CN104745257A - 一种煤和焦炉气联供制天然气的系统及工艺 - Google Patents
一种煤和焦炉气联供制天然气的系统及工艺 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于能源与化工技术领域，公开了一种煤和焦炉气联供制天然气的系统及工艺。所述煤和焦炉气联供制天然气的系统包括煤气化单元、酸性气体脱除单元、甲烷化单元和焦炉气净化单元，煤气化单元与酸性气体脱除单元依次连接，焦炉气净化单元与酸性气体脱除单元并联后同时接入甲烷化单元。原煤经煤气化单元产生粗合成气，再净化后脱出硫化物与CO2并产生洁净的合成气；粗焦炉气经焦炉气净化单元分离得到洁净焦炉气，洁净焦炉气与洁净的合成气按比例混合后，经甲烷化单元甲烷化可产生天然气。本发明省去水煤变换单元，并将CO2循环回气化炉再反应，同时用焦炉气替代了一部分煤，实现了气化过程的CO2和污水的减排，且将过程能效提高8％以上。
Description
技术领域
本发明属于能源与化工技术领域，具体涉及一种煤和焦炉气联供制天然气的系统及工艺。
背景技术
中国的资源禀赋特点是“富煤、贫油、少气”，是一个以煤炭为主要能源的国家。虽然天然气消费在基础能源消费中所占比例仍然低于5％，但是天然气的消费量呈逐步上升趋势，过去10年天然气消费的平均增速为16％，其中2012年天然气消费量为1295亿m3，比2011年增加9.9％。“十二五”期间，天然气在基础能源消费结构中所占比例将由目前的4.4％提高到7.5％。到2015年，我国天然气需求量预计将达到2500多亿m3，而届时我国天然气产量只有约1500亿m3，加上页岩气产量65亿m3，届时我国天然气将出现巨大的供需矛盾。
基于我国国情以及国家产业政策的鼓励，国内很多企业开始考虑发展煤制天然气(SNG)项目。我国“十二五”期间的新型煤化工发展目标预计，到2015年，我国SNG产能最高约为300亿m3/年。我国已将SNG项目确定为石化“十二五”规划的重点发展项目，并将其作为工业示范项目列入《石化产业调整和振兴规划》。截止到2013年，中央政府已经批准10个SNG项目，总产能为671亿m3/年，其中最小产能为16亿m3/年，最大产能为300亿m3/年，产能都将超过美国大平原SNG项目15亿m3/年的产能。在10个获批的SNG项目的基础上，我国企业还计划投资更多的SNG项目，据不完全统计，在2012有超过30家企业准备投资SNG项目，总产能超过1200亿m3/年。仅在新疆一省，就计划建设20个SNG项目，产能达770亿m3/a。中石化计划投资140亿修建总长6000km的天然气运输管道，每年将从新疆输送300亿m3的天然气到我国东南地区。显然，我国拟建SNG项目的总产能将远超我国的供需缺口，因此我国需要综合考虑各方因素，合理规划SNG项目，解决我国的天然气供需矛盾和能源安全问题。
虽然目前的煤制天然气工艺具有技术成熟、生产成本低等优势，但仍然存在一些不足：首先，由于我国煤制天然气工艺中的煤气化过程主要采用鲁奇(Lurgi)煤气化技术，这种煤气化技术会产生大量的含酚废水，这些废水非常难处理，往往对周边环境造成一定影响。其次，由于鲁奇气化炉产生的合成气的氢碳比不能满足甲烷化的要求，因此需要水煤变换来提高氢碳比，但水煤变换过程会浪费热值较高的CO，而产生大量的CO2，对环境造成影响，降低了碳元素利用效率。
焦炉气是焦炭生产过程中煤炭干馏后产生的气副产体，主要组成包括H2(55～60％)，CH4(23～27％)，CO(5～8％)，N2(3～6％)，CO2(<2％)以及一些烃类。中国每年的焦炉气产量约为350亿标准立方米，然而，除20％被作为燃料直接燃烧外，大部分焦炉气被直接排放进入大气，浪费了大量的资源。
发明内容
针对目前煤制合成天然气过程存在的缺点，本发明的首要目的在于提供一种煤和焦炉气联供制天然气的系统，该系统有助于降低煤制天然气过程的CO2和污水排放，提高资源能源利用效率。
本发明的另一目的在于提供一种利用上述系统制备天然气的工艺。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种煤和焦炉气联供制天然气的系统，所述系统包括煤气化单元、酸性气体脱除单元、甲烷化单元和焦炉气净化单元，煤气化单元与酸性气体脱除单元依次连接，焦炉气净化单元与酸性气体脱除单元并联后同时接入甲烷化单元。
优选的，所述煤气化单元设有煤粉原料入口、水蒸气入口、氧气入口、二氧化碳入口以及粗合成气出口；所述酸性气体脱除单元设有粗合成气入口、净合成气出口、硫化物出口以及二氧化碳出口；所述甲烷化单元设有甲烷合成气入口及甲烷产品出口；所述焦炉气净化单元设有粗焦炉气进口、焦炉气出口以及杂质出口；
其中，所述酸性气体脱除单元的二氧化碳出口分开两条管道，其中一条管道连接所述煤气化单元的二氧化碳入口，另一条为排空管道；所述焦炉气净化单元的焦炉气出口与所述酸性气体脱除单元的净合成气出口通过管道连接后，与所述甲烷化单元的甲烷合成气入口相连接。
一种采用上述煤和焦炉气联供制天然气的系统制备天然气的工艺，包括如下步骤：原煤经研磨成煤粉后，与水蒸气、氧气进入煤气化单元进行煤气化反应，制得煤气化粗合成气，煤气化粗合成气进入酸性气体脱除单元，将其中的二氧化碳和硫化物脱除，得到煤气化合成气，经脱除的硫化物排出系统，二氧化碳分成一部分回用二氧化碳经管道循环回煤气化单元参与气化反应，另一部分剩余二氧化碳排出系统外；粗焦炉气经焦炉气净化单元脱除杂质后，得到洁净焦炉气，洁净焦炉气与净化后的煤气化合成气经混合后，得到甲烷化合成气，甲烷化合成气进入甲烷化单元进行甲烷化反应并经提纯后，得到合成天然气产品。
优选的，所述粗焦炉气按热值折合成标准煤后与所述原煤的进料质量比为2.7～2.8：1。
优选的，所述煤气化单元进行煤气化反应的温度为1360～1400℃，压力为3.2～3.4Mpa。
优选的，所述煤气化粗合成气的氢碳比为0.5～1。
优选的，所述粗焦炉气的组成包括55％～60％(体积分数)的H2和20％～27％(体积分数)的CH4。
优选的，所述甲烷化合成气的氢碳比为3.05～3.3。
优选的，所述回用二氧化碳约占二氧化碳总体积的25％～35％。
优选的，所述甲烷化单元进行甲烷化反应的温度为640～670℃，压力为-45～-55KPa。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
(1)本发明所述系统及工艺通过煤和焦炉气的元素互补利用，实现了对煤炭资源的有效利用，避免了组分调整操作造成的有效元素浪费和能耗代价。现有煤制合成天然气工艺中产生的CO2在本发明中得到回收利用，同时，由于取消了目前煤制天然气过程的水煤变换单元，避免了组分调整所产生的二氧化碳，相比，本发明的单位天然气产品所产生的二氧化碳仅为目前煤制天然气过程的4％。与此同时，本发明所述系统及工艺的碳元素利用率达到75％以上，系统能量效率高达52％以上，相比目前煤制天然气过程分别提高了45％和8％。
(2)相比现有的煤制天然气过程，本发明所述系统减去了水煤气变换单元，对于相同生产规模的现有煤制合成天然气工艺，本发明所述系统的规模仅为现有工艺的十分之一左右，在一定程度上简化了工艺，操作稳定性高。
(3)焦炉气作为工业煤焦化工业废气，量大且污染环境。本发明所述系统及工艺对这种废气加以利用，减少工业煤焦化工业废气排放，显著提高资源和能源利用率。
附图说明
图1为本发明所述煤和焦炉气联供制天然气的系统的示意图。其中，101为煤气化单元，102为酸性气体脱除单元，103为甲烷化单元，104为焦炉气净化单元，201为原煤，201为水蒸气，203为氧气，204为煤气化粗合成气，205为煤气化合成气，206为硫化物，207为二氧化碳，208为回用二氧化碳，209为剩余二氧化碳，210为甲烷化合成气，211为合成天然气产品，212为粗焦炉气，213为洁净焦炉气，214为杂质。
图2为现有的煤制合成天然气的系统的示意图。其中，105为水煤变换单元，215为粗合成气215，其余编号与图1相同。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
本发明所述煤和焦炉气联供制天然气的系统，如图1所示，所述系统包括煤气化单元101、酸性气体脱除单元102、甲烷化单元103和焦炉气净化单元104，煤气化单元101与酸性气体脱除单元102依次连接，焦炉气净化单元104与酸性气体脱除单元102并联后同时接入甲烷化单元103。
其中，所述煤气化单元101设有煤粉原料入口、水蒸气入口、氧气入口、二氧化碳入口以及粗合成气出口；所述酸性气体脱除单元102设有粗合成气入口、净合成气出口、硫化物出口以及二氧化碳出口；所述甲烷化单元103设有甲烷合成气入口及甲烷产品出口；所述焦炉气净化单元104设有粗焦炉气进口、焦炉气出口以及杂质出口；
所述酸性气体脱除单元102的二氧化碳出口分开两条管道，其中一条管道连接所述煤气化单元101的二氧化碳入口，另一条为排空管道；所述焦炉气净化单元104的焦炉气出口与所述酸性气体脱除单元102的净合成气出口通过管道连接后，与所述甲烷化单元103的甲烷合成气入口相连接。
从图1可看到，采用本发明所述系统进行制备合成天然气的工艺步骤如下：
原煤201经研磨成煤粉后，与水蒸气202、氧气203进入煤气化单元101进行煤气化反应，制得煤气化粗合成气204，煤气化粗合成气204进入酸性气体脱除单元102，将其中的二氧化碳207和硫化物206脱除，得到煤气化合成气205，经脱除的硫化物206排出系统，二氧化碳207分成一部分回用二氧化碳208经管道循环回煤气化单元101参与气化反应，另一部分剩余二氧化碳209排出系统外；粗焦炉气212经焦炉气净化单元104脱除杂质214后，得到洁净焦炉气213，洁净焦炉气213与净化后的煤气化合成气205经混合后，得到甲烷化合成气210，甲烷化合成气210进入甲烷化单元103进行甲烷化反应并经提纯后，得到合成天然气产品211。
其中，所述粗焦炉气212按热值折合成标准煤后与所述原煤201的进料质量比为2.7～2.8：1。所述煤气化单元101进行煤气化反应的温度为1360～1400℃，压力为3.2～3.4Mpa。所述煤气化粗合成气204的氢碳比为0.5～1。所述粗焦炉气213的组成包括55％～60％(体积分数)的H2和20％～27％(体积分数)的CH4。所述甲烷化合成气210的氢碳比为3.05～3.3。所述回用二氧化碳约占二氧化碳总体积的25％～35％。所述甲烷化单元进行甲烷化反应的温度为640～670℃，压力为-45～-55KPa。
现有常规的煤制合成天然气的系统，如图2所示，包括依次连接的煤气化单元101、水煤变换单元105、酸性气体脱除单元102和甲烷化单元103。原煤201经煤气化单元101制成煤气化粗合成气204后，进入水煤变换单元105进行组分调整，将煤气化粗合成气204中的CO转化为H2和CO2以提高合成气的氢碳比，组分调整后的粗合成气215进入酸性气体脱除单元102以脱除合成气中的酸性杂质，脱除的二氧化碳207和硫化物206排出系统，得到的净化后的甲烷化合成气210进入甲烷化单元103合成甲烷，得到合成天然气产品211。
本发明所述煤和焦炉气联供制天然气的系统及工艺与图2所示的现有技术的不同之处在于：
(1)本发明所述系统中，引入工业废气焦炉气来辅助煤生产合成天然气。并在煤气化单元引入CO2循环过程以提高碳元素利用率，降低系统CO2排放。
(2)本发明所述系统中，甲烷合成所需的合成气由煤气化合成气和净化后的焦炉气分混合后组成，该合成气的氢碳比为3.05～3.3左右，无需进入水煤变换单元，故在本发明所述系统中，无需设置水煤变换单元。
实施例1
本发明所述的煤和焦炉气联供制天然气的系统及工艺的具体实施如下：
进入所述煤和焦炉气联供制天然气的系统的原煤的流量为125t/h，原料粗焦炉气流量为348t/h。粗焦炉气的组成见表1。所述煤和焦炉气联供制天然气的系统及工艺的示意图参见图1：
表1粗焦炉气的成分
| 成分 | H2 | CH4 | CO | CO2 | N2 | O2 | CmHn |
| 体积分数％ | 59.5 | 24.8 | 6.5 | 5.5 | 3.2 | 0.3 | 0.2 |
原煤201经研磨成煤粉后，与水蒸气202、氧气203进入煤气化单元101进行煤气化反应，制得煤气化粗合成气204，煤气化粗合成气204进入酸性气体脱除单元102，将其中的二氧化碳207和硫化物206脱除，得到煤气化合成气205，经脱除的硫化物206排出系统，二氧化碳207分成一部分回用二氧化碳208经管道循环回煤气化单元101参与气化反应，另一部分剩余二氧化碳209排出系统外；粗焦炉气212经焦炉气净化单元104脱除杂质214后，得到洁净焦炉气213，洁净焦炉气213与净化后的煤气化合成气205经混合后，得到甲烷化合成气210，甲烷化合成气210进入甲烷化单元103进行甲烷化反应并经提纯后，得到合成天然气产品211。
其中，煤气化反应的温度为1360℃，压力为3.3MPa；甲烷化反应的温度为670℃，压力为-50KPa，CO2循环量为25％，甲烷化反应合成气的氢碳比为3.15。
本实施例中各主要物流结果见表2。
表2各物流分析结果
| 物流编号 | 204 | 205 | 208 | 213 | 210 | 211 |
| 摩尔分数(％) | ||||||
| N2 | 0.1 | 11.1 | 1.1 | 1.5 | 0 | 0 |
| O2 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Ar | 0.1 | 7.2 | 0.2 | 0 | 0.3 | 0 |
| H2O | 19.2 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| CO | 40.2 | 49 | 0.3 | 9.0 | 18.7 | 0.1 |
| COS | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| CO2 | 13.8 | 2.3 | 98 | 1.5 | 3 | 5.6 |
| H2S | 0.3 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| H2 | 26.2 | 30.4 | 0.4 | 61.0 | 58 | 0.1 |
| CH4 | 0 | 0 | 0 | 27.0 | 20 | 94..2 |
| 摩尔流量,kmol/hr | 13230 | 10854 | 420 | 38200 | 47214 | 19952 |
| 质量流量,t/hr | 290 | 224 | 18 | 348 | 520 | 354 |
| 温度,℃ | 152 | -43 | 20 | 100 | 74 | 40 |
| 压力,MPa | 2.7 | 2.7 | 5 | 3 | 2.7 | 2.3 |
实施例2
本发明所述的煤和焦炉气联供制天然气的系统及工艺的具体实施如下：
进入所述煤和焦炉气联供制天然气的系统的原煤的流量为100t/h，原料粗焦炉气流量为278t/h。粗焦炉气的组成同表1。所述煤和焦炉气联供制天然气的系统及工艺的示意图参见图1。
原煤201经研磨成煤粉后，与水蒸气202、氧气203进入煤气化单元101进行煤气化反应，制得煤气化粗合成气204，煤气化粗合成气204进入酸性气体脱除单元102，将其中的二氧化碳207和硫化物206脱除，得到煤气化合成气205，经脱除的硫化物206排出系统，二氧化碳207分成一部分回用二氧化碳208经管道循环回煤气化单元101参与气化反应，另一部分剩余二氧化碳209排出系统外；粗焦炉气212经焦炉气净化单元104脱除杂质214后，得到洁净焦炉气213，洁净焦炉气213与净化后的煤气化合成气205经混合后，得到甲烷化合成气210，甲烷化合成气210进入甲烷化单元103进行甲烷化反应并经提纯后，得到合成天然气产品211。
其中，煤气化反应的温度为1380℃，压力为3.4MPa；甲烷化反应的温度为665℃，压力为-45KPa，CO2循环量为25％，甲烷化反应合成气的氢碳比为3.15。
本实施例中各主要物流结果见表3。
表3各物流分析结果
| 物流编号 | 204 | 205 | 208 | 213 | 210 | 211 |
| 摩尔分数(％) | ||||||
| N2 | 0.1 | 11.0 | 1.2 | 1.5 | 0 | 0 |
| O2 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Ar | 0.1 | 7.3 | 0.3 | 0 | 0.3 | 0 |
| H2O | 19.0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| CO | 40.4 | 48.5 | 0.3 | 9.0 | 19.2 | 0.3 |
| COS | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| CO2 | 13.9 | 2.8 | 97.5 | 1.5 | 2.5 | 5.6 |
| H2S | 0.3 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| H2 | 26.1 | 30.4 | 0.7 | 61.5 | 58 | 0.1 |
| CH4 | 0 | 0 | 0 | 26.5 | 20 | 94.0 |
| 摩尔流量,kmol/hr | 10584 | 8683 | 336 | 30560 | 37771 | 15961 |
| 质量流量,t/hr | 232 | 179 | 14.5 | 278 | 416 | 283 |
| 温度,℃ | 150 | -45 | 25 | 95 | 74 | 40 |
| 压力,MPa | 2.7 | 2.7 | 5 | 3 | 2.7 | 2.3 |
将工艺流程的产品单耗和能量消耗，经折标计算得到能量效率。
将上述实施例1和实施例2与现有煤制天然气工艺(具体工艺如图2所示)进行比较，结果如表4所示：
表4本发明实施例与现有煤制天然气工艺主要指标对比
从表4看出，相比于现有的煤制天然气工艺，本发明实施例1和实施例2采用煤和焦炉气联供制天然气的能量效率提高了8个百分点以上，二氧化碳减排约95％。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种煤和焦炉气联供制天然气的系统，其特征在于：所述煤和焦炉气联供制天然气的系统包括煤气化单元、酸性气体脱除单元、甲烷化单元和焦炉气净化单元，煤气化单元与酸性气体脱除单元依次连接，焦炉气净化单元与酸性气体脱除单元并联后同时接入甲烷化单元。
2.根据权利要求1所述的一种煤和焦炉气联供制天然气的系统，其特征在于：所述煤气化单元设有煤粉原料入口、水蒸气入口、氧气入口、二氧化碳入口以及粗合成气出口；所述酸性气体脱除单元设有粗合成气入口、净合成气出口、硫化物出口以及二氧化碳出口；所述甲烷化单元设有甲烷合成气入口及甲烷产品出口；所述焦炉气净化单元设有粗焦炉气进口、焦炉气出口以及杂质出口；其中，所述酸性气体脱除单元的二氧化碳出口分开两条管道，其中一条管道连接所述煤气化单元的二氧化碳入口，另一条为排空管道；所述焦炉气净化单元的焦炉气出口与所述酸性气体脱除单元的净合成气出口通过管道连接后，与所述甲烷化单元的甲烷合成气入口相连接。
3.一种采用根据权利要求1或2所述的煤和焦炉气联供制天然气的系统制备天然气的工艺，其特征在于，包括如下步骤：原煤经研磨成煤粉后，与水蒸气、氧气进入煤气化单元进行煤气化反应，制得煤气化粗合成气，煤气化粗合成气进入酸性气体脱除单元，将其中的二氧化碳和硫化物脱除，得到煤气化合成气，经脱除的硫化物排出系统，二氧化碳分成一部分回用二氧化碳经管道循环回煤气化单元参与气化反应，另一部分剩余二氧化碳排出系统外；粗焦炉气经焦炉气净化单元脱除杂质后，得到洁净焦炉气，洁净焦炉气与净化后的煤气化合成气经混合后，得到甲烷化合成气，甲烷化合成气进入甲烷化单元进行甲烷化反应并经提纯后，得到合成天然气产品。
4.根据权利要求3所述的煤和焦炉气联供制天然气的系统制备天然气的工艺，其特征在于：所述粗焦炉气按热值折合成标准煤后与所述原煤的进料质量比为2.7～2.8：1。
5.根据权利要求3所述的煤和焦炉气联供制天然气的系统制备天然气的工艺，其特征在于：所述煤气化单元进行煤气化反应的温度为1360～1400℃，压力为3.2～3.4Mpa。
6.根据权利要求3所述的煤和焦炉气联供制天然气的系统制备天然气的工艺，其特征在于：所述煤气化粗合成气的氢碳比为0.5～1。
7.根据权利要求3所述的煤和焦炉气联供制天然气的系统制备天然气的工艺，其特征在于：所述粗焦炉气的组成包括55％～60％(体积分数)的H2和20％～27％(体积分数)的CH4。
8.根据权利要求3所述的煤和焦炉气联供制天然气的系统制备天然气的工艺，其特征在于：所述甲烷化合成气的氢碳比为3.05～3.3。
9.根据权利要求3所述的煤和焦炉气联供制天然气的系统制备天然气的工艺，其特征在于：所述回用二氧化碳约占二氧化碳总体积的25％～35％。
10.根据权利要求3所述的煤和焦炉气联供制天然气的系统制备天然气的工艺，其特征在于：所述甲烷化单元进行甲烷化反应的温度为640～670℃，压力为-45～-55KPa。
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