一种沼气和太阳能互补的合成气制备系统及方法技术方案

一种沼气和太阳能互补的合成气制备系统及方法，该系统包括：沼气提纯单元、湿重整反应器、干重整反应器、第一回热器、第二回热器、太阳能聚光器、第一三通阀、第二三通阀、第三三通阀。脱硫后的沼气分流，分成第一部分脱硫后沼气和第二部分脱硫后沼气；第一部分脱硫后沼气经沼气提纯单元后，输出分离的二氧化碳和高纯度的甲烷；高纯度的甲烷和水蒸气混合后预热，在湿重整反应器内吸收由太阳能转换成的热能并发生重整反应，生成合成气；二氧化碳与第二部分脱硫后沼气混合，加热后在干重整反应器中吸收由太阳能转换成的热能并发生重整反应，冷却后输出。本发明专利技术通过热化学反应将太阳能的热能品位提升至合成气的化学能品位，增加了系统热力性能。

A synthesis gas preparation system and method with complementary biogas and solar energy

【技术实现步骤摘要】
一种沼气和太阳能互补的合成气制备系统及方法
本专利技术涉及太阳能利用、能源
，尤其涉及一种集成了太阳能集热、沼气提纯、沼气转化等关键单元技术的沼气和太阳能互补利用的合成气制备系统及方法。
技术介绍
我国生物质资源丰富，生物沼气已经成为生物质利用的重要途径，我国的沼气发生系统借鉴为国外成熟技术，已经向大中型沼气发生系统方向发展；但沼气的利用技术相对落后，存在沼气利用效率偏低的问题。多种可再生能源互补利用具有提高能源利用效率和供能质量，降低供能成本的潜力，成为可再生能源领域热点技术。通过沼气重整，引入其他可再生能源作为驱动反应热源，从而提高燃料热值，是一种高效的沼气升级技术手段；与此同时，将沼气中的两种温室气体甲烷和二氧化碳通过反应得到高热值合成气，对缓解温室效应和提升能源供给有重要意义。但由于沼气中甲烷和二氧化碳成分比例的特殊性，使得沼气重整反应中甲烷转化率较低，且普通商用催化剂易于失活，从而需要昂贵金属特制的催化剂，不利于该技术的发展和推广。传统沼气提纯制生物甲烷过程中，需要配备投资大、能耗高的分离设备，以分离得到符合要求的高浓度甲烷，同时将分离后的二氧化碳排入大气，加剧了温室效应。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题有鉴于此，本专利技术的主要目的是提供一种沼气和太阳能互补的制备合成气的系统及方法，以解决沼气重整反应中甲烷转化率较低，普通商用催化剂易于失活的问题，提升系统的热力性能。(二)技术方案为了达到上述目的，本专利技术第一方面实施例提供了一种沼气和太阳能互补的合成气制备系统，系统包括：沼气提纯单元1、湿重整反应器2、干重整反应器3、第一回热器4、第二回热器5、太阳能聚光器6、第一三通阀7、第二三通阀8、第三三通阀9，其中：第一三通阀7是气体分流装置，具有一个入口和两个出口，用于将一股气体物流按照某种比例分成两股气体物流；第二三通阀8和第三三通阀9是气体混合装置，均具有两个入口和一个出口，用于将两股气体物流混合成一股气体物流。沼气提纯单元1是沼气分离装置，用于将沼气中的二氧化碳与甲烷进行分离。沼气提纯单元1可以采用变压吸附、变温吸附、高压水洗、有机溶剂吸收、化学吸收、膜分离、低温分离、甲烷原位富集法等实现将沼气中的二氧化碳与甲烷进行分离。第一回热器4和第二回热器5为换热设备，一股热流体与一股冷流体在该设备内部交换热量。湿重整反应器2和干重整反应器3为太阳能吸热装置和化学反应发生装置，用于将太阳能聚光器6传递过来的太阳能辐射转换成热能，作为重整反应的反应热，甲烷与水蒸气在湿重整反应器2内吸收热能发生重整反应，甲烷与二氧化碳在干重整反应器3内发生重整反应。太阳能聚光器6用于将收集的太阳能转化为热能并提供给湿重整反应器2、干重整反应器3，作为发生重整反应的能量来源。为了达到上述目的，本专利技术第二方面实施例提供了一种沼气和太阳能互补的合成气制备方法。该方法包括，将脱硫后的沼气S1分流，分成第一部分脱硫后沼气S2和第二部分脱硫后沼气S9；第一部分脱硫后沼气S2经沼气提纯单元1后，输出分离的二氧化碳S10和高纯度的甲烷S3；高纯度的甲烷S3和水蒸气混合后预热，然后在湿重整反应器2内吸收热能发生甲烷与水蒸气的重整反应，生成合成气；二氧化碳S10与第二部分脱硫后沼气S9混合，加热后在干重整反应器3中吸收热能，发生甲烷与二氧化碳的重整反应，生成合成气，冷却后输出。(三)有益效果从上述技术方案看，本专利技术具有以下有益效果：1、本专利技术提供的沼气和太阳能互补的合成气制备系统及方法，主要燃料输入来源为可再生能源，可实现二氧化碳的净零排放，环保无污染。2、本专利技术提供的沼气和太阳能互补的合成气制备系统及方法，通过采用集成了太阳能集热、沼气重整等关键单元技术，使得太阳能的热能品位提升至合成气的化学能品位，增加了系统热力性能，同时也将不连续、不易储存的太阳能转变为连续易存储的燃料化学能，太阳能份额较常规方法更高。3、本专利技术提供的沼气和太阳能互补的合成气制备系统及方法，所产生的高热值合成气用途广泛，湿重整反应器产生的合成气可用于发电，干重整反应器生成的合成气中，H2和CO的摩尔比接近1，是F-T合成制取液体燃料、合成甲醇及二甲醚等的理想原料。4、本专利技术提供的沼气和太阳能互补的合成气制备系统及方法，干重整反应器生成的合成气中，H2和CO的摩尔比接近1，是F-T合成制取液体燃料、合成甲醇及二甲醚等的理想原料。附图说明图1是依照本专利技术实施例的沼气和太阳能互补的合成气制备系统的示意图。图2是依照本专利技术实施例的沼气和太阳能互补的合成气制备方法的流程图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术进一步详细说明。如图1所示，图1是依照本专利技术实施例的沼气和太阳能互补的合成气制备系统的示意图，该合成气制备系统包括：沼气提纯单元1、湿重整反应器2、干重整反应器3、第一回热器4、第二回热器5、太阳能聚光器6、第一三通阀7、第二三通阀8、第三三通阀9，其中：沼气提纯单元1是沼气分离装置，用于将沼气中的二氧化碳与甲烷进行分离；第一三通阀7是气体分流装置，具有一个入口和两个出口，用于将一股气体物流按照某种比例分成两股气体物流；第二三通阀8和第三三通阀9是气体混合装置，均具有两个入口和一个出口，用于将两股气体物流混合成一股气体物流；第一回热器4、第二回热器5为换热设备，一股热流体与一股冷流体在该换热设备中进行热量交换；干重整反应器3内部发生了甲烷与二氧化碳的干重整反应以及其他可能发生的所有反应。湿重整反应器2和干重整反应器3为太阳能吸热装置和化学反应发生装置，用于将太阳能聚光器6传递过来的太阳能辐射转换成热能，作为重整反应的反应热，甲烷与水蒸气在湿重整反应器2内吸收热量发生重整反应，甲烷与二氧化碳在干重整反应器3内发生重整反应。太阳能聚光器6，用于将太阳光聚集并提供给湿重整反应器2和干重整反应器3，作为发生重整反应的能量来源。其中，第一三通阀7的第一出口通入脱硫后沼气S1，第一三通阀7的第一出口与沼气提纯单元1的入口相连接，沼气提纯单元1的第一出口和第二出口分别流出高纯度甲烷和二氧化碳，沼气提纯单元1的第一出口与第二三通阀8的第一入口相连接，第二三通阀8的第二入口通入水蒸气。三通阀8的出口与第一回热器4的冷流体入口相连接，第一回热器4的冷流体出口与湿重整反应器2的入口相连接，湿重整反应器2的出口与第一回热器4的热流体入口相连接。第一三通阀7的第二出口与第三三通阀9的第二入口相连接，第三三通阀9的第一入口与沼气提纯单元1的第二出口相连接。第三三通阀9的出口与第二回热器5的冷流体进口相连接，第二回热器5的冷流体出口与干重整反应器3的进口相连接。干重整反应器3的出口与第二回热器5的热流体进口相连接。太阳能聚光器6与干重整反应器3和湿重整反应器2之间有能量传递。沼气提纯单元1是沼气分离装置，用于将沼气中的二氧化碳与甲烷进行分离。沼气提纯单元1可以采用变压吸附、变温吸附、高压水洗、有机溶剂吸收、化学吸收、膜分离、低温分离、甲烷原位富集法等。湿重整反应器2内部发生了甲烷与水蒸气的重整反应及其他可能发生的所有反应。该反应器类型包括管式反应器、塔式反应器、釜式反应器、有固体颗粒床层的反应器、喷射反应器、固定床反应器、流化本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种沼气和太阳能互补的合成气制备系统，其特征在于，包括沼气提纯单元(1)、湿重整反应器(2)、干重整反应器(3)、第一回热器(4)、第二回热器(5)、太阳能聚光器(6)、第一三通阀(7)、第二三通阀(8)和第三三通阀(9)，其中：沼气提纯单元(1)是沼气分离装置，用于将沼气中的二氧化碳与甲烷进行分离；第一三通阀(7)是气体分流装置，具有一个入口和两个出口，用于将一股气体物流按照某种比例分成两股气体物流；第二三通阀(8)和第三三通阀(9)是气体混合装置，均具有两个入口和一个出口，用于将两股气体物流混合成一股气体物流；第一回热器(4)、第二回热器(5)为换热设备，一股热流体与一股冷流体在该换热设备中进行热量交换；太阳能聚光器(6)，用于将太阳光聚集并提供给湿重整反应器(2)和干重整反应器(3)，作为发生重整反应的能量来源；湿重整反应器(2)和干重整反应器(3)为太阳能吸热装置和化学反应发生装置，用于将太阳能聚光器(6)传递过来的太阳能辐射转换成热能，作为重整反应的反应热，甲烷与水蒸气在湿重整反应器(2)内吸收热量发生重整反应，甲烷与二氧化碳在干重整反应器(3)内发生重整反应。

【技术特征摘要】
1.一种沼气和太阳能互补的合成气制备系统，其特征在于，包括沼气提纯单元(1)、湿重整反应器(2)、干重整反应器(3)、第一回热器(4)、第二回热器(5)、太阳能聚光器(6)、第一三通阀(7)、第二三通阀(8)和第三三通阀(9)，其中：沼气提纯单元(1)是沼气分离装置，用于将沼气中的二氧化碳与甲烷进行分离；第一三通阀(7)是气体分流装置，具有一个入口和两个出口，用于将一股气体物流按照某种比例分成两股气体物流；第二三通阀(8)和第三三通阀(9)是气体混合装置，均具有两个入口和一个出口，用于将两股气体物流混合成一股气体物流；第一回热器(4)、第二回热器(5)为换热设备，一股热流体与一股冷流体在该换热设备中进行热量交换；太阳能聚光器(6)，用于将太阳光聚集并提供给湿重整反应器(2)和干重整反应器(3)，作为发生重整反应的能量来源；湿重整反应器(2)和干重整反应器(3)为太阳能吸热装置和化学反应发生装置，用于将太阳能聚光器(6)传递过来的太阳能辐射转换成热能，作为重整反应的反应热，甲烷与水蒸气在湿重整反应器(2)内吸收热量发生重整反应，甲烷与二氧化碳在干重整反应器(3)内发生重整反应。2.根据权利要求1所述的沼气和太阳能互补的合成气制备系统，其特征在于，所述沼气提纯单元(1)采用变压吸附、变温吸附、高压水洗、有机溶剂吸收、化学吸收、膜分离、低温分离或甲烷原位富集法将沼气中的二氧化碳与甲烷进行分离。3.根据权利要求1所述的沼气和太阳能互补的合成气制备系统，其特征在于，所述第一三通阀(7)的入口通入脱硫后沼气。4.根据权利要求1所述的沼气和太阳能互补的合成气制备系统，其特征在于，所述第一回热器(4)是湿式换热器，所述第二回热器(5)是干式换热器。5.根据权利要求1所述的沼气和太阳能互补的合成气制备系统，其特征在于，所述太阳能聚光器(6)是单个或多个聚光器，可以为塔式集热器和碟式集热器。6.一种沼气和太阳能互补的合成气制备方法，应用于权利要求1至5中任一项所述的沼气和太阳能互补的合成气制备系统，该方法包括：将脱硫后的沼气(S1)分流，分成第一部分脱硫后沼气(S2)和第二部分脱硫后沼气(S9)；第一部分脱硫后沼气(S2)经沼气提纯单元(1)后，输出分离的二氧化碳(S10)和高纯度的甲烷(S3)；高纯度的甲烷(S3)和水蒸气混合后预热，然后在湿重整反应器(2)内吸收热能发生甲烷与水蒸气的重整反应，生成合成气；二氧化碳(S10)与第二部分脱硫后沼气(S9)混合，加热后在干...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩巍，苏博生，金红光，
申请(专利权)人：中国科学院工程热物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11