[发明专利]生产甲醇产物的集成系统和方法

说明书

本公开提供了用于生产甲醇产物的改进系统和方法。本公开的系统和方法使用用于提供富含甲烷的气体进料的气体进料装置和用于将富含甲烷的气体进料转化为甲醇产物的设备。所述设备包括用于转化富含甲烷的气体进料中存在的一种或多种气体组分的自热重整装置。所述自热重整装置被配置为部分地氧化富含甲烷的气体进料以使自热重整装置在运行时维持在工作温度。而且，自热重整装置使用由能源、优选可再生能源产生的电力以在自热重整装置中提供额外的加热以在运行时维持工作温度。

技术领域

本公开涉及生产甲醇和类似物质。特别地，本公开涉及用于由富含甲烷的气体(诸如生物气和天然气)生产甲醇产物的集成系统和方法。

背景

生物气是指在没有氧的情况下由有机物质的生物分解产生的气体燃料。它由生物可降解材料(诸如生物质、粪肥、污水、城市垃圾、绿色垃圾、植物材料和农作物)的厌氧消化或发酵产生。生物气主要包含甲烷和二氧化碳，并且它的生产在现有技术中是公知的。此外，在甲醇的生产中可以见到生物气的谨慎使用。

甲醇也被称为木醇，是一种多用途化合物，其用于工业产品和家用产品。传统上，甲醇作为木材的破坏性蒸馏的副产物而产生。目前，主要使用碳氢化合物、并且特别使用甲烷作为原料生产甲醇。在当代甲醇生产中，利用原料材料来生产合成气。因此，将合成气处理以将其转化为甲醇。富含甲烷的原料材料的实例包括但可以不限于天然气和生物气。

大多数已知的生产甲醇的方法利用天然气和/或生物质作为原料材料。这些原料材料通常含有需要除去的含硫化合物和其他有害化合物。为了除去含硫化合物，可以进行Co/Mo加氢脱硫，然后进行ZnO处理。其他技术也是可用的，包括吸附到活性材料(诸如活性炭)上，以及公知的用于除去硫的克劳斯工艺等。生产合成气的方法在蒸汽重整反应中使用中压蒸汽，温度大约在750℃至900℃的范围内。

之后，合成气被转化为甲醇。此外，来自使用甲烷作为主要进料气体的此类方法中的剩余的氢从合成回路中被除去，并且可以作为单独的产物被输出或被用于给定的化学复合物内的其他地方。然而，已知的方法并不总是利用甲醇合成中产生的所有副产物。另外，已知方法的蒸汽重整步骤利用一些甲烷气体的燃烧以满足蒸汽重整反应的热力学需求并产生相关的所需高温，使得正向反应变得热力学有利。因此，燃烧相当大比例的甲烷会导致原料材料的大量损失。

在其他现有技术中，可以由可再生能源生产甲醇。采用使用生物质和水作为主要原料材料的方法。可替代地，可以使用天然气或生物气的自热重整。然而，这些方法不能利用在合成气生产中产生的所有副产物。而且，原料材料不能被有效利用。此外，由这些方法生产的甲醇收率是相对低的。

用于催化甲醇生产的合成气是通过选择生物质的气化、燃烧后捕获的CO₂和用于获得氢的水电解而产生的。电解过程需要能量(即，用于产生氢)，其可以由可再生能源提供。然而，目前，可再生能量仅贡献了主要经由水电解的商业氢生产的约5％，而其他95％的氢主要来自化石燃料¹。可再生的氢生产尚未普及，因为成本仍然是高的，并且大型电解装置的可用性差。随着技术进步，成本不断下降，光伏水电解可以变得更具竞争力；但是，小能带隙半导体材料的大量使用可能会导致严重的生活周期环境影响。然而，使用TiO₂用于氢生产的光催化水裂解提供了一种有希望的方式，其通过太阳能而清洁、低成本和环境友好地生产氢²。

通常，生物气到液体燃料的转换器需要大量的设备和投资资本。这些转化器在现场需要非常大量的生物气体来证明大规模甲醇生产的建设、运输和运行是合理的。用于由生物气体生产低压粗甲醇的鲁奇法是非常大规模的生产的一个实例。

类似地，甲烷到液体燃料的方法(诸如费希尔-特罗普希法)已经见到商业用途。然而，这些方法可能难以控制并且经常遭受催化剂失活。这些方法在非常大的体积下也仅是经济的，其需要大量初始资本投资。因此，现有技术中没有一种能够提供用于形成烃燃料的可扩展的、廉价且可靠的方法，也不能在可调节体积的生物气源中被经济地部署。