СПОСОБ СИНТЕЗА ФИШЕРА-ТРОПША И СПОСОБ ПРИМЕНЕНИЯ ОТРАБОТАННЫХ ГАЗОВ
METHOD OF FISCHER-TROPSCH SYNTHESIS AND APPLICATION OF EXHAUST GASES

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
[0001] Изобретение относится к способу улучшения синтеза Фишера-Тропша и рециркуляции отработанных газов посредством этого синтеза. В частности, водород и метан рециркулируются отдельно из отработанных газов, отводимых из установки синтеза Фишера-Тропша. Метан используется для производства синтез-газа, имеющего высокое отношение водорода к углероду посредством риформинга метана. После чего водород и синтез-газ, имеющий высокое отношение водорода к углероду, смешивают с сырым газом, подвергают процессу риформинга и транспортируют к установке синтеза Фишера-Тропша для производства жидкого углеводорода.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Синтез Фишера-Тропша является процессом преобразования горючих ископаемых, таких как уголь и природный газ, или возобновляемых источников энергии, таких как биомасса, в синтез-газ, после чего производят жидкие углеводородные продукты с использованием синтез-газа в присутствии катализатора. Процесс играет важную роль в снижении зависимости от энергии нефти и производства химических веществ.
[0003] В установке для синтеза Фишера-Тропша сырой синтез-газ сначала подвергают риформингу посредством реакции конверсии водяного газа, а затем углекислый газ удаляют из сырого синтез-газа.
[0004] Китайские заявки на патент № CN 1354779 A и CN 1761734 A обе раскрывают способ синтеза Фишера-Тропша производства жидких углеводородов, однако в данном случае сырой синтез-газ имеет низкое отношение водорода к углероду.
[0005] Китайская заявка на патент CN 200610140020.4 раскрывает двухстадийный способ синтеза Фишера-Тропша. Углекислый газ в отработанных газах сначала удаляют с помощью способа щелочной промывки. Обработанные отработанные газы смешивают с сырым газом, подвергают риформингу посредством реакции конверсии водяного газа, обезуглероживают и транспортируют к установке синтеза Фишера-Тропша.
[0006] Китайская заявка на патент № CN 200310108146.X раскрывает двухстадийный способ синтеза Фишера-Тропша. Инертный газ, произведенный в первичной установке синтеза Фишера-Тропша, накапливается во вторичной установке синтеза Фишера-Тропша, так что выход отработанных газов из вторичной установки синтеза Фишера-Тропша должен быть увеличен, тем самым, снижается экономическая эффективность всей системы. Кроме того, сырой синтез-газ имеет низкое отношение водорода к углероду.
[0007] Китайская заявка на патент № CN 101979468 A раскрывает то, что отработанные газы сначала обрабатывают с помощью установки риформинга углекислого газа. Насыщенные метаном неконденсируемые отработанные газы смешиваются и вступают в реакцию с углекислым газом с образованием синтез-газа. Синтез-газ транспортируется обратно и смешивается с сырым газом, подвергается риформингу посредством реакции конверсии водяного газа для регулирования отношения водорода к углероду, а затем углекислый газ удаляется.
[0008] В общем, процедура риформинга является общепринятой стадией в способе синтеза Фишера-Тропша. Если объем обработки в процедуре риформинга может быть снижен, экономическая эффективность системы будет увеличиваться, а выбросы углекислого газа будут значительно сокращены. Кроме того, биомасса имеет низкую энергетическую плотность и ограниченный диапазон по сбору. Процедура риформинга приводит к потере углерода, который ограничивает производственную мощность установок по производству топлива из биомассы.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0009] С учетом вышеописанных проблем, одна задача изобретения - это предоставить способ улучшения синтеза Фишера-Тропша и рециркуляции отработанных газов посредством этого синтеза. Способ может возвращать в оборот водород и метан из установки синтеза Фишера-Тропша, уменьшать выбросы углекислого газа и уменьшать обрабатывающую нагрузку процедуры преобразования, тем самым, улучшая эффективность производства и экономичность всей системы. Способ является простым, высокоэффективным и имеет низкую себестоимость.
[0010] Для достижения вышеуказанной задачи, в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения, предложен способ улучшения синтеза Фишера-Тропша и рециркуляции отработанных газов посредством этого синтеза, причем способ содержит:
[0011] 1) преобразование сырого газа для синтеза Фишера-Тропша с использованием реакции конверсии водяного газа, транспортировку преобразованного сырого газа на установку синтеза Фишера-Тропша для синтеза Фишера-Тропша в присутствии катализатора на основе Fe или на основе Со, регулирование температуры реакции синтеза Фишера-Тропша на уровне между 150 и 300°C и давлении реакции между 2 и 4 МПа (A) с целью производства жидкого углеводородного продукта и воды, которую отводят с установки синтеза Фишера-Тропша;
[0012] 2) подачу отработанных газов с установки синтеза Фишера-Тропша в первый короткоцикловой адсорбер для извлечения водорода и регулирование чистоты водорода на уровне 80-99% об.;
[0013] 3) подачу отработанных газов со стадии 2) во второй короткоцикловой адсорбер для извлечения метана и регулирование чистоты метана на уровне 80-95% об.;
[0014] 4) возвращение части водорода, полученного на стадии 2), на стадию 1), чтобы смешать с сырым газом и преобразование конечного смешанного газа с целью регулирования соотношения водород/углерод сырого газа для синтеза Фишера-Тропша; и
[0015] 5) подачу метана на стадии 3) в установку риформинга метана для риформинга с целью производства синтез-газа, имеющего высокое соотношение водород/углерод, транспортировку синтез-газа на стадию 1) для смешивания с сырым газом и преобразование конечного смешанного газа с целью регулирования соотношения водород/углерод сырого газа.
[0016] В рамках этого варианта осуществления, 30-60% об. рециркулируемого водорода на стадии 2) возвращают на стадию 1) с целью регулирования соотношения водород/углерод сырого газа, 2-8% об. рециркулируемого водорода на стадии 2) используют для активации и восстановления катализатора, а остальной водород используют для обработки жидкого углеводородного продукта.
[0017] В рамках этого варианта осуществления, отработанные газы, из которых удалили метан, на стадии 3) подают на установку углеводородного риформинга для использования в качестве топлива или для непосредственного сжигания с целью обеспечения нагревания или с целью производства электроэнергии.
[0018] В рамках этого варианта осуществления, на стадии 2) чистота водорода составляет 85-95% об.
[0019] В рамках этого варианта осуществления чистота метана составляет 90-95% об.
[0020] В рамках этого варианта осуществления, на стадии 5) объемное отношение водорода к окиси углерода синтез-газа после реакции риформинга метана находится между 2 и 5.
[0021] В рамках этого варианта осуществления, на стадии 5) объемное отношение водорода к окиси углерода синтез-газа после реакции риформинга метана находится между 3 и 4.
[0022] Преимущества в соответствии с вариантами осуществления изобретения заключаются в следующем:
[0023] 1. Водород и метан рециркулируются из отработанных газов установки синтеза Фишера-Тропша, тем самым, улучшая производственную эффективность и скорость использования углерода.
[0024] 2. Обрабатывающая нагрузка в процессе преобразования сырого газа уменьшается, и выбросы углекислого газа уменьшаются.
[0025] 3. Водород, рециркулируемый из отработанных газов, может быть использован для последующей обработки жидкого углеводородного продукта, которая является экономичной.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0026] Фиг. 1 является блок-схемой операций способа улучшения синтеза Фишера-Тропша и рециркуляции отработанных газов посредством этого синтеза.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
[0027] Фиг. 1 является блок-схемой операций способа улучшения синтеза Фишера-Тропша и рециркуляции отработанных газов посредством этого синтеза.
[0028] Изобретение предоставляет способ улучшения синтеза Фишера-Тропша и рециркуляции отработанных газов посредством этого синтеза, при этом способ содержит:
[0001] 1) преобразование сырого газа для синтеза Фишера-Тропша с использованием реакции конверсии водяного газа, транспортировку преобразованного сырого газа на установку синтеза Фишера-Тропша для синтеза Фишера-Тропша в присутствии катализатора на основе Fe или на основе Со, регулирование температуры реакции синтеза Фишера-Тропша на уровне между 150 и 300°C и давления реакции между 2 и 4 МПа с целью образования жидкого углеводородного продукта и воды, которую отводят с установки синтеза Фишера-Тропша;
[0002] 2) подачу отработанных газов с установки синтеза Фишера-Тропша в первый короткоцикловой адсорбер для извлечения водорода и регулирование чистоты водорода на уровне 80-99% об.;
[0003] 3) подачу отработанных газов со стадии 2) во второй короткоцикловой адсорбер для извлечения метана и регулирование чистоты метана на уровне 80-95% об.;
[0004] 4) возвращение части водорода, полученного на стадии 2), на стадию 1) для смешивания с сырым газом и преобразование конечного смешанного газа с целью регулирования соотношения водород/углерод сырого газа для синтеза Фишера-Тропша; и
[0005] 5) подачу метана на стадии 3) на установку риформинга метана для риформинга с целью производства синтез-газа, имеющего высокое соотношение водород/углерод, транспортировку синтез-газа на стадию 1) для смешивания с сырым газом и преобразование конечного смешанного газа для регулирования соотношения водород/углерод сырого газа.
[0006] 30-60% об. рециркулируемого водорода на стадии 2) возвращают на стадию 1) с целью регулирования соотношения водород/углерод сырого газа, 2-8% об. рециркулируемого водорода на стадии 2) используют для активации и восстановления катализатора, а остальной водород используют для обработки жидкого углеводородного продукта.
[0007] Отработанные газы, из которых удалили метан, на стадии 3) подают на установку углеводородного риформинга для использования в качестве топлива или для непосредственного сжигания с целью обеспечения нагревания или с целью производства электроэнергии.
[0008] На стадии 2) чистота водорода составляет 85-95% об.
[0009] Предпочтительно, когда чистота метана составляет 90-95% об.
[0010] Предпочтительно, когда на стадии 5) объемное отношение водорода к окиси углерода синтез-газа после реакции риформинга метана находится между 2 и 5.
[0011] Предпочтительно, когда на стадии 5) объемное отношение водорода к окиси углерода синтез-газа после реакции риформинга метана находится между 3 и 4.
[0012] Тепловая энергия или произведенная электроэнергия направляется в локальные зоны или прилегающие зоны, чтобы обеспечить питание привода для турбин внутреннего сгорания или паровых турбин.
Пример 1
3
[0013] Газификатор биомассы производит сырой синтез-газ со скоростью 4000 нм/ч. Компоненты сырого синтез-газа приведены в Таблице 1. Объемное соотношение водород/окись углерода составляет 0,39.
Таблица 1
Компоненты сырого синтез-газа
Компоненты
% об.
H<sub>2</sub>
19
CO
49
CO<sub>2</sub>
24
CH<sub>4</sub>
2
N<sub>2</sub>
6
[0014] Условия реакции синтеза Фишера-Тропша заданы следующим образом:
[0015] 1. Чистота водорода из первого короткоциклового адсорбера составляет 80% об.
[0016] 2. Чистота метана из второго короткоциклового адсорбера составляет 95% об.
[0017] 3. Температура реакции синтеза Фишера-Тропша составляет 190°C.
[0018] 4. Давление реакции синтеза Фишера-Тропша составляет 2,1 МПа (А).
[0019] На основании приведенных выше заданных условий реакции основные материально-технические данные и рабочие параметры способа формулируют следующим образом:
2
[0020] 1) объемное соотношение водород/окись углерода исходного синтез-газа, подаваемого на установку синтеза Фишера-Тропша, составляет 2,1, а эффективный синтез-газ (Н+СО) составляет 90% об. от общего газа;
[0021] 2) производительность жидкого углеводорода составляет 523 кг в час, которая увеличивается на 27% по сравнению с традиционными способами при тех же рабочих условиях при отсутствии газовой рециркуляции;
[0022] 3) углекислый газ в количестве 7,4 тонны подают для производства каждой тонны жидкого углеводорода, количество углекислого газа уменьшается на 24% по сравнению с традиционными способами в тех же рабочих условиях при отсутствии газовой рециркуляции.
Пример 2
[0023] Применяемый сырой синтез-газ является таким же, как в Примере 1. Условия реакции синтеза Фишера-Тропша заданы следующим образом:
[0024] 1. Чистота водорода из первого короткоциклового адсорбера составляет 90% об.
[0025] 2. Чистота метана из второго короткоциклового адсорбера 90% об.
[0026] 3. Температура реакции синтеза Фишера-Тропша составляет 230°C.
[0027] 4. Давление реакции синтеза Фишера-Тропша составляет 3,0 МПа (А).
[0028] На основании приведенных выше заданных условий реакции основные материально-технические данные и рабочие параметры способа формулируют следующим образом:
2
[0029] 1) объемное соотношение водород/окись углерода исходного синтез-газа, подаваемого на установку синтеза Фишера-Тропша, составляет 2,3, а эффективный синтез-газ (Н+СО) составляет 91% об. от общего газа;
[0030] 2) производительность жидкого углеводорода составляет 500 кг в час, которая увеличивается на 33% по сравнению с традиционными способами при тех же рабочих условиях при отсутствии газовой рециркуляции;
[0031] 3) углекислый газ в количестве 7,8 тонны подают для производства каждой тонны жидкого углеводорода, количество углекислого газа уменьшается на 29% по сравнению с традиционными способами в тех же рабочих условиях при отсутствии газовой рециркуляции.
Пример 3
[0032] Применяемый сырой синтез-газ является таким же, как в Примере 1. Условия реакции синтеза Фишера-Тропша заданы следующим образом:
[0033]1. Чистота водорода из первого короткоциклового адсорбера составляет 95% об.
[0034] 2. Чистота метана из второго короткоциклового адсорбера 80% об.
[0035] 3. Температура реакции синтеза Фишера-Тропша составляет 250°C.
[0036] 4. Давление реакции синтеза Фишера-Тропша составляет 3,5 МПа (А).
[0037] На основании приведенных выше заданных условий реакции основные материально-технические данные и рабочие параметры способа формулируют следующим образом:
2
[0038] 1) объемное соотношение водород/окись углерода исходного синтез-газа, подаваемого на установку синтеза Фишера-Тропша, составляет 2,5, а эффективный синтез-газ (Н+СО) составляет 92% об. от общего газа;
[0039] 2) производительность жидкого углеводорода составляет 480 кг в час, которая увеличивается на 39% по сравнению с традиционными способами при тех же рабочих условиях при отсутствии газовой рециркуляции;
[0040] 3) углекислый газ в количестве 8,4 тонны подают для производства каждой тонны жидкого углеводорода, количество углекислого газа уменьшается на 31% по сравнению с традиционными способами в тех же рабочих условиях при отсутствии газовой рециркуляции.
Пример 4
[0041] Применяемый сырой синтез-газ является таким же, как в Примере 1. Условия реакции синтеза Фишера-Тропша заданы следующим образом:
[0042]1. Чистота водорода из первого короткоциклового адсорбера составляет 80% об.
[0043] 2. Чистота метана из второго короткоциклового адсорбера 80% об.
[0044] 3. Температура реакции синтеза Фишера-Тропша составляет 210°C.
[0045] 4. Давление реакции синтеза Фишера-Тропша составляет 2,5 МПа (А).
[0046] На основании приведенных выше заданных условий реакции основные материально-технические данные и рабочие параметры способа формулируют следующим образом:
2
[0047] 1) объемное соотношение водород/окись углерода исходного синтез-газа, подаваемого на установку синтеза Фишера-Тропша, составляет 2,5, а эффективный синтез-газ (Н+СО) составляет 89% об. от общего газа;
[0048] 2) производительность жидкого углеводорода составляет 474 кг в час, которая увеличивается на 37% по сравнению с традиционными способами при тех же рабочих условиях при отсутствии газовой рециркуляции;
[0049] 3) углекислый газ в количестве 8,3 тонны подают для производства каждой тонны жидкого углеводорода, количество углекислого газа уменьшается на 32% по сравнению с традиционными способами в тех же рабочих условиях при отсутствии газовой рециркуляции.
Пример 5
[0050] Применяемый сырой синтез-газ является таким же, как в Примере 1. Условия реакции синтеза Фишера-Тропша заданы следующим образом:
[0051] 1. Чистота водорода из первого короткоциклового адсорбера составляет 99% об.
[0052] 2. Чистота метана из второго короткоциклового адсорбера 95% об.
[0053] 3. Температура реакции синтеза Фишера-Тропша составляет 220°C.
[0054] 4. Давление реакции синтеза Фишера-Тропша составляет 2,3 МПа (А).
[0055] На основании приведенных выше заданных условий реакции основные материально-технические данные и рабочие параметры способа формулируют следующим образом:
2
[0056] 1) объемное соотношение водород/окись углерода исходного синтез-газа, чтобы быть поданным на установку синтеза Фишера-Тропша, составляет 2, а эффективный синтез-газ (Н+СО) составляет 89% об. от общего газа;
[0057] 2) производительность жидкого углеводорода составляет 517 кг в час, которая увеличивается на 23% по сравнению с традиционными способами при тех же рабочих условиях при отсутствии газовой рециркуляции;
[0058] 3) углекислый газ в количестве 7,6 тонны подают для производства каждой тонны жидкого углеводорода, количество углекислого газа уменьшается на 20% по сравнению с традиционными способами в тех же рабочих условиях при отсутствии газовой рециркуляции.