一种甲醇制备及循环利用系统的制作方法

1.本实用新型涉及化工技术领域，具体而言，涉及一种甲醇制备及循环利用系统。


背景技术：

2.甲醇目前主要作为能源、燃料、化工等行业的标准化原料使用，在长期发展进程中，甲醇还将对可再生能源具有极高的兼容性，即作为一种储能介质，其能量密度高、可大规模运输、易实现低成本跨海输送等，避免了氢能储运行业中氢气存储运输难、成本高的难题，甲醇储运技术成熟、成本低，可以将可再生能源丰富地区电解水制氢得到的氢气，储存到储能媒介中，送到下游生产耗能区域进行转化、获取和利用。甲醇未来市场应用前景巨大， 2020年国内甲醇产能规模达9100万吨，目前主要来自煤制甲醇（占比76%）。
3.目前，煤制甲醇工艺碳排放量大、水耗高、且甲醇成本受煤价影响大，随煤价的攀高，市场盈利空间大大受限。


技术实现要素：

4.鉴于此，本实用新型提出了一种甲醇制备及循环利用系统，旨在解决现有甲醇制备工艺存在碳排放高、水耗大等的问题。
5.本实用新型提出了一种甲醇制备及循环利用系统，包括：碳捕集分离系统、电解制氢系统和甲醇合成系统；其中，
6.所述碳捕集分离系统的进口与化石能源利用系统的出口连通，用以对所述化石能源利用系统排出的粗煤气中的co2进行捕集分离；
7.所述电解制氢系统的进口与可再生能源发电系统的出口连通，用以利用所述可再生能源发电系统产生的电能对水或氨进行电解制取绿氢；
8.所述甲醇合成系统分别与所述电解制氢系统的出口及所述碳捕集分离系统的出口连通，用以利用所述co2和所述绿氢合成甲醇。
9.进一步地，上述甲醇制备及循环利用系统中，所述甲醇合成系统包括：二氧化碳压缩单元、氢气压缩单元、二氧化碳加氢转化单元、尾气分离及配气单元和甲醇精馏单元；其中，
10.所述二氧化碳压缩单元的进口与所述碳捕集分离系统的出口连通，所述二氧化碳压缩单元的第一出口与所述二氧化碳加氢转化单元的第一进口连通，用以将二氧化碳压缩后送入所述二氧化碳加氢转化单元与绿氢参与反应；
11.所述氢气压缩单元的进口与所述电解制氢系统的出口连通，所述氢气压缩单元的出口与所述二氧化碳加氢转化单元的第二进口连通，用以将绿氢压缩后送入所述二氧化碳加氢转化单元与二氧化碳参与反应；
12.所述尾气分离及配气单元的进口与所述二氧化碳加氢转化单元的第一出口连通，所述尾气分离及配气单元的第一出口与所述二氧化碳加氢转化单元的第三进口连通，用以将所述二氧化碳加氢转化单元排出的co和未转化的co2及h2循环输送至所述二氧化碳加氢
转化单元；
13.所述甲醇精馏单元的进口与所述尾气分离及配气单元的第二出口连通，用以对分离的粗醇进行提纯以得到甲醇产品。
14.进一步地，上述甲醇制备及循环利用系统中，所述尾气分离及配气单元包括：降温分离系统和混合配气增压系统；其中，
15.所述降温分离系统的第一进口与所述二氧化碳加氢转化单元的第一出口连通；所述降温分离系统的第一出口与所述甲醇精馏单元连通；
16.所述混合配气增压系统的第一进口与所述二氧化碳压缩单元的第二出口连通，所述混合配气增压系统的第二进口与所述氢气压缩单元的第二出口连通，所述混合配气增压系统的第三进口与所述降温分离系统的第二出口连通。
17.进一步地，上述甲醇制备及循环利用系统中，还包括：甲醇储运及重整系统；其中，
18.所述甲醇储运及重整系统的第一进口与所述甲醇合成系统中的甲醇精馏单元连通，用以将合成的甲醇产品进行储运和利用；所述甲醇储运及重整系统的第一出口与所述甲醇合成系统相连通，用以对产物中的co2循环利用。
19.进一步地，上述甲醇制备及循环利用系统中，所述甲醇储运及重整系统包括：甲醇存储运输单元、甲醇重整单元和气体分离单元；其中，
20.所述甲醇存储运输单元的进口与所述甲醇精馏单元的出口连通，用以将甲醇产品储运至各分销地及实现对甲醇的直接利用；
21.所述甲醇重整单元的第一进口与所述甲醇存储运输单元的第一出口连通，用以对甲醇和水进行重整处理，以得到co2、h2和少量co；
22.所述气体分离单元的进口与所述甲醇重整单元连通，用以分离出氢气、co和co2；所述气体分离单元的第一出口与所述甲醇合成系统的二氧化碳压缩单元连通，用以对co2循环利用。
23.进一步地，上述甲醇制备及循环利用系统中，还包括：产电系统；其中，
24.所述产电系统的第一进口与所述甲醇储运及重整系统的第一出口连通，用以利用所述甲醇储运及重整系统输送的co产电；和/或所述产电系统的第二进口与所述甲醇储运及重整系统的第二出口连通，以利用所述甲醇储运及重整系统输送的氢气产电。
25.进一步地，上述甲醇制备及循环利用系统中，所述产电系统包括：燃料电池发电单元；其中，
26.所述燃料电池发电单元的第一进口与所述甲醇储运及重整系统的气体分离单元的氢气出口连通，以利用氢气产电；
27.所述燃料电池发电单元的第一出口与所述甲醇储运及重整系统中的甲醇重整单元连通，用以为所述甲醇重整单元提供热量。
28.进一步地，上述甲醇制备及循环利用系统中，所述产电系统还包括：co燃烧发电单元；其中，
29.所述co燃烧发电单元的第一进口与所述甲醇合成系统的尾气分离及配气单元的co出口连通，所述co燃烧发电单元的第二进口与所述甲醇储运及重整系统的气体分离单元的co出口连通，用以利用co的燃烧生产电能和热量；
30.所述co燃烧发电单元的第一出口与所述甲醇储运及重整系统中的甲醇重整单元
连通，用以为所述甲醇储运及重整系统的甲醇重整单元提供热量。
31.进一步地，上述甲醇制备及循环利用系统中，所述燃料电池发电单元为sofc燃料电池发电系统，所述co燃烧发电单元的第二出口与所述sofc燃料电池发电系统的第二进口连通，用以为所述燃料电池发电单元提供热量；所述sofc燃料电池发电系统的第二出口与所述甲醇重整单元连通，用以为所述甲醇储运及重整系统的甲醇重整单元提供热量。
32.进一步地，上述甲醇制备及循环利用系统中，所述燃料电池发电单元为pemfc燃料电池发电系统，所述pemfc燃料电池发电系统的第一出口与所述甲醇储运及重整系统的甲醇重整单元连通，用以为所述甲醇重整单元提供热量。
33.本实用新型提供的甲醇制备系统，采用化石能源系统使用过程中排放的二氧化碳作为碳资源，耦合可再生能源得到的绿氢合成甲醇，在实现减排co2的同时，减少了煤炭等化石能源和水资源的消耗以及污染物的排放，有效解决了现有煤制甲醇工艺存在的碳排放高、水耗大等的问题。
附图说明
34.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本实用新型的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
35.图1为本实用新型实施例提供的甲醇制备及循环利用系统的结构框图；
36.图2为本实用新型实施例的一种具体实施方式中，甲醇制备及循环利用系统的结构框图；
37.图3为本实用新型实施例的另一种具体实施方式中，甲醇制备及循环利用系统的结构框图。
具体实施方式
38.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。
39.参阅图1，本实用新型提供了一种甲醇制备及循环利用系统，包括：碳捕集分离系统10、电解制氢系统20和甲醇合成系统30；其中，所述碳捕集分离系统10与化石能源利用系统的出口连通，用以对所述化石能源利用系统排出的粗煤气中的co2进行捕集分离；所述电解制氢系统20与可再生能源发电系统的出口连通，用以利用所述可再生能源发电系统产生的电能对水或氨进行电解制取绿氢； 所述甲醇合成系统30分别与所述电解制氢系统20及所述碳捕集分离系统10连通，用以利用所述co2和所述绿氢合成甲醇。
40.具体而言，化石能源利用系统采用煤、石油、天然气进行燃烧、转化使用，过程中产生含二氧化碳的烟气，对其进行降温热量回收处理后，输送至碳捕集分离系统10进行捕集分离，通过碳捕集系统分离出的二氧化碳气体，浓度在98%以上，具体可为多级碳捕集装置，
具体可采用吸附法、吸收法、膜分离法等，通过碳捕集分离系统10的捕集分离，减少了co2的排放。
41.可再生能源发电系统，包括太阳能、水力能、风能、地热能、潮汐能等不产生碳排放的可再生能源发电系统，将可再生能源发电系统产生的绿电输送至电解制氢系统20，在电解系统通入直流电，水分子或氨分子在电极上发生电化学反应，即可分解制取绿氢。甲醇合成系统30的第一进口和第二进口分别与电解制氢系统20的出口及碳捕集分离系统10的出口连通，以利用co2和绿氢合成甲醇。
42.上述显然可以得出，本实施例中提供的甲醇制备及循环利用系统，采用化石能源系统使用过程中排放的二氧化碳作为碳资源，耦合可再生能源得到的绿氢合成甲醇，在实现减排co2的同时，减少了煤炭等化石能源和水资源的消耗以及污染物的排放，有效解决了现有煤制甲醇工艺存在的碳排放高、水耗大等的问题。
43.继续参阅图1，上述实施例中，所述甲醇合成系统30包括：二氧化碳压缩单元301、氢气压缩单元302、二氧化碳加氢转化单元303、尾气分离及配气单元304和甲醇精馏单元305；其中，所述二氧化碳压缩单元301的进口与所述碳捕集分离系统10的出口连通，所述二氧化碳压缩单元301的第一出口与所述二氧化碳加氢转化单元303的第一进口连通，用以将二氧化碳压缩后送入所述二氧化碳加氢转化单元303与绿氢参与反应；所述氢气压缩单元302的进口与所述电解制氢系统20的出口连通，所述氢气压缩单元302的出口与所述二氧化碳加氢转化单元303的第二进口连通，用以将绿氢压缩后送入所述二氧化碳加氢转化单元303与二氧化碳参与反应；所述尾气分离及配气单元304的进口与所述二氧化碳加氢转化单元303的第一出口连通，所述尾气分离及配气单元304的第一出口与所述二氧化碳加氢转化单元303的第三进口连通，用以将所述二氧化碳加氢转化单元303排出的co和未转化的co2及h2循环输送至所述二氧化碳加氢转化单元303；所述甲醇精馏单元305的进口与所述尾气分离及配气单元304的第二出口连通，用以对分离的粗醇进行提纯以得到甲醇产品。
44.具体而言，二氧化碳压缩单元301将化石能源利用系统排出的粗煤气中的co2进行加压后输送至二氧化碳加氢转化单元303、氢气压缩单元302将电解制氢系统20制取的绿氢进行加压后输送至二氧化碳加氢转化单元303。
45.二氧化碳加氢转化单元303的合成塔采用间壁结构，具体可为安装多组列管或板式换热板的结构，优选管壳式结构，合成塔内装设有多组列管，内部填充有低温高活性二氧化碳加氢甲醇合成催化剂，壳程通入锅炉水、吸收列管甲醇合成反应放出的热量、联产蒸汽，同时将列管床层中的热量及时导出，控制催化剂床层温度、保持内部反应的进行，避免催化剂烧结失活。二氧化碳加氢甲醇合成系统30，出口得到以甲醇为主、副含少量co和未转化的co2、h2的粗产品。
46.尾气分离及配气单元304从含有co、未转化的co2及h2的气体中分离出一部分co后，将剩余部分的co、co2及h2再次输送至二氧化碳加氢转化单元303中与氢气压缩单元302输送的氢气和二氧化碳压缩单元301输送的二氧化碳进行混合，以实现二氧化碳的循环转化。
47.甲醇精馏单元305可以包括：甲醇精馏系统3051和甲醇罐区3052；其中，甲醇精馏系统3051的进口与所述尾气分离及配气单元304连通，用以对分离的粗醇进行提纯以得到甲醇产品，本实施例中，可以采用多级精馏系统对粗甲醇进行逐级提纯，得到精醇；甲醇罐区的进口与甲醇精馏系统3051的出口连通，以对提纯后的甲醇进行储存。
48.进一步的，由于二氧化碳加氢制甲醇为强放热反应，需对二氧化碳加氢转化单元303进行降温、热量回收，保持系统在设定的操作温度内，避免催化剂烧结失活及高温下逆水煤气变化副反应的发生，因此，上述实施例中，所述尾气分离及配气单元304包括：降温分离系统3041和混合配气增压系统3042；其中，所述降温分离系统3041的第一进口与所述二氧化碳加氢转化单元303的第一出口连通；所述降温分离系统3041的第一出口与所述甲醇精馏单元305连通；所述混合配气增压系统3042的第一进口与所述二氧化碳压缩单元301的第二出口连通，所述混合配气增压系统3042的第二进口与所述氢气压缩单元302的第二出口连通，所述混合配气增压系统3042的第三进口与所述降温分离系统3041的第二出口连通。
49.具体而言，降温分离系统3041的第一进口与二氧化碳加氢转化单元303的第一出口连通，以对含有甲醇、少量co和未转化co2、h2的粗产品进行降温分离。降温分离系统3041的第一出口与甲醇精馏单元305连通，以将分离出的液相粗甲醇送入甲醇精馏单元305进行精馏提纯，得到精醇。
50.降温分离系统3041的第二出口与混合配气增压系统3042的第三进口连通，以将含有co 、co2和h2输送至混合配气增压系统3042后与来自上游的绿氢和二氧化碳混合。
51.本实施例中，还可以包括：热回收系统40；所述降温分离系统3041的第三出口与热回收系统40连通，以对降温分离系统3041中换热后产生的热量进行回收。
52.上述各实施例中，还包括：甲醇储运及重整系统50；其中，所述甲醇储运及重整系统50的第一进口与所述甲醇合成系统30中的甲醇精馏单元305连通，用以将合成的甲醇产品进行储运和利用；所述甲醇储运及重整系统50的第一出口与所述甲醇合成系统30相连通，用以对产物中的co2循环利用。
53.具体而言，甲醇储运及重整系统50的第一进口与所述甲醇合成系统30中的甲醇精馏单元305的出口连通，将来自上游的甲醇产品通过储运系统分销到各地，后续可以对甲醇进行直接转化利用，用作燃料或原料消耗，如采用mtp、mto技术等合成烯烃、芳烃等下游产品。
54.甲醇储运及重整系统50的第一出口与所述甲醇合成系统30相连通，通过甲醇和水的重整反应可以得到co2和h2，由于甲醇储运技术成熟、成本低，可以将甲醇作为储氢媒介，单位体积甲醇储存的氢气量为单位液氢体积氢气量的2倍左右，且甲醇储运技术成熟、成本低，进而避免了氢能储运行业中氢气存储运输难、成本高的难题。同时，将重整反应得到的co2可以再次输送至甲醇合成系统30进行循环利用。
55.具体实施时，所述甲醇储运及重整系统50包括：甲醇存储运输单元501、甲醇重整单元502和气体分离单元503；其中，所述甲醇存储运输单元501的进口与所述甲醇精馏单元305的出口连通，用以将甲醇产品储运至各分销地及实现对甲醇的直接利用；所述甲醇重整单元502的第一进口与所述甲醇存储运输单元501的第一出口连通，用以对甲醇和水进行重整处理，以得到co2、h2和少量co；所述气体分离单元503的进口与所述甲醇重整单元502连通，用以分离出氢气、co和co2；所述气体分离单元503的第一出口与所述甲醇合成系统30的二氧化碳压缩单元301连通，用以对co2循环利用。
56.由于甲醇重整反应为吸热反应，需外部提供热量，在催化剂作用下，控制反应温度为200-450℃，常压下进行，得到以co2、h2、少量co的产物，后续经气体分离单元503进行气
体分离处理，得到的纯度较高的氢气后续匹配氢燃料电池或其他用氢系统进行利用、分离出的co2进入二氧化碳加氢转化单元303进行甲醇合成、循环使用，分离出的co与来自甲醇合成系统30产物中分离出来的co混合进行后续利用。
57.上述各实施例中，还包括：产电系统60；其中，所述产电系统60的第一进口与所述甲醇储运及重整系统50的第一出口连通，用以利用所述甲醇储运及重整系统50输送的co产电；和/或所述产电系统60的第二进口与所述甲醇储运及重整系统50的第二出口连通，以利用所述甲醇储运及重整系统50输送的氢气产电。
58.具体而言，甲醇储运及重整系统50的气体分离单元503分离的氢气和co均输送至产电系统60，以使得产电系统60中的不同发电单元利用氢气或co产电。例如甲醇储运及重整系统50的气体分离单元503分离出的co与来自甲醇合成系统30产物中分离出来的co混合后进入产电系统60中的co燃烧产电单元进行产电；甲醇储运及重整系统50的气体分离单元503分离出的氢气进入产电系统60中的燃料电池发电单元601进行产电。
59.进一步的，所述产电系统60包括：燃料电池发电单元601；其中，所述燃料电池发电单元601的第一进口与所述甲醇储运及重整系统50的气体分离单元503的氢气出口连通，以利用氢气产电；所述燃料电池发电单元601的第一出口与所述甲醇储运及重整系统50中的甲醇重整单元502连通，用以为所述甲醇重整单元502提供热量。
60.具体而言，燃料电池发电单元601的热量回收管路与甲醇重整系统进行耦合，以将副产的热量用于为甲醇重整吸热反应提供所需热量。燃料电池发电单元601可用作电动汽车或其他电力需用系统。
61.优选的，所述产电系统60还包括：co燃烧发电单元602；其中，所述co燃烧发电单元602的第一进口与所述甲醇合成系统30的尾气分离及配气单元304的co出口连通，所述co燃烧发电单元602的第二进口与所述甲醇储运及重整系统50的气体分离单元503的co出口连通，用以利用co的燃烧生产电能和热量；所述co燃烧发电单元602的第一出口与所述甲醇储运及重整系统50中的甲醇重整单元502连通，用以为所述甲醇储运及重整系统50的甲醇重整单元502提供热量。
62.具体而言， co燃烧发电单元602的其中两个进口分别与甲醇合成系统30的尾气分离及配气单元304的co出口及甲醇储运及重整系统50的气体分离单元503的co出口连通，以利用两路混合后的co燃烧产生高温的二氧化碳气体，产生的部分热量可用于产电；co燃烧发电单元602的第二出口输送产生的电力和热能，为了进一步利用产物co2，co燃烧发电单元602的第三出口与甲醇合成系统30中的二氧化碳加氢转化单元303连通，以将产物co2循环利用，合成甲醇。
63.可以看出，本实施例中，co燃烧发电单元602利用来自甲醇合成系统30的co和甲醇重整单元502的co进行热量、电力的生产，产生的高温热量可为甲醇重整单元502提供热量，并将换热后的产物二氧化碳气体送入甲醇合成系统30进行循环利用。
64.参阅图2，在本实施例的一种具体实施方式中，所述燃料电池发电单元601为sofc燃料电池发电系统，所述co燃烧发电单元602的第二出口与所述sofc燃料电池发电系统的第二进口连通，用以为所述燃料电池发电单元601提供热量；所述sofc燃料电池发电系统的第二出口与所述甲醇重整单元502连通，用以为所述甲醇储运及重整系统50的甲醇重整单元502提供热量。该实施方式中，碳捕集分离系统10、电解制氢系统20、甲醇合成系统30、甲
醇储运及重整系统50和产电系统60中的co燃烧发电单元602的各部分组成及连接关系参见上述各实施例。
65.具体而言，燃料电池发电单元601为sofc燃料电池发电系统（固体氧化物燃料电池）时， sofc高温的维持由co燃烧发电单元602提供，sofc燃料电池发电系统配套有热量回收系统，该热量回收系统与甲醇重整单元502相连，回收的热量用于为甲醇重整吸热反应提供所需热量。sofc燃料电池发电系统可为电动汽车或其他用电系统提供动力。
66.可以看出：co燃烧发电单元602对来自甲醇合成系统30和甲醇重整单元502的co进行燃料处理，得到高温二氧化碳气体，回收热量可进行电力生产，产生的高温热量也可为sofc燃料电池发电系统和甲醇重整系统提供热量，换热后产物二氧化碳气体送入甲醇合成系统30进行循环利用。
67.参阅图3，在本实施例的另一种具体实施方式中，所述燃料电池发电单元601为pemfc燃料电池发电系统，所述pemfc燃料电池发电系统的第一出口与所述甲醇储运及重整系统50的甲醇重整单元502连通，用以为甲醇重整单元502提供热量。
68.具体而言，pemfc燃料电池发电系统为低温质子交换膜燃料电池，不需要利用co燃烧发电单元602产生的热量产电，pemfc燃料电池发电系统会产生一定热量（控制在150℃左右），其配套有热量回收系统，该热量回收系统与甲醇重整单元502相连，回收的热量用于为甲醇重整吸热反应提供所需热量。该实施方式中，碳捕集分离系统10、电解制氢系统20、甲醇合成系统30、甲醇储运及重整系统50和产电系统60中的co燃烧发电单元602的各部分组成及连接关系参见上述各实施例。
69.综上，本实用新型提供的甲醇制备及循环利用系统，采用化石能源系统使用过程中排放的二氧化碳作为碳资源，耦合可再生能源得到的绿氢合成甲醇，在实现减排co2的同时，替代煤炭等化石能源的消耗、减少水资源的消耗和污染排放，有效解决了现有煤制甲醇工艺存在的碳排放高、水耗大等的问题；得到的甲醇，既可作为能源、燃料、化工等行业的标准化原料使用，还可作为一种储能介质进行氢能的输送，避免了氢气存储运输难、成本高的难题；通过本实用新型提供的系统，打通了从上游甲醇制备到中游甲醇储运、下游甲醇发电利用的全产业链，实现了甲醇的绿色生产和使用。
70.显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。