CN116018317A - 用于合成烃的方法 - Google Patents

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M·J·麦肯纳
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Abstract

本发明描述了一种用于合成烃的方法，所述方法包括以下步骤：(a)在合成气生成单元中由原料制备包含氢气、一氧化碳和二氧化碳的合成气，(b)在二氧化碳去除单元中从所述合成气中去除二氧化碳以产生二氧化碳流和包含氢气和一氧化碳的纯化的合成气，以及(c)在费‑托烃合成单元中由所述纯化的合成气合成烃的混合物，并共同产生FT水流，其中(i)将所述FT水流的至少一部分进料至电解单元以提供被进料至所述合成气生成单元的氧气流和氢气流，(ii)将从所述二氧化碳去除单元回收的所述二氧化碳流的至少一部分和由所述电解单元产生的所述氢气流的一部分进料至逆水煤气变换单元以产生一氧化碳流，以及(iii)将来自所述逆水煤气变换单元的所述一氧化碳流的至少一部分进料至所述费‑托烃合成单元。

Description

用于合成烃的方法
本发明涉及由包含氢气和一氧化碳的合成气合成烃的方法。
由合成气合成烃的方法是已知的。例如，US9163180公开了通过混合路线将碳基材料转化为燃料基料的方法，所述混合路线将下列组合：直接沸腾床液化和通过气化的间接液化，之后进行费-托合成，包括由非化石资源产生氢的生产阶段和逆水煤气反应阶段。电解用作用于液化、逆水反应和费-托合成的氢源。US2014288195公开了用于将碳基原料(诸如生物质)热化学转化成主要包含氢气和一氧化碳的合成气的方法，所述方法包括以下步骤：(a)碳基原料的氧燃烧以产生电和热的废热发电；(b)使用步骤(a)中产生的热对水进行高温电解；(c)由步骤(a)中产生的二氧化碳和步骤(b)中产生的氢气开始的逆水煤气变换反应。
已经认识到，通过在与逆水煤气变换单元和费-托合成单元联接的电解单元中使用费-托合成的水副产物提高了工艺效率。
因此，本发明提供了用于合成烃的方法，该方法包括以下步骤：(a)在合成气生成单元中由原料制备包含氢气、一氧化碳和二氧化碳的合成气，(b)在二氧化碳去除单元中从所述合成气中去除二氧化碳以产生二氧化碳流和包含氢气和一氧化碳的纯化的合成气，以及(c)在费-托烃合成单元中由所述纯化的合成气合成烃的混合物，并共同产生FT水流，其中(i)将所述FT水流的至少一部分进料至电解单元以提供被进料至所述合成气生成单元的氧气流和氢气流，(ii)将从所述二氧化碳去除单元回收的所述二氧化碳流的至少一部分和由所述电解单元产生的所述氢气流的一部分进料至逆水煤气变换单元以产生一氧化碳流，以及(iii)将来自所述逆水煤气变换单元的所述一氧化碳流的至少一部分进料至所述费-托烃合成单元。
本发明还提供用于执行该方法的系统，该系统包括：(a)合成气生成单元，其用于由原料制备包含氢气、一氧化碳和二氧化碳的合成气，(b)二氧化碳去除单元，其与所述合成气生成单元联接以用于从所述合成气中去除二氧化碳以产生二氧化碳流和包含氢气和一氧化碳的纯化的合成气，和(c)费-托烃合成单元，其与所述二氧化碳去除单元联接以用于由所述纯化的合成气合成烃的混合物，并共同产生FT水流，其中(i)将电解单元联接至所述费-托烃合成单元，所述电解单元被构造成进料有所述FT水的至少一部分以提供被构造成进料至所述合成气生成单元的氧气流和氢气流，(ii)将逆水煤气变换单元联接至所述二氧化碳去除单元和所述电解单元并被构造成进料有来自所述二氧化碳去除单元的所述二氧化碳流的至少一部分和由所述电解单元产生的所述氢气流的一部分，以产生一氧化碳流，以及(iii)将所述费-托烃合成单元联接至所述逆水煤气变换单元以接收所述一氧化碳流的至少一部分。
在本发明中，将通过二氧化碳去除单元从合成气回收的二氧化碳与来自FT水电解单元的氢气合并，并用于逆水煤气变换单元中以产生附加的一氧化碳，将该附加的一氧化碳送至费-托合成以增加烃产物收率。FT水电解可方便地使用来自可再生来源如太阳能、风能或潮汐能的电力。通过使用可再生电力，该过程的总体碳强度可以是负的，从而导致总体负二氧化碳排放。它还避免了对碳捕获和储存的需要。总之，本发明的方法使由原料生产液体燃料的产量最大化，并有助于减少二氧化碳排放。
在本发明的方法中，进料到该方法中的原料可适当地包括气态原料诸如天然气或伴生气，或固体原料诸如煤、生物质或市政固体垃圾或含有非生物成因碳的等效物。因此，原料可包括煤、生物质、藻类、固体烃废料、工业聚合物、有机废料和/或家用塑料。这些原料可单独使用或以相同或不同比例的这些原料中的两种或更多种的混合物形式使用。原料还可包含由费-托合成产生的或由原料气化产生的流出物的一部分。可使用得自油和/或油精炼的液体原料、得自这些原料的热化学转化或水热转化的产物。本发明提供了显著的协同作用，其中合成气由煤、市政固体垃圾或等效物和生物质原料生成，其中天然氢与一氧化碳的比率通常低于有效费-托合成所需的2:1比率。特别优选的原料是生物质、市政固体垃圾或含有非生物成因碳的等效物或这些物质的混合物。
有利地处理气态原料以去除合成气生成单元上游的挥发性污染物诸如硫、汞或氯化合物，因为这些污染物可使重整的、逆水煤气变换和费-托催化剂中毒。用于这些污染物的合适的吸附剂是已知的。
合成气生成单元可以为将原料转化成包含氢气、一氧化碳和二氧化碳的合成气的任何单元。取决于原料的性质，可优选各种合成气生成技术。例如，在原料是天然气的情况下，合成气生成单元优选包括催化部分氧化单元、非催化部分氧化单元或自热重整器。另选地，在原料是煤、生物质或市政固体垃圾或含有非生物成因碳的等效物的情况下，合成气生成单元优选包括气化器。可使用任何已知的气化技术。优选地，气化通过部分氧化进行，其包括在亚化学计量条件下在高温(一般来讲介于800℃和1600℃之间)下使原料与空气或氧气一起燃烧以便获得粗合成气。在需要无氮合成气时，该方法使用根据常规技术(诸如例如空气分离单元(ASU))通过空气蒸馏产生的氧气。气化产生合成气和包含焦油的残余馏分。一般来讲，合成气是包含一氧化碳、氢气、水蒸气和二氧化碳的气体混合物。此外，其还通常将包含含硫、含氮和含卤素杂质。常见的含硫杂质是羰基硫化物(COS)和硫化氢(H2S)。这些杂质(在存在的情况下)有利地使用一个或多个污染物去除阶段，通过洗涤(吸收)、通过使粗合成气通过合适吸附剂的一个或多个床、或通过这些方式的混合，在费-托烃合成单元上游去除。合成气纯化可在二氧化碳去除单元之前和/或之后在一个或多个阶段中执行。
合成气生成单元消耗可由电解单元提供的氧气。如果需要，这具有减少空气分离设备的资本投资和/或减少空气分离设备的功率消耗的有益效果。合成气生成单元所必需的氧气优选仅来源于通过电解单元中的电解对水进行分解。这表现出消除或减小空气分离单元的尺寸的优点。
如果需要，从合成气生成单元回收的合成气可通过在一个或多个阶段中冷却至低于露点以冷凝存在的任何蒸汽来脱水，并且使用一个或多个气-液分离器去除冷凝物。
合成气含有二氧化碳，该二氧化碳使用二氧化碳去除单元去除。二氧化碳去除可包括一个或多个容器，该容器提供物理洗涤系统或反应性洗涤系统，优选地反应性洗涤系统，尤其是胺洗涤系统。二氧化碳可通过常规的酸性气体回收单元(AGRU)去除。这具有另外去除硫化氢的有益效果，否则硫化氢可使下游催化剂中毒。在常规的AGRU中，使脱水的合成气物流与合适的吸收性液体流接触，诸如胺，例如单乙醇胺(MEA)、甲基二乙醇胺(MDEA)或二甲基乙醇胺(DMEA)的水溶液，具体地讲甲基二乙醇胺(MDEA)溶液，使得二氧化碳被液体吸收以得到负载的吸收液和具有降低的二氧化碳含量的气体流。然后通过加热使负载的吸收性液体再生，以解吸二氧化碳并得到再生的吸收性液体，然后将其再循环到二氧化碳吸收阶段。来自负载的吸收剂再生的热量可从该方法中回收。例如，来自合成气生成单元的合成气的一部分可用于加热负载的吸收剂或可用于生成蒸汽并且该蒸汽的一部分用于加热负载的吸收剂。另选地，负载的吸收剂可在与来自费-托合成单元的产物流的热交换时被加热。另选地，代替用胺洗涤，可以以与胺类似的方式使用冷甲醇或二醇来捕获二氧化碳。例如，使用冷甲醇的
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方法可以两个阶段操作以去除羰基硫化物(COS)和硫化氢(H2S)，之后去除二氧化碳。如果二氧化碳分离步骤作为单压工艺操作，即在吸收和再生步骤中采用基本上相同的压力，则将仅需要对再循环二氧化碳进行很少的再压缩。
从合成气中去除二氧化碳产生包含氢气和一氧化碳的纯化的合成气。也可存在少量二氧化碳、甲烷和惰性气体如氮气，但这对于防止它们在费-托合成单元中的积聚是不可取的。因此，如果需要，可在二氧化碳去除单元的下游提供一个或多个纯化单元，使得纯化的合成气基本上由氢气和一氧化碳组成。
如果需要，可使用任何可用的热源将纯化的合成气加热至费-托合成单元的入口温度。
将纯化的合成气进料到合成烃产物的混合物的费-托烃合成单元中。
费-托烃合成单元可包括含有费-托催化剂的一个或多个费-托反应容器。费-托转化阶段可根据已知方法中的任一种进行，其使用已知催化剂中的任一种，具体地讲基于铁或钴的催化剂，并且不限于特定的方法或催化剂。
费-托方法涉及一系列化学反应，其产生各种烃，理想地具有式(CnH2n+2)。更有用的反应如下产生烷烃：
(2n+1)H2+n CO→CnH2n+2+n H2O，
其中n通常为5-100或更高，其中优选的产品具有在10-20范围内的n。
通常，区分如下：高温(320-350℃)费-托方法，用基于铁的催化剂操作，并且“低温”(介于220-240℃之间)费-托方法，用基于铁或钴的催化剂操作。基于钴的催化剂通常在以大约2，通常介于1.8和2.5之间，优选地接近2.15的进料气体中的氢气与一氧化碳的摩尔比良好地操作。当费-托催化剂基于铁时，可使用介于0.8和2之间和一般来讲介于1.2和1.8之间的氢气与一氧化碳摩尔比。因此，取决于可用的原料，本领域技术人员可选择最适用于该方法的费-托合成催化剂。钴催化剂可以是优选的，这是由于其较低的CO2选择性，这降低了费-托合成单元的尺寸和成本并且增加了生产烃产物的方法的效率。
用于费-托合成的进料气体包含纯化的合成气，其可以具有在1.6至2.5:1范围内的氢气与一氧化碳摩尔比，以及由逆水煤气变换单元产生的一氧化碳的至少一部分和优选地全部一氧化碳。因此，就该方法的最佳性能而言，可能需要用来自电解单元的氢气的一部分向费-托合成补充进料气体以实现期望的比率。用于钴催化的费-托合成的进料气体中的最佳氢气与一氧化碳摩尔比为约2:15。因此，在一些实施方案中，可将来自电解单元的氢气流中的一部分进料至费-托烃合成单元。
费-托反应可使用一个或多个反应器(诸如固定床反应器、浆液反应器(slurry-phase reactor)、鼓泡塔反应器、环路反应器或流化床反应器)以连续或间歇方法进行。该方法可在0.1Mpa至10MPa范围内的压力和在170℃至350℃范围内的温度下操作。连续操作的气时空速(GHSV)在1000hr-1至25000hr-1的范围内。在费-托烃合成单元中，进料气体被催化转化成含氧产物和呈气体、液体或固体形式的基本上线性的烃。这些产物一般来讲不含杂原子杂质并且几乎不含或含有非常少的芳族化合物、环烷烃和更一般地环，具体地讲在钴催化剂的情况下。有利地，操作费-托合成以生产碳链长度≥5的烃。
从费-托烃合成单元回收的未反应气体可在该单元内的回路中循环至一个或多个费-托反应器以增加效率。为了防止惰性气体的积聚，从回路进行吹扫作为费-托尾气。尾气一般来讲包含少量的甲烷和C2-C10烃，然而它们是有价值的碳源。因此，在一些实施方案中，包含甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和C5-C10烃中的一种或多种的尾气可从费-托烃合成单元回收，并进料至合成气生成单元，或经历单独的重整步骤，诸如预重整，以形成含有氢气的重整的尾气。可将重整的尾气进料至费-托烃合成单元和/或逆水煤气变换单元。从尾气或重整的尾气中回收的氢气可用于加氢处理单元中。如果需要，尾气还可通过将其进料至二氧化碳去除单元而经历二氧化碳去除步骤。
优选地，费-托合成使用一个或多个固定床反应器，即反应容器来进行，其中催化剂床固定在容器内，纯化的合成气通过该容器。可使用任何费-托催化剂，但基于钴的费-托催化剂由于其较低的二氧化碳选择性而优于基于铁的催化剂。合适的钴费-托催化剂是已知的，但该方法中优选的催化剂包含承载在合适载体材料上的9重量％至20重量％Co。因此，合适的催化剂包含附聚物、粒料或挤出物，其包含金属氧化物诸如氧化铝、氧化锌、二氧化钛或二氧化硅或它们的混合物，其上沉积催化活性金属，优选地钴。在一个特别优选的布置中，费-托催化剂与适用于管状费-托反应器的催化剂载体组合使用，其中含有催化剂的催化剂载体设置在一个或多个管内，该管通过循环冷却剂诸如承压水冷却。所谓“催化剂载体”是指例如呈杯或罐形式的催化剂容器，该催化剂容器被构造成允许气体和/或液体流入和流出载体并流过设置在载体内的催化剂或催化剂前体的床。可使用任何合适的催化剂载体。在一种布置中，催化剂载体为在WO2011/048361中描述的催化剂载体，该专利的内容以引用方式并入本文。在一个另选的布置中，催化剂载体可包括如WO2012/136971中公开的催化剂整料，其内容也以引用方式并入本文。在另一个另选的布置中，催化剂载体可为WO2016/050520中公开的催化剂载体，其内容也以引用方式并入本文。在优选的实施方案中，费-托烃合成单元包括管状反应器，其中含有费-托催化剂的催化剂载体设置在由冷却介质冷却的一个或多个管内。
上述费-托反应产生FT水作为该反应的副产物。在费-托烃合成单元中，将该FT水从通过费-托反应生成的烃混合物中分离。分离可使用一个或多个气-液分离器或液-液分离器方便地进行。
在该方法中，将FT水流的至少一部分进料至电解单元以提供氧气流。可在电解单元的上游处理FT水以去除可能干扰电解单元操作的污染物。
从在FT反应阶段中产生的产物混合物中分离FT水允许回收烃的产物混合物。气态烃可被回收用于销售或再循环到该方法中，例如作为费-托尾气的一部分或连同费-托尾气一起作为合成气生成单元的进料。液态烃可被回收用于销售或经历升级以提供更有价值的烃产物。因此，费-托烃合成单元有利地产生一种或多种烃流，其包括但不限于在环境温度下为液体的熔融烃蜡和/或轻质烃冷凝物。
在费-托烃合成单元中合成的烃产物可直接用于例如制备基油，或可随后处理以制备其他产物。该处理可以在集中处理或升级设施中进行
有利地，操作费-托烃合成单元以生产熔融烃蜡液体，其在加氢处理单元中经历升级处理以生成液体燃料。因此，在一些实施方案中，由费-托合成产生的液态烃混合物的至少一部分且优选全部可在氢气的存在下作为原料进料至加氢处理单元。加氢处理单元可使用含有合适催化剂的一个或多个容器执行各种转化，诸如加氢异构化、加氢、加氢脱氧和/或加氢裂化。加氢处理单元需要氢气。这可由各种来源提供，但有利地由电解单元提供以最小化来自该过程的二氧化碳排放。因此，在一些实施方案中，可将来自电解单元的氢气流的一部分进料至加氢处理单元。
加氢处理单元可在以下条件下操作：一般来讲介于200℃和450℃之间，优选地250℃至450℃，更优选地300℃至450℃，并且最优选地介于320-420℃之间的温度；介于0.2MPa和15Mpa之间，优选地介于0.5MPa和10MPa之间，还更优选地1MPa至9MPa的压力；介于0.1h-1和10h-1之间，优选地介于0.2h-1和7h-1之间，还更优选地介于0.5h-1和5.0h-1之间的液时空速，并且氢气含量可介于100升H2/升原料和2000升H2/升原料之间，并且优选地介于150升H2/升原料和1500升H2/升原料之间。
加氢处理阶段可适当地在使得沸点大于或等于370℃的产物到沸点小于370℃的产物的单程转化率大于40重量％并且更优选地至少50重量％的条件下进行，以便获得具有足够良好的低温特性(倾点、凝固点)的中间馏分油(瓦斯油和煤油)以满足这种类型燃料的现行规格。
用于该阶段的催化剂是已知的。例如，加氢异构化和加氢裂化可根据已知方法中的任一种，使用已知催化剂中的任一种来进行，并且其不限于特定方法或催化剂。适用于加氢异构化/加氢裂化的大多数催化剂是将酸官能团与加氢官能团组合的双官能类型。酸官能团一般来讲经由表现出表面酸性的高比表面积(一般来讲150m2/g至800m2/g)的载体提供，诸如卤化的(具体地讲，氯化的或氟化的)氧化铝、磷酸化氧化铝、硼和铝氧化物的组合、或二氧化硅/氧化铝。一般来讲，加氢功能由元素周期表第VIII族的一种或多种金属(诸如铁、钴、镍、钌、铑、钯、锇、铱和铂)提供，或者由至少一种第VI族金属(诸如铬、钼和钨)与至少一种第VIII族金属的组合提供。大多数常规加氢裂化催化剂由弱酸性载体(诸如二氧化硅/氧化铝)构成。这些体系通常用于生产质量非常好的中间馏分。加氢裂化市场的许多催化剂基于二氧化硅/氧化铝与第VIII族金属的组合。这些体系对中间馏分具有非常好的选择性并且所形成的产物具有良好的质量。根据一个优选的实施方案，加氢异构化/加氢裂化催化剂包含选自第VIII族贵金属，优选地铂和/或钯的至少一种加氢-脱氢元素，和至少一种无定形耐高温氧化物载体，优选地二氧化硅/氧化铝。
可将从加氢处理单元回收的烃产物进料到分离单元以回收有价值的烃产物。分离单元可包括一个或多个常压蒸馏塔和任选地一个或多个真空蒸馏塔，其一方面分离(C1-C4)气体、石脑油馏分、至少一种煤油和/或瓦斯油馏分，然后分离重质馏分。一般来讲，重质馏分表现出至少350℃，优选地大于370℃的初沸点。有利地将该馏分再循环至加氢处理单元。还可有利地将煤油和/或柴油的一部分再循环至加氢处理单元。瓦斯油和煤油馏分可以或可以不单独回收，并且可调节分馏点以生产期望的烃产物。
可将石脑油馏分分离成轻石脑油馏分(C5-C6)和重石脑油馏分(C7-180℃)，该轻石脑油馏分优选经历异构化以便生产汽油，该重石脑油馏分优选经历催化重整以便生产重整产物。来自异构化和来自重整的流出物可随后混合以便形成满足规格的汽油。优选将催化重整期间产生的氢气再循环至加氢处理单元。还可使用由催化重整产生的氢气来调节费-托合成中的氢气与一氧化碳的比率，或用于逆水煤气变换单元的进料。
在本发明中，使用二氧化碳去除单元从合成气回收的二氧化碳通过使其在逆水煤气变换单元中经历逆水煤气变换反应而转化为一氧化碳，该逆水煤气变换单元包括含有逆水煤气变换催化剂的逆水煤气变换容器。优选的逆水煤气变换单元包括自热逆水煤气变换容器，该容器含有燃烧器和逆水煤气变换催化剂的固定床。燃烧器进料有含二氧化碳的气体和氧气流，并燃烧存在于含二氧化碳气体中的一部分氢气和任何烃，从而产生用于吸热逆水煤气变换反应的热量。
逆水煤气变换反应可如下描述；
Figure BDA0004103209750000091
该反应消耗氢气，并且因为合成气生成单元一般来讲不产生费-托合成所需的过量氢气，所以需要附加的氢气源。在本发明中，这通过电解作为费-托合成的副产物产生的FT水来提供。也可使用一种或多种附加的氢气源。附加的氢气源可通过蒸汽重整费-托尾气的至少一部分和/或从费-托烃合成单元回收的气态烃来生成。这可使用绝热蒸汽重整器或预重整器、常规燃烧蒸汽重整器、自热重整器、紧凑型重整器或气体加热重整器、或这些的任何组合来进行。
逆水煤气变换单元使得可能降低二氧化碳排放，同时通过费-托反应将碳转化为液态烃，这改善了碳收率。
来自逆水煤气变换单元的产物气体流包含蒸汽。水可例如通过将产物气体流冷却至低于露点并使用一个或多个常规气-液分离器分离冷凝物来回收。如果需要，冷凝水可至少部分地再循环到电解单元以生成用于该方法的附加氢气。因此，在一些实施方案中，可将由逆水煤气变换单元产生或从逆水煤气变换单元回收的水流进料到电解单元。
来自逆水煤气变换单元的产物气体流可含有未反应的二氧化碳，将其有利地去除，然后将含有一氧化碳的气体提供到费-托合成单元。可使用任何合适的吸收剂，例如上文对于二氧化碳去除单元所述的吸收剂，从逆水煤气变换流出物中去除二氧化碳。另选地，可以通过膜分离单元分离二氧化碳。在一些实施方案中，可通过将逆水煤气变换产物气体流返回至与合成气生成单元联接的二氧化碳去除单元来从逆水煤气变换产物气体流中去除二氧化碳并将二氧化碳与合成气一起进料。另选地，可提供单独的专用二氧化碳去除单元以仅从由逆水煤气变换反应器回收的产物气体流中去除二氧化碳。如果使用液体吸收剂，则这可具有从产物气体以及二氧化碳中除去水的至少一部分的附加有益效果。
逆水煤气变换反应由高温促进，并且可在与合成气生成类似的温度和压力条件下进行。压力可以例如介于0.1MPa和8MPa之间，优选地介于1MPa和4MPa之间，并且逆水煤气变换反应器出口处的温度可介于750℃和2000℃之间，优选地介于800℃和1800℃之间，更优选地介于850℃和1600℃之间。催化剂可以为任何合适的过渡金属氧化物催化剂，例如基于氧化镍、氧化铁或氧化铬的催化剂，但也可使用作为逆水煤气变换催化剂提供的其他催化剂。在这些条件下操作时，可调节氢气与一氧化碳的摩尔比的值至接近费-托合成期望的值，同时限制未转化的甲烷和未转化的二氧化碳的含量。
为了生成适合于逆水煤气变换单元的有效操作的高温，二氧化碳流可以被电加热，例如使用可再生能源，或与合适的流体热交换，或在火焰加热器中加热。在优选的实施方案中，可通过将含二氧化碳和氢气流中的一部分与氧化剂一起燃烧，在逆向水煤气变换单元的燃烧部分中加热二氧化碳和氢气流。燃烧将消耗一些氢气。高于1:1摩尔比的过量氢气在进料气体中是期望的。在1.5-7.5:1范围内的氢气与二氧化碳的摩尔比可用于产生具有用于费-托合成的期望H2:CO比率的逆水煤气变换气体。如果需要，甲烷或另一种燃料可包含在进料气体中。在一些实施方案中，可将费-托尾气直接进料到逆水煤气变换单元，或者优选地，可使费-托尾气经历预重整步骤，其中使其在镍催化剂上经历绝热蒸汽重整以将存在于尾气中的高级烃转化为甲烷，并将预重整的费-托尾气进料至逆水煤气变换单元。燃烧可以在上游燃烧容器中进行，或者在设置在逆水煤气变换反应容器内的逆水煤气变换催化剂床上游的逆水煤气变换容器内的燃烧区中进行。燃烧可以非催化地或在合适的氧化催化剂(诸如含铂催化剂)上催化地进行。氧化剂有利地是纯氧，例如>98体积％O2，因为这使下游费-托合成中的惰性物质最少化。这种氧气可方便地由电解单元提供。因此，在一些实施方案中，由电解单元提供的氧气流可用于燃烧进料至逆水煤气变换单元的包含二氧化碳和氢气的进料气体的一部分以升高进料气体的温度。
用于该过程的氢气和氧气使用电解单元生成，将从费-托烃合成单元回收的FT水进料到该电解单元。电解单元通常包括根据以下通式操作的一个或多个电解槽：
电力+2H2O→2H2+O2
电解是水在电流作用下化学分解以产生氧气和氢气的过程。一般来讲，工业电解在低于200℃的温度下进行。如果需要，可将FT水与氢氧化钾组合，氢氧化钾的浓度可根据温度而变化(通常为80℃下25重量％直至160℃下40重量％)。氢氧化钾优于氢氧化钠，这主要是因为在同等温度水平下具有优异的导电性。另选地，可使用聚合物-电极膜电解槽。另选地，在该过程中可使用高温电解。高温电解在高温(700℃至900℃)和减压下操作。高温电解比在环境温度下的方法更有效，因为反应所必需的能量的一部分是经由热量提供的，其通常比电力更便宜地获得，并且电解反应在高温下具有更好的收率。
在电解单元中产生氢气所必需的电能优选为基于非化石燃料的，以便不排放二氧化碳，或者其是二氧化碳排放中性的。非化石燃料能量的一个来源是核能。无二氧化碳排放或二氧化碳排放中性的其他能源是可再生能源，诸如光伏太阳能、风能、潮汐能、水力或水力发电、海洋能源、地热能和/或生物质。这些非化石燃料能源可单独使用或以相同或不同比例的所述能源中的两种或更多种的组合使用。
在该方法中使用的氢气优选通过水电解产生，用于该水电解的电能优选由可再生能源提供，特别是由太阳能、风能、潮汐能、地热能和/或生物质提供。这是因为这些能源的区别在于它们几乎取之不尽，易于获取，并且不产生或产生相对较少的有问题的废料。
合成气生成单元中合成气生成所必需的氧气包括由电解单元产生的氧气，如果必要，由来自空气分离单元的氧气补充。使用由电解产生的氧气使得可节约常规地用于向合成气生成单元供应氧化剂的空气分离单元。
在本发明中，从电解单元回收的所有氧气均可用于合成气生成。然而，在该方法需要氢气需求的情况下，电解单元可提供过量的氧气以用于输出到需要氧气进料和/或用于在逆水煤气变换单元中燃烧的氧气的其他方法。由进料至合成气生成单元的电解单元产生的氧气的部分可以在电解氧气总量的30体积％-100体积％的范围内，并且对于逆水煤气变换燃烧而言，由电解产生的氧气的部分可以在电解氧气总量的0体积％-70体积％、优选地10体积％-50体积％、更优选地10体积％-25体积％的范围内。
来自电解单元的氢气在该方法中用于逆水煤气变换单元的进料气体中。氢气的一部分也可进料到费-托烃合成单元中，即来自电解单元的氢气的一部分可绕过逆水煤气变换单元。除此之外或另选地，可将氢气的一部分进料至加氢处理单元。由电解单元产生的进料到逆水煤气变换单元的氢气部分可以在电解氢气总量的30体积％-100体积％、优选地30体积％-60体积％、更优选地40体积％-50体积％的范围内。优选将40-60％的电解氢气进料到费-托合成中。任选地，可将0-10％的电解氢气进料至加氢处理单元。
除了电解单元之外，在该方法中可使用外部氢源，但这是较不优选的并且一般来讲是不需要的。
因此，本发明的方法提供了比现有技术方法更有效、更环境友好的生成有价值的费-托烃产物的方式。
本发明参考附图进行说明，其中：
图1是本发明的一个实施方案的图解工艺流程。
本领域的技术人员应当理解，附图是图解性的，并且在商业装置中可能需要其他设备项，诸如回流罐、压缩机、泵、真空泵、温度传感器、压力传感器、减压阀、控制阀、流量控制器、液位控制器、收集罐、储存罐等。这种辅助设备项的提供不构成本发明的一部分，并且符合常规的化学工程实践。
在图1中，市政固体垃圾或等效原料经由管线10进料至包括气化器的合成气生成单元12，所述气化器经由管线14进料有在电解单元16中产生的氧气流。在气化器中，原料在升高的温度和压力下与氧气反应以产生包含氢气、一氧化碳、二氧化碳和蒸汽的合成气流。合成气生成单元还可包括在气化器下游的单独的部分氧化或焦油重整单元，以实现原料向合成气的完全转化。合成气生成单元12还可包括用于将合成气冷却至低于露点的热交换器设备和用于从合成气回收冷凝物的一个或多个气液分离容器。
合成气在合适的温度和压力下经由管线18从合成气生成单元12传送至二氧化碳去除单元20，该二氧化碳去除单元使用液体吸收剂洗涤系统通过吸收来操作。二氧化碳去除单元中的洗涤系统产生二氧化碳流和包含氢气和一氧化碳的纯化的合成气流。在二氧化碳去除单元的上游，可使用一个或多个纯化步骤(未示出)以从合成气中去除不希望的污染物，诸如羰基硫化物、氰化氢和重金属如汞，该合成气从合成气生成单元回收。
二氧化碳流经由管线22从二氧化碳去除单元20回收，如果需要，在纯化单元(未示出)中进行处理以去除残余污染物，诸如硫化氢，并且在合适的温度和压力下进料至包括容器的逆水煤气变换单元24，该容器含有合适的过渡金属氧化物逆水煤气变换催化剂。逆水煤气变换单元经由管线26进料有氢气流。在逆水煤气变换单元包括燃烧部分以预热进料气体的情况下，可任选地经由管线41从电解单元16提供氧气流。二氧化碳和氢气在逆水煤气变换催化剂上反应以产生包含一氧化碳和水蒸气的产物气体流。逆水煤气变换单元包括在逆水煤气变换反应器下游的热交换装置和一个或多个气-液分离器，该热交换装置将产物气体冷却至低于露点，该气-液分离器分离所得冷凝物以提供含一氧化碳的气体流。
从逆水煤气变换单元24回收的含一氧化碳的气体流可含有未反应的二氧化碳，在这种情况下，含一氧化碳的气体可进料至二氧化碳去除单元20，或者优选进料至位于逆水煤气变换单元24内的一个或多个气液分离器下游的单独的二氧化碳去除单元(未示出)。在逆水煤气变换单元内使用单独的二氧化碳去除单元的优点是二氧化碳不太可能含有污染物，因此二氧化碳去除单元可以不同地操作和/或使用较小规模的不同吸收剂。将从含一氧化碳的气流中回收的二氧化碳再循环到逆水煤气变换反应器。
来自逆水煤气变换单元(包括任何二氧化碳去除步骤)的输出是一氧化碳气体流。
一氧化碳气体流经由管线28从逆水煤气变换单元24回收，并与经由管线30从二氧化碳去除单元20回收的合成气组合以形成管线32中的组合的气体混合物。如果需要，可在纯化单元(未示出)中处理组合的气体混合物，以在二氧化碳去除单元20的下游和费-托烃合成单元38的上游去除残余污染物和FT催化剂毒物，诸如硫化氢。
如果需要，可任选地将管线32中的组合的气体混合物与由管线34提供的氢气流组合以调节氢气与一氧化碳的摩尔比，并且所得的混合物经由管线36在合适的温度和压力下进料至费-托烃合成单元38。
费-托烃合成单元38包括含有催化剂载体的管式反应容器，所述催化剂载体含有设置在反应器内的多个管中的钴费-托催化剂。氢气和一氧化碳在催化剂上反应以形成气态烃和液态烃的混合物以及作为副产物的FT水。烃的混合物在烃合成单元38内处理以将FT水与气态烃和液态烃分离。将FT水从费-托烃合成单元38回收并经由管线40进料到电解单元16。
电解单元16包括一个或多个电解槽，所述电解槽使用由电能供应装置(未示出)提供的电能将FT水40转化成氧气和氢气。由电解单元产生的氧气经由管线14进料到合成气生成单元12。如果在逆水煤气变换单元中提供燃烧单元，则可经由管线41由电解单元16向其提供氧气。任何过量的氧气均可通过输出管线(未示出)送到单独的工艺中。氢气经由管线42从电解单元16回收。来自管线42的氢气经由管线26提供至逆水煤气变换单元24。任选地，管线42中氢气的一部分可绕过逆水煤气变换单元24并经由管线34直接进料到费-托烃合成单元38的进料气体中。任选地，来自管线42的氢气的一部分可经由管线56提供至加氢处理单元46。
费-托烃合成单元38产生一种或多种烃流，其包括但不限于在环境温度下为液体的熔融烃蜡和/或轻质烃冷凝物。来自费-托烃合成单元38的烃产物中的一种或多种在合适的温度和压力下经由管线44进料到加氢处理单元46。加氢处理单元包括含有催化剂的一个或多个容器，所述催化剂诸如加氢异构化、加氢、加氢脱氧和/或加氢裂化催化剂，其将烃蜡或烃冷凝物转化成一种或多种有价值的烃产物。加氢处理单元进料有氢气。可使用任何氢气源，然而，适当地加氢处理单元46经由管线56进料有由电解单元16产生的氢气的一部分。有价值的烃产物(如煤油)经由管线48从加氢处理单元46回收。
在另一个实施方案中，该方法可如下增强：
1.逆水煤气变换单元24产生水作为副产物。水或其一部分可经由管线52从逆水煤气变换单元24进料至电解单元以补充FT水。如果需要，FT水还可经由管线54用补充水进料补充。
2.费-托烃合成单元38产生气态烃作为烃混合物的一部分。气态烃的一部分可从费-托烃合成单元38回收并作为FT尾气经由管线58进料回到合成气生成单元12，在该合成气生成单元中其可用作燃料，和/或蒸汽重整和/或经历部分氧化以形成用于该方法的含氢气/一氧化碳的气流，或其与原料组合。另选地或除此之外，FT尾气的一部分可直接进料至逆水煤气变换单元24或经历绝热蒸汽重整(预重整)步骤以将高级烃转化为甲烷，并且所得的预重整气体混合物进料至逆水煤气变换单元24。
3.可使用低温空气分离单元(ASU)(未示出)以生成补充氧气，
其经由管线60进料至合成气生成单元。
本发明将参照根据图1的流程图的以下计算示例进一步描述，其中另外地，将来自电解单元16的O2进料到逆水煤气变换反应器的燃烧部分并将来自管线42的氢气的一部分经由管线56进料到加氢处理单元46。该流程图基于来自合成气生成单元12的1000kmol/h的合成气，并且表示为“CH2”的最终FT产量基于CO含量以提供最终比较。
Figure BDA0004103209750000151
Figure BDA0004103209750000152
不具有联接至电解单元16的逆水煤气变换单元24的比较例也在相同的基础上建模。结果如下：
Figure BDA0004103209750000153
Figure BDA0004103209750000161
Figure BDA0004103209750000162
在这种情况下，在301kmol/h下的FT产物比含有逆水煤气变换单元的情况低41％。

Claims (18)

1.一种用于合成烃的方法，所述方法包括以下步骤：(a)在合成气生成单元中由原料制备包含氢气、一氧化碳和二氧化碳的合成气，(b)在二氧化碳去除单元中从所述合成气中去除二氧化碳以产生二氧化碳流和包含氢气和一氧化碳的纯化的合成气，以及(c)在费-托烃合成单元中由所述纯化的合成气合成烃的混合物，并共同产生FT水流，其中(i)将所述FT水流的至少一部分进料至电解单元以提供被进料至所述合成气生成单元的氧气流和氢气流，(ii)将从所述二氧化碳去除单元回收的所述二氧化碳流的至少一部分和由所述电解单元产生的所述氢气流的一部分进料至逆水煤气变换单元以产生一氧化碳流，并且(iii)将来自所述逆水煤气变换单元的所述一氧化碳流的至少一部分进料至所述费-托烃合成单元。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述原料包括天然气、伴生气、煤、生物质或市政固体垃圾或含有非生物成因碳的等效物。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述原料是天然气，并且所述合成气生成单元包括催化部分氧化单元、非催化部分氧化单元或自热重整器。
4.根据权利要求2所述的方法，其中所述原料是煤、生物质或市政固体垃圾或含有非生物成因碳的等效物，并且所述合成气生成单元包括气化器，任选地具有选自下列的一个或多个下游处理单元：部分氧化单元、焦油重整单元和含有纯化材料的纯化反应器。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中所述二氧化碳去除单元包括物理洗涤系统或反应性洗涤系统。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中所述费-托烃合成单元包括管式反应器，其中含有费-托催化剂的催化剂载体设置在由冷却介质冷却的一个或多个管内。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，所述方法还包括步骤(d)：在加氢处理单元中将费-托烃合成单元中合成的烃的混合物升级以产生烃产物。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述加氢处理单元包括一个或多个容器，所述容器含有选自下列的催化剂：加氢异构化催化剂、加氢催化剂、加氢脱氧催化剂和/或加氢裂化催化剂。
9.根据权利要求7或权利要求8所述的方法，其中将来自所述电解单元的所述氢气流的一部分进料至所述加氢处理单元。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其中将由所述逆水煤气变换单元产生的水流进料至所述电解单元。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中将来自所述电解单元的所述氢气流的一部分进料至所述费-托烃合成单元。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其中由所述电解单元提供的氧气流用于燃烧进料至所述逆水煤气变换单元的包含二氧化碳和氢气的进料气体的一部分以升高所述进料气体的温度。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其中将在所述逆水煤气变换单元中形成的水进料至所述电解单元。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，其中将包含甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和C5-C10烃中的一种或多种的尾气从所述费-托烃合成单元回收，并将其进料至所述合成气生成单元。
15.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，其中将包含甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和C5-C10烃中的一种或多种的尾气从所述费-托烃合成单元回收，并使其经历单独的重整步骤以形成含有氢气的重整的尾气，将所述重整的尾气进料至所述费-托烃合成单元和/或所述逆水煤气变换单元。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的方法，其中将从所述加氢处理单元回收的所述烃产物进料至分离单元以回收C1-C4气体、石脑油馏分、至少一种煤油和/瓦斯油馏分和重质馏分。
17.一种用于执行根据权利要求1至16中任一项所述的方法的系统，所述系统包括：(a)合成气生成单元，其用于由原料制备包含氢气、一氧化碳和二氧化碳的合成气，(b)二氧化碳去除单元，其与所述合成气生成单元联接以用于从所述合成气中去除二氧化碳以产生二氧化碳流和包含氢气和一氧化碳的纯化的合成气，和(c)费-托烃合成单元，其与所述二氧化碳去除单元联接以用于由所述纯化的合成气合成烃的混合物，并共同产生FT水流，其中(i)将电解单元联接至所述费-托烃合成单元，所述电解单元被构造成进料有所述FT水的至少一部分以提供被构造成进料至所述合成气生成单元的氧气流和氢气流，(ii)将逆水煤气变换单元联接至所述二氧化碳去除单元和所述电解单元并被构造成进料有来自所述二氧化碳去除单元的所述二氧化碳流的至少一部分和由所述电解单元产生的所述氢气流的一部分，以产生一氧化碳流，以及(iii)将所述费-托烃合成单元联接至所述逆水煤气变换单元以接收所述一氧化碳流的至少一部分。
18.根据权利要求17所述的系统，所述系统还包括(d)加氢处理单元，其与所述费-托烃合成单元联接以用于将所述烃的混合物升级以产生烃产物。
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