一種新型煤制潔凈天然氣系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種新型煤制潔凈天然氣系統(tǒng)，氣化反應(yīng)器連接分流閥；氣化反應(yīng)器還連接還原反應(yīng)器；分流閥接凈化器；分流閥還連接重整反應(yīng)器；重整反應(yīng)器連接再生反應(yīng)器；重整反應(yīng)器還連接氣化反應(yīng)器；再生反應(yīng)器連接重整反應(yīng)器；再生反應(yīng)器還連接二氧化碳捕集裝置；還原反應(yīng)器連接再生反應(yīng)器；還原反應(yīng)器還連接氧化反應(yīng)器；氧化反應(yīng)器連接還原反應(yīng)器。該系統(tǒng)氣化反應(yīng)器內(nèi)煤的轉(zhuǎn)化率達(dá)可到98％以上，最終產(chǎn)出合成燃?xì)庵蠧H4摩爾分?jǐn)?shù)達(dá)到25％以上，系統(tǒng)熱效率可達(dá)到75％以上。
【專利說(shuō)明】一種新型煤制潔凈天然氣系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及煤制天然氣領(lǐng)域。更具體地，涉及一種新型煤制潔凈天然氣系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)我國(guó)天然氣產(chǎn)量、消費(fèi)量迅速增長(zhǎng)。并已顯示出繼續(xù)增長(zhǎng)的巨大潛力。2014年I月15日，中國(guó)石油經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院發(fā)布的《2013年國(guó)內(nèi)外油氣行業(yè)發(fā)展報(bào)告》稱，2013年我國(guó)天然氣進(jìn)口量同比大增25 %，達(dá)到530億立方米，全年天然氣表觀消費(fèi)量達(dá)到1676億立方米，天然氣對(duì)外依存度首次突破30%，達(dá)到31.6%。在“十二五”規(guī)劃中，預(yù)計(jì)到2015年天然氣在一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的比重將提高到7.5%左右，2020年提高到10%。國(guó)際能源署(IEA)在《年度天然氣市場(chǎng)中期展望報(bào)告》中表示，未來(lái)5年中國(guó)天然氣需求將增加近一倍，迎來(lái)天然氣的黃金時(shí)代，從而抵消掉歐洲和其他地區(qū)天然氣需求增長(zhǎng)放緩的影響。報(bào)告稱，到2019年，來(lái)自中國(guó)電力行業(yè)、工業(yè)和運(yùn)輸業(yè)的需求將推動(dòng)中國(guó)天然氣需求擴(kuò)大到3150億立方米，比2013年增長(zhǎng)90%。由于我國(guó)天然氣產(chǎn)量穩(wěn)步增長(zhǎng)，供應(yīng)能力繼續(xù)提高，但我國(guó)天然氣的進(jìn)口量依舊逐年大幅提升，使得我國(guó)天然氣對(duì)外依存度愈來(lái)愈高。天然氣對(duì)外依存過(guò)高，對(duì)我國(guó)能源供給和利用具有一定風(fēng)險(xiǎn)，因而探討修補(bǔ)我國(guó)天然氣需求缺口的措施成為當(dāng)務(wù)之急。
[0003]我國(guó)是一個(gè)“富煤、貧油、少氣”的國(guó)家，結(jié)合我國(guó)這一國(guó)情，大力發(fā)展煤制天然氣技術(shù)能夠優(yōu)化我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)，也有利于煤的潔凈高效利用。煤制甲烷工藝分為間接甲烷化和直接甲烷化。間接甲烷化，也稱兩步法煤甲烷化工藝，第一步是指制煤氣的過(guò)程，第二步是指煤氣化產(chǎn)品一合成氣(經(jīng)凈化和調(diào)整仏/⑶比后的煤氣)制甲烷的過(guò)程。煤間接甲烷化過(guò)程中的主要化學(xué)反應(yīng)如下:
[0004]a)在水蒸氣和氧氣存在下，首先通過(guò)氣化煤來(lái)生產(chǎn)合成氣(H2+C0)
[0005]C+02 — CO2(I)
[0006]2C+02 — 2C0(2)
[0007]C+H20 — C0+H2(3)
[0008]C+2H20 — C02+2H2(4)
[0009]煤水蒸氣氣化反應(yīng)(3)、(4)為吸熱反應(yīng)，加入氧氣的作用是燃燒部分碳提供過(guò)程所需的熱能。
[0010]b)氣體的凈化，主要是除塵、脫除含硫酸氣、含鹵素化合物。
[0011]c)利用水煤氣變換反應(yīng)調(diào)節(jié)H2/C0大約為3:1。
[0012]CCHH2O — C02+H2(5)
[0013]d)甲烷化反應(yīng)
[0014]C0+3H2 — CH4+H20(6)
[0015]C02+4H2 — CH4+2H20(7)
[0016]上述反應(yīng)中，反應(yīng)(3)是煤的氣化反應(yīng)，只有在高溫下才有可能達(dá)到熱力學(xué)平衡。反應(yīng)(5)是放熱反應(yīng)，且平衡常數(shù)隨著溫度的升高而降低，為了得到合適的H2濃度，反應(yīng)溫度通常需控制在450°C以內(nèi)。反應(yīng)(6)和(7)是強(qiáng)放熱反應(yīng)，通常在溫度為400°C左右進(jìn)行。
[0017]煤的直接甲烷化是煤在一定的溫度和壓力下用煤直接制產(chǎn)品富甲烷氣的工藝。煤直接制甲烷沒(méi)有明顯的煤氣化和甲烷化兩個(gè)過(guò)程，是在一個(gè)反應(yīng)器中用煤直接制甲烷的工藝。該工藝除發(fā)生上述化學(xué)反應(yīng)外，還發(fā)生下述反應(yīng)。
[0018]C+2H2 —CH4(8)
[0019]現(xiàn)有諸多系統(tǒng)存在的技術(shù)瓶頸有:1)現(xiàn)有煤制天然氣系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)輔助原料(如氣化劑、水蒸氣、CaCO3)的自給自足，從而使得整個(gè)制氣工藝對(duì)外依賴程度高，不利于靈活緊湊布置；2)現(xiàn)有煤制氣工藝沒(méi)有考慮制氣過(guò)程的碳排放，造成系統(tǒng)CO2的排放量很高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0020]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種新型煤制潔凈天然氣系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)除輸入煤粉，以及補(bǔ)充失活CaO而添加的少量CaCO3外，不需要再大量補(bǔ)給氣化劑、以及CaC03。此外該系統(tǒng)通過(guò)CaO和CaCO3的循環(huán)以及化學(xué)鏈燃燒技術(shù)，使系統(tǒng)整體碳排放降低50%左右。系統(tǒng)氣化反應(yīng)器內(nèi)煤的轉(zhuǎn)化率達(dá)可到98%以上，最終產(chǎn)出合成燃?xì)庵蠧H4摩爾分?jǐn)?shù)達(dá)到25%以上，系統(tǒng)熱效率可達(dá)到75%以上。
[0021]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
[0022]一種新型煤制潔凈天然氣系統(tǒng)，包括氣化反應(yīng)器、凈化器、重整反應(yīng)器、再生反應(yīng)器、還原反應(yīng)器、氧化反應(yīng)器和CO2捕集裝置；
[0023]所述氣化反應(yīng)器的第一出口連接所述分流閥的進(jìn)口 ；
[0024]所述氣化反應(yīng)器的第二出口連接所述還原反應(yīng)器的第二進(jìn)口 ；
[0025]所述分流閥的第一出口連接所述凈化器的進(jìn)口 ；
[0026]所述分流閥的第二出口連接所述重整反應(yīng)器的第二進(jìn)口 ；
[0027]所述重整反應(yīng)器的第一出口連接所述再生反應(yīng)器的第一進(jìn)口 ；
[0028]所述重整反應(yīng)器的第二出口連接所述氣化反應(yīng)器的第二進(jìn)口 ；
[0029]所述再生反應(yīng)器的第一出口連接所述重整反應(yīng)器的第一進(jìn)口 ；
[0030]所述再生反應(yīng)器的第二出口連接所述二氧化碳捕集裝置的進(jìn)口 ；
[0031]所述還原反應(yīng)器的第二出口連接所述再生反應(yīng)器的第二進(jìn)口 ；
[0032]所述還原反應(yīng)器的第一出口連接所述氧化反應(yīng)器的第一進(jìn)口 ；
[0033]所述氧化反應(yīng)器的第一出口連接所述還原反應(yīng)器的第一進(jìn)口 ；
[0034]優(yōu)選地，所述氣化反應(yīng)器的第一出口為甲烷合成氣出口，所述氣化反應(yīng)器的第二出口為未反應(yīng)碳的出口 ；所述氣化反應(yīng)器的進(jìn)口為煤粉進(jìn)口。
[0035]優(yōu)選地，所述分流閥的第一和第二出口為甲烷合成氣的出口 ；所述分流閥的進(jìn)口為甲烷合成氣的進(jìn)口。
[0036]優(yōu)選地，所述重整反應(yīng)器的第一出口為碳酸化合物的出口，所述重整反應(yīng)器的第二出口為氫氣合成氣的出口 ；所述重整反應(yīng)器的第三進(jìn)口為水蒸氣的進(jìn)口。
[0037]優(yōu)選地，所述再生反應(yīng)器的第一出口為二氧化碳受體CaO的出口，所述再生反應(yīng)器的第二出口為高純度二氧化碳的出口。
[0038]優(yōu)選地，所述還原反應(yīng)器的第一出口為經(jīng)過(guò)還原后的載氧體出口，所述還原反應(yīng)器的第二出口為高溫二氧化碳的出口 ；所述經(jīng)過(guò)還原的載氧體選自Cu20。
[0039]優(yōu)選地，所述氧化反應(yīng)器的第一出口為攜帶晶格氧的載氧體出口，所述氧化反應(yīng)器的第二出口為乏空氣出口 ；所述氧化反應(yīng)器的進(jìn)口為空氣進(jìn)口 ；所述攜帶晶格氧的載氧體選自CuO。
[0040]本發(fā)明系統(tǒng)針對(duì)第一個(gè)瓶頸，采用煤粉加氫氣化直接制甲烷并耦合甲烷重整制氫氣循環(huán)，重整爐0)2被0&0捕集以及煅燒爐內(nèi)CaO再生循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)除輸入煤粉，以及補(bǔ)充失活CaO而添加的少量CaCO3外，不需要再大量補(bǔ)給氣化劑、以及CaC03。原理是在氣化爐內(nèi)，理論上CO和兩摩爾H2反應(yīng)可以生成一摩爾CH4,在重整爐內(nèi)一摩爾CH4和兩摩爾H2O反應(yīng)，可以生成四摩爾H2和一摩爾C02。這樣，可以將重整爐內(nèi)生成的兩摩爾H2返回氣化爐作為氣化劑，對(duì)于該系統(tǒng)而言，可以拿出氣化爐內(nèi)生成的CH4的一半出來(lái)經(jīng)過(guò)重整爐制備氣化劑。針對(duì)第二個(gè)瓶頸，系統(tǒng)通過(guò)CaO和CaCO3的循環(huán)以及化學(xué)鏈燃燒技術(shù)，使系統(tǒng)整體碳排放降低50%左右。原理是重整爐內(nèi)生成的CO2用CaO進(jìn)行捕集，生成CaC03。CaCO3再在煅燒爐內(nèi)煅燒，分解成CaO和高純度C02。煅燒爐的熱源來(lái)自未反應(yīng)碳和銅基載氧體化學(xué)鏈燃燒后生成的高純度CO2，經(jīng)過(guò)直接接觸傳熱的方式，降燃燒的熱量傳給煅燒爐。此外，該系統(tǒng)氣化反應(yīng)器內(nèi)煤的轉(zhuǎn)化率達(dá)可到98%以上，最終產(chǎn)出合成燃?xì)庵蠧H4摩爾分?jǐn)?shù)達(dá)到25%以上，系統(tǒng)熱效率可達(dá)到75%以上。
[0041]本發(fā)明在傳統(tǒng)的煤間接氣化和直接氣化制甲烷的工藝基礎(chǔ)上，提出了一種新型的煤炭化學(xué)鏈氣化制潔凈燃?xì)?主要成分為CH4和H2)的工藝。煤粉和富氫合成氣在氣化爐內(nèi)發(fā)生加氫氣化反應(yīng)，生成以甲烷為主的合成氣。這部分合成氣一部分經(jīng)過(guò)凈化裝置脫除氣體中的硫化合物和氯化合物等污染物后作為潔凈合成氣儲(chǔ)存利用，另一部分進(jìn)入重整爐內(nèi)，在CO2受體的存在與水蒸氣發(fā)生重整反應(yīng)，生成以H2為主的合成氣，這部分富氫合成氣通過(guò)分流閥進(jìn)入氣化爐內(nèi)作為氣化劑。CO2受體在重整爐內(nèi)吸收CO2后生成相應(yīng)的碳酸化合物，這部分碳酸化合物經(jīng)分離后進(jìn)入再生爐中進(jìn)行受體再生反應(yīng)，并釋放出純度很高的CO2，這部分CO2隨后進(jìn)入捕集裝置進(jìn)行捕集。氣化爐中未反應(yīng)的碳經(jīng)過(guò)分離后進(jìn)入還原爐與載氧體發(fā)生反應(yīng)，生成高溫高純度的CO2作為再生爐內(nèi)的熱源。經(jīng)過(guò)還原后的載氧體循環(huán)進(jìn)入氧化爐中被空氣氧化。該工藝的整體流程如圖1所示。
[0042]本發(fā)明的有益效果如下:
[0043]I)本發(fā)明以煤直接甲烷化工藝為基礎(chǔ)。而煤的加氫氣化工藝本身具有諸多有點(diǎn)，例如煤加氫氣化是放熱反應(yīng)，因而不需要額外的氧氣進(jìn)行燃燒放熱；煤加氫氣化的直接產(chǎn)物為CH4,因而不需要額外的CH4生成爐；煤加氫氣化的熱效率很高，接近80% ;煤加氫氣化反應(yīng)不需要催化劑。2)本發(fā)明采用煤直接制甲烷的同時(shí)，在氣化反應(yīng)器中引入了適量的水蒸氣，引入水蒸氣能在不破壞煤加氫氣化最終產(chǎn)物組成的基礎(chǔ)上極大的促進(jìn)煤的加氫氣化反應(yīng)進(jìn)程，這將有利于提高氣化反應(yīng)器中焦炭的轉(zhuǎn)化率。3)本發(fā)明采用化學(xué)鏈制甲烷工藝，系統(tǒng)內(nèi)的絕大部分原料可以實(shí)現(xiàn)自給自足，例如加氫反應(yīng)器中的氣化劑(主要是氫氣和水蒸氣)可以來(lái)自甲烷重整反應(yīng)器，而重整反應(yīng)器中的水蒸氣則可以來(lái)自甲烷燃燒后生成的凝結(jié)水，重整反應(yīng)器內(nèi)CO2受體可以在系統(tǒng)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)再生，氧化還原反應(yīng)器中的氧載體也可以實(shí)現(xiàn)再生。4)系統(tǒng)在重整反應(yīng)器內(nèi)會(huì)實(shí)現(xiàn)將近一半CO2的吸收捕集，使得整個(gè)甲烷制備過(guò)程的碳排放大大降低。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0044]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。
[0045]圖1示出本發(fā)明的工藝流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0046]為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明，下面結(jié)合優(yōu)選實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明。附圖中相似的部件以相同的附圖標(biāo)記進(jìn)行表示。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，下面所具體描述的內(nèi)容是說(shuō)明性的而非限制性的，不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0047]一種新型煤制潔凈天然氣系統(tǒng)，如圖1所示。
[0048]煤粉與富含氫氣的合成氣在氣化反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生加氫氣化反應(yīng)，反應(yīng)壓力控制在6MPa左右，反應(yīng)最終產(chǎn)物溫度控制在1000°C左右，氣化爐內(nèi)的氫煤質(zhì)量比控制在0.35左右。氣化反應(yīng)器生成的以甲烷為主的合成氣經(jīng)過(guò)分流閥分流后，一部分進(jìn)入到凈化器中進(jìn)行凈化，脫除氣體中的飛灰、硫化合物和氯化合物等污染物，作為系統(tǒng)的最終產(chǎn)物進(jìn)行存儲(chǔ)。另一部分合成氣經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)壓縮后進(jìn)入到重整反應(yīng)器內(nèi)，重整反應(yīng)器的溫度控制在750°C左右，壓力略高于氣化反應(yīng)器的壓力，重整反應(yīng)器內(nèi)的水和碳元素質(zhì)量比控制在2左右。在進(jìn)行甲烷重整的同時(shí)，重整反應(yīng)產(chǎn)生的CO2采用CaO進(jìn)行捕集，生成的CaCO3循環(huán)進(jìn)入到再生反應(yīng)器內(nèi)實(shí)現(xiàn)CaO的再生，再生反應(yīng)器的壓力為常壓，溫度控制在970°C。再生反應(yīng)器中產(chǎn)生的高純度CO2隨后進(jìn)入相應(yīng)的捕集設(shè)備進(jìn)行捕集。再生反應(yīng)器需要的熱量來(lái)自氣化反應(yīng)器內(nèi)未反應(yīng)碳的化學(xué)鏈燃燒，可以采用化學(xué)鏈非耦合氧燃燒技術(shù)在還原反應(yīng)器中進(jìn)行燃燒，載氧體采用銅基載氧體，銅氧化物形態(tài)在CuO和Cu2O之間循環(huán)，燃燒生成的高純度CO2溫度控制在1100°C以上。在氧化反應(yīng)器中，Cu2O再次被氧化為CuO，同時(shí)生成純度較高的N2，氧化反應(yīng)器的溫度控制在900°C。在氧化和還原反應(yīng)器中，反應(yīng)物的物流均按照理論當(dāng)量比進(jìn)行控制。
[0049]顯然，本發(fā)明的上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說(shuō)明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式的限定，對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在上述說(shuō)明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)，這里無(wú)法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉，凡是屬于本發(fā)明的技術(shù)方案所引伸出的顯而易見的變化或變動(dòng)仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之列。
【權(quán)利要求】
1.一種新型煤制潔凈天然氣系統(tǒng)，包括氣化反應(yīng)器、凈化器、重整反應(yīng)器、再生反應(yīng)器、還原反應(yīng)器、氧化反應(yīng)器和CO2捕集裝置，其特征在于: 所述氣化反應(yīng)器的第一出口連接所述分流閥的進(jìn)口； 所述氣化反應(yīng)器的第二出口連接所述還原反應(yīng)器的第二進(jìn)口； 所述分流閥的第一出口連接所述凈化器的進(jìn)口； 所述分流閥的第二出口連接所述重整反應(yīng)器的第二進(jìn)口； 所述重整反應(yīng)器的第一出口連接所述再生反應(yīng)器的第一進(jìn)口； 所述重整反應(yīng)器的第二出口連接所述氣化反應(yīng)器的第二進(jìn)口； 所述再生反應(yīng)器的第一出口連接所述重整反應(yīng)器的第一進(jìn)口； 所述再生反應(yīng)器的第二出口連接所述二氧化碳捕集裝置的進(jìn)口； 所述還原反應(yīng)器的第一出口連接所述氧化反應(yīng)器的第一進(jìn)口； 所述還原反應(yīng)器的第二出口連接所述再生反應(yīng)器的第二進(jìn)口； 所述氧化反應(yīng)器的第一出口連接所述還原反應(yīng)器的第一進(jìn)口。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型煤制潔凈天然氣系統(tǒng)，其特征在于:所述氣化反應(yīng)器的第一出口為甲烷合成氣出口，所述氣化反應(yīng)器的第二出口為未反應(yīng)碳的出口 ；所述氣化反應(yīng)器的進(jìn)口為煤粉進(jìn)口。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型煤制潔凈天然氣系統(tǒng)，其特征在于:所述分流閥的第一和第二出口為甲烷合成氣的出口；所述分流閥的進(jìn)口為甲烷合成氣的進(jìn)口。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型煤制潔凈天然氣系統(tǒng)，其特征在于:所述重整反應(yīng)器的第一出口為碳酸化合物的出口，所述重整反應(yīng)器的第二出口為氫氣合成氣的出口 ；所述重整反應(yīng)器的第三進(jìn)口為水蒸氣進(jìn)口。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型煤制潔凈天然氣系統(tǒng)，其特征在于:所述再生反應(yīng)器的第一出口為二氧化碳受體CaO的出口，所述再生反應(yīng)器的第二出口為高純度二氧化碳的出□。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型煤制潔凈天然氣系統(tǒng)，其特征在于:所述還原反應(yīng)器的第一出口為經(jīng)過(guò)還原后的載氧體出口，所述還原反應(yīng)器的第二出口為高溫二氧化碳的出口 ；所述經(jīng)過(guò)還原的載氧體選自Cu20。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型煤制潔凈天然氣系統(tǒng)，其特征在于:所述氧化反應(yīng)器的第一出口為攜帶晶格氧的載氧體出口，所述氧化反應(yīng)器的第二出口為乏空氣出口；所述氧化反應(yīng)器的進(jìn)口為空氣進(jìn)口 ；所述攜帶晶格氧的載氧體選自CuO。
【文檔編號(hào)】C10L3/08GK104449922SQ201410680562
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年11月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月24日
【發(fā)明者】何伯述, 嚴(yán)林博, 何頔, 王超俊, 段志鵬, 曹旸, 裴曉輝, 宋涇舸, 李學(xué)政 申請(qǐng)人:北京交通大學(xué)