集装箱式模块化CO2加氢制甲醇系统的制作方法

本发明涉及co2资源化利用的，特别是co2加氢制甲醇的。

背景技术：

1、现有的工业化大型co2加氢制甲醇系统核心由co2捕集纯化单元、氢气制备单元、加氢反应单元、甲醇分离提纯单元及配套的公用工程（供电、换热、安全防护）组成；其中，加氢反应单元普遍采用传统列管式固定床反应管作为二氧化碳催化加氢制甲醇的核心反应载体；此种反应管多为单一管式结构，管内装填有催化剂，而原料气（二氧化碳与氢气按一定比例混合）在工作期间于一定压力与温度条件下流经催化剂并发生催化加氢反应；由于该反应属于强放热（反应条件通常为200-280℃）可逆反应，因此传统设备普遍依靠反应管外部配套的冷却水、导热油或熔盐等换热介质进行强制移热与温度调控以缓解反应放热集中带来的温度波动，同时需要配置独立的外部预热器、换热管网及温控辅助设备以提前对原料混合气进行升温（满足催化剂起活反应温度要求），如公告号为cn114315514b的一种二氧化碳加氢制甲醇的方法、公开号为cn119345712a的二氧化碳加氢制甲醇的装置及方法以及公开号为cn121911303a的一种二氧化碳加氢制甲醇的系统及方法；然而，此种设计存在热量浪费严重以及换热、预热辅助设施多等问题。

2、此类工业化大型装置由于体积庞大、结构复杂，因此通常采用固定化厂房式布局；但是，采用固定厂房与专用基础设施的做法又带来了建设周期长、投资成本高的问题，无法适配化工厂区尾气、小型电厂等分布式co2排放源的就地处理需求。

3、此外，受co2热力学稳定性与动力学惰性影响，现有的加氢反应不仅甲醇转化率偏低，还存在活性与选择性“跷跷板”效应——低温下co2难以活化、催化剂活性低，高温下虽能提升转化率，但易引发逆水气变换副反应，降低甲醇选择性，导致甲醇收率不高；在现有技术中，co2加氢制甲醇的核心催化剂主要为铜基催化剂，部分方案通过添加zro2和ceo2等助剂改性或采用“空间解耦”策略优化活性位点以提升甲醇选择性与转化率，但此类优化多集中于催化剂本身，完全未考虑从装置布局方面改善。

技术实现思路

1、本发明提出了一种集装箱式模块化co2加氢制甲醇系统，基于集装箱模块化设计、反应器自换热电加热一体化设计以及循环工艺设计，能够助力co2加氢制甲醇技术的普及与分布式应用。

2、为实现上述目的，本发明提出了集装箱式模块化co2加氢制甲醇系统，由单个co2加氢制甲醇集装箱单独构成或由至少两个co2加氢制甲醇集装箱并联组成，所述co2加氢制甲醇集装箱具有模块化布置在箱内的co2处理单元、h2处理单元、反应器单元、换热与分离单元、循环压缩与预热单元以及控制与电气单元，所述反应器单元通过co2处理单元和h2处理单元分别获得co2和h2并作为原料气，所述反应器单元通过换热与分离单元将液态甲醇从产物气之中冷凝出来，由所述换热与分离单元排出的未反应气经循环压缩与预热单元预热后循环输送回反应器单元或进行驰放气处理，所述控制与电气单元分别与co2处理单元、h2处理单元、反应器单元、换热与分离单元以及循环压缩与预热单元电连接。

3、作为优选，所述co2处理单元的co2来源于工业尾气或自带的co2捕集部件，所述h2处理单元的h2来源于外部或自带的电解水制氢部件，所述co2处理单元和h2处理单元分别将经过co2净化部件和h2净化部件净化的co2与h2作为原料气输入反应器单元。

4、作为优选，所述换热与分离单元先后通过一级冷凝器和二级分离器实现甲醇液化与水分离收集。

5、作为优选，所述循环压缩与预热单元利用循环压缩机实现气体输送，所述循环压缩与预热单元将反应器单元的反应放热作为热源进行预热操作。

6、作为优选，所述反应器单元由单根反应管单独构成或由至少两根反应管并联组成，所述反应管通过外壳与内管形成内外管壳式换热结构，所述内管利用导热导电型催化载体层承载催化剂层，所述内管还设有从导热导电型催化载体层引出的电极引出端子。

7、更进一步的，所述导热导电型催化载体层选自fecral基材、316l/310s金属基材、镍基材、碳化硅基材中的一种或任意组合且基材成型形态为丝、泡沫、蜂窝中的一种或任意组合。

8、再进一步的，当所述导热导电型催化载体层的基材成型形态为丝，则所述导热导电型催化载体层以网状、螺旋状、随机填充丝束状中的一种或任意组合进行排布。

9、更进一步的，所述催化剂层的活性组分为cu、zn、zr、al、cr、ni、co、fe、ru、rh、pd、pt、ir、os、ag、au、mn、mo、w、ti、ce、la、ga、in、y、v、nb、ta、hf中的一种或任意组合且形态为单质、合金、氧化物、复合氧化物、尖晶石、碳化物、氮化物、磷化物、硫化物、钙钛矿、负载型中的一种或任意组合。

10、再进一步的，所述催化剂层为由cu/zno/al2o3加氢催化剂、cu/zno/zro2加氢催化剂、in2o3基加氢催化剂、znzrox加氢催化剂、钯基加氢催化剂、镍基加氢催化剂、ga2o3基加氢催化剂、ceo2基加氢催化剂中的一种或任意组合填充形成的颗粒床。

11、更进一步的，所述催化剂层还配套助剂，所述助剂为稳定剂、粘结剂、涂层材料、载体氧化物中的一种或任意组合。

12、再进一步的，所述助剂选自氧化铝、氧化硅、氧化锆、氧化钛、氧化铈、氧化镁、氧化镧、氧化钇、分子筛、沸石中的一种或任意组合。

13、更进一步的，所述外壳通过上隔板与下隔板将壳腔分隔形成从上至下依次分布的上腔室、中腔室与下腔室，若干根所述内管均匀排列在中腔室内且上下两端分别伸入上腔室和下腔室，所述外壳还设有接入中腔室的壳程入口、接入上腔室的反应产物出口以及接入下腔室的冷凝液/废水排出口。

14、本发明的有益效果：

15、1）可移动部署、适配分布式场景：系统整体封装于标准集装箱内，内部结构模块化、标准化，运维流程简单（降低了运维难度和人力成本），具备可整体运输、快速部署与调试、无需复杂现场施工的优势，打破了传统固定厂房式装置的应用限制，能够大幅度缩短项目落地周期，可广泛应用于分布式co2利用、应急甲醇供应、偏远地区能源补给等场景，完美适配化工厂区尾气、小型电厂等分布式co2排放源的就地处理需求，大幅拓展co2加氢制甲醇技术的应用范围与适配性；

16、2）产能灵活、规模可调：单集装箱为独立生产单元，可通过调整反应管数量实现单箱内产能扩展；多集装箱并联即可实现大规模产能提升，且无需改变系统核心架构，产能线性叠加；可根据实际生产需求灵活调整，满足不同用户、不同场景的产能需求，提升系统市场适用性与竞争力；

17、3）系统运行稳定性与经济性高：在多管并联扩能应用时，故障单管可单独切断、检修或更换，不影响其他管路正常运行，无整体停机风险，减少系统故障停机时间，降低维护成本，从而令系统的可用性与运维灵活性显著提升，便于工业化放大、模块化组装与长期稳定运行；

18、4）开工快速、能耗低：本发明的导热导电型催化载体层可直接通电对催化区域进行原位预热，无需依赖外部锅炉、蒸汽管网、独立预热器等大型辅助系统，可令热量直接作用于催化剂床层，热利用率高、升温速度快，能够显著缩短反应器冷态启动时间，降低开工阶段的能源消耗，尤其适用于需要频繁启停、低负荷波动的工况；

19、5）自热运行、流程极简：本发明采用了管内反应-管间自换热耦合结构，可令壳程直接通入co2与h2原料气，从而利用管内强放热反应产生的热量逆流加热壳程低温进料，实现反应余热原位回收与原料自预热，且系统达到稳定运行后可完全依靠反应热维持自热平衡，彻底取消冷却水、导热油、熔盐等外置换热介质，简化换热流程、减少设备投资与占地面积，提升系统能效与经济性；

20、6）载体三合一、结构高度集成：导热导电型催化载体层在本发明中同时实现了催化剂载体、电加热元件与结构化填料三重功能；该一体化设计显著提升了结构紧凑度与功能协同性，特别适配200～280℃低温co2加氢制甲醇反应体系；

21、7）温度均匀、无热点、选择性高：本发明的内管采用了轴向分层结构——入口段为导热导电型催化载体层，可均布气流、弱化局部温升，而主反应段为催化剂层，可保证反应活性与转化率；此种两段式配合设计能够有效抑制床层热点、降低压力损失、优化温度场分布，从而提升催化剂使用寿命、提高甲醇选择性与反应稳定性。

22、本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。