CN109280000B - 一种煤气利用方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种煤气利用方法及装置，煤气利用方法中先将至少含有CO、N2的混合煤气中的大部分CO进行变换处理得到CO2和H2，再进行脱碳处理，脱出的CO2一部分制作NH4HCO3，再经过低压联醇、醇烃化及氨合成得到醇烃物及NH3，NH3与CO2反应形成NH4HCO3。本发明提供的煤气利用方法及装置，可以将混合煤气充分利用，形成有用的NH4HCO3、NH3、CH3OH及其他醇烃物，故不会出现浪费资源及污染环境的情况。

Description

一种煤气利用方法及装置
技术领域
本发明涉及煤化工技术领域，特别是涉及一种煤气利用方法及装置。
背景技术
矿热炉例如硅锰矿热炉、铬铁矿热炉等，在生产矿石的过程中，会产生大量的煤气，煤气的主要成分为CO、N2、CO2、腐蚀性气体及金属氧化物等杂质，其中CO的含量最高可达到85%左右，N2的含量仅在10%以内。
现有技术中对煤气有几种处理方式，其一就是将煤气燃烧后经降温、除尘后放散，这种方式不仅浪费了大量资源，且对环境造成严重的污染；其二是对煤气进行回收，主要是合成有用的氨，但是仅合成氨并不能达到对该矿热炉煤气的充分利用，故依旧存在浪费资源及污染环境的缺陷。
发明内容
基于此，有必要针对现有煤气处理中，存在不能对矿热炉煤气充分利用，而造成资源浪费及环境污染的问题，提供一种改善上述问题的煤气利用方法及装置。
一种煤气利用方法，包括步骤：将至少含有CO、N2的混合煤气进行变换处理，以得到至少含有CO2、N2、H2及剩余CO的二级混合煤气；将所述二级混合煤气进行脱碳处理，得到CO2及三级混合煤气；将所述三级混合煤气进行低压联醇处理，得到CH3OH及四级混合煤气；将所述四级混合煤气进行醇烃化处理，得到醇烃物和五级混合气；将所述五级混合气进行氨合成处理，得到NH3；将NH3与经所述脱碳处理得到的至少部分CO2进行碳化处理，得到NH4HCO3。
本发明的煤气利用方法，可以将混合煤气充分利用，形成有用的NH4HCO3、NH3及CH3OH，故不会出现浪费资源及污染环境的情况。
在其中一个实施例中，所述变换反应为等温变换反应。
在其中一个实施例中，在步骤将至少含有CO、N2的混合煤气进行变换处理，以得到至少含有CO2、N2、H2及剩余CO的二级混合煤气之前，还包括步骤：对所述混合煤气进行除尘除杂处理。
在其中一个实施例中，其特征在于，步骤将所述五级混合气进行氨合成处理，以得到NH3，具体包括步骤：将所述五级混合气进行氨合成处理，得到六级混合气；将所述六级混合气进行分离处理，得到液氨；将部分所述液氨汽化得到NH3。
在其中一个实施例中，其特征在于，所述混合煤气还含有硫元素，所述混合煤气还含有硫元素，在步骤将所述三级混合煤气进行低压联醇处理，以得到CH3OH及四级混合煤气之前，还包括步骤：将所述三级混合煤气进行精脱硫处理。
在其中一个实施例中，所述五级混合气的CO浓度与CO2浓度之和不大于10ppm。
在其中一个实施例中，在步骤将将所述三级混合煤气进行低压联醇处理，以得到CH3OH及四级混合煤气之后，还包括步骤：对所述低压联醇处理中的驰放气进行回收或燃烧。
在其中一个实施例中，在步骤将所述五级混合气进行氨合成处理，以得到NH3之后，还包括步骤：对所述氨合成处理中的驰放气进行回收。
一种煤气利用装置，包括变换炉、脱碳装置、甲醇塔、醇烃化反应器、氨合成塔及碳化装置；所述变换炉的进气口用于接收至少含有CO、N2的混合煤气；所述变换炉的出气口与所述脱碳装置的进气口连通；所述脱碳装置的出气口与所述甲醇塔的进气口连通；所述脱碳装置的用于排放二氧化碳的排气口与所述碳化装置的进气口连通；所述甲醇塔的出气口与所述醇烃化反应器的进气口连通；所述醇烃化反应器的出气口与所述氨合成塔的进气口连通。
在其中一个实施例中，所述变换炉为等温变换炉。
附图说明
图1为本发明一实施例中煤气利用方法的工艺流程图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
本发明的一个或多个实施例将参照附图详细说明，附图中的元件的形状、尺寸、比例、角度和数量等要素仅仅是示例，在不同的实施例中，相同或对应的元件可以相同的附图标记示出，且省略重复的说明。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
图1为本发明一实施例中的煤气利用方法的工艺流程图；为便于描述，附图仅示出了与本发明实施例相关的工艺。
参阅附图，本发明的煤气利用方法，包括步骤：
S10：将至少含有CO、N2的混合煤气进行变换反应，得到至少含有CO2、N2、H2及剩余CO的二级混合煤气；
其中，变换反应是将煤气中的CO与H2O反应得到CO2和H2，化学方程式为CO+H2O= CO2+H2。
在一些实施例中，混合煤气中CO的含量为80%~85%，N2的含量为4%~10%，另外，混合煤气中还可以含有H2、CH4、CO2及O2等其他气体。
在一些实施例中，变换反应利用的CO含量可以占到总含量的80%左右，但并不限于此，可根据实际回收情况进行控制。
这样，二级混合煤气中至少包含了从变换而得的CO2、H2及剩余CO，还包含有混合煤气中的N2。
S20：将二级混合煤气进行脱碳处理，得到CO2及三级混合煤气；
其中，脱碳处理的目的去除混合煤气中的CO2，在一些实施例中，脱碳反应中可以利用碱性溶液与CO2进行反应，生成碳酸盐液，通过对碳酸盐液的降压与加热解析可以获得CO2，实现对CO2的回收。在另一些实施例中，脱碳处理也可采用变压吸附的方式，该方式是利用气体组分在固体材料上的吸附特性的差异以及吸附量随压力变化而变化的特性，通过周期性的压力变换过程实现气体的分离。变压吸附分离CO2的技术具有低能耗、产品纯度高且不会产生新的污染等优点。
这样，三级混合煤气主要包含的是H2、N2及CO，少量CO2。
S30：将三级混合煤气进行低压联醇处理，得到CH3OH及四级混合煤气；
其中，低压联醇的主要反应式为：CO +2H2=CH3OH，可消耗大部分的CO。
在一些实施例中，经过低压联醇处理后的四级混合煤气中，CO含量与CO2含量之和不大于2.0%。
S40：将四级混合煤气进行醇烃化处理，得到醇烃物和五级混合气；
其中，醇烃化处理的主要目的是进一步地精制以达到合成氨生产中原料气的要求，一旦高浓度的CO与CO2进行反应后，它们与H2在合成催化剂床层中会发生催化剂中毒的反应，并且也易发生氨等物质生产结晶，造成设备管道堵塞。另外，醇烃化处理后得到的醇烃物可作为液体燃料产品进入市场，醇烃物可包括CH3OH、C2H5OH、烃类物及多元醇类物质等。
醇烃化处理包括醇化和烃化两种反应过程，醇化使得CO含量与CO2含量之和进一步减小，后经烃化反应后，CO浓度与CO2浓度进一步降低。
在具体一些实施例中，五级混合气经醇化后的CO含量与CO2含量之和降至0.1%~0.8%，进一步烃化后，CO浓度与CO2浓度之和不大于10ppm。
现有技术中常采用双甲反应（甲醇化和甲烷化），但甲烷化反应使得醇化后的CO与CO2完全要与有效成分H2进行反应生成CH4，而CH4气体在氨合成工段是一种无效的气体，只能增加循环机功耗及放空量，也使有效气体H2损失较大。并且通常使进入甲烷化工段的气体中的CO与CO2的含量尽量少，而要达到消耗量少，也为甲烷化反应器及甲醇化反应器带来了热平衡问题，使得控制流程复杂且成本增加。
S50：将五级混合气进行氨合成处理，得到NH3；
其中，氨合成的主要反应式为：N2+ 3H2=2NH3。
S60：将NH3与经脱碳处理得到的至少部分CO2进行碳化处理，得到NH4HCO3。
其中，碳化处理的主要反应式为NH3+ CO2+H2O= NH4HCO3，通过脱碳处理回收的CO2与NH3反应形成有用的NH4HCO3，该方式能实现CO2的高利用率。
这样，通过上述步骤S10~S60，可以将混合煤气充分利用，形成有用的NH4HCO3、NH3、CH3OH及其他醇烃物，故不会出现浪费资源及污染环境的情况。
在一些实施例中，变换反应为等温变换反应。相较于变换反应，等温变换反应可提高CO的转化率，且使用的催化剂用量减少，同时能够更有效地利用变换反应中的反应热。
在一些实施例中，在步骤S10之前，还可以包括步骤：对混合煤气进行除尘除杂处理。由于混合煤气通常直接从矿热炉而来，若直接进行煤气的利用，一方面会干扰后续各种化学反应的进行，另一方面也存在一定的危险性（例如设备损坏、易燃易爆等），对混合煤气除尘除杂，可保证后续各种化学反应的正常运行及操作安全。
在一些实施例中，在步骤S10之前，可对混合煤气进行加压，加压至对应的变换反应所需要的压力值。
在一些实施例中，当混合煤气中含有硫元素时，在步骤S30之前，对三级混合煤气进行精脱硫处理。如若混合煤气中含有各种硫，其对后续反应中催化剂都有危害，造成催化剂使用寿命降低，从而增加了成本。在一些实施例中，混合煤气包含微量的SO2和H2S等。
在一些实施例中，步骤S50具体包括步骤：
S51：将五级混合气进行氨合成处理，得到六级混合气；
S52：将六级混合气进行分离处理，得到液氨；
在一些实施例中，可将六级混合气进行冷却处理后得到液氨。
S53：将部分液氨汽化得到NH3。
其中，剩余部分液氨可直接作为产品销售。
在一些实施例中，在步骤S30之后，还可以进一步对低压联醇处理中的驰放气进行回收或燃烧。驰放气来自于低压联醇处理设备中的中间槽，驰放气不直接排至外部，而是进行回收或燃烧，从而达到进一步提高煤气的利应价值和保护环境，并可实现污染物零排放的目的。例如，驰放气中含有的大量的CO和H2，可以回收利用。
在一些实施例中，在步骤S30之后，还可以进一步对氨合成处理中的驰放气进行回收。氨合成的驰放气中含有大量有用的H2，可进一步回收重利用。
基于上述煤气利用方法，本发明还提供一种煤气利用装置，在本发明的一实施例中，煤气利用制造装置包括变换炉、脱碳装置、甲醇塔、醇烃化反应器、氨合成塔及碳化装置。
至少含有CO、N2的混合煤气可以来自矿热炉或者其他设备，对应的矿热炉配置有余热锅炉，余热锅炉可利用尾气余热产生水蒸气，变换炉的进气口接收混合煤气，并可接收余热锅炉的水蒸气，变换炉将混合煤气中的CO与H2O（水蒸气）反应得到CO2及H2。
变换炉的出气口与脱碳装置的进气口连通，脱碳装置用于去除CO2，可选的，脱碳装置可为脱碳塔，脱碳塔内设有碱性溶液用于脱碳，此时，可以得到以H2、N2为主的气体，还包括未经变换反应的部分CO等。
脱碳装置的出气口与甲醇塔的进气口连通，甲醇塔消耗混合煤气中的CO和H2来制成产品CH3OH。
甲醇塔的出气口与醇烃化反应器的进气口连通，醇烃化反应器可使混合煤气中的CO浓度与CO2浓度进一步降低，精制以达到合成氨生产中原料气的要求，保证氨合成的顺利进行。
醇烃化反应器的出气口与氨合成塔的进气口连通，氨合成塔将N2和H2合成NH3。
脱碳装置的用于排放二氧化碳的排气口与碳化装置的第一进气口连通，可选的碳化装置可为碳化塔。
需要指出的是，脱碳装置还包括第二进气口，其用于进入NH3，可使脱碳处理回收的CO2与NH3反应形成有用的NH4HCO3。
在一些实施例中，氨合成塔的出气口可与分离器等相连，以得到液氨。例如使用氨闪蒸槽和氨冷器对来自氨合成塔的出气口的混合气进行分离得到液氨。
在一些实施例中，变换炉可为等温变换炉，等温变换炉可附产蒸汽，在变换反应中可以做到蒸汽自给，进一步地节省了成本，简化了工艺流程。
下面提供一具体实施例对本发明的煤气利用方法进行详细说明。
某公司的混合煤气来自铬铁矿热炉和硅锰矿热炉，总量估计45000Nm3/h，其主要成分和相应参数，如下表所示：
Figure 723126DEST_PATH_IMAGE001
煤气中还含有少量H2O、腐蚀性气体（SO2、H2S）及其他杂质（SiO、FeO、MgO等）。
另外，该公司还提供有煤气余热锅炉和烟气余热锅炉，利用余热锅炉可以生产过热蒸汽。
该公司计划利用上述混合煤气生产合成氨5万吨/年，合成甲醇3万吨/年，合成碳酸氢铵20-30万吨/年。
将总量45000Nm3/h的混合煤气进行除尘、除杂处理后，送入压缩机进行压缩，使压力升至2.0MPa左右，进入等温变换炉，并且余热锅炉提供的过热蒸汽也同时进入变换炉内，两者进行变换反应。进入等温变换炉的CO含量为85%左右，根据甲醇3万吨/年的产量，出等温变换炉的CO含量为12.5%左右。另外，等温变换炉可附产蒸汽，其压力高于等温变换炉的工作压力，使得等温变换反应中做到蒸汽自给。
等温变换炉的出气口直接与脱碳塔相连，此时混合煤气中的CO2含量～37.5％，脱去的CO2一部分去生产NH4HCO3，另一部分生产二氧化碳产品。
从脱碳塔出来的混合煤气进行精脱硫处理后，送入压缩机进行压缩，使压力升至5.5MPa左右，再进入低压甲醇塔生产甲醇，醇后的CO2+CO≤2.0％。将醇后的混合煤气送入至压缩机压缩加压至15.0Mpa，送入醇烃化反应器中进行净化，精制后CO2+CO≤10ppm。
精制后的混合气进入至氨合成塔内进行氨合成反应，再使用分离器对来自氨合成塔的出气口的混合气进行分离得到液氨，再将部分液氨汽化成氨气与从脱碳塔出来的CO2一同进入碳化塔内合成NH4HCO3。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种煤气利用方法，其特征在于，包括步骤：
将至少含有CO、N2的混合煤气进行变换处理，以得到至少含有CO2、N2、H2及剩余CO的二级混合煤气；
将所述二级混合煤气进行脱碳处理，以得到CO2及三级混合煤气；
将所述三级混合煤气进行低压联醇处理，以得到CH3OH及四级混合煤气；
将所述四级混合煤气进行醇烃化处理，以得到醇烃物和五级混合气，所述醇烃物包括CH3OH、C2H5OH及多元醇；
将所述五级混合气进行氨合成处理，以得到NH3；
将NH3与经所述脱碳处理得到的至少部分CO2进行碳化处理，得到NH4HCO3。
2.根据权利要求1所述的煤气利用方法，其特征在于，所述变换反应为等温变换反应。
3.根据权利要求1所述的煤气利用方法，其特征在于，在步骤将至少含有CO、N2的混合煤气进行变换处理，以得到至少含有CO2、N2、H2及剩余CO的二级混合煤气之前，还包括步骤：
对所述混合煤气进行除尘除杂处理。
4.根据权利要求1所述的煤气利用方法，其特征在于，步骤将所述五级混合气进行氨合成处理，以得到NH3，具体包括步骤：
将所述五级混合气进行氨合成处理，得到六级混合气；
将所述六级混合气进行分离处理，得到液氨；
将部分所述液氨汽化得到NH3。
5.根据权利要求1所述的煤气利用方法，其特征在于，所述混合煤气还含有硫元素，在步骤将所述三级混合煤气进行低压联醇处理，以得到CH3OH及四级混合煤气之前，还包括步骤：
将所述三级混合煤气进行精脱硫处理。
6.根据权利要求1所述的煤气利用方法，其特征在于，所述五级混合气的CO浓度与CO2浓度之和不大于10ppm。
7.根据权利要求1所述的煤气利用方法，其特征在于，在步骤将所述三级混合煤气进行低压联醇处理，以得到CH3OH及四级混合煤气之后，还包括步骤：
对所述低压联醇处理中的驰放气进行回收或燃烧。
8.根据权利要求1所述的煤气利用方法，其特征在于，在步骤将所述五级混合气进行氨合成处理，以得到NH3之后，还包括步骤：
对所述氨合成处理中的驰放气进行回收。
9.一种煤气利用装置，其特征在于，包括变换炉、脱碳装置、甲醇塔、醇烃化反应器、氨合成塔及碳化装置；
所述变换炉的进气口用于接收至少含有CO、N2的混合煤气；
所述变换炉的出气口与所述脱碳装置的进气口连通；
所述脱碳装置的出气口与所述甲醇塔的进气口连通；
所述脱碳装置的用于排放二氧化碳的排气口与所述碳化装置的进气口连通；
所述甲醇塔的出气口与所述醇烃化反应器的进气口连通；
所述醇烃化反应器的出气口与所述氨合成塔的进气口连通。
10.根据权利要求9所述的煤气利用装置，其特征在于，所述变换炉为等温变换炉。
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