一种高温电化学装置辅助制备合成气的装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种高温电化学装置辅助制备合成气的装置，包括从工业废气中分离出水蒸气后得到剩余气体的脱水处理装置；电解水蒸气得到氢气和氧气的SOEC系统；将剩余气体和天然气进行脱硫处理分别得到高纯CO

【技术实现步骤摘要】
一种高温电化学装置辅助制备合成气的装置和方法
本专利技术涉及工业废气与天然气联合利用，更具体地涉及一种高温电化学装置辅助制备合成气的装置和方法。
技术介绍
目前，随着温室效应的日益严重，人类对能源消耗引起全球变暖情况和气候变化情况十分关注，大量化石燃料的使用以及向大气中过度排放工业废气是导致能源消耗与温室效应的罪魁祸首。工业废气废热中含有大量的CO2和水蒸气，同时伴随着大量工业余热。天然气中含有大量的CH4。CO2和CH4作为温室气体的主要成分，这些含碳气体向大气中排放是加剧全球温室效应的主要因素。将工业废气中的CO2气体转化为能再次利用的合成气，以实现捕捉碳源，减少含温室气体向大气中的排放，是减少能源消耗和缓解全球温室效应的有效方式之一。固体氧化物电解池(SolidOxideElectrolysisCell，简称SOEC)是一种利用电能和热能，将水、二氧化碳等原料，通过电化学还原生成燃料气体(化学能)的装置，被认为是最具有前景的能源转换装置之一。水是高温电解水制备氢气的主要原料，具有取材方便、原料丰富、多次循环利用性等特点。高温固体氧化物电解池运行时，在SOEC的负极，水蒸气发生分解产生氢气，氧离子通过电解质膜传导至正极，在正极材料表面生成氧气。CN20171031531.4公开了一种采用固体氧化电解池共电解CO2/H2O制备合成气的方法，该方法在负极通入CO2，将导致负极积碳问题，这将大大降低电解池的性能和耐久性。通入CO2和H2O进行共电解制备合成气盲目忽略了SOEC电堆的实际应用状况，使得SOEC电堆寿命急剧降低，在工业应用中难以实现。
技术实现思路
为了解决现有技术中的负极积碳等问题，本专利技术提供一种高温电化学装置辅助制备合成气的装置和方法。根据提供一种高温电化学装置辅助制备合成气的装置，其包括：脱水处理装置，其与工业废气连通以从工业废气中分离出水蒸气后得到剩余气体；SOEC(SolidOxideElectrolysisCell，固体氧化物电解池)系统，其与脱水处理装置连通以在SOEC系统中电解水蒸气得到氢气和氧气；第一脱硫处理装置，其与剩余气体连通以将剩余气体进行脱硫处理得到高纯CO2气体；第二脱硫处理装置，其与天然气连通以将天然气进行脱硫处理得到高纯CH4气体；连接在SOEC系统下游的双重整系统，其包括第一反应室和第二反应室，其中，第一反应室分别与第一脱硫处理装置和SOEC系统连接以利用高纯CO2气体和氢气进行逆水煤气变换反应制备合成气，第二反应室分别与第二脱硫处理装置和SOEC系统连接以利用高纯CH4气体和氧气进行部分氧化反应制备合成气。优选地，SOEC系统的氢气和水蒸气混合气通过金属Pd膜分离器进行高温分离得到氢气。更优选地，SOEC系统的氢气和氧气的出气管，以及与金属Pd膜分离器的入气口连接处均喷涂有绝缘材料。优选地，该第一脱硫处理装置连接在SOEC系统的下游以利用SOEC系统得到的一部分氢气进行剩余气体的加氢脱硫，其中，SOEC系统得到的一部分氢气作为脱硫处理的原料与剩余气体中的含硫化合物反应完成脱硫。优选地，该第二脱硫处理装置连接在SOEC系统的下游以利用SOEC系统得到的另一部分氢气进行天然气的加氢脱硫，其中，SOEC系统得到的另一部分氢气作为脱硫处理的原料与天然气中的含硫化合物反应完成脱硫。优选地，高纯CO2气体和/或高纯CH4气体的硫含量分别低于0.1ppm。优选地，该装置还包括连接在双重整系统下游的气体分离系统，来自于第一反应室和第二反应室的混合气体进入到气体分离系统中分离出合成气。优选地，该气体分离系统包括低压储罐、增压泵和变压吸附气体分离装置，其中，低压储罐与第一反应室和第二反应室连通以储存包括第一反应室和第二反应室制备的合成气、未反应CO2气体和未反应天然气的混合气体，用于进行增压的增压泵设置在低压储罐和变压吸附气体分离装置之间以将增压后的混合气体输送至变压吸附气体分离装置，用于对混合气体进行分离的变压吸附气体分离装置与第一反应室和第二反应室连通，分离出的未反应CO2气体返回到第一反应室，分离出的未反应天然气返回到第二反应室。优选地，该装置还包括热管理系统，其与SOEC系统和第一反应室连接以提供热能，其与第二反应室连接以回收热能。本专利技术还提供一种高温电化学装置辅助制备合成气的方法，其包括：工业废气通过脱水处理装置分离出水蒸气后得到剩余气体；水蒸气通过SOEC系统电解得到氢气和氧气；剩余气体通过第一脱硫处理装置进行脱硫处理得到高纯CO2气体；天然气通过第二脱硫处理装置进行脱硫处理得到高纯CH4气体；高纯CO2气体和氢气在双重整系统的第一反应室中进行逆水煤气变换反应制备合成气，高纯CH4气体和氧气在双重整系统的第二反应室中进行部分氧化反应制备合成气。优选地，进入SOEC系统的水蒸气的流量为0.1MpaG-5.0MpaG，优选0.2MpaG-0.25MpaG。优选地，进入第一脱硫处理装置的剩余气体与进入第一脱硫处理装置的氢气的流量摩尔比值为1:1-20:1，优选8:1-10:1。优选地，进入第二脱硫处理装置的天然气与进入第二脱硫处理装置的氢气的流量摩尔比值为6:1-20:1，优选9:1-11:1。优选地，进入第一反应室的高纯CO2气体与进入第一反应室的氢气的流量摩尔比值为0.1:1-3:1，优选1.5:1-2:1。优选地，进入第二反应室的高纯CH4气体与进入第二反应室的氧气的流量摩尔比值为0.1:1-3:1，优选1.3:1-1.7:1。优选地，来自于第一反应室和第二反应室的混合气体进入到气体分离系统中将合成气从未反应CO2气体和未反应天然气中分离出来，合成气经过变压分离后的H2/CO比例范围为1-5。优选地，SOEC系统的运行温度为550℃-850℃。更优选地，电解池的两端施加的电流在0.1A-100A，优选10A-20A；电压在0.1V-10V，优选0.6V-1V。根据本专利技术的高温电化学装置辅助制备合成气的装置，通过SOEC系统和双重整系统的耦合，可以利用工业废气和天然气来制备不同比例的合成气(H2/CO)，通过调节原料的比例可以改变最终产物H2/CO合成气的组成，既能实现工业废气的再利用，降低碳排放，又能制备合成气，变废为宝。相对于现有技术中的在负极通入CO2的固体氧化电解池，本专利技术中仅在负极通入水蒸气，并产生氢气和氧气，不存在积碳等问题。相对于现有技术中的需要额外引入氢气和氧气的双重整系统，本专利技术利用系统内的自产高纯氢气和氧气，无需额外增加设备投资。另外，本专利技术的SOEC系统与双重整系统相结合克服了诸多技术难题：首先，SOEC系统出口产生纯氢气和高温水蒸气，过量水蒸气将导致双重整系统中的催化剂产生“毒化”现象从而降低催化剂的催化活性，最终使得催化床失效，因此需对前系统的产品进行预处理，本申请采用金属Pd膜分离器能够对水分子和H2分子在高温下进行分离，该工艺区别于传统的低温水蒸气液化分离工艺，不会导致气体的热量流失，避免了双重整系统用氢时再加热的繁琐本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高温电化学装置辅助制备合成气的装置，其特征在于，其包括：/n脱水处理装置，其与工业废气连通以从工业废气中分离出水蒸气后得到剩余气体；/nSOEC系统，其与脱水处理装置连通以在SOEC系统中电解水蒸气得到氢气和氧气；/n第一脱硫处理装置，其与剩余气体连通以将剩余气体进行脱硫处理得到高纯CO

【技术特征摘要】
1.一种高温电化学装置辅助制备合成气的装置，其特征在于，其包括：
脱水处理装置，其与工业废气连通以从工业废气中分离出水蒸气后得到剩余气体；
SOEC系统，其与脱水处理装置连通以在SOEC系统中电解水蒸气得到氢气和氧气；
第一脱硫处理装置，其与剩余气体连通以将剩余气体进行脱硫处理得到高纯CO2气体；
第二脱硫处理装置，其与天然气连通以将天然气进行脱硫处理得到高纯CH4气体；
连接在SOEC系统下游的双重整系统，其包括第一反应室和第二反应室，其中，第一反应室分别与第一脱硫处理装置和SOEC系统连接以利用高纯CO2气体和氢气进行逆水煤气变换反应制备合成气，第二反应室分别与第二脱硫处理装置和SOEC系统连接以利用高纯CH4气体和氧气进行部分氧化反应制备合成气。


2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，SOEC系统的氢气和水蒸气混合气通过金属Pd膜分离器进行高温分离得到氢气。


3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该第一脱硫处理装置连接在SOEC系统的下游以利用SOEC系统得到的一部分氢气进行剩余气体的加氢脱硫，其中，SOEC系统得到的一部分氢气作为脱硫处理的原料与剩余气体中的含硫化合物反应完成脱硫。


4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该第二脱硫处理装置连接在SOEC系统的下游以利用SOEC系统得到的另一部分氢气进行天然气的加氢脱硫，其中，SOEC系统得到的另一部分氢气作为脱硫处理的原料与天然气中的含硫化合物反应完成脱硫。


5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，高纯CO2气体和/或高纯CH4气体的硫含量分别低于0.1ppm。


6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置还包括连接在双重整系统下游的气体分离系统，来自于第一反应室和第二反应室的混合气体进入到气体分离系统中分离出合成气。


7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，该气体分离系统包括低压储罐、增压泵和变压吸附气体分离装置，其中，低压储罐与第一反应室和第二反应室连通以储存包括第一反应室和第二反应室制备的合成气、未反应CO2气体和未反应天然气的混合气体，用于进行增压的增压泵设置在低压储罐和变压吸附气体分离装...

【专利技术属性】
技术研发人员：王建强，程付鹏，关成志，陆越，万松，
申请(专利权)人：中国科学院上海应用物理研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31