CN204509155U

CN204509155U - 一种以煤和天然气为原料经合成气制烯烃的系统

Info

Publication number: CN204509155U
Application number: CN201520071172.8U
Authority: CN
Inventors: 杨思宇; 项东; 胡志刚; 钱宇
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2015-01-30
Filing date: 2015-01-30
Publication date: 2015-07-29
Anticipated expiration: 2025-01-30

Abstract

本实用新型属于能源化工设备系统领域，公开了一种以煤和天然气为原料经合成气制烯烃的系统。所述系统包括水煤浆制备单元、空气分离单元、煤气化单元、水煤气变换单元、合成气净化单元、费托制烯烃单元和甲烷干重整单元，合成气净化单元和费托制烯烃单元之间设置合成气混合器，该合成器混合器能够将合成气净化单元的净化合成气与甲烷干重整单元的甲烷干重整合成气混合后送入费托制烯烃单元；甲烷干重整单元前设置甲烷混合器和二氧化碳混合器，能够将甲烷干重整单元生成的甲烷和合成气净化单元生成的二氧化碳送入甲烷干重整单元参与反应。通过本实用新型的系统，能达到减少二氧化碳排放、提高能效和减少固定资产投资的效果。

Description

一种以煤和天然气为原料经合成气制烯烃的系统

技术领域

本实用新型属于能源化工设备系统领域，具体涉及一种以煤和天然气为原料经合成气制烯烃的系统。

背景技术

烯烃生产有石油、天然气、煤和生物质等多种原料路线，占主流的原料路线是石脑油和天然气，其中石脑油占50％以上。世界石油储量越来越少，而烯烃供求矛盾在新兴经济体国家尤为突出，发展非石油路线烯烃生产技术迫在眉睫。中国是一个富煤、贫油、少气的国家，大型煤制烯烃项目成为各界关注的热点，开发以煤为原料制烯烃具有重要的战略意义。

煤基烯烃主要有两种路径，一是煤经甲醇制烯烃；二是煤经合成气制烯烃。前者已经工业实施，神华包头煤制烯烃采用了DMTO技术，是全球首套且成功商业化运营的煤经甲醇制烯烃工业化装置。目前煤经甲醇制烯烃已有276万吨烯烃装置投入商业化运行。为进一步缩短反应路径、降低投资成本，煤经合成气制烯烃成为近年来的研究热点。研究主要集中在高效催化剂的开发，在工艺流程设计、新工艺设计等方面研究相对匮乏。

煤经甲醇制烯烃系统主要由水煤浆制备单元、空气分离单元、煤气化单元、水煤变换单元、合成气净化单元、甲醇合成单元以及甲醇制烯烃单元组成。原料煤经洗选研磨后与水混合制成水煤浆，水煤浆进入煤气化单元，与空气分离单元得到的氧气经高温气化炉制成合成气，粗合成气进入水煤气变换单元调整氢碳比，之后进入合成气净化单元脱除合成气中的硫化物和二氧化碳等酸性气体，洁净的合成气经甲醇合成单元合成甲醇，然后经甲醇制烯烃单元合成乙烯，丙烯和丁烯。但现有煤经甲醇制烯烃过程存在两个主要问题：第一，煤制烯烃工艺路线长和流程复杂；第二，煤制烯烃过程的直接二氧化碳排放高达5-6t/t烯烃。与煤经甲醇制烯烃相比，现有技术中的煤经合成气制烯烃虽然减少了甲醇合成装置，降低了投资，但其二氧化碳排放依然较高而且能效低，其原因是煤气化过程所产生的粗合成气的氢碳比仅为0.7:1左右，而费托合成烯烃所需的氢碳比为1:1～2:1，因此粗合成气需进入水煤变换单元，将合成气中的CO转化为H₂和CO₂，其次费托合成烯烃过程产生约30％的二氧化碳产品，这样就造成了大量的CO₂排放和碳元素的浪费且烯烃产量低。

为了降低煤制烯烃二氧化碳排放和提高能效，富碳资源与富氢资源联供过程是一条可行的路径。例如，煤和天然气联供制甲醇过程，能效比煤单独生产甲醇过程提高了五个百分点，过程的净收益提高1.4倍。在气资源丰富地区应可发展煤与煤层气，油田气或焦炉气联供制烯烃。但目前尚没有煤与天然气联供合成气生产烯烃的相关系统。

实用新型内容

为了解决以上现有技术的缺点和不足之处，本实用新型的目的在于提供一种以煤和天然气为原料经合成气制烯烃的系统。

本实用新型目的通过以下技术方案实现：

一种以煤和天然气为原料经合成气制烯烃的系统，包括水煤浆制备单元、空气分离单元、煤气化单元、水煤气变换单元、合成气净化单元、费托制烯烃单元和甲烷干重整单元，合成气净化单元和费托制烯烃单元之间设置合成气混合器，甲烷干重整单元前设置甲烷混合器和二氧化碳混合器，水煤浆制备单元设置原料煤入口和原料水入口；空气分离单元设置空气入口、净化氮气出口和净化氧气出口，净化氮气出口连接到合成气净化单元，净化氧气出口连接到煤气化单元；煤气化单元设置水煤浆入口与水煤浆制备单元出口相连；水煤气变换单元设置水蒸气入口及与煤气化单元出口相连的煤气化合成气入口；合成气净化单元设置变换合成气入口、净化二氧化碳出口、硫化物出口和净化合成气出口，变换合成气入口与水煤气变换单元出口相连；费托制烯烃单元设置混合合成气入口、未反应合成气出口、费托合成甲烷出口和费托合成二氧化碳出口；甲烷干重整单元设置混合甲烷入口、二氧化碳入口和甲烷干重整合成气出口；合成气混合器入口与净化合成气出口、甲烷干重整合成气出口和未反应合成气出口相连，其出口与混合合成气入口相连；甲烷混合器入口与外加甲烷入口和费托合成甲烷出口相连，其出口与混合甲烷入口相连；二氧化碳混合器入口与净化二氧化碳出口和费托合成二氧化碳出口相连，其出口与二氧化碳入口和二氧化碳排空口相连。

所述费托制烯烃单元包括第一换热器、费托合成反应器、二氧化碳脱除塔、解析塔、干燥塔、第一压缩机、甲烷分离塔、气液分离塔、汽油分离塔、脱丁烷塔、第二压缩机、脱甲烷塔、脱乙烷塔、乙烯精馏塔和丙烯精馏塔；第一换热器管程入口与合成气混合器出口连接，管程出口与费托合成反应器入口连接，其壳程入口与费托合成反应器出口连接，壳程出口与气液分离塔入口相连；气液分离塔塔顶出口与二氧化碳脱除塔入口相连，塔釜出口与汽油分离塔入口相连，汽油分离塔塔顶设置油品出口，塔釜设置醇类出口；二氧化碳脱除塔塔顶出口与干燥塔入口相连，塔釜出口与解析塔入口相连；解析塔塔顶设置费托合成二氧化碳出口与二氧化碳混合器入口相连，塔釜设置低温甲醇出口；干燥塔塔顶出口与第一压缩机入口相连，塔釜设置废水出口；第一压缩机出口与脱丁烷塔入口相连，脱丁烷塔塔顶出口与第二压缩机入口相连，塔釜设置碳四混合物排放口；第二压缩机出口与脱甲烷塔入口相连，脱甲烷塔塔顶出口与甲烷分离塔入口相连，塔釜出口与脱乙烷塔入口相连；甲烷分离塔塔顶的费托合成甲烷出口与甲烷混合器入口相连，塔釜的未反应合成气出口与合成气混合器入口相连；脱乙烷塔塔顶出口与乙烯精馏塔入口相连，塔釜出口与丙烯精馏塔入口相连；乙烯精馏塔塔顶设置乙烯出口，塔釜设置乙烷出口，丙烯精馏塔塔顶设置丙烯出口，塔釜设置丙烷出口。

所述甲烷干重整单元包括甲烷干重整反应器，甲烷干重整反应器设置供热夹套，该供热夹套的入口与煤气化单元的出口连接，供热夹套的出口与煤气化合成气入口连接。

本实用新型的系统具有如下优点及有益效果：

(1)本实用新型提出了一种煤经合成气直接制烯烃的系统，相较于传统的煤经甲醇制烯烃系统，有效减少了设备投资；

(2)本实用新型的系统可将甲烷干重整单元的甲烷干重整合成气与合成气净化单元生成的净化合成气混合，调整合成气的氢碳比至符合费托合成烯烃的要求，然后在费托制烯烃单元中合成烯烃，操作简便，节约能源；

(3)通过甲烷干重整单元有效减少了煤制烯烃过程中的二氧化碳排放，利用本实用新型的系统可降低现有煤制烯烃过程约80％的CO₂排放量；

(4)本实用新型集成不同原料的合成气制备单元，可实现煤气化单元释放的显热为甲烷重整单元供热，利用本实用新型的系统使得煤和天然气联供合成气制烯烃过程的能效可达到49.3％，相比利用煤经甲醇制烯烃的装置，能效提高了约13个百分点。

附图说明

图1为实施例1的以煤和天然气为原料经合成气制烯烃系统的组成单元及连接关系示意图；

图2为实施例1的费托制烯烃单元的组成及连接关系示意图；

图3为对比例1的一种以煤为原料经甲醇制烯烃系统的组成单元及连接关系示意图；

图中标注说明如下：1-水煤浆制备单元、2-空气分离单元、3-煤气化单元、4-水煤气变换单元、5-合成气净化单元、6-费托制烯烃单元、7-甲烷干重整单元、8-合成气混合器、9-甲烷混合器、10-二氧化碳混合器、11-原料煤入口、12-原料水入口、13-空气入口、14-净化氮气出口、15-净化氧气出口、16-水煤浆入口、17-水蒸气入口、18-煤气化合成气入口、19-变换合成气入口、20-净化二氧化碳出口、21-硫化物出口、22-净化合成气出口、23-混合合成气入口、24-未反应合成气出口、25-费托合成甲烷出口、26-费托合成二氧化碳出口、27-混合甲烷入口、28-二氧化碳入口、29-甲烷干重整合成气出口、30-外加甲烷入口、31-二氧化碳排空口、32-第一换热器、33-费托合成反应器、34-二氧化碳脱除塔、35-解析塔、36-干燥塔、37-第一压缩机、38-甲烷分离塔、39-气液分离塔、40-汽油分离塔、41-脱丁烷塔、42-第二压缩机、43-脱甲烷塔、44-脱乙烷塔、45-乙烯精馏塔、46-丙烯精馏塔、47-费托合成反应器入口、48-费托合成反应器出口、49-气液分离塔入口、50-气液分离塔塔顶出口、51-气液分离塔塔釜出口、52-油品出口、53-醇类出口、54-二氧化碳脱除塔塔顶出口、55-二氧化碳脱除塔塔釜出口、56-低温甲醇出口、57-干燥塔塔顶出口、58-废水出口、59-脱丁烷塔入口、60-脱丁烷塔塔顶出口、61-碳四混合物排放口、62-脱甲烷塔入口、63-脱甲烷塔塔顶出口、64-脱甲烷塔塔釜出口、65-脱乙烷塔塔顶出口、66-脱乙烷塔塔釜出口、67-乙烯出口、68-乙烷出口、69-丙烯出口、70-丙烷出口、71-甲烷干重整反应器、72-供热夹套入口、73-供热夹套出口、74-甲醇合成单元、75-甲醇制烯烃单元。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例1

一种以煤和天然气为原料经合成气制烯烃的系统，如图1所示，包括水煤浆制备单元1、空气分离单元2、煤气化单元3、水煤气变换单元4、合成气净化单元5、费托制烯烃单元6和甲烷干重整单元7，合成气净化单元和费托制烯烃单元之间设置合成气混合器8，甲烷干重整单元前设置甲烷混合器9和二氧化碳混合器10，水煤浆制备单元设置原料煤入口11和原料水入口12；空气分离单元设置空气入口13、净化氮气出口14和净化氧气出口15，净化氮气出口连接到合成气净化单元，净化氧气出口连接到煤气化单元；煤气化单元设置水煤浆入口16与水煤浆制备单元出口相连；水煤气变换单元设置水蒸气入口17及与煤气化单元出口相连的煤气化合成气入口18；合成气净化单元设置变换合成气入口19、净化二氧化碳出口20、硫化物出口21和净化合成气出口22，变换合成气入口与水煤气变换单元出口相连；费托制烯烃单元设置混合合成气入口23、未反应合成气出口24、费托合成甲烷出口25和费托合成二氧化碳出口26；甲烷干重整单元设置混合甲烷入口27、二氧化碳入口28和甲烷干重整合成气出口29；合成气混合器入口与净化合成气出口、甲烷干重整合成气出口和未反应合成气出口相连，其出口与混合合成气入口相连；甲烷混合器入口与外加甲烷入口30和费托合成甲烷出口相连，其出口与混合甲烷入口相连；二氧化碳混合器入口与净化二氧化碳出口和费托合成二氧化碳出口相连，其出口与二氧化碳入口和二氧化碳排空口31相连；

所述费托制烯烃单元的组成及连接关系如图2所示，包括第一换热器32、费托合成反应器33、二氧化碳脱除塔34、解析塔35、干燥塔36、第一压缩机37、甲烷分离塔38、气液分离塔39、汽油分离塔40、脱丁烷塔41、第二压缩机42、脱甲烷塔43、脱乙烷塔44、乙烯精馏塔45和丙烯精馏塔46；第一换热器的管程入口与合成气混合器出口连接，管程出口与费托合成反应器入口47连接，其壳程入口与费托合成反应器出口48连接，壳程出口与气液分离塔入口49相连；气液分离塔塔顶出口50与二氧化碳脱除塔入口相连，塔釜出口51与汽油分离塔入口相连，汽油分离塔塔顶设置油品出口52，塔釜设置醇类出口53；二氧化碳脱除塔塔顶出口54与干燥塔入口相连，塔釜出口55与解析塔入口相连；解析塔塔顶设置费托合成二氧化碳出口与二氧化碳混合器入口相连，塔釜设置低温甲醇出口56；干燥塔塔顶出口57与第一压缩机入口相连，塔釜设置废水出口58；第一压缩机出口与脱丁烷塔入口59相连，脱丁烷塔塔顶出口60与第二压缩机入口相连，塔釜设置碳四混合物排放口61；第二压缩机出口与脱甲烷塔入口62相连，脱甲烷塔塔顶出口63与甲烷分离塔入口相连，塔釜出口64与脱乙烷塔入口相连；甲烷分离塔塔顶的费托合成甲烷出口与甲烷混合器入口相连，塔釜的未反应合成气出口与合成气混合器入口相连；脱乙烷塔塔顶出口65与乙烯精馏塔入口相连，塔釜出口66与丙烯精馏塔入口相连；乙烯精馏塔塔顶设置乙烯出口67，塔釜设置乙烷出口68，丙烯精馏塔塔顶设置丙烯出口69，塔釜设置丙烷出口70；所述甲烷干重整单元包括甲烷干重整反应器71，甲烷干重整反应器设置供热夹套，该供热夹套的入口72与煤气化单元的出口连接，供热夹套的出口73与煤气化合成气入口连接。

利用本实施例的系统制备烯烃的效果实施，具体实施如下：

进入本实用新型工艺的原料煤流量为250t/h，外加甲烷流量为365t/h，原料煤与外加甲烷进料比为0.68:1，原料煤的组成成分见表1。

表1原料煤的成分

成分	灰渣	碳	氢	氮	硫	氧
							质量分数％	7.53	73.64	5.24	1.13	2.63	9.83

原料煤经洗选研磨成煤粉后与原料水在水煤浆制备单元中混合制成水煤浆；空气经过空气分离单元后分成净化氮气及净化氧气，其中净化氮气进入合成气净化单元，净化氧气进入煤气化单元；水煤浆直接进入煤气化单元与氧气在温度为1350℃，压力为3.0Mpa条件下高温气化反应制得温度为1350℃的高温煤气化合成气；所述煤气化合成气从干重整反应器的供热夹套入口进入，为甲烷干重整单元供热后温度降低为500℃，从供热夹套的出口进入余热锅炉进一步回收热量后，进入水煤气变换单元调整氢碳比，得到的变换合成气进入合成气净化单元脱除硫化物得到净化二氧化碳和氢碳比为1:1的净化合成气，所述净化合成气通过管道进入合成气混合器；外加甲烷和费托制烯烃单元生成的甲烷在甲烷混合器中混合后通入甲烷干重整反应器，合成气净化单元的净化二氧化碳与费托制烯烃单元生成的二氧化碳在二氧化碳混合器中混合，将80％体积混合后的二氧化碳通入甲烷干重整反应器，另外20％通过二氧化碳排空口排空；甲烷和二氧化碳在甲烷干重整反应器中反应得到甲烷干重整合成气，甲烷干重整反应器中的反应操作温度为750℃，压力1.0MPa，甲烷干重整合成气通过管道进入合成气混合器；净化合成气、甲烷干重整合成气和未反应合成气在合成气混合器中混合得到氢碳比为1:1的混合合成气，将混合合成气通入费托合成反应器在温度为350℃和压力为2.5MPa的条件下进行费托合成反应，反应后的产物经过降温并经气液分离塔和汽油分离塔分离得到脱除油品后的产品气和油品，产品气被冷却到-21℃后进入二氧化碳脱除塔和解析塔，通过解析塔塔釜中-50℃的低温甲醇吸收脱除二氧化碳后进入干燥塔，在干燥塔中脱除水分得到干燥的产品气，所述干燥的产品气被第一压缩机压缩冷却到12℃和2.1Mpa，进入脱丁烷塔分离得到塔顶脱丁烷产品气和塔釜的碳四混合物，所述脱丁烷产品气被第二压缩机压缩冷却到3Mpa和-100℃后进入脱甲烷塔，塔顶为甲烷和未反应合成气，塔釜为脱甲烷产品气；甲烷和未反应合成气进入到甲烷分离塔，得到未反应合成气经合成气混合器混合后进入费托合成反应器，脱甲烷产品气进入到脱乙烷塔，塔顶得到脱乙烷产品气进入到乙烯精馏塔得到乙烯和乙烷，塔釜得到丙烷和丙烯混合物进入到丙烯精馏塔得到丙烯和丙烷。

对比例1

本对比例的一种以煤为原料经甲醇制烯烃的系统，如图3所示，包括水煤浆制备单元1、空气分离单元2、煤气化单元3、水煤气变换单元4、合成气净化单元5、甲醇合成单元74和甲醇制烯烃单元75；水煤浆制备单元、空气分离单元、煤气化单元、水煤气变换单元和合成气净化单元的连接关系与实施例1相同，合成气净化单元的净化合成气出口22与甲醇合成单元入口相连，甲醇合成单元出口与甲醇制烯烃单元入口相连。

利用本对比例的以煤为原料经甲醇制烯烃系统制备烯烃的效果实施，具体实施如下：

原料煤经洗选研磨成煤粉后与原料水在水煤浆制备单元中混合制成水煤浆；空气经过空气分离单元后分成净化氮气及净化氧气，其中净化氮气进入合成气净化单元，净化氧气进入煤气化单元；水煤浆直接进入煤气化单元与氧气在温度为1350℃，压力为3.0Mpa条件下高温气化反应制得温度为1350℃的高温煤气化合成气；高温煤气化合成气降温后，进入水煤气变换单元调整氢碳比，得到的变换合成气进入合成气净化单元脱除硫化物得到净化二氧化碳和氢碳比为1:1的净化合成气，所述净化合成气通过管道进入甲醇合成单元合成甲醇，合成的甲醇进入甲醇制烯烃单元进行催化合成得到乙烯和丙烯。

实施例1和对比例1的系统制取单位烯烃的二氧化碳排放、能效及固定资产投资对比见表1。

表1单位烯烃的二氧化碳排放、能效及固定资产对比

	二氧化碳排放	能效	固定资产投资
				实施例1	1.2t/t	49.3％	70％
对比例1	5.8t/t	36.3％	100％

由表1结果可以看出：本实用新型的以煤和天然气为原料经合成气制烯烃的系统与煤经甲醇制烯烃系统相比，二氧化碳排放降低80％左右；能效提高13个百分点；与煤经甲醇制烯烃系统相比，由于减少了甲醇合成装置，单位烯烃固定资产投资减少约30％。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种以煤和天然气为原料经合成气制烯烃的系统，其特征在于：所述系统包括水煤浆制备单元、空气分离单元、煤气化单元、水煤气变换单元、合成气净化单元、费托制烯烃单元和甲烷干重整单元，合成气净化单元和费托制烯烃单元之间设置合成气混合器，甲烷干重整单元前设置甲烷混合器和二氧化碳混合器，水煤浆制备单元设置原料煤入口和原料水入口；空气分离单元设置空气入口、净化氮气出口和净化氧气出口，净化氮气出口连接到合成气净化单元，净化氧气出口连接到煤气化单元；煤气化单元设置水煤浆入口与水煤浆制备单元出口相连；水煤气变换单元设置水蒸气入口及与煤气化单元出口相连的煤气化合成气入口；合成气净化单元设置变换合成气入口、净化二氧化碳出口、硫化物出口和净化合成气出口，变换合成气入口与水煤气变换单元出口相连；费托制烯烃单元设置混合合成气入口、未反应合成气出口、费托合成甲烷出口和费托合成二氧化碳出口；甲烷干重整单元设置混合甲烷入口、二氧化碳入口和甲烷干重整合成气出口；合成气混合器入口与净化合成气出口、甲烷干重整合成气出口和未反应合成气出口相连，其出口与混合合成气入口相连；甲烷混合器入口与外加甲烷入口和费托合成甲烷出口相连，其出口与混合甲烷入口相连；二氧化碳混合器入口与净化二氧化碳出口和费托合成二氧化碳出口相连，其出口与二氧化碳入口和二氧化碳排空口相连。

2.根据权利要求1所述的一种以煤和天然气为原料经合成气制烯烃的系统，其特征在于：所述费托制烯烃单元包括第一换热器、费托合成反应器、二氧化碳脱除塔、解析塔、干燥塔、第一压缩机、甲烷分离塔、气液分离塔、汽油分离塔、脱丁烷塔、第二压缩机、脱甲烷塔、脱乙烷塔、乙烯精馏塔和丙烯精馏塔；第一换热器管程入口与合成气混合器出口连接，管程出口与费托合成反应器入口连接，其壳程入口与费托合成反应器出口连接，壳程出口与气液分离塔入口相连；气液分离塔塔顶出口与二氧化碳脱除塔入口相连，塔釜出口与汽油分离塔入口相连，汽油分离塔塔顶设置油品出口，塔釜设置醇类出口；二氧化碳脱除塔塔顶出口与干燥塔入口相连，塔釜出口与解析塔入口相连；解析塔塔顶设置费托合成二氧化碳出口与二氧化碳混合器入口相连，塔釜设置低温甲醇出口；干燥塔塔顶出口与第一压缩机入口相连，塔釜设置废水出口；第一压缩机出口与脱丁烷塔入口相连，脱丁烷塔塔顶出口与第二压缩机入口相连，塔釜设置碳四混合物排放口；第二压缩机出口与脱甲烷塔入口相连，脱甲烷塔塔顶出口与甲烷分离塔入口相连，塔釜出口与脱乙烷塔入口相连；甲烷分离塔塔顶的费托合成甲烷出口与甲烷混合器入口相连，塔釜的未反应合成气出口与合成气混合器入口相连；脱乙烷塔塔顶出口与乙烯精馏塔入口相连，塔釜出口与丙烯精馏塔入口相连；乙烯精馏塔塔顶设置乙烯出口，塔釜设置乙烷出口，丙烯精馏塔塔顶设置丙烯出口，塔釜设置丙烷出口。

3.根据权利要求2所述的一种以煤和天然气为原料经合成气制烯烃的系统，其特征在于：所述甲烷干重整单元包括甲烷干重整反应器，甲烷干重整反应器设置供热夹套，该供热夹套的入口与煤气化单元的出口连接，供热夹套的出口与煤气化合成气入口连接。