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CN116003197A - 一种利用海上风电实现二氧化碳制备甲烷的方法 - Google Patents

一种利用海上风电实现二氧化碳制备甲烷的方法 Download PDF

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CN116003197A CN202310061440.7A CN202310061440A CN116003197A CN 116003197 A CN116003197 A CN 116003197A CN 202310061440 A CN202310061440 A CN 202310061440A CN 116003197 A CN116003197 A CN 116003197A
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隋依言
侯海龙
宋鹏飞
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张雨晴
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Abstract

本发明公开了一种利用海上风电实现二氧化碳制备甲烷的方法。它包括如下步骤：1)深远海海上平台开采的富含二氧化碳天然气提浓、分离，分为富含甲烷的物流和富含二氧化碳的物流；2)富含二氧化碳的物流经脱硫、脱氮后，与甲烷化单元的工艺气换热，然后与甲烷化单元副产的过热蒸汽混合；3)二氧化碳和甲烷化单元副产的过热蒸汽混合后，与高温燃料电池出口气换热，并通过电加热后，进入高温燃料电池共电解单元，进行电解，得到氢气和一氧化碳混合物；4)混合物经与高温燃料电池的入口原料气换热并增压后进入甲烷化单元，通过2～5级串并联的甲烷化反应，制备即得到甲烷气体。本发明方法简单、操作方便，能够回收利用深远海油气田开发的二氧化碳。

Description

一种利用海上风电实现二氧化碳制备甲烷的方法
技术领域
本发明属于可再生能源制氢及碳减排利用领域技术，涉及一种利用海上风电实现二氧化碳制备甲烷的方法。
背景技术
在低碳环保的大背景下，清洁能源长远发展目标明确。其中，资源潜力巨大、技术较为成熟的可再生能源—风电越来越受到重视，所以风电在未来是一条长期发展的主线，有较快的发展机会。另外，相比于陆上风电，海上风电具有发电量高、资源丰富、机组寿命长等优点，所以海上风电将成为新能源发展的重点。随着我国海上风电装机量逐步提升，未来几年，海上风电将迎来跨越式发展。
基于有序推进海上风电基地建设，将海上风电与深远海油气资源协调发展，将推动深远海海上风电产业快速发展，如何解决海上风电使用和消纳微调，另外如何通过海上风电实现深远海的二氧化碳高效利用，减少碳减排，是目前深远海需要攻克的问题。因此，亟需研发一种利用海上风电同时实现二氧化碳回收利用的方法，将有助于深远海海上风电降本增效，加快推动海上风电集群化开发，通过海上风电实现深远海的二氧化碳高效利用，有助于碳减排，将具有巨大的经济效益和社会效益。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用海上风电实现二氧化碳制备甲烷的方法。
本发明针对海上富含二氧化碳的油气田开采过程中二氧化碳回收和利用问题，通过海上风力可再生资源供电和制氢，经工艺流程的条件摸索，实现气、电、热等多能源的综合利用，能有效解决海上风电消纳、海上油气田二氧化碳分离和化学转换利用。本发明将海上风电和二氧化碳转化利用工艺和能量相互利用，方法简单、操作方便，能够很好地解决深远海油气田开发二氧化碳回收利用的问题。
本发明提供了一种利用海上风电实现二氧化碳制备甲烷的方法，包括如下步骤：
1)深远海海上平台开采的富含二氧化碳天然气经水合物法分离及二氧化碳提浓单元提浓，分离水和水合物脱二氧化碳后，分为富含甲烷的物流和富含二氧化碳的物流；
2)所述富含二氧化碳的物流经铁钼催化剂和镍钼催化剂脱硫、钒钛钨催化剂脱氮后，与甲烷化单元的工艺气换热，然后与所述甲烷化单元副产的过热蒸汽混合；
3)所述二氧化碳和所述甲烷化单元副产的过热蒸汽混合后，与高温燃料电池出口气换热，并通过电加热后，进入高温燃料电池共电解单元，进行电解，得到氢气和一氧化碳混合物；
所述电加热和所述共电解单元的电力源为深远海的海上风力发电经电储能单元后的电；
4)所述氢气和一氧化碳混合物经与所述高温燃料电池的入口原料气换热并增压后进入所述甲烷化单元，通过2～5级串并联的甲烷化反应，制备即得到甲烷气体。
本发明中，所述深远海的海上风力发电为本领域常规的设置。
上述的方法中，步骤4)之后还包括将得到的所述甲烷气体经冷却脱水，然后与步骤1)中富含甲烷的物流混合后通过海底管线进行外输至陆上天然气处理厂。
上述的方法中，步骤1)中，所述水合物法分离的温度可为1～20℃，压力可为1～7MPaG；
所述水合物法分离及二氧化碳提浓单元产生的水与所述甲烷化单元冷却分离后的水经海水净化单元获得软化水，所述软化水作为所述甲烷化单元的冷却水，然后进入所述废热锅炉；其中，所述海水净化单元采用1-5级反渗透膜进行海水净化。上述的方法中，所述富含二氧化碳天然气中二氧化碳的体积浓度大于10％；
所述富含甲烷的物流中甲烷的体积浓度大于80％；
所述富含二氧化碳物流中二氧化碳的体积浓度大于70％。
上述的方法中，步骤1)中，所述深远海海上平台为水深大于100米或距陆地距离大于20公里的海深远海建立的海上平台；
步骤3)中，所述海深远海为水深大于100米或距陆地距离大于20公里的海域。
上述的方法中，步骤2)中，所述铁钼催化剂和所述镍钼催化剂的体积比可为1：0.2～5；
所述富含二氧化碳的物流脱硫后其硫的质量百分含量可为1ppm～2％；
所述富含二氧化碳的物流脱氮后氮的质量百分含量可为1ppm～3％。
本发明中，所述铁钼催化剂和所述镍钼催化剂为本领域公知的试剂；
具体地，所述铁钼催化剂中，铁的氧化物含量具体可为5～15wt％，钼的氧化物含量具体可为5～25wt％；
所述镍钼催化剂中，镍的氧化物含量可为1～10wt％，钼的氧化物含量为1～20wt％；
所述钒钛钨催化剂中，钛的氧化物含量可为0.5～5wt％，钒的氧化物含量含量可为0.5～10％，钨的氧化物含量可为0.5～5wt％。
上述的方法中，步骤3)中，所述电解的温度可为600～900℃，具体可为700℃、850℃或700～850℃，绝对压力可为2kPa～2MPa，具体可为120kPa、300kPa或120kPa～300kPa。
本发明中，所述高温燃料电池为板式高温燃料电池或管式燃料电池。
上述的方法中，步骤3)中，所述电储能单元为锂电池作为储能介质。
上述的方法中，步骤4)中，所述氢气和一氧化碳混合物经换热后温度可为200～400℃，具体可为210℃、350℃或210～350℃，增压至2～4MPa，具体可为2.5MPa、3MPa或2.5～3MPa。
上述的方法中，步骤4)中，所述甲烷化反应采用镍基催化剂进行催化；
所述镍基催化剂中镍金属质量百分含量可为10～40wt％；
所述甲烷化反应温度可为200～800℃。
上述的方法中，步骤4)中，还包括所述甲烷化单元通过采用废热锅炉回收所述甲烷化单元副产的过热蒸汽的步骤；
所述甲烷化单元副产的过热蒸汽的温度可为200～600℃。
本发明具有以下有益效果：
1、本方法有效回收利用了油气田开采过程中二氧化碳，实现了碳减排。采用高温燃料电池电解二氧化碳并耦合甲烷化工艺，将二氧化碳转化为甲烷。
2、利用海上风电作为高温燃料电池电力来源，实现了海上风电的有效利用，解决了因深远海海上风电上岸所造成的能量损失及输送经济成本。
3、本方法实现了能量梯级高效利用，以高温燃料电池原料气与产品气自换热，利用甲烷化放热制备过热蒸汽与二氧化碳混合作为高温燃料电池原料，提升了整个工艺的能量利用效率。
4、本方法通过水合物分离单元实现了海上开采天然气提浓，将二氧化碳脱除，提升了海底天然气管道海输送成本，降低了二氧化碳腐蚀风险。
附图说明
图1为本发明利用海上风电实现二氧化碳制备甲烷的流程示意图。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
下述实施例中，高温燃料电池为板式高温燃料电池。
下述实施例中，铁钼催化剂中，铁的氧化物含量为5～15wt％(具体可为10wt％)，钼的氧化物含量为5～25wt％(具体可为10wt％)；
镍钼催化剂中，镍的氧化物含量为1～10wt％(具体可为5wt％)，钼的氧化物含量为1～20wt％(具体可为10wt％)；
钒钛钨催化剂中，钛的氧化物含量为0.5～5wt％(具体可为2wt％)，钒的氧化物含量含量为0.5～10％(具体可为5wt％)，钨的氧化物含量为0.5～5wt％(具体可为3wt％)。
深远海海上平台开采的富含二氧化碳天然气在海水平台经水合物法分离提浓，分为富含甲烷和富含二氧化碳两种物流；分离后富含二氧化碳的物流经加氢脱硫脱氮后，进入高温燃料电池共电解单元；电解获得的一氧化碳和氢气物流进入甲烷化单元制备甲烷气体；制备的甲烷经压缩和混合后，通过海底管线进行外输至陆上天然气处理厂，然后进入天然气管网供工业和居民使用。
实施例1
按照如图1所示的本发明利用海上风电实现二氧化碳制备甲烷的流程，具体的一个例子步骤具体如下：
深远海海上平台开采的富含二氧化碳(体积浓度为20％)天然气在海水平台经水合物法分离提浓单元后，分为富含甲烷(甲烷体积浓度85％)的物流和富含二氧化碳(体积浓度90％)的物流。
分离后富含二氧化碳的物流，经铁钼催化剂和镍钼催化剂脱硫(硫的质量含量50ppm)和钒钛钨催化剂脱氮后(氮的质量含量50ppm)，与甲烷化单元的工艺气换热，后与甲烷化单元副产的过热蒸汽混合。
二氧化碳和甲烷化单元副产的过热蒸汽混合后，与高温燃料电池出口气换热，并通过电加热，进入高温燃料电池共电解单元，在700℃、120kPa(绝压)条件下，采用高温燃料电池电解后，获得氢气和一氧化碳混合物。
海深远海(水深200米)的海上风力发电经电储能单元后，作为在共电解单元的电力源；
高温燃料电池获得的氢气和一氧化碳混合气体经与入口原料气换热至210℃后，增压至2.5MPa进入甲烷化单元，通过3级串并联的甲烷化反应(一氧化碳和氢气反应)制备甲烷气体，甲烷化单元通过采用废热锅炉回收热量，副产560℃的过热水蒸气。
制备的甲烷气体经冷却至40℃后脱水，并与海上开采脱二氧化碳提浓后的甲烷气体，混合后通过海底管线进行外输至陆上天然气处理厂，然后进入天然气管网供工业和居民使用。
其中，在水合物法分离提浓单元分解产生的一级净化海水，经二级海水净化单元获的软化水，作为甲烷化单元的冷却水，后进入废热锅炉。
实施例2
按照如图1所示的本发明利用海上风电实现二氧化碳制备甲烷的流程，具体的一个例子步骤具体如下：
1)深远海海上平台开采的富含二氧化碳(体积浓度为40％)天然气在海水平台经水合物法分离及二氧化碳提浓单元，分离水和水合物脱二氧化碳后，分为富含甲烷(甲烷体积浓度95％)的物流和富含二氧化碳(体积浓度96％)的物流。
2)分离后富含二氧化碳的物流，经铁钼催化剂和镍钼催化剂脱硫(硫的质量含量50ppm)和钒钛钨催化剂脱氮后(氮的质量含量50ppm)，与甲烷化单元的工艺气换热，然后与甲烷化单元副产的过热蒸汽混合。
3)二氧化碳和甲烷化单元副产的过热蒸汽混合后，与高温燃料电池出口气换热，并通过电加热，进入高温燃料电池共电解单元，在850℃、300kPa(绝压)条件下，采用高温燃料电池电解后，获得氢气和一氧化碳混合物。
深远海(水深200米)的海上风力发电经电储能单元后，作为电加热和共电解单元的电力源；
4)高温燃料电池获得的氢气和一氧化碳混合气体经与入口原料气换热至350℃后，增压至3MPa进入甲烷化单元，通过5级串并联的甲烷化反应(一氧化碳和氢气反应)制备甲烷气体，甲烷化单元通过采用废热锅炉回收热量，副产650℃的过热水蒸气。
5)制备的甲烷气体经冷却至40℃后脱水，并与海上开采脱二氧化碳提浓后的甲烷气体，混合后通过海底管线进行外输至陆上天然气处理厂，然后进入天然气管网供工业和居民使用。
其中，在水合物法分离及二氧化碳提浓单元分解产生的一级净化海水，经二级海水净化单元获的软化水，作为甲烷化单元的冷却水，后进入废热锅炉。
通过上述实施例可知，本发明针对海上富含二氧化碳的油气田开采过程中，能采用海上风电并通过回收和利用二氧化碳，经工艺流程的条件摸索，实现气、电、热等多能源的综合利用，能有效解决海上风电消纳、海上油气田二氧化碳分离和化学转换利用。

Claims (10)

1.一种利用海上风电实现二氧化碳制备甲烷的方法，包括如下步骤：
1)深远海海上平台开采的富含二氧化碳天然气经水合物法分离及二氧化碳提浓单元提浓，分离水和水合物脱二氧化碳后，分为富含甲烷的物流和富含二氧化碳的物流；
2)所述富含二氧化碳的物流经铁钼催化剂和镍钼催化剂脱硫、钒钛钨催化剂脱氮后，与甲烷化单元的工艺气换热，然后与所述甲烷化单元副产的过热蒸汽混合；
3)所述二氧化碳和所述甲烷化单元副产的过热蒸汽混合后，与高温燃料电池出口气换热，并通过电加热后，进入高温燃料电池共电解单元，进行电解，得到氢气和一氧化碳混合物；
所述电加热和所述共电解单元的电力源为深远海的海上风力发电经电储能单元后的电；
4)所述氢气和一氧化碳混合物经与所述高温燃料电池的入口原料气换热并增压后进入所述甲烷化单元，通过2～5级串并联的甲烷化反应，制备即得到甲烷气体。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4)之后还包括将得到的所述甲烷气体经冷却脱水，然后与步骤1)中富含甲烷的物流混合后通过海底管线进行外输至陆上天然气处理厂。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤1)中，所述水合物法分离的温度为1～20℃，压力为1～7MPaG；
所述水合物法分离及二氧化碳提浓单元产生的水与所述甲烷化单元冷却分离后的水经海水净化单元获得软化水，所述软化水作为所述甲烷化单元的冷却水，然后进入所述废热锅炉；其中，所述海水净化单元采用1-5级反渗透膜进行海水净化。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述富含二氧化碳天然气中二氧化碳的体积浓度大于10％；
所述富含甲烷的物流中甲烷的体积浓度大于80％；
所述富含二氧化碳物流中二氧化碳的体积浓度大于70％；
步骤1)中，所述深远海海上平台为水深大于100米或距陆地距离大于20公里的海深远海建立的海上平台；
步骤3)中，所述海深远海为水深大于100米或距陆地距离大于20公里的海域。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)中，所述铁钼催化剂和所述镍钼催化剂的体积比为1：0.2～5；
所述富含二氧化碳的物流脱硫后其硫的质量百分含量为1ppm～2％；
所述富含二氧化碳的物流脱氮后氮的质量百分含量为1ppm～3％。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)中，所述电解的温度为600～900℃，绝对压力为2kPa～2MPa。
7.根据权利要求1或6所述的方法，其特征在于，步骤3)中，所述电储能单元为锂电池作为储能介质。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4)中，所述氢气和一氧化碳混合物经换热后温度为200～400℃，增压至2～4MPa。
9.根据权利要求1或8所述的方法，其特征在于，步骤4)中，所述甲烷化反应采用镍基催化剂进行催化；
所述镍基催化剂中镍金属质量百分含量为10～40wt％；
所述甲烷化反应温度为200～800℃。
10.根据权利要求1或8所述的方法，其特征在于，步骤4)中，还包括所述甲烷化单元通过采用废热锅炉回收所述甲烷化单元副产的过热蒸汽的步骤；
所述甲烷化单元副产的过热蒸汽的温度为200～600℃。
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