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一种低温干馏煤气制天然气并联产氢气的系统及方法 Download PDF

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Abstract

一种低温干馏煤气制天然气并联产氢气的系统及方法，包括低温干馏多联产单元、水洗净化单元、加氢单元、精脱硫单元、预转化单元甲烷化单元和变压吸附单元进出口依次串联，通过低温干馏多联产单元将备煤系统送来的低阶煤预处理，通过水洗净化单元进一步净化，通过加氢单元将煤气中的所有不饱和烃转变成对应的饱和烃类，同时将有机硫转变成H2S；通过精脱硫单元将原料气中的H2S含量降低到<0.1ppm；通过预转化工艺将低温干馏煤气中的C2以上的高级烃类全部转变成甲烷，提高了碳的利用率；并联产氢气，解决了甲烷化催化剂和预转化催化剂还原时需要高纯氢气的需求；实现了低阶煤的高效分级利用，工艺流程简单、可操作性强。

Description

一种低温干馏煤气制天然气并联产氢气的系统及方法
技术领域
本发明属于天然气制造技术领域，特别涉及一种低温干馏煤气制天然气并联产氢气的系统。
背景技术
我国的能源国情是“富煤、缺油、少气”，煤炭的消费在一次能源消费中的比例占到了70％以上，其中煤炭的终端使用方式还是以传统的燃烧为主，造成煤炭中含有的宝贵化学品不能够有效利用，而且煤炭直接燃烧，尤其是燃烧低阶煤热值都较低，不仅浪费资源，而且造成了严重的环境污染，尤其是当今环境日益恶化，亟待需要我们开发煤的分级利用技术，增加煤炭的附加值，并提高煤炭热值，减少污染物排放。
天然气作为一种高效、安全、清洁的化石能源，在全球能源消费中的比例逐年上升；随着人们环保意识的增强以及生活质量的提高，特别是我国雾霾天气的加重，天然气的需求量逐年加大，深入开发煤的低温干馏联产技术，利用热值较低的干馏煤气，将之转变成清洁、高效的天然气，同时富产煤焦油和兰炭，不仅实现了煤炭资源的综合利用，且符合煤的清洁高效利用技术路线，同时也缓减了我国油气资源相对短缺的现象，且对维护我国能源安全，实现节能节排，保护环境生态等都具有重要意义。
煤的低温干馏所产生的煤气中甲烷含量较少，煤气热值低，直接从煤气中提纯甲烷的工艺成本较高，且能源利用率低，不利于工业化放大，而且甲烷分离后的解析气中含有大量的H2、CO和高级烃类等宝贵资源，直接将解析气通入锅炉燃烧，会损失煤的附加值造成资源浪费，且不符合煤炭的清洁利用路线。
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低温干馏煤气制天然气并联产氢气的系统及方法，具有能耗低、操作方便，同时实现低阶煤清洁高效利用。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种低温干馏煤气制天然气并联产氢气的系统，包括低温干馏多联产单元1，低温干馏多联产单元1的干馏煤气出口与水洗净化单元2的气体入口连接，水洗净化单元2的气体出口与加氢单元3的气体入口相连，加氢单元3的气体出口与精脱硫单元4的气体入口连接，精脱硫单元4的气体出口与预转化单元5的气体入口连接，预转化单元5的气体出口与甲烷化单元6的气体入口连接，甲烷化单元6的气体出口与变压吸附单元7的气体入口连接；其中精脱硫单元4的气体通过跨线与变压吸附单元7的气体相连。
一种低温干馏煤气制天然气并联产氢气的方法，包括以下步骤：
(1)、通过低温干馏多联产单元1将备煤系统送来的低阶煤通过隔绝空气在400-600℃加热，副产兰炭、煤焦油和干馏煤气，其中干馏煤气的组分按体积比包括有CH4含量28-40％，CO含量10-15％，H2含量25-40％，CO2含量5-10％，C2H6含量2-8％，C2H4含量1-4％，C3H6含量0.5-3％，C3H8含量0.4-2.5％，C4H8含量0.2-2％，H2S含量2000-6000ppm以及NH3含量300-800ppm；
(2)通过水洗净化单元2采用的喷淋水洗净化工艺，将预处理后的低温干馏煤气进一步净化，除去干馏煤气中的氨气以及硫化物，以降低后续脱硫工序的负荷；
(3)通过加氢单元3将煤气中的所有不饱和烃转变成对应的饱和烃类，同时将有机硫转变成H2S；
(4)通过精脱硫单元4采用干法脱硫工艺，利用固体ZnO脱硫，将原料气中的H2S含量降低到<0.1ppm；
(5)将脱硫后气体通过预转化单元5，采用高镍含量的烃类蒸汽预转化催化剂，其中催化剂中按质量比NiO含量48-68％，Al2O3含量15-36％、MgO含量1.2-4.8％，La2O3含量1.2-4.8％，CaO含量5-12％，K2O含量0.5-1.2％，石墨1.5-4.5％；该单元在压力1.5-3.5MPa、温度400-800℃和水碳比2-4条件下，使煤气中C2以上的高级烃发生预转化反应而生成甲烷；其中预转化反应后的煤气中包括的组分有：CH4含量30-50％，CO含量13-18％，H2含量30-60％，CO2含量10-15％以及含有少量的水蒸汽和其它杂质气体；
(6)将预转化后气体通过甲烷化单元6，采用低镍含量的甲烷化催化剂，其中甲烷化催化剂组分按质量比是NiO含量12-24％，Al2O3含量32-74％、MgO含量1.2-4.8％，La2O3含量1.2-4.8％，CaO含量5-12％，K2O含量0.5-1.2％,石墨含量1.5-4.5％；通过甲烷化催化剂将原料气中的有效组分：H2、CO和CO2发生甲烷化反应，使得其生成的甲烷浓度可达到75-90％；
(7)甲烷化反应后的气体通入变压吸附单元7，通过变压吸附工艺生产高浓度的甲烷即产品LNG并联产高纯度氢气；
所述的精脱硫单元4在整个系统运行前通过跨线将精脱硫后的洁净煤气直接与变压吸附单元7连接，生产高纯度氢气，在系统运行初期为预转化单元5和甲烷化单元6的催化剂还原提供所需要的氢气，同时根据工况条件变化，降低甲烷化单元6的生产负荷。
本发明的优点：
采用煤的低温干馏多联产技术，实现了低阶煤的清洁高效利用，生产高热值的压缩天然气并联产氢气；该系统生产的干馏煤气在甲烷化单元之前先进行预转化反应，将干馏煤气中的高级烃类全部转化成甲烷，实现了碳的高效利用，且有效避免了甲烷化催化剂的积碳，提高催化剂的使用寿命，同时通过改变预转化工艺中水蒸汽的量，可以调节下游甲烷化工段的氢碳比；本系统的变压吸附单元富产高纯度的氢气，不仅解决了预转化与甲烷化的催化剂还原时所需高纯氢气的需求，同时在生产过程中通过调变甲烷化生产负荷，联产高纯度氢气，并且利用高纯度氢气可以对低温干馏多联产系统生产的煤焦油进行加氢提质以得到高级油品。
附图说明
附图是本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
一种低温干馏煤气制天然气并联产氢气的系统，包括低温干馏多联产单元1，低温干馏多联产单元1的干馏煤气出口与水洗净化单元2的气体入口连接，水洗净化单元2的气体出口与加氢单元3的气体入口相连，加氢单元3的气体出口与精脱硫单元4的气体入口连接，精脱硫单元4的气体出口与预转化单元5的气体入口连接，预转化单元5的气体出口与甲烷化单元6的气体入口连接，甲烷化单元6的气体出口与变压吸附单元7的气体入口连接，通过变压吸附工艺分离高浓度的甲烷装罐得到产品LNG，分离出的其它气体可直接供给锅炉燃烧，或进一步分离联产高浓度氢气；
所述低温干馏多联产单元1是将备煤系统送来的低阶煤通过隔绝空气在400-600℃加热，副产兰炭、煤焦油和干馏煤气，其中干馏煤气的主要组分有CH4含量28-40％，CO含量10-15％，H2含量25-40％，CO2含量5-10％，C2H6含量2-8％，C2H4含量1-4％，C3H6含量0.5-3％，C3H8含量0.4-2.5％，C4H8含量0.2-2％，H2S含量2000-6000ppm以及NH3含量300-800ppm；
所述水洗净化单元2是采用的喷淋水洗净化工艺，主要是将预处理后的干馏煤气进一步净化，以除去干馏煤气中的氨气以及少量硫化物，以降低后续脱硫工序的负荷；其喷淋后的污水参与备煤系统的原煤洗选工艺，之后通过生化处理、兰炭过滤提纯、磷酸软化和汽提塔处理等一系列措施直接用于锅炉给水使用，从而有效防止污水的大量排放，提高水资源的循环利用率；
所述加氢单元3采用铁钼加氢催化剂，将煤气中的所有不饱和烃转变成对应的饱和烃类，同时将有机硫转变成H2S；
所述精脱硫单元4采用干法脱硫工艺，利用固体ZnO脱硫，将原料气中的H2S含量降低到<0.1PPm，以保证下游工段所使用的催化剂不会产生因硫中毒而出现的催化剂活性降低的工况。
所述预转化单元5采用高镍含量的烃类蒸汽预转化催化剂，其中预转化催化剂中NiO含量48％，Al2O3含量32％、MgO含量3.2％，La2O3含量2.3％，CaO含量11％，K2O含量0.6％，石墨含量2.9％；向原料气中配以定量的水蒸汽，使煤气中C2以上的高级烃发生预转化反应而生成甲烷，其预转化单元的工况控制在压力1.5-3.5MPa、温度400-800℃、水碳比2-4条件下；其中预转化反应后的煤气中主要组分有CH4含量30-50％，CO含量13-18％，H2含量30-60％，CO2含量10-15％以及少量的水蒸汽和其它杂质气体；
所述甲烷化单元6采用低镍含量的甲烷化催化剂，其中甲烷化催化剂组分是NiO含量14％，Al2O3含量66％、MgO含量3.2％，La2O3含量3.2％，CaO含量11％，K2O含量1.0％,石墨含量1.6％；通过甲烷化催化剂将原料气中的有效组分如氢气、一氧化碳和二氧化碳发生甲烷化反应，其生成的甲烷浓度可达到75-90％；
所述变压吸附单元7采用变压吸附工艺得到高浓度的甲烷并加压液化制备加工成产品LNG，分离后的剩余气体可直接引到锅炉燃烧；在实际生产中，可以根据工况条件降低甲烷化单元6生产负荷，或者通过跨线将精脱硫后的洁净煤气直接与变压吸附单元7连接，大量生产高纯度氢气，以便为预转化单元5和甲烷化单元6的催化剂还原提供所需要的氢气。
所述的精脱硫单元4在整个系统运行前与变压吸附单元7连接，生产高纯度氢气，在系统运行初期为预转化单元5和甲烷化单元6的催化剂还原提供所需要的氢气，这样节省了能源，使得预转化单元5和甲烷化单元6不需要再外购接氢气，同时根据工况条件变化，可以降低甲烷化单元6的生产负荷。
上述各单元均是化工行业、不同工艺段常规使用的装置，该专利是采用新的工艺设计路线和新的工艺参数实现低温干馏煤气制天然气并联产氢气。
一种低温干馏煤气制天然气并联产氢气的方法，包括以下步骤：
(1)、通过低温干馏多联产单元1将备煤系统送来的低阶煤通过隔绝空气在400-600℃加热，副产兰炭、煤焦油和干馏煤气，其中干馏煤气的组分包括有CH4含量28-40％，CO含量10-15％，H2含量25-40％，CO2含量5-10％，C2H6含量2-8％，C2H4含量1-4％，C3H6含量0.5-3％，C3H8含量0.4-2.5％，C4H8含量0.2-2％，H2S含量2000-6000ppm以及NH3含量300-800ppm；
(2)通过水洗净化单元2采用的喷淋水洗净化工艺，将预处理后的低温干馏煤气进一步净化，除去干馏煤气中的氨气以及硫化物，以降低后续脱硫工序的负荷；
(3)通过加氢单元3将煤气中的所有不饱和烃转变成对应的饱和烃类，同时将有机硫转变成H2S；
(4)通过精脱硫单元4采用干法脱硫工艺，利用固体ZnO脱硫，将原料气中的H2S含量降低到<0.1ppm；
(5)将脱硫后气体通过预转化单元5，采用高镍含量的烃类蒸汽预转化催化剂，其中催化剂中NiO含量48-68％，Al2O3含量15-36％、MgO含量1.2-4.8％，La2O3含量1.2-4.8％，CaO含量5-12％，K2O含量0.5-1.2％，石墨1.5-4.5％；该单元在压力1.5-3.5MPa、温度400-800℃和水碳比2-4条件下，使煤气中C2以上的高级烃发生预转化反应而生成甲烷；其中预转化反应后的煤气中包括的组分有：CH4含量30-50％，CO含量13-18％，H2含量30-60％，CO2含量10-15％以及含有少量的水蒸汽和其它杂质气体；
(6)将预转化后气体通过甲烷化单元6，采用低镍含量的甲烷化催化剂，其中甲烷化催化剂组分是NiO含量12-24％，Al2O3含量32-74％、MgO含量1.2-4.8％，La2O3含量1.2-4.8％，CaO含量5-12％，K2O含量0.5-1.2％,石墨含量1.5-4.5％；通过甲烷化催化剂将原料气中的有效组分：H2、CO和CO2发生甲烷化反应，使得其生成的甲烷浓度可达到75-90％；
(7)甲烷化反应后的气体通入变压吸附单元7，通过变压吸附工艺生产高浓度的甲烷即产品LNG并联产高纯度氢气。

Claims (3)

1.一种低温干馏煤气制天然气并联产氢气的系统，其特征在于，包括低温干馏多联产单元(1)，低温干馏多联产单元(1)的干馏煤气出口与水洗净化单元(2)的气体入口连接，水洗净化单元(2)的气体出口与加氢单元(3)的气体入口相连，加氢单元(3)的气体出口与精脱硫单元(4)的气体入口连接，精脱硫单元(4)的气体出口与预转化单元(5)的气体入口连接，预转化单元(5)的气体出口与甲烷化单元(6)的气体入口连接，甲烷化单元(6)的气体出口与变压吸附单元(7)的气体入口连接；其中精脱硫单元(4)的气体通过跨线与变压吸附单元(7)的气体相连。
2.一种低温干馏煤气制天然气并联产氢气的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、通过低温干馏多联产单元(1)将备煤系统送来的低阶煤通过隔绝空气在400-600℃加热，副产兰炭、煤焦油和干馏煤气，其中干馏煤气的组分按体积比包括有CH4含量28-40％，CO含量10-15％，H2含量25-40％，CO2含量5-10％，C2H6含量2-8％，C2H4含量1-4％，C3H6含量0.5-3％，C3H8含量0.4-2.5％，C4H8含量0.2-2％，H2S含量2000-6000ppm以及NH3含量300-800ppm；
(2)通过水洗净化单元(2)采用的喷淋水洗净化工艺，将预处理后的低温干馏煤气进一步净化，除去干馏煤气中的氨气以及硫化物，以降低后续脱硫工序的负荷；
(3)通过加氢单元(3)将煤气中的所有不饱和烃转变成对应的饱和烃类，同时将有机硫转变成H2S；
(4)通过精脱硫单元(4)采用干法脱硫工艺，利用固体ZnO脱硫，将原料气中的H2S含量降低到<0.1ppm；
(5)将脱硫后气体通过预转化单元(5)，采用高镍含量的烃类蒸汽预转化催化剂，其中催化剂中按质量比NiO含量48-68％，Al2O3含量15-36％、MgO含量1.2-4.8％，La2O3含量1.2-4.8％，CaO含量5-12％，K2O含量0.5-1.2％，石墨1.5-4.5％；该单元在压力1.5-3.5MPa、温度400-800℃和水碳比2-4条件下，使煤气中C2以上的高级烃发生预转化反应而生成甲烷；其中预转化反应后的煤气中包括的组分有：CH4含量30-50％，CO含量13-18％，H2含量30-60％，CO2含量10-15％以及含有少量的水蒸汽和其它杂质气体；
(6)将预转化后气体通过甲烷化单元(6)，采用低镍含量的甲烷化催化剂，其中甲烷化催化剂组分按质量比是NiO含量12-24％，Al2O3含量32-74％、MgO含量1.2-4.8％，La2O3含量1.2-4.8％，CaO含量5-12％，K2O含量0.5-1.2％,石墨含量1.5-4.5％；通过甲烷化催化剂将原料气中的有效组分：H2、CO和CO2发生甲烷化反应，使得其生成的甲烷浓度可达到75-90％；
(7)甲烷化反应后的气体通入变压吸附单元(7)，通过变压吸附工艺生产高浓度的甲烷即产品LNG并联产高纯度氢气。
3.根据权利要求2所述的一种低温干馏煤气制天然气并联产氢气的方法，其特征在于：所述的精脱硫单元(4)在整个系统运行前通过跨线将精脱硫后的洁净煤气直接与变压吸附单元(7)连接，生产高纯度氢气，在系统运行初期为预转化单元(5)和甲烷化单元(6)的催化剂还原提供所需要的氢气，同时根据工况条件变化，降低甲烷化单元(6)的生产负荷。
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