一种利用电能联合逆变换反应实现零碳排放的合成气制备方法
阅读说明：本技术 一种利用电能联合逆变换反应实现零碳排放的合成气制备方法 (Preparation method of synthesis gas for realizing zero carbon emission by using electric energy combined inverse transformation reaction ) 是由 张镇 李陆星 赵卓雅 贺鑫平 陈斌 骆彩萍 于清 周敬林 刘艳军 张佳 于 2021-10-08 设计创作，主要内容包括：本发明涉及节能减排领域,具体公开了一种利用电能联合逆变换反应实现零碳排放的合成气制备方法。所述合成气制备装置包括发电系统、电解水制氢装置、储氢装置、煤气化装置、空气分离装置、热回收装置、逆变换装置及净化装置。本发明通过将电能、逆变换反应与传统煤化工生产过程进行耦合,一方面实现了氢气的绿色生产,另一方面对生产过程中产生的二氧化碳进行利用,减少了生产过程中的碳排放,实现煤化工的零碳排放生产。(The invention relates to the field of energy conservation and emission reduction, and particularly discloses a method for preparing synthesis gas with zero carbon emission by using electric energy combined with inverse transformation reaction. The synthesis gas preparation device comprises a power generation system, an electrolytic water hydrogen production device, a hydrogen storage device, a coal gasification device, an air separation device, a heat recovery device, an inverter device and a purification device. The invention couples the electric energy and inverse transformation reaction with the traditional coal chemical production process, on one hand, realizes the green production of hydrogen, on the other hand, utilizes the carbon dioxide generated in the production process, reduces the carbon emission in the production process, and realizes the zero-carbon-emission production of the coal chemical industry.)
技术领域
本发明涉及节能减排领域，属于一种零碳排放、绿色环保的制备合成气的方法，具体涉及一种利用电能联合逆变换反应实现零碳排放的合成气制备方法。
背景技术
煤炭是我国重要的化石能源，也是许多重要化工产品的生产原料， 2020年我国能源结构中煤炭消耗占比约49％。煤气化是目前高效、清洁利用煤炭资源的技术，通过煤气化制得的合成气可进一步合成甲醇、氨、二甲醚、烯烃、油品等化工产品，是我国化工行业的重要组成。但是煤气化仍存在诸多问题，例如碳排放量较大，煤中的碳利用率较低等。随着我国对生态环境保护力度的加大，煤气化行业的发展面临着巨大的挑战。
针对目前日益严峻的环境压力，我国对碳排放做出了相关承诺。2020 年我国国内的二氧化碳总排放量为120亿吨，我国到2060年的碳排放总量需控制在 30亿吨。对于煤化工行业而言，目前如何减少碳排放成为了制约行业发展的瓶颈。
在煤制气的生产过程中，为了获得氢碳比满足下游生产的合成气，会产生大量的二氧化碳，这些反应产生的二氧化碳经分离后被排放至大气中，产生大量的碳排放，不仅造成环境污染，同时降低了碳的利用率，是对煤炭资源的极大浪费。
发明内容
针对目前煤化工行业存在的问题，本发明提供一种利用电能联合逆变换反应实现零碳排放的合成气制备方法。通过本发明的流程，解决了传统煤制气工艺中二氧化碳排放量大的问题，同时提高原料中碳元素的利用率，实现工艺过程零碳或近零碳绿色生产。
本发明的技术方案是，一种利用电能联合逆变换反应实现零碳排放的合成气制备方法，包括如下步骤：
(1)发电系统产生的电能送至电解水制氢装置，得到氢气和氧气，产生的氢气分为三股，一股送至储氢装置储存，一股送至逆变换装置，剩余一股送至净化装置出口；
(2)电解水制氢装置得到的氧气与空气分离装置产生的氧气一起送至煤气化装置，与煤发生气化反应，得到合成气；
(3)煤气化装置产生的高温的合成气进入热回收装置进行降温，同时回收合成气的热量，该热量送至逆变换装置作为逆变换反应的热源；
(4)出热回收装置的合成气进入净化装置除去其中的酸性气，分离出的二氧化碳气体与电解水制氢装置的氢气送至逆变换装置；
(5)自电解水制氢装置来的氢气和自净化装置来的二氧化碳在逆变换装置中发生逆变换反应，得到水和一氧化碳；
(6)出逆变换装置的逆变换气与电解水制氢装置来的氢气以及净化装置来的净化气混合，获得一定氢碳比的合成气，合成气作为原料送至下游合成装置。
进一步地，所述的发电系统为水力发电系统、风力发电系统、太阳能发电系统、核能发电系统、生物质发电系统、地热发电系统、潮汐发电系统或海浪发电系统中的一种或多种；
进一步地，所述的电解水制氢装置由一个或多个电解水单元组成，每个电解水单元包括电解水槽、气体处理系统。
进一步地，所述的逆变换装置包括预处理系统、逆变换反应系统、气液分离系统；进逆变换装置的氢气和二氧化碳气体混合后首先进入预处理系统，除去杂质的同时调整反应入口温度为150～600℃，然后送至逆变换反应系统，在催化剂作用下发生逆变换反应，反应后的逆变换气送至气液分离系统，经过逐级冷却，会把反应生成的水冷凝出来，然后分离，剩余的饱和水与反应生成的一氧化碳、未反应的氢气和二氧化碳一起组成逆变换气，然后送出逆变换装置。
进一步地，逆变换反应系统可由一个或多个反应器串联或并联组成。
进一步地，所述的逆变换装置所需热量由热回收装置提供，实现装置间的热量耦合。
进一步地，所述的逆变换装置采用的原料为富氢气，氢气含量≥ 90v％；和富二氧化碳气，二氧化碳气含量≥90v％。
进一步地，所述的净化装置为酸性气脱除系统，采用化学吸收法、物理吸收法及物理-化学双吸收法。
由于氢气的来源可以通过电解水获得，因此传统煤制气工艺中的变换反应可以取消。同时为了最大限度的利用碳源，本发明采用逆变换反应，将电解水产生的氢气和二氧化碳反应生成一氧化碳和水，得到的一氧化碳与电解水产生的氢气及净化气混合，获得氢碳比满足下游要求的合成气。逆变换装置所需要的反应热由热回收装置提供，实现了热量耦合，降低了生产能耗。同时，由于本发明采用富氢及富二氧化碳作为逆变换反应原料，更有利于逆变换反应的进行。
通过本发明的流程，解决了传统煤制气工艺中二氧化碳排放量大的问题，同时提高原料中碳元素的利用率，实现工艺过程零碳或近零碳绿色生产。
本发明通过将电能、逆变换反应与传统煤化工生产过程进行耦合，一方面实现了氢气的绿色生产，另一方面对生产过程中产生的二氧化碳进行利用，减少了生产过程中的碳排放，实现煤化工的零碳排放生产。
附图说明
图1为本发明的流程示意图。
具体实施方式
如图1所述，本发明实施例提供一种利用电能联合逆变换反应实现零碳排放的合成气制备方法，包括如下步骤：
(1)发电系统产生的电能送至电解水制氢装置，得到氢气和氧气，产生的氢气分为三股，一股送至储氢装置储存，一股送至逆变换装置，剩余一股送至净化装置出口；
(2)电解水制氢装置得到的氧气与空气分离装置产生的氧气一起送至煤气化装置，与煤发生气化反应，得到合成气；
(3)煤气化装置产生的高温的合成气进入热回收装置进行降温，同时回收合成气的热量，该热量送至逆变换装置作为逆变换反应的热源； (4)出热回收装置的合成气进入净化装置除去其中的酸性气(包括硫化氢、二氧化碳等)，分离出的二氧化碳气体与电解水制氢装置的氢气送至逆变换装置；
(5)自电解水制氢装置来的氢气和自净化装置来的二氧化碳在逆变换装置中发生逆变换反应，得到水和一氧化碳，反应方程式为：
H2+CO2→CO+H2O
(5)出逆变换装置的逆变换气(为逆变换反应生成的CO、H2O和未反应的CO2和H2的混合气体)与电解水制氢装置来的氢气以及净化装置来的净化气(由煤气化-热回收-净化而来)混合，获得一定氢碳比的合成气，合成气作为原料送至下游合成装置。
所述的发电系统为水力发电系统、风力发电系统、太阳能发电系统、核能发电系统、生物质发电系统、地热发电系统、潮汐发电系统或海浪发电系统中的一种或多种；
所述的电解水制氢装置由一个或多个电解水单元组成，每个电解水单元包括电解水槽、气体处理系统。
所述的逆变换装置包括预处理系统、逆变换反应系统、气液分离系统；进逆变换装置的氢气和二氧化碳气体混合后首先进入预处理系统，除去杂质(例如可使催化剂中毒的杂质气体)同时调整至合适的反应入口温度150～600℃，然后送至逆变换反应系统，在催化剂作用下发生逆变换反应，反应后的逆变换气送至气液分离系统，经过逐级冷却，会把反应生成的水冷凝出来，然后分离，剩余的饱和水与反应生成的一氧化碳、未反应的氢气和二氧化碳一起组成逆变换气，然后送出逆变换装置。
逆变换反应系统可由一个或多个反应器串联或并联组成。
所述的逆变换装置所需热量由热回收装置提供，实现装置间的热量耦合。
所述的逆变换装置采用的原料为富氢气，氢气含量≥90v％；和富二氧化碳气，二氧化碳气含量≥90v％。
所述的净化装置为酸性气脱除系统，采用化学吸收法、物理吸收法及物理-化学双吸收法。
以上所述，仅仅是本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。