一种中低温热解煤气补氢制备液化天然气的系统

本发明属于中低温热解煤气转化利用领域，具体涉及一种中低温热解煤气补氢制备液化天然气的系统。

背景技术：

1、我国“富煤、缺油、少气”的能源结构决定了煤炭在我国能源利用中的重要地位，它在我国能源安全领域发挥着“压舱石”或“稳定器”的重要作用。我国煤炭资源中低阶煤的储量约占一半，而低阶煤的中低温热解是实现煤炭分级分质转化、清洁高效利用的潜在途径。它不仅有助于从煤中提取出油气资源，降低我国的“油气”对外依存度；又能获得高碳含量、高热值(相对于原煤)的半焦产品。

2、中低温热解煤气是煤炭在中低温度(通常为500～700℃)下受热分解(或干馏)的一种重要产物(产率达到干料煤质量的5％～15％)，经去油、脱硫等净化工艺后，主要成分为ch4(约占中低热解煤气体积比的23％～37％)、co2(约占5％～34％)、h2(约占12％～29％)、co(约占10％～18％)，还有少量c2-c4等碳氢化合物(煤化工,2012,158:1-5；煤炭转化,2020,43:12-19；洁净煤技术,2021,27:157-163)。部分煤热解工艺因选用燃烧烟气作为热载体，还会在中低温热解煤气中引入n2等杂质气体，进一步降低了热解煤气的品质、增加了分离难度。目前已商业化运行的直立炉煤热解工艺，因单炉规模较小且建设分散，产出的热解煤气难以集中利用，多数以燃烧供热或“点天灯”方式粗放处理，造成了资源浪费、环境污染等问题。

3、国内外关于中低温热解煤气补氢制备天然气的研究较少，而焦炉煤气制备天然气或lng的技术设计或应用报道较多。但是焦炉煤气与中低温热解煤气成分含量差异显著。焦炉煤气的主要成分为：h2(约占55％～63％)、ch4(约占22％～27％)、co(约占5％～8％)、co2(约占1.5％～3％)、n2(约占3％～5％)、o2(约占0.3％～0.5％)、其他碳氢化合物cmhn(约占2％～3％)(天然气工业,2020,40:112-117；化学工程,2021,49:73-78.)。根据市场调研的情况，可获悉：国内已投产的部分焦炉煤气制天然气项目在工艺流程、催化剂以及设备可靠性等方面常出现催化剂失活、反应塔发生爆炸以及压缩机发生故障等问题(天然气工业,2020,40:112-117；化学工程,2021,49:73-78.)。

4、因此，在中低温热解煤气制备天然气工艺设计过程中，尽管可参考与借鉴现有的焦炉煤气制备天然气或液化天然气(lng)的技术设计或应用工艺，但是考虑到两种原料组成的显著差异性，还需要注意将生产工艺与装置设备的设计、制造、建设和使用有机结合，进而有效地避免或解决生产过程中可能出现的各种问题。同时，中低温热解煤气制备天然气是一项系统工程，需在项目实际运行过程中兼顾各个工段工艺参数的调控，才能有效促进各工段的无缝顺畅对接及整个系统的安全、稳定运行。

技术实现思路

1、为了填补现阶段中低温热解煤气补氢制备液化天然气的技术空白，本发明提供了一种中低温热解煤气补氢制备液化天然气的系统。

2、为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

3、一种中低温热解煤气补氢制备液化天然气的系统，包括电解水制氢装置、甲烷合成装置、煤热解炉、煤气重整装置、变压吸附提氢装置和深冷液化装置；

4、其中，电解水制氢装置与甲烷合成装置的入口相连；

5、煤热解炉的热解煤气出口和半焦出口与煤气重整装置入口相连，煤气重整装置出口与甲烷合成装置入口相连；

6、甲烷合成装置出口与变压吸附提氢装置入口相连，变压吸附提氢装置与深冷液化装置相连。

7、进一步的，电解水制氢装置连接有发电机组。

8、进一步的，电解水制氢装置上设置有水的加料口和产物氧气输出口。

9、进一步的，电解水制氢装置经氢气储罐与甲烷合成装置相连。

10、进一步的，氢气储罐上设置有循环气压缩装置。

11、进一步的，煤热解炉的热解煤气出口经净化处理装置、煤气储罐与煤气重整装置相连。

12、进一步的，煤热解炉的半焦出口经搅拌混合装置与煤气重整装置相连，煤气重整装置出口还与固体分离处理装置入口相连，固体分离处理装置出口与搅拌混合装置上的催化剂加料口相连。

13、进一步的，搅拌混合装置上还设置有催化剂加料口。

14、进一步的，甲烷合成装置上设置有饱和蒸汽出口。

15、进一步的，变压吸附提氢装置出口还与甲烷合成装置入口相连。

16、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

17、相对于现有的煤气制液化天然气装置(包括传统的焦炉煤气制液化天然气装置等)，本发明通过设置电解水制氢装置，有效耦合了电解水制氢工艺，能够利用风能、太阳能等清洁可再生能源发电高峰期产出的富余电能，实现电解水制氢(绿氢)以及将所产出的氢气转化为天然气，即实现了将风电、光电发电高峰期的富余电能就地转化为化学能(用于中低温热解煤气补氢转化为液化天然气)，更便于能量的存储与运输。

18、本发明通过设置煤热解炉、煤气重整装置和甲烷合成装置，成功实现了中低温煤热解工艺和电解水制氢工艺的协同转化和集成创新，发展与丰富了产品种类及附加值。本发明通过将煤热解炉的半焦出口经搅拌混合装置与煤气重整装置相连，将煤解热半焦混合一定量的催化剂后首先用在煤气重整装置中进行中低温热解煤气的重整，然后再将中低温热解煤气重整反应后的气体在甲烷合成装置中进行甲烷合成反应，其突出优势在于：第一，在催化剂作用下，可利用煤解热半焦与中低温热解煤气中的co2成分进行反应(c半焦+co2＝2co)，进而消耗掉中低温热解煤气中的co2成分、同时实现煤解热半焦转化为多孔碳产品。第二，可省略掉传统的焦炉煤气制备液化天然气工艺中的“脱碳”工序，简化工艺流程、提高经济性。第三，将中低温热解煤气中的co2成分转化为co后再进行甲烷合成反应，有利于节约氢气的用量(根据方程式co+3h2＝ch4+h2o和co2+4h2＝ch4+2h2o可知，同样是生产一单位体积的甲烷(天然气的主要成分)，以co作为原料相对于以co2作为原料可节约25％的氢气消耗量)。本发明为中低温热解煤气的高值化利用提供了潜在途径，本发明提出的系统中的主要设备均可采用已市场化生产的传统设备，在装备与设备方面不存在技术壁垒，便于规模化生产或市场推广。

19、进一步的，本发明不仅能够就地实现中低温热解煤气和氢气转化为液态天然气，而且还能够在煤气重整装置中部分转化煤热解半焦生产出多孔碳(其价值远高于煤热解半焦)，电解水工艺同时还对系统外输出高纯氧气。

技术特征：

1.一种中低温热解煤气补氢制备液化天然气的系统，其特征在于，包括电解水制氢装置(2)、甲烷合成装置(5)、煤热解炉(6)、煤气重整装置(9)、变压吸附提氢装置(12)和深冷液化装置(13)；

2.根据权利要求1所述的中低温热解煤气补氢制备液化天然气的系统，其特征在于，电解水制氢装置(2)连接有发电机组(1)。

3.根据权利要求1所述的中低温热解煤气补氢制备液化天然气的系统，其特征在于，电解水制氢装置(2)上设置有水的加料口和产物氧气输出口。

4.根据权利要求1所述的中低温热解煤气补氢制备液化天然气的系统，其特征在于，电解水制氢装置(2)经氢气储罐(3)与甲烷合成装置(5)相连。

5.根据权利要求1所述的中低温热解煤气补氢制备液化天然气的系统，其特征在于，氢气储罐(3)上设置有循环气压缩装置(4)。

6.根据权利要求1所述的中低温热解煤气补氢制备液化天然气的系统，其特征在于，煤热解炉(6)的热解煤气出口经净化处理装置(7)、煤气储罐(8)与煤气重整装置(9)相连。

7.根据权利要求1所述的中低温热解煤气补氢制备液化天然气的系统，其特征在于，煤热解炉(6)的半焦出口经搅拌混合装置(10)与煤气重整装置(9)相连，煤气重整装置(9)出口还与固体分离处理装置(11)入口相连，固体分离处理装置(11)出口与搅拌混合装置(10)上的催化剂加料口相连。

8.根据权利要求7所述的中低温热解煤气补氢制备液化天然气的系统，其特征在于，搅拌混合装置(10)上还设置有催化剂加料口。

9.根据权利要求1所述的中低温热解煤气补氢制备液化天然气的系统，其特征在于，甲烷合成装置(5)上设置有饱和蒸汽出口。

10.根据权利要求1所述的中低温热解煤气补氢制备液化天然气的系统，其特征在于，变压吸附提氢装置(12)出口还与甲烷合成装置(5)入口相连。

技术总结本发明公开了一种中低温热解煤气补氢制备液化天然气的系统，包括电解水制氢装置、甲烷合成装置、煤热解炉、煤气重整装置、变压吸附提氢装置和深冷液化装置；电解水制氢装置与甲烷合成装置的入口相连；煤热解炉的热解煤气出口和半焦出口与煤气重整装置入口相连，煤气重整装置出口与甲烷合成装置入口相连；甲烷合成装置出口与变压吸附提氢装置入口相连，变压吸附提氢装置与深冷液化装置相连。本发明实现了中低温煤热解工艺和电解水制氢工艺的协同转化和集成创新，发展与丰富了产品种类及附加值；在装备或设备方面不存在技术壁垒，便于工业化或规模化应用。技术研发人员：张建波,王建友,任磊,王兆兆,马晓迅受保护的技术使用者：西北大学技术研发日：技术公布日：2024/2/25