[发明专利]生产可变合成气组合物的方法

说明书

发明背景

天然气和石油的高价和不断减少的供应已促使化学和电力工业寻 求用于生产化学品和发电的替代原料。相比而言，煤和其它固体含碳燃 料如石油焦、生物质、纸浆废料非常充足并相对便宜，为现有技术中研 究作为替代原料源的合理材料。煤和其它固体含碳材料可被气化，即用 氧气部分燃烧，以产生合成气体(下文中也称为“合成气”)，合成气 体可被清洁并用于产生各种化学物质或燃烧发电。气化过程一般产生 H₂对CO的摩尔比为约0.4/1至1.2/1以及具有较少体积的CO₂、H₂S、 甲烷和其它惰性气体的合成气体。

但是，不同的应用要求不同的H₂/CO比以有效利用合成气原料。例 如，费-托和甲醇反应化学计量要求2/1的H₂/CO摩尔比，合成天然气生 产需要3/1，乙酸合成需要1/1，用于氨或氢气生产的合成气只需要氢气。 可通过本领域中已知的手段调整这种比例，例如，通过水煤气变换反应， 其中一氧化碳与水反应产生氢气和二氧化碳。但是，当合成气存在多种 不同的下游要求时，这种方法不能令人满意。例如，当设计整体式工艺 来制造具有如化学和电力合作生产设施中存在的变化H₂/CO比例要求 的合成气时，一种方法是将全部合成气从气化区域变换到最高要求的 H₂/CO比，即过度变换(overshift)一部分气体。但是，过度变换方法使不 要求合成气具有高的氢气对碳摩尔比的这些过程损失能量。因为水煤气 变换反应是放热的，合成气中的一部分化学能(等于水煤气变换反应的 反应焓)在变换反应中被转变成热能。因此，通过利用未变换的气体使 电力生产最大化。例如，与未变换气体相比，到2/1H₂/CO摩尔比的变 换可导致约3-12％的化学能的损失。损失程度依赖于合成气最初的 H₂/CO摩尔比。因此，对于每摩尔，变换气体具有比未变换气体低的能 量含量。

整体气化联合循环(本文中缩写为“IGCC”)电厂一般包括燃料(通 常是煤或石油焦)气化区和联合循环发电区。联合循环发电区基本上与 使用天然气燃料的相同。但是，来自气化过程的合成气的产生和利用比 从天然气管线中取燃料复杂得多。与IGCC有关的固体粉碎和生产、气 化、灰分处理、气体冷却和脱硫步骤都是资本密集型的，并且经常停车 和启动是困难的且昂贵。IGCC电厂被设计成以有限的调节容量 (turndown capacity)连续工作，并固有地有助于基本连续的基本负荷 操作。即使气化区可同基于管线的天然气一样容易地关闭，气化器区的 空转也会导致资产未被充分利用和电力生产的过高经济损失。因此，在 联合循环区的可变电力生产能力和要求的气化区的基本负荷操作之间 存在不匹配。IGCC装置在现有技术中被认为是基本负荷装置，意味着 它们缺乏调度至中间负荷因子的能力。在许多电力市场中，电力价格在 高峰电力需求期和低电力需求期之间如在夜晚和白天之间可变化2倍或 更多。对基本负荷操作的依赖可能严重限制通过IGCC生产电力的经济 生存能力。事实上，最经济的解决方案可能是在非高峰期间不产生电力。 因此，需要能在非高峰电力时间期间利用可用的合成气生产比电力价值 更高的产品的IGCC工艺。