，如此大量的co2如果直接排放到大气中，将可能会加剧全球温室效应和气候变化。

2、零碳排放的海洋液化天然气生产工艺指的是将海上平台开采的天然气中co2进行分离后，发生甲烷化反应生产液化天然气，既可以实现富碳天然气中co2的资源化利用，减少co2排放，又可以利用已经较为完善的海洋液化天然气基础设施，与原有海上液化天然气的储运、输配和消费网络融合。因此，该工艺对解决海洋天然气co2资源化利用意义重大。

3、传统的天然气脱碳工艺往往采用双塔溶剂吸收解吸的方式，从天然气中分离得到co2，该方法若应用于海洋平台天然气脱碳，一方面需要引入乙醇胺等溶剂至海洋平台，会带来溶剂输送、处理等一系列问题，另一方面，双塔操作规模大，操作更为复杂，不能满足海洋平台上空间容纳小的现实需要。例如：中国专利申请cn 105444527a公开了一种天然气处理装置及方法，该装置包括脱碳系统和液化系统，所述脱碳系统与所述液化系统连接，还包括制冷系统，所述脱碳系统与所述液化系统分别与所述制冷系统连接，所述脱碳系统包括：第一换热器和填料精馏塔；所述第一换热器的原料气出口与所述填料精馏塔的原料气入口连接。通过采用矩鞍环填料精馏塔脱碳代替传统的吸收、吸附等双塔脱碳流程，并通过制冷系统为脱碳过程提供冷量，减小了天然气脱碳装置的规模，简化了脱碳流程，并降低了处理装置的功耗。考虑到海洋平台空间限制，有必须要选用更紧凑型的精馏分离设备。

4、此外，co2甲烷化过程采用固定床反应器温升高，反应温度不易控制，容易积碳，导致催化剂活性降低，这将不利于co2的高效转化。因此，开发一种高效的零碳排放的海洋液化天然气生产工艺，具有重要的现实意义和工业应用价值。

技术实现思路

1、本发明要解决的第一个技术问题是提供一种零碳排放的海洋液化天然气生产系统装置。

2、本发明要解决的第二个技术问题是提供一种利用上述系统装置零碳排放生产海洋液化天然气的方法。

3、为解决上述第一个技术问题，发明采用的技术方案如下：

4、一种零碳排放的海洋液化天然气生产系统装置，包括海洋天然气分离装置、电解水制氢装置和co2甲烷化装置；

5、所述海洋天然气分离装置包括海洋天然气储罐、第一原料输送泵、第一冷凝器、第一低温精馏设备、第二原料输送泵、第二冷凝器、第二低温精馏设备、天然气冷凝干燥设备和天然气加压液化设备；

6、所述海洋天然气储罐、第一原料输送泵、第一冷凝器、第一低温精馏设备依次通过管道连通；

7、所述第一低温精馏设备顶部通过管道与第二原料输送泵进口连通；

8、所述第二原料输送泵出口通过管道与第二冷凝器入口连通，所述第二冷凝器的出口通过管道与第二低温精馏设备入口连通；所述第二低温精馏设备的出口通过天然气冷凝干燥设备和天然气加压液化设备后通过天然气输送管网输送至外界用户；

9、所述第一低温精馏设备底部出口通过管道和气体混合器连通；

10、所述电解水制氢装置包括水储罐、水输送泵、清洁能源发电设备、电解水制氢设备和氢气输送设备；

11、所述水储罐通过管道和水输送泵与电解水制氢设备相连通；

12、所述清洁能源发电设备与电解水制氢设备电连接，为其提供电能；

13、所述电解水制氢设备通过氢气输送设备和气体混合器连通；

14、所述co2甲烷化装置包括气体混合器、换热器、多级移热式超重力反应器和第三冷凝器；

15、所述气体混合器、换热器、多级移热式超重力反应器和第三冷凝器依次连通；所述第三冷凝器的出口分为两个分支；第一分支气相通向天然气冷凝干燥设备和天然气加压液化设备后通过天然气输送管网输送至外界用户；第二分支液相通过管道通向连接水储罐和水输送泵的管道上。

16、优选地，所述多级移热式超重力反应器包括电机、壳体、转子、换热部件、换热介质进口、反应物料进口、动密封、换热介质出口、生成物料出口。

17、优选地，所述第一低温精馏设备和第二低温精馏设备选用能强化气液传质的旋转式精馏分离设备；所述第一低温精馏设备用于分离原料海洋天然气中的二氧化碳；所述第二低温精馏设备用于分离原料海洋天然气中的氮气。

18、优选地，所述第一低温精馏设备的操作温度为-100～50℃、操作压力为0.1～10mpa；所述第二低温精馏设备的操作温度为-180～-50℃、操作压力为0.1～10mpa。

19、优选地，所述多级移热式超重力反应器转子内装载的是用于催化co2甲烷化的催化剂，催化剂的装填类型是规整装填类型或散装类型。

20、优选地，多级移热式超重力反应器转子内反应温度为150～500℃、反应压力为0.1～10mpa，更优选地，转子内反应温度为250～400℃、反应压力为0.1～2mpa。

21、优选地，多级移热式超重力反应器内转子转速为100～3000r/min，更优选地，转速范围为500～1500r/min。

22、优选地，所述清洁能源发电设备为太阳能光伏发电设备、风能发电设备、海洋天然气平台上其他剩余能源发电设备中的一种或多种。

23、优选地，所述电解水制氢装置原料水的来源为海水、淡化海水、第三冷凝器分离出的水中的一种或几种组合。

24、优选地，所述电解水制氢设备为碱性电解槽、质子交换膜电解槽、高温固体氧化物水电解槽或固体聚合物阴离子交换膜电解槽中的一种。

25、为解决上述第二个技术问题，本发明采用如下的技术方案：

26、一种利用上述系统装置零碳排放生产海洋液化天然气的方法，包括以下步骤：

27、s1、经预处理后主要含ch4、co2、n2的天然气原料由管道输送至海洋天然气储罐，再通过第一原料输送泵和第一冷凝器部分冷凝后输送至第一低温精馏设备中，第一低温精馏设备塔顶分离出ch4和n2、塔底分离得到高纯度的co2；

28、s2、由第一低温精馏设备塔顶采出的ch4和n2，经过第二原料输送泵和第二冷凝器进行冷凝后，输送至第二低温精馏设备中，第二低温精馏设备塔顶采出n2排空，塔底分离出高纯度ch4，进一步经天然气冷凝干燥设备进行冷凝干燥、天然气加压液化设备进行加压液化后输送至外界天然气输运管网中；

29、s3、由清洁能源发电设备提供电能的电解水制氢设备制取出高纯度氢气；

30、s4、由所述第一低温精馏设备塔底分离得到高纯度co2和电解水制氢设备制取的h2，在气体混合器内按比例进行混合，然后经过换热器预热后，进入到多级移热式超重力反应器中；在多级移热式超重力反应器中交替依次经过转子反应区域和定子换热区域，分别进行发生co2甲烷化反应和热量交换，最后产物经过第三冷凝器进行冷凝得到符合要求的天然气，进一步经天然气冷凝干燥设备进行冷凝干燥、天然气加压液化设备进行加压液化后输送至外界天然气输运管网中。

31、本发明所记载的任何范围包括端值以及端值之间的任何数值以及端值或者端值之间的任意数值所构成的任意子范围。

32、如无特殊说明，本发明中的各原料均可通过市售购买获得，本发明中所用的设备可采用所属领域中的常规设备或参照所属领域的现有技术进行。

33、与现有技术相比较，本发明具有如下有益效果：

34、1.本发明提供了一种零碳排放的海洋液化天然气生产系统装置及其生产方法，该方法一方面采用可再生能源电解水获得的绿氢与海洋天然气分离得到的co2进行甲烷化反应，实现了海洋天然气中co2进行资源化利用，符合节能减排的发展趋势，另一方面可以借助原有的液化天然气输运管路，减少了运输等设备投资。

35、2.相比于传统的海洋平台上天然气脱碳工艺，本发明提供了一种低温精馏的天然气脱碳手段，避免了溶剂的输送和处理，减少了设备数量和规模，更好的满足海洋平台上空间容纳小的现实需要，此外，更惊奇的发现，选用更紧凑的旋转式精馏分离设备，将进一步减小设备体积，有利于减少co2进行资源化利用过程的设备空间。

36、3.由于co2甲烷化使用了多级移热式超重力反应器，可以实现快速移热并有效调控反应物和生成物与催化剂接触时间，不会造成热量过度堆积，易于操作，本发明工艺意外地发现引入多级移热式超重力反应器应用于co2甲烷化反应，可减少了催化剂表面的积碳，提高催化剂的活性，同时减少设备及运行成本等投资。