CN106430094A - 天然气催化裂解生产氢气和固体碳的工艺优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种天然气催化裂解生产氢气和固体碳的工艺优化方法。该工艺优化方法主要包括反应气体夹带催化剂的分离，催化剂和固体碳的分离回收，反应气体中氢气和甲烷等气体的分离；以及高效的热回收方法在生产工艺中的应用。通过该工艺优化方法可以使气体中夹带的催化剂颗粒回收利用，产品氢气的纯度达到99.9％，生产过程中最大化的回收利用气体热量，工艺流程中无空气冷却器和水冷却器，产品固体碳更快的分离出来，保证生产过程能够连续进行。

Description

天然气催化裂解生产氢气和固体碳的工艺优化方法
技术领域
本发明属于石油天然气化工生产技术领域，具体为一种天然气制氢气和固体碳的工艺优化方法。
背景技术
我国蕴藏着十分丰富的天然气资源，同时还具有富集于华北地区非常规的煤层气远景资源。天然气和煤层气的主要成分为甲烷，甲烷的氢碳比最高，所以工业上多用天然气来制备氢气。目前工业上应用最广泛的天然气制氢方法为甲烷蒸汽转化工艺，该工艺过程复杂，设备多，能耗高，并且在生产过程中产生大量的CO2，对环境破坏程度严重。相比于甲烷蒸汽转化制氢气，甲烷直接催化裂解制氢气的工艺流程简单，能耗低，工艺过程中无CO2排放，甲烷中的碳转化为固体碳，不但避免了污染环境，固体碳还可以给工厂带来收益。
鉴于甲烷直接催化裂解制氢气的诸多优点，甲烷直接催化裂解催化剂以及生产工艺成为21世纪的一个研究热点。但是目前甲烷在低温低压下直接催化裂解制氢气和固体碳的工艺存在的一些问题直接制约着该工艺工业化大生产的可行性及生产效益，比如催化剂和产品固体碳的有效快速分离，生产过程中能量的高效回收，产品气的分离等。目前已知的烷烃类气体催化裂解生产氢气和固体碳的方法有清华大学的专利CN101337655A中公开的方法，原料气甲烷在温度400～700℃，压力0.05～0.2MPa条件下，在反应器中与催化剂接触，反应生成氢气和固体碳，该发明中没有考虑催化剂和固体碳的分离，产品气的分离以及能量的合理利用等问题。伊莱克特罗维科股份公司的专利CN101300191A对来自重整装置的含烃气体进行水蒸气重整制备氢气，同时副产碳，用于在加油站直接制造含氢气体出售给用户。该发明中给出的催化剂和固体碳的分离方法中未涉及振动筛和气体置换等有效分离方法，产品气分离中未涉及旋风分离，及旋风分离与其它分离方法的组合。并且该发明没有考虑能量的合理利用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种天然气催化裂解生产氢气和固体碳的工艺优化方法。该方法能快速分离反应气体中夹带的催化剂，以及分离反应气体中的氢气和甲烷等气体。通过该方法，催化剂和固体碳快速分离，催化剂返回到系统催化反应进行。工艺优化方法中的高效热回收方法使反应后的高温气体的热量传递给原料气，最大化减少反应过程中的热量输入。
本发明的技术方案是：一种天然气催化裂解生产氢气和固体碳的工艺优化方法，其特征该工艺优化方法包括以下步骤：
(1)天然气经反应气预热后进入脱硫槽，经脱硫后继续与反应气换热，加热后的天然气进入反应系统参加反应；
(2)反应后的反应气首先经过旋风分离器，脱除反应气中携带的部分催化剂，催化剂收集后与反应系统出口的催化剂混合进入振动筛；反应气经除尘后通过绕管式换热器与天然气换热，热量传递给天然气，反应气被冷却；
(3)冷却后的反应气经过滤器进入第一PSA单元，分离反应气体中的甲烷，分离出的甲烷返回到脱硫槽入口与天然气混合，第一PSA单元的解析气进入第二PSA单元，分离解析气中的氢气，氢气作为产品送出界区，第二PSA单元的解析气作为燃料送去反应系统；
(4)来自反应系统的催化剂和固体碳经振动筛，分离催化剂和固体碳，固体碳作为产品送出，催化剂进入风选机，用氮气分离催化剂中混合的固体碳，风选机出口的催化剂送至反应系统再次参与反应，风选机出口混合了固体碳的气体经专用袋式除尘器后提供引风机高点放空，袋式过滤器过滤下来的固体碳与振动筛出口的固体碳混合。
上述天然气催化裂解制氢气和固体碳的工艺优化方法中反应气经绕管式换热器与天然气进行换热。
上述天然气催化裂解制氢气和固体碳的工艺优化方法中反应气首先经过旋风分离器分离其中的固体碳，再经过过滤器。
上述反应气经旋风分离后，再经过绕管式换热器和过滤器。
上述经过过滤器的反应气首先经过分离甲烷的第一PSA单元，甲烷纯度要求低，甲烷含量在90％以上即可，该要求使得第一PSA单元的投资大大降低。
上述第一PSA单元的解析气进入第二PSA单元，分离了甲烷后的含氢气体的体积降低，第二PSA单元的设备减小，投资降低，通过第二PSA单元分离得到纯度为99.9％的氢气。
上述天然气催化裂解制备氢气和固体碳的工艺优化方法中，无空气冷却器和水冷却器，能量得到了合理的利用。
上述天然气催化裂解制备氢气和固体碳的工艺优化方法中，来自反应系统的催化剂和固体碳的混合物首先经过振动筛，通过振动使得催化剂和固体碳分离，并收集过滤出的固体碳。
上述经过振动筛后的催化剂进入风选机，氮气带走催化剂上附着的固体碳和催化剂中夹杂的固体碳。
上述经过风选机后的催化剂返回反应系统继续催化反应进行。
上述风选机出口气体经过专用袋式过滤器过滤其中夹带的固体碳，固体碳作为产品回收。袋式过滤器出口气体高点放空。
该工艺优化方法主要包括反应气体夹带催化剂的分离，催化剂和固体碳的分离回收，反应气体中氢气和甲烷等气体的分离；以及高效的热回收方法在生产工艺中的应用。通过该工艺优化方法可以使气体中夹带的催化剂颗粒回收利用，产品氢气的纯度达到99.9％，生产过程中最大化的回收利用气体热量，工艺流程中无空气冷却器和水冷却器，产品固体碳更快的分离出来，保证生产过程能够连续进行。
附图说明
图1是实施例的天然气催化裂解生产氢气和固体碳的工艺优化方法示意图。
附图标号说明：脱硫槽1，旋风分离器2，过滤器3，第一PSA单元4，第二PSA单元5，振动筛6，风选机7，袋式过滤器8，引风机9。
具体实施方式
下面结合实施例进一步说明本发明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。如图1所示，应用本发明的一个实际案例如下：
(1)来自界外的常温天然气，体积流量为6m3/h，经反应气预热到120℃进入脱硫槽1，经脱硫后继续与反应气换热至700℃，加热后的天然气进入反应系统参加反应，反应温度为800℃。
(2)反应后的反应气首先经过旋风分离器2，脱除反应气中携带的部分催化剂，催化剂收集后与反应系统出口的催化剂混合进入振动筛6。反应气经除尘后通过绕管式换热器与天然气换热，天然气被加热到700℃，反应气被冷却至200℃。冷却后的反应气继续与脱硫槽入口的天然气换热，天热气被加热至120℃，反应气被冷却至40℃。
(3)冷却后的反应气经过滤器3进入第一PSA单元4，分离反应气体中的甲烷，分离出的甲烷返回到脱硫槽1入口与天然气混合。第一PSA单元4的解析气进入第二PSA单元5，分离解析气中的氢气，氢气作为产品送出界区。第二PSA单元5的解析气作为燃料送去反应系统。
(4)来自反应系统的催化剂和固体碳经振动筛6，分离催化剂和固体碳，固体碳作为产品送出。催化剂进入风选机7，用氮气分离催化剂中混合的固体碳，风选机出口的催化剂送至反应系统再次参与反应。风选机出口混合了固体碳的气体经专用袋式除尘器8后通过引风机9高点放空，袋式过滤器过滤下来的固体碳与振动筛出口的固体碳混合。
反应结果如下：甲烷单程转化率为90％，得到产品氢气50m3/h，纯度为99.9％，固体碳为粉末状，产量为11.7kg/h。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何限制，凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.天然气催化裂解生产氢气和固体碳的工艺优化方法，其特征在于，该工艺优化方法包括以下步骤
(1)天然气经反应气预热后进入脱硫槽(1)，经脱硫后继续与反应气换热，加热后的天然气进入反应系统参加反应；
(2)反应后的反应气首先经过旋风分离器(2)，脱除反应气中携带的部分催化剂，催化剂收集后与反应系统出口的催化剂混合进入振动筛(6)；反应气经除尘后通过绕管式换热器与天然气换热，热量传递给天然气，反应气被冷却；
(3)冷却后的反应气经过滤器(3)进入第一PSA单元(4)，分离反应气体中的甲烷，分离出的甲烷返回到脱硫槽(1)入口与天然气混合，第一PSA单元(4)的解析气进入第二PSA单元(5)，分离解析气中的氢气，氢气作为产品送出界区，第二PSA单元(5)的解析气作为燃料送去反应系统；
(4)来自反应系统的催化剂和固体碳经振动筛(6)，分离催化剂和固体碳，固体碳作为产品送出，催化剂进入风选机(7)，用氮气分离催化剂中混合的固体碳，风选机出口的催化剂送至反应系统再次参与反应，风选机出口混合了固体碳的气体经专用袋式除尘器(8)后通过引风机(9)高点放空，袋式过滤器过滤下来的固体碳与振动筛出口的固体碳混合。
2.根据权利要求1所述的天然气催化裂解生产氢气和固体碳的工艺优化方法，其特征在于，反应气首先经过旋风分离器分离其中的固体碳，再经过过滤器。
3.根据权利要求1所述的天然气催化裂解生产氢气和固体碳的工艺优化方法，其特征在于，反应气经旋风分离后，再经过绕管式换热器和过滤器。
4.根据权利要求1所述的天然气催化裂解生产氢气和固体碳的工艺优化方法，其特征在于，经过过滤器的反应气首先分离甲烷，再分离产品氢气。
5.根据权利要求1所述的天然气催化裂解生产氢气和固体碳的工艺优化方法，其特征在于，分离甲烷的PSA单元是膜回收分离装置。
6.根据权利要求1所述的天然气催化裂解生产氢气和固体碳的工艺优化方法，其特征在于，反应气和原料气的换热设备是绕管式换热器、管壳式换热器、板式换热器或其它换热设备。
7.根据权利要求1所述的天然气催化裂解生产氢气和固体碳的工艺优化方法，其特征在于，所述来自反应系统的催化剂和固体碳的混合物首先经过振动筛，通过振动使得催化剂和固体碳分离，并收集过滤出的固体碳。
8.根据权利要求1所述的天然气催化裂解生产氢气和固体碳的工艺优化方法，其特征在于，所述经过振动筛后的催化剂进入风选机，氮气带走催化剂上附着的固体碳和催化剂中夹杂的固体碳。
9.根据权利要求1所述的天然气催化裂解生产氢气和固体碳的工艺优化方法，其特征在于，所述经过风选机后的催化剂返回反应系统继续催化反应进行。
10.根据权利要求1所述的天然气催化裂解生产氢气和固体碳的工艺优化方法，其特征在于，所述风选机出口气体经过专用袋式过滤器过滤其中夹带的固体碳，固体碳作为产品回收，袋式过滤器出口气体高点放空。
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