[发明专利]带有预变换反应器的处理CO气体的吸附增强水气变换工艺

说明书

技术领域

本发明属于清洁能源技术领域，特别涉及一种带有预变换反应器的处理CO气体的吸附增强水气变换工艺。

背景技术

H₂，作为一种清洁高效的燃料和重要的化工原料，受到了人们的普遍关注。目前，工业上大规模制氢的主要途径是通过天然气的重整反应制取氢气。煤通过气化方式转化成粗煤气，粗煤气的主要成分是CO和H₂，通过CO的变换反应也可以制取氢气。由于我国煤炭资源相对丰富，煤炭在一次能源中的比重一直在70％左右。通过煤炭制氢的方式可以减少污染物排放，缓解大气污染现象。

在天然气重整和粗煤气水气变换制氢过程中，都需要进行CO₂和H₂的分离以制得高纯度氢气。由于CO的变换反应受到平衡的限制，水气变换反应需要多段进行，在较低温度(200℃左右)下实现高的CO变换率。同时变换气的温度通常在200～450℃之间，而现有的CO₂/H₂分离技术主要是常温或低温湿法脱碳技术(如Selexol/NHD技术、活性MDEA技术、低温甲醇洗技术)，需要对变换气进行降温处理，浪费气体显热。

吸附增强水气变换反应是在一个反应装置中耦合发生水气变换和CO₂吸附反应。通过在线脱除CO₂，可以在较高温度(400℃左右)下实现高的CO变换率，同时也可以减少水蒸气的使用量。吸附增强水气变换反应中CO₂脱除工艺采用的是变压吸附法(Pressure Swing Adsorption,PSA)。PSA技术的基本原理利用气体组分在固体吸附剂上吸附特性的差异以及吸附量随压力变化而变化的特性，通过周期性的压力变换过程实现气体的分离。采用PSA技术进行CO₂的分离，可以仅通过压力的改变实现吸附剂的再生，再生能耗小。

目前固体吸附剂的CO₂吸附容量相对较小，300～400℃下固体吸附剂的吸附容量在0.5～2mol/kg之间，而国内在运行的气流床和干煤粉煤气化工艺如shell粉煤气化工艺，产生的粗煤气中CO干基含量高达60％以上。在高浓度CO的情况下，CO₂吸附难以和水气变换反应直接相匹配。同时，水气变换和CO₂吸附都是放热反应，高浓度的CO在单个反应塔中发生水气变换和CO₂吸附，由于CO变换率接近100％，反应塔产生大量的反应热，会引起床层温度过高甚至出现飞温现象，引起装置停车的问题。因此，目前文献研究的吸附增强水气变换的CO浓度都在10％(干基)左右。此外，由于煤质变化等因素造成粗煤气中CO浓度发生波动，需要调整反应塔的运行参数，对PSA工艺的稳定连续运行造成影响。

发明内容

针对现有技术不足，本发明提供了一种带有预变换反应器的处理CO气体的吸附增强水气变换工艺。

一种带有预变换反应器的处理CO气体的吸附增强水气变换工艺，含有高浓度CO的粗煤气，首先进入预变换反应器进行预变换，通过调节水气比和空速，控制预变换反应器中CO的变换率为40％～60％，控制预变换反应器的出口变换气温度不超过400℃；经预变换反应器预变换后的出口变换气进入吸附增强水气变换工艺单元。

所述吸附增强水气变换工艺单元采用变压吸附工艺，每个吸附增强反应塔依次经历充压、吸附增强水气变换反应、产品气回收、均压降、顺向放压、逆向放压、蒸汽解吸、冲洗、均压升和终充步骤；通过调节每个吸附增强反应塔反应时间、冲洗比，控制每个吸附增强反应塔中CO的变换率均为99.5％以上，H₂的纯度均为99％以上。

所述吸收增强反应塔中填充有催化剂和吸附剂，所述催化剂和吸附剂的填充方法为分段填充或混合填充。

所述分段填充为催化剂和吸附剂分层填充，预变换反应器出口变换气先经过催化剂层，再经过吸附剂层，所述催化剂层和吸附剂层的高度比例为1：(1～99)。

所述混合填充为催化剂和吸附剂混合均匀后填充，所述催化剂和吸附剂的体积比例为1：(1～99)。

所述吸附增强水气变换工艺的预变换反应器和吸附增强水气变换工艺单元的每个吸附增强反应塔所采用的催化剂均分别为铁系变换催化剂。

所述吸附增强水气变换工艺单元的每个吸附增强反应塔所采用的吸附剂均分别为水滑石、类水滑石、修饰的水滑石和修饰的类水滑石中的一种或多种。

所述吸附增强水气变换工艺单元的每个吸附增强反应塔所采用的吸附剂均分别为碳酸钾修饰的水滑石和碳酸钾修饰的类水滑石中的一种或多种。