Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ И СИСТЕМА ЭФФЕКТИВНОЙ ПАРОГАЗОВОЙ КОГЕНЕРАЦИИ, ОСНОВАННЫЕ НА ГАЗИФИКАЦИИ И МЕТАНИРОВАНИИ БИОМАССЫ

Область техники

Изобретение относится к области получения энергии на основе биомассы и, в частности, к способу и системе парогазовой когенерации, основанным на газификации и метанировании биомассы, такой как рисовая шелуха, солома и древесные опилки.

Уровень техники изобретения

В последние годы с развитием экономики и общества спрос на природный газ быстро растет, поэтому в 21-м веке природный газ станет источником энергии с самым быстрым ростом потребления. Однако возможность обеспечения Китая природным газом относительно отстает, приводя к резкому несоответствию между спросом и предложением природного газа. Таким образом, по-прежнему необходимо расширять поставки ресурсов по многим каналам и многими способами на основе имеющихся ресурсов Китая для удовлетворения растущей потребности рынка. По-прежнему необходимо не только разрабатывать внутренние ресурсы природного газа и вводить в оборот зарубежные ресурсы природного газа, но также и использовать огромные ресурсы биомассы в Китае для активной разработки заменителя природного газа, получаемого из биомассы и облегчающего напряженную ситуацию с поставками природного газа, что имеет стратегическое значение для осуществления постепенной замены нефтяных и газовых ресурсов, энергобезопасности, энергосбережения и сокращения выбросов.

Неочищенный сингаз, полученный в результате газификации биомассы, содержит большое количество СО, H₂, CO₂, и т.д. и не подходит для прямого использования в качестве городского газа и топлива для электростанций комбинированного цикла из-за его низкой теплотворной способности и токсичности CO. Природный газ подходит для использования в качестве городского газа и топлива для электростанций с комбинированным циклом по причине его высокой теплотворной способности и отсутствию токсичности. В присутствии катализатора СО и СО₂ могут быть полностью превращены в метан, который является синтетическим заменителем природного газа (ЗПГ). Основная реакция метанирования выглядит следующим образом:

СО+3Н₂=>СН₄+Н₂О ΔH₀ ^θ=-206 кДж/моль

Исходя из характеристик сильно экзотермической реакции метанирования маршрут реакции метанирования разрабатывают, главным образом, принимая во внимание регулирование и утилизацию теплоты реакции. Теплота реакции может достигать примерно 20% теплотворной способности сингаза, поэтому эффективная утилизация теплоты существенно важна для любой технологии метанирования.

Все большее значение придается технологии комбинированного цикла производства электроэнергии с внутрицикловой газификацией биомассы (BIGCC) как новой экологически чистой и высокоэффективной технологии производства энергии из биомассы, обладающей преимуществами высокого КПД выработки электроэнергии и снижения эмиссии CO₂.

Это может не только решить проблему нетранспортабельности биомассы на дальние расстояния и способствовать эффективному и экологически чистому использованию биомассы, но и эффективно уменьшить несоответствие между спросом и предложением природного газа с использованием существующих газопроводов при более низких экономических затратах, что является сильным основанием для полной утилизации биомассы.

В патенте CN 101245262, озаглавленном «Gas-steam combined cycle system and process based on coal gasification and methanation», сырье получают из невозобновляемого угля с низкой теплотворной способностью; в реакции метанирования используется молибденосульфидный катализатор, поэтому эффективность конверсии сингаза низкая, производственная мощность в значительной степени ограничена и практическое использование затруднено. Крупномасштабное применение оказывается еще более трудным из-за сложной конструкции, сложной структуры и высокой стоимости изготовления изотермического реактора, трудной механической амплификации, трудной загрузки и выгрузки катализатора и т.д. Кроме того, реакция протекает в изотермическом реакторе при 210-280°С, поэтому трудно получить высококачественный пар и эффективно утилизировать теплоту реакции.

В патенте CN 100582201C, озаглавленном «Combined System and Process for Producing Electricity-Substituted Natural Gas Based on Coal Gasification and Methanation», сырье получают из невозобновляемого угля с низкой теплотворной способностью; реакция метанирования осуществляется в высокотемпературном реакторе и низкотемпературном реакторе. Этот способ предъявляет жесткие требования к катализатору, обладает низкой эффективностью теплообмена между полученным газом и системой циркуляции пара в способе и низкой эффективностью утилизации теплоты реакции метанирования.

Сущность изобретения

Изобретение предлагает способ и систему парогазовой когенерации на основе полного использования газификации биомассы при высокой температуре и высоком давлении и метанирования в неподвижном слое с адиабатической циркуляцией. В то же время в способе может образовываться большое количество перегретого пара и заменителя природного газа с высокой эффективностью.

Техническая схема изобретения заключается в том, что способ парогазовой когенерации, основанный на газификации и метанировании биомассы, включает следующие стадии:

1) газификации биомассы: смешивание кислорода и водяного пара, полученного из воздухоразделительной установки, с биомассой, транспортировку образующейся в результате смеси через сопло в газификатор, газификацию биомассы при температуре 1500-1800°С и давлении 1-3 МПа с получением неочищенного газифицированного газа и транспортировку перегретого пара, имеющего давление 5-6 МПа, полученного в результате рациональной утилизации тепла, к паровой турбине;

2) конверсии и очистки: в соответствии с требованиями реакции метанирования корректировка отношения водород/углерод неочищенного газифицированного газа, образованного на стадии 1), до 3:1 с использованием реакции конверсии и элюирование неочищенного газифицированного газа с использованием низкотемпературного метанола для десульфуризации и декарбонизации, в результате чего получают очищенный сингаз;

3) метанирования: введения очищенного сингаза со стадии 2) в секцию метанирования, состоящую из секции первичного метанирования и секции вторичного метанирования, причем секция первичного метанирования содержит первый реактор первичного метанирования и второй реактор первичного метанирования, соединенные последовательно; предоставления возможности части технологического газа из второго реактора первичного метанирования вернуться к входу первого реактора первичного метанирования для смешивания со свежим подаваемым газом и далее войти в первый реактор первичного метанирования, так что концентрация реагентов на входе первого реактора первичного метанирования уменьшается и температура слоя катализатора регулируется технологическим газом; введения сингаза после первичного метанирования в секцию вторичного метанирования, содержащую первый реактор вторичного метанирования и второй реактор вторичного метанирования, соединенные последовательно, где небольшое количество непрореагировавшего СО и большое количество CO₂ превращается в CH₄; и транспортировка перегретого пара промежуточного давления, образованного в секции метанирования, к паровой турбине; и

4) концентрирования метана: концентрирования метана синтетического природного газа, содержащего следовые количества азота и водяного пара, полученного на стадии 3), с помощью адсорбции при переменном давлении, так что молярная концентрация метана достигает 96% и теплотворная способность синтетического природного газа достигает 8256 ккал/Nм³.

Смесь со стадии 1) вводится через сопло в газификатор со слоем воздушной подачи со скоростью 100-120 м/с для газификации в параллельном потоке.

Неочищенный газифицированный газ из верхней боковой части газификатора на стадии 1) регулируют для получения температуры 1200-1500°C; отходящую теплоту неочищенного газифицированного газа утилизируют с помощью котла-утилизатора отработанного тепла с образованием перегретого пара промежуточного давления, часть которого смешивают с кислородом, который является газифицирующим агентом, и остальную часть направляют к паровой турбине; после утилизации тепла температура газифицированного газа падает до 220-280°C; газифицированный газ очищают с помощью двухступенчатого циклонного сепаратора для удаления пыли и охлаждают с помощью промывочной башни, чтобы снизить температуру газифицированного газа до 50-55°C, уменьшить содержание пыли до менее 50 мг/м³, и газифицированный газ содержит СО, H₂ и N₂.

Очищенный сингаз со стадии 3) разделяется на два равных потока, содержащих первый подаваемый газ и второй подаваемый газ, которые соответственно входят в первый реактор первичного метанирования и второй реактор первичного метанирования; первый подаваемый газ сначала смешивается с технологическим газом и затем поступает в каталитический слой первого реактора первичного метанирования для реакции метанирования, его температуру регулируют до 300-330°C; температура на выходе газовой смеси составляет 600-630°C; перегретый пар промежуточного давления образуется с помощью первого котла-утилизатора отработанного тепла и первого пароперегревателя; технологический газ из первого пароперегревателя смешивается со вторым подаваемым газом и затем поступает во второй реактор первичного метанирования для осуществления реакции метанирования при 300-330°C; температура на выходе технологического газа из второго реактора первичного метанирования составляет 600-630°C; технологический газ из второго реактора первичного метанирования проходит через второй котел-утилизатор отработанного тепла и второй пароперегреватель с образованием перегретого пара промежуточного давления; технологический газ из второго реактора первичного метанирования разделяется на два потока: один поток составляет 30-40% и поступает в первый реактор первичного метанирования через рециркуляционный компрессор; другой поток составляет 60-70% и входит в первый реактор вторичного метанирования; технологический газ охлаждается до 270-290°C и входит в первый реактор вторичного метанирования для дополнительной реакции метанирования; температура на выходе газовой смеси из первого реактора вторичного метанирования составляет 440-460°C и температура на входе подаваемого газа второго реактора вторичного метанирования составляет 270-290°C; и перегретый пар промежуточного давления, образованный в результате реакции метанирования, транспортируется к паровой турбине.

Давление перегретого пара промежуточного давления, который образуется с помощью первого/второго котла-утилизатора отработанного тепла и первого/второго пароперегревателя в секции первичного метанирования, составляет 4,5-5 МПа.

В реакции метанирования на стадии 3) используется высокая концентрация никеля в качестве катализатора при температуре реакции 270-630°С, давлении 1-3 МПа и формуле реакции CO+3H₂=CH₄+H₂О, ΔH₀ ^θ=-206 кДж/моль.

После того как технологический газ из второго реактора первичного метанирования охлаждается с помощью второго котла-утилизатора отработанного тепла и второго пароперегревателя, первый поток, поступающий в первый реактор первичного метанирования через рециркуляционный компрессор, составляет 60-70% и второй поток, входящий в первый реактор вторичного метанирования, составляет 30-40%.

Система парогазовой когенерации, основанная на газификации и метанировании биомассы, включает: секцию газификации, секцию конверсии, секцию очистки, секцию метанирования и секцию концентрирования метана; котел-утилизатор отработанного тепла предусмотрен в соединении с верхней частью газификатора секции газификации; отходящее тепло неочищенного газифицированного газа из газификатора утилизируется котлом-утилизатором отработанного тепла с образованием на выходе перегретого пара промежуточного давления, который транспортируется к паровой турбине; внешний термостатный высокотемпературный нагреватель предусмотрен в сегменте выпуска газифицированного газа газификатора для сохранения температуры газификации внутри газификатора на уровне 1500-1800°C; и температура неочищенного газифицированного газа из газификатора регулируется при 1200-1500°C.

Секция метанирования включает секцию первичного метанирования и секцию вторичного метанирования; секция первичного метанирования содержит первый реактор первичного метанирования и второй реактор первичного метанирования, соединенные последовательно; выход из второго реактора первичного метанирования снабжен двумя отводными линиями: одна отводная линия соединена со входом первого реактора первичного метанирования, так что технологический газ в ней смешивается со свежим подаваемым газом и затем входит в первый реактор первичного метанирования; другая отводная линия соединена с секцией вторичного метанирования, которая содержит первый реактор вторичного метанирования и второй реактор вторичного метанирования, соединенные последовательно; и второй реактор вторичного метанирования соединен с секцией концентрирования метана.

Теплота реакции газовой смеси на выходе из первого реактора первичного метанирования утилизируется с помощью первого котла-утилизатора отработанного тепла и первого пароперегревателя, и теплота реакции газовой смеси на выходе из второго реактора первичного метанирования утилизируется вторым котлом-утилизатором отработанного тепла и вторым пароперегревателем; и образованный в них перегретый пар промежуточного давления транспортируется к паровой турбине.

Изобретение имеет следующие преимущества: (1) газификатор использует внешний термостатный высокотемпературный источник тепла, который может значительно повышать содержание активных компонентов СО и Н₂ и повышать эффективность газификации биомассы; (2) как правило, при газификации биомассы образуется большое количество смолы. Высокая температура секции газификации может существенно уменьшить образование смолы, улучшить конверсию углерода и сберечь затраты на устройство удаления смолы. (3) Реакция метанирования достигает 100% степени конверсии CO, 99% степени конверсии H₂ и одновременно образует большое количество побочного продукта (перегретого пара промежуточного давления) и уменьшает энергопотребление рециркуляционного компрессора в традиционной реакции метанирования; (4) Самое большое преимущество изобретения заключается в том, что оно может не только превращать энергию биомассы в чистый и удобный для использования природный газ с высокой теплотворной способностью, но также эффективно утилизирует большое количество тепла, высвободившегося в результате газификации и метанирования биомассы, в виде образования высококачественного перегретого пара.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 представлена технологическая схема способа парогазовой когенерации на основе газификации и метанирования биомассы по изобретению;

На фиг. 2 представлена принципиальная схема секции газификации по изобретению; и

На фиг. 3 представлена принципиальная схема секции метанирования по изобретению.

Подробное описание вариантов осуществления

Изобретение далее проиллюстрировано более подробно с учетом чертежей и вариантов осуществления, которые не предназначены для ограничения защищаемого объема изобретения.

Как показано на фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3:

Стадия 1): Рисовая солома, стебли зерновых культур и другая биомасса высушивалась, измельчалась и сортировалась. Сырье биомассы с диаметром или максимальной длиной менее 2 мм непосредственно транспортировалось в газификатор с высокотемпературным слоем воздушной подачи с помощью шнекового питателя. Давление в газификаторе составляло 1-3 МПа. Внешний термостатный высокотемпературный нагреватель предусмотрен в сегменте выпуска газифицированного газа из газификатора биомассы для сохранения температуры газификации внутри газификатора на уровне 1500-1800°С и обеспечения интенсивности газификации, качества газифицированного газа и усиленного процесса теплопередачи. В качестве газифицирующего агента предварительно смешивались перегретый водяной пар и кислород и затем в полной мере смешивались с обработанной биомассой. Смесь инжектировалась в газификатор с помощью специального сопла со скоростью 100-120 м/с для газификации в параллельном потоке. В связи с малым размером частиц и сильной способностью теплопередачи слоя с воздушной подачей сырье нагревалось до температуры печи сразу после того, как оно поступало в печь. Почти одновременно происходили испарение влаги, разложение летучих веществ, крекинг смолы, сжигание углерода и газификация. Зола, содержащая щелочные металлы, превращалась в жидкий шлак и затем непосредственно отводилась. Мелкие частицы биомассы находились в реакционной зоне менее 3 с, быстро газифицировались до плавления и, соответственно, разделялись потоком газа высокой скорости без явлений слипания и когезии и т.д. Неочищенный газифицированный газ из верхней боковой части газификатора регулировали при температуре 1200-1500°C. Верхняя часть газификатора соединена с котлом-утилизатором отработанного тепла. Неочищенный газифицированный газ из газификатора поступает в котел-утилизатор отработанного тепла для утилизации отходящего тепла и производит большое количество пара. После утилизации тепла температура газифицированного газа падает до 220-280°C. Затем большая часть пыли и водяного пара в газифицированном газе очищалась и охлаждалась с помощью двухступенчатых циклонных сепараторов и промывочной башни так, чтобы снизить температуру газифицированного газа до примерно 50-55°С, снизить содержание пыли до менее 50 мг/м³ и создать газифицированный газ, содержащий преимущественно СО, H₂ и N₂.

Стадия 2): После промывки и удаления пыли неочищенный газифицированный газ поступал в процесс конверсии с устойчивостью к сере, при этом отношение H₂, СО и СО₂ в нем доводили до отношения водород/углерод 3:1, и подавляющее большинство органической серы в нем превращалось в неорганическую серу. Затем газ очищали и промывали метанолом при низкой температуре, так что метанол использовался для удаления нежелательного CО₂ и всех сульфидов реакции метанирования технологического газа, и состав технологического газа достигал соответствия требованиям производства метана. Метанол, богатый CО₂, H₂S и COS, регенерировали с помощью мгновенного испарения при пониженном давлении и десорбции азотом и т.д. и его охлаждающую способность восстанавливали для повторного использования.

Стадия 3) метанирование: Очищенный сингаз со стадии 2) при скорректированном отношении водород/углерод мог разделяться на два приблизительно равных потока, которые поступали соответственно в первый реактор первичного метанирования и второй реактор первичного метанирования. Подаваемый газ, поступающий в первый реактор метанирования, сначала смешивался с газовым рециркулятом. Газовая смесь при 300-330°C поступала в каталитический слой адиабатического реактора, где осуществлялась экзотермическая реакция метанирования. Температура на выходе горячего газа составляла примерно 600-630°C, и горячий газ использовался для получения перегретого пара промежуточного давления в первом котле-утилизаторе отработанного тепла и для перегрева перегретого пара промежуточного давления в первом пароперегревателе. Технологический газ из первого пароперегревателя смешивался с другим потоком свежего подаваемого газа. Газовая смесь при 300-330°C поступала во второй реактор метанирования для дополнительной реакции метанирования.

Температура на выходе газа из второго реактора первичного метанирования составляла примерно 600-630°C, что использовалось для получения пара во втором котле-утилизаторе отработанного тепла и предварительного нагревания газового рециркулята во втором пароперегревателе. Горячий технологический газ из второго котла-утилизатора отработанного тепла разделялся на два потока: один поток составлял 30-40% и поступал в первый реактор первичного метанирования через рециркуляционный компрессор; другой поток составлял 60-70% и поступал в первый реактор вторичного метанирования.

Температура на входе подаваемого газа во второй реактор вторичного метанирования составляла 270-290°C, и дополнительная реакция метанирования осуществлялась во втором реакторе вторичного метанирования для достижения соответствия техническим требованиям ЗПГ-продукта. Перегретый пар промежуточного давления, образованный в результате реакции метанирования, транспортировался к паровой турбине.

Давление перегретого пара промежуточного давления, полученного с помощью котла-утилизатора отработанного тепла и пароперегревателя при утилизации тепла реакции на стадии первичного метанирования, составляло 4,5-5 МПа.

Метанирование осуществлялось при высокой концентрации никеля в качестве катализатора при температуре реакции 270-630°C, давлении 1-3 МПа и по реакции CO+3H₂=CH₄+H₂О, ΔH₀ ^θ=-206 кДж/моль.

Стадия 4) концентрирование метана: После концентрирования метана с помощью адсорбции неочищенного природного газа при переменном давлении получали заменитель природного газа, соответствующий национальному стандарту. Как правило, природный газ поступает в городской газопровод как газ бытового назначения и может также поступать в газовую турбину для выработки электроэнергии в случае ее нехватки.

Как показано на фиг. 1, способ и система парогазовой когенерации, основанные на газификации и метанировании биомассы, включают секцию газификации, секцию конверсии, секцию очистки, секцию метанирования и секцию концентрирования метана.

Как показано на фиг. 2, котел-утилизатор отработанного тепла предусмотрен в соединении с верхней частью газификатора секции газификации. Перегретый пар промежуточного давления образуется котлом-утилизатором отработанного тепла с помощью утилизации отходящего тепла неочищенного газифицированного газа из газификатора и транспортируется к паровой турбине. Внешний термостатный высокотемпературный нагреватель предусмотрен в сегменте выпуска газифицированного газа из газификатора биомассы для сохранения температуры газификации внутри газификатора на уровне 1500-1800°С. Неочищенный газифицированный газ из газификатора регулируют при температуре 1200-1500°C.

Как показано на фиг. 3, секция метанирования включает секцию первичного метанирования и секцию вторичного метанирования. Секция первичного метанирования состоит из двух реакторов, соединенных последовательно, с двумя реакторами, соединенными параллельно на каждой ступени. Выход из второго реактора первичного метанирования снабжен двумя отводными линиями: одна отводная линия соединена со входом первого реактора первичного метанирования, так что технологический газ в ней смешивается со свежим подаваемым газом и затем входит в первый реактор первичного метанирования; другая отводная линия соединена с секцией вторичного метанирования, которая содержит первый реактор вторичного метанирования и второй реактор вторичного метанирования, соединенные последовательно. Второй реактор вторичного метанирования соединен с секцией концентрирования метана. После второй ступени первичного метанирования часть технологического газа возвращается ко входу первого реактора первичного метанирования, смешивается со свежим подаваемым газом и далее поступает в первый реактор первичного метанирования, чтобы снизить концентрацию реагента на входе реактора первичного метанирования. С другой стороны, рециркулят технологического газа используют для нагрева инертной среды для регулирования температуры слоя катализатора. Подавляющая часть реакции метанирования завершается на стадии первичного метанирования. Температура реакции вторичного метанирования ниже, чем температура реакции первичного метанирования. Данная стадия состоит из двух реакторов вторичного метанирования, соединенных последовательно, и конвертирует небольшое количество непрореагировавшего СО и большую часть CO₂ в СН₄. Полученный газ со стадии метанирования транспортируется на стадию концентрирования метана.

Теплота реакции газовой смеси на выходе из первого реактора первичного метанирования утилизируется с помощью первого котла-утилизатора отработанного тепла и пароперегревателя, и теплота реакции газовой смеси на выходе из второго реактора первичного метанирования утилизируется вторым котлом-утилизатором отработанного тепла и пароперегревателем. Образованный в них перегретый пар промежуточного давления транспортируется к паровой турбине.

Пример 1

Расчет общей производительности системы при нормальной загрузке сырья биомассы 1000 т/сут.

В примере 1 в качестве газифицируемой биомассы использовали сухую рисовую солому. Ее состав и теплотворная способность приведены в таблице 1.

В примере 1 поступление биомассы составляет 1000 т/сут, и для газификации используется газифицирующий агент, содержащий 93% об. кислорода.

Пример 2

Поступление биомассы составляет 1000 т/сут, и для газификации используется газифицирующий агент, содержащий 98 об.% кислорода.