一种煤气化与煤焦化联供联产系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种煤气化与煤焦化联供联产系统及方法。所述方法包括以下步骤：一部分原料煤经煤气化过程制得煤气化粗合成气，煤气化粗合成气经降温、变换和净化后，得到洁净的煤气化合成气和二氧化碳，洁净的煤气化合成气进入化工合成制备化工产品；另一部分原料煤经焦化得到焦炭和粗焦炉气，将一部分所得焦炭与煤气化过程得到的二氧化碳反应制得一氧化碳；所得粗焦炉气进行净化，得到洁净的焦炉气，然后将一氧化碳与洁净的焦炉气按比例混合后制得煤焦化合成气，煤焦化合成气进入化工合成制备化工产品。本发明通过回收煤气化过程产生的CO2，运输至煤焦化过程产生合成气的联供方式，节能减排的同时，有效提高煤炭利用效率。
【专利说明】一种煤气化与煤焦化联供联产系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于能源与化工【技术领域】，具体涉及一种煤气化与煤焦化联供联产系统及方法。
【背景技术】
[0002]煤气化和煤焦化是煤炭综合利用的两个主要途径。煤气化过程是将煤炭气化生产合成气，合成气通过水煤变换调节氢碳比，之后用于化工合成。煤焦化过程通过高温干馏原煤生产焦炭，同时获得焦炉气、煤焦油等产品。
[0003]以煤气化为核心煤化工过程存在能耗高和过程累计CO2排放量大等问题。造成CO2排放量大和能耗高的主要原因是，煤气化过程所产生的粗合成气的氢碳比仅为0.7左右，而合成富氢的烃类或醇醚类产品，往往需要氢碳比达到2以上，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，这样就造成了大量的CO2排放和碳元素的浪费，转化过程同时消耗大量的能量。
[0004]以煤焦化为核心的煤化工过程，目前存在焦炭产能过剩和焦炉气大量浪费的问题。据统计，中国每年的焦炉气产量约为350亿标准立方米，20%作为燃料用于燃烧，其余大部分焦炉气被排放进入大气。目前有些单位研发焦炉气制甲醇或者合成天然气等技术，但这都存在一个问题，即焦炉气的氢碳比达到6以上，合成化工产品后仍有大量H2未被利用，分离这些H2产生巨大的能耗，而作为高效清洁能源的H2也未被有效利用，大多被直接燃烧为工厂供热。
[0005]目前煤气化和煤焦化生产过程是相互独立的，虽然以煤气化和煤焦化为基础的煤化工过程也开始综合考虑降低能耗、提高能源利用率与控制污染等多方面的问题，但分产系统往往片面地追求某个目标，使得分产系统很难同时克服能耗高、化学能利用过程损失大以及环境污染严重等问题。
[0006]煤气化合成气富碳少氢，煤焦化焦炉气富氢少碳，将这两个煤基化工过程结合起来，可取长补短有效降低CO2排放和能耗。研究表明，在合适的焦炉气和合成气配比下，联供过程比单一生产过程可降低碳排放90%，能效提高10%以上。目前，虽然也有将煤气化和煤焦化进行联供生产化工产品的设计方案，但由于联供过程中，需要对焦炉气或合成气进行较长距离的运输。由于这两种气体有较强的腐蚀性，因此在现实情况中，尚无法对这两种气体进行长距离的运输。因此存在较大的局限性，仅适用于煤气化项目和煤焦化项目距离较近的案例。然而，目前我国的煤气化和煤焦化项目，由于使用煤种与服务对象的不同，通常都距离较远，不适用这种联供的方案。
【发明内容】
[0007]为解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种煤气化与煤焦化联供联产系统。
[0008]本发明的另一目的在于提供一种煤气化与煤焦化联供联产方法，该方法以煤气化和煤焦化为核心，克服了单产系统节能效果不理想的缺陷。
[0009]为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案:
[0010]一种煤气化与煤焦化联供联产系统，包括煤气化单元、水煤变换单元、合成气净化单元、第一化工合成单元、CO2回收单元、煤焦化单元、焦炉气净化单元和第二化工合成单元;
[0011]所述煤气化单元设有原料煤入口，煤气化单元的煤气化粗合成气出口通过管道与水煤变换单元的煤气化粗合成气入口连接，水煤变换单元的变换后煤气化粗合成气出口通过管道与合成气净化单元的变换后煤气化粗合成气入口连接，合成气净化单元的洁净的煤气化合成气出口通过管道与第一化工合成单元的洁净的煤气化合成气入口连接，合成气净化单元的二氧化碳出口通过CO2输送管道与CO2回收单元的二氧化碳入口连接；
[0012]所述煤焦化单元设有原料煤入口，煤焦化单元的焦炭出口分为两个通道，一通道通过管道与CO2回收单元的焦炭入口相连接，另一通道用于输出焦炭产品；煤焦化单元的粗焦炉气出口通过管道与焦炉气净化单元的粗焦炉气入口相连接，焦炉气净化单元的洁净的焦炉气出口与CO2回收单元的一氧化碳出口混合后通过管道与第二化工合成单元的煤焦化合成气入口连接。
[0013]所述CO2输送管道为超临界CO2长输管道，CO2输送形式为超临界co2。
[0014]一种煤气化与 煤焦化联供联产方法，包括以下步骤:
[0015]原料煤分为两部分，一部分原料煤制成水煤浆后进入煤气化单元进行煤气化反应制得煤气化粗合成气，煤气化粗合成气经水煤变换单元调节氢碳比后得到变换后煤气化粗合成气；变换后煤气化粗合成气通入合成气净化单元脱除硫化物与高浓度的二氧化碳，得到洁净的煤气化合成气和二氧化碳，洁净的煤气化合成气进入第一化工合成单元制备化工产品；二氧化碳输送至CO2回收单元；
[0016]另一部分原料煤进入煤焦化单元进行焦化反应得到焦炭和粗焦炉气；将一部分所得的焦炭通入CO2回收单元与二氧化碳共气化反应生成一氧化碳，另一部分焦炭制成焦炭产品；所得粗焦炉气通入焦炉气净化单元脱除粗焦炉气中的焦油、苯、萘以及硫化物等杂质，得到洁净的焦炉气；一氧化碳与洁净的焦炉气按比例混合后得到煤焦化合成气，煤焦化合成气进入第二化工合成单元制备化工产品。
[0017]优选的，所述煤气化粗合成气的氢碳比为0.5~I。
[0018]优选的，所述洁净的煤气化合成气的氢碳比为I~3.5。
[0019]优选的，所述煤焦化合成气在经经过净化后的氢碳比为2~6。
[0020]优选的，所述第一化工合成单元与第二化工合成单元为甲醇、烯烃、二甲醚、碳酸二甲酯或合成天然气的生产过程。
[0021]与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果:
[0022](I)以煤气化为核心的化工过程中，在合成气净化单元可得到浓度在95%以上的CO2，这部分CO2通常被直接排放或者注入地下封存，大大降低了煤炭利用率。目前，超临界CO2的长距离运输技术已经比较成熟，并已开始应用于碳捕集与封存过程中。因此，本发明通过回收煤气化过程产生的CO2，运输至煤焦化过程产生合成气的联供方式，可避免目前联供过程中，腐蚀性气体运输成本较高的问题，并提高煤炭利用效率。
[0023]本发明通过回收煤气化过程的CO2和焦炉气元素互补利用，实现了对煤炭资源的有效利用，避免了煤气化过程CO2直接排放所造成的污染，或CCS过程所造成的碳元素浪费。根据煤气化与煤焦化的规模，本发明可降低现有煤气化过程20~95%的CO2排放量。同时，由于在焦炉气利用过程中，引入了 CO2回收单元，将一部分焦炭与CO2反应产生CO，与焦炉气混合后有效降低了其氢碳比，避免目前焦炉气在合成化工产品后，分离氢气与产品所带来的高能耗。
[0024](2)目前以煤气化和煤焦化为气头的联供过程，存在合成气或焦炉气不便长距运输的问题，而现实中我国的煤气化工厂与煤焦化工厂大部分距离较远，双气头联供存在较大的局限性。本发明避免了这种双气头匹配方法，利用技术成熟的高浓度CO2的长距离输送，实现煤气化与煤焦化的联供联产，打破了原有技术的局限性。
[0025](3)焦炉气作为工业煤焦化工业废气，量大且污染环境。本发明对这种废气加以利用，减少工业煤焦化工业废气排放，显著提高资源和能源利用率。
[0026](4)我国目前焦炭产能严重过剩，煤焦化开工率仅50%左右。本发明通过0)2回收单元，对焦炭进行高值利用，生产化工产品，优化了资源配置。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1为本发明煤气化和煤焦化联供联产系统示意图。其中I为煤气化单元，2为水煤变换单元，3为合成气净化单元,4为第一化工合成单元,5为CO2回收单元,6为煤焦化单元，7为焦炉气净化单元，8为第二化工合成单元；9~20为物流编号，其中9为原煤，10为煤气化粗合成气，11为变换后煤气化粗合成气，12为洁净的煤气化合成气，13为化工产品，14为二氧化碳，15为焦炭，16为粗焦炉气，17为洁净的焦炉气，18为一氧化碳，19为煤焦化合成气，20为化工产 品。
[0028]图2为实施例1煤气化和煤焦化联供制烯烃工艺示意图。其中22为烯烃合成单元，23为甲烷水蒸汽重整反应器，24为焦油、苯、萘以及硫化物等杂质，25为水煤浆，26为氧气，27为甲醇，28为烯烃产品，29为硫化物，30为焦油等其他物质，31为二氧化碳；32为合成气，33为甲醇合成气，34为甲醇，其余编号与图1中相同编号表示相同的操作单元或物流。
[0029]图3为实施例2煤气化和煤焦化联供联产甲醇和天然气工艺示意图。其中35为合成天然气产品，其余编号与图2中相同编号表示相同的操作单元或物流。
【具体实施方式】
[0030]下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0031]本发明煤气化和煤焦化联供联产系统如图1所示:主要包括:煤气化单元1、水煤变换单元2、合成气净化单元3、第一化工合成单元4、C02回收单元5、煤焦化单元6、焦炉气净化单元7和第二化工合成单元8 ；
[0032]所述煤气化单元I设有原料煤入口，煤气化单元I的煤气化粗合成气出口通过管道与水煤变换单元2的煤气化粗合成气入口连接，水煤变换单元2的变换后煤气化粗合成气出口通过管道与合成气净化单元3的变换后煤气化粗合成气入口连接，合成气净化单元3的洁净的煤气化合成气出口通过管道与第一化工合成单元4的洁净的煤气化合成气入口连接，合成气净化单元3的二氧化碳出口通过CO2输送管道与CO2回收单元5的二氧化碳入口连接；
[0033]所述煤焦化单元6设有原料煤入口，煤焦化单元6的焦炭出口分为两个通道，一通道通过管道与CO2回收单元5的焦炭入口相连接，另一通道用于输出焦炭产品；煤焦化单元6的粗焦炉气出口通过管道与焦炉气净化单元7的粗焦炉气入口相连接，焦炉气净化单元7的洁净的焦炉气出口与CO2回收单元5的一氧化碳出口混合后通过管道与第二化工合成单元8的煤焦化合成气入口连接。
[0034]实现本发明联供联产系统的方法如下:
[0035]原料煤9分为两部分，一部分原料煤制成水煤浆后进入煤气化单元I进行煤气化反应制得煤气化粗合成气10，煤气化粗合成气10经水煤变换单元2调节氢碳比后得到变换后煤气化粗合成气11 ;变换后煤气化粗合成气11通入合成气净化单元3脱除硫化物与高浓度的二氧化碳，得到洁净的煤气化合成气12和二氧化碳14，洁净的煤气化合成气12进入第一化工合成单元4制备化工产品13 ;二氧化碳14输送至CO2回收单元5 ；
[0036]另一部分原料煤进入煤焦化单元6进行焦化反应得到焦炭15和粗焦炉气16 ;将一部分所得的焦炭15通入CO2回收单元5与二氧化碳14共气化反应生成一氧化碳18，另一部分焦炭制成焦炭产品；所得粗焦炉气16通入焦炉气净化单元7脱除粗焦炉气中的焦油、苯、萘以及硫化物等杂质，得到洁净的焦炉气17 氧化碳18与洁净的焦炉气17按比例混合后得到煤焦化合成气19，煤焦化合成气19进入第二化工合成单元8制备化工产品20。
[0037]本发明煤气化和 煤焦化联供联产系统既可用于临近的煤气化工厂与煤焦化工厂的改造，也可应用于距离较远的两种工厂实现联供联产。
[0038]实施例1
[0039]采用本发明煤气化和煤焦化联供联产系统联供制备烯烃工艺，工艺过程如图2所示:
[0040]由原料煤制成的水煤浆25，与空分得到的氧气26共同进入煤气化单元I (气化炉)，经氧化反应得到煤气化粗合成气10，然后煤气化粗合成气10经水煤变换单元2调节氢碳比得到变换后煤气化粗合成气11，变换后煤气化粗合成气11进入合成气净化单元3 (酸性气体脱除单元)脱除硫化物29与二氧化碳14，得到净化后的煤气化合成气12，所得的净化后的煤气化合成气12进入第一化工合成单元4(甲醇合成单元)合成甲醇27，甲醇27进入烯烃合成单元22合成烯烃产品28 ;二氧化碳14进入CO2回收单元5 (焦炭二氧化碳气化炉)，硫化物29进行回收；
[0041]用于煤焦化的原料烟煤9，在煤焦化单元6(焦化炉)焦化得到焦炭15、粗焦炉气16和焦油等其他物质30 ;焦炭15 —部分被制成焦炭产品，另一部分进入CO2回收单元5 (焦炭二氧化碳气化炉)与二氧化碳14反应，产生一氧化碳18 ;粗焦炉气16进入焦炉气净化单元7脱除粗焦炉气16中的焦油、苯、萘以及硫化物等杂质24，得到洁净的焦炉气17并送入甲烷水蒸汽重整反应器23，将洁净的焦炉气17中的甲烷转化为合成气32 (主要成分是CO和H2)和二氧化碳31，二氧化碳31进入CO2回收单元5 (焦炭二氧化碳气化炉)，合成气32和一氧化碳18混合得到甲醇合成气33并进入第二化工合成单元8 (甲醇合成单元)合成甲醇34，甲醇34进入烯烃合成单元22合成烯烃产品28。
[0042]本实施例中进入系统的煤气化原煤处理量为100t/d，由气化单元产生的粗合成气为19.655万m3，经水煤变换和净化后，得到洁净的合成气16.22万m3，浓度为95%的二氧化碳7.492万m3，洁净的合成气合成63t甲醇；煤焦化原煤处理量为375t/d，经焦化过程产生280t焦炭和6.375万m3粗焦炉气，粗焦炉气经净化和甲烷水蒸汽重整后，得到10.12万m3的重整气，0.994万m3的二氧化碳进入焦炭二氧化碳气化单元(CO2回收单元5)，合成1.988万m3的一氧化碳，一氧化碳与重整气混合后进入甲醇合成单元并合成47t甲醇，煤焦化制的甲醇与煤气化制得的甲醇一起进入烯烃合成单元，得到58t乙烯和52t丙烯。
[0043]目前的煤气化单产制烯烃过程，原煤制成水煤浆后，经气化单元产生粗合成气，之后经水煤变换和净化，得到洁净的合成气，洁净的合成气合成甲醇后，再由甲醇合成烯烃产品。原煤处理量为100t/d的煤气化单产制烯烃过程，可产生60t/d烯烃产品，并产生约6.65万m3的二氧化碳。相比煤气化单产制烯烃过程，本实施例联供工艺减排二氧化碳约15%，烯烃产量扩大了约74%。
[0044]目前的焦炉气制甲醇过程，由煤焦化产生的粗焦炉气经过净化后得到洁净的焦炉气，洁净的焦炉气进入甲醇合成单元合成甲醇，之后进入甲醇提纯单元分离未反应的氢气并进行甲醇精馏，未反应的氢气进入火炬系统燃烧。相比焦炉气制甲醇过程，本发明联供过程通过增加CO2回收单元，将一部分煤焦化的焦炭产品转换为CO，降低了焦炉气的氢碳比，避免了焦炉气制甲醇过程中氢气分离以及燃烧带来的浪费。
[0045]实施例2
[0046]采用本发明煤气化 和煤焦化联供联产系统联供联产甲醇和天然气工艺，工艺过程如图3所示:
[0047]由原料煤制成的水煤浆25，与空分得到的氧气26共同进入煤气化单元I (气化炉)，经氧化反应得到煤气化粗合成气10，然后煤气化粗合成气10经水煤变换单元2调节氢碳比得到变换后煤气化粗合成气11，变换后煤气化粗合成气11进入合成气净化单元3 (酸性气体脱除单元)脱除煤气化粗合成气11中的硫化物29与二氧化碳14，得到净化后的煤气化合成气12，所得的净化后的煤气化合成气12进入第一化工合成单元4(甲醇合成单元)合成甲醇27 ;二氧化碳14经管道输送至煤焦化过程的CO2回收单元5 (焦炭二氧化碳气化炉)，硫化物29进行回收；
[0048]原料煤9 (焦化原料煤)在煤焦化单元6 (焦化炉)焦化得到焦炭15、粗焦炉气16和焦油等其他物质30 ;焦炭15 —部分被制成焦炭产品，另一部分进入CO2回收单元5 (焦炭二氧化碳气化炉)与二氧化碳14反应，产生一氧化碳18 ;粗焦炉气16进入焦炉气净化单元7脱除粗焦炉气16中的焦油、苯、萘以及硫化物等杂质52，得到洁净的焦炉气17，洁净的焦炉气17和一氧化碳18混合得到煤焦化合成气19，煤焦化合成气19进入第二化工合成单元8(甲烷合成反应器)反应得到合成天然气产品35。
[0049]本实施例中进入系统的煤气化原煤处理量为150t/d，由气化单元产生的粗合成气为29.48万m3，经水煤变换和净化后，得到洁净的合成气24.15万m3，浓度为95%的二氧化碳11.24万m3，洁净的合成气合成92t甲醇；煤焦化原煤处理量为1000t/d，经焦化过程产生720t焦炭和17.65万m3焦炉气，1.21万m3的二氧化碳进入焦炭二氧化碳气化单元(CO2回收单元5)，合成2.36万m3的一氧化碳，一氧化碳与重整气混合后进入甲烷化反应单元，生成3.5万m3的合成天然气。
[0050]目前的煤气化单产甲醇过程，原煤制成水煤浆后，经气化单元产生粗合成气，之后经水煤变换和净化，得到洁净的合成气，洁净的合成气经甲醇合成单元合成粗甲醇，粗甲醇经精馏提纯得到甲醇产品。原煤处理量为100t/d的煤气化单产制烯烃过程，产生约6.65万m3/d的二氧化碳。对比目前的煤气化制甲醇过程，本实施例联供工艺减排二氧化碳约10.8%。
[0051]目前的焦炉气制合成天然气过程，由煤焦化产生的粗焦炉气经过净化后得到洁净的焦炉气，洁净的焦炉气进入甲烷化反应器合成天然气，由于甲烷化反应所需的氢碳比为3左右，而焦炉气的氢碳比达到6以上，因此大量的氢气未能反应，由于合成天然气与氢气的沸点较低，且氢气含量很高，因此需要通过变压吸附或深冷分离过程分离未反应的氢气和产品天然气，这个过程能耗很高。本实施例中的联供过程，通过将将一部分煤焦化的焦炭产品转换为CO，降低了焦炉气的氢碳比，避免了焦炉气制很成天然气过程中氢气分离过程的能耗，整个联供过程的能效可提高8%以上。
[0052]本实施例联供工艺将产能过剩的焦炭和废气焦炉气进行高值化利用，每年生产了
2.8亿m3的合成天然气，可在一定程度上弥补目前天然气需求的缺口。
[0053]上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明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 ，都包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种煤气化与煤焦化联供联产系统，其特征在于，所述联供联产系统包括煤气化单元、水煤变换单元、合成气净化单元、第一化工合成单元、CO2回收单元、煤焦化单元、焦炉气净化单元和第二化工合成单元； 所述煤气化单元设有原料煤入口，煤气化单元的煤气化粗合成气出口通过管道与水煤变换单元的煤气化粗合成气入口连接，水煤变换单元的变换后煤气化粗合成气出口通过管道与合成气净化单元的变换后煤气化粗合成气入口连接，合成气净化单元的洁净的煤气化合成气出口通过管道与第一化工合成单元的洁净的煤气化合成气入口连接，合成气净化单元的二氧化碳出口通过CO2输送管道与CO2回收单元的二氧化碳入口连接； 所述煤焦化单元设有原料煤入口，煤焦化单元的焦炭出口分为两个通道，一通道通过管道与CO2回收单元的焦炭入口相连接，另一通道用于输出焦炭产品；煤焦化单元的粗焦炉气出口通过管道与焦炉气净化单元的粗焦炉气入口相连接，焦炉气净化单元的洁净的焦炉气出口与CO2回收单元的一氧化碳出口混合后通过管道与第二化工合成单元的煤焦化合成气入口连接。
2.根据权利要求1所述的联供联产系统，其特征在于，所述第一化工合成单元与第二化工合成单元为甲醇、烯烃、二甲醚、碳酸二甲酯或合成天然气的生产过程。
3.根据权利要求1所述的联供联产系统，其特征在于，所述CO2输送管道为超临界CO2长输管道，CO2输送形式为超临界co2。
4.一种煤气化与煤焦化联供联产方法，其特征在于，所述联供联产方法包括以下步 骤: 原料煤分为两部分，一部分原料煤制成水煤浆后进入煤气化单元进行煤气化反应制得煤气化粗合成气，煤气化粗合成气经水煤变换单元调节氢碳比后通入合成气净化单元脱除硫化物与二氧化碳，得到洁净的煤气化合成气和二氧化碳，洁净的煤气化合成气进入第一化工合成单元制备化工产品；二氧化碳输送至CO2回收单元； 另一部分原料煤进入煤焦化单元进行焦化反应得到焦炭和粗焦炉气；将一部分所得焦炭通入CO2回收单元与二氧化碳共气化反应生成一氧化碳；所得粗焦炉气通入焦炉气净化单元脱除杂质，得到洁净的焦炉气；一氧化碳与洁净的焦炉气按比例混合后得到煤焦化合成气，煤焦化合成气进入第二化工合成单元制备化工产品。
5.根据权利要求4所述的联供联产方法，其特征在于，所述煤气化粗合成气的氢碳比为0.5~I。
6.根据权利要求4所述的联供联产方法，其特征在于，所述洁净的煤气化合成气的氢碳比为I~3.5。
7.根据权利要求4所述的联供联产方法，其特征在于，所述煤焦化合成气在经经过净化后的氢碳比为2~6。
【文档编号】C10J3/20GK104004547SQ201410236111
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年5月29日 优先权日:2014年5月29日
【发明者】钱宇, 满奕, 杨思宇 申请人:华南理工大学