沼气脱碳与甲烷重整的耦合装置及沼气脱碳重整系统的制作方法

本发明涉及燃气脱碳技术领域，尤其涉及一种沼气脱碳与甲烷重整的耦合装置及沼气脱碳重整系统。

背景技术：

沼气是由生物质等有机物质经过厌氧发酵制备得到的一种富含ch4的气体。由于我国生物质资源丰富，将其制作为沼气可以极大程度缓解我国天然气供应紧张的状况。沼气中的ch4既可用于燃烧供热和反应发电，也可以作为化工原料经过重整工序后制成co与h2合成气，合成气具有多种化工用途。

由于沼气中co2含量高达40％左右，因此沼气在利用之前需要进行脱碳处理。目前用到的脱碳方法有组多，但均需要较大的热量支持，进而限制了沼气脱碳的发展以及沼气资源的利用。

固体氧化物燃料电池(solidoxidefuelcell，简称sofc)是一种高效发电装置，具有运行温度高(600℃～1000℃)和燃料利用率高(90％)等特点，高效发电的同时可以产生高温的排气，一般地，高温的排气会被直接排放，导致能量的浪费。

因此，需要一种装置，可以充分利用sofc高温排气中的热量，以达到经济节能的目的。

技术实现要素：

本发明的一个目的在于，提供一种沼气脱碳与甲烷重整的耦合装置，可以充分利用sofc高温排气中的热量，达到经济节能的目的。

本发明的另一个目的在于，提供一种沼气脱碳重整系统，可以充分利用sofc高温排气中的热量，达到经济节能的目的。

为达以上目的，一方面，本发明提供一种沼气脱碳与甲烷重整的耦合装置，包括：

储料段，所述储料段用于存储沼气和水蒸气；

脱碳段，与所述储料段连通的所述脱碳段用于存储除二氧化碳的脱碳剂；

预热层，所述预热层包覆在所述储料段和脱碳段的外侧；

中转段，与所述脱碳段连通的所述中转段用于存储从脱碳段来的甲烷和水蒸气；

重整段，所述重整段包括：

反应通道，所述反应通道的上端与所述中转段连通，所述反应通道的下端与所述重整段的外部空间连通；所述反应通道用于存储重整反应所需的催化剂；

供热通道，所述反应通道位于所述供热通道中且所述反应通道与所述供热通道不连通；所述供热通道的热气进口用于与sofc的高温排气口连通，所述供热通道的热气出口与所述预热层的热气进口连通。

优选地，所述脱碳剂为氧化钙。

优选地，所述中转段靠近脱碳段的一端的半径小于所述中转段靠近重整段的一端的半径。

优选地，所述重整段呈管壳式换热器结构，所述管壳式换热器结构的管程空间为所述反应通道，所述管壳式换热器结构的壳程空间为所述供热通道。

优选地，所述供热通道中填充有蓄热材料。

优选地，所述预热层中填充有蓄热材料。

另一方面，本发明还提供一种沼气脱碳重整系统，包括上述任一种沼气脱碳与甲烷重整的耦合装置，还包括：

一次水蒸气供应单元，所述一次水蒸气供应单元的水蒸气出口与所述储料段的水蒸气进口连通，所述一次水蒸气供应单元的热气进口与所述预热层的热气出口连通；

二次水蒸气供应单元，所述二次水蒸气供应单元的水蒸气出口与所述中转段的水蒸气进口连通，所述二次水蒸气供应单元的热气进口与一次水蒸气的热气出口连通；

沼气净化单元，所述沼气净化单元的沼气出口与所述储料段的沼气进口连通，所述沼气净化单元的热气进口与所述二次水蒸气供应单元的热气出口连通。

优选地，所述重整段的热气出口通过三通阀分别与所述预热层的热气进口以及一次水蒸气供应单元的热气进口连通。

本发明的有益效果在于：提供一种沼气脱碳与甲烷重整的耦合装置及沼气脱碳重整系统，通过结合沼气脱碳与重整工艺的所需的反应条件，将sofc高温排气中的热量高效地分配至脱碳反应和重整反应中，从而实现sofc高温排气中能量的多次降级利用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的沼气脱碳与甲烷重整的耦合装置的结构示意图；

图2为启动阶段沼气脱碳重整系统的工作流程示意图；

图3为稳定运行阶段沼气脱碳重整系统的工作流程示意图。

图中：

1、耦合装置；101、储料段；102、脱碳段；103、预热层；104、中转段；105、重整段；1051、反应通道；1052、供热通道；

2、一次水蒸气供应单元；

3、二次水蒸气供应单元；

4、沼气净化单元。

具体实施方式

为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中设置的组件。当一个组件被认为是“设置在”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中设置的组件。

此外，术语“长”“短”“内”“外”等指示方位或位置关系为基于附图所展示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或原件必须具有此特定的方位、以特定的方位构造进行操作，以此不能理解为本发明的限制。

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

如图1～图3所示，本实施例提供一种沼气脱碳重整系统，其包括沼气脱碳与甲烷重整的耦合装置1、一次水蒸气供应单元2、二次水蒸气供应单元3和沼气净化单元4。

其中，如图1所示，沼气脱碳与甲烷重整的耦合装置1从上至下依次包括储料段101、脱碳段102、中转段104和重整段105。所述储料段101用于存储沼气和水蒸气。与所述储料段101连通的所述脱碳段102用于存储除二氧化碳的脱碳剂；所述储料段101和脱碳段102的外侧包覆有预热层103。与所述脱碳段102连通的所述中转段104用于存储从脱碳段102来的甲烷和水蒸气。所述重整段105包括反应通道1051和供热通道1052。所述反应通道1051的上端与所述中转段104连通，所述反应通道1051的下端与所述重整段105的外部空间连通；所述反应通道1051用于存储重整反应所需的催化剂。所述反应通道1051位于所述供热通道1052中且所述反应通道1051与所述供热通道1052不连通；所述供热通道1052的热气进口用于与sofc的高温排气口连通，所述供热通道1052的热气出口与所述预热层103的热气进口连通。

优选地，所述脱碳剂为氧化钙。具体地，氧化钙脱碳效果较好。

优选地，所述中转段104靠近脱碳段102的一端的半径小于所述中转段104靠近重整段105的一端的半径。具体地，如此设置有利于降低中转段104内的压降并增大重整段105的换热面积。

优选地，所述重整段105呈管壳式换热器结构，所述管壳式换热器结构的管程空间为所述反应通道1051，所述管壳式换热器结构的壳程空间为所述供热通道1052。进一步地，所述供热通道1052和预热层103中均填充有蓄热材料。具体地，设置蓄热材料可以提高热量的利用效率，达到环保节能的效果。

于本实施例中：所述一次水蒸气供应单元2的水蒸气出口与所述储料段101的水蒸气进口连通，所述一次水蒸气供应单元2的热气进口与所述预热层103的热气出口连通。所述二次水蒸气供应单元3的水蒸气出口与所述中转段104的水蒸气进口连通，所述二次水蒸气供应单元3的热气进口与一次水蒸气的热气出口连通。沼气净化单元4，所述沼气净化单元4的沼气出口与所述储料段101的沼气进口连通，所述沼气净化单元4的热气进口与所述二次水蒸气供应单元3的热气出口连通。优选地，所述重整段105的热气出口通过三通阀分别与所述预热层103的热气进口以及一次水蒸气供应单元2的热气进口连通。

由于重整反应及脱碳反应均为高温下进行，因此需要由室温升温至反应温度后再通入反应气体进行反应，升温启动阶段与稳定运行阶段的热量流程图是不同的，需要的热量均由sofc高温排气1000℃-1100℃提供。以下结合具体例子对本沼气脱碳重整系统的工作过程进行说明：

(1)如图2所示，启动阶段：

①sofc高温排气实现进入重整段105，该热量交换主要用于催化剂、反应器及蓄热体的升温，重整段105的最终温度在600-800℃，吸收的热量为q1。

②将三通阀切换至连通重整段105的热气出口和预热层103的热气进口；由重整段105排出的烟气对储料段101和脱碳段102进行加热，储料段101和脱碳段102吸收的热量为q2并且其最终升温至600-800℃。

③由预热层103排出的高温排气与一次水蒸气供应单元2进行换热，一次水蒸气的h2o的量与沼气中co2的比例h2o:co2＝1:1～1:1.5，一次水蒸气供应单元2供应的水蒸气的温度在500-700℃，该单元吸收的热量为q3。

④离开一次水蒸气供应单元2的高温排气进入二次水蒸气供应单元3，一次水蒸气与二次水蒸气供应量遵循以下规定：沼气中(ch4+co2)的量与总水蒸气的量的比值(ch4+co2):h2o≤1:3。供应二次水蒸气可以减少脱碳单元的压降、降低动力损失及能量的消耗，供应二次水蒸气还有利于分别实现重整段105与脱碳段102的反应的调控。二次水蒸气供应单元3吸收热量为q4，最终温度达到500-700℃。

⑤离开二次水蒸气供应单元3的高温排气进入沼气净化单元4，用于对沼气进行预热。沼气的吸热量为q5，最终温度达到400-600℃。

⑥离开沼气净化单元4的高温排气携带热量q6，会被排空处理或者进入下一步的净化工序。

(2)如图3所示，稳定运行阶段：

①由于脱碳段102的反应为放热反应，达到稳定运行后不需要再由高温烟气进行换热处理。切换三通阀使供热通道1052的热气出口与一次水蒸气供应单元2的热气进口连通。

②由重整段105排出的高温排气直接依次对一次水蒸气供应单元2、二次水蒸气供应单元3及沼气净化单元4进行换热，对应的被吸收的热量分别为q7、q8和q9，最终低温烟气携带热量q6，会被排空处理或者进入下一步的净化工序。

本实施例中的以cao作为脱碳剂与co2发生化学反应，具有如下优点：①该反应为强放热反应，放出的热量可以为沼气中甲烷重整反应供热，从而实现了节能；②可以脱除沼气中的co2，实现了减排，并且可以简化氢气制备单元的工艺；③反应产物碳酸钙是一种被广泛应用的无机化工原料，实现了资源的综合利用。

本实施例提供的沼气脱碳重整系统具有如下优点：①脱碳反应为强放热反应，放出的热量可以为沼气中甲烷重整反应供热，从而实现了节能；②采用解耦的方法将脱碳段102与重整段105分别在两个反应器中进行，避免了cao与催化剂在一个反应器中时重整反应与脱碳反应两个反应速率不一致导致的复杂的热质管理问题；③可以脱除沼气中的co2，实现了减排，并且可以简化工艺；④反应产物碳酸钙是一种被广泛应用的无机化工原料，实现了资源的综合利用；⑤脱碳过程反应释放的热量及制备的甲烷直接进入到重整反应中从而构成了脱碳与重整之间的物质与能量的直接内部耦合单元；⑥脱碳段102与重整段105的耦合式整体设计可以简化脱碳及重整工艺，实现物质与能量的高效耦合。因此，该本实施例提供的沼气脱碳重整系统可以实现节能减排、资源综合利用以及简化工艺的流程。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。