一种光伏与生物质耦合制备生物天然气系统、制备方法及优化耦合方法技术方案

本发明专利技术公开一种光伏与生物质耦合制备生物天然气系统、制备方法及优化耦合方法，属于及二氧化碳甲烷化技术领域，本发明专利技术针对波动光伏条件下的生物质制生物天然气过程，通过将沼气直接甲烷化和沼气脱碳进行耦合，根据氢气的产生量调节进入甲烷化的沼气流量，多余的沼气则进入碳分离装置并进行CO2储存，通过沼气甲烷化反应器循环量的控制保证反应器的稳定空速、满足转化率要求。同时，将制氢过程产生的氧气用于发酵沼渣富氧燃烧，克服沼渣低热值、高含水量带来的燃烧性能差的问题，同时综合利用沼气甲烷化释放的热量产蒸汽，满足电解制氢和脱碳过程的蒸汽消耗，提高了耦合系统能量效率。率。率。

【技术实现步骤摘要】
一种光伏与生物质耦合制备生物天然气系统、制备方法及优化耦合方法


[0001]本专利技术涉及可再生能源利用领域，尤其涉及一种光伏与生物质耦合制备系统、制备方法及优化耦合方法。

技术介绍

[0002]在当前的低碳背景下，在新型电力系统中，甲烷作为天然气能源的接入已作为实现低碳调度的一个选项。二氧化碳甲烷化反应是二氧化碳资源化利用的重要途径，在减少二氧化碳排放的同时得到甲烷，直接用于现有天然气能源网络。
[0003]根据已经公开文献，以生物质为原料，通过厌氧发酵生产沼气，再利用氢气进行甲烷化反应，可以将沼气直接转化为生物天然气。但当氢气波动时，常规的方法是采用沼气储存的形式，即根据氢气的流量计算所需的沼气量，通过控制沼气流量以满足氢气的消耗，同时多余或不足的沼气通过储罐提供。然而，当规模较大时，沼气的储存本身存在安全风险。
[0004]经检索专利文献库，未查到明确的解决方案。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题是在进行大规模工业化安全生产生物天然气过程中的提高生产转化效率的问题，本专利技术的目的旨在提供一种可应用于工业化生产的场景，通过对生物天然气转化系统及制备方法进行优化设计，既能适应制氢波动性，又能避免可燃气体储存的问题，同时又促进整个生产系统的综合高产能的技术方案。
[0006]本专利技术采用的技术方案是：一种光伏与生物质耦合制备生物天然气系统，包括：固体氧化物电解池中，利用光伏电能将水蒸气电解出氢气和富氧空气；厌氧发酵池中，生物质经厌氧发酵产生沼气和沼渣；蒸汽锅炉，利用沼渣为燃料，产出水蒸气；气体分配器，调节沼气或CO2，在CO2吸收塔与沼气甲烷化反应器的流量分配；CO2吸收塔，塔内采用逆流操作，有机胺吸收剂吸收沼气中的CO2形成富液，产出的富含甲烷的气体；CO2解吸塔，塔内逆向接触，将吸收CO2的富液分离出CO2，脱碳后的有机胺吸收剂作为料液回流到CO2吸收塔；沼气甲烷化反应器，吸入氢气与沼气中脱碳后的CO2甲烷化反应，产出生物天然气；天然气管网，富含甲烷的气体与生物天然气耦合后进入天然气管网。
[0007]采用高温固体氧化物电解池制备氢气，可以很好的与沼气甲烷化进行热量耦合，提高甲烷化放热的利用效率，并进一步提高整体能量效率。
[0008]电解水制氢需要消耗大量的电能，目前的储电和储氢成本依然非常高，采用光伏发电提供所需电能是一种有效的解决方式。后端的生物天然气转化过程需要快速地适应光伏制氢的波动性，通过综合系统的耦合生产，可有效提高整体能源利用效率。
[0009]生物天然气转化过程包括生物质发酵得到沼气，经过净化后，与电解得到的氢气进行甲烷化反应，脱水后得到生物天然气。同时，生物质产沼气只能利用其中的易于消化的有机物，其他的如纤维素、木质素等组分难以转化，形成的酵渣由于热值低、含水量高，常规
处理方法通常只能用作堆肥，难以利用其热量，但通过本专利技术可以综合利用酵渣生产水蒸气，从而提高整体能源利用效率。固体氧化物电解池采用高温电解，可提高制氢能力。
[0010]通过将沼气直接甲烷化和沼气脱碳进行耦合，根据氢气的产生量调节进入甲烷化的沼气流量，多余的沼气则进入碳分离装置，得到的甲烷和甲烷化得到的生物天然气一同输出到天然气管网，分离的CO2进行存储，用于高氢气产生量时补充所需CO2。另一方面，将制氢过程产生的氧气用于发酵沼渣富氧燃烧，克服沼渣低热值、高含水量带来的燃烧性能差的问题，同时综合利用沼气甲烷化释放的热量产蒸汽，满足电解制氢和脱碳过程的蒸汽消耗，提高系统能量效率。
[0011]在本方案中，进一步地，固体氧化物电解池中采用高温加压电解，解析出的富氧空气进入蒸汽锅炉，用于沼渣的富氧燃烧；蒸汽锅炉产出的水蒸气用于进入固体氧化物电解池，或用于进入CO2解吸塔；CO2储罐将CO2解吸塔析出的CO2转储后，经气体分配器分配给沼气甲烷化反应器，参与CO2甲烷化反应；沼气甲烷化反应器通过热回收与循环装置产出生物天然气；热回收与循环装置的部分气体回收热量后循环回沼气甲烷化反应器，调节循环气的流量。
[0012]将产出的氧气用于沼渣的富氧燃烧，将蒸汽锅炉产出的水蒸气用于进入固体氧化物电解池，将沼气中的CO2析出后，参与CO2甲烷化反应，进一步提高综合利用效率。采用高温加压电解，能进一步提高制氢能力。通过热回收与循环装置进一步提高了能源利用效率。
[0013]本专利技术采用的另一种技术方案是：一种光伏与生物质耦合制备生物天然气的制备方法，包括以下步骤：S1：利用厌氧发酵池，获取生物质经厌氧发酵后产生的沼气和沼渣；S2：利用蒸汽锅炉，以沼渣为燃料，利用固体氧化物电解池析出的富氧空气进行燃烧，产出水蒸气；S2：利用光伏电能，在固体氧化物电解池中，引入蒸汽锅炉产出的水蒸气，并电解出氢气和富氧空气，氢气进入沼气甲烷化反应器；S4：利用CO2吸收塔与CO2解吸塔构成的沼气提纯机构，提纯后产出甲烷，水析后产出CO2；S5：通过气体分配器调节沼气在CO2吸收塔与沼气甲烷化反应器的流量分配，调节CO2进入沼气甲烷化反应器的流量波动性；S6：甲烷与生物天然气经耦合后进入天然气管网。
[0014]通过将沼气直接分离甲烷和沼气脱碳进行耦合步骤配合处理，水蒸气的综合利用、氢气的产生量调节、分离得到的甲烷和甲烷化后得到的生物天然气再一同输出到天然气管网，提高了系统的产量。另一方面，将制氢过程产生的氧气用于发酵沼渣富氧燃烧，克服沼渣低热值、高含水量带来的燃烧性能差的问题，同时综合利用沼气甲烷化释放的热量产蒸汽，满足电解制氢和脱碳过程的蒸汽消耗，提高系统能量转化效率。
[0015]在本方案中，进一步地，沼气甲烷化反应器出口连接热回收和循环装置产出生物天然气，热回收和循环装置的部分气体回收热量后循环到沼气甲烷化反应器，调节循环气的流量分配，稳定氢气波动。
[0016]更进一步地，热回收和循环装置，其循环气与输出的生物天然气的流量比为1:1～10:1。
[0017]更进一步地，沼气甲烷化反应器，其氢气波动时反应器内的空速维持稳定，稳定的空速范围为1000～1000h
‑1，CO2转化率不低于98％，反应温度为250～450℃。
[0018]更进一步地，蒸汽锅炉，采用富氧空气作为助燃剂，生产的蒸汽因素为：压力不低于0.3MPa，过热温度不低于600℃。
[0019]蒸汽锅炉还可采用：以富氧空气作为助燃剂，生产的蒸汽因素为：压力不低于1MPa，温度不低于200℃。
[0020]更进一步地，气体分配器，维持沼气甲烷化反应器中的H2/CO2的摩尔比为4:1～4.1:1。
[0021]本专利技术采用的另一种技术方案是：一种光伏与生物质耦合制备生物天然气的优化耦合方法，包括以下步骤：T1：构建基于厌氧发酵池、固体氧化物电解池和沼气甲烷化反应器耦合制备生物天然气的耦合制备系统；T2：考虑耦合制备系统的制备参数，以周期内制备生物天然气能耗成本最低为优化目标，建立耦合制备模型；T3：以固体氧化物电解池产出的氢气、厌氧发酵池产出的沼气及CO2解吸本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光伏与生物质耦合制备生物天然气系统，其特征在于，包括：固体氧化物电解池中，利用光伏电能将水蒸气电解出氢气和富氧空气；厌氧发酵池中，生物质经厌氧发酵产生沼气和沼渣；蒸汽锅炉，利用沼渣为燃料，产出水蒸气；气体分配器，调节沼气及CO2，在CO2吸收塔与沼气甲烷化反应器的流量分配；CO2吸收塔，塔内采用逆流操作，有机胺吸收剂吸收沼气中的CO2形成富液，产出的富含甲烷的气体；CO2解吸塔，塔内逆向接触，将吸收CO2的富液分离出CO2，脱碳后的有机胺吸收剂作为料液回流到CO2吸收塔；沼气甲烷化反应器，吸入氢气与沼气中脱碳后的CO2甲烷化反应，产出生物天然气；天然气管网，富含甲烷的气体与生物天然气耦合后进入天然气管网。2.根据权利要求1所述的光伏与生物质耦合制备生物天然气系统，其特征在于：固体氧化物电解池中采用高温加压电解，解析出的富氧空气进入蒸汽锅炉，参与沼渣的富氧燃烧；蒸汽锅炉产出的水蒸气，引入固体氧化物电解池，引入CO2解吸塔；CO2储罐将CO2解吸塔析出的CO2转储后，经气体分配器分配给沼气甲烷化反应器，参与CO2甲烷化反应；沼气甲烷化反应器通过热回收与循环装置产出生物天然气；热回收与循环装置的部分气体回收热量后循环回沼气甲烷化反应器，调节循环气的流量。3.一种光伏与生物质耦合制备生物天然气的制备方法，适于权利要求1或2的光伏与生物质耦合制生物天然气系统，其特征在于，包括：S1：利用厌氧发酵池，获取生物质经厌氧发酵后产生的沼气和沼渣；S2：利用蒸汽锅炉，以沼渣为燃料，利用固体氧化物电解池析出的富氧空气进行燃烧，产出水蒸气；S2：利用光伏电能，在固体氧化物电解池中，引入蒸汽锅炉产出的水蒸气，并电解出氢气和富氧空气，氢气进入沼气甲烷化反应器；S4：利用CO2吸收塔与CO2解吸塔构成的沼气提纯机构，提纯后产出甲烷，水析后产出CO2；S5：通过气体分配器调节沼气在CO2吸收塔与沼气甲烷化反应器的流量分配，调节CO2进入沼气甲烷化反应器的流量波动性；S6：甲烷与生物天然气经耦合后进入天然气管网。4.根据权利要求3所述光伏与生物质耦合制备生物天然气的制备方法，其特征在于：沼气甲烷化反应器出口连接热回收...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯华，章寒冰，叶吉超，胡鑫威，卢武，徐永海，姜殿佳，季奥颖，王鹏，项鸿浩，
申请(专利权)人：国网浙江省电力有限公司丽水供电公司，
类型：发明
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