本發(fā)明涉及焦爐煤氣增產(chǎn)甲烷領(lǐng)域，具體涉及一種利用高爐煤氣補碳的焦爐煤氣節(jié)能增產(chǎn)甲烷的系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

1、焦爐煤氣是鋼鐵冶金、石油化工等行業(yè)重要的燃料及原料之一，應(yīng)用非常廣泛，如作為燃料可用于焦爐、熱風(fēng)爐、管式爐、球團等工藝加熱等，其產(chǎn)率和組成因煉焦用煤質(zhì)量和條件不同而有所差異，但其組成基本為h2(55％～70％)、ch4(15％～30％)、co(5％～9％)、co2(2％～5％)和n2(2％～6％)以及其他少量成分。由于焦爐煤氣含有豐富的氫氣，因此利用焦爐煤氣還可以制備甲烷、甲醇等，同焦爐煤氣制取甲醇、合成氫等工藝路線相比較來看，焦爐煤氣制取甲烷，往往經(jīng)濟效益更佳，它的副產(chǎn)物氫氣也能夠得到科學(xué)的應(yīng)用。

2、高爐煤氣是高爐煉鐵生產(chǎn)過程中副產(chǎn)的可燃氣體，大致成分包括co2(6％～12％)、co(28％～33％)、h2(1％～4％)、n2(55％～60％)、烴類(0.2％～0.5％)及少量的二氧化硫。高爐煤氣的凈化過程包括除塵和脫硫，其中脫硫方法主要有水解催化轉(zhuǎn)化工藝和加氫催化轉(zhuǎn)化，其中加氫催化轉(zhuǎn)化需要向高爐煤氣中添加氫氣，水解催化轉(zhuǎn)化工藝會損失高爐煤氣的熱量。

3、盡管焦爐煤氣甲烷化和高爐煤氣的工業(yè)應(yīng)用已經(jīng)日趨成熟，但是焦爐煤氣中氫氣資源的儲運以及利用依舊是一大難題；盡管現(xiàn)在已經(jīng)有轉(zhuǎn)爐煤氣或二氧化碳等補碳技術(shù)，但是轉(zhuǎn)爐煤氣緊張，供應(yīng)不足，二氧化碳捕集成本高等問題，而且高爐煤氣富裕，同時高爐煤氣能量的合理利用以及脫碳難題也亟待解決。

4、cn?101712897?a公開了一種補碳返氫工藝實現(xiàn)焦爐煤氣甲烷化合成天然氣的方法，步驟為：s1、焦爐煤氣經(jīng)凈化壓縮后，進入甲烷化初級工段；s2、然后進入余熱鍋爐回收熱能；s3、降溫后的補充提純二氧化碳，并返回提純氫氣進入補碳返氫工段；s4、然后進入余熱鍋爐回收熱能；s5、降溫后進入甲烷化末級工段；s6、換熱后進入深冷精餾工段；s7、變壓吸附提純氫氣和氮氣。本發(fā)明利用絕熱反應(yīng)器和余熱鍋爐換熱系統(tǒng)，不僅控制反應(yīng)溫度，而且同時副產(chǎn)3.8mpa、450℃水蒸氣，較其他方法，更充分地利用了甲烷化反應(yīng)過程中所產(chǎn)生的余熱能量，在擴大產(chǎn)能的同時，實現(xiàn)節(jié)能減排、無環(huán)境污染的目的。但是，步驟s3中補充的碳源為提純的二氧化碳，提純后的二氧化碳雖然可以作為其他用途，但另一方面也增加了補充碳源的成本，存在能量的浪費；同樣步驟s3中補充的氫氣也是經(jīng)過分離后再進入甲烷化系統(tǒng)的，增加了分離系統(tǒng)的分離負荷。

5、cn?104449920?a公開了一種利用焦爐煤氣與高爐煤氣聯(lián)合生產(chǎn)天然氣與液氨的方法，步驟為：s1、將焦爐煤氣通過壓縮機加壓，經(jīng)變壓吸附裝置后進入一級二級壓縮加壓，經(jīng)變壓吸附脫碳裝置后再通過壓縮機三級壓縮加壓，進入焦爐氣脫硫裝置；

6、s2、然后進入甲烷合成裝置，通過變壓吸附或深冷分離裝置得到天然氣或液化天然氣產(chǎn)品；s3、高爐煤氣通過壓縮機一級二級壓縮加壓，與水蒸氣混合進入耐硫變裝置進行低溫耐硫變換，再依次進入高爐氣脫硫裝置，變壓吸附脫碳裝置和變壓吸附脫氮裝置；s4、凈化后的高爐煤氣與焦爐煤氣中分離出來的氮氫氣混合后通過壓縮機三四五六級壓縮加壓，經(jīng)甲烷化裝之后，進入合成氨裝置，生產(chǎn)得到無水液氨產(chǎn)品。該工藝并沒有做到高爐煤氣和焦爐煤氣的耦合使用，所利用的氮氫氣和高爐煤氣均是經(jīng)過分離后的氣體，分離任務(wù)大；步驟s2和s4中從深冷精餾到甲烷化和合成氨，溫度變化從高溫到低溫再到高溫，能量損耗巨大，熱量匹配困難。

7、cn?110157488?a公開了一種脫除高爐煤氣中的羰基硫并提高高爐煤氣燃燒熱值的裝置及方法，步驟為：s1、高爐煤氣經(jīng)過第一壓縮單元，將高爐煤氣壓縮；s2、高爐煤氣進入第一氣體處理單元去除壓縮后的高爐煤氣中的固體雜質(zhì)和液體雜質(zhì)；s3、處理后的高爐煤氣進入第一co2選擇性分離膜，且第一co2選擇性分離膜為第一聚合物分離膜；s4、滲透氣出口依次進入第二壓縮、第二氣體處理、第二co2選擇性分離膜；s5、對第一、第二非滲透氣進行羰基硫變壓吸附分離，得到羰基硫富集氣和羰基硫脫除氣；s6、經(jīng)羰基硫變壓吸附分離處理后，羰基硫脫除氣本身具有一定的壓力能，為了回收壓力能，節(jié)約能耗，在一種優(yōu)選的實施方式中，上述裝置還包括壓力能回收單元。該工藝有效脫除了二氧化碳和羰基硫，提升了高爐煤氣熱值，減輕了環(huán)境壓力，但二氧化碳脫除工藝與羰基硫脫除工藝為單獨運行，整體工藝流程復(fù)雜，步驟s5中從利用變壓吸附脫出羰基硫，羰基硫仍需后續(xù)處理。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種利用高爐煤氣補碳的焦爐煤氣節(jié)能增產(chǎn)甲烷的系統(tǒng)和方法。本發(fā)明主要針對焦爐煤氣甲烷化后，氫氣剩余、甲烷與氫氣分離能耗高、氫氣運輸儲運困難，利用除塵脫氮后的高爐煤氣作為碳源補碳，在實現(xiàn)焦爐煤氣氫氣和高爐煤氣熱量的充分利用的同時，減輕了高爐煤氣脫硫脫碳的壓力，提高了高爐煤氣熱值。

2、為了實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

3、本發(fā)明一方面提供一種利用高爐煤氣補碳的焦爐煤氣節(jié)能增產(chǎn)甲烷的系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)包括：焦爐煤氣預(yù)凈化模塊、高爐煤氣除塵脫氮模塊、加氫脫硫模塊、甲烷化模塊和深冷分離模塊；

4、所述焦爐煤氣預(yù)凈化模塊用以對焦爐煤氣進行脫焦油、脫苯，得到焦爐煤氣凈化氣；

5、所述高爐煤氣除塵脫氮模塊用以對高爐煤氣依次進行濕法除塵、脫水和脫氮，得到高爐煤氣凈化氣；

6、所述加氫脫硫模塊用以對所述焦爐煤氣凈化氣和高爐煤氣凈化氣的混合氣進行加氫脫硫；

7、加氫脫硫后的混合氣進入所述甲烷化模塊進行甲烷化反應(yīng)；

8、所述甲烷化模塊的輸出氣體進入所述深冷分離模塊，獲得產(chǎn)品lng(液化天然氣)。

9、根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)，優(yōu)選地，所述高爐煤氣除塵脫氮模塊包括依次設(shè)置的濕法除塵裝置、第一脫水裝置和膜分離裝置；

10、所述第一脫水裝置內(nèi)安裝有絲網(wǎng)除沫器；用以脫除濕法除塵后高爐煤氣中的水滴；更優(yōu)選地，所述第一脫水裝置內(nèi)安裝有2～3個串聯(lián)的絲網(wǎng)除沫器；

11、所述膜分離裝置采用分子篩膜以分離脫除氮氣；具體利用氮氣與二氧化碳、二氧化硫、羰基硫、硫化氫的分子動力學(xué)直徑的差異，實現(xiàn)分離脫除氮氣，得到二氧化碳、二氧化硫、羰基硫、硫化氫等氣體的混合氣，之后與焦爐煤氣凈化氣合并進入所述加氫脫硫模塊進行加氫脫硫。更優(yōu)選地，所述分子篩膜的孔徑大于0.33a(二氧化碳)而小于0.364a(氮氣)。進一步優(yōu)選地，所述膜分離裝置包括1～2級或多級分子篩膜串聯(lián)。

12、約30％的高爐煤氣通過分子篩膜脫氮后co2含量達到40％，夾帶約5％的h2o，約25％的n2，可以有效補充水蒸氣，緩解甲烷化反應(yīng)造成的飛溫結(jié)焦等過程。

13、根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)，優(yōu)選地，在所述膜分離裝置的入口端設(shè)置有第一加壓裝置，用以將所述膜分離裝置入口端氣體增壓至膜分離所需壓力。所述第一加壓裝置包括但不限于鼓風(fēng)機。

14、根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)，優(yōu)選地，所述加氫脫硫模塊的入口端設(shè)置有第二加壓裝置和升溫裝置；所述加氫脫硫模塊所需的熱量部分由高爐煤氣直接提供，高爐煤氣凈化氣與焦爐煤氣凈化氣按照一定比例混合后，經(jīng)加壓和升溫后(優(yōu)選至2～2.8mpa、300～400℃)，進入所述加氫脫硫模塊。

15、根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)，所述甲烷化模塊進口氣的氫碳比是可調(diào)節(jié)的，通過控制所述高爐煤氣凈化氣的混合量，實現(xiàn)所述甲烷化模塊進口氣的氫碳比優(yōu)選為3.0～4.0，以實現(xiàn)氫氣的有效利用。

16、根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)，所述加氫脫硫模塊中進行加氫脫硫，加氫使有機硫轉(zhuǎn)化為無機硫，脫硫指脫去硫化氫的過程。優(yōu)選地，所述加氫脫硫模塊包括加氫反應(yīng)器和脫硫裝置。

17、所述加氫反應(yīng)器內(nèi)一般裝有鐵鉬或鈷鉬催化劑床，使酸性氣體得以還原，大部分含硫化合物被氫化或水解，轉(zhuǎn)化反應(yīng)如下：

18、1)so2+3h2→h2s+2h2o

19、2)cos+h2o→h2s+co2

20、3)cs2+2h2o→2h2s+co2

21、更優(yōu)選地，所述加氫反應(yīng)器為鈷鉬催化劑床加氫反應(yīng)器。

22、更優(yōu)選地，所述脫硫裝置包括有機胺脫硫塔或氧化鋅脫硫槽。

23、進一步優(yōu)選地，所述脫硫裝置包括有機胺脫硫塔時，還包括有機胺回收塔，用以實現(xiàn)對有機胺脫硫后產(chǎn)生的富液進行再生回收利用。對于有機胺脫硫采用本領(lǐng)域成熟的工藝即可，本發(fā)明對此不做限定。具體的，富液經(jīng)所述脫硫塔的塔底出料口進入所述有機胺回收塔，有機胺液實現(xiàn)脫附再生，再生后的貧液循環(huán)至所述脫硫塔的塔頂進液；在有機胺回收塔內(nèi)脫附出來的硫可進一步回收或做他用。

24、更優(yōu)選地，所述加氫反應(yīng)器與所述有機胺脫硫塔之間還設(shè)置有急冷塔，混合氣在所述加氫反應(yīng)器中經(jīng)加氫后，經(jīng)過所述急冷塔冷卻后(優(yōu)選冷卻至40～60℃)進入所述有機胺脫硫塔。具體的，加氫反應(yīng)器的產(chǎn)出氣被輸送至急冷塔，與水逆流流動，然后到有機胺脫硫塔脫去硫化氫(含硫化合物在加氫反應(yīng)器中被氫化或水解所生成)。

25、而當所述脫硫裝置包括氧化鋅脫硫槽時，所述加氫反應(yīng)器與所述氧化鋅脫硫槽直接串聯(lián)，其間不需設(shè)置急冷塔；之后進入所述甲烷化模塊。

26、根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)，優(yōu)選地，所述加氫脫硫模塊與所述甲烷化模塊之間設(shè)置有第三加壓裝置。

27、更優(yōu)選地，加氫脫硫后的混合氣經(jīng)所述第三加壓裝置加壓后，壓力達到3.0～3.5mpa，溫度達到250～280℃，進入所述甲烷化模塊進行甲烷化反應(yīng)。

28、根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)，優(yōu)選地，所述甲烷化模塊包括兩級以上甲烷化固定床反應(yīng)器。更優(yōu)選地，所述甲烷化模塊包括三級甲烷化固定床反應(yīng)器。

29、在一優(yōu)選方案中，所述有機胺脫硫塔或氧化鋅脫硫槽與所述三級甲烷化固定床反應(yīng)器中的第一級甲烷化固定床反應(yīng)器之間設(shè)置有第三加壓裝置；所述混合氣經(jīng)所述加氫反應(yīng)器與所述有機胺脫硫塔或氧化鋅脫硫槽加氫脫硫之后，再經(jīng)過一級加壓，壓力達到3.0～3.5mpa，溫度達到250～280℃，進入所述三級甲烷化固定床反應(yīng)器進行甲烷化反應(yīng)；所述甲烷化模塊的出口氣主要為甲烷和氮氣，更具體的，第三級甲烷化固定床反應(yīng)器(中溫)出口氫氣及碳含量均不足1％，干基甲烷含量達75％以上(～34500nm3/h)，剩余的主要為氮氣(～10450nm3/h)。

30、根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)，其中高爐煤氣中的水蒸氣和氮氣能夠有效分擔甲烷化反應(yīng)的反應(yīng)熱；此外優(yōu)選地，所述系統(tǒng)還包括余熱回收模塊，用以回收利用所述甲烷化模塊的反應(yīng)熱。具體可以在每級甲烷化固定床反應(yīng)器之間設(shè)置余熱回收裝置，例如進行余熱發(fā)電裝置。

31、根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)，優(yōu)選地，所述深冷分離模塊包括第二脫水裝置和深冷分離塔；所述甲烷化模塊的出口氣經(jīng)過所述第二脫水裝置脫水后，進入所述深冷分離塔，排出不凝氣后，塔頂?shù)玫揭旱a(chǎn)品，塔底獲得產(chǎn)品lng。

32、更優(yōu)選地，所述第二脫水裝置包括依次設(shè)置的氣液分離裝置和分子篩脫水裝置。所述甲烷化模塊的出口氣經(jīng)過氣液分離裝置除去大量水，經(jīng)過分子篩脫水裝置除去痕量水分，水含量可低于0.1ppm。進一步優(yōu)選地，所述分子篩脫水裝置采用3a分子篩。所述氣液分離裝置例如可以采用氣液分離罐。

33、所述深冷分離塔的原料主要為甲烷和氮氣，甲烷和氮氣的深冷分離，溫度和壓力都較甲烷和氫氣深冷分離條件更低，塔頂?shù)玫揭旱a(chǎn)品，塔底得到合格產(chǎn)品lng。深冷分離塔的塔頂冷凝器采用部分冷凝的方式，將殘余氫氣(不凝氣)作為燃料或其他供熱用途。

34、本發(fā)明另一方面提供一種利用高爐煤氣補碳的焦爐煤氣節(jié)能增產(chǎn)甲烷的方法，其中，所述方法通過以上任一系統(tǒng)實現(xiàn)。

35、具體的，所述方法包括以下過程：

36、對高爐煤氣進行除塵脫氮，得到高爐煤氣凈化氣；

37、對焦爐煤氣進行脫焦油、脫苯等有機物，得到焦爐煤氣凈化氣；

38、將所述焦爐煤氣凈化氣和高爐煤氣凈化氣混合，得到混合氣；

39、對所述混合氣進行加氫脫硫；之后進行甲烷化反應(yīng)，反應(yīng)后的氣體經(jīng)過脫水后進行深冷分離，獲得產(chǎn)品lng。

40、根據(jù)本發(fā)明的方法，優(yōu)選地，所述除塵脫氮包括依次的濕法除塵、脫水和脫氮；所述脫氮采用膜分離脫除其中的氮氣，具體利用氮氣與二氧化碳、二氧化硫、羰基硫、硫化氫的分子動力學(xué)直徑的差異，實現(xiàn)分離脫除氮氣，得到二氧化碳、二氧化硫、羰基硫、硫化氫等氣體的混合氣，之后與焦爐煤氣凈化氣合并進行加氫脫硫。高爐煤氣的常規(guī)脫硫過程與焦爐煤氣合并加氫脫硫，合理利用了焦爐煤氣中充裕的氫氣，減少了脫硫裝置的數(shù)量和高爐煤氣的脫硫壓力。

41、根據(jù)本發(fā)明的方法，優(yōu)選地，加氫脫硫后的混合氣經(jīng)加壓至3.0～3.5mpa、250～280℃后進行所述甲烷化反應(yīng)。

42、根據(jù)本發(fā)明的方法，優(yōu)選地，所述加氫在鐵鉬或鈷鉬催化劑作用下進行，壓力為2～2.8mpa，溫度為300～400℃；所述脫硫采用本領(lǐng)域成熟的脫硫工藝，例如有機胺脫硫或氧化鋅法，本發(fā)明對此不做進一步限定。

43、根據(jù)本發(fā)明的方法，優(yōu)選地，通過控制所述高爐煤氣凈化氣的混合量，控制所述甲烷化反應(yīng)的原料氣中的氫碳比優(yōu)選為3.0～4.0，以實現(xiàn)氫氣的有效利用。

44、根據(jù)本發(fā)明的方法，優(yōu)選地，所述甲烷化反應(yīng)的原料氣經(jīng)加壓至3.0～3.5mpa、250～280℃。

45、根據(jù)本發(fā)明的方法，優(yōu)選地，所述甲烷化反應(yīng)包括兩級以上甲烷化；更優(yōu)選為三級甲烷化。進一步優(yōu)選地，對所述甲烷化反應(yīng)的反應(yīng)熱進行回收利用，例如回收后進行發(fā)電。

46、根據(jù)本發(fā)明的方法，所述甲烷化反應(yīng)的產(chǎn)出氣主要為甲烷和氮氣，氫氣及碳含量均不足1％，干基甲烷含量達75％以上(～34500nm3/h)，剩余的主要為氮氣(～10450nm3/h)。

47、根據(jù)本發(fā)明的方法，優(yōu)選地，所述甲烷化反應(yīng)的產(chǎn)出氣經(jīng)過脫水后進行深冷分離，獲得產(chǎn)品lng；所述脫水包括依次的氣液分離和分子篩脫水，氣液分離可脫除其中大部分水，分子篩可脫除剩余痕量水分；所述深冷分離采用深冷分離塔進行，排出不凝氣后，塔頂?shù)玫揭旱a(chǎn)品，塔底獲得產(chǎn)品lng。所述深冷分離塔的原料主要為甲烷和氮氣，甲烷和氮氣的深冷分離，溫度和壓力都較甲烷和氫氣深冷分離條件更低，塔頂?shù)玫揭旱a(chǎn)品，塔底得到合格產(chǎn)品lng。深冷分離塔的塔頂冷凝器采用部分冷凝的方式，將殘余氫氣(不凝氣)作為燃料或其他供熱用途。

48、本發(fā)明的有益效果包括：

49、1)本發(fā)明利用高爐煤氣對焦爐煤氣節(jié)能增產(chǎn)甲烷進行補碳，充分利用了焦爐煤氣的富裕氫氣，并解決另一部分高爐煤氣的脫碳脫硫難題；

50、2)本發(fā)明通過控制高爐煤氣的混合量，可以實現(xiàn)甲烷化模塊進口氣的氫碳比子在3.0～4.0，以實現(xiàn)氫氣的有效利用；

51、3)本發(fā)明技術(shù)中，利用高爐煤氣自有的氮氣和水蒸氣可以有效抑制甲烷化反應(yīng)器飛溫；

52、4)本發(fā)明技術(shù)提高了氫氣的綜合利用率，使得深冷精餾的負荷降低，去除了精餾分離氫氣的任務(wù)。