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生成合成气的装置和方法

阅读：1026发布：2020-11-16

IPRDB可以提供生成合成气的装置和方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及合成气生成装置(1000)，其包括：-用于生成氧气和氢气的水电解装置(1105)；-二氧化碳供应通道(1110)；-用于将氢气注入到供应有二氧化碳的供应通道(1015)中的装置(1115)，所述二氧化碳和所述氢气形成合成气；-等温甲烷化反应器(1005)，包括：-用于合成气并连接到合成气供应通道(1015)的入口(1010)，以及-合成天然气的出口(1020)；-水分离装置(1025)，包括：-合成天然气的入口(1030)，以及-脱水合成天然气的出口(1035)；以及-用于从水分离装置的出口到合成气供应通道的部分脱水合成天然气的支路(1040)，以便将支路的合成气和合成天然气的混合物提供到反应器。，下面是生成合成气的装置和方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种合成气生成装置(1000)，其特征在于，包括：-用于生成氧气和氢气的水电解装置(1105)；

-二氧化碳供应通道(1110)；

-用于将氢气注入到供应有二氧化碳的供应通道(1015)中的装置(1115)，所述二氧化碳和所述氢气形成合成气；

-等温甲烷化反应器(1005)，包括：

-用于所述合成气并连接到所述合成气的供应通道(1015)的入口(1010)，以及-合成天然气的出口(1020)；

-水分离装置(1025)，包括：

-合成天然气的入口(1030)，以及

-脱水合成天然气的出口(1035)；以及

-用于从水分离装置的出口到合成气供应通道的部分脱水合成天然气的支路(1040)，以便将支路的合成气和合成天然气的混合物提供到反应器。

2.根据权利要求1所述的装置(1000)，其包括：-用于测量通过电解生成的氢气的流量的装置(1120)；以及-用于处理作为所测量的氢气流量的函数的碳供应通道(1015)中的二氧化碳的装置(1125)。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的装置(1000)，其包括：-反应器(1005)下游和水分离装置(1025)上游的合成天然气温度传感器(1062)；以及-在反应器(1005)输入端的上游，用于根据测量的温度预热混合物的装置(1060)。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的装置(1000)，其包括：-表示燃料加热值或脱水合成天然气的成分的物理量值的传感器(1050)；以及-输入到支路的天然气的再循环器(1055)，再循环器(1055)被作为所测量的物理量的值的函数而控制。

5.根据权利要求1至4任一项所述的装置(1000)，其包括用于部分所述热甲烷化反应产物的支路通道(1070)，所述支路通道(1070)包括：-位于反应器(1005)的出口和水分离装置(1025)之间的入口(1075)；以及-位于反应器入口上游的出口(1080)。

6.根据权利要求1至5任一项所述的装置(1000)，其包括：-用于测量混合位置下游的合成气的流量的装置(1085)；以及-输入到支路通道(1070)中的热天然气的再循环器(1090)，再循环器(1090)由作为所测量的合成气流量的函数控制。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的装置(1000)，其中所述分离装置(1025)被配置为将所述合成天然气冷却至-5℃和+60℃之间的温度。

8.根据权利要求7所述的装置(1000)，其中，所述水分离装置(1025)被配置为在所述反应器(1005)的操作条件下将所述合成天然气冷却至低于水的露点温度的温度。

9.根据权利要求7和8所述的装置(1000)，其中所述水分离装置(1025)被配置为在所述反应器(1005)的操作条件下将所述合成天然气冷却至低于露点温度的温度。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的装置(1000)，其中所述等温反应器(1005)是流化床反应器。

11.根据权利要求10所述的装置(1000)，包括位于所述流化床中的至少一个热交换表面(1006)。

12.用于生成合成气的方法(1600)，其特征在于，所述方法包括：-用于生成氧气和氢气的水电解步骤(1655)；

-供应二氧化碳的步骤(1645)；

-将从电解步骤输出的氢气注入到由二氧化碳供应步骤输出的供应有二氧化碳的供应通道中的步骤(1650)，所述二氧化碳和所述氢气形成合成气；

-甲烷化反应步骤(1605)，包括：

-通过合成气供应通道将合成气输入等温甲烷化反应器的步骤(1610)，以及-输出合成天然气的步骤(1615)；

-分离水的步骤(1620)，包括：

-输入合成天然气的步骤(1625)，以及

-输出脱水合成天然气的步骤(1630)；

-将从水分离步骤输出的部分脱水合成天然气分流到合成气供应通道的步骤(1635)，以便将合成气和被分流的合成天然气的混合物提供给反应器。

13.根据权利要求12所述的方法(1600)，包括将部分所述热甲烷化反应产物分流到所述甲烷化步骤的上游的步骤(1640)。

说明书全文

生成合成气的装置和方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种生成合成气的装置和方法，尤其适用于合成天然气或“SNG”(合成天然气)的生成领域。

背景技术

[0002] 作为“SNG”(合成天然气)的生物甲烷可以通过使用Power-to-SNG(缩写为“P2G”)方法来生成，该方法被设计为将水、CO2和电能转换成与天然气质量类似的可燃气体。

[0003] 为了获得令人满意的经济回报，P2G基于在电能生产过剩的期间使用来自可再生能源的电能。因此，甲烷化技术在功率、流量和处理方面需要很大的操作灵活性。

[0004] 这个领域中有几个技术选择。

[0005] 第一种选择包括直接电解蒸汽形式的水和人造CO2来产生CO和H2。这种转化通常发生在高温下，并且所产生的气体是合成气，其成分特性接近生物质气化(CO、H2、CO2和H2O)的成分特性。主要的区别在于在没有气-水反应步骤(缩写为“WGS”(用于水气变换)并且被称为“Dussan反应”)的情况下能更好地控制H 2/CO比例。这个WGS的反应式是[0006]

[0007] 第二种选择包括通过碱性或聚合物电解质膜电解将水进行转化，以在阴极产生H2，在阳极产生O2。这样产生的H2随后与CO2混合形成合成气，这是合成天然气的源。

[0008] 从合成气生成生物甲烷是基于CO或CO2的催化甲烷化(或氢化)反应，被称为“Sabatier反应”。甲烷化包括在氢气和催化剂的存在下转化一氧化碳或二氧化碳(通常基于镍或任何其它或多或少的贵重过渡金属)，以产生甲烷。它受以下竞争平衡氢化反应控制：

[0009]

[0010]

[0011] 为了从合成气生成SNG，第一种选择利用CO甲烷化反应，而第二种选择利用CO2甲烷化反应。

[0012] 甲烷化反应是伴随着摩尔数减少的放热反应。根据Le Chatelier的原理，通过增加压强促进该反应以及通过升高温度来阻碍该反应。

[0013] 这些高度放热的平衡反应需要对其发生的反应器的冷却进行良好的控制。

[0014] 在生成1Nm3的甲烷的过程中，CO转化过程中产生的热量约为2.7kWh。控制反应器内的温度并因此消除反应产生的热量是使催化剂失活(由于烧结)最小化和使甲烷转化率最大化的关键之一。

[0015] 在甲烷化过程中所产生热量的有利再利用(无论是在实际的单元内还是通过销售热量)是SNG生成方法技术和经济平衡的关键之一。蒸汽的生成是获得这种再利用的传统方式。

[0016] 在所使用的温度下具有快速动力学的甲烷化反应的特征在于非常高的放热性。

[0017] 为了通过二氧化碳氢化来最大限度地产生CH4，并使过量的CO2最小化，H2和CO2应当具有约4:1的化学计量比。即使这个比例，由于化学平衡，反应仍然不完全。

[0018] 在甲烷化反应器技术中，一些利用致密的流化床反应器，该床由甲烷化反应催化剂形成。因此，反应产生的热量通过浸在流化床中的交换器去除。然而，由于反应的非常高的放热性，要除去的热量以及因此所需的交换表面积非常大。因此，该交换器占据的体积导致反应器尺寸的整体扩大，并且最重要的是使其设计更复杂。

[0019] 流化床的使用是限制反应温度的简单方法。催化剂通过反应物混合物的流化使得能够在催化剂层的所有点处几乎完美的均匀化，并且反应器可以被等同为等温反应器。反应所产生的热量的去除是通过浸在流化床内的交换器来实现的。流化层与浸入床中的壁之间的热交换系数非常高(每平方米每开尔文(kelvin)400至600瓦的量级，表示为W/K.m2，与液体和壁之间的热交换系数相当)并且使得可以使交换器的尺寸最小化，并因此使反应器的整体尺寸减小。

[0020] 在流化床甲烷化反应器中使用的温度范围内，甲烷化反应的动力学非常迅速，作为结果，仅对于化学反应所需的催化剂量很小。因此，反应器的尺寸和所用催化剂的量缘于安装在流化床内的交换器的整体尺寸以及所需的转移表面积。

[0021] 由于热交换和流化机制，主要的缺点归因于这种用于高压操作的技术。由于增加的压强导致的气体体积的减小导致用于布置交换器的更小的横截面积(等效功率)。然而，本领域技术人员的解决方案为用于克服有效表面积或流化机制的调整。例如，非详尽的解决方案为：

[0022] -减少管的数量，并因此增加催化剂层的高度，其高度限制与热交换性能降低的压塞现象有关，压塞是包内的固体与两个包之间的、填充反应器的整个横截面的气泡的运动，如预期的那样，它产生的作用是在固体和气泡之间产生交替而不是气体和固体的混合物的交替；以及

[0023] -改变催化剂的物理特性(颗粒尺寸、载体的密度)以保持较低体积流量的等效流化。

[0024] 为了优化操作的灵活性，就反应器流量而言，流化床自然允许更大的灵活性，并因此就尺寸条件而言具有更大的灵活性。

[0025] 目前对该技术族提出的解决方案并没有通过转换效率来区分，而是主要通过利用冷却反应器的方法论。

[0026] 目前，在CO2甲烷化背景下的冷却原理与在“等温”反应器中进行转化时的CO甲烷化相同。此外，即使将H2/CO2试剂调整至化学计量比为4:1，所产生的SNG仍含有H2、CO2和水，H2、CO2和水需要被除去以符合注入天然气的规格。因此当前的P2G系统的总体示意图包括以下步骤：

[0027] -电解水；

[0028] -CO2和电解产生的氢气的甲烷化；以及

[0029] -调整规格，以分离水和残留的H2/CO2。

[0030] 规格调整步骤的作用是分离甲烷化产生的气体成分，以获得符合注入天然气网络的规格的生物甲烷。因此这种分离产生了副产物H2O、CO2和H2。它通常在独立的设备中进行，有时工作条件有很大差异。

[0031] 在所产生的SNG被加工和注入之前，必须除去甲烷化反应中的大部分残留的H2以符合规格。这种分离最经常使用的技术是膜渗透，就资本支出和运营而言，这可能出现很大的复杂性和成本，并对价值链产生相当大的影响。

[0032] 从反应器输出的原始SNG的组成与反应器的操作条件密切相关，就反应器的压强、温度、绝热或等温操作模式而言，这些条件控制了甲烷化反应的化学平衡。这些反应通常形成水，因此需要分离这种物质。关于其他物质(CO2和H2)，可以通过首先在反应器的操作模式(绝热或等温)下，其次在温度或压强下操作来改变它们各自的浓度。因此，高压和低温将使这些化合物的浓度显著降低。当在“绝热”反应器中进行操作时，还需要一系列步骤来获得等温反应器的等效转化质量。无论如何，对于低于40巴的操作压强而言，所产生的气体的组成通常与注入或使用的天然气的规格不相容，需要改进步骤以除去CO2和/或残余物H2。因此，操作模式形成了简化方法链的块。

[0033] 例如在文献US2013/0317126中描述的已知的系统。在这些系统中，使用绝热甲烷化反应器，并且部分甲烷化产物在所述的反应器的输入中再循环。

[0034] 根据该文献，该甲烷化产物的再循环的目的在于调节输入到绝热甲烷化反应器中的试剂的温度，以便缓和在反应器中发生的绝热反应的放热。

[0035] 在这些解决方案中，甲烷化反应器的输入温度约为310-330℃，该反应器输出的温度约为620℃，这导致由反应的热力学限制的转化率有点低，因此在反应器的输出流中存在不需要的化合物，例如过量的H2、CO2。不需要的化合物(特别是氢气)的存在使得在反应器的下游必须进行的氢气分离步骤，以满足例如注入天然气分配或输送网络的规格。

[0036] 当下列流特性：

[0037] -高热值(“HHV”)；

[0038] -沃泊指数；以及

[0039] -氢气含量

[0040] 在对应于天然气分配或输送网络的特定特征的预定义值范围内时，该流符合注入规格。

[0041] 例如文献US 3967936中所述的系统也是已知的。在这些系统中，利用了一系列的绝热甲烷化反应器，并且部分甲烷化产物在一系列反应器中的各个反应器的输入中再循环。

[0042] 根据该文献，该甲烷化产物的再循环的目的在于调节输入到绝热甲烷化反应器中的试剂的温度，以便缓和在反应器中发生的绝热反应的放热。

[0043] 以相同的方式，这些解决方案需要在反应器下游分离不需要的化合物(如氢气)，以满足例如注入天然气分配或输送网络的规格。

[0044] 例如在文献US 2009/0247653中描述的已知的系统。在这些系统中，利用了一系列三个绝热甲烷化反应器，该系列中的最后一个反应器被设计成产生另外的合成甲烷。在这些系统中，部分甲烷化产物CO和H2在第二个反应器之后再循环到系列中第一个反应器的输入流，从而调节CO和H2比例并调节第一反应器的输入流的温度以缓和在第一反应器中发生的绝热反应的放热。

[0045] 然而，这些解决方案还需要在反应器下游分离不需要的化合物(如氢气)。

[0046] 绝热反应器在甲烷化反应器内不承担冷却作用时有几个缺点：

[0047] -需要多个串联的反应器才能获得令人满意的甲烷化产生率；以及

[0048] -在CO甲烷化的情况下，通过添加所谓的气-水催化剂步骤，合成气的特定组成对于获得令人满意的化学计量比是必要的。

[0049] 另一方面，绝热反应器的设计更简单，因为它们基本上由一个通常能抵抗高压(>30巴)的室组成，以实现令人满意的转化。

[0050] 在等温反应器中甲烷化的情况下，操作压强不需要太高(<20巴)，但是需要在催化剂层中进行表面布置，这产生了与冷却系统相关的额外成本和复杂的设计。

[0051] 因此，目前的系统不能控制等温甲烷化反应器中的反应温度。

[0052] 总之，现有技术的技术水平不能令人满意地控制等温甲烷化反应的放热性，并且关于直接与电力过度生产相关的功率波动不能给予装置令人满意的灵活性。另外，这些现有技术需要系统地分离H2和/或CO2以满足注入或用作网络中天然气的替代物的规格。

[0053] 因此，目前的系统在甲烷化步骤下游没有进行氢气分离步骤的情况下，不能对注入天然气分配或输送网络的规格的进行调整。

发明内容

[0054] 本发明的目的在于解决上述全部或者部分缺陷。

[0055] 有鉴于此，根据第一方面，本发明提供一种合成气生成装置，其包括：

[0056] -用于生成氧气和氢气的水电解装置；

[0057] -二氧化碳供应通道；

[0058] -将氢气注入到供应有二氧化碳的供应通道中的装置，该二氧化碳和该氢气形成合成气；

[0059] -等温甲烷化反应器，包括：

[0060] -用于合成气并连接到合成气供应通道的入口，以及

[0061] -用于合成天然气的出口；

[0062] -水分离装置，包括：

[0063] -用于合成天然气的入口，以及

[0064] -用于脱水合成天然气的出口；以及

[0065] -用于从水分离装置的出口到合成气供应通道的部分脱水合成天然气的支路，以便将合成气和支路的合成天然气的混合物提供给反应器。

[0066] 当水分离装置冷却合成天然气时，供应部分该合成天然气到反应器的输入中，使得合成气被冷却，并且意味着反应器不需要热交换器。这种反应器的设计更简单，特别是在尺寸方面。此外，供应通道中的脱水合成天然气的供应通过对反应平衡的有利修改而提高了甲烷化反应产物的沃泊指数和HHV。因此，作为本发明主题的装置允许减小反应器的尺寸和气体网络的规格的调整，从而甲烷化反应下游需要很少或不需要处理。

[0067] 另外，利用等温反应器可以进行单一的甲烷化步骤以获得高效的合成天然气转化，并获得质量接近于注入天然气分配或输送网格的规格的气体。

[0068] 在一些实施例中，作为本发明主题的装置包括支路通道，用于部分热的甲烷化反应产物，包括：

[0069] -位于反应器出口和水分离装置之间的入口；以及

[0070] -位于反应器入口上游的出口。

[0071] 这些实施例使得可以调节输入到反应器的流量，从而使装置具有很大的灵活性，而不必考虑上游产生的电能的量。

[0072] 在一些实施例中，作为本发明的主题的装置包括：

[0073] -测量电解生成的氢气流量的装置；以及

[0074] -用于调节作为所测量的氢气流量的函数的碳供应通道中二氧化碳的流量的装置。

[0075] 这些实施例可以调节输入到甲烷化反应器的合成气的组成。

[0076] 在一些实施例中，作为本发明主题的装置包括：

[0077] -在反应器的下游，合成天然气的温度传感器；以及

[0078] -在反应器入口的上游，根据测量的温度预热混合物的装置。

[0079] 这些实施例可以控制反应器的温度并确保该反应器的等温性。

[0080] 在一些实施例中，作为本发明主题的装置包括：

[0081] -代表燃料热值或脱水合成天然气成分的物理量值的传感器；以及

[0082] -输入到支路中的天然气再循环器，该再循环器被作为所测量的物理量值的函数而控制。

[0083] 在一些实施例中，作为本发明主题的装置包括：

[0084] -用于测量混合位置下游的合成气流量的装置；以及

[0085] -输入到支路通道中的热天然气的再循环器，该再循环器由作为所测量的合成气流量的函数控制。

[0086] 这些实施例可以根据所测量的合成气流量来调节输入反应器的流量。

[0087] 在一些实施例中，水分离装置被配置为将合成天然气冷却到-5℃和+60℃之间的温度。

[0088] 这些实施例使得可以从甲烷化反应器的输出中分离SNG中包含的几乎所有的水。

[0089] 在一些实施例中，分离装置被配置为在讨论中的反应器的操作条件下将合成天然气冷却至低于水的露点温度的温度。

[0090] 在一些实施例中，等温反应器是流化床反应器。

[0091] 在一些实施例中，作为本发明的主题的装置包括位于流化床中的至少一个热交换表面。

[0092] 这些实施例可以调节甲烷化反应器内的温度。

[0093] 这些实施例使得等温反应器的催化剂层中的温度均匀简单化。

[0094] 根据第二方面，本发明提供了一种生成合成气的方法，该方法包括：

[0095] -生成氧气和氢气水电解步骤；

[0096] -供应二氧化碳的步骤；

[0097] -将从电解步骤输出的氢气注入到从二氧化碳供应步骤输出的供应有二氧化碳的供应通道中，该二氧化碳和该氢气形成合成气；

[0098] -甲烷化反应步骤，包括：

[0099] -通过合成气供应通道将合成气输入等温甲烷化反应器的步骤，以

[0100] 及

[0101] -输出合成天然气的步骤；

[0102] -分离水的步骤，包括：

[0103] -输入合成天然气的步骤，以及

[0104] -输出脱水合成天然气的步骤；以及

[0105] -将从水分离步骤输出的部分脱水合成天然气绕过到合成气供应通道以便将合成气和支路的合成天然气的混合物提供给反应器。

[0106] 作为本发明的主题的方法对应于作为本发明的主题的装置，该方法的特定特征、优点和目的与本发明主题的装置相似。这些特征、优点和目的在这里不再重复。

[0107] 在一些实施例中，作为本发明主题的方法包括绕过部分热甲烷化反应产物到甲烷化步骤上游的步骤。

附图说明

[0108] 从本发明主题的用于生成合成气的装置和方法的至少一个特定实施例的以下的非限制性描述使本发明的其它优点、目的和特征将变得显而易见，将包括在附录中的参考附图中，其中：

[0109] -图1示意性地示出了作为本发明主题的装置的特定实施例；

[0110] -图2以逻辑图的形式示意性地示出了作为本发明主题的方法的特定的一系列步骤；

[0111] -图3以曲线形式通过作为本发明主题的图1的装置和方法的实施例示出了获得的合成气的沃泊指数；

[0112] -图4以曲线形式通过作为本发明主题的图1的装置和方法的实施例示出了获得的合成气的HHV；

[0113] -图5以曲线形式示出了在利用作为本发明主题的图1的装置和方法的实施例期间从甲烷化反应器输出的天然气中的氢气摩尔流量的减少；

[0114] -图6以曲线形式示出了在利用作为本发明的主题的图1的装置和方法的实施例期间的甲烷化反应的放热性；以及

[0115] -图7示意性地示出了在现有技术中使用的系统的示例。

具体实施方式

[0116] 作为非限制性的示例给出本说明，实施例的每个特征能够以有利的方式与任何其他实施例的任何其他特征组合。

[0117] 现在注意到这些附图不是等比例的。

[0118] 图7示出了在现有技术中使用的系统80的示例的示意图。

[0119] 在这些系统1600中，甲烷化试剂进入甲烷化反应器1605，甲烷化反应器1605可以是这样的反应器系列(未示出)的一部分。

[0120] 从甲烷化步骤的输出中，通过用于分离水的装置1625(例如热交换器)将水与甲烷化产物分离。

[0121] 然后脱水合成天然气通过用于分离二氧化碳的装置1645进行处理。

[0122] 最后，合成天然气通过用于分离氢气的装置1655进行处理，使得该合成天然气符合注入天然气分配网络的规格。

[0123] 分离水、二氧化碳和氢气的步骤可以以任何顺序进行。

[0124] 图1(不等比例)示出了作为本发明的主题的装置1000的实施例的示意图，该合成气生成装置1000包括：

[0125] -用于生成氧气和氢气的水电解装置1105；

[0126] -二氧化碳供应通道1110；

[0127] -用于将氢气注入到供应有二氧化碳的供应通道1015中的装置1115，该二氧化碳和该氢气形成合成气；

[0128] -等温甲烷化反应器1005，包括：

[0129] -用于合成气并连接到合成气供应通道1015的入口1010，以

[0130] 及

[0131] -用于合成天然气的出口1020；

[0132] -水分离装置1025，包括：

[0133] -用于合成天然气的入口1030，

[0134] -用于脱水合成天然气的出口1035；以及

[0135] -用于从合成天然气分离的水的出口1027；以及

[0136] -用于从水分离装置的出口到合成气供应通道的部分脱水合成天然气的支路1040，以便将支路的合成气和合成天然气的混合物提供到反应器。

[0137] 反应器1005优选为在预设温度下操作的等温流化床甲烷化反应器。催化剂通过反应物混合物的流化使得在催化剂层的所有点处的温度几乎完美均匀化，并且反应器1005可以被等同为等温反应器。在一些变型例中，该反应器1005可以是本领域技术人员已知的，缩写为“BWR”(用于沸水反应器)的沸水反应器。在其他变型中，该反应器1005可以是壁冷式反应器或交换器反应器。

[0138] 在一些实施例中，反应器1005包括位于等温反应器1005的流化床中的至少一个热交换表面1006。

[0139] 该表面1006例如是配置为形成用于使流体从反应器1005的外部循环到该反应器1005的内部的回路的管，流体在反应器1005外面被冷却。

[0140] 这种流体例如是过热或饱和的水蒸气。

[0141] 该反应器1005配置为执行二氧化碳的甲烷化。

[0142] 该反应器1005包括用于合成气的入口1010，其例如是配备有与合成气供应通道1015兼容的连接器(未示出)的反应器1005的孔。

[0143] 合成天然气通过反应器的出口1020离开反应器1005。该出口1020例如是连接到连接器(未示出)的孔，从而可以连接用于输送合成天然气的密封通道。

[0144] 水分离装置1025例如是用于将合成天然气冷却到低于水的露点温度的温度的热交换器。该温度优选在-5℃和60℃之间。优选地，该温度在5℃和40℃之间。

[0145] 在一些优选的实施例中，水分离装置1025被配置为在所讨论的反应器1005的操作条件下，将合成天然气冷却到低于水的露点温度的温度。

[0146] 以这种方式分离的水由水的出口1027收集并且可以由水电解装置1105使用。

[0147] 水分离装置1025包括用于合成天然气的入口1030。例如，该入口1030是与连接器(未示出)相关联的孔，该连接器要被连接到用于输送来自反应器1005的合成天然气输出的密封通道。

[0148] 水分离装置1025包括用于脱水合成天然气的出口1035。该出口1035例如是与连接器(未示出)相关联的孔，该连接器要被连接到输送脱水合成天然气的密封通道(未参考)。

[0149] 例如，支路1040是与用于脱水合成天然气的输送通道连接的密封通道，以便捕获通过该输送通道的部分流。

[0150] 该支路1040将脱水合成天然气注入到合成气供应通道1015中。

[0151] 这样，通过水分离工艺冷却的合成气和脱水合成天然气形成混合物，在反应器1005中，混合物降低了甲烷化反应的放热性，从而改善了反应器1005的合成天然气产量的规格。

[0152] 特别是，所产生的混合物可以避免SNG中H2的下游分离。

[0153] 供应通道1015被密封并且接收例如从水电解装置输出的CO2和H2。

[0154] 电解装置1105例如是用于水的电解槽，其被配置成将水分子分离成氧气分子和氢气分子。

[0155] 供应通道1110中的二氧化碳通过压缩和通过处理装置1000上游的杂质而被处理。

[0156] 注入装置1115例如是用于将氢气注入到供应通道1015中的阀。

[0157] 在一些优选的实施例中，例如图1所示的那样，装置1000包括：

[0158] -用于测量由电解产生的氢气的流量的装置1120；以及

[0159] -用于根据所测量的氢气流量的函数处理碳供应通道1015中的二氧化碳的装置1125。

[0160] 二氧化碳处理装置1125例如是将测量的氢气流量乘以确定的设定点系数的电子控制电路1126。该乘积的结果被传送到二氧化碳流量调节阀，该结果对应于流量设定点。

[0161] 为了最佳生成CH4，H2/CO2比例必须调整到接近化学计量比，即在3.9和4.1之间，以限制过量的试剂。通过调节作为H2流的流量测量值和化学计量因子的函数的CO2流量来控制该比例。

[0162] 在一些优选的实施例中，例如图1所示的那样，装置1000包括：

[0163] -在反应器1005的下游和水分离装置1025的上游的合成天然气的温度传感器1062；以及

[0164] -反应器输入端的上游的用于根据测量的温度预热混合物的装置1060。

[0165] 预热装置1060优选将混合物加热到高于混合物的露点温度的温度(以防止混合物的任何预冷凝)并且低于反应器的操作温度(以使反应器1005冷却)。

[0166] 在一些优选实施例中，如图1所示，混合物预热装置1060将该混合物加热到50℃和300℃之间的温度。优选地，混合物预热装置1060将该混合物加热到高于50℃且低于反应器
1005的操作温度的温度。

[0167] 该预热装置1060例如是用于加热合成气的热交换器。

[0168] 预热装置1060的温度作为捕捉的温度和预定温度设定点的函数而变化。如果捕捉的温度高于温度设定点，则预热装置1060的功率降低。相反，当捕捉的温度低于温度设定点时，预热装置1060的功率增加。

[0169] 在一些优选实施例中，例如图1中所示的实施例，装置1000包括用于部分热甲烷化反应产物的支路通道1070，其包括：

[0170] -位于反应器1005的出口和水分离装置1025之间的入口1075；以及

[0171] -位于入口1010到反应器1005的上游的出口1080。

[0172] 支路通道1070例如是密封通道。入口1075例如是在水分离装置1025的上游、在合成天然气运输通道的内部出现的孔。出口1080例如是在预热装置1060下游、将合成天然气注入到混合物的孔。

[0173] 合成天然气是热的，可以维持反应器1005中的流量。

[0174] 合成气的流量完全是可用电量的函数。为了在甲烷化操作过程中保持转换稳定性，水动力条件必须尽可能保持恒定。然而，如果可用电力不足并且导致合成气流量减小，则需要维持输入到反应器1005的恒定总流量或者选择非常灵活的技术。即使在流化床能够在1至6的流量范围内操作的情况下，流量太低也会导致冷却降低，并因此导致转化率降低。为了克服这个难题，在合成气流量显著下降的情况下，来自预热装置1060的输出流量由直接来自反应器1005的出口1020的热再循环通过支路通道1070补充。使用热再循环流体的事实不会导致反应器1005的热不平衡，但使装置1000变得非常灵活。

[0175] 在一些优选的实施例中，例如图1所示的那样，该装置1000包括：

[0176] -用于测量在混合位置下游和反应器1005上游的合成气的流量的装置1085；以及[0177] -输入到支路通道1070中的天然气的再循环器1090，再循环器1090由作为所测量的流量的函数控制。

[0178] 流量测量装置1085可以是本领域技术人员已知的适用于测量气体流量的任何类型，例如风速计、科里奥利效应流量计、涡流效应流量计或电磁流量计。

[0179] 再循环器1090在结构上类似于再循环器1055。再循环器1090被作为流量测量装置1085测量的流量和流量设定值1087的函数而控制。如果所测量的流量低于预定流量设定值
1087，则再循环器1090被启动以通过合成天然气的等效流量来补偿所测量的流量和流量设定值1087之间的差值。

[0180] 在一些优选的实施例中，例如图1所示的那样，该装置1000包括：

[0181] -代表燃料热值或脱水合成天然气成分的物理量值的传感器1050；以及[0182] -输入到支路中的热天然气的再循环器1055，再循环器1055被作为所测量的物理量的值的函数而控制。

[0183] 传感器1050例如是用于估计与确定支路1040或出口1035中的SNG的组成的气相色谱仪相关联的HHV的电子电路。

[0184] 再循环器1055旨在抵消先后在预热装置1060、反应器1005、水分离装置1025(尤其是用于参考图1所述的装置1000)以及这些各种设备的所有连接通道中的负载或压强损失。

[0185] 例如，这种负载损耗估计在200至800毫巴之间。再循环器1055例如是风扇、压缩机或喷射器。

[0186] 在图1的实施例中，装置1000包括用于测量在混合位置下游的合成气的流量的装置1085，输入到支路通道1070中的天然气的再循环器1090被作为所测量的合成气流量的函数而控制。

[0187] 由于参考图1描述的特征，在接近10巴的操作压强下，对于给定的流量，该实施例允许消除连续的H2和CO2分离步骤。

[0188] 利用作为本发明的主题的装置1000使得可以获得接近气体网络的规格的合成气，而只需要很少的额外操作。

[0189] 另外，装置1000也可以用于1巴至100巴之间的压强范围，以及150℃至700℃之间的预定温度范围。

[0190] 图2以步骤的逻辑图的形式示出了作为本发明的主题的方法1600的特定实施例。该合成气生成方法1600包括：

[0191] -用于生成氧气和氢气的水电解步骤1655；

[0192] -供应二氧化碳的步骤1645；

[0193] -将从电解步骤1655输出的氢气注入到从供应二氧化碳的步骤1645输出的供应有二氧化碳的供应通道中的步骤1650，该二氧化碳和该氢气形成合成气；

[0194] -甲烷化反应步骤1605，包括：

[0195] -通过合成气供应通道将合成气输入等温甲烷化反应器的步骤1610；以及[0196] -输出合成天然气的步骤1615。

[0197] -分离水的步骤1620，包括：

[0198] -输入合成天然气的步骤1625，以及

[0199] -输出脱水合成天然气的步骤1630。

[0200] -将从水分离步骤输出的部分脱水合成天然气分流到合成气供应通道的步骤1635，以便将合成气和被分流的合成天然气的混合物提供给反应器；以及

[0201] -优选地，将从反应步骤1605输出的部分热甲烷化反应产物被分流到甲烷化步骤的上游的步骤1640。

[0202] 该方法1600例如由作为本发明的主题的参考图1描述的装置1000运用。

[0203] 图3至图6示出了对作为本发明的主题的装置1000进行的模拟的结果。

[0204] 图3示出了在x轴上装置1000产成的合成天然气的沃泊指数作为在y轴上的再循环率和输入到甲烷化反应器1005的再循环合成天然气的性质的函数。“再循环率”是指分离装置1025输出的、再分配到通道1015中的气体量除以分离装置1025输出的气体总量。

[0205] 特别要指出的是，潮湿的合成天然气的再循环1205对由该装置产生的合成天然气的沃泊指数没有影响。

[0206] 还应注意到，脱水合成天然气的再循环1210提高了装置产生的合成天然气的沃泊指数.

[0207] 图4示出了在x轴上由装置1000产生的合成天然气的HHV作为在y轴上的再循环率和输入到甲烷化反应器1005的再循环合成天然气的性质的函数。

[0208] 特别注意的是，潮湿的合成天然气的再循环1305对由该装置产生的合成天然气的HHV没有影响。

[0209] 还应注意到，脱水合成天然气的再循环1310提高了装置产生的合成天然气的HHV。

[0210] 图5示出了在x轴上的来自装置1000的H2摩尔流量的相对变化作为在y轴上的再循环率和与没有再循环的装置中的H2摩尔流量相比输入到甲烷化反应器1005的再循环合成天然气的性质的函数。

[0211] 特别注意的是，潮湿的合成天然气的再循环1405对从装置输出的H2摩尔流量没有影响。

[0212] 还应注意的是脱水合成天然气的再循环1410引起装置输出H2摩尔流量的减少。

[0213] 图6使得可以看到作为用于上述的装置1000和参考配置的再循环率的函数的归一化放热性(即，与没有再循环的情况相比要被去除的热量)的变化。

[0214] 图6示出了在x轴上装置1000的甲烷化反应的放热性作为在y轴上的再循环率和输入到甲烷化反应器1005的再循环合成天然气的性质的函数。

[0215] 特别要指出的是，潮湿的合成天然气的再循环1505降低了甲烷化反应的放热性。

[0216] 还注意到脱水合成天然气的再循环1510也降低了甲烷化反应器的放热性。

[0217] 似乎增加再循环率导致反应器的放热性线性降低。在这里，再循环的SNG起蓄热器的作用，由于较高的热容量，其在H2O存在时更显著。获得与装置1000的理想操作温度相对应的再循环水平使得SNG可以从反应器的内部交换器和H2分离中释放出来以调整至规格。此外，反应器是等温的，因此需要供热来维持反应。

[0218] H2、CO2和CH4的摩尔分数的变化作为模拟配置的再循环率的函数是在用脱水SNG再循环装置1000改善SNG品质。

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合成气冷却器-专利编号CN104726138A	2020-05-11	128
合成气的制备-专利编号CN101223103B	2020-05-11	38
合成气的生产-专利编号CN104254489A	2020-05-13	33
合成气净化装置-专利编号CN109207206A	2020-05-12	760
合成气的生产-专利编号CN104254489B	2020-05-11	288
合成气的制备-专利编号CN101223103A	2020-05-13	441
合成气的生产-专利编号CN101163778A	2020-05-13	830
合成气制乙烯-专利编号CN1065026A	2020-05-12	424
合成气冷却器-专利编号CN104726138B	2020-05-11	209
合成气冷却器-专利编号CN108317874A	2020-05-12	601

生成合成气的装置和方法

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