CN108977242B - 焦炉气体处理系统及其方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种焦炉气体处理方法，其包括将焦炉气体供给到用于生产甲烷的甲烷化单元和用于向焦炉或执行焦炉气体处理方法的焦炉气体处理系统中的至少之一提供电力的固体氧化物燃料电池的步骤。本公开还提供了一种焦炉气体处理系统，其包括用于从焦炉气体生产甲烷的甲烷化单元；以及用于从焦炉气体产生电力并向焦炉气体处理系统供电的发电单元。

Description

焦炉气体处理系统及其方法
技术领域
本发明一般涉及焦炉工业，更具体地说，涉及焦炉气体处理系统及其方法。
背景技术
焦炉气体(COG)是在焦炉中制造焦炭的副产物。COG含有大约23-27％的甲烷(CH4)，55-60％的氢气(H2)，5-8％的一氧化碳(CO)，2-4％的烃(HC)，以及其它如二氧化碳(CO2)，氮(N2)和氧(O2)；COG是一种高价值的气体，其热值约为17-19MkJ/m3。COG还包括杂质如H2S，COS，CS2，HCN，苯，焦油等。
为了利用COG，COG通常转化为液化天然气(LNG)或压缩天然气(CNG)，这为焦炭行业带来额外的价值。常规方法主要由焦炉气体净化，甲烷化，分离得到CH4，加压和低温液化。该方法的缺点是甲烷化单元和LNG单元以及焦化过程需要大量的能量。
此外，根据甲烷化CO+3H2＝CH4+H2O的这一公式，当H2与CO比为3时，对于甲烷化反应更为适用。然而，从上述内容，H2与CO的比率约为6-12，高于理想比。因此，需要分离和收集过量的H2。因此，需要更好的解决方案，可以带来更多的经济效益。
发明内容
在一个实施方案中，本公开提供了一种焦炉气体处理方法，其包括将焦炉气体输送到用于产生甲烷的甲烷化单元和用于向焦炉或执行焦炉气体处理方法的焦炉气体处理系统至少之一供电的固体氧化物燃料电池的步骤。
在另一个实施方案中，本公开提供了一种焦炉气体处理系统，其包括用于从焦炉气体生产甲烷的甲烷化单元；以及用于从焦炉气体产生电力并向焦炉气体处理系统供电的发电单元。
在另一个实施方案中，本公开提供了一种系统，其包括焦炉系统，该焦炉系统包括焦炉并且配置成输出焦炉气体或焦炉气体的多个分开的组成部分中的至少一个；发电单元；以及甲烷化单元，其被配置为从所述焦炉气体，从焦炉气体中的一个或多个分开的组成部分或所述发电单元的一个或多个气体输出产生甲烷；其中所述发电单元被配置为从所述焦炉气体，从焦炉气体中的一个或多个分开的组成部分或从所述甲烷化单元的一个或多个气体输出产生能量，并将能量供应到焦炉系统或甲烷化单元中至少之一。
附图说明
通过参照附图阅读以下详细描述，本发明的这些和其它特征、方面及优点会变得更好理解，在附图中，相似的元件标号在全部附图中用于表示相似的部件，其中：
图1是根据本公开的实施例的焦炉气体处理系统的框图。
图2是根据本公开的另一个实施例的焦炉气体处理系统的框图。
图3是根据本公开的另一实施例的焦炉气体处理系统的框图。
图4是根据本公开的另一个实施例的焦炉气体处理系统的框图。
图5是根据本公开的另一实施例的焦炉气体处理系统的框图。
图6是根据本公开的另一实施例的焦炉气体处理系统的框图。
图7是根据本公开的另一实施例的焦炉气体处理系统的框图。
图8是根据本公开的另一实施例的焦炉气体处理系统的框图。
图9是根据本公开的另一实施例的焦炉气体处理系统的框图。
具体实施方式
为帮助本领域的技术人员能够确切地理解本发明所要求保护的主题，下面结合附图详细描述本发明的具体实施方式。在以下对这些具体实施方式的详细描述中，本说明书对一些公知的功能或构造不做详细描述以避免不必要的细节而影响到本发明的披露。
除非另作定义，本权利要求书和说明书中所使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书以及权利要求书中所使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。除非另行指出，“前部”“后部”“下部”和/或“上部”等类似词语只是为了便于说明，而并非限于一个位置或者一种空间定向。“或”等词语表示包括性的，并且是指所列出的项目中的一个或全部。“包括”或者“具有”等类似的词语意指出现在“包括”或者“具有”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“具有”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接或偶联，不管是直接的还是间接的。
参见图1，本公开提供了一种来自焦炉100的焦炉气体(COG)处理系统10，其包括用于从焦炉气体产生甲烷的甲烷化单元11，以及用于从焦炉气体产生电力的发电单元，并向焦炉气体处理系统或焦炉供电。图中主要气体流显示气体流向，电力流表示电力供应。
焦炉气体处理系统包括清洁单元13，用于在焦炉出来的焦炉气体进入甲烷化单元11和发电单元12之前清洗焦炉气体。清洁单元使用净化吸收剂去除硫和/或其他杂质。来自清洁单元的焦炉气体被分割并供给到发电单元12和甲烷化单元11中。
甲烷化单元11利用甲烷化催化剂进行甲烷化反应过程以产生甲烷。然后，甲烷处理单元14包括用于进一步处理由甲烷化单元11产生的甲烷的LNG/CNG单元141。在CNG单元141中，压缩天然气(CNG)可以通过将甲烷加压产生；在液化天然气单元中，液化天然气(LNG)可以通过低温液化从甲烷生产。
发电单元12包括固体氧化物燃料电池(SOFC)。固体氧化物燃料电池(SOFC)可以通过电化学氧化燃料直接产生电力。SOFC使用氢或一氧化碳作为燃料，以及固体氧化物电解质，通过电化学氧化将氢气或一氧化碳的负氧离子与从阴极传导到阳极，产生电力。在一个实施例中，焦炉气体被送入SOFC 121以产生电力。
甲烷化单元11，清洁单元13，甲烷处理单元14，甚至焦炉都需要电力。发电单元12(例如SOFC 121)可以产生焦炉气体处理系统或焦炉所需的功电力，这可以节省电力需求的成本。发电单元12被配置为向甲烷化单元11，清洁单元13，甲烷处理单元14或产生焦炉气体的焦炉中的至少一个供应电力。
在图1所示的一个实施例中，SOFC 121的输出(例如H2和CO)连接到甲烷化单元11的输入端，以便充分利用焦炉气体的所有材料。在COG处理系统20的另一实施例中，如图2所示，来自甲烷化单元11的未反应气体的输出连接到发电单元12，以便在发电单元12，例如SOFC 121中消耗。因此，SOFC 121可以消耗来自焦炉气体的过多的氢气，从而可以省略氢气收集和制备过程。特别地，在本实施例中，有高含量氢的甲烷化单元11的未反应气体可被SOFC 121消耗。
参考图3所示的另一个实施例，焦炉处理系统30包括SOFC 121，甲烷化单元11和LNG/CNG单元141，其中焦炉气体首先输送到SOFC 121中，然后将SOFC 121的输出输送到甲烷化单元11产生CH4，然后进一步处理CH4以产生LNG或CNG的最终产物。
在该实施例中，焦炉气体的氢气和一氧化碳的比例为9.7，在SOFC 121中处理后，SOFC 121的输出的氢气和一氧化碳的比例为2.97，接近于甲烷化的理想比例，可为整个系统带来经济效益。
参考图4所示的另一个实施例，焦炉处理系统40包括清洁单元13，SOFC 121，甲烷化单元11，分离单元15和LNG/CNG单元141，其中净化的焦炉气体首先输送到清洁单元中，以及然后到甲烷化单元11，甲烷化单元11的输出含有甲烷和大量的H2。分离单元15包括连接到甲烷化单元11的输出的氢气分离单元，以将H2从输出气体中分离，然后将H2输送到SOFC121中。分离单元15使用变压吸附(PSA)过程从作为富氢副产物气体的甲烷化单元11的输出中提取氢。然后进一步处理CH4以产生LNG或CNG的最终产物。SOFC 121产生的功率可用于向焦炉100，清洁单元，甲烷化单元11，分离单元和LNG/CNG单元141供电。
参考图5所示的另一个实施例，焦炉处理系统50包括清洁单元13，SOFC 121，甲烷化单元11，分离单元15和LNG/CNG单元141，其中来自清洁单元的净化的焦炉气体首先输送到分离单元15分离氢气，其中一部分氢气被供给到SOFC 121中，净化的焦炉气体中的甲烷也被分离单元15的甲烷分离单元15分离，并直接收集用于LNG/CNG，以及将第二部分的H 2和CO输送到用于生产甲烷的甲烷化单元11中。然后通过LNG/CNG单元141将甲烷加工成LNG/CNG。由SOFC 121产生的电力可以供应到COG处理系统和焦炉100的中任一或所有单元。
参考图6所示的另一个实施例，COG处理系统60与图5所示的系统类似。除了图5的特征之外，来自SOFC 121的未反应气体被送入甲烷化单元11，以便充分利用所有材料。
参考图7所示的另一个实施例，COG处理系统与图5所示的系统相似。除了图5的特征之外，COG处理系统70还包括与SOFC 121的输出连接并与分离单元的输出连接的航改机122(ADGT)，其中ADGT从SOFC 121，甚至从分离单元15接收H2和CO，以产生电力。在某些情况下，SOFC 121的规模很小，如1MW，而ADGT可以产生大量的功率。
参考图8所示的另一个实施例。COG处理系统80与图5所示的系统相似。除了图5的特征之外，COG处理系统还包括航改机122(ADGT)和第二分离单元152。第二分离单元152连接到甲烷化单元11以分离用于LNG或CNG的甲烷，以及未反应的H2或来自第二分离单元152的甲烷化单元11的CO被输入到用于发电的ADGT中。ADGT还与SOFC 121的输出连接以接收未反应的气体以产生电力。
参考图9所示的另一个实施例，焦炉处理系统90包括清洁单元13，SOFC 121，甲烷化单元11，第一分离单元151，第二分离单元152，ADGT 122和LNG/CNG单元141，其中清洁首先将来自清洁单元的焦炉气体输送到分离单元15中以分离甲烷，将来自分离单元15的静止气体输送到甲烷化单元11中，然后输送到第二分离单元152中。第二分离单元152用于LNG/CNG单元141的单独的甲烷化单元和来自第二分离单元152的甲烷化单元11的未反应气体分别被供给到SOFC 121和ADGT 122中用于发电。
在另一个实施方案中，本公开提供了一种系统，其包括焦炉系统，该焦炉系统包括焦炉100并且配置成输出焦炉气体或焦炉气体的多个分开的组成部分中的至少一个；发电单元12；以及甲烷化单元11，其被配置为从所述焦炉气体，从焦炉气体中的一个或多个分开的组成部分或所述发电单元12的一个或多个气体输出产生甲烷；其中所述发电单元12被配置为从所述焦炉气体，从焦炉气体中的一个或多个分开的组成部分或从所述甲烷化单元11的一个或多个气体输出产生能量，并将能量供应到焦炉系统或甲烷化单元11中至少之一。
参考图
Figure BDA0001313304570000061
所示，本申请中还公开了一种焦炉气体处理方法，其特征在于，包括将焦炉气体输送到用于生成甲烷的甲烷化单元11和固体氧化物燃料电池的步骤，其中固体氧化物燃料电池用于向执行焦炉气体处理方法的焦炉气体处理系统或焦炉100供电。
如图1所示，将焦炉气体输送到甲烷化单元11和固体氧化物燃料电池的步骤包括以下步骤：将焦炉气体分成第一部分和第二部分；将焦炉气体的第一部分供给甲烷化单元11以产生甲烷；以及将所述焦炉气体的第二部分供给到所述固体氧化物燃料电池。焦炉气体处理方法还包括从焦炉清洗焦炉气体，在甲烷化单元11之后用甲烷生产液化天然气或压缩天然气的步骤。将焦炉气体送入甲烷化单元和固体氧化物燃料电池还包括将固体氧化物燃料电池的未反应气体输送到甲烷化单元11的步骤。
在如图2所示的另一个实施例中，将焦炉气体输送到甲烷化单元11和固体氧化物型燃料电池的步骤包括以下步骤：将焦炉气体分成第一部分和第二部分；将焦炉气体的第一部分供给甲烷化单元11以产生甲烷；以及将所述焦炉气体的第二部分供给到所述固体氧化物燃料电池。焦炉气体处理方法还包括从焦炉清洗焦炉气体，在甲烷化单元11之后用甲烷生产液化天然气或压缩天然气的步骤。将焦炉气体送入甲烷化单元和固体氧化物燃料电池还包括将甲烷化单元11的未反应气体输送到固体氧化物燃料电池的步骤。
如图3所示，将从焦炉产生的焦炉气体输送到甲烷化单元11和固体氧化物燃料电池的步骤包括以下步骤：将焦炉气体首先供给到SOFC 121，然后输入SOFC121的输出到生成甲烷的甲烷化单元11。然后来自甲烷化单元11的甲烷由LNG/CNG单元141处理以产生LNG或CNG。
如图4所示，将焦炉气体输送到甲烷化单元和固体氧化物燃料电池的步骤包括以下步骤：将来自清洁单元13的焦炉气体首先送入用于产生甲烷的甲烷化单元11；然后从甲烷化单元11的未反应气体中分离出氢气；并将氢气供给到固体氧化物燃料电池。然后来自甲烷化单元11的甲烷由LNG/CNG单元141处理以产生LNG或CNG。
参照图5，将焦炉气体输送到甲烷化单元和固体氧化物燃料电池的步骤包括从清洁单元13输出的焦炉气中分离出氢气并从焦炉气体中分离用于产生LNG/CNG的甲烷的步骤；将第一部分氢气供给到固体氧化物燃料电池；并将第二部分氢气和焦炉气体的剩余部分输送到甲烷化单元11。然后来自甲烷化单元11的甲烷由LNG/CNG单元141处理以产生LNG/CNG。
参照图6，除了图5的特征之外，将焦炉气体输送到甲烷化单元和固体氧化物燃料电池的步骤还包括将固体氧化物燃料电池的未反应气体供入到甲烷化单元11的步骤。
参照图7，除了图5的特征之外，将焦炉气体输送到甲烷化单元和固体氧化物燃料电池的步骤还包括将来自固体氧化物燃料电池的未反应气体和第三部分氢气供给到航改机的步骤。
参照图8，除了图5的特征之外，将焦炉气体输送到甲烷化单元和固体氧化物燃料电池的步骤还包括从甲烷化单元11的输出分离甲烷，并将甲烷化单元11产生的未反应气体和固体氧化物燃料电池产生的未反应气体输送到航改机的步骤。
如图9所示，将焦炉气体输送到甲烷化单元和固体氧化物燃料电池的步骤包括从焦炉气体中分离用于生产LNG或CNG的甲烷的步骤；将焦炉气体的其余部分供给到甲烷化单元11；从甲烷化单元11的输出分离用于生产LNG或CNG的甲烷；并将甲烷化单元11的输出的其余部分供给SOFC 121和ADGT以产生电力。
虽然结合特定的具体实施方式对本发明进行了详细说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以做出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。

Claims (14)

1.一种用于处理来自焦炉的焦炉气体以产生甲烷的方法，其特征在于，包括：
将所述焦炉气体的第一部分输送给甲烷化单元以产生甲烷；
将所述焦炉气体的第二部分输送给固体氧化物燃料电池，其中，所述固体氧化物燃料电池用于从所述焦炉气体的所述第二部分产生电力并向所述焦炉和执行所述焦炉气体处理方法的焦炉气体处理系统中的至少之一提供电力；以及
将所述固体氧化物燃料电池的未反应气体输送给所述甲烷化单元，
其中所述焦炉气体处理系统至少包括所述甲烷化单元。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
清洁所述焦炉气体；以及
用所述甲烷产生液化天然气和压缩天然气中的至少一种。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将所述甲烷化单元的未反应气体输送给所述固体氧化物燃料电池。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，将所述甲烷化单元的未反应气体输送给所述固体氧化物燃料电池包括：
从所述甲烷化单元的所述未反应气体中分离出氢气；和
将所述氢气输送给所述固体氧化物燃料电池。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
从焦炉气体中分离出氢气和甲烷，其中所述甲烷用于生产液化天然气和压缩天然气中的至少一种；
将所述氢气的第一部分输送给所述固体氧化物燃料电池；和
将所述氢气的第二部分输送给甲烷化单元。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将所述氢气的第三部分输送给航改机。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
从所述甲烷化单元的输出分离出甲烷，其中所述甲烷用于生产液化天然气和压缩天然气中的至少一种，和
将所述甲烷化单元的未反应气体输送给航改机。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
从所述甲烷化单元的未反应气体中分离出氢气；和
将来自所述甲烷化单元的所述未反应气体的所述氢气输送给所述固体氧化物燃料电池和航改机。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述固体氧化物燃料电池的所述未反应气体具有约为3的氢气和一氧化碳的比例。
10.一种用于处理来自焦炉的焦炉气体以产生甲烷的系统，包括：
发电单元，用于从来自焦炉的焦炉气体的第一部分产生电力并向焦炉气体处理系统供电，所述发电单元包括固体氧化物燃料电池；和
甲烷化单元，用于从所述焦炉气体的第二部分以及所述固体氧化物燃料电池的未反应气体产生甲烷，
其中，所述发电单元被配置为向所述甲烷化单元和所述焦炉中的至少一个供应电力。
11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，还包括用于从所述甲烷化单元的输出分离出氢气的分离单元，其中所述固体氧化物燃料电池接收来自所述甲烷化单元的输出的所述氢气。
12.根据如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述固体氧化物燃料电池的所述未反应气体具有约为3的氢气和一氧化碳的比例。
13.一种焦炉气体处理系统，包括：
焦炉系统，其包括焦炉并配置成输出焦炉气体和焦炉气体的多个分开的组成部分中的至少一个；
发电单元，所述发电单元包括固体氧化物燃料电池；和
甲烷化单元，其配置成从所述焦炉气体的第一部分，从焦炉气体中的一个或多个分开的组成部分或从所述发电单元的一个或多个气体输出产生甲烷；
其中所述发电单元被配置为从所述焦炉气体的第二部分，从焦炉气体中的一个或多个分开的组成部分或从所述甲烷化单元的一个或多个气体输出产生电力，并将所述电力供应给所述焦炉系统和所述甲烷化单元中的至少之一，并且
所述甲烷化单元与所述固体氧化物燃料电池连通，用于接收来自固体氧化物燃料电池的未反应气体。
14.根据权利要求13所述的焦炉气体处理系统，其特征在于，所述发电单元的所述一个或多个气体输出具有约为3的氢气和一氧化碳的比例。
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