一种利用氦气膨胀制冷分离焦炉煤气的方法技术

本发明专利技术涉及一种利用氦气膨胀制冷分离焦炉煤气的方法，该方法包括以下步骤：1)将焦炉煤气压缩及预冷后，送入一级氦循环膨胀制冷系统，经进一步降温后送入精馏塔中；2)由精馏塔底部排出的甲烷经二级氦循环膨胀制冷系统降温液化后，送入液化天然气储罐中储存，由精馏塔顶部排出的氢气依次进行第一正仲态转化、第二正仲态转化后，送入液氢储罐中储存；第一正仲态转化过程由二级氦循环膨胀制冷系统提供冷量，第二正仲态转化过程由三级氦循环膨胀制冷系统提供冷量。与现有技术相比，本发明专利技术通过氦气膨胀低温循环从焦炉煤气中制取液化天然气和液氢，提高了焦炉煤气的利用效率与能量利用率，减少了焦炉煤气排空现象，环境污染小。

【技术实现步骤摘要】
一种利用氦气膨胀制冷分离焦炉煤气的方法
本专利技术属于焦化/钢厂行业焦炉煤气综合利用
，涉及一种利用氦气膨胀制冷分离焦炉煤气的方法。
技术介绍
我国焦炭产量位居世界前列，2006年为2.33亿吨，2009年为3.53亿吨，2012年增长到4.43亿吨。在生产焦炭的同时会产生大量焦炉煤气，如果按照生产1t焦炭产生430m3焦炉煤气计算，2012年我国全年焦炉煤气发生量达1905亿m3，其中70％左右的焦炉煤气用于企业自用、商用及城市居民用气，剩余的焦炉煤气基本没有得到很好地利用，有的甚至直接燃烧释放到大气中。目前工业上焦炉煤气的利用途径主要有：作为城市燃气、发电、提取制氢、制甲醇等，但这些方法的效率及能量利用率较低，效益不明显。因此，焦炉煤气的有效回收利用对实现我国资源的循环利用和经济的可持续发展具有重要意义。焦炉煤气可回收的产品主要以甲烷和氢气为主，该回收方式有几大优势：(1)原料成本优势。焦炉煤气作为一种焦炭生产过程中的副产品，其价格非常低。氢元素在自然界中主要以化合物的形式存在，单质氢气价格在1.26元/m3左右，天然气液化采用的天然气井口价格在0.9元/m3左右，美国现在井口价已经达到1.99元/m3；而焦炉煤气的生产成本主要是能耗成本，所以生产出来的液氢(LH2)和液化天然气(LNG)在价格上也非常有竞争力。(2)能耗方面优势。目前氢气的主流制法是电解水或水煤气法，其能耗约为50kWh/kg，相对较高，而焦炉煤气中含有大量单质氢气，分离焦炉煤气中的氢气，可大大减少氢气制取过程的能耗。(3)甲烷和氢气都是未来中国能源结构中大力发展的清洁能源，应用前景广阔。甲烷作为天然气的主要成分，具有燃烧热值高、大气排放物少、能源利用效率高等特点；氢能具备热值高、可循环等优势，它的清洁无污染特点符合可持续发展的理念。公开号为CN106753628A的中国专利技术专利公开了一种焦炉煤气制LNG联产甲醇的方法及装置，焦炉煤气先经过压缩机加压后，再经过TSA预处理和PSA脱苯除去萘、焦油、NH3、苯及其它重烃化合物，再经过焦炉煤气压缩机加压后送入加氢脱硫装置进行脱硫，再送入MDEA脱碳装置进行脱碳，再进行LNG深冷分离，得到产品LNG。其流程过于复杂，成本较高，稳定性和可靠性有待进一步验证，且该技术主要回收LNG产品，并未有效利用焦炉煤气中含量较高的H2。公开号为CN107446635A的中国专利技术专利公开了一种焦炉煤气利用新方法，将焦炉产生的荒煤气与甲烷按一定的比例混合，所产生的混合气体通入等离子体热裂解反应器产生含有乙炔、氢气与一氧化碳的混合气体，该混合气通过净化进入分离提浓装置提取得到乙炔产品和尾气；尾气经过压缩和预热进入甲烷化反应装置，反应后的气体经过变压吸附分离装置得到产品氢气和合成甲烷，所得到合成甲烷一部分与荒焦炉煤气混合送入等离子体裂解反应器，另一部分作为产品输出。该工艺虽然可以得到氢气、合成天然气与乙炔三种产品，但流程复杂，能耗相对较高。公开号为CN107261748A的中国专利技术专利公开了一种焦炉煤气生产天然气的系统，使用变压吸附方法处理焦炉煤气，从中提取天然气，但其没有对焦炉煤气中所含有的大量氢气进行回收处理。公开号为CN107512702A的中国专利技术专利公开了一种焦炉煤气制氢工艺，其产品为干燥氢气，没有对甲烷进行回收利用。公开号为CN106315510A的中国专利技术专利公开了一种焦炉煤气制氢工艺，在焦炉煤气制氢传统工艺的基础上，引进了轻烃类转化和一氧化碳中温变换工艺，使得原料焦炉煤气中的甲烷、乙烷等轻烃类成分和一氧化碳等均参与制氢反应，可降低制氢原料气消耗，但该工艺涉及到化学转化过程，稳定性难以保证，且工艺相对较为复杂。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种利用氦气膨胀制冷分离焦炉煤气的方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种利用氦气膨胀制冷分离焦炉煤气的方法，该方法包括以下步骤：1)将焦炉煤气压缩及预冷后，送入一级氦循环膨胀制冷系统，经进一步降温后送入精馏塔中；2)由精馏塔底部排出的甲烷经二级氦循环膨胀制冷系统降温液化后，送入液化天然气储罐中储存，由精馏塔顶部排出的氢气依次进行第一正仲态转化、第二正仲态转化后，送入液氢储罐中储存；步骤2)中，所述的第一正仲态转化过程由二级氦循环膨胀制冷系统提供冷量，所述的第二正仲态转化过程由三级氦循环膨胀制冷系统提供冷量。焦炉煤气中的氢是正氢和仲氢的混合物，温度越低仲氢比例越高。一方面，正仲态转化速度缓慢，正常液化完成时正仲态转化还基本没有开始；另一方面，正态向仲态转化的过程是一个放热过程，其放热量超过汽化潜热。所以，如果不在液化过程中促使正仲态转化同时完成，则得到的液氢产品将慢慢损失殆尽。同时，由于温度越低提供相同制冷量的能耗越大，所以本专利技术在较高温度(通常在接近液氮温度)先进行一次正仲态转化，在最终液氢温度再进行一次正仲态转化。所述的一级氦循环膨胀制冷系统、二级氦循环膨胀制冷系统及三级氦循环膨胀制冷系统之间设有氦气回收循环系统，该氦气回收循环系统分别与一级氦循环膨胀制冷系统、二级氦循环膨胀制冷系统、三级氦循环膨胀制冷系统相连通。进一步地，步骤1)中，所述的焦炉煤气由甲烷及氢气组成。进一步地，步骤1)中，所述的焦炉煤气压缩及预冷后，压力为2.5-3.5MPa，温度为30-40℃。进一步地，步骤1)中，所述的焦炉煤气经进一步降温至-150℃以下后，送入精馏塔中。进一步地，步骤2)中，所述的甲烷经二级氦循环膨胀制冷系统降温液化后得到高压天然气，该高压天然气经节流降压至0.08-0.12MPa后，送入液化天然气储罐中储存。进一步地，步骤2)中，所述的第一正仲态转化过程及第二正仲态转化过程均在催化转化器中进行。进一步地，步骤2)中，进行完第一正仲态转化后的氢气经三级氦循环膨胀制冷系统降温液化后，进行第二正仲态转化。进一步地，步骤2)中，所述的氢气经三级氦循环膨胀制冷系统降温液化后，得到高压氢气，该高压氢气经节流降压至0.08-0.12MPa后，进行第二正仲态转化。进一步地，步骤2)中，所述的一级氦循环膨胀制冷系统、二级氦循环膨胀制冷系统及三级氦循环膨胀制冷系统中的制冷剂均为氦气。本专利技术中为了生产液氢产品，需要提供极低的冷量，而传统的氮膨胀液化流程无法提供氢气所需的低温，因此采用氦气作为低温工质，氦是一种良好的低温制冷剂，用它可以获得上至100K左右，下至mK级的低温。三级制冷系统均采用氦气作为制冷剂，可以大大降低系统复杂程度。进一步地，所述的氦气回收循环系统包括混合器及分离器。混合器用于回收氦气，分离器用于将氦气送至各个氦循环膨胀制冷系统中。本专利技术涉及一种带有精馏模块的低温气体分离与液化的技术，用于对焦炉煤气进行液化和气体分离，通过利用氦气作为低温工质，建立三级氦膨胀制冷低温循环为焦炉煤气的液化提供冷量，其中每级氦膨胀制冷低温循环相对独立，系统中的精馏塔可实现焦炉煤气中甲烷和氢气的有效分离。焦炉煤气经过压缩和预冷后进行一级氦膨胀低温循环，降温到-160℃或更低，然后进入精馏塔，从精馏塔顶部和底部可分别得到纯度在99.5％以上的氢气和甲烷产品；二级氦膨胀低温循环为天然气液化、精馏塔中的冷凝器以及氢液化过程中的一级正仲态转化本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用氦气膨胀制冷分离焦炉煤气的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)将焦炉煤气压缩及预冷后，送入一级氦循环膨胀制冷系统，经进一步降温后送入精馏塔中；2)由精馏塔底部排出的甲烷经二级氦循环膨胀制冷系统降温液化后，送入液化天然气储罐中储存，由精馏塔顶部排出的氢气依次进行第一正仲态转化、第二正仲态转化后，送入液氢储罐中储存；步骤2)中，所述的第一正仲态转化过程由二级氦循环膨胀制冷系统提供冷量，所述的第二正仲态转化过程由三级氦循环膨胀制冷系统提供冷量；所述的一级氦循环膨胀制冷系统、二级氦循环膨胀制冷系统及三级氦循环膨胀制冷系统之间设有氦气回收循环系统，该氦气回收循环系统分别与一级氦循环膨胀制冷系统、二级氦循环膨胀制冷系统、三级氦循环膨胀制冷系统相连通。

【技术特征摘要】
1.一种利用氦气膨胀制冷分离焦炉煤气的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)将焦炉煤气压缩及预冷后，送入一级氦循环膨胀制冷系统，经进一步降温后送入精馏塔中；2)由精馏塔底部排出的甲烷经二级氦循环膨胀制冷系统降温液化后，送入液化天然气储罐中储存，由精馏塔顶部排出的氢气依次进行第一正仲态转化、第二正仲态转化后，送入液氢储罐中储存；步骤2)中，所述的第一正仲态转化过程由二级氦循环膨胀制冷系统提供冷量，所述的第二正仲态转化过程由三级氦循环膨胀制冷系统提供冷量；所述的一级氦循环膨胀制冷系统、二级氦循环膨胀制冷系统及三级氦循环膨胀制冷系统之间设有氦气回收循环系统，该氦气回收循环系统分别与一级氦循环膨胀制冷系统、二级氦循环膨胀制冷系统、三级氦循环膨胀制冷系统相连通。2.根据权利要求1所述的一种利用氦气膨胀制冷分离焦炉煤气的方法，其特征在于，步骤1)中，所述的焦炉煤气由甲烷及氢气组成。3.根据权利要求1所述的一种利用氦气膨胀制冷分离焦炉煤气的方法，其特征在于，步骤1)中，所述的焦炉煤气压缩及预冷后，压力为2.5-3.5MPa，温度为30-40℃。4.根据权利要求1所述的一种利用氦气膨胀制冷分离焦炉煤气的方法，其特征在于，步骤1)中，所述的焦炉煤气经进一步降温至-150℃以下后，送...

【专利技术属性】
技术研发人员：林文胜，许婧煊，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31