CN116143074A - 一种用于煤炭地下粗煤气提纯分离的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于煤气净化技术领域，具体涉及一种用于煤炭地下粗煤气提纯分离的系统及方法。其技术方案为：一种用于煤炭地下粗煤气提纯分离的系统，包括粗煤初步分离单元，粗煤气初步分离单元通过管道连接有用于甲烷提浓的膜分离单元，膜分离单元上通过管道连接有二氧化碳提纯单元，二氧化碳提纯单元通过管道连接有氢气提纯单元。一种用于煤炭地下粗煤气提纯分离的方法，包括如下步骤：粗煤气初步分离、二氧化碳提纯、氢气提纯；甲烷提浓：从第一膜分离装置来的非渗透气进入第二膜分离组件进行甲烷提浓。本发明提供了一种用于煤炭地下粗煤气提纯分离的系统及方法。

Description

一种用于煤炭地下粗煤气提纯分离的系统及方法
技术领域
本发明属于煤气净化技术领域，具体涉及一种用于煤炭地下粗煤气提纯分离的系统及方法。
背景技术
煤炭地下气化技术是将煤在未开采的情况下在地下进行有控制的燃烧并产生煤气等气体的新型清洁能源技术。
通过煤炭地下气化生成的产品气(粗合成气)通常含有合成气(CO、CO2、H2、CH4及其他气体的混合物)以及其他杂质成分(粉尘、水、焦油、烃类蒸汽，其他微量组分包括H2S、COS、CS2等)。其主要成分及杂质的复杂程度取决于多个方面：煤炭地下气化所使用的氧化剂(空气、纯氧气、蒸汽)、煤层中的煤质条件与煤层深度、以及煤炭地下气化工艺的操作参数，包括温度，压力等。
粗合成气经预处理后得到的粗煤气的主要成分包括H2、CH4、CO、CO2、N2等，其中H2约占20～35％(v/v)，CH4约占30～50％(v/v)，CO约占0.1～5％(v/v)，CO2约占6～50％(v/v)，N2约占0.3～0.8％(v/v)。
根据国内外已有地下煤炭气化装置工程实践及已有专利文献，目前的煤炭地下气化产品气的主要特点表现为组成、压力及流量变化大，因此其综合利用主要以直接发电为主，缺乏根据下游需要同时生产氢气、甲烷及CO2的工艺流程系统。
粗煤气提纯分离氢气、甲烷及CO2技术主要有膜分离法、变压吸附法、深冷分离法及吸收法(胺吸收法或低温甲醇洗)。膜分离法具有投资小、操作简单的优点、但回收的氢气纯度不高，无法满足工业用氢的需要。变压吸附法可以生产高纯度氢气、甲烷及CO2，但是其回收率不高且对原料气组分波动的适应性不强，进而影响产品的纯度。深冷分离法最终得到的氢气含量最高仅能达到90％左右，纯度仍然无法满足下游需要，所用设备复杂，生产投资高。吸收法一般用于去除粗煤气中的酸性气体(吸收CO2)，再利用变压吸附工艺回收H2。但由于粗煤气成分复杂，CO2组分变化大，吸收法投资较大，吸收液解吸能耗大，导致该工艺操作复杂、投资过大，经济性差，在实际工程上很难得到应用。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种用于煤炭地下粗煤气提纯分离的系统及方法。
本发明所采用的技术方案为：
一种用于煤炭地下粗煤气提纯分离的系统，包括粗煤初步分离单元，粗煤气初步分离单元通过管道连接有用于甲烷提浓的膜分离单元，膜分离单元上通过管道连接有二氧化碳提纯单元，二氧化碳提纯单元通过管道连接有氢气提纯单元。
作为本发明的优选方案，所述粗煤气初步分离单元包括通过管道连接的过滤分离器和加热器，加热器的另一端通过管道与膜分离单元连接，过滤分离器上连接有粗煤气进入管道。
作为本发明的优选方案，所述膜分离单元包括通过管道连接的第一膜分离组件和第二膜分离组件，第一膜分离组件分别通过管道与粗煤气初步分离单元和二氧化碳提纯单元连接。
作为本发明的优选方案，所述第一膜分离单元与第二膜分离单元之间还连接有产品天然气管道，第二膜分离单元连接有产品甲烷管道。
作为本发明的优选方案，所述第二膜分离单元还通过管道连接到第一膜分离单元与二氧化碳提纯单元之间的管道上。
作为本发明的优选方案，所述二氧化碳提纯单元包括前端抽真空装置，前端抽真空装置上连接有产品二氧化碳管道，前端抽真空装置并联有若干前端吸附塔，前端吸附塔的顶部通过管道与氢气提纯单元连接，膜分离单元通过管道与若干前端吸附塔的底部连接。
作为本发明的优选方案，所述氢气提纯单元包括后端抽真空装置，后端抽真空装置上连接有燃料气管道，后端抽真空装置并联有若干后端吸附塔，后端吸附塔的顶部连接有产品氢气管道，二氧化碳提纯单元通过管道与若干后端吸附塔的底部连接。
作为本发明的优选方案，所述第一膜分离组件和第二膜分离组件均采用聚酰亚胺膜材料。
作为本发明的优选方案，所述二氧化碳吸附单元中的吸附剂为二氧化碳专用吸附剂；所述氢气提纯单元的吸附剂为多床层吸附剂。
一种用于煤炭地下粗煤气提纯分离的方法，包括如下步骤：
粗煤气初步分离：粗煤气经粗煤气初步分离单元分离出固体颗粒杂质；
二氧化碳提纯：经初步分离的气体进入膜分离单元，膜分离单元的管程出口的渗透气进入二氧化碳提纯单元进行二氧化碳提纯；
氢气提纯：从二氧化碳提纯单元来的粗煤气进入氢气提纯单元进行氢气提纯；
甲烷提浓：从第一膜分离装置来的非渗透气进入第二膜分离组件进行甲烷提浓。
本发明的有益效果为：
本发明的工艺流程简单，可充分提纯分离有效组分(氢气、甲烷及CO2)，对原料气的组分适应能力强、操作简单灵活的优点。针对煤炭地下气化产生的粗煤气无法综合利用的问题，本发明可将煤炭地下粗煤气实现提纯分离得到不同产品的目的。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图中，1-粗煤初步分离单元；2-膜分离单元；3-二氧化碳提纯单元；4-氢气提纯单元；11-过滤分离器；12-加热器；13-粗煤气进入管道；21-第一膜分离组件；22-第二膜分离组件；23-产品天然气管道；24-产品甲烷管道；31-前端抽真空装置；32-产品二氧化碳管道；33-前端吸附塔；41-后端抽真空装置；42-燃料气管道；43-后端吸附塔；44-产品氢气管道。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，本实施例的用于煤炭地下粗煤气提纯分离的系统，包括粗煤初步分离单元1，粗煤气初步分离单元通过管道连接有用于甲烷提浓的膜分离单元2，膜分离单元2上通过管道连接有二氧化碳提纯单元3，二氧化碳提纯单元3通过管道连接有氢气提纯单元4。
其中，所述粗煤气初步分离单元包括通过管道连接的过滤分离器11和加热器12，加热器12的另一端通过管道与膜分离单元2连接，过滤分离器11上连接有粗煤气进入管道13。
所述膜分离单元2包括通过管道连接的第一膜分离组件21和第二膜分离组件22，第一膜分离组件21分别通过管道与粗煤气初步分离单元和二氧化碳提纯单元3连接。所述第一膜分离单元2与第二膜分离单元2之间还连接有产品天然气管道23，第二膜分离单元2连接有产品甲烷管道24。所述第二膜分离单元2还通过管道连接到第一膜分离单元2与二氧化碳提纯单元3之间的管道上。
所述二氧化碳提纯单元3包括前端抽真空装置31，前端抽真空装置31上连接有产品二氧化碳管道32，前端抽真空装置31并联有若干前端吸附塔33，前端吸附塔33的顶部通过管道与氢气提纯单元4连接，膜分离单元2通过管道与若干前端吸附塔33的底部连接。
所述氢气提纯单元4包括后端抽真空装置41，后端抽真空装置41上连接有燃料气管道42，后端抽真空装置41并联有若干后端吸附塔43，后端吸附塔43的顶部连接有产品氢气管道44，二氧化碳提纯单元3通过管道与若干后端吸附塔43的底部连接。
一、粗煤气初步分离部分：该部分是根据原料气中各组分渗透能力的不同，将原料气中氢气、甲烷和CO2进行初步分离，以确保下游提纯装置产品的稳定性。
过滤分离器11是原料气的简单物理预处理场所，过滤分离器11依次与加热器12连接。
加热器12出口与第一膜分离组件21直接相连；为确保膜分离的效果提供热量。
第一膜分离组件21的壳程为非渗透气，与第二膜分离组件22直接连接，管程为渗透气，与前端吸附塔33直接连接。
二、CO2提纯部分：该部分主要提纯膜分离中渗透气中的CO2，并外输给下游。
前端吸附塔33的塔顶出口为不含CO2的非吸附气，直接与后端吸附塔43连接。
前端吸附塔33的塔底出口为CO2浓度大于99％的解析气，直接与前端抽真空装置31连接，通过抽真空解析后送入下游装置。
三、氢气提纯部分：该部分主要提纯膜分离中渗透气中的氢气，并外输给下游。
后端吸附塔43的塔顶出口为氢气纯度大于99％的非吸附气，直接输送至下游。
后端吸附塔43的塔底出口为解析气，直接与后端抽真空装置41连接，通过抽真空解析后送入下游装置。
四、甲烷提浓部分：该部分主要提浓膜分离中非渗透气中的甲烷，并外输给下游。
第二膜分离组件22的壳程出口为甲烷纯度大于95％的非渗透气，直接输送至下游。
第二膜分离组件22的管程出口为渗透气，与前端吸附塔33直接连接，回收氢气，提高氢气的回收率。
本发明还提供了一种用于煤炭地下气化粗煤气提纯分离的方法，包括如下步骤：
1、粗煤气初步分离部分
2.0～4.0MPa.g的粗煤气与过滤分离器11相连，经过过滤分离器11分离出可能携带的固体颗粒杂质后，进入加热器12，经加热器12加热粗煤气至30～60℃后进入第一膜分离组件21。第一膜分离组件21的壳程出口为非渗透气，压力为2.0～4.0MPa.g，进入第二膜分离组件22。第一膜分离组件21的管程出口为渗透气，压力为0.2～0.6MPa.g，进入前端吸附塔33。
2、CO2提纯部分
从第一膜分离组件21来的非渗透气压力为0.2～0.6MPa.g的粗煤气从前端吸附塔33的塔底进入，粗煤气中的CO2被吸附剂吸附，非吸附气从塔顶出口进入氢气提纯部分。被吸附的CO2通过前端抽真空装置31抽出送入下游装置。
3、氢气提纯部分
从前端吸附塔33塔顶来的粗煤气为0.2～0.6MPa.g，从后端吸附塔43塔底进入，粗煤气中的杂质被吸附，氢气作为非吸附组分从后端吸附塔43塔顶收集得到，送入下游装置。被吸附的杂质，通过后端抽真空装置41进行解析后送入下游装置。
4、甲烷提浓部分
从第一膜分离组件21来的，压力为2.0～4.0MPa.g的粗煤气进入第二膜分离组件22。第二膜分离组件22的管程出口为渗透气，压力为0.2～0.6MPa.g，进入前端吸附塔33。第二膜分离组件22的壳程出口为非渗透气，压力为2.0～4.0MPa.g，作为天然气的产品送入下游装置。
本发明中第一膜分离组件21及第二膜分离组件22采用聚酰亚胺膜材料。
本发明中加热器12可采用电加热器12、蒸汽加热或其他热源加热。
本发明中前端抽真空装置31和后端抽真空装置41均为水环式真空泵。
本发明中的前端吸附塔33中的吸附剂为CO2专用吸附剂。
本发明中的后端吸附塔43中的吸附剂为多床层吸附剂，分别能吸附N2、CO和CO2、甲烷。
本发明不局限于上述可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于煤炭地下粗煤气提纯分离的系统，其特征在于，包括粗煤初步分离单元(1)，粗煤气初步分离单元通过管道连接有用于甲烷提浓的膜分离单元(2)，膜分离单元(2)上通过管道连接有二氧化碳提纯单元(3)，二氧化碳提纯单元(3)通过管道连接有氢气提纯单元(4)。
2.根据权利要求1所述的一种用于煤炭地下粗煤气提纯分离的系统，其特征在于，所述粗煤气初步分离单元包括通过管道连接的过滤分离器(11)和加热器(12)，加热器(12)的另一端通过管道与膜分离单元(2)连接，过滤分离器(11)上连接有粗煤气进入管道(13)。
3.根据权利要求1所述的一种用于煤炭地下粗煤气提纯分离的系统，其特征在于，所述膜分离单元(2)包括通过管道连接的第一膜分离组件(21)和第二膜分离组件(22)，第一膜分离组件(21)分别通过管道与粗煤气初步分离单元和二氧化碳提纯单元(3)连接。
4.根据权利要求3所述的一种用于煤炭地下粗煤气提纯分离的系统，其特征在于，所述第一膜分离单元(2)与第二膜分离单元(2)之间还连接有产品天然气管道(23)，第二膜分离单元(2)连接有产品甲烷管道(24)。
5.根据权利要求3所述的一种用于煤炭地下粗煤气提纯分离的系统，其特征在于，所述第二膜分离单元(2)还通过管道连接到第一膜分离单元(2)与二氧化碳提纯单元(3)之间的管道上。
6.根据权利要求1所述的一种用于煤炭地下粗煤气提纯分离的系统，其特征在于，所述二氧化碳提纯单元(3)包括前端抽真空装置(31)，前端抽真空装置(31)上连接有产品二氧化碳管道(32)，前端抽真空装置(31)并联有若干前端吸附塔(33)，前端吸附塔(33)的顶部通过管道与氢气提纯单元(4)连接，膜分离单元(2)通过管道与若干前端吸附塔(33)的底部连接。
7.根据权利要求1所述的一种用于煤炭地下粗煤气提纯分离的系统，其特征在于，所述氢气提纯单元(4)包括后端抽真空装置(41)，后端抽真空装置(41)上连接有燃料气管道(42)，后端抽真空装置(41)并联有若干后端吸附塔(43)，后端吸附塔(43)的顶部连接有产品氢气管道(44)，二氧化碳提纯单元(3)通过管道与若干后端吸附塔(43)的底部连接。
8.根据权利要求1所述的一种用于煤炭地下粗煤气提纯分离的系统，其特征在于，所述第一膜分离组件(21)和第二膜分离组件(22)均采用聚酰亚胺膜材料。
9.根据权利要求1所述的一种用于煤炭地下粗煤气提纯分离的系统，其特征在于，所述二氧化碳吸附单元中的吸附剂为二氧化碳专用吸附剂；所述氢气提纯单元(4)的吸附剂为多床层吸附剂。
10.使用权利要求1所述的系统的一种用于煤炭地下粗煤气提纯分离的方法，其特征在于，包括如下步骤：
粗煤气初步分离：粗煤气经粗煤气初步分离单元分离出固体颗粒杂质；
二氧化碳提纯：经初步分离的气体进入膜分离单元(2)，膜分离单元(2)的管程出口的渗透气进入二氧化碳提纯单元(3)进行二氧化碳提纯；
氢气提纯：从二氧化碳提纯单元(3)来的粗煤气进入氢气提纯单元(4)进行氢气提纯；
甲烷提浓：从第一膜分离装置来的非渗透气进入第二膜分离组件(22)进行甲烷提浓。
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