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一种基于烟气适度回注沼气重整的新型负碳氢制备系统及方法

  • 国知局
  • 2024-07-29 10:36:30

本发明涉及沼气重整制氢设备领域,具体涉及一种基于烟气适度回注沼气重整的新型负碳氢制备系统及方法。

背景技术:

1、现阶段国内外制氢方式仍以化石燃料制氢为主,但其生产过程不仅消耗大量面临枯竭的化石燃料,而且排放大量二氧化碳,为捕集二氧化碳所需的功耗巨大,不利于节能减排。制氢技术需要向高效、零碳或负碳、低成本方向转变。通过发展以稳定的可再生能源为原料的制氢技术,可以逐布实现氢气的环保、高效制备。沼气由生物质厌氧发酵产生,是一种稳定的可再生能源,其来源广泛、产量大,因此发展沼气制氢技术具有实现负碳分布式产氢的巨大潜力。

2、沼气重整制氢工艺虽然被视为一种清洁的绿氢制备方法,但传统方法利用烟气余热驱动重整反应,烟气中的碳排放不可忽视。通过碳捕集技术从烟气中分离二氧化碳耗功巨大。不仅如此,现有的沼气重整制氢工艺通常只考虑对烟气进行余热回收,而烟气中含有的氧化剂(二氧化碳和蒸汽作为沼气重整的氧化剂)往往被忽视,烟气的潜能无法得到更大程度上的发挥。为达到较高的甲烷转化率依赖较高的重整温度,而在高温条件下,对反应器以及催化剂的损耗就更为严重,进而影响反应器和催化剂的使用寿命。因此探寻一种能够有效降低碳排放及碳捕集功耗且缓能够解高氢气产率对高温依赖的沼气制负碳氢方法成为了当前亟待解决的问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足,本发明的主要目的是提供一种基于烟气适度回注以实现在相同重整温度下提高氢气产率且实现二氧化碳零功耗捕集的系统及方法,降低碳排放。

2、为达到上述目的,本发明是通过以下技术方案实现的:

3、一种基于烟气适度回注沼气重整的新型负碳氢制备系统,包括:沼气池、净化装置、压缩机一、混合器一、换热器一、混合器二、重整器、绝热反应器、换热器二、恒温反应器、换热器三、冷凝器一、换热器四、变压吸附器、压缩机二、换热器五、燃烧室、空分装置、压缩机三、分流器、冷凝器二;

4、所述的沼气池通过粗沼气管道与净化装置相连,通过烟气管道六与换热器五的热侧出口相连,其生物质入口连接有生物质输入管道,其废料出口连接有废料排出管道;

5、所述的净化装置通过纯沼气管道一与压缩机一入口相连;

6、所述的压缩机一出口通过纯沼气管道二与混合器一入口相连;

7、所述的混合器一入口通过蒸汽管三与换热器四冷侧出口相连;

8、所述的换热器一冷侧入口通过混合气管道一与混合器一出口相连,其热侧入口通过合成气管道一与重整器出口相连;

9、所述的混合器二入口通过混合气管道二与换热器一冷侧出口相连,所述的混合器二通过烟气管道二与分流器出口相连;

10、所述的重整器入口通过混合气管道三与混合器二出口相连;

11、所述的绝热反应器入口通过合成气管道二与换热器一热侧出口相连;

12、所述的换热器二冷侧入口通过蒸汽管道一与换热器三冷侧出口相连,其热侧入口通过合成气管道三与绝热反应器出口相连;

13、所述的恒温反应器入口通过合成气管道四与换热器二热侧出口相连;

14、所述的换热器三冷侧入口连接有给水管道一,其热侧入口通过合成气管道五与恒温反应器出口相连;

15、所述的冷凝器一通过合成气管道六与换热器三热侧出口相连,其冷凝介质入口连接有冷凝介质输入管道一,其冷凝介质出口连接有冷凝介质输出管道一,其排水口连接有排水管道一;

16、所述的换热器四冷侧入口通过蒸汽管道二与换热器二冷侧出口相连,其热侧入口通过烟气管道四与重整器相连;

17、所述的变压吸附器通过合成气管道七与冷凝器一相连,通过阀气管道一与压缩机二入口相连,其氢气出口连接有氢气输出管道;

18、所述的压缩机二出口通过阀气管道二与燃烧室相连;

19、所述的换热器五冷侧入口连接有给水管道二,其热侧入口通过烟气管道五与换热器四热侧出口相连;

20、所述的燃烧室通过蒸汽管道四与换热器五冷侧出口相连,通过纯氧管道二与压缩机三出口相连;

21、所述的空分装置通过纯氧管道一与压缩机三入口相连,其空气入口连接有空气输入管道相连,其阀气出口连接有阀气管道三相连;

22、所述的分流器入口通过烟气管道一与燃烧室相连,所述的分流器通过烟气管道二与混合器二入口相连,以及通过烟气管道三与重整器相连;

23、所述的冷凝器二通过烟气管道七与沼气池相连,其二氧化碳出口连接有二氧化碳管道相连,其冷凝介质入口连接有冷凝介质输入管道二,其冷凝介质出口连接有凝介质输出管道二,其排水口连接有排水管道二。

24、本发明还提供一种基于烟气适度回注沼气重整的新型负碳氢制备方法,其特征在于,包括以下步骤:

25、s1、由沼气池发酵产生的沼气通过净化装置进行净化,净化后的沼气在压缩机一中加压。

26、s2、去离子水依次在换热器三和换热器二中与中高温合成气进行换热,而后在换热器四中与高温烟气进行换热产生饱和蒸汽。

27、s3、蒸汽与加压后的沼气通过混合器一混合成一股,并在换热器一中与重整反应产生的高温合成气进行换热,而后进入重整器发生重整反应。

28、s4、重整反应生成的高温合成气进入绝热反应器和恒温反应器发生水汽变换反应生成富氢合成气。

29、s5、富氢合成气通过冷凝器一冷凝至常温,而后进入变压吸附器分离出氢气。

30、s6、变压吸附器中未分离的阀气在压缩机二中加压。

31、s7、空气通过空分装置分离出纯氧,纯氧在压缩机三中加压。

32、s8、加压后的纯氧和阀气在燃烧室中燃烧。

33、s9、去离子水在换热器五中与高温烟气换热后产生蒸汽,蒸汽通入燃烧室以控制燃烧温度。

34、s10、燃烧产生的高温烟气通过分流器进行分流,其中一部分烟气通过混合器二与混合气进行混合后通入重整器促进重整反应,另一部分烟气利用其热能为重整器供热,后充当换热器四、换热器五和沼气池的热源。

35、s11、从沼气池排出的低温烟气通过冷凝器二冷凝,使蒸汽液化分离,实现零功耗捕集二氧化碳。

36、本发明具有以下有益效果:

37、1、在相同重整温度下具有更高的氢气产率。本发明通过向重整器适度回注高温烟气,烟气中含有大量二氧化碳和蒸汽,为沼气重整反应提供大量氧化剂,促进沼气重整过程,进而提高甲烷转化率,实现在相同重整温度下达到更高的氢气产率。

38、2、实现零功耗捕集二氧化碳。本发明通过新增空分装置用于纯氧燃烧,纯氧燃烧的产物仅为二氧化碳和蒸汽,冷凝烟气使蒸汽液化分离,有效地将二氧化碳从烟气中分离出,实现二氧化碳的零功耗捕集。在温度为650℃烟气分流比为0.5时,能够实现749.14kg/h的零功耗二氧化碳捕集。

技术特征:

1.一种基于烟气适度回注沼气重整的新型负碳氢制备系统,其特征在于,包括:沼气池、净化装置、压缩机一、混合器一、换热器一、混合器二、重整器、绝热反应器、换热器二、恒温反应器、换热器三、冷凝器一、换热器四、变压吸附器、压缩机二、换热器五、燃烧室、空分装置、压缩机三、分流器、冷凝器二;

2.一种基于烟气适度回注沼气重整的新型负碳氢制备方法,其特征在于包括以下步骤:

技术总结本发明公开一种基于烟气适度回注沼气重整的新型负碳氢制备系统及其方法,其中,系统包括:沼气池、净化装置、压缩机一、混合器一、换热器一、混合器二、重整器、绝热反应器、换热器二、恒温反应器、换热器三、冷凝器一、换热器四、变压吸附器、压缩机二、换热器五、燃烧室、空分装置、压缩机三、分流器、冷凝器二。本发明通过向重整器适度回注高温烟气,烟气中含有大量二氧化碳和蒸汽,为沼气重整反应提供大量氧化剂,促进沼气重整过程,进而提高甲烷转化率,实现在相同重整温度下达到更高的氢气产率,通过新增空分装置用于纯氧燃烧,纯氧燃烧的产物仅为二氧化碳和蒸汽,冷凝烟气使蒸汽液化分离,有效地将二氧化碳从烟气中分离出,实现二氧化碳的零功耗捕集。技术研发人员:苏博生,黄祺腾,王异林受保护的技术使用者:集美大学技术研发日:技术公布日:2024/7/9

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