具有使用蒸汽限制二氧化碳排放的装置的用于生产合成气的设施和方法与流程

具有使用蒸汽限制二氧化碳排放的装置的用于生产合成气的设施和方法
1.本发明涉及一种用于通过将生物气直接重整(即在没有预先分离甲烷和co2的情况下进行生物气重整)而生产合成气的设施，以及使用该设施的方法，具有减少的co2排放。
2.生物气是在无氧条件下有机物降解(厌氧发酵)，也称为甲烷化，过程中产生的气体。这可以是自然降解——因此可以在沼泽地或生活垃圾填埋场观察到——但生物气的产生也可来自于称为甲烷化器或消化器的专用反应器中废物的甲烷化。
3.由于其主要成分——甲烷和二氧化碳——生物气是一种强大的温室气体；同时，它也构成可再生能源的来源，在化石燃料日益稀缺的情况下，这种能源是可观的。
4.生物气主要包含甲烷(ch4)和二氧化碳(co2)，其比例可以根据其获得方式而变化，但也包含较小比例的水、氮气、硫化氢、氧气和痕量的其他有机化合物。
5.根据已降解的有机物和所使用的技术，各组分的比例不同，但是基于干气，生物气平均包含30％-75％的甲烷、15％-60％的co2，0-15％的氮气，0-5％的氧气和痕量化合物。
6.生物气以各种方式用于有利可图的用途。特别注意由生物气生产合成气(h2和co的混合物)，并因此生产氢气。
7.生物气直接重整的风险在于在重整管入口处甲烷裂解形成碳。这是由于进入重整管的混合物中存在高浓度的co2和低含量的水蒸气。
8.以此为起点，出现的一个问题是提供具有限制co2排放的装置的用于生产合成气的设施和方法。
9.本发明的一个解决方案是一种生产合成气的设施，包括：
10.a.用于生产生物气的消化器，
11.b.用于将生物气与蒸汽混合的混合器m，
12.c.用于由生物气-蒸汽混合物生产合成气的生物气重整单元，和
13.d.用于控制注入混合器m中的蒸汽量的装置以限制重整单元中碳的形成。
14.应当注意，用于生产合成气的设施可以包括在氢气生产设施中。
15.氢气生产设施包括：
[0016]-根据本发明的合成气生产设施，
[0017]-用于将来自合成气的一氧化碳转化为氢气的水煤气轮换(wgs)反应器，和
[0018]-在水煤气轮换反应器出口收集氢气的装置。
[0019]
根据情况，根据本发明的设施可以具有以下特征中的一个或多个：
[0020]-控制装置包括用于评估进入重整单元的生物气-蒸汽混合物中的碳亲和性的装置，
[0021]-用于评估碳亲和性的装置包括：用于测量重整单元入口处生物气-蒸汽混合物温度的装置、用于测量重整单元入口处生物气-蒸汽混合物压力的装置、用于测量重整单元入口处生物气-蒸汽混合物中水摩尔分数的装置、用于测量重整单元入口处生物气-蒸汽混合物中二氧化碳摩尔分数的装置，和用于测量重整单元入口处生物气-蒸汽混合物中甲烷摩尔分数的装置，
[0022]-控制装置包括根据评估的碳亲和性产生控制信号的装置，
[0023]-设施包括用于将控制信号传输到混合器m的装置，
[0024]-设施包括在混合器m上游的压缩机和用于去除生物气中存在的杂质的生物气预处理单元，
[0025]-设施包括回收来自重整单元的燃烧烟气的热量的系统，所述热量用于产生蒸汽，
[0026]-设施包括在重整单元下游的用于冷却合成气和产生蒸汽的热回收锅炉，
[0027]-至少部分产生的蒸汽被引入混合器m，
[0028]-重整单元包括镍或镍-铑催化剂。
[0029]
本发明的一个主题还是一种使用根据本发明的设施生产合成气的方法，该方法包括：
[0030]
i.消化器中的厌氧发酵步骤以产生生物气，
[0031]
ii.在混合器m中将生物气与蒸汽混合的步骤，
[0032]
iii.将来自生物气-蒸汽混合物的生物气重整的步骤，包括可燃气体燃烧的子步骤，以产生合成气，和
[0033]
iv.控制注入混合器m的蒸汽量的步骤以限制重整单元中碳的形成。
[0034]
本文所述的根据本发明的方法，一方面在消化器中通过厌氧发酵由生物质产生生物气，另一方面，在管式炉中由该生物气料流和氧化剂料流(co2、蒸汽、或两者)通过以下反应产生氢气：
[0035]
(1)ch4 h2o＝co 3h2[0036]
(2)ch4 co2＝2co 2h2[0037]
这些反应是高度吸热的：所需的热量因此通过放置在燃烧室中的燃烧器中的燃料的燃烧来提供。几个重整管放置在该燃烧室中。它们填充有重整催化剂或规整填料。
[0038]
优选地，发酵步骤产生生物气料流，生物气料流由约45-60％ch4和约40-55％co2以及某些杂质如h2s、voc和硅氧烷组成。
[0039]
在重整步骤期间，将生物气-蒸汽混合物送入包含催化剂的重整管中。
[0040]
在需要由合成气生产氢气的情况下，在本发明方法中添加以下步骤：
[0041]-在wgs反应器中进行水煤气轮换反应的步骤，使来自合成气的一氧化碳转化为氢气，和
[0042]-在wgs反应器出口回收氢气的步骤。
[0043]
根据情况，根据本发明的方法可以具有以下特征中的一个或多个：
[0044]-执行控制步骤以使步骤ii中产生的生物气-蒸汽混合物的碳亲和性小于1，
[0045]-控制步骤包括以下子步骤：评估步骤ii.中产生的生物气-蒸汽混合物的碳亲和性的子步骤，将测量的碳亲和性与值“1”进行比较的子步骤，调整在步骤ii.中引入混合器m的蒸汽量的子步骤，
[0046]-评估碳亲和性的子步骤包括：测量重整单元入口处生物气-蒸汽混合物的温度，测量重整单元入口处生物气-蒸汽混合物的压力，测量重整单元入口处生物气-蒸汽混合物中水的摩尔分数，测量重整单元入口处生物气-蒸汽混合物中二氧化碳的摩尔分数，和测量重整单元入口处生物气-蒸汽混合物中甲烷的摩尔分数，
[0047]-将测量数据引入计算模型，以评估步骤ii.中产生的生物气-蒸汽混合物的碳亲
和性，
[0048]-控制步骤包括根据所进行的比较产生控制信号的子步骤和将该控制信号传输到混合器m的子步骤，
[0049]-该方法包括在步骤ii.上游的压缩生物气的步骤和预处理生物气以去除生物气中存在的杂质的步骤，
[0050]-该方法包括回收来自重整的燃烧烟气的热量的步骤以产生蒸汽，
[0051]-该方法包括回收来自重整的合成气的热量的步骤以冷却所述合成气并产生蒸汽，
[0052]-该方法包括将至少部分产生的蒸汽引入混合器m的步骤。
[0053]
碳亲和性根据“真实气体原理”沿着重整管使用气体温度计算平衡常数而计算[rostrup-nielsen 2011:j.r.rostrup-nielsen,l.christiansen,concept in syngas manufacture,catalytic science series,imperial college press,pages 233-293,2011]。根据“真实气体原理”，根据气体的真实组成计算反应系数。这是确定是否可以形成碳的最明智的方法。正在考虑的碳形成反应是：
[0054]
1.甲烷的分解：ch4＝c 2h2[0055]
2.boudouard平衡：2co＝c co2[0056]
3.co的还原：co h2＝c h2o
[0057]
最后，用于计算平衡常数的热力学认为形成的碳是石墨。该计算针对生物气组成、蒸汽摩尔分数和重整单元的操作参数(入口温度、重整温度、压力)的一系列值进行。对于每次计算，沿着管的碳亲和性最大值max(ca)存储在数据库中。从该数据库中，导出以下形式的相关性：
[0058]
max(ca)＝a*t b*p c*h d*t2 e*p2 f*h2 g*tp h*th i*ph j其中t为重整管的入口温度，p为入口压力，h为进入重整单元的气体混合物中水的摩尔分数。
[0059]
[表1]
[0060][0061]
因此，根据本发明的方法能够仔细控制送入重整管的蒸汽量，从而避免碳的形成并因此限制二氧化碳的排放。