CN104844480B - 一种含氧含氮煤层气合成尿素的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
一种含氧含氮煤层气合成尿素的系统和方法，将原料气通过净化除尘处理后，再配气装置对原料气组分进行控制，加入水蒸气，然后通过自热重整、水煤气变换、CO2脱除，获得H2/N2混合气，经过合成氨工艺获得液氨，合成的液氨和分离出的CO2通过合成尿素工艺最终获得化工产品尿素，采用低价值的含氧含氮低浓度煤层气作为原料气，不用额外加入氮气，含氧煤层气的甲烷自热重整过程耦合了放热反应和吸热反应，降低了甲烷重整过程的热耗，本发明可适用于各种浓度的煤层气，并能够适应井下排采煤层气甲烷浓度不稳定的特点。
Description
技术领域
本发明属于非常规天然气(煤层气/煤矿瓦斯)的化工利用技术领域，特别涉及一种含氧含氮煤层气合成尿素的系统和方法。
背景技术
我国煤层气资源十分丰富，是世界上继俄罗斯、加拿大之后的第三大煤层气储量国。我国埋深2000米以浅的瓦斯资源量达31.46万亿立方米，与陆上常规天然气资源量相当。
煤矿区煤层气主要有两种开采方式：地面抽采和井下排采。其中地面抽采煤层气(CBM)具有较高浓度，甲烷含量一般都在90％以上，可直接制成压缩气(CNG)或液化气(LNG)向外输送利用，利用率较高；井下排采煤层气(CMM)因为在开采过程中混入大量空气，煤层气甲烷浓度不高(20％～50％)，一般需要经过多级提分离提纯才能制成CNG或LNG，利用成本较大，利用率不高。据公开资料表明，我国2013年地面抽采煤层气30亿立方米，利用率76.7％，井下排采煤层气126亿立方米，利用率34.1％。可见，提高井下排采煤层气的利用率是煤矿区煤层气减排利用的关键。
井下排采煤层气利用率不高的主要原因是甲烷浓度不高，而且含有氧气，燃烧使用容易产生爆炸危险，因此我国《煤矿安全规程》规定：抽采的瓦斯浓度低于30％时，不得作为燃气直接燃烧。此外，大量氮气的存在也极大提高了甲烷分离提纯的成本。
井下排采的低浓度煤层气一般有两种利用方式：1)通过瓦斯发电机组进行发电利用；2)通过脱氧脱氮工艺提纯制CNG/LNG。瓦斯发电技术相对较为成熟，自2006年以来，我国已建成并投产数十个商业化的低浓度瓦斯发电项目。由于低浓度瓦斯发电成本较高，目前我国还只能通过财政补贴来鼓励瓦斯发电利用。低浓度煤层气脱氧脱氮浓缩提纯技术目前还处于技术研发和工程示范阶段，脱氧脱氮提纯的成本较高，项目的运行目前还只能基本维持盈亏平衡。
因此，寻求一种更为经济的利用途径来对含氧含氮的低浓度煤层气进行大规模利用，提高我国井下排采煤层气(CMM)的利用率，实现资源优化利用和甲烷温室气体减排双重效益，是十分有意义的。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种含氧含氮煤层气合成尿素的系统和方法，能够获得化工产品尿素，提高井下排采煤层气(CMM)的利用率，可适用于各种浓度的煤层气，并能够适应井下排采煤层气甲烷浓度不稳定的特点。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种含氧含氮煤层气合成尿素的系统，包括原料气净化器1，原料气净化器1入口与含氧含氮煤层气输入管道相连接，原料气净化器1出口与配气装置2入口相连接，配气装置2入口还与空气管道和甲烷气管道相连接，配气装置2出口分成两路，分别与甲烷自热重整炉3的反应通道入口和加热通道入口相连接，另外，甲烷自热重整炉3的反应通道入口还与水蒸气供应管道相连接，甲烷自热重整炉3的加热通道出口与废热锅炉4的 烟气入口相连接，废热锅炉4的水蒸汽出口与水蒸气供应管道相连接，甲烷自热重整炉3的反应通道出口与气气换热器5的热气流入口端相连接，气气换热器5的热气流出口端与水煤气变换炉6入口相连接，水煤气变换炉6入口还与水蒸气管道相连接，水煤气变换炉6出口与水冷器7入口相连接，水冷器7出口与水分离器8入口相连接，水分离器8气流出口与CO2分离装置9入口相连接，CO2分离装置9的CO2气流出口与尿素合成塔14入口相连接，CO2分离装置9的H2/N2气流出口与气气换热器5的冷气流入口端相连接，气气换热器5的冷气流出口端与甲烷化炉10入口相连接，甲烷化炉10出口与压缩机11入口相连接，压缩机11出口与氨合成塔12入口相连接，氨合成塔12出口与液氨分离器13入口相连接，液氨分离器13的液氨出口与尿素合成塔14入口相连接，液氨分离器13的H2/N2气流出口与压缩机11入口相连接。
所述的一种含氧含氮煤层气合成尿素的系统的合成方法，包括以下步骤：
煤矿井下排采的含氧含氮煤层气经过管道引入原料气净化器1，去除粉尘和H2S杂质后，进入配气装置2，通过补充甲烷气或空气的方式来调节煤层气中甲烷浓度，使得煤层气中甲烷和空气的比例分别为42％和58％，配气装置2输出的甲烷和空气混合气一部分作为原料气，与水蒸气按比例混合后送入甲烷自热重整炉3的反应通道，在催化剂作用下进行重整反应，主反应方程式如下：
CH4+1/2O2→CO+2H2 (1)
CH4+H2O→CO+3H2 (2)
配气装置2输出的甲烷和空气混合气的另外一部分作为燃气送入甲烷自热重整炉3的加热通道，引入额外所需空气后，通过燃烧对甲烷自热重整炉3进行加热，使其温度维持在900～1000℃范围内；
甲烷自热重整炉3的加热通道排出的高温烟气进入废热锅炉4进行废热回收利用，生成的水蒸气进入蒸汽管道，为甲烷重整和水煤气变换提供部分蒸汽，甲烷自热重整炉3的反应通道排出的高温混合气，即N2、CO、H2、CO2、H2O和少量CH4进入气气换热器5，与经过CO2分离装置9脱除CO2后的合成气进行换热，通过气气换热器5后，高温混合气的温度降至300℃，然后进入水煤气变换炉6，补充水蒸气后，在催化剂的作用下进行变换反应，变化反应为放热反应，其主反应如下：
CO+H2O→CO2+H2 (3)
变换反应后的混合气体经过水冷器7冷却至60℃，然后进入水分离器8去除水分，去除水分后的合成气经过CO2分离装置9对CO2进行脱除，脱除CO2后的合成气主要成分是H2和N2，还有少量的CO，CO2和CH4，进行合成氨之前需将合成气中的CO，CO2含量经过甲烷化后降至10cm3/m3以下，甲烷化的主要反应如下：
CO+3H2→CH4+H2O (4)
CO2+4H2→CH4+2H2O (5)
因此，经过CO2分离装置9脱除CO2后的合成气经过气气换热器5加热至300℃以上，然后进入甲烷化炉10，在催化剂的作用下进行甲烷化，深度去除CO和CO2，CO2分离装置9分离出的CO2则引入尿素合成塔14，甲烷化炉10排出的合成气经过压缩机11压缩至15～30MPa后，进入氨合 成塔12进行氨的合成，其氨合成反应如下：
N2+3H2→2NH3 (6)
氨合成塔12排出的混合气，即N2、H2、NH3和少量CH4进入液氨分离器13分离出液氨，N2、H2和CH4则通过压缩机11压入氨合成塔12，循环利用，累积的CH4和其它杂质气体通过弛放气阀定期排放出氨合成塔12，液氨分离器13分离出的液氨一部分作为原料进入尿素合成塔14，与来自CO2分离装置9的CO2合成尿素，多余的液氨则作为副产品液氨，合成尿素的化学方程式如下：
2NH3+CO2→CO(NH2)2+H2O。 (7)
本发明有以下优点：
1)与传统的含氧含氮低浓度煤层气利用技术相比，本发明的技术经济效益更为显著。在当前的技术条件和财政补贴政策下，我国低浓度瓦斯发电项目收益约为0.4～0.5元/立方米甲烷，若没有0.25元/kWh(约0.75元/立方米甲烷)的国家财政补贴，则无法实现盈利。对于低浓度瓦斯脱氧脱氮提纯制CNG技术，目前的技术水平也仅仅是能够维持项目的盈亏平衡。若采用本发明技术，按照当前的合成氨和合成尿素的生产成本以及产品的市场价格估算，即使没有相关财政补贴政策，低浓度煤层气的利用收益可达到2元/立方米纯甲烷。
2)与传统的天然气制尿素工艺比较，本发明方法采用低价值的含氧含氮低浓度煤层气作为原料气，原料成本显著降低；其次，由于不用额外加入氮气，因此可以省却了空分系统，降低了系统总体电耗成本；再次，含氧煤层气的甲烷自热重整过程耦合了放热反应(甲烷部分氧化)和吸热 反应(甲烷水蒸气重整)，降低了甲烷重整过程的热耗。
3)与传统的天然气制尿素工艺相比，本发明方法经济效益更为突出。由于原料气成本居高不下，我国目前气头肥企基本处于盈亏平衡甚至亏本运营的状况。若采用发明生产尿素，每吨尿素生产成本可降低约1300元，收益可大幅度提升。
4)由于加设了配气装置2，使得本发明方法可适用于各种浓度的煤层气，并能够适应井下排采煤层气甲烷浓度不稳定的特点。
附图说明
附图为本发明系统的结构示意图。
具体实施方式
为清楚说明本发明，下面结合实施例及附图，对本发明进行进一步详细说明。本领域技术人员了解，下述内容不是对本发明保护范围的限制，任何在本发明基础上做出的改进和变化，都在本发明的保护范围之内。
参照附图，一种含氧含氮煤层气合成尿素的系统，包括原料气净化器1，原料气净化器1入口与含氧含氮煤层气输入管道相连接，原料气净化器1出口与配气装置2入口相连接，配气装置2入口还与空气管道和甲烷气管道相连接，配气装置2出口分成两路，分别与甲烷自热重整炉3的反应通道入口和加热通道入口相连接，另外，甲烷自热重整炉3的反应通道入口还与水蒸气供应管道相连接，甲烷自热重整炉3的加热通道出口与废热锅炉4的烟气入口相连接，废热锅炉4的水蒸汽出口与水蒸气供应管道相连接，甲烷自热重整炉3的反应通道出口与气气换热器5的热气流入口端相连接，气气换热器5的热气流出口端与水煤气变换炉6入口相连接， 水煤气变换炉6入口还与水蒸气管道相连接，水煤气变换炉6出口与水冷器7入口相连接，水冷器7出口与水分离器8入口相连接，水分离器8气流出口与CO2分离装置9入口相连接，CO2分离装置9的CO2气流出口与尿素合成塔14入口相连接，CO2分离装置9的H2/N2气流出口与气气换热器5的冷气流入口端相连接，气气换热器5的冷气流出口端与甲烷化炉10入口相连接，甲烷化炉10出口与压缩机11入口相连接，压缩机11出口与氨合成塔12入口相连接，氨合成塔12出口与液氨分离器13入口相连接，液氨分离器13的液氨出口与尿素合成塔14入口相连接，液氨分离器13的H2/N2气流出口与压缩机11入口相连接。
所述含氧含氮煤层气合成尿素的系统的合成方法，包括以下步骤：
煤矿井下排采的含氧含氮煤层气经过管道引入原料气净化器1，去除粉尘和H2S杂质后，进入配气装置2，通过补充甲烷气或空气的方式来调节煤层气中甲烷浓度，使得煤层气中甲烷和空气的比例分别为42％和58％，确保重整后生成的合成气H2和N2摩尔比为3：1，以满足合成氨的需求，配气装置2输出的甲烷和空气混合气一部分作为原料气，与水蒸气按比例混合后送入甲烷自热重整炉3的反应通道，在催化剂作用下进行重整反应，主反应方程式如下：
CH4+1/2O2→CO+2H2 (1)
CH4+H2O→CO+3H2 (2)
其中，甲烷部分氧化反应(1)为放热反应，甲烷的水蒸气重整反应(2)为吸热反应，由于氧气含量较低，反应(1)放出的热量不足以提供反应(2)所需热量，因此，配气装置2输出的甲烷和空气混合气的另外 一部分作为燃气送入甲烷自热重整炉3的加热通道，引入额外所需空气后，通过燃烧对甲烷自热重整炉3进行加热，使其温度维持在900℃左右；
甲烷自热重整炉3的加热通道排出的高温烟气进入废热锅炉4进行废热回收利用，生成的水蒸气进入蒸汽管道，为甲烷重整和水煤气变换提供部分蒸汽，甲烷自热重整炉3的反应通道排出的高温混合气，即N2、CO、H2、CO2、H2O和少量CH4进入气气换热器5，与经过CO2分离装置9脱除CO2后的合成气进行换热，通过气气换热器5后，高温混合气的温度由900℃左右降至300℃左右，然后进入水煤气变换炉6，补充水蒸气后，在催化剂的作用下进行变换反应，变化反应为放热反应，其主反应如下：
CO+H2O→CO2+H2 (3)
变换反应后的混合气体经过水冷器7冷却至60℃左右，然后进入水分离器8去除水分，去除水分后的合成气经过CO2分离装置9对CO2进行脱除，CO2分离装置9采用低温甲醇洗、醇胺吸收法、变压吸附法、热碱法或其它的工业CO2分离方法，脱除CO2后的合成气主要成分是H2和N2，其摩尔比约为3：1，此外，还有少量的CO，CO2和CH4，为了防止氨合成催化剂中毒，进行合成氨之前需将合成气中的CO，CO2含量经过甲烷化后降至10cm3/m3以下，甲烷化的主要反应如下：
CO+3H2→CH4+H2O (4)
CO2+4H2→CH4+2H2O (5)
因此，经过CO2分离装置9脱除CO2后的合成气经过气气换热器5加热至300℃以上，然后进入甲烷化炉10，在催化剂的作用下进行甲烷化，深度去除CO和CO2，CO2分离装置9分离出的CO2则引入尿素合成塔14， 用于合成尿素，甲烷化炉10排出的合成气经过压缩机11压缩至15～30MPa后，进入氨合成塔12进行氨的合成，其氨合成反应如下：
N2+3H2→2NH3 (6)
氨合成塔12排出的混合气，即N2、H2、NH3和少量CH4进入液氨分离器13分离出液氨，N2、H2和CH4则通过压缩机11压入氨合成塔12，循环利用，累积的CH4和其它杂质气体通过弛放气阀定期排放出氨合成塔12，液氨分离器13分离出的液氨一部分作为原料进入尿素合成塔14，与来自CO2分离装置9的CO2合成尿素，获得产品尿素，多余的液氨则作为副产品液氨，合成尿素的化学方程式如下：
2NH3+CO2→CO(NH2)2+H2O(7)。
Claims (2)
1.一种含氧含氮煤层气合成尿素的系统，包括原料气净化器(1)，其特征在于：原料气净化器(1)入口与含氧含氮煤层气输入管道相连接，原料气净化器(1)出口与配气装置(2)入口相连接，配气装置(2)入口还与空气管道和甲烷气管道相连接，配气装置(2)出口分成两路，分别与甲烷自热重整炉(3)的反应通道入口和加热通道入口相连接，另外，甲烷自热重整炉(3)的反应通道入口还与水蒸气供应管道相连接，甲烷自热重整炉(3)的加热通道出口与废热锅炉(4)的烟气入口相连接，废热锅炉(4)的水蒸汽出口与水蒸气供应管道相连接，甲烷自热重整炉(3)的反应通道出口与气气换热器(5)的热气流入口端相连接，气气换热器(5)的热气流出口端与水煤气变换炉(6)入口相连接，水煤气变换炉(6)入口还与水蒸气管道相连接，水煤气变换炉(6)出口与水冷器(7)入口相连接，水冷器(7)出口与水分离器(8)入口相连接，水分离器(8)气流出口与CO2分离装置(9)入口相连接，CO2分离装置(9)的CO2气流出口与尿素合成塔(14)入口相连接，CO2分离装置(9)的H2/N2气流出口与气气换热器(5)的冷气流入口端相连接，气气换热器(5)的冷气流出口端与甲烷化炉(10)入口相连接，甲烷化炉(10)出口与压缩机(11)入口相连接，压缩机(11)出口与氨合成塔(12)入口相连接，氨合成塔(12)出口与液氨分离器(13)入口相连接，液氨分离器(13)的液氨出口与尿素合成塔(14)入口相连接，液氨分离器(13)的H2/N2气流出口与压缩机(11)入口相连接。
2.根据权利要求1所述的一种含氧含氮煤层气合成尿素的系统的合成方法，包括以下步骤：
煤矿井下排采的含氧含氮煤层气经过管道引入原料气净化器(1)，去除粉尘和H2S杂质后，进入配气装置(2)，通过补充甲烷气或空气的方式来调节煤层气中甲烷浓度，使得煤层气中甲烷和空气的比例分别为42％和58％，配气装置(2)输出的甲烷和空气混合气一部分作为原料气，与水蒸气按比例混合后送入甲烷自热重整炉(3)的反应通道，在催化剂作用下进行重整反应，主反应方程式如下：
CH4+1/2O2→CO+2H2 (1)
CH4+H2O→CO+3H2 (2)
配气装置(2)输出的甲烷和空气混合气的另外一部分作为燃气送入甲烷自热重整炉(3)的加热通道，引入额外所需空气后，通过燃烧对甲烷自热重整炉(3)进行加热，使其温度维持在900～1000℃范围内；
甲烷自热重整炉(3)的加热通道排出的高温烟气进入废热锅炉(4)进行废热回收利用，生成的水蒸气进入蒸汽管道，为甲烷重整和水煤气变换提供部分蒸汽，甲烷自热重整炉(3)的反应通道排出的高温混合气，即N2、CO、H2、CO2、H2O和少量CH4进入气气换热器(5)，与经过CO2分离装置(9)脱除CO2后的合成气进行换热，通过气气换热器(5)后，高温混合气的温度降至300℃，然后进入水煤气变换炉(6)，补充水蒸气后，在催化剂的作用下进行变换反应，变化反应为放热反应，其主反应如下：
CO+H2O→CO2+H2 (3)
变换反应后的混合气体经过水冷器(7)冷却至60℃，然后进入水分离器(8)去除水分，去除水分后的合成气经过CO2分离装置(9)对CO2进行脱除，脱除CO2后的合成气主要成分是H2和N2，还有少量的CO，CO2和CH4，进行合成氨之前需将合成气中的CO，CO2含量经过甲烷化后降至10cm3/m3以下，甲烷化的主要反应如下：
CO+3H2→CH4+H2O (4)
CO2+4H2→CH4+2H2O (5)
因此，经过CO2分离装置(9)脱除CO2后的合成气经过气气换热器(5)加热至300℃以上，然后进入甲烷化炉(10)，在催化剂的作用下进行甲烷化，深度去除CO和CO2，CO2分离装置(9)分离出的CO2则引入尿素合成塔(14)，甲烷化炉(10)排出的合成气经过压缩机(11)压缩至15～30MPa后，进入氨合成塔(12)进行氨的合成，其氨合成反应如下：
N2+3H2→2NH3 (6)
氨合成塔(12)排出的混合气，即N2、H2、NH3和少量CH4进入液氨分离器(13)分离出液氨，N2、H2和CH4则通过压缩机(11)压入氨合成塔(12)，循环利用，累积的CH4和其它杂质气体通过弛放气阀定期排放出氨合成塔(12)，液氨分离器(13)分离出的液氨一部分作为原料进入尿素合成塔(14)，与来自CO2分离装置(9)的CO2合成尿素，多余的液氨则作为副产品液氨，合成尿素的化学方程式如下：
2NH3+CO2→CO(NH2)2+H2O (7)。
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