专利名称：生产合成气体的系统和方法
技术领域：
本发明涉及使用含氧物流从碳质物流生产包含CO和H2的合成气 体的系统。
技术背景生产合成气体的系统从实践来说是公知的。通常，使用含氧气体如基本纯氧或(任选富氧)空气等将碳质物流 如煤、褐煤、泥煤、木材、焦炭、煤烟或其它气体、液体或固体燃料 或其混合物在气化反应器中部分燃烧，从而获得a. o.合成气体(C0和 H2)、 C02和任选的熔渣。在部分燃烧期间形成熔渣的情况下，它滴落 下来和通过位于或靠近反应器底部的出口排出。通常将热产物气体即粗合成气体在位于气化反应器下游的骤冷工 段中骤冷。在骤冷工段中将合适的骤冷介质如水、冷气体、循环的合 成气体等引入粗合成气体中以使其冷却。在骤冷之后将粗合成气体进一步处理如从中脱除不希望的组分或 使CO转化为甲醇和各种其它烃。IL可以自身用作产品气体或用于如加 氢裂化过程。W0-A-99/55618描述了通过两个并联操作的过程制备合成气体的 方法。 一个过程是生物质原料的部分氧化(也称为气化)。在并联过程 中天然气用作蒸汽重整过程的原料。使来自两个过程的合成气体混合 物混合。WO-A-02/09025G描述了通过两个并联操作的部分氧化过程制备 合成气体的方法。在一个过程中中固体或液体原料用作原料和在并联 过程中天然气用作原料。使来自两个过程的合成气体混合物混合。如在WO-A-02/090250中对液体和特别地对固体原料如煤操作的 已知气化反应器的问题是它们通常具有相对低的可用性，即在一定操作时间之后必须将反应器停车 一段时间进行检查和视需要修理内构 件。结果是暂时不生产合成气体或合成气生产明显减少，如在WO-A-02/09025C的方法的情况下。在气化反应器使用粒状碳质原料物流如煤和特别地石油焦炭即希 望生产H2作为主要产品的情况下，以上问题甚至更相关。特别地如果 使用石油焦炭作为气化过程的原料而将气化过程在精炼厂环境中应 用，则需要通常每年>98%的高H2可用性和/或高合成气体可用性用于 发电。氢用于各种精炼过程如加氢处理、加氢精制、加氢裂化和催化 脱蜡。不希望在精炼厂的氢或电力供应中出现中断。发明内容本发明的目的是至少最小化以上问题。进一步的目的是提供保证合成气体的高可用性同时使用尽可能少 的组分的系统。甚至进一步的目的是提供生产合成气体的替代系统。 可以根据本发明通过提供用于生产包含CO和H2的合成气体的系统达到一个或多个以上或其它目，所述系统至少包括-第一气化反应器，其具有第一含氧物流的入口、第一粒状或液体碳质物流的入口、和在第一气化反应器下游的用于在第一气化反应器中生产的粗合成气体的出口；-第二气化反应器，其具有第二含氧物流的入口、第二碳质物流的入口和在第二气化反应器下游的用于在第二气化反应器中生产的粗合成气体的出口 ，所述第二碳质物流选自气体和液体物流或其混合物； -含氧物流的源；和-分布器，其用于流体连接所述源到所述第 一气化反应器的第 一含 氧物流的入口和到所述第二气化反应器的第二含氧物流的入口 ；其中布置所述分布器以选择性连接所述源到第 一 或第二气化反应器。根据本发明令人惊奇地发现可以在保证合成气体非常高的可用性 的同时生产合成气体，即使用于粒状碳质物流的气化反应器出现故障也是如此。此外发现以上目的可以使用非常简单的系统达到。本发明的重要优点是与如果使用用于粒状碳质物流的两个气化反 应器相比，用于粒状碳质物流的气化反应器和不同类型气化反应器的组合更具有经济性。第 一 和第二气化反应器可以是用于部分氧化各碳质物流的任何合适反应器。如需要可以使用一个以上第一和第二气化反应器，从而获 得包括两个以上连接到分布器的气化反应器的系统。第一粒状碳质物流通常是高含碳原料如天然煤、生物质或合成焦 炭。合成焦炭也称为石油焦炭。石油焦炭是广泛采用的原油精炼工艺的副产品。石油焦炭也可以作为例如US-A-2002/0170846中所述的沥 青砂提质工艺的副产品获得。在此公开文献中描述了一种方法，其中 通过流化焦化工艺将沥青或沥青砂原料的重油馏分转化成瓦斯油产 品。石油焦炭例如可以通过延迟焦化制备，延迟焦化可能是最广泛使 用的焦化工艺。延迟焦化使用重质渣油作为原料。在延迟焦化期间， 将重质渣油引入炉中，加热到约480。C和泵送入焦化罐。焦化工艺启 动焦炭的形成和使它在罐壁上固化。热分解驱除出低沸点产品，将它 们连续脱除。当此反应完成时，打开罐和取出焦炭。第一粒状碳质物 流可以是干燥或潮湿的。在后者的情况下第一物流的形式为浆料。第 一碳质物流也可以是液体物流。合适的液体物流是从粗矿物油 或幼青砂油获得的减压渣油或使用从粗矿物油或沥青砂油获得的减压 渣油从脱沥青工艺获得的沥青馏分。优选第二碳质物流是以下在第一 碳质物流是这种液体物流的情况下描述的气体物流。第二碳质物流是适于在第二气化反应器中部分氧化的基本为液体 或气体的物流(或其一种或多种的组合)，优选是气体物流。作为液体 物流可以使用如油、冷凝物、减压或常压馏出物或沥青或其它渣油。 作为气体物流例如可以使用天然气、曱烷、乙烷、丙烷、炼油厂气体 等。优选第二碳质物流是气体物流，最优选天然气或天然气和炼油厂 气体的混合物，合适地为包含曱烷和乙烷的炼油厂气体。由于气化反应器和下游的气体处理步骤可以采用更筒单的设计，因此优选是气体 原料。此外氢对一氧化碳摩尔比会更高，因此得到较少的在水煤气变 换反应中产生的二氧化碳副产品。含氧物流源可以是任何合适的源。优选使用基本纯氧或(任选富氧) 空气等。此外，优选单一的源用于连接到第一和第二气化反应器两者。优选地，含氧物流包含>50 vol.% 02，优选>90 vol.% 02，更优选>95 vol.% 02，甚至更优选>99 vol.% 02。优选的氧源在所谓的空气分离 单元中制备。这种空气分离工艺是公知的和也称为低温空气分离工艺。 在这种方法中在低温换热和蒸馏成氧气、氮气和任选地富氩物流之前 将压缩空气冷却和清洁。为输送将这些物流加压通过气体压缩、液体 泵送或随后为压缩的泵送的组合完成。用于空气分离单元的资金投资非常高。因此需要对于相同合成气 体生产要求更低氧容量的方法。在本发明的优选实施方案中，空气分 离单元的最大容量小于第一和第二气化反应器氧要求总和的80%，特 别是如果使用两个第 一 气化反应器和一个第二气化反应器时。更优选 此百分比小于65%，特别地当使用一个第一气化反应器和一个第二气 化反应器时。按定义此百分比的下限是50%。本领域技术人员容易理解分布器可具有不同的实施方案，只要将 其布置以选择性连接氧源到第 一或第二气化反应器。术语'粗合成气体'表示此产品物流可以(和通常会)在如干燥固体 脱除器、湿气体洗涤器、变换器等之中进一步加工。在另一方面本发明提供使用含氧物流从碳质物流生产包含C0和 仏的合成气体的方法，所述方法包括至少如下步骤(a) 将第一粒状或液体碳质物流和第一含氧物流注入第一气化反 应器，所述第一含氧物流源自氧源；(b) 在所述第 一 气化反应器中使所述第 一碳质物流至少部分氧化， 从而获得第一粗合成气体；(c) 从所述第 一气化反应器脱除步骤(b)中获得的所述第 一粗合成气体；(d) 将第二碳质物流和第二含氧物流注入第二气化反应器，其中所 述第二碳质物流选自气体和液体物流或其混合物，和其中所述第二含氧物流源自步骤(a)中使用的氧源；(e) 在第二气化反应器中使所述第二碳质物流至少部分氧化，从而 获得第二粗合成气体；(f) 从所述第二气化反应器脱除步骤(e)中获得的所述第二粗合成 气体。第一和第二气化反应器可同时起作用，但特別优选第一和笫二气 化反应器交替使用。更优选第二气化反应器用作备用反应器，只是当 第 一气化不运行例如由于操作出现故障不运行才使用该备用反应器。 在这种实施方案中可能限制空气分离单元的容量到仅在第一气化中实 施气化所要求的容量。在第一气化出现故障的情况下，第二气化可有 利地继续合成气体的制备，因此利用了那个时间不由所述第一气化反 应器使用的氧制造容量。结果保证了合成气体的可用性，即使第一气 化反应器或第一气化反应器之一出现故障或处于热备用，同时最小化 所要求的氧制造单元(合适地空气分离单元)的容量。根据优选实施方案，所述方法进一步包括如下步骤(g) 将步骤(c)中脱除的第一合成气体或步骤(f)中脱除的第二合 成气体输送到变换器；和(h) 在所述变换器中使在步骤(g)中输送的第 一或第二合成气体中 的至少一部分CO反应以生产0)2和H2。本发明特别涉及一种方法，其中第 一粒状碳质物流是石油焦炭和 其中第二碳质原料是焦化工艺的减压渣油原料或更优选天然气。在其中焦化操作自身不能制备第一气化反应器的石油焦炭原料的状况下，使用焦化工艺的减压渣油原料是有利的。这将使得第 一气化反应器不能操作。焦化工艺的原料然后可合适地用于第二气化反应器。更优选空气分离单元的最大容量小于石油焦炭原料的气化的氧要 求和上述天然气原料的气化的氧要求的总和。本发明甚至更涉及如下用途。备用气化反应器在一个或多个并联操作的气化反应器中从石油焦炭源制备合成气体混合物和/或氢的方 法中的用途，该备用反应器能够通过减压渣油或更优选天然气和每小 时从空气分离单元获得的一定第一体积的氧的部分氧化而制备包含一 氧化碳和氢的备用合成气体混合物。通过如下方式基于石油焦炭发电(aa)使石油焦炭和每小时从空气分离单元获得的一定第二体积的 氧部分氧化以得到合成气体混合物，(bb)使用从步骤(aa)获得的合成气体和/或任选的备用合成以发 电，其中所述空气分离单元的最大容量小于每小时第一和第二氧体积 的总和。在当人们希望例如在燃气涡轮中在发电之前分离二氧化碳时，以 上实施方案是有利的。可以将二氧化碳进行隔离或合适地用于农业用 途或增强油回收。在所述优选实施方案中从石油焦炭通过如下方式制备氢(aal)使石油焦炭和每小时从空气分离单元获得的一定第二体积 的氧部分氧化以得到合成气体混合物，(bbl)将从步骤(aal)获得的合 成气体和/或上述的任选备用合成气体经历水煤气变换步骤，(ccl)将 变换的气体经历气体分离步骤以获得富氢混合物，其中所述空气分离 单元的最大容量小于每小时第一和第二氧体积的总和。气体分离可以 通过纯化氢的任何措施，例如通过膜分离或更优选通过变压吸收(PSA) 过程进行。
现在通过实施例参考非限制性附图更详细地描述本发明，其中 图1示意性给出了实施本发明方法的工艺方案。 出于本描述的目的，单一的参考标记指示管线以及在所述管线中 携带的物流。相同的参考标记表示相似的组件。
具体实施方式
参考图1。图1示意性给出了生产合成气体的系统1。系统1包括第一气化反应器2、第二气化反应器3、氧源4和变换器5。在图l所示的实施方案中，第一气化反应器2是煤气化反应器 和第二气化反应器3是气体气化反应器。在根据图1的系统1中，将含粒状煤的物流10和含氧物流60分 别在入口 6和7进料至煤气化反应器2中。相似地，将含气体的物流30和含氧物流70在入口 9和11进料至 气体气化反应器3中。在图1的实施方案的正常使用期间，仅煤气化反应器2起作用； 气体气化反应器3用作在煤气化反应器2出现故障或在热备用的情况 下生产合成气体的备用单元。如果煤气化反应器2起作用，氧源4将含氧物流50进料至分布器 25,它通过管线50和60选择性连接源4到煤气化反应器2。在此时 没有氧进料至气体气化反应器3。将碳质物流IO在气化反应器2中部分氧化，从而获得粗合成气体 20(通过出口 8除去)和熔渣(通过物流90除去)。出口 8位于第一气化 反应器2的下游。为此一个或多个燃烧器(未显示)在气化反应器2中 存在。通常将煤气化反应器2中生产的合成气体20进料至骤冷工段(未 显示)；在此通常冷却粗合成气体。如图l的实施方案所示，将在出口 8离开反应器2的合成气体20 在变换器5中进一步处理以使至少一部分CO反应以生产C02和H2，从 而获得可以进一步处理或按原样销售的变换的气体物流80。如需要，可以将合成气体物流20在进入变换器5之前，如在干燥 固体脱除单元(未显示)中预先处理以至少部分脱除粗合成气体20中 的干燥灰分。同样，可以将合成气体20进料至湿气体洗涤器(未显示)。如果需要定期检查煤气化反应器2，使气体气化反应器3启动(或 已经处于热备用)。然后关闭煤气化反应器2和分布器25不再(通过物 流6Q)将氧进料至煤气化反应器2，但通过物流50和70连接氧源4 到气体气化反应器3。可以将在出口 12从气体气化反应器3脱除的合 成气体40相似于物流20处理和也进料至变换器5。出口 12位于第二气化反应器3的下游。在气化反应器3中可能形成熔渣的情况下，通 过管线IOO脱除熔渣物流。根据本发明的有利实施方案，将合成气体40进料至与源自煤气化 反应器2的物流20相同的变换器5。在将物流40进料至相同的变换 器之前，优选从合成气体20例如在单独的干燥固体脱除步骤中脱除任 何固体。在将物流40进料至相同的变换器之前，优选将合成气体经历 单独的湿气体洗涤器。单独在此表示当使用备用第二气化反应器3时， 合成气体40不通过干燥固体脱除步骤和/或湿气体洗涤器。 一旦煤气 化反应器2再次准备投入使用，再启动煤气化反应器2。然后分布器 25切断到气体气化反应器3的氧物流70,和将氧再次通过管线60进 料至煤气化反应器2。然后将气体气化反应器3关闭或处于热备用直 到下一次使用。因此在图l的实施方案中，交替使用反应器2和3。本领域技术人员容易理解，如果需要，在反应器2和3之间的切 换可逐渐进行。因此如果要关闭反应器2，分布器25逐渐减少到反应 器2的氧物流60，同时增加到反应器3的氧物流70。结果是，对于某 一时间段分布器25同时将氧进料至反应器2、 3两者。在图1的实施方案中，系统1可包括用于加入硫以硫化变换器5 中存在的催化剂的入口。由此同一个变换器5可用于两种不同的碳质 物流10、 30 (在此情况下"酸性变换"在变换器5中进行)。替代地， 脱硫单元(未显示)可以存在(因此在变换器5中得到"脱硫变换")。由于变换器5是自身已知的，在此不进一步详细讨论。本领域技术人员容易理解本发明可以采用各种方式改进而不背离 权利要求书中限定的范围。
权利要求
1.用于生产包含CO和H2的合成气体(20，40)的系统(1)，所述系统(1)至少包括-第一气化反应器(2)，其具有第一含氧物流(60)的入口(7)、第一粒状或液体碳质物流(10)的入口(6)、在第一气化反应器(2)中生产的粗合成气体(20)的出口(8)；-第二气化反应器(3)，其具有第二含氧物流(70)的入口(11)、第二碳质物流(30)的入口(9)和在第二气化反应器(3)中生产的粗合成气体(40)的出口(12)，所述第二碳质物流(30)选自气体和液体物流或其混合物；-含氧物流(50)的源(4)；和-分布器(25)，其用于流体连接所述源(4)到所述第一气化反应器(2)的第一含氧物流(60)的入口(7)和到所述第二气化反应器(3)的第二含氧物流(70)的入口(11)；其中布置所述分布器(25)以选择性连接所述源(4)到第一(2)或第二(3)气化反应器。
2. 权利要求1的系统(l)，其中所述第二碳质物流(30)是气体物流。
3. 权利要求1或2的系统(l)，其中所述含氧物流(50)包含>50 vol. % 02,优选>90 vol. % 02,更优选>95 vol. % 02，甚至更优选>99 vol. %02。
4. 权利要求3的系统(1)，其中含氧物流的源(4)是最大氧容量小 于第一(2)或第二(3)气化反应器的氧要求总和的80%的空气分离单元。
5. 权利要求4的系统，其中具有两个第一气化反应器和一个第二 气化反应器。
6. 权利要求4的系统，其中所述空气分离单元的最大氧容量小于 第一(2)或第二(3)气化反应器的氧要求总和的65%。
7. 权利要求6的系统，其中具有一个第一气化反应器和一个第二气化反应器。
8. 前述权利要求一项或多项的系统(l),其中所述系统(l)进一步 包括连接到第一和第二气化反应器(2， 3)的粗合成气体(20， 40)的出口 (8， 12)的变换器(5),在所述变换器(5)中可以使至少一部分C0反应以生产C02和H2。
9. 使用含氧物流(50)从碳质物流(10， 30)生产包含CO和H2的合成 气体(20， 40)的方法，所述方法包括至少如下步骤(a) 将第 一粒状或液体碳质物流(10)和第 一含氧物流(60)注入第一 气化反应器(2)，所述第一含氧物流(60)源自氧源(4);(b) 在所述第一气化反应器(2)中使所述第一碳质物流(10)至少部 分氧化，从而获得第一粗合成气体(20);(c) 从所述第 一气化反应器(2)脱除步骤(b)中获得的所述第 一粗合 成气体(20);(d) 将第二碳质物流(30)和第二含氧物流(70)注入第二气化反应器 (3)，其中所述第二碳质物流(30)选自气体和液体物流或其混合物，和 其中所述第二含氧物流(70)源自步骤(a)中使用的氧源(4);(e) 在第二气化反应器(3)中使所述第二碳质物流(30)至少部分氧 化，从而获得第二粗合成气体(40);(f) 从所述第二气化反应器(3)脱除步骤(e)中获得的所述第二粗合 成气体(40)，和其中交替使用所述第一和第二气化反应器(2， 3)。
10. 权利要求9的方法，其中所述第二碳质物流(30)是气体物流。
11. 前述权利要求9-10—项或多项的方法，其中所述含氧物流(50) 包含>50 vol.% 02，优选>90 vol.% 02，更优选>95 vol.% 02，甚至更 优选>99 vol.% 02。
12. 前述权利要求9-11 一项或多项的方法，其中所述方法进一步 包括如下步骤(g) 将步骤(c)中脱除的第一合成气体(20)或步骤(f)中脱除的第二 合成气体(40)输送到变换器(5);和(h) 在所述变换器(5)中使在步骤(g)中输送的第一或第二合成气体(20， 40)中的至少一部分C0反应以生产C02和H2。
13. 备用气化反应器在一个或多个并联操作的气化反应器中从石油 焦炭源发电的方法中的用途，该备用反应器能够通过减压渣油或更优选 天然气和每小时从空气分离单元获得的一定第一体积的氧的部分氧化 而制备包含一氧化碳和氢的备用合成气体混合物，和其中通过如下方式 从石油焦炭获得电力(aa)使石油焦炭和每小时从空气分离单元获得的一定第二体积的 氧部分氧化以得到合成气体混合物，(bb)使用从步骤(aa)获得的合成气体和/或备用合成混合物以发 电，其中所述空气分离单元的最大容量小于每小时第一和第二氧体积的 总和。
14. 权利要求13的用途，其用于权利要求l-7任一项的系统中。
15. 备用气化反应器在一个或多个并联操作的气化反应器中从石油 焦炭源制备氢的方法中的用途，该备用反应器能够通过减压渣油或优选 天然气和每小时从空气分离单元获得的一定第一体积的氧的部分氧化 而制备包含一氧化碳和氢的备用合成气体混合物，和其中通过如下方式 从石油焦炭制备氢(aal)使石油焦炭和每小时从空气分离单元获得的一定第二体积的 氧部分氧化以得到合成气体混合物，(bbl)将从步骤(aal)获得的合成气体和/或备用合成气体混合物经 历水煤气变换步骤，(ccl)将变换的气体经历气体分离步骤以获得富氢混合物，其中所 述空气分离单元的最大容量小于每小时第一和第二氧体积的总和。
16. 权利要求15的方法，其中气体分离过程是变压吸收过程。
17. 权利要求15-16任一项的用途，其用于权利要求1-7任一项的系 统中。
全文摘要
本发明涉及用于生产包含CO和H<sub>2</sub>的合成气体(20，40)的系统(1)，所述系统(1)至少包括第一气化反应器(2)，其具有第一含氧物流(60)的入口(7)、第一粒状或液体碳质物流(10)的入口(6)、在第一气化反应器(2)中生产的粗合成气体(20)的出口(8)；第二气化反应器(3)，其具有第二含氧物流(70)的入口(11)、第二碳质物流(30)的入口(9)和在第二气化反应器(3)中生产的粗合成气体(40)的出口(12)，所述第二碳质物流(30)选自气体和液体物流或其混合物；含氧物流(50)的源(4)；和分布器(25)，其用于流体连接所述源(4)到所述第一气化反应器(2)的第一含氧物流(60)的入口(7)和到所述第二气化反应器(3)的第二含氧物流(70)的入口(11)；其中布置所述分布器(25)以选择性连接所述源(4)到第一(2)或第二(3)气化反应器。
文档编号C01B3/36GK101218170SQ200680024584
公开日2008年7月9日 申请日期2006年7月3日 优先权日2005年7月5日
发明者G·格罗特威尔德, P·L·苏德维尔德 申请人:国际壳牌研究有限公司