CN104152200A - 一种节水型压缩天然气生产系统和生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种节水型压缩天然气生产系统，其包括：含碳物质气化单元1，其出口与净化单元2连通，净化单元2的出口管路分为两个支管，第一支管通往焦炉单元3的燃烧室，第二支管与焦炉单元3的焦炉煤气出口管汇合后通往压缩单元4，压缩单元4下游依次是精脱硫单元5、甲烷化单元6和脱汞-干燥单元7。本发明还公开了使用上述系统实施的一种节水型压缩天然气生产方法。本发明的系统和方法能够有效的利用炼焦过程中产生的含碳物质，并且可以充分利用焦炉煤气中的过剩的氢，并且通过配气能够大幅度的降低生产单位液化天然气的焦炉煤气消耗量，在相同的焦炉煤气消耗量下可增产液化天然气30％以上，且本发明可大大减少水的使用量。
Description
技术领域
本发明属于天然气生产技术领域。
技术背景
液化天然气是重要能源产品，主要成分是甲烷，被公认是地球上最干净的能源。无色、无味、无毒且无腐蚀性，其体积约为同量气态天然气体积的1/625，液化天然气的重量仅为同体积水的45％左右。其制造过程是先将气田生产的天然气净化处理，经一连串超低温液化后，利用液化天然气船运送。液化天然气燃烧后对空气污染非常小，而且放出的热量大，所以液化天然气是一种比较先进的能源。
另一方面，我国中东部地区也面临着较为严重的氮氧化物、硫氧化物、雾霾等空气污染问题，有必要对于液化天然气的使用进行推广。但是由于我国“多煤、少油、缺气”的能源背景导致我国中东部地区的液化天然气的的供应日趋紧张。
焦炭是通过在焦炉中对煤炭进行干馏后得到的固体产品，干馏过程中还副产焦炉煤气，焦炉煤气中，H2占56％％以上，CH4占25％-30％以上，其余是CO和CO2以及其它气体。据了解，我国2012年焦炭总产量达4.43亿吨，占全球总产量60％以上，焦炉煤气产量达到1905亿方。部分中大型焦化企业为了有效利用焦炉煤气实现价值的最大化，投资了深加工项目，主要是尿素和甲醇。然而，对于绝大多数焦化厂，约50％以上的焦炉煤气仅仅作为燃料气循环回焦化室进行燃烧。部分焦化厂副产的焦炉煤气作为城市管道燃气外供。将焦炉煤气作为燃料的弊病是利用了其热值，而碳氢元素价值没有充分实现(例如25％-30％的甲烷和56％以上的H2)。此外，由于焦炉煤气中含大量H2，其难以被液化，这使得焦炉煤气不如液化天然气那样可以罐装使用或脱离管道而远洋运输，而只适合以管道输送的方式就近使用。
为了更有效利用焦炉煤气，本发明根据炼焦企业的生产特点，提出一种含碳物质气化单元与现有的焦化厂中的焦炉装置耦合来生产压缩天然气的方法。
发明内容
第一方面，本发明提供一种节水型压缩天然气生产系统，其包括：含碳物质气化单元1，其出口与净化单元2连通，净化单元2的出口管路分为两个支管，第一支管通往焦炉单元3的燃烧室，第二支管与焦炉单元3的焦炉煤气出口管汇合后通往压缩单元4，压缩单元4下游依次是精脱硫单元5、甲烷化单元6和脱汞-干燥单元7；其中所述含碳物质气化单元1以纯氧气为气化剂。
第二方面，本发明提供了一种节水型压缩天然气生产系统，其包括：第一含碳物质气化单元1-1和第二含碳物质气化单元1-2，其中第一含碳物质气化单元1-1以含氧气体为气化剂且其出口与第一净化单元2-1连通，第一净化单元2-1的出口通往焦炉单元3的燃烧室；其中第二含碳物质气化单元1-2以纯氧气为气化剂且其出口与第二净化单元2-2连通，第二净化单元2-2的出口管与焦炉单元3的焦炉煤气出口管汇合后通往压缩单元4，压缩单元4下游依次是精脱硫单元5、甲烷化单元6和脱汞-干燥单元7。
在第一方面和第二方面各自的优选方案中，在所述脱汞-干燥单元7下游还包括液化单元8。
在第一方面和第二方面各自的优选方案中，其中所述含碳物质气化单元1选自气流床气化炉、流化床气化炉或固定床气化炉中的一种或多种的组合。
本发明全文中，所述含碳物质选自焦粉、焦粒、煤炭、生物质或石油焦，所述含氧气体中的氧气的体积百分比为10％-100％。
第三方面，本发明提供了一种节水型压缩天然气生产方法，其包括以下步骤：
a.将含碳物质和纯氧气通入气化炉1中进行气化，得到粗合成气，其中所述含碳物质选自焦粉、焦粒、煤炭、生物质或石油焦；
b.将所述粗合成气通入净化单元2，以除去固体颗粒和硫，得到净化后的合成气；
c.将所述净化后的合成气分为两股，第一股通入焦炉单元3中用作该焦炉单元3的燃料，而第二股则与从所述焦炉单元3排出的焦炉煤气混合后，形成混合气，该混合气进入压缩单元4进行压缩，得到压缩后的混合气；
d.将所述压缩后的混合气通入精脱硫单元5中进行脱硫；
e.精脱硫后的气体进入甲烷化单元6中进行甲烷化，然后经过脱汞-干燥单元7处理后，得到压缩天然气。
第四方面，本发明涉及一种节水型压缩天然气生产方法，其包括以下步骤：
a.将含碳物质和含氧气体通入第一气化炉1-1中进行气化，得到第一粗合成气，其中所述含碳物质选自焦粉、焦粒、煤炭、生物质或石油焦，所述含氧气体中的氧气的体积百分比为10％-100％；并将所述第一粗合成气通入第一净化单元2-1中以除去固体颗粒和硫，得到净化后的第一合成气；将所述净化后的第一合成气通入焦炉单元3中用作该焦炉单元3的燃料；
b.另行将含碳物质和纯氧气通入第二气化炉1-2中进行气化，得到第二粗合成气；并将所述第二粗合成气通入第二净化单元2-2中以除去固体颗粒和硫，得到净化后的第二合成气，然后与从所述焦炉单元3排出的焦炉煤气混合后，形成混合气，该混合气进入压缩单元4进行压缩，得到压缩后的混合气；
d.将所述压缩后的混合气通入精脱硫单元5中进行脱硫；
e.精脱硫后的气体进入甲烷化单元6中进行甲烷化，然后经过脱汞-干燥单元7处理后，得到压缩天然气。
在第三方面和第四方面各自的优选方案中，还包括步骤f：将所述压缩天然气通入液化单元8进行液化，得到液化天然气。
在第三方面和第四方面各自的优选方案中，所述含碳物质选自焦粉、焦粒、煤炭、生物质或石油焦；所述含氧气体中的氧气的体积百分比为10％-100％。更优选地，所述含碳物质来自焦化过程中副产的焦粉和焦粒等含碳物质，实现了这些废物料的循环利用。
在第三方面和第四方面各自的优选方案中，所述第二股净化后的合成气与焦炉煤气进行配气时，第二股净化后的合成气和焦炉煤气的体积比为0.1-1
在第三方面和第四方面各自的优选方案中，所述第一股净化后的合成气与第二股净化后的合成气的体积比为50：50至95:5。
本发明中，首先将含碳物质于含氧气体在气化单元中气化，产生粗合成气(即除了氢气和一氧化碳外还有其它气体和固体颗粒等)。其中含碳物质与含氧气体的主反应如下：
2C+O2＝2CO
本发明的气化单元中，可以不使用水蒸汽作为气化剂，而是使用更廉价的空气、富氧空气或纯氧作为气化剂。当以纯氧气为气化剂时，产生的粗合成气不含氮气；当以含氧气体例如氧气与氮气的混合物为气化剂时，则产生的粗合成气还含有氮气。
此外，对于某些含碳物质例如煤、石油焦和生物质来说，其中也多少含有氢元素，这些氢元素会与含氧气体反应生成水，进而水会在气化单元中与碳反应生成一些氢气，如下面的反应式所示：
C+H2O＝CO+H2
因此，本发明的含碳物质气化单元中生成的粗合成气，无论是以纯氧气还是以含氧气体为气化剂，都还还含有少量H2。由于H2含量很低，该粗合成气难以直接被转化为甲烷，故在一般的煤气化装置中，一般还需要使该粗合成气通过一氧化碳变换工段，在那里通过通入水蒸汽来将一部分CO转化H2，如下面的反应所示：
CO+H2O＝CO2+H2
因此，传统的煤气化制甲烷的装置因该一氧化碳变换工段的存在而需要消耗大量的水蒸汽，这不仅导致能耗增加，而且会导致对当地水资源的大量使用，尤其是在煤气化制甲烷的装置位于西北缺水地带时，这种对水资源的消耗进一步加剧了当地缺水局面，且在当地缺水时，会影响煤气化制甲烷装置的稳定运行。此外，由上式可知，该一氧化碳变换过程还会向合成气中引入大量的CO2，在合成气进入甲烷化单元之前，这些CO2必须被除去，这额外增加了设备投资和能耗。
前述粗合成气经过净化单元脱除固体颗粒并脱硫，该净化单元和净化技术是本领域已知的技术，不再赘述。在以纯氧气为含碳物质气化剂的本发明的第一方面的生产系统和第三方面的生产方法中，将净化后的合成气分为两股，其中第一股的体积占该净化后的合成气体积的75-85％，第二股的体积占该净化后的合成气体积的15-25％。将该第一股用于代替原本被返回到焦炉单元作为燃料的那部分焦炉煤气，作为焦炉单元的燃料。该第一股与第二股的分配比例也可以按照与原本被返回作为燃料的那部分焦炉煤气等热值的原则来加以选择。由此，不再将焦炉单元排出的焦炉煤气的一部分返回焦炉的燃烧室作为燃料，而是可以将全部焦炉煤气用于后续转化。全部焦炉煤气与第二股净化后的合成气混合，得到混合气体。一般情况下，第二股净化后的合成气和焦炉煤气的体积比为0.1-1，当然，具体的混合比例可根据后续甲烷化单元6的工艺要求而调整。
在本发明的第二方面的生产系统和第四方面的生产方法中，第一气化单元1-1以含氧气体为气化剂，其产生的第一粗合成气含有氮气，故不适宜与焦炉煤气直接混合，而是适合于通往焦炉单元3的燃烧室，置换出原本通入该燃烧室作为燃料的焦炉煤气。第二气化单元1-2则以纯氧气为气化剂，其产生的第二粗合成气不含氮气，基本上以CO为主，经过第二净化单元2-2以除去固体颗粒和硫，得到净化后的第二合成气，然后与从所述焦炉单元3排出的焦炉煤气混合后，形成混合气。
无论以上哪种情况，然后都将该混合气体通入常规的气体压缩单元进行压缩，并压缩后的混合气送入精脱硫单元5中进行进一步脱硫，因为硫会对后续的甲烷化单元中的催化剂有毒性，故该精脱硫单元要尽可能将硫脱除完全。脱硫单元和脱硫技术也是技术人员公知的，不再赘述。
然后将精脱硫后的气体进入甲烷化单元6中进行甲烷化。甲烷化过程是在催化剂的作用下将混合气中的CO和H2转化为CH4的过程，反应式如下：
CO+3H2＝CH4+H2O
经过该甲烷化反应后，混合气体中的CH4含量大大增加。然后再使甲烷化反应后的混合气体经过脱汞-干燥单元7处理后，脱除汞和水份，得到基本上以CH4为主要组分的压缩天然气，其中CH4的体积含量能占到95％以上。
可根据情况进一步使该压缩天然气经过液化单元进行液化，以得到液化天然气。液化单元和液化技术是本领域公知的，不再赘述。
本发明的方法具有以下优点：
1)用低价值的以CO为主的合成气来代替高价值的富含H2和CH4的焦炉煤气作为焦炉燃料，使得焦炉煤气能够得到更有价值的利用。例如，一般焦化厂中会有50体积％以上的焦炉煤气被返回到焦炉中作为燃料而烧掉，未得到更有价值的利用。而使用本发明后，将原本被作为燃料的焦炉煤气解放出来，使其能够用于制备压缩天然气，或者，能够用于甲醇生产装置等，或者，一部分用于制备压缩天然气，另一部分用于供给至甲醇生产装置。这首先解决了已经配备甲醇生产装置的现有焦化厂中无法供应更多焦炉煤气的问题。
2)采用焦炉煤气和合成气配气，气体的组成更适用于后续的甲烷化反应，使利用焦炉煤气生产液化天然气的产量增加30％以上，降低了生产单位压缩天然气的焦炉煤气消耗量，具有原料自给、投资少、能耗低，以及对压缩天然气产率高的优点。
3)省去了传统的由煤制天然气过程中的一氧化碳变换工段，进而大大减轻了要从混合气中除去的CO2的量，使工艺简化、设备投资减少，并且具有原料自给、系统生产强度高、操作弹性大、过程连续以及适于大型化操作等优点。
4)由于省去了CO变换阶段，且在含碳物质气化过程中也可以不使用水蒸汽或仅使用最少量的水蒸汽(例如气流床气化炉、流化床气化炉或固定床气化炉均可以直接用固体煤与含氧气体直接反应，仅需要极少量的水作为辅助系统用水)，且煤干馏制焦炭过程中也不需要使用水，故本发明的整个生产系统的耗水量极低，甚至可以做到零耗水。这是以往任何煤气化制甲烷系统和工艺所不能做到的。因此，本发明的系统和方法尤其适合于西部缺水地区使用。
附图说明
图1是本发明的第一方面压缩天然气生产系统的工艺流程图。
图2是本发明的第二方面的压缩天然气生产系统的工艺流程图。
图中：1.气化单元，2.净化单元，3.焦炉单元，4.压缩单元，5.精脱硫单元，6.甲烷化单元，7.脱汞、干燥单元，8.液化单元，1-1.第一气化单元，1-2.第二气化单元，2-1.第一净化单元，2-2.第二净化单元。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的压缩天然气生产系统和方法的具体实施方案做进一步的说明。
实施例1
煤、空气进入第一固定床气化炉中气化生产出第一粗合成气，生成的第一粗合成气进入净化单元脱除合成气中的固体颗粒和硫，然后全部被送到焦炉单元作为燃料使用，用于置换焦炉煤气。另行将煤和纯氧气进入第二固定床气化炉中气化生产出第二粗合成气，该第二粗合成气经过第二净化单元净化后，与置换出的焦炉煤气混合后进入压缩单元进一步压缩。压缩后的混合气进入精脱硫单元进行脱硫。精脱硫后的气体进入甲烷化单元进行甲烷化生成甲烷，生成的甲烷经过脱汞、干燥单元进一步净化得到产品压缩天然气。
实施例2
焦粉、氧气进入流化床气化炉气化生产出粗合成气，生成的粗合成气进入净化单元脱除合成气中的固体颗粒和硫，净化后的合成气的85体积％通往焦炉单元作为燃料使用，用于置换焦炉煤气，其余15体积％与置换出的焦炉煤气混合后进入压缩单元进一步压缩。压缩后的混合气进入精脱硫单元进行脱硫。精脱硫后的气体进入甲烷化单元进行甲烷化生成甲烷，生成的甲烷经过脱汞、干燥单元进一步净化得到产品压缩天然气，压缩天然气经过进一步液化生产液化天然气。
实施例3
石油焦与含氧量为80体积％的气体(其余为氮气)进入第一气流床气化炉气化生产出第一粗合成气，生成的第一粗合成气进入第一净化单元脱除合成气中的固体颗粒和硫，然后全部通往焦炉单元作为燃料使用，用于置换焦炉煤气。另行将石油焦和纯氧气进入第二固定床气化炉中气化生产出第二粗合成气，该第二粗合成气经过第二净化单元净化后，与置换出的焦炉煤气混合后进入压缩单元进一步压缩。压缩后的混合气进入精脱硫单元进行脱硫。精脱硫后的气体进入甲烷化单元进行甲烷化生成甲烷，生成的甲烷经过脱汞、干燥单元进一步净化，再进行液化得到产品液化天然气。
实施例4
生物质与含氧量为10％的气体(其余为氮气)进入第一流化床气化炉气化生产出第一粗合成气，生成的第一粗合成气进入第一净化单元脱除其中的固体颗粒和硫，然后全部通往焦炉单元作为燃料使用，用于置换焦炉煤气。另行将生物质和纯氧气进入第二固定床气化炉中气化生产出第二粗合成气，该第二粗合成气经过第二净化单元净化后，与置换出的焦炉煤气混合后进入压缩单元进一步压缩。压缩后的混合气进入精脱硫单元进行脱硫。精脱硫后的气体进入甲烷化单元进行甲烷化生成甲烷，生成的甲烷经过脱汞、干燥单元进一步净化，进行液化得到产品液化天然气。
Claims (9)
1.一种节水型压缩天然气生产系统，其包括：含碳物质气化单元(1)，其出口与净化单元(2)连通，净化单元(2)的出口管路分为两个支管，第一支管通往焦炉单元(3)的燃烧室，第二支管与焦炉单元(3)的焦炉煤气出口管汇合后通往压缩单元(4)，压缩单元(4)下游依次是精脱硫单元(5)、甲烷化单元(6)和脱汞-干燥单元(7)；其中所述含碳物质气化单元(1)以纯氧气为气化剂。
2.一种节水型压缩天然气生产系统，其包括：第一含碳物质气化单元(1-1)和第二含碳物质气化单元(1-2)，其中第一含碳物质气化单元(1-1)以含氧气体为气化剂且其出口与第一净化单元(2-1)连通，第一净化单元(2-1)的出口通往焦炉单元(3)的燃烧室；其中第二含碳物质气化单元(1-2)以纯氧气为气化剂且其出口与第二净化单元(2-2)连通，第二净化单元(2-2)的出口管与焦炉单元(3)的焦炉煤气出口管汇合后通往压缩单元(4)，压缩单元(4)下游依次是精脱硫单元(5)、甲烷化单元(6)和脱汞-干燥单元(7)。
3.根据权利要求1或2的节水型压缩天然气生产系统，其中在所述脱汞-干燥单元(7)下游还包括液化单元(8)。
4.根据权利要求1或2的节水型压缩天然气生产系统，其中所述含碳物质气化单元(1)或第一含碳物质气化单元(1-1)或第二含碳物质气化单元(1-2)各自独立地选自气流床气化炉、流化床气化炉或固定床气化炉中的一种或多种的组合。
5.一种节水型压缩天然气生产方法，其包括以下步骤：
a.将含碳物质和纯氧气通入气化炉(1)中进行气化，得到粗合成气，其中所述含碳物质选自焦粉、焦粒、煤炭、生物质或石油焦；
b.将所述粗合成气通入净化单元(2)，以除去固体颗粒和硫，得到净化后的合成气；
c.将所述净化后的合成气分为两股，第一股通入焦炉单元(3)中用作该焦炉单元(3)的燃料，而第二股则与从所述焦炉单元(3)排出的焦炉煤气混合后，形成混合气，该混合气进入压缩单元(4)进行压缩，得到压缩后的混合气；
d.将所述压缩后的混合气通入精脱硫单元(5)中进行脱硫；
e.精脱硫后的气体进入甲烷化单元(6)中进行甲烷化，然后经过脱汞-干燥单元(7)处理后，得到压缩天然气。
6.一种节水型压缩天然气生产方法，其包括以下步骤：
a.将含碳物质和含氧气体通入第一气化炉(1-1)中进行气化，得到第一粗合成气，其中所述含碳物质选自焦粉、焦粒、煤炭、生物质或石油焦，所述含氧气体中的氧气的体积百分比为10％-100％；并将所述第一粗合成气通入第一净化单元(2-1)中以除去固体颗粒和硫，得到净化后的第一合成气；将所述净化后的第一合成气通入焦炉单元(3)中用作该焦炉单元(3)的燃料；
b.另行将含碳物质和纯氧气通入第二气化炉(1-2)中进行气化，得到第二粗合成气；并将所述第二粗合成气通入第二净化单元(2-2)中以除去固体颗粒和硫，得到净化后的第二合成气，然后与从所述焦炉单元(3)排出的焦炉煤气混合后，形成混合气，该混合气进入压缩单元(4)进行压缩，得到压缩后的混合气；
d.将所述压缩后的混合气通入精脱硫单元(5)中进行脱硫；
e.精脱硫后的气体进入甲烷化单元(6)中进行甲烷化，然后经过脱汞-干燥单元(7)处理后，得到压缩天然气。
7.根据权利要求5或6的节水型压缩天然气生产方法，其还包括步骤f：将所述压缩天然气通入液化单元(8)进行液化，得到液化天然气。
8.根据权利要求5或6的节水型压缩天然气生产方法，其中所述净化后的合成气与焦炉煤气进行配气时，净化后的合成气和焦炉煤气的体积比为0.1-1。
9.根据权利要求5的节水型压缩天然气生产方法，其中所述第一股净化后的合成气与第二股净化后的合成气的体积比为50：50至95:5。
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