способ и установка для производства метанола с использованием материала биомассы

Формула изобретения

1. Способ производства метанола реакцией монооксида углерода и водорода, включающий газификацию биомассы для выработки газа, причем указанную газификацию осуществляют при среднем размере частиц биомассы, которую подают на газификацию, составляющем 0,05-5,0 мм, температуре газификации биомассы 700-1400^oС и при объемном расходе на единицу площади полного сечения аппарата в устройстве газификации, составляющем 0,1-5,0 м/с; подведение газообразного водорода к полученному газу, где газообразный водород подводят к полученному газу таким образом, что количество газообразного водорода доводят до по крайней мере вдвое большего, чем количество монооксида углерода, содержащегося в полученном газе; и подачу полученного таким образом газа, содержащего водород в количестве, по крайней мере вдвое большем, чем количество монооксида углерода, в устройство синтеза метанола, чтобы тем самым получить метанол.

2. Способ производства метанола по п.1, где к полученному газу подводят газообразный водород, генерированный электролизом воды.

3. Способ производства метанола по п.2, где в качестве агента газификации биомассы используют газообразный кислород, генерированный электролизом воды.

4. Способ производства метанола по п.3, где газообразный водород и газообразный кислород, генерированные электролизом воды, перед использованием временно раздельно сохраняют.

5. Способ производства метанола по п.2, где электролиз воды проводят с помощью электроэнергии, полученной с использованием природной энергии.

6. Способ производства метанола по п.5, где электроэнергию, полученную с использованием природной энергии, перед использованием временно сохраняют.

7. Способ производства метанола по п.5, где природная энергия представляет собой по крайней мере один из типов энергии, выбранный из энергии солнечного света, энергии ветра, энергии приливов и отливов, гидравлической энергии и тепловой энергии солнца.

8. Установка для производства метанола реакцией монооксида углерода и водорода, включающая устройство газификации биомассы для выработки газа путем неполного сгорания и паровой газификации биомассы, причем указанное устройство обеспечивает проведение газификации при среднем размере частиц биомассы, которую подают на газификацию, составляющем 0,05-5,0 мм, температуре газификации биомассы 700-1400^oС и при объемном расходе на единицу площади полного сечения аппарата в устройстве газификации, составляющем 0,1-5,0 м/с; подающее газообразный водород устройство для подведения газообразного водорода к полученному газу, где названное подающее газообразный водород устройство подводит газообразный водород к полученному газу таким образом, что количество газообразного водорода доводится до по крайней мере вдвое большего, чем количество монооксида углерода, содержащегося в полученном газе; и устройство синтеза метанола для производства метанола из полученного таким образом газа.

9. Установка для производства метанола по п.8, где подающее газообразный водород устройство включает устройство электролиза воды.

10. Установка для производства метанола по п.9, где в устройство газификации биомассы в качестве агента газификации подают газообразный кислород, генерированный электролизом воды с помощью устройства для электролиза воды.

11. Установка для производства метанола по п.10, дополнительно включающая устройство сохранения газообразного кислорода для временного сохранения газообразного кислорода, генерированного электролизом воды при помощи устройства электролиза воды, и в которой подающее газообразный водород устройство включает устройство сохранения газообразного водорода для временного сохранения газообразного водорода, генерированного электролизом воды с помощью устройства электролиза воды.

12. Установка для производства метанола по п.9, дополнительно включающая использующее природную энергию устройство генерирования электроэнергии для работы устройства электролиза воды.

13. Установка для производства метанола по п.12, где использующее природную энергию устройство генерирования электроэнергии включает устройство для временного сохранения электроэнергии.

14. Установка для производства метанола по п.12, где использующее природную энергию устройство генерирования электроэнергии генерирует электроэнергию с использованием, по крайней мере одного из типов энергии, выбранного из энергии солнечного света, энергии ветра, энергии приливов и отливов, гидравлической энергии и тепловой энергии солнца.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способу и установке для производства метанола с использованием биомассы в качестве сырья.

Производство метанола с использованием в качестве сырья такой биомассы, как растительная, осуществляют на основе следующих реакций.

СН₂O + 1/2O₂ --> СО + Н₂О; (1)

СО + Н₂O Н₂ + СO₂; (2)

СО + 2Н₂ --> СН₃ОН. (3)

В кратком изложении, монооксид углерода (СО) и газообразный водород (Н₂), которые получаются при неполном сгорании или паровой газификации биомассы (СН₂O), вводят в реакцию с получением таким образом метанола (СН₃ОН).

Используемый здесь термин "неполное сгорание" относится к типу сгорания, при котором порцию биомассы подвергают сгоранию, включая случаи полного и неполного сгорания.

Из схемы (2) ясно, что вышеупомянутые реакции включают обратимую реакцию; то есть, когда предпринимают попытку повысить количество продуцируемого монооксида углерода, количество продуцируемого водорода снижается, а когда предпринимают попытку повысить количество продуцируемого водорода, снижается количество продуцируемого монооксида углерода. Обычно реакция смещена влево, где возрастает количество продуцируемого монооксида углерода. Поэтому количество водорода для получения метанола становится недостаточным, и полученный монооксид углерода нельзя эффективно использовать.

Одним возможным способом решения этой проблемы является подача воды (пара) в реакционную систему, чтобы таким образом сместить реакцию в правую сторону вышеприведенной схемы (2), так чтобы получить водород в требуемом и достаточном количестве. Однако, когда количество поданного пара возрастает, температура в реакционной системе уменьшается, замедляя таким образом скорость реакции и снижая эффективность получения метанола до сомнительной степени.

Имея в виду вышеупомянутое, заявители настоящего изобретения провели масштабные исследования с тем, чтобы решить проблему, и обнаружили, что метанол можно эффективно вырабатывать, подводя газообразный водород к газу, полученному газификацией биомассы обычным способом производства метанола с использованием материала биомассы. Таким образом, цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить способ производства метанола с использованием материала биомассы, который способен сделать эффективным использование полученного монооксида углерода без ухудшения продуктивности производства метанола. Другая цель изобретения состоит в том, чтобы предложить установку для производства метанола.

Соответственно, в первом аспекте настоящего изобретения предлагается способ производства метанола, включающий газификацию биомассы с получением газа и подачу к полученному газу газообразного водорода, чтобы таким образом выработать метанол.

Предпочтительно, газообразный водород подводят к полученному газу так, что количество газообразного водорода доводят до, по крайней мере, вдвое большего, чем количество монооксида углерода, содержащегося в полученном газе.

Предпочтительно, к полученному газу подводят газообразный водород, генерированный путем электролиза воды.

Предпочтительно, газообразный кислород, генерированный путем электролиза воды, применяют в качестве агента газификации биомассы.

Предпочтительно, газообразный водород и газообразный кислород, генерированные путем электролиза воды, до использования временно запасают отдельно друг от друга.

Предпочтительно, воду электролизуют электроэнергией, полученной с использованием природной энергии (то есть энергии, полученной из природных источников).

Предпочтительно, полученную с использованием природной энергии электроэнергию временно сохраняют до использования.

Предпочтительно, природная энергия представляет собой, по крайней мере, один из типов энергии, выбранный из энергии солнечного света, энергии ветра, энергии приливов и отливов, гидравлической энергии и тепловой энергии солнца.

Во втором аспекте настоящего изобретения предлагается установка для производства метанола с использованием материала биомассы, включающая устройство для газификации биомассы с получением газа путем неполного сгорания или паровой газификации биомассы; устройство для синтеза метанола из полученного таким образом газа; и подающее газообразный водород устройство для подведения газообразного водорода к полученному газу.

Предпочтительно, подающее газообразный водород устройство подводит газообразный водород к полученному газу так, что количество газообразного водорода доводится, по крайней мере, до вдвое большего, чем количество монооксида углерода, содержащегося в полученном газе.

Предпочтительно, подающее газообразный водород устройство включает электролизующее воду устройство, предназначенное для электролиза воды.

Предпочтительно, газообразный кислород, генерированный путем электролиза воды при помощи устройства для электролиза воды, подводят в качестве газифицирующего агента к устройству газификации биомассы.

Предпочтительно, вышеописанная установка для производства метанола, кроме того, включает устройство сохранения газообразного кислорода для временного сохранения газообразного кислорода, генерированного путем электролиза воды при помощи устройства для электролиза воды, и подводящее газообразный водород устройство включает устройство сохранения газообразного водорода для временного сохранения газообразного водорода, генерированного путем электролиза воды при помощи устройства для электролиза воды.

Предпочтительно, вышеописанная установка для производства метанола, кроме того, включает использующее природную энергию устройство генерирования электроэнергии для работы устройства электролиза воды на энергии, генерированной с использованием природной энергии.

Предпочтительно, использующее природную энергию устройство генерирования электроэнергии включает устройство хранения электроэнергии для временного хранения электроэнергии.

Предпочтительно, использующее природную энергию устройство генерирования энергии генерирует электроэнергию путем использования, по крайней мере, одного типа энергии, выбранного из энергии солнечного света, энергии ветра, энергии приливов и отливов, гидравлической энергии и тепловой энергии солнца.

Различные другие цели, признаки и многие сопутствующие преимущества настоящего изобретения будет легко оценить по мере того, как они станут более понятными при ссылке на последующее подробное описание предпочтительных осуществлений, которое рассматривается в связи с сопровождающим чертежом, в котором показана принципиальная схема, относящаяся к одному из осуществлений установки для производства метанола с использованием материала биомассы по настоящему изобретению.

Осуществления способа и установки для производства метанола с использованием материала биомассы по настоящему изобретению, будут описаны со ссылкой на чертеж. На чертеже показана принципиальная схема, относящаяся к установке для производства метанола.

Как показано на чертеже, сушка 11 для высушивания биомассы, такой как деревья и другие растения, соединена со входом в загрузочную воронку 12. Выход загрузочной воронки 12 соединен со входом в измельчающее устройство 13 для измельчения высушенной биомассы 1.

Выход измельчающего устройства 13 соединен со входом печи газификации 14, служащей устройством газификации биомассы для получения газа 2, который производится путем неполного сгорания или паровой газификации биомассы 1. Выход печи газификации 14 соединен со входом блока пылесборника 15 для удаления золы 6 из полученного газа 2. Газовый выход блока пылесборника 15 соединен с газовым входом газопромывателя 16 для промывки и охлаждения полученного газа 2 путем распыления воды для промывки 7.

Газовый выход скруббера 16 соединен через устройство подъема давления 17 и теплообменник 18 со входом колонны синтеза метанола 19, служащей устройством синтеза метанола для производства метанола 8 из полученного газа 2. Выход колонны синтеза метанола 19 соединен через теплообменник 18 и теплообменник 20 с резервуаром 21 для сохранения метанола 8.

С печью газификации 14 через теплообменник 14а соединено устройство водоснабжения 22. Когда вода 3 подается из устройства водоснабжения 22, теплообменник 14а испаряет воду 3 путем нагревания, и полученный таким образом пар подается в печь газификации 14.

К печи газификации 14 также подсоединен кислородный газовый выход блока электролиза воды 24 для электролиза воды 3 с образованием газообразного кислорода 4 и газообразного водорода 5. Между печью газификации 14 и кислородным газовым выходом блока электролиза воды 24 установлен кислородный газовый резервуар 25, который служит устройством хранения газообразного кислорода для временного хранения газообразного кислорода 4. Водородный газовый выход блока электролиза воды 24 подсоединен в позиции между устройством подъема давления 17 и газовым выходом скруббера 16. Водородный газовый резервуар 26, который служит устройством хранения газообразного водорода для временного хранения газообразного водорода 5, установлен между устройством подъема давления 17 и водородным газовым выходом блока электролиза воды 24.

С блоком электролиза воды 24 соединено устройство водоснабжения 23 для подачи воды 3. Вспомогательный источник газообразного кислорода 27 для добавления газообразного кислорода 4 установлен между кислородным газовым резервуаром 25 и печью газификации 14.

Блок электролиза воды 24 соединен со вторичным элементом питания 28, который служит в качестве устройства хранения электроэнергии для временного хранения электроэнергии. Вторичный элемент питания 28 соединен с блоком солнечного генератора энергии 29, служащим в качестве использующего природную энергию устройства генерирования электроэнергии для генерирования энергии путем использования энергии солнечного света, и соединен через конвертер переменного/постоянного напряжения 31 с блоком ветрового генератора энергии 30, служащим в качестве использующего природную энергию устройства генерирования энергии для генерирования электроэнергии путем использования энергии ветра.

В этом осуществлении устройство электролиза воды включает устройство водоснабжения 23, блок электролиза воды 24 и т.д., и устройство подачи газообразного водорода включает устройство электролиза воды, водородный газовый резервуар 26 и т.д.

Далее будет описан способ производства метанола с применением такой установки для производства метанола.

При помощи блока солнечного генератора энергии 29 и блока ветрового генератора энергии 30 генерируется электроэнергия, и генерированная таким образом электроэнергия временно сохраняется во вторичном элементе питания 28. Блок электролиза воды 24 управляется за счет потребления сохраненной электроэнергии таким образом, чтобы вода для электролиза 3 подавалась из устройства водоснабжения 23. Полученный таким образом газообразный кислород 4 временно сохраняется в кислородном газовом резервуаре 25, и полученный таким образом газообразный водород 5 временно сохраняется в водородном газовом резервуаре 26.

В дальнейшем, биомассу 1 высушивают в сушке 11, подают в загрузочную воронку 12 и подают из загрузочной воронки 12 в измельчающее устройство 13, где биомассу 1 измельчают. Измельченную биомассу подают в печь газификации 14. Газообразный кислород 4 подают из кислородного газового резервуара 25 в печь газификации 14, чтобы таким образом вызвать неполное сгорание.

Кроме того, воду 3 подают из устройства водоснабжения 22 на теплообменник 14а для нагревания, чтобы таким образом генерировать высокотемпературный пар (400-500^oС). Пар подают в печь газификации 14. Таким образом, биомасса (СН₂O) 1 разлагается, чтобы за счет этого генерировать получаемый газ (СО, Н₂) 2 на основе следующих схем:

СН₂O + 1/2O₂ --> СО + Н₂О; (1)

СО + Н₂О H₂+СO₂. (2)

Как ясно из приведенной выше схемы (2), полученный газ претерпевает обратимую реакцию; то есть, когда предпринимают попытку повысить количество продуцируемого монооксида углерода, количество продуцируемого водорода снижается, а когда предпринимают попытку повысить количество продуцируемого водорода, снижается количество продуцируемого монооксида углерода. Обычно реакция смещена влево, где возрастает количество продуцируемого монооксида углерода. Поэтому количество водорода для получения метанола становится недостаточным.

Полученный газ, генерированный в вышеупомянутой печи газификации 14, подают в блок пылесборника 15, чтобы таким образом удалить золу 6 и тому подобный материал. Впоследствии, газ подают в скруббер 16, охлаждают и промывают путем разбрызгивания в нем воды для промывки 7. Затем газ перемещают из скруббера 16.

Газообразный водород 5 подают из вышеупомянутого водородного газового резервуара 26 и добавляют к полученному газу 2 так, что количество водорода доводят, по крайней мере, до вдвое большего, чем количество монооксида углерода. Количество добавленного водорода можно установить путем заблаговременного анализа состава биомассы 1 и принимая во внимание такие условия, как условия газификации в печи газификации 14. Также может быть установлена система контроля для измерения содержания монооксида углерода и содержания водорода в полученном газе 2, выходящем из скруббера 16, с применением сенсора или подобного устройства и для подачи на основе измерений газообразного водорода 5 из водородного газового резервуара 26, осуществляемой так, что количество водорода становится, по крайней мере, вдвое большим, чем количество монооксида углерода.

Давление обработанного таким образом полученного газа 2, содержащего водород в количестве, по крайней мере, вдвое большем, чем количество монооксида углерода, повышают посредством устройства подъема давления 17, и газ подают через теплообменник 18 в колонну синтеза метанола 19, чтобы таким образом получить метанол (СН₃ОН) 8 на основе следующей схемы:

СО + 2Н₂ --> СН₃ОН. (3)

Вышеупомянутый метанол 8 подают через теплообменники 18 и 20 в резервуар 21 для хранения, а отработанный газ 9 выпускают из системы наружу.

Короче говоря, выполняют дефицит количества газообразного водорода 5 по отношению к монооксиду углерода, имеющийся в полученном газе 2, образованном из биомассы 1, и затем получают метанол 8.

Поэтому метанол 8 можно получать путем полного потребления монооксида углерода, содержащегося в полученном газе 2, без потерь монооксида углерода.

Таким образом, по способу и установке для получения метанола биомасса 1 может эффективно утилизироваться, что ведет к эффективной утилизации ресурсов. В дополнение к этому, эффективность получения метанола 8 может заметно увеличиваться, чтобы таким образом снизить стоимость производства.

Поскольку газообразный кислород 4, образующийся при электролизе воды 3 для получения газообразного водорода 5, используется для неполного сгорания в печи газификации 14, вода 3 может эффективно утилизироваться, что ведет к эффективной утилизации ресурсов и снижению стоимости производства.

В дополнение к этому, поскольку электроэнергия, генерированная посредством блока солнечного генератора 29 и блока ветрового генератора 30, то есть за счет природной энергии, утилизируется в целях электролиза воды 3, может быть достигнута эффективная утилизация энергии, чтобы таким образом снизить стоимость производства.

В дополнение к этому, поскольку электроэнергия, генерированная путем использования природной энергии, временно сохраняется во вторичном элементе питания 28, электролиз воды 3 посредством блока электролиза воды 24 может проводиться стабильно и надежно.

Поскольку газообразный кислород 4 и газообразный водород 5, которые образуются путем электролиза воды 3, до использования временно сохраняются в резервуарах 25 и 26 соответственно, каждый из этих газов 4 и 5 может быть быстро утилизирован в требуемом количестве, в то время как электролиз воды 3 посредством блока электролиза воды 24 проводится при заранее определенных условиях.

Примеры биомассы 1, которую используют по настоящему изобретению, включают биологические ресурсы (например, сельскохозяйственные продукты или побочные продукты; древесные отходы; растения, и т.д.), которые можно утилизировать в качестве источника энергии или промышленного сырья. Примеры таких биологических ресурсов включают сорго, американское просо и спирулину, а также такие сельскохозяйственные отходы и отходы лесного происхождения, как рисовые отруби, древесные стружки и древесные отходы, которые образуются при прореживании. Чтобы избежать запутанности, биомасса 1 была описана как состав, представленный формулой CH₂O. Однако состав биомассы 1, как правило, представлен формулой (С_хН₂О_y)_n (х = 1,1-1,2; y = 0,8-0,9, n является целым числом от 1 до примерно 1000).

Средний размер частиц биомассы 1, которую подают в печь газификации 14, предпочтительно составляет 0,05-5 мм. Основания для этого следующие. Когда размер частиц меньше 0,5 мм, становится низкой эффективность измельчения измельчающим устройством 13, тогда как при размере частиц свыше 5 мм неполное сгорание с целью разложения, которое претерпевает основная часть биомассы, является труднодостижимым, и таким образом ухудшается эффективность газификации.

Температура газификации биомассы 1 в печи газификации предпочтительно составляет 700-1400^oС, более предпочтительно 800-1000^oС. Основания для этого следующие. Когда температура ниже 700^oС, трудно достичь предпочтительного неполного сгорания, тогда как при температуре, превышающей 1400^oС, сгорает сама биомасса 1, и при этом происходит нежелательное повышение доли образования углеводородов наподобие копоти.

На давление при газификации биомассы 1 в печи газификации 14 не накладывается особого ограничения. Хотя давление газификации, составляющее примерно 80 атм, позволяет соединять печь газификации 14 с колонной синтеза метанола 19 без установки между ними устройства подъема давления 17, от печи газификации 14 требуется наличие высокой устойчивости к давлению, и, таким образом, стоимость печи газификации 14 повышается. Таким образом, предпочтительным является давление газификации в пределах 1-40 атм, при котором устойчивость к давлению, требуемая от печи газификации 14, может быть снижена до в целом приемлемого уровня. В частности, давление газификации в пределах 1-30 атм, при котором размеры печи газификации 14 могут быть относительно маленькими, является наиболее предпочтительным.

Хотя объемный расход на единицу площади полного сечения аппарата в печи газификации 14 специально не ограничивается, предпочтительным является объемный расход на единицу площади в пределах 0,1-5 м/с. Основания для этого следующие. Когда объемный расход на единицу площади составляет менее чем 0,1 м/с, длительность пребывания биомассы 1 в печи сильно увеличивается, что вызывает превращение биомассы 1 в углеводороды, тогда как при объемном расходе на единицу площади, превышающем 5 м/с, время пребывания биомассы 1 в печи сильно сокращается, что делает затруднительным разложение биомассы 1 при достаточном неполном сгорании.

В частности, когда средний размер частиц биомассы 1 составляет 0,05-1 мм, объемный расход на единицу площади в печи газификации 14 поддерживают на уровне 0,4-1 м/с, а когда средний размер частиц биомассы 1 составляет 1-5 мм, объемный расход на единицу площади в печи газификации 14 поддерживают на уровне 1-5 м/с. Эти условия являются особенно предпочтительными, поскольку так биомасса 1 может переноситься при оптимальных условиях.

В этом осуществлении блок солнечного генератора энергии 29, утилизирующий энергию солнечного света, и блок ветрового генератора энергии 30, утилизирующий энергию ветра, задействованы в комбинации в качестве основанного на природной энергии устройства генерирования энергии, утилизирующего природную энергию. В соответствии с производительностью генерирования энергии каждый из блоков генерирования энергии может использоваться отдельно или они могут использоваться в комбинации с другими блоками генерирования энергии, такими как блок генерирования энергии за счет приливов и отливов, утилизирующий энергию приливов и отливов, гидравлический блок генерирования энергии, утилизирующий гидравлическую энергию, или блок генерирования энергии за счет солнечного тепла, утилизирующий тепловую энергию солнца, с тем чтобы получать электроэнергию.

В этом осуществлении воду 3, которая должна поступать в печь газификации 14, подают из устройства водоснабжения 22 и воду 3, которая должна поступать в блок электролиза воды 24, подают из устройства водоснабжения 23. Однако вода 3, которая должна поступать в печь газификации 14 и которая должна поступать в блок электролиза воды 24, может также подаваться из одного и того же устройства водоснабжения.

Согласно способу производства метанола по настоящему изобретению, который включает газификацию биомассы для выработки газа и производство метанола из полученного газа, к полученному газу подводят газообразный водород, чтобы таким образом получить метанол. Поэтому метанол может производиться путем полного потребления монооксида углерода без потерь монооксида углерода. Таким образом, биомасса может эффективно утилизироваться, что ведет к эффективной утилизации ресурсов. В дополнение, может заметно повышаться эффективность образования метанола, и таким образом снижается стоимость производства.

Согласно установке для получения метанола по настоящему изобретению, включающему устройство газификации биомассы для выработки газа путем неполного сгорания или паровой газификации биомассы и устройства синтеза метанола для производства метанола из полученного газа, устройство, кроме того, включает устройство подачи газообразного водорода для подведения газообразного водорода к полученному газу. Поэтому метанол может производиться путем полного потребления монооксида углерода без потерь монооксида углерода. Так, биомасса может эффективно утилизироваться, что ведет к эффективной утилизации ресурсов. В дополнение, может заметно повышаться эффективность образования метанола и таким образом снижается стоимость производства.

ПОДПИСИ К ЧЕРТЕЖУ

1 - биомасса

2 - полученный газ

3 - вода

4 - газообразный кислород

5 - газообразный водород

6 - зола

7 - вода для промывки

8 - метанол

9 - отработанный газ

11 - сушка

12 - загрузочная воронка

13 - измельчающее устройство

14 - печь газификации

14а - теплообменник

15 - блок пылесборника

16 - скруббер

17 - устройство подъема давления

18 - теплообменник

19 - колонна синтеза метанола

20 - теплообменник

21 - теплообменник

22 - устройство водоснабжения

23 - устройство водоснабжения

24 - блок электролиза воды

25 - кислородный газовый резервуар

26 - водородный газовый резервуар

27 - вспомогательный источник газообразного кислорода

28 - вторичный элемент питания

29 - блок солнечного генератора энергии

30 - блок ветрового генератора энергии

31 - конвертор переменного/постоянного напряжения.