一种热解煤气综合利用及固碳工艺

技术领域

本申请涉及热解煤气利用技术领域，尤其涉及一种热解煤气综合利用及固碳工艺。

背景技术

煤炭是我国的主要能源，同时也是一种高碳能源。目前，我国北方大部分地区频繁遭遇雾霾天气，在“蓝天保卫战”打响的同时，煤炭成为众矢之的，煤炭清洁高效利用被列为重大科技专项。多年来，各地的实践表明，将部分适合的煤炭进行分级分质，转化为油、气、电、洁净煤，实现梯级利用，在保持煤炭主体能源地位的同时，又能实现煤炭的清洁高效利用。在煤块分质分级清洁利用过程中会产生副产品热解煤气，热解煤气主要含有氢气、一氧化碳、二氧化碳、氮气、氧气、硫化氢等。

目前绝大部分的热解煤气作为发电燃料烧掉，少部分热解煤气经变换提氢后作为煤焦油加氢制成燃料油来使用。目前对热解煤气的利用，不论是作为发电燃料烧掉还是制成燃料油来使用均会产生大量的含碳废气，造成环境污染。

发明内容

本申请实施例通过提供一种热解煤气综合利用及固碳工艺，能够解决现有对热解煤气的利用会造成环境污染的问题。

本发明实施例提供了一种热解煤气综合利用及固碳工艺，包括以下步骤：

将热解煤气经变压吸附提氢得到解吸气；

将所述解吸气进行精脱硫和精脱氧处理得到一次处理气；

将所述一次处理气中的甲烷、一氧化碳经过变换处理得到氢气和二氧化碳，并得到二次处理气；

对所述二次处理气通过变压吸附脱碳将氮气、氢气和二氧化碳进行分离，得到合成气和二氧化碳气体；

将所述合成气输送至合成氨装置合成液氨；

将所述二氧化碳气体和所述液氨合成尿素。

在一种可能的实现方式中，所述将热解煤气经变压吸附提氢得到解吸气，还包括步骤：

将所述热解煤气经变压吸附提氢得到的氢气与煤焦油混合制燃料油。

在一种可能的实现方式中，所述将所述合成气输送至合成氨装置合成液氨，还包括步骤：

将外界氢气输送至合成氨装置。

在一种可能的实现方式中，所述外界氢气由所述热解煤气经变压吸附提氢得到。

在一种可能的实现方式中，所述对所述二次处理气通过变压吸附脱碳将氮气、氢气和二氧化碳进行分离，得到合成气和二氧化碳气体时所使用的吸附剂包括活性炭、分子筛和氯化亚铜负载型吸附剂。

在一种可能的实现方式中，所述对所述二次处理气通过变压吸附脱碳将氮气、氢气和二氧化碳进行分离，得到合成气和二氧化碳气体时的所述变压吸附脱碳包括以下步骤：吸附、均压降压、逆放、抽真空和升压。

在一种可能的实现方式中，所述将所述解吸气进行精脱硫和精脱氧处理得到一次处理气之前，还包括步骤：

将所述解吸气升压至预设压强值。

在一种可能的实现方式中，所述预设压强值大于0.6MPa。

在一种可能的实现方式中，所述将热解煤气经变压吸附提氢得到解吸气，具体包括步骤：

将所述热解煤气经除盐处理、预处理、提浓处理、脱氧处理和提纯处理后提氢得到解吸气。

在一种可能的实现方式中，所述提浓处理和所述提纯处理均包括以下步骤：吸附、三次均压降压、逆放、抽真空、预升压、三次均压升压和产品最终升压。

本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明实施例提供了一种热解煤气综合利用及固碳工艺，该工艺包括以下步骤：将热解煤气经变压吸附提氢得到解吸气；将解吸气进行精脱硫和精脱氧处理得到一次处理气；将一次处理气中的甲烷、一氧化碳经过变换处理得到氢气和二氧化碳，并得到二次处理气；对二次处理气通过变压吸附脱碳将氮气、氢气和二氧化碳进行分离，得到合成气和二氧化碳气体；将合成气输送至合成氨装置合成液氨；将二氧化碳气体和液氨合成尿素。本申请的热解煤气综合利用及固碳工艺，最终将含碳的气体和液氨合成尿素，实现了热解煤气分质分类高效利用，同时实现固碳目的，基本做到了工艺过程的零碳排放，对碳减排意义重大，极大地减少了环境污染。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的热解煤气综合利用及固碳工艺的流程图；

图2为本申请实施例提供的热解煤气综合利用及固碳系统的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的变压吸附提氢装置的结构示意图。

图标：1-变压吸附提氢装置；11-除盐装置；12-预处理装置；13-提浓装置；14-制氢脱氧装置；15-提纯装置；2-脱硫装置；3-脱氧装置；4-变换装置；5-变压吸附脱碳装置；6-合成氨装置；7-尿素合成装置；8-燃料油制备装置。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“一次”、“二次”、“三次”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

煤炭是我国的主要能源，同时也是一种高碳能源。目前，我国北方大部分地区频繁遭遇雾霾天气，在“蓝天保卫战”打响的同时，煤炭成为众矢之的，煤炭清洁高效利用被列为重大科技专项。多年来，各地的实践表明，将部分适合的煤炭进行分级分质，转化为油、气、电、洁净煤，实现梯级利用，在保持煤炭主体能源地位的同时，又能实现煤炭的清洁高效利用。在煤块分质分级清洁利用过程中会产生副产品热解煤气，热解煤气主要含有氢气(化学式：H

目前绝大部分的热解煤气作为发电燃料烧掉，少部分热解煤气经变换提氢后作为煤焦油加氢制成燃料油来使用。目前对热解煤气的利用，不论是作为发电燃料烧掉还是制成燃料油来使用均会产生大量的含碳废气，造成环境污染。

基于上述问题，本申请实施例提供了一种热解煤气综合利用及固碳工艺，请参照图1所示，包括以下步骤101至步骤106：

步骤101：将热解煤气经变压吸附提氢得到解吸气。如图2所示，一般该步骤在变压吸附提氢装置1中进行。

其中，热解煤气是煤在分质分级清洁利用过程中产生的副产品，其为含尘的煤气。热解煤气的各个组分及含量如表1所示：

表1热解煤气的成分及含量

在实际应用中，步骤101：将热解煤气经变压吸附提氢得到解吸气，具体包括步骤：将热解煤气经除盐处理、预处理、提浓处理、脱氧处理和提纯处理后提氢得到解吸气。

如图3所示，除盐处理一般在除盐装置11中进行，除盐装置11包括洗涤塔，洗涤塔的输出口与预处理装置12的输入口连通。除盐装置11除盐处理的具体过程为：从热解炉中排出的热解煤气经压缩机压缩后进入洗涤塔的底部，热解煤气在充分接触洗涤塔下部的填料和循环液后进入洗涤塔的上端，经过脱盐水高效喷雾洗涤后，从塔顶排除，并经过气液分离器后进入预处理。热解煤气通过除盐处理，能够除掉90％以上的氨及铵盐；热解煤气经过洗涤后，焦油含量约为200mg/Nm

如图3所示，预处理一般在预处理装置12中进行，预处理装置12包括预处理塔，预处理塔的输入口与除盐装置11连通，输出口与提浓装置13的输入口连通。预处理装置12预处理的具体过程如下，经除盐处理洗涤后的热解煤气自预处理塔底进入预处理塔内，除去水分、焦油和萘。预处理后的热解煤气，焦油含量≤3mg/Nm3、萘含量≤5mg/Nm3。并且，经过预处理后的热解煤气送入提浓装置13中进行提浓处理。其中，预处理产生的再生气输送至锅炉，用于发电，从而进一步充分利用了热解煤气中的成分，合理利用了能源。

如图3所示，提浓处理和脱氧处理一般在提浓装置13和制氢脱氧装置14中进行。提浓装置13包括四个吸附塔，首个吸附塔的输入口与预处理装置12的输出口连通，末尾的吸附塔的输出口与制氢脱氧装置14的输入口连通，提浓处理和脱氧处理的具体过程为：提浓装置13的提浓处理采用12-4-3-1工艺，并且，四个吸附塔始终处于进料吸附状态，其工艺过程包括：吸附、三次均压降压、逆放、抽真空、预升压、三次均压升压和产品最终升压。制氢脱氧装置14包括脱氧塔，脱氧塔的输入口与提浓装置13的输出口连通，输出口与提纯装置15的输入口连通，经过提浓处理后获得氢含量大于45％～50％的提浓氢气，经加热后进入脱氧塔进行脱氧，经冷却气液分离后送至提纯处理。

如图3所示，提纯处理一般在提纯装置15中进行，提纯装置15包括四个依次连通的吸附塔，首个吸附塔的输入口与制氢脱氧装置14的输出口连通，末尾的吸附塔的第一输出口与脱硫装置2的输入口连通，第二输出口分别与燃料油制备装置8和合成氨装置6连通。提纯装置15提纯处理的具体过程如下，提纯处理使用四个吸附塔，采用12-4-3-1工艺，并且，四个吸附塔始终处于进料吸附状态，其工艺过程包括：吸附、三次均压降压、逆放、抽真空、预升压、三次均压升压和产品最终升压。经过提纯处理后获得氢含量大于99.9％的提纯氢气。其中，提纯处理的顺放气输送至提浓处理的预升压步骤，从而能够合理利用能源，降低生产成本。其中，提纯处理产生的低热值解吸气输送至锅炉，用于发电，实现了对提纯处理产生的低热值解吸气的充分利用。

另外，可以将提浓装置13与热解炉连通，以使提浓处理产生的较高热值的解吸气输送到热解炉，燃烧产生的热量能够用于煤的热解。还可以将提浓装置13与锅炉连通，以使提浓处理产生的较高热值的解吸气输送至锅炉，能够用于发电。将提浓装置13分别与热解炉和锅炉连通，实现了对提浓处理产生的较高热值解吸气的充分利用。

变压吸附提氢后的解吸气的成分如表2所示：

表2解吸气的成分及含量

步骤102：将解吸气进行精脱硫和精脱氧处理得到一次处理气。

经过精脱硫和精脱氧处理能够除去提纯解吸气中的硫化氢和氧气，避免硫化氢使后续的吸附剂中毒。其中，如图2所示，精脱硫处理在脱硫装置2中进行，精脱氧在脱氧装置3中进行，脱硫装置2的输入口与变压吸附提氢装置1的输出口连通，输出口与脱氧装置3的输入口连通，脱氧装置3的输出口与变换装置4的输入口连通。将解吸气进行精脱硫和精脱氧处理后，此时的一次处理气含有氮气、氢气、二氧化碳、一氧化碳和甲烷。

步骤103：将一次处理气中的甲烷、一氧化碳经过变换处理得到氢气和二氧化碳，并得到二次处理气。

其中，步骤103具体包括甲烷经过变换处理转换成一氧化碳和氢气，该一氧化碳和一次处理气中的一氧化碳又经过变换处理转换成氢气和二氧化碳。该变换处理过程涉及的化学反应方程式为：

CH

CO+H

此时经过变换处理后的二次处理气包括氮气、氢气和二氧化碳，此变换过程简单、便捷，通过该变换处理可以将五种气体转换成三种，而且该三种气体是原有解吸气中已有的气体，不会新增其他额外气体。如图2所示，变换处理在变换装置4中进行，变换装置4的输入口与脱氧装置3的输出口连通，输出口与变压吸附脱碳装置5的输入口连通。

步骤104：对二次处理气通过变压吸附脱碳将氮气、氢气和二氧化碳进行分离，得到合成气和二氧化碳气体。如图2所示，变压吸附脱碳在变压吸附脱碳装置5中进行，变压吸附脱碳装置5的输入口与变换装置4连通，输出口分别与合成氨装置6的输入口和尿素合成装置7的输入口连通。

具体地，该变压吸附脱碳装置5中盛放有吸附剂，吸附剂能够吸附二次处理气中的二氧化碳，从而将氮气、氢气和二氧化碳气体分离，氮气和氢气混合为合成气，之后再对该吸附剂进行解吸即可得到二氧化碳气体。由于合成气后续要在合成氨装置6里合成液氨，本步骤将二氧化碳与氮气、氢气分离开，能够防止二氧化碳混入合成气中，导致合成气合成液氨时所用的催化剂中毒。

其中，吸附剂可以使活性成分附着在其颗粒表面，是一种能够有效地从气体或液体中吸附其中某些成分的固体物质，其具有大的比表面积、适宜的孔结构及表面结构，对吸附质有强烈的吸附能力，一般不与吸附质和介质发生化学反应，制造方便、容易再生，有极好的吸附性。

本发明实施例提供的对提纯解吸气进行变压吸附时所使用的吸附剂包括活性炭、分子筛和氯化亚铜负载型吸附剂。

活性炭是将木炭、果壳、煤等含碳原料经碳化、活化后制成的。活性炭具有巨大的比表面积和丰富的孔隙结构，比表面积可达500～1700m

分子筛是一种人工合成的具有筛选分子作用的水合硅铝酸盐(泡沸石)或天然沸石，其化学式为(M＇

氯化亚铜负载型吸附剂对二氧化碳分子具有较强的吸附作用，而对氮气和氢气分子的吸附作用较弱，通过使用氯化亚铜负载型吸附剂能够极大地除去二次处理气中的二氧化碳。本发明实施例中的氯化亚铜负载型吸附剂是指载有氯化亚铜的分子筛。比如，氯化亚铜负载型吸附剂可以是将CuCl与γ-Al

进一步地，步骤104中的变压吸附脱碳包括以下步骤：吸附、均压降压、逆放、抽真空和升压。

步骤105：将合成气输送至合成氨装置6合成液氨。

合成气中氢气与氮气的总含量占合成气的99.99％(体积分数)，将合成气输送至合成氨装置6能够合成液氨，合成氨装置6的输入口与变压吸附脱碳5装置的输出口连通，输出口与尿素合成装置7的输入口连通，在其内的化学反应式为：

N

由于此时的合成气内氮气较多，氢气含量较少，直接使用合成气合成液氨后，会有大量氮气剩余，造成氮气的浪费，并导致液氨的纯度较低。为了避免氮气的浪费以及液氨的纯度较低，将合成气输送至合成氨装置6合成液氨，还包括步骤：将外界氢气输送至合成氨装置6，从而使补充氢气后的氮气与氢气比例为3：1后，再进行合成氨，这样既能够充分利用合成气中的氮气，也大幅提高了液氨的纯度。其中，外界氢气可以由热解煤气经变压吸附提氢得到，进而能够有效利用荒煤气提氢后产生的氢气，同时也能降低生产成本。

步骤106：将二氧化碳气体和液氨合成尿素。

其中，合成尿素的化学反应式为：

2NH

本申请将热解煤气中的含碳气体最终变换成二氧化碳，二氧化碳又与液氨合成尿素，不仅实现了热解煤气的零碳排放，极大地减少了环境污染，而且尿素合成所用二氧化碳气体来自热解煤气本身的含碳气体转变而成，充分利用了热解煤气，同时不需要外界额外加入二氧化碳气体，有效利用了资源，降低了生产成本。

在实际应用中，将热解煤气经变压吸附提氢得到解吸气，还包括步骤：将热解煤气经变压吸附提氢得到的氢气与煤焦油混合制燃料油，从而能够有效利用热解煤气得到的氢气，对热解煤气更充分的利用。如图2所示，将热解煤气经变压吸附提氢得到的氢气与煤焦油混合制燃料油在燃料油制备装置8中进行，燃料油制备装置8的输入口与变压吸附提氢装置1的第二输出口连通，该燃料油制备装置8包括反应器。

具体地，将氢气与煤焦油以900～1000：1的体积比馏分混合后进入反应器，在反应温度为350℃～370℃，反应压强为5MPa～10Mpa，空速为1h

步骤102：将解吸气进行精脱硫和精脱氧处理得到一次处理气之前，还包括步骤：将解吸气升压至预设压强值。具体地，将解吸气升压至预设压强值在升压装置中进行，升压装置的输入口与变压吸附提氢装置1的第一输出口连通，输出口与脱硫装置2连通，用于将解吸气升压至预设压强值。

强热解煤气经变压吸附提氢得到的解吸气的压强较小(约为0.2MPa～0.3Mp)，通过升压，使解吸气的压强达到预设压力值，从而方便后续工艺更好地进行。该预设压力值与后续的精脱硫和精脱氧处理相关联。比如，可以将预设压力值设定为大于0.6MPa。

本发明实施例提供了一种热解煤气综合利用及固碳工艺，该工艺包括以下步骤：将热解煤气经变压吸附提氢得到解吸气；将解吸气进行精脱硫和精脱氧处理得到一次处理气；将一次处理气中的甲烷、一氧化碳经过变换处理得到氢气和二氧化碳，并得到二次处理气；对二次处理气通过变压吸附脱碳将氮气、氢气和二氧化碳进行分离，得到合成气和二氧化碳气体；将合成气输送至合成氨装置6合成液氨；将二氧化碳气体和液氨合成尿素。本申请的热解煤气综合利用及固碳工艺，最终将含碳的气体和液氨合成尿素，实现了热解煤气分质分类高效利用，同时实现固碳目的，基本做到了工艺过程的零碳排放，对碳减排意义重大，极大地减少了环境污染。

本说明书中的各个实施方式采用递进的方式描述，各个实施方式之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施方式重点说明的都是与其他实施方式的不同之处。

以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对本申请限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请技术方案的范围。