CN101993319B - 可运输的模块化的紧凑型费托合成装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可运输的模块化的紧凑型费托合成装置，其至少包括用来将合成气转化为烃类化合物的一个或多个费托合成反应器和用来对所述费托合成反应器输出的费托合成产物进行气液分离的一个或多个分离装置。其中，所述费托合成装置整体是一个可以用普通运输工具运输的模块，或者包括所述费托合成反应器和分离装置的所述费托合成装置的多个组成部分按照其体积、重量和/或相互组合的方便程度整合成两个或两个以上的模块，该两个或两个以上模块可连接组合成所述费托合成装置，拆卸后可分别用普通运输工具运输。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种用来将合成气转化为不同链长烃类的费托合成装置，尤其是涉及一种可运输的模块化的紧凑型费托合成装置。
【背景技术】
随着传统化石能源(煤、石油、天然气)的日益减少和环境污染程度的日益加剧，重视和发展可再生、环保的能源已成为人类社会普遍的共识。其中，生物质作为一种重要的可再生环保能源，其开发利用已引起了人们的广泛重视。如何将生物质转化成清洁的气体或液体燃料，用于运输、发电、生产化工原料、化工产品等课题成为世界各国竞相研究的热点。
生物质(Biomass)是植物通过光合作用生成的有机物质，它包括所有动物、植物和微生物以及由这些有生命物质派生、排泄和代谢的有机质。生物质资源分布广泛，可利用量大，尤其对于中国等农业大国，生物质资源非常丰富，有大量农作物秸秆、林木枝桠材、农林产品加工剩余物，加上大量生活垃圾中的有机物质和各类有机残渣等，使得生物质资源成为一个巨大的能源“仓库”。此外，生物质资源在使用过程中产生的二氧化碳气体与植物生长过程中需要吸收的二氧化碳保持平衡，因此是二氧化碳中性的能源资源。用生物质代替化石燃料，不仅可以持续利用，而且环保和生态效果突出，对改善酸雨环境、减轻温室效应都有极大的好处。
近年来，作为生物质资源利用的重要技术之一，以生产合成气为目标的生物质气化技术取得较大的发展，如：申请号为01129931.2的中国专利所揭示的一种用等离子体热解气化生物质制取合成气的方法，申请号为200810236614.4的中国专利申请所揭示的一种利用生物质制造合成气的高温气化工艺方法及系统等，实现了将生物质向合成气的转化，为进一步实现生物质基合成气向液体燃料的转化提供了前提，使其可以通过费托合成等过程，进一步由合成气生产出合成油品等。
然而，现有的合成气转化装置，如费托合成装置等均为大型固定装置，并且需要连续的合成气供给。由于生物质资源的分散性，其收集半径有限，因此在一定区域内所能收集到的生物质的数量也有限，其所产出的合成气量较难满足大型装置的需求。此外，由于很多生物质资源的数量还随季节变化，供应不稳定，导致其生产的合成气的产量也不稳定。因此，在生物质制合成气的生产场地建造固定的大型合成气转化装置用以实现合成气的后续转化的办法，其设备利用率较低，不具有成本优势。而若要将多处合成气生产场地的合成气聚集起来，又将存在合成气的收集、储存和运输等各方面的问题。因此，需要一种更加经济可行的方法和装置，来实现对可能分布于各处的生物质所产生的合成气进行加工，以生产出适于运输的化工产品。
【发明内容】
本发明的目的之一是提供了一种可运输的模块化的(modulized)紧凑型
(compact)费托合成装置，其整体可以用普通运输工具运送到目的地使用，或者其组成模块可以用普通运输工具运送到目的地后再连接集成整体的费托合成装置使用，将当地生物质生产的合成气转化成合成油产品，当需要更换生产地点时，将模块的连接拆卸，用普通运输工具运至新的地点使用，以便适应对可能分布于各处的生物质资源所产的合成气进行合成，生产出适于运输的化工产品，实现对生物质资源的经济有效的利用。
本发明的一方面提供了一种可运输的模块化的紧凑型费托合成装置，其至少包括用来将合成气转化为烃类化合物的一个或多个费托合成反应器和用来对所述费托合成反应器输出的费托合成产物进行气液分离的一个或多个分离装置。其中，所述费托合成装置整体是一个可以用普通运输工具运输的模块，或者包括所述费托合成反应器和分离装置的所述费托合成装置的多个组成部分按照其体积、重量和/或相互组合的方便程度整合成两个或两个以上的模块，该两个或两个以上模块可连接组合成所述费托合成装置，拆卸后可分别用普通运输工具运输。
所述“用普通运输工具运输”是指用普通机动拖车或集装箱运输，并且所运输的模块的体积、外形和重量符合国家关于道路运输的法律法规的相关规定。比如，于2004年4月30日公布的现行《中华人民共和国道路交通安全法实施条例》规定：“机动车载物不得超过机动车行驶证上核定的载质量，装载长度、宽度不得超出车厢，并应当遵守下列规定：(一)重型、中型载货汽车，半挂车载物，高度从地面起不得超过4米，载运集装箱的车辆不得超过4.2米……”
在一实施例中，所述费托合成装置用于费托合成时可实现整个装置能量自给，无需外部能源。
在一实施例中，所述费托合成装置将其排出的驰放气用于燃气轮机发电，为整个系统提供动力，所述燃气轮机的尾气用于给所述费托合成装置提供热源。
在一实施例中，所述费托合成装置将其反应器放出的反应热用来产生蒸汽供蒸汽轮机发电，为整个系统提供动力，而蒸汽的凝结水又返还反应器用于移走该反应器放出的反应热。
在一实施例中，所述费托合成装置还包括用来对所述分离装置分离出的油相产物进行精馏的精馏装置。
在一实施例中，所述精馏装置包括柴油-蜡分离塔和柴油-石脑油分离塔。
在一实施例中，所述费托合成装置还包括用来将所述分离装置排出的驰放气中的至少一部分循环回所述费托合成反应器的循环系统。
在一实施例中，所述费托合成装置还包括用来对所述费托合成反应器进行换热的换热装置。
在一实施例中，所述费托合成反应器为固定床反应器。
在一实施例中，所述固定床反应器包括催化床，该催化床可包括多个床层段，各床层段可装填催化活性不同的催化剂。
在一实施例中，所述一个或多个分离装置包括用来分离出第一气相产物和主要含柴油和蜡的第一液相产物的第一级分离装置、用来进一步降低所述第一液相产物中水和轻组分含量的减压闪蒸装置、用来对所述第一气相产物进行冷却的冷却装置、用来将冷却后的第一气相产物进行气液分离以分离出第二气相产物和第二液相产物的第二级分离装置、用来对所述第二液相产物进行减压的减压混合装置、用来对所述第二气相产物进行冷却的冷却装置、以及用来对所述冷却后的第二气相产物进行气液分离以分离出第三气相产物和第三液相产物的第三级分离装置。
在一实施例中，所述一个或多个分离装置进一步包括用来对所述第三气相产物进行冷却的冷却装置、以及用来对所述冷却后的第三气相产物进行气液分离以分离出第四气相产物和主要含液化气的第四液相产物的第四级分离装置。
在一实施例中，所述费托合成装置进一步包括用来将所述驰放气中的氢气和一氧化碳转化成甲烷的甲烷化反应装置。
【附图说明】
图1为一种可运输的模块化的紧凑型费托合成装置。
图2为图1所示的可运输的模块化的紧凑型费托合成装置的一种实施方式。
图3为图1所示的可运输的模块化的紧凑型费托合成装置的另一种实施方式。
图4为图1所示的可运输的模块化的紧凑型费托合成装置的又一种实施方式。
图5为图1所示的可运输的模块化的紧凑型费托合成装置的又一种实施方式。
【具体实施方式】
如图1所示，本发明的实施例提供了一种可运输的模块化的紧凑型费托合成装置100，用来将原料气，即合成气，转化成液化石油气(liquefiedpetroleum gas，LPG)、石脑油、柴油和蜡等产品。该费托合成装置100包括反应器系统110、气液分离系统120和精馏系统130。
其中，反应器系统110至少包括一个用来将原料合成气转化成烃类化合物的费托合成反应器。在一实施例中，该费托合成反应器为固定床反应器，进一步地，其可为一管壳型固定床反应器。在一实施例中，该费托合成反应器是一个申请人所有的申请号为CN200810189049.0的中国专利申请中所描述的Unitemp型反应器，其催化床包括多个床层段，各床层段可装填催化活性不同的催化剂。该专利申请中所揭示的相关内容也将作为本说明书内容的一部分。在一实施例中，反应器系统110还包括原料气预热装置，用来将原料合成气预热至接近反应器内的反应温度。在一实施例中，反应器系统110还包括一机械支撑架，在运输过程中其可以用于在运输工具上安放和固定横卧的反应器，而到生产场地后其可以用来将反应器调节并固定于竖立的工作状态以进行费托合成，该机械支撑架与反应器可互相组装和拆卸。根据实际的具体需要，反应器系统110还可包括其它辅助装置和/或结构。
其中，气液分离系统120至少包括一分离装置，用来将从反应器系统110的反应器中输出的费托合成产物进行气液分离，分离出气相产物、油相产物和水，以将油相产物输送至精馏系统130中进行精馏获得目标产物，而将气相产物部分循环回反应器系统110，部分经处理后排出。在一实施例中，气液分离系统120包括至少两个分离装置以便对费托合成产物进行分级分离处理。在一实施例中，气液分离系统120还包括一个或多个减压、混合和/或闪蒸装置等。
其中，精馏系统130至少包括一个精馏装置，用来将所述气液分离系统120中分离出的油相产物中的沸点不同的物质分离出来，以分别获得纯度较高的各种产物，如蜡、柴油、石脑油等产品。在一实施例中，精馏系统130包括两个或两个以上的精馏装置，如精馏塔，以分别针对组分较重或组分较轻的费托合成产物进行精馏。
如图2所示，在一实施例中，反应器系统110包括原料预热器111和费托合成反应器112，气液分离系统120包括第一级分离装置121、与第一级分离装置121相连的减压闪蒸装置122和换热装置123、第二级分离装置124、与第二级分离装置124相连的减压混合装置125和冷却装置126、以及与冷却装置126相连的第三级分离装置127，精馏系统130包括柴油-蜡分离塔131和柴油-石脑油分离塔132。
在一实施例中，经净化后的新鲜原料合成气经过原料预热器111预热至接近反应器112内的反应温度，比如，预热至大约180℃后，进入反应器112，在催化剂的作用下生成烃类化合物，同时放出大量的反应热。在一实施例中，反应器112为Unitemp型反应器，装填有钴基催化剂，在反应压力为20-40bar，反应温度为180-240℃，反应空速为500-3000h-1，H2/CO为2.05-2.20的条件下，获得CO单程转化率为＞45％，甲烷选择性6-12％，C5+选择性＞85％。
反应器112的输出物料含气液两相，进入第一级分离装置121进行气液分离，分离主要含柴油和蜡的油相产物和主要包括未反应的合成气、甲烷、LPG、石脑油、柴油等轻组分和水的气相产物。油相产物通过减压闪蒸装置122进一步降低水和轻组分的含量后进入柴油-蜡分离塔131。气相产物温度大约为200℃，进入换热装置123进行冷却，可冷却至一尽量低的温度，通常在80℃到120℃范围内，以不使所述气相产物中产生固态析出物为限。所述换热装置123可将所述气相产物冷却过程释放的热量用作原料预热器111的热源，给原料合成气预热。所述气相产物经换热装置123冷却后部分冷凝成液相，进入第二级分离装置124进行气液分离，其液相主要包含油和水，排除水后得到的油相产物经减压混合装置125减压后进入柴油-石脑油分离塔132，未冷凝的气相再经冷却装置126进一步冷却至一更低的温度，通常在0℃到40℃范围内，以不使其中的水蒸气冷凝成固态为限，再进入第三级分离装置127进行气液分离，液相主要包含油和水，水排出系统，油相产物经减压混合装置125减压后进入柴油-石脑油分离塔132。
在一实施例中，经冷却装置126后仍未冷凝的气体部分以驰放气排出系统，其余作为循环气与新鲜原料气混合。其中，所述驰放气含有一定量的氢气和一氧化碳，因此所述费托合成装置100还可以进一步包括甲烷化反应装置(未图示)，用来将所述驰放气中的氢气和一氧化碳合成甲烷，使得其输出气体符合民用天然气标准而加以利用。
可替换地，在另一实施例中，如图3所示，经冷却装置126后仍未冷凝的气相也可再用一个冷却装置128进一步冷却至一更低的温度，该温度以使其中的液化石油气(LPG)保持在液相为限，冷却后的物质进入第四级分离装置129进行气液分离，并收集其中液相产物，其主要为LPG，其中仍未冷凝的气体部分以驰放气排出系统，其余作为循环气与新鲜原料气混合。
柴油和蜡混合物进入柴油-蜡分离塔131，塔底得到纯化后的产品蜡，塔上部采出柴油，塔顶气中夹带少量石脑油，该股物料可送到柴油-石脑油分离塔132。
柴油-石脑油分离塔132的进料从塔的上部进入，在塔顶冷却回流罐采出石脑油，不凝气体经压缩后部分液化成LPG，不能压缩的气体并入驰放气系统，从塔中部侧线抽出柴油，塔底排出少量的蜡。
其中，所述排出的驰放气可用于燃气轮机发电，为整个系统提供动力。燃气轮机的尾气可用于给精馏塔提供热源，和/或提供热源用于启动反应器系统和/或提升蒸汽品位。所述反应器112放出的大量反应热可用来产生蒸汽供蒸汽轮机发电，为整个系统提供动力，而蒸汽的凝结水返还反应器112又可用于移走反应器112放出的反应热。
因此，整个系统的能耗可以自给自足。即，所述费托合成装置100用于费托合成时可实现整个系统能量自给，无需外部能源。
其中，所述原料预热器111和费托合成反应器112可以如图2或图3所示的方式分开独立设置，也可以组合设置或一体化设置，比如，可以将原料预热器111设置于费托合成反应器112内。在一实施例中，反应器112内设置有多个反应管，反应管之间用水移走反应热，而所述原料预热器111可以包括多个设置于所述反应管之间的水中的换热管，使得原料反应气流经该换热管后预热到合适的温度。
如图4所示，在一实施例中，新鲜原料合成气和循环气先进入换热装置123与第一级分离装置121输出的气相产物进行热交换，然后进入反应器112反应，或进入设置于费托合成反应器112内的上述预热器进一步预热后再进入反应器112反应。
如图5所示，在又一实施例中，新鲜原料合成气和循环气首先进入冷却装置126与第二级分离装置124输出的气相物质进行热交换，然后再进入换热装置123与第一级分离装置121输出的气相产物进一步热交换，最后进入反应器112反应，或进入设置于费托合成反应器112内的上述预热器更进一步预热后再进入反应器112反应。
所述费托合成装置100的各部分还可以进一步包括其它装置或结构等。比如反应器系统110还可以进一步包括一个或多个所述费托合成反应器112。又比如，所述反应装置100还可以进一步包括用来实现原料气体的流量控制的装置或结构、用来实现反应装置100的整体控制的装置或结构、用来实现气体循环的装置或结构、用来实现热交换的装置或结构、以及用来保证整个反应装置100的操作的安全可靠性的装置或结构等，包括但不限于一个或多个流量控制器、传感器、循环系统、换热系统、报警系统等，该等装置或结构可整合于所述反应器系统110、气液分离系统120和精馏系统130各部分内。
在一实施例中，若所述费托合成装置100的结构足够紧凑，体积足够小，可以整体地形成为一个可用普通运输工具运输的模块。
在一实施例中，所述费托合成装置100的各组成部分，包括但不限于所述原料预热器111、费托合成反应器112、各级分离装置121、124或127、减压闪蒸装置122、减压混合装置125、换热装置123、冷却装置126、柴油-蜡分离塔131和柴油-石脑油分离塔132，可以根据其体积、重量和/或相互组合的方便程度，按照各种组合方式整合成两个或两个以上可以相互连接也可以相互拆卸的模块，该等模块拆卸后可分别用普通运输工具运输到生产场地，连接后组成整体的所述费托合成装置100，用来将原料合成气转化成费托合成产品。
比如，在一实施例中，所述反应器系统110、气液分离系统120和精馏系统130分别为一个模块。在一实施例中，所述反应器系统110包括一个或一个以上的反应器112，各反应器112具有原料预热功能而没有独立设置的原料预热器111，各反应器112分别为一模块，第一级分离装置121、第二级分离装置124、冷却装置126和第三级分离装置127整合为一个模块，减压闪蒸装置122和减压混合装置125整合为一个模块，柴油-蜡分离塔131和柴油-石脑油分离塔132分别为一个模块，甲烷化反应装置为一个模块。
在一实施例中，为了方便各个模块的移动，可以在所述各模块底部安装滑轮。
所述可运输的模块化的紧凑型费托合成装置，不仅可以用普通运输工具运至各地，将该地的生物质所产的合成气转化为所需产品，极大地方便了生物质资源的利用，而且提升了小产能型费托合成装置的成本优势以降低生物质基合成气生产合成油产品的成本。
传统的费托合成装置在产能小于20,000桶/日时装置成本随着产能的减小迅速攀升，因而不适用于相对小量的生物质基合成气的深加工的情形。本发明所述可运输的模块化的紧凑型费托合成装置利用其固定床工艺特点，并结合可有效防止热点产生的Unitemp
型反应器的催化剂装填技术，实现了费托合成装置的小型化，即便在产能小于10,000桶/日，甚至在产能小于5,000桶/日时，其装置成本与装置产能的关系曲线仍平缓，因此极大提高了日产小于10,000桶，特别是日产小于5,000桶的小产能型费托合成装置的成本优势，从而可以降低生物质基合成气生产合成产品的成本。
Claims (11)
1.一种可运输的模块化的紧凑型费托合成装置，其至少包括用来将合成气转化为烃类化合物的一个或多个费托合成反应器和用来对所述费托合成反应器输出的费托合成产物进行气液分离的一个或多个分离装置，其特征在于：所述费托合成装置整体是一个可以用普通运输工具运输的模块，或者包括所述费托合成反应器和分离装置的所述费托合成装置的多个组成部分按照其体积、重量和/或相互组合的方便程度整合成两个或两个以上的模块，该两个或两个以上模块可连接组合成所述费托合成装置，拆卸后可分别用普通运输工具运输；
其中，所述一个或多个分离装置包括用来分离出第一气相产物和主要含柴油和蜡的第一液相产物的第一级分离装置、用来进一步降低所述第一液相产物中水和轻组分含量的减压闪蒸装置、用来对所述第一气相产物进行冷却的冷却装置、用来对冷却后的第一气相产物进行气液分离以分离出第二气相产物和第二液相产物的第二级分离装置、用来对所述第二液相产物进行减压的减压混合装置、用来对所述第二气相产物进行冷却的冷却装置、以及用来对所述冷却后的第二气相产物进行气液分离以分离出第三气相产物和第三液相产物的第三级分离装置。
2.如权利要求1所述的费托合成装置，其特征在于：所述费托合成装置将其排出的驰放气用于燃气轮机发电，为整个系统提供动力，所述燃气轮机的尾气用于给所述费托合成装置提供热源。
3.如权利要求1所述的费托合成装置，其特征在于：所述费托合成装置将其反应器放出的反应热用来产生蒸汽供蒸汽轮机发电，为整个系统提供动力，而蒸汽的凝结水又返还反应器用于移走该反应器放出的反应热。
4.如权利要求1所述的费托合成装置，其特征在于：所述费托合成装置还包括用来对所述分离装置分离出的油相产物进行精馏的精馏装置。
5.如权利要求4所述的费托合成装置，其特征在于：所述精馏装置包括柴油-蜡分离塔和柴油-石脑油分离塔。
6.如权利要求1所述的费托合成装置，其特征在于：所述费托合成装置还包括用来将所述分离装置排出的驰放气中的至少一部分循环回所述费托合成反应器的循环系统。
7.如权利要求1所述的费托合成装置，其特征在于：所述费托合成装置还包括用来对所述费托合成反应器进行换热的换热系统。
8.如权利要求1所述的费托合成装置，其特征在于：所述费托合成反应器为固定床反应器。
9.如权利要求8所述的费托合成装置，其特征在于：所述固定床反应器包括催化床，该催化床包括多个床段，各床段可装填催化活性不同的催化剂。
10.如权利要求1所述的费托合成装置，其特征在于：所述一个或多个分离装置进一步包括用来对所述第三气相产物进一步冷却的冷却装置、以及用来对所述进一步冷却后的第三气相产物进行气液分离以分离出第四气相产物和主要含液化气的第四液相产物的第四级分离装置。
11.如权利要求6所述的费托合成装置，其特征在于：所述费托合成装置进一步包括用来将所述分离装置排出的驰放气中的至少一部分中的氢气和一氧化碳转化成甲烷的甲烷化反应装置。
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