CN109609203A - 一种煤联产天然气和氢气的方法 - Google Patents

一种煤联产天然气和氢气的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种煤联产天然气和氢气的方法。所述方法包括如下步骤：(1)煤气与水蒸气进行CO变换反应制备CO的摩尔含量＜3％的变换气；(2)所述变换气经换热降温后进行低温甲醇洗，得到提纯后的CO2和富氢工艺气；(3)部分量的所述富氢工艺气经变压吸附得到氢气；(4)剩余的所述富氢工艺气与步骤(2)得到的所述CO2进行CO2甲烷化反应，得到天然气。本发明通过对工艺流程的调整和集成，使煤制天然气项目同时生产天然气和高纯氢气双产品。本发明把原本要排放的高纯度CO2资源化利用，CO2甲烷化制备天然气，大幅降低了煤制天然气项目的碳排放量；产生得氢气纯度满足燃料电池汽车使用和加氢站气质要求。

Description

一种煤联产天然气和氢气的方法
技术领域
本发明涉及一种煤联产天然气和氢气的方法，属于煤化工领域。
背景技术
氢能具有热值高、无污染的优点，是一种优越、清洁、高效的新能源。目前的制氢技术主要有煤制氢、天然气制氢、核能制氢、太阳能制氢、生物质制氢等方式。我国资源禀赋中煤炭占约80％，煤炭的清洁化利用是保障我国能源安全的必经之路。煤制氢是现阶段获得大宗氢源的主要方式之一。近年来我国煤制天然气项目发展火热，已经有四个项目正在运行，且有多个项目已经拿到发改委路条。本专利即是基于煤制天然气的工艺流程，对其进行适当的技术改造，使其具备天然气和氢气双清洁能源产品生产功能。经过查询，国内对于煤制天然气和氢气双产品的技术专利尚稀少。
公开号为CN101338231的专利申请公开了一种类天然气燃料及煤等能源物质和水通过中间产物氢气做为气化剂生产以甲烷为主要成份的类天然气或高纯氢的方法，煤与氢气在气化装置中气化转化为类天然气，部分或全部类天然气经精脱硫后与系统产生的过热蒸汽重整制取氢气，氢气与煤气化制类天然气，循环过程向系统外提供类天然气或氢气，将煤等能源物质的化学能量转化为类天然气或氢气的化学能，化学能转化率高于煤的间接液化、直接液化或生产醇醚燃料，是一种高效洁净煤技术，类天然气可用于民用、工业、商业或燃气—蒸汽联合循环发电供热。但其氢气是通过部分类天然气经精脱硫，蒸汽重整或部分氧化蒸汽重整，重整气体经变换、脱碳后获得。
发明内容
本发明的目的是提供一种煤联产天然气和氢气的方法，本发明利用变换阶段把CO基本全部消耗，利用低温甲醇洗排放的CO2和氢气(工艺气)进行CO2甲烷化，实现了天然气和氢气的联产。
本发明所提供的煤联产天然气和氢气的方法，包括如下步骤：
(1)煤气与水蒸气进行CO变换反应制备CO的摩尔含量＜3％的变换气；
(2)所述变换气经换热降温后进行低温甲醇洗，得到提纯后的CO2和富氢工艺气；
(3)部分量的所述富氢工艺气经变压吸附得到氢气；
(4)剩余的所述富氢工艺气与步骤(2)得到的所述CO2进行CO2甲烷化反应，得到天然气。
上述方法中，步骤(1)中，可进行两级或多级、深度的CO变换反应，把CO基本全部转化，得到的所述变换气中CO的摩尔含量尽量低，最大程度转化为CO2和H2；
所述CO变换反应可包括依次进行的中温耐硫CO变换反应和深度CO变换反应，均可在常规的条件下进行；
本发明通过所述CO变换反应把CO基本全部消耗，得到主要组成为CO2、H2、CH4的变换气，这与煤制天然气工艺中的CO变换控制一定量的CO以实现甲烷化的氢碳比的方法具有很大差异。
上述方法中，步骤(2)中，所述换热降温后的温度为40～80℃；
所述低温甲醇洗可在常规条件下进行；
所述低温甲醇洗可脱除硫、氮和二氧化碳，在工段内部经过CO2解吸塔、闪蒸罐等工序，从CO2产品塔顶得到高纯CO2，纯度可大于80％；
所述低温甲醇洗工段把近90％的CO2脱除并纯化，得到主要组成为CH4和H2的富氢工艺气，富氢工艺气中H2占比85％(mol)以上，是富氢工艺气的主要成分。这也与煤制天然气低温甲醇洗后的工艺气具有巨大差异。
上述的方法中，步骤(3)中，5％～90％体积含量的所述富氢工艺气进行所述变压吸附，用于生产高纯度H2(＞99.999％)。
所述变压吸附可在常规条件下进行。
上述的方法中，步骤(3)中所述变压吸附产生的驰放气与剩余的所述富氢工艺气混合。
上述的方法中，所述方法还包括对步骤(2)得到的所述CO2和富氢工艺气进行脱硫处理的步骤，脱除含有的微量硫组分；
所述脱硫处理可在常规的条件下进行。
上述的方法中，通过阀门控制进行所述脱硫处理的所述CO2的量，以保障CO2甲烷化反应的氢碳比约为4：1，剩余量的所述CO2进行排放。
上述的方法中，所述方法还包括对步骤(4)中进行所述CO2甲烷化反应之前的所述富氢工艺气与所述CO2的混合气进行脱硫处理的步骤，脱除含有的微量硫组分。
上述的方法中，步骤(4)中进行所述CO2甲烷化反应之前，将所述工艺气与所述CO2混合均匀，可依次于气体混合器和混合气体缓冲罐中混合均匀；
剩余量的所述富氢工艺气与所述低温甲醇洗段的高纯度CO2，通过CO2甲烷化制备天然气；这与煤制天然气的甲烷化具有很大不同，工艺流程和催化剂均有很大差异。
本发明通过对工艺流程的调整和集成，使煤制天然气项目同时生产天然气和高纯氢气双产品。
本发明煤联产天然气和氢气的方法具有如下优点：
(1)使煤制天然气项目同时具有制氢功能；
(2)天然气和氢气产品的生产负荷可调，有利于项目更好的适应市场需求变化；
(3)把原本要排放的高纯度CO2资源化利用，CO2甲烷化制备天然气，大幅降低了煤制天然气项目的碳排放量。
(4)氢气纯度满足燃料电池汽车使用和加氢站气质要求。
附图说明
图1是本发明煤联产天然气和氢气的方法的流程图之一。
图2是本发明煤联产天然气和氢气的方法的流程图之二。
图3是本发明煤联产天然气和氢气的方法的流程图之三。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1、煤联产天然气和氢气
工艺流程图如图1所示。
煤炭经过气化、洗涤、换热后的煤气有效气体组成约如下表1，温度～400℃，压力3.5MPa。
表1粗煤气组成(mol％)
CO<sub>2</sub> H<sub>2</sub>S CO H<sub>2</sub> CH<sub>4</sub> H<sub>2</sub>O
27 0.07 24 39 8 1.93
煤气混合一定量温度～400℃、压力3.5MPa的水蒸气后，经过换热至230℃后经过中温耐硫CO变换，出口工艺气温度为300℃。经换热至230℃后再进入深度CO变换，出口工艺气温度约380℃。两级的CO变化旨在使尽量多的CO转化为CO2和H2，发生的反应如下：
CO+H2O(汽)＝H2+CO2 ΔH＝-41.16kJ/mol
深度变换后出口气的有效组分(变换气)如表所示：
表2深度变换后出口有效气体组成(mol％)
CO<sub>2</sub> CO H<sub>2</sub> CH<sub>4</sub> H<sub>2</sub>O
37.8 1.12 47.4 8.28 5.4
变换气经过换热降温至43℃后，进行低温甲醇洗3，脱除硫、氮和二氧化碳，在工段内部经过CO2解吸塔、闪蒸罐等工序，从CO2产品塔顶得到纯度＞80％的CO2。
经过低温甲醇洗后的富氢工艺气，有效气组成如表3中所示，温度约为40℃：
表3低温甲醇洗洗出口的富氢工艺气有效气体组成(mol％)
CO<sub>2</sub> CO H<sub>2</sub> CH<sub>4</sub> H<sub>2</sub>O
1.6 1.8 77.45 13.53 5.62
低温甲醇洗后出口的富氢工艺气经换热至300℃后，进入精脱硫处理4-1，入口脱除含有的微量硫组分后，一部分(80％)进行变压吸附5，变压吸附温度为常温，用于生产高纯度H2(＞99.999％)，另一部分富氢工艺气与变压吸附产生的驰放气汇合。
低温甲醇洗出口的高纯度CO2经换热至300℃后，进入精脱硫处理4-2后，与富氢工艺气(混合了驰放气)进行CO2甲烷化反应M-1制备替代天然气(SNG)产品，CO2甲烷化可以采用申请号为201610037828.3的中国专利申请公开的工艺，采用申请号为201410786374.0的中国专利申请公开的催化剂。
本实施例制备的SNG产品气(干基)中CH4体积含量为93％，H2摩尔浓度＜2％，CO2摩尔浓度＜2％。
实施例2、煤联产天然气和氢气
工艺流程图如图2所示。
煤炭经过气化、洗涤、换热后的煤气有效气体组成约如下表1，温度～400℃，压力3.5MPa。
表1粗煤气组成(mol％)
CO<sub>2</sub> H<sub>2</sub>S CO H<sub>2</sub> CH<sub>4</sub> H<sub>2</sub>O
27 0.07 24 39 8 1.93
煤气混合一定量温度～400℃、压力3.5MPa的水蒸气后，经过换热至230℃后经过中温耐硫CO变换，出口工艺气温度450℃。经换热至230℃后再进入深度CO变换，出口工艺气温度约380℃。两级的CO变化旨在使尽量多的CO转化为CO2和H2，发生的反应如下：
CO+H2O(汽)＝H2+CO2 ΔH＝-41.16kJ/mol
深度变换后出口气的有效组分(变换气)如表所示，温度升高至约380℃：
表2深度变换后出口有效气体组成(mol％)
CO<sub>2</sub> CO H<sub>2</sub> CH<sub>4</sub> H<sub>2</sub>O
37.8 1.12 47.4 8.28 5.4
变换气经过换热降温至43℃后，进行低温甲醇洗3，脱除硫、氮和二氧化碳，在工段内部经过CO2解吸塔、闪蒸罐等工序，从CO2产品塔顶得到纯度＞80％的CO2。
经过低温甲醇洗后的富氢工艺气，有效气组成如表3中所示，温度约为40℃：
表3低温甲醇洗洗出口富氢工艺气有效气体组成(mol％)
CO<sub>2</sub> CO H<sub>2</sub> CH<sub>4</sub> H<sub>2</sub>O
1.6 1.8 77.45 13.53 5.62
低温甲醇洗后出口的富氢工艺气经换热至150～300℃后，进入精脱硫处理4-1，入口脱除含有的微量硫组分后，一部分(90％)进行变压吸附5，变压吸附温度为常温，用于生产高纯度H2(＞99.999％)，另一部分富氢工艺气与变压吸附产生的驰放气汇合。
低温甲醇洗出口的高纯度CO2经换热至150℃后，进入精脱硫处理4-2，进行精脱硫处理的CO2量由工艺气组分的组成适时调整阀门V1控制，以保障CO2甲烷化反应的氢碳比约为4：1。CO2与工艺气混合进入气体混合器6混合均匀，然后进入混合气体缓冲罐7，使CO2与H2混合均匀，然后进行甲烷化反应M-2制备替代天然气(SNG)产品，CO2甲烷化可以采用申请号为201610037828.3的中国专利申请公开的工艺，采用申请号为201410786374.0的中国专利申请公开的催化剂。
本实施例制备的SNG产品气(干基)中CH4体积含量为94％，H2摩尔浓度＜2％，CO2摩尔浓度＜2％。
实施例3、煤联产天然气和氢气
工艺流程图如图1所示。
煤炭经过气化、洗涤、换热后的煤气有效气体组成约如下表1，温度～400℃，压力3.5MPa。
表1粗煤气组成(mol％)
CO<sub>2</sub> H<sub>2</sub>S CO H<sub>2</sub> CH<sub>4</sub> H<sub>2</sub>O
27 0.07 24 39 8 1.93
煤气混合一定量温度～400℃、压力3.5MPa的水蒸气后，经过换热至230℃后经过中温耐硫CO变换，出口工艺气温度300℃。经换热至230℃后再进入深度CO变换，出口工艺气温度约380℃。两级的CO变化旨在使尽量多的CO转化为CO2和H2，发生的反应如下：
CO+H2O(汽)＝H2+CO2 ΔH＝-41.16kJ/mol
深度变换后出口气的有效组分(变换气)如表所示，温度升高至约380℃：
表2深度变换后出口有效气体组成(mol％)
CO<sub>2</sub> CO H<sub>2</sub> CH<sub>4</sub> H<sub>2</sub>O
37.8 1.12 47.4 8.28 5.4
变换气经过换热降温至43℃后，进行低温甲醇洗3，脱除硫、氮和二氧化碳，在工段内部经过CO2解吸塔、闪蒸罐等工序，从CO2产品塔顶得到纯度＞80％的CO2。
经过低温甲醇洗后的富氢工艺气，有效气组成如表3中所示，温度约为40℃：
表3低温甲醇洗洗出口富氢工艺气有效气体组成(mol％)
CO<sub>2</sub> CO H<sub>2</sub> CH<sub>4</sub> H<sub>2</sub>O
1.6 1.8 77.45 13.53 5.62
低温甲醇洗后出口工艺气一部分(85％)进行变压吸附5，用于生产高纯度H2(＞99.999％)，另一部分与变压吸附5产生的驰放气汇合。
低温甲醇洗出口的高纯度CO2一部分用于与工艺气混合，流量由工艺气组分的组成适时调整阀门V1控制，以保障CO2甲烷化反应的氢碳比约为4：1。CO2与工艺气混合后进行精脱硫处理4脱除硫组分，然后进入气体混合器6混合均匀，再进入混合气体缓冲罐7，使CO2与H2混合均匀，然后进行甲烷化反应M-3制备替代天然气(SNG)产品，
甲烷化可以采用如CN104152201B的工艺和如CN104475119B的催化剂。CO2甲烷化可以采用申请号为201610037828.3的中国专利申请公开的工艺，采用申请号为201410786374.0的中国专利申请公开的催化剂。
本实施例制备的SNG产品气(干基)中CH4体积含量为93％，H2摩尔浓度＜2％，CO2摩尔浓度＜2％。

Claims (10)

1.一种煤联产天然气和氢气的方法，包括如下步骤：
(1)煤气与水蒸气进行CO变换反应制备CO的摩尔含量＜3％的变换气；
(2)所述变换气经换热降温后进行低温甲醇洗，得到提纯后的CO2和富氢工艺气；
(3)部分量的所述富氢工艺气经变压吸附得到氢气；
(4)剩余的所述富氢工艺气与步骤(2)得到的所述CO2进行CO2甲烷化反应，得到天然气。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(1)中，所述CO变换反应包括依次进行的中温耐硫CO变换反应和深度CO变换反应。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：步骤(2)中，所述换热降温后的温度为40～80℃。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于：步骤(3)中，5％～90％体积含量的所述富氢工艺气进行所述变压吸附。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于：步骤(3)中所述变压吸附产生的驰放气与剩余的所述富氢工艺气混合。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于：所述方法还包括对步骤(2)得到的所述CO2和所述富氢工艺气进行脱硫处理的步骤。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：通过阀门控制进行所述脱硫处理的所述CO2的量，剩余量的所述CO2进行排放。
8.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于：所述方法还包括对步骤(4)中进行所述CO2甲烷化反应之前的所述富氢工艺气与所述CO2的混合气进行脱硫处理的步骤。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的方法，其特征在于：步骤(4)中进行所述CO2甲烷化反应之前，将所述富氢工艺气与所述CO2混合均匀。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：依次于气体混合器和混合气体缓冲罐中混合均匀。
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