使用可再生电能生产烃的烃生产设备和方法

摘要

本发明涉及由固体、液体或气态含碳载体生产气态和/或液体烃的烃生产设备，其包括用于生产一氧化碳可持续的气化气体的气化器，用于由一氧化碳和水蒸气生产氢气和二氧化碳的变换过程，和用于由一氧化碳和氢气生产气态和/或液体烃的合成过程。此外，本发明涉及使用本发明的烃生产设备的烃生产方法。

说明书

本发明涉及由固体、液体或气态含碳载体生产气态和/或液体烃的烃生产设备，所述烃生产设备包括气化器，所述气化器用于生产包含一氧化碳的气化气体；变换过程，所述变换过程用于由一氧化碳和水蒸气生产氢气和二氧化碳；和合成过程，所述合成过程用于由一氧化碳和氢气生产气态和/或液体烃。此外本发明涉及使用本发明的烃生产设备的烃生产方法。

本发明的领域是全球、区域和局部电力生产和分配，用于使用液体和气态烃的化学工业和能源部门和使用可再生燃料的能源以及交通部门的全球、区域和局部供应。

在本发明的描述中，可再生电能被理解为由太阳能装置、风力涡轮机或水力发电站等生产的过量的可再生电能，所述可再生电能不会用于实际电力需要或在其中电力不会运输至下一个可能的客户的区域中生产。重要的是理解石化能源对于本发明是很不利的，因此它不用作本发明所需电能。

根据现有技术由含碳燃料、废物和残渣生产液体和气态烃利用含氧气的气化物质或试剂将原料气化为主要由一氧化碳和氢气组成的合成气。然后利用常规合成过程将合成气转化为液体或气态烃。使用气流床气化器、变换过程和甲烷合成生产烃是已有的有效技术。

取决于初始物料的品质，可能必要的是对这些物料进行制备以满足各自进入和气化过程的特定要求。制备方法是通过热解、焙干、水热碳化等干燥、压碎/磨碎、热分解含碳气体和/或液体和固体形式的初始物料。

在烃合成中，将主要由一氧化碳和氢气组成的合成气转化为烃，伴随能量的释放。液体烃的合成过程也是公知的，例如甲醇合成(Lurgi低压压力过程)，费-托合成，二甲醚合成等。

对于根据现有技术合成气态烃，基本上已知和使用由一氧化碳和氢气生产甲烷。因为低价的天然气，之前由一氧化碳和氢气生产甲烷未在工业上使用。

因为原料的组成，来自含碳原料气化的合成气通常包含相对于氢气的过多的一氧化碳。为了设定特定合成方法的合成气中的一氧化碳与氢气的所需的摩尔比例，通常根据均相水煤气变换反应在变换过程中将一部分一氧化碳与水蒸气转化以形成氢气和二氧化碳。所得的二氧化碳通过适合的方法例如Rectisol或Selexol洗涤、单乙醇胺洗涤或膜分离方法从合成气除去，和排放至大气。导致波动的气体质量的过程设计或原料组成的变化通过控制变换过程而平衡，因此存在用于合成的可获得的恒定的气体质量。

对能源和原材料例如化石燃料、油、气体以及将来还有煤的需求不断增长，但因为资源有限，服务于所有需求将面临问题。然后，存在对于降低二氧化碳排放以保持环境绿色和清洁的不断增长的需求。闭合碳循环是任务。

因为由太阳能和风力生产电能的设施的扩张、日常和季节性和天气相关的变化以及电力分配网络中的空间和时间超负荷，需要储存和运输可再生电能，尤其是过量的可再生电能，和不关闭能源生产设施。

通常用于生产电能的系统远离客户和通常在远离能源需求的位点的位置处出现，因此必须存在长距离运输能源的方式，这还与运输的高成本和大量的损失相关。

补偿电网中局部超额容量的一个选项是具有足够传输容量的配电网或网络的扩张。电网的扩张是耗时且昂贵的，不能单独明显地解决问题。

补偿电网中局部超额容量的另一个方式是储存大量的电能，如在电气、化学、电化学或机械贮罐中。

因此，需要开发具有高储存容量和还高储存效率的储存技术。还聚焦在储存的能源的电力再生。通过使用一氧化碳和/或二氧化碳与氢气的转化以甲烷的形式储存可再生电能是重要的因素，因此气体运输网，天然气网络基本上是生产的甲烷的无限贮罐且几乎可在任何位置处获得。由此储存的能源可以容易再利用。

现有技术的问题

文献WO2005/056737描述了由固体碳载体通过气化固体碳载体生产液体能源载体的方法和装置。氢气和一氧化碳的合成所需的摩尔比例不能通过一氧化碳变换过程调节，但仅通过供应来自水电解的氢气调节。来自电解的氧气用作气化剂。

但是不存在变换过程同时生产烃要求过程的恒定能源供应以操作电解和以精确的需求生产氢气和氧气。因为使用可再生电能操作电解，该方法可以仅通过控制燃料供应响应于可再生电能的波动和因此降低气化器的性能。

在另一个方面，取决于原料质量，现有技术的气化过程和随后的合成，和利用变换过程生产液体和气态烃，导致缺少碳，同时变换过程产生氢气和二氧化碳(参见R5)。由此形成的二氧化碳从合成气除去和排放至大气。因此这部分碳不再可获得以生产液体和气态烃且还污染了大气。

如文献WO2005/056737中的为了改进通过电解产生的利用碳的氢气，完全放弃利用变换过程控制过程的选项。因此还使用了利用化石燃料产生的电能，这导致由石化源发电的总体增加。

因此，通过在生产化石电力以驱动电解的过程中额外排放的二氧化碳完全抵消了通过添加来自电解的氢气从变换过程节省的二氧化碳排放。

当使用水电解生产1mol H₂时，在变换过程中节省1mol>2排放。为了使用水电解生产1mol的H₂，其中效率为70％，需要344.5kJ的电能，这释放了大于2mol的二氧化碳(燃烧碳：2.4mol；燃烧煤2.1mol)，假定发电效率为35％。

由于在从可再生源生产电能中的日常和季节性和天气相关的波动，从可再生电能生产的能源的供应关系到电网中的区域和时间超负荷增加，这意味着化石基本负荷发电机通常在它们的经济限制下操作和因此停止运行。

本发明的目的

本发明的目的是开发由固体、液体和气态含碳燃料、废物和残渣生产气态和液体烃的方法或过程和烃生产设备，这提高碳利用效率和降低环境有害的二氧化碳的排放。此外，该方法应该适于使用高比例的可再生电能来将其以气态和液体烃的方式减少和储存。因此，将补偿电网中的超额容量的可再生电能。

解决方案

由固体、液体或气态含碳载体生产气态和/或液体烃的烃生产设备包括用于生产一氧化碳可持续的气化气体的气流床气化器，用于由一氧化碳和水蒸气生产氢气和二氧化碳的变换过程，和用于由一氧化碳和氢气生产气态和/或液体烃的合成过程，所述烃生产设备特征在于气化气体绕过变换过程的旁通物流和用于氢气生产的仅使用可再生电能操作的水电解。

在该过程中由可再生电能并入氢气允许补偿由于在可再生电能生产中的空间和时间变化导致的电力分配网络中的超额容量，和利用现存基础设施将该电能转化为常规烃能源用于分配和使用。

通过使用使用可再生电能产生的氢气将固体、液体和气态含碳燃料、废物和残余物质如煤、碳、生物质、焦油、油等转化为液体和气态烃可向化学工业供应原材料如甲烷等，和以液体或气态形式储存环境友好的能源。

当在电网中不能获得过量的可再生电能时，通过使用变换过程继续生产烃以生产必需氢气用于合成。

该设备包括仅使用可再生电能操作的至少一个电加热器以加热碳、氧气、水蒸气和/或二氧化碳。

尤其是，该设备包括仅使用可再生电能操作的四个电加热器以加热碳、氧气、水蒸气和二氧化碳。

水电解为蒸汽电解器。蒸汽电解器的优点在于，在水电解中还必须通过使用电能施加的用于蒸发水的能量由热能包含(cover)，该热能有利地由例如源自后续的合成过程的未使用的废热制成。因此，蒸汽电解器比传统水电解在效率方面有优势。

气化器为气流床气化器，其高效率地运行。

进一步具有创造性的是在电解生产的氢气在用于该过程之前采用压缩使用该过程所需的压力来缓冲时。在压缩后缓冲降低可能发生的压力变化和允许在合成气质量的短期波动之间更好的平衡。合成气的压力和质量变化可对合成所使用的催化剂的寿命具有消极影响和可导致合成生产的产物的质量的波动。

该设备包括气体处理和气体纯化装置，用于除去气化气体的不希望的气体组分、二氧化碳和水蒸气。

合成过程包括用于除去反应水的装置，从而再使用电解中的除去的水或作为工艺用水。

利用本发明的烃生产设备的烃生产方法具有步骤：包括至少两个处理变型，其中在第一变型中，变换过程由一氧化碳和水蒸气生产氢气和二氧化碳，和在第二变型中变换过程通过使用旁通物流使水蒸气饱和的气化气体绕过变换过程而关闭和水电解使用可再生电能生产氢气，其中只有可获得可再生电能，才进行第二变型。

使氧气和含碳材料预热以增加氢气吸收能力。

二氧化碳用作吸热气化剂以增加该过程的氢气吸收能力和因此进一步集成更多的可再生电能代替蒸汽来控制气化温度以及在二氧化碳气化中实现完全碳转化。

此外，当不能获得或可获得仅仅不太过量的可再生电能时，在变换过程中产生且在气体纯化装置中分离的二氧化碳，可以缓冲在中间贮罐中。在可获得足够过量的可再生电能用于水或蒸汽电解器时，由此缓冲的二氧化碳可以再用作吸热气化剂。因此，水或蒸汽电解器仅使用过量的可再生电能生产氢气和缓冲的二氧化碳再用作吸热气化剂。

此外，额外的可再生电能用于加热碳、氧气、水蒸气和/或二氧化碳，因此以高效率以化学形式缓冲更多的可再生电能。

使用过量的可再生电能在电解中产生的氧气用作气化剂用于气化，其中优选所述氧气储存在中间缓冲器中。因为使用储存的氧气，可降低空气分离装备的性能。

为了在合成过程之前调节稳定的氢气与一氧化碳摩尔比例，可以单独或组合控制和调整氧气和含碳固体和/或液体原料、二氧化碳、水蒸气的电预热的性能，吸热气化剂水蒸气与二氧化碳的比例，至变换过程的气化气体的量和/或装备的气化能力。

本发明的经济优势是使用电网中过量的可再生电能，这是由于在生产可再生电能中日常、季节性和天气相关的波动。

可在天然气网中以高效率缓冲过量的可再生电能是非常重要的。可以避电网提质加工的高成本。

由于在该过程中更高地利用碳，含碳原料的特定需要是尽可能低的且是非常有效率的。这降低了含碳原料的消耗，因此，保护了有限容量的化石燃料。

使用二氧化碳作为吸热气化剂，例如在生产化学产品中和燃烧含碳能源载体以生产能源中获得的或废气，二氧化碳循环和再转化为以物质和/或能量形式使用的碳。这降低了空气有害的二氧化碳的排放和导致闭合的碳循环。

本发明的至少另一优点是现存体系可以额外装配有电解系统。因此，在甲烷生产装备的情况下，它们的性能提高至多400％而没有额外的煤或碳物质和没有额外的气化输出。

在下文中，本发明在优选实施方案中参考所附的附图进行描述，其中

图1示出了具有关于布置和方法的示意图的本发明实施方案。

图1示出了具有关于布置和方法的示意图的本发明示例性实施方案。该布置包括用于由固体、液体或气态含碳燃料、废物和废料或碳载体1生产气态和/或液体烃60，61的烃生产设备:

气流床气化器5，用于生产一氧化碳可持续的气化气体6，

变换过程22，用于由一氧化碳和水蒸气生产氢气24和二氧化碳，

气体处理和气体纯化装置27，用于除去气化气体、混合气体26的不希望的气体组分28以及二氧化碳29和水30，

和

合成过程43，用于由一氧化碳和氢气生产气态和/或液体烃44，包括用于以水蒸气48的形式除去反应的热量的装置以及水电解33，尤其是蒸汽电解器，用于氢气生产32。

将压碎和干燥的煤1用氧气2和水蒸气3和/或二氧化碳4在气流床气化器5中气化为气化气体6。包含在煤1中的燃料灰分作为炉渣7排出和未反应的碳作为残余碳8也从气化器5排出。

煤量1通过用于碳的数量控制仪器9来控制和在电加热器10中使用超额容量的可再生电能11来预热。

氧气2可以在用于氧气的电加热器12中使用超额容量的可再生电能13来预热。并且水蒸气3可以在用于氧气的电加热器14中使用超额容量的可再生电能15来预热。二氧化碳4也可以在用于二氧化碳的电加热器16中使用可再生电能17来预热。

整个预热过程仅使用可再生电能来操作。为了使用过量的可再生电能对整个布置构造和优化。不使用来自化石燃料的电力，因此使保护环境的目标生效。

为了冷却气化气体6，将急冷水19在气流床气化器5的气化器出口18注入气化气体6。因为冷却，经冷却和水蒸气饱和的气化气体20已经包含大量的必需量的水蒸气用于后续的变换过程22。

将水蒸气饱和的气化气体20的至变换过程的水蒸气饱和的气化气体的支流21供应至变换过程22用于将一氧化碳与水蒸气转化为氢气和二氧化碳24。可能所需量的额外水23可以供应至气体物流21。

变换过程22后的氢气填充的气体24与来自气化器出口18的第二部分气体25混合和作为混合的气体26供应至气体处理和气体纯化27。

在气体纯化27中，根据合成需要将所有污染物如硫和氯化合物，重金属、有毒元素28和二氧化碳29以及过量的水30从混合气体26中除去。

然后经清洁的气体31与来自水电解或蒸汽电解器33的额外氢气32混合至合成气35，水电解或蒸汽电解器33还使用过量的可再生电能34操作。来自水电解33的氢气32已经在氢气压缩机36中压缩和临时储存在氢气中间贮罐37。氢气中间贮罐37中的压力高于气体生产过程中的压力。

气体分析38设置在气体物流中。气体分析38确定合成气35中氢气与一氧化碳的摩尔比例。该摩尔比例可以通过改变一下变量来调节：

-通过使用氢气供应-调控仪器39如阀门改变流速来改变来自氢气中间贮罐37的混入气体的氢气32的量。通过改变水电解34的性能，将补偿取自氢气中间贮罐37的氢气的量；

-通过调节旁通物流控制器40来调节绕过变换过程22的旁通物流25以改变水蒸气饱和的气化气体25的流速；

-通过调节水蒸气供应-调控仪器41和/或二氧化碳供应-调控仪器42来改变吸热气化剂水蒸气3和/或二氧化碳4的数量比例；

-通过调节至用于水蒸气的电加热器14的加热功率(可再生电能)15来改变吸热气化剂水蒸气3的加热温度；

-通过调节至用于二氧化碳的电加热器16的加热功率(可再生电能)17来改变吸热气化剂二氧化碳4的加热温度；

-通过调节至用于氧气的电加热器12的加热功率(可再生电能)13来改变氧气2的加热温度；

-通过调节至用于碳的电加热器10的加热功率(可再生电能)11来改变固体、液体/气态碳或碳载体1的加热温度；

-通过使用用于碳的数量控制仪器9调节碳/煤进料物流来改变气化性能；

在甲烷合成43中进料合成气35，其中合成气35转化为甲烷44和水蒸气/反应水45。水蒸气45通过使用气体冷却器46冷却以水蒸气冷凝物47的形式除去。来自甲烷44的水蒸气冷凝物47可以用作工艺用水(例如作为急冷水19或用于变换过程的额外水23)。

合成过程43的释放的热量以压力蒸汽/水蒸气48的形式从该过程中消散和用作气化剂水蒸气3、用作用于蒸汽电解器的水蒸气49和/或用作过量的水蒸气/蒸汽50用于其它目的。

在水或蒸汽电解器33中与氢气32一起产生的氧气51在通过氧气压缩机52压缩和任选在氧气液化器66中冷凝之后，储存在氧气中间贮罐53中。储存的氧气51随后用于补偿(bridge)来自蒸汽电解器33的极小量的氧气51用于气化过程。蒸汽电解器中生产的过量的氧气54必须排放至大气或必须储存或以其它方式使用。如果蒸汽电解器33中产生的氧气51不足且在氧气中间贮罐53中储存不充分的氧气，额外氧气55必须例如从空气分离装备(未显示)等中生产。

在变换过程22中产生且在气体纯化27中分离的二氧化碳29通过二氧化碳压缩机57压缩和根据储存容量储存在二氧化碳中间贮罐56中。过量的二氧化碳58必须排放至大气或以其它方式使用。来自二氧化碳中间贮罐56的二氧化碳主要在电网中的过量的可再生电能期间用作吸热气化剂4以提高气流床气化器5中生产的气体的氢气吸收能力。缺少的二氧化碳59必须从外部供应至该过程。

此外，来自气体纯化27的过量的二氧化碳29和/或来自外部源的更多二氧化碳可以加到至蒸汽电解器33的水蒸气49，蒸汽电解器33适用于使用可再生电能将二氧化碳分解为一氧化碳和氧气。为了提高生产效率，在合成过程43之前，将来自电解33的一氧化碳作为组分加入合成气35。

本发明用于生产一氧化碳、氢气和氧气的另一个实施方案是在蒸汽电解器33中直接使用气化气体6或水蒸气饱和的气化气体20，同时仅使用过量的可再生电能。在该程序中，气化器5中产生的二氧化碳、来自气化器5的水蒸气和急冷水19用于电解33以形成一氧化碳、氢气和氧气。

一定量的甲烷61，其相对于一定量的甲烷60另外生产，由可再生电能11、13、15、17和(和/或)34的集成产生并且仅由可再生能源产生，可优选在天然气网62中储存和输送。之后，可在适合的电力发电机或再转化仪器63中电力再生产和进料至电网64。此外，不同的能源形式是可能的，例如作为燃料，或作为可替代的物质或能源相关的甲烷用途65。

使用以下实施例和实施方案，不同的操作模式(变型1-6)和不同的效果将通过理论考虑进行解释:

变型1(现有技术):

对于现有技术通过使用氧气2和水蒸气3作为气化剂进行气化由碳1生产甲烷60，有效的是使用旁通物流控制器40通过变换过程22在至变换过程的水蒸气饱和的气化气体的支流25的转化物流中通过由一氧化碳生产氢气来设定和控制所需的氢气-一氧化碳-摩尔比例(参见反应R4-R7)。该现有技术甲烷生产过程没有集成再生电能(11，13，15，17，34)。对于由煤/碳的甲烷生产，H₂：CO的摩尔比例＝3。如果不能获得可再生电能，这将是可能的操作模式。

以下变型2-6(B)产生集成可再生电能的新布置和新方法:

变型2:

通过使总气体物流20作为旁通物流25绕过变换过程22而将变换过程降低至0molCO变换；使用温度为298K的水蒸气3作为吸热气化剂(物质)和集成来自水蒸气电解33的所需量的氢气32，水蒸气电解33仅使用过量的可再生电能34操作。

使用可再生电能(11，13，15，17)的其它可能的选项不处于操作中。

变型3：

通过使总气体物流20作为旁通物流25绕过变换过程22而将变换过程降低至0molCO变换；使用水蒸气3(蒸汽)作为吸热气化物质(试剂)，水蒸气3仅通过过量的可再生电能15在用于水蒸气的电加热器14中预热至1300K和集成由蒸汽电解器33产生的所需量的氢气32，蒸汽电解器33也仅使用过量的可再生电能34操作。使用可再生电能(11，13，17)的其它可能的选项不处于操作中。

变型4：

通过使总气体物流20作为旁通物流25绕过变换过程22而将变换过程降低至0molCO变换；使用温度为298K的二氧化碳4代替水蒸气3作为吸热气化剂和集成来自蒸汽电解器33的所需的氢气量32，蒸汽电解器33仅使用过量的可再生电能34操作。使用可再生电能(11，13，15，17)的其它可能的选项不处于操作中。

变型5：

通过使总气体物流20作为旁通物流25绕过变换过程22而将变换过程降低至0molCO变换；使用二氧化碳4代替水蒸气3作为吸热气化剂，二氧化碳4在用于二氧化碳的加热器16中仅使用过量的可再生电能17预热至1300K，和集成来自蒸汽电解器33的所需量的氢气32，蒸汽电解器33仅使用过量的可再生电能34操作。使用可再生电能(11，13，15)的其它可能的选项不处于操作中。

变型6：

通过使总气体物流20作为旁通物流25绕过变换过程22而将变换过程降低至0molCO变换；使用二氧化碳4代替水蒸气3作为吸热气化剂，二氧化碳4在用于二氧化碳的电加热器16中仅使用过量的可再生电能17预热至1300K。

此外，氧气2在用于氧气的加热器12中预热至800K的温度和煤/碳1在用于碳的电加热器10中预热至800K的温度，分别仅使用过量的可再生电能13和11操作。

所需量的氢气32通过蒸汽电解器33生产，蒸汽电解器33也仅使用过量的可再生电能34操作。

使用可再生电能15的其它可能的选项不处于操作中。

在变型2-6(B)中，变换过程22通过使用旁通物流25使水蒸气饱和的气化气体绕过变换过程22而关闭。水电解(33)的性能和/或碳的加热和/或氧气的加热和/或水蒸气的加热和/或二氧化碳的加热各自控制在0-100％的范围内。优选的实施方案是通过相对于过量的可再生电能的量各自控制性能来组合变型。

结果可见于具有各个变型的相关参数和值的下表(表1)中:

附图标记列表

1固体、液体/气态碳或碳载体

2氧气

3水蒸气

4二氧化碳

5气流床气化器

6气化气体

7炉渣

8剩余碳

9用于碳的数量控制仪器

10 用于碳的电加热器

11 可再生电能

12 用于氧气的电加热器

13 可再生电能

14 用于水蒸气的电加热器

15 可再生电能

16 用于二氧化碳的电加热器

17 可再生电能

18 气化器出口

19 急冷水

20 水蒸气饱和的气化气体

21 至变换过程的水蒸气饱和的气化气体的支流

22 变换过程

23 用于变换过程的额外水

24 变换过程后的氢气填充的气体

25 绕过变换过程的水蒸气饱和的气化气体的旁通物流

26 混合气体

27 气体处理和气体纯化

28 有毒元素

29 二氧化碳

30 过量的水

31 经清洁的气体

32 来自水电解的额外氢气

33 水电解/蒸汽电解器

34 可再生电能

35 合成气

36 氢气压缩机

37 氢气中间贮罐

38 气体分析

39 氢气供应-调控仪器

40 旁通物流控制器

41 水蒸气供应-调控仪器

42 二氧化碳供应-调控仪器

43 合成

44 甲烷

45 反应水

46 气体冷却器

47 水蒸气冷凝物

48 水蒸气，反应的热量

49 用于水蒸气电解的水蒸气

50 过量的水蒸气

51 电解中产生的氧气

52 氧气压缩机

53 氧气中间贮罐

54 电解中产生的过量的氧气

55 通过外部空气分离仪器添加的氧气

56 二氧化碳中间贮罐

57 二氧化碳压缩机

58 过量的二氧化碳

59 添加的二氧化碳

60 在不使用可再生电能的情况下在变型1中操作的同时生产的甲烷

61 使用可再生电能额外生产的甲烷

62 天然气网

63 再转化仪器

64 电网

65 可替代的物质或能源相关的甲烷用途

66 氧气液化器