专利名称：一种煤制合成气生产甲烷的甲烷化炉及其生产方法
一种煤制合成气生产甲烷的甲烷化炉及其生产方法本发明涉及化工设备技术领域，具体的说是一种应用于煤制合成气生产天然气领域中的甲烷化炉及其生产方法。天然气，是一种多组分的混合气态化石燃料，已成为我国的三大石化能源之一，其主要成分是烷烃，其中甲烷占绝大多数，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷，它主要存在于油田和天然气田，也有少量出于煤层，由于天然气燃烧后不产生无废渣、废水，相较于煤炭、石油等能源具有使用安全、热值高、洁净等优势，因此在发电、化工、民用燃料、工业燃料等重要领域极力推广应用。
虽然我国的天然气天然储备量相对充足，但是由于天然气形成方式导致其形成时间极为漫长，若不加控制过度开采，则我国的天然气田将枯竭，因此利用煤炭间接获取天然气主要成分甲烷的方案极为受到推崇，该方案之所以受到推崇是因为它结合了我国能源“富煤缺油少气”的基本特点，且变相解决了煤炭能源燃烧产生的三废问题，因此发展以煤为原料的石油及天然气替代能源势在必行。该方案的实施是利用煤气化后生产的合成气，再经甲烷化处理获得天然气主要成分甲烷首先，煤气化过程是一个热化学过程，以煤或煤焦为原料，氧气(或空气或富氧或纯氧)、水蒸气或氢气等作为气化剂，在高温条件下通过化学反应将煤或煤焦中的可燃部分转化为燃料煤气或合成气，其主要成分包括CO、H2, CO2, CH4等，其中CO、H2在化工原料气中被称为有效气，在气化工艺方面，主要包括壳牌气化法、德士古气化法、多喷嘴气化法、GSP气化法。其次，将获得的合成气经甲烷化处理，主要利用化学反应有C0+3H2 — CH4+H20+Q (I)C02+4H2 — CH4+2H20+Q (2)CO+ H2O — H2+C02+Q (3)实现上述反应的装置是甲烷化炉，目前均采用绝热式的轴向反应炉型(参见
图1)，合成反应气从上部进入甲烷化炉内，经过催化剂床层进行反应生成甲烷同时释放出大量热量，甲烷气及未反应的合成气等从下部出口进入废热锅炉(或称换热器)进行换热，将高温气体的热量吸收降温后进入第二甲烷化炉再次进行甲烷化反应，依次进行三级或四级反应。但是绝热式甲烷化炉在实际生产中存在以下缺点(I)甲烷化炉内反应温度不易控制，反应过程中释放的反应热量不能及时撤出，因此会造成催化剂过烧现象，一段甲烷化炉的转化率较低，循环气量大，能耗高。(2)催化剂床层高度较高，合成反应阻力降较大，串联的台数越多阻力降越大，能耗就越大，三台串联总压降高达O. 5 O. 8MPa ；
(3)由于绝热反应的结构特征，导致设备受压壳体的金属温度较高，受压壳体厚度厚，对材料的要求较高，设备造价昂贵；综上所述，虽然煤制甲烷的エ艺流程看似简单，但是实际生产中其エ艺流程參数及反应装置均存在有待改进的缺陷。本发明的目的在于改进现用煤制合成气甲烷化工艺中的甲烷化炉结构，提供ー种甲烷化炉的新型结构及该新型甲烷化炉的生产エ艺，以克服绝热式甲烷化炉的缺陷。为实现上述目的，设计ー种用于煤制合成气生产甲烷的甲烷化炉，包括合成气入ロ、催化剂床层和甲烷气出ロ，其特征在于甲烷化炉底部设有甲烷气出ロ，甲烷化炉左右两 侧设有合成气入口，甲烷化炉中部设有气体收集器中心管，气体收集器中心管底部连接甲烷气出口，气体收集器中心管径向外侧设有催化剂床层，催化剂床层径向外侧设有气体分布器，气体分布器连接合成气入ロ。另ー种用于煤制合成气生产甲烷的甲烷化炉，包括合成气入口、催化剂床层和甲烷气出口，其特征在于甲烷化炉底部设有合成气入ロ，甲烷化炉左右两侧设有甲烷气出ロ，甲烧化炉中部设有气体分布器，气体分布器底部连接合成气入ロ，气体分布器径向外侧设有催化剂床层，催化剂床层径向外侧设有气体收集器，气体收集器连接甲烷气出ロ。所述的催化剂床层内设有若干纵向列管，所述的催化剂床层上、下两端分别连接若干上部集水环形分管和若干下部集水环形分管，若干上部集水环形分管顶部连接上部集水环形总管，上部集水环形总管顶部连接上部水出ロ，若干下部集水环形分管底部连接下部集水环形总管，下部集水环形总管底部连接下部水入ロ。第一种甲烷化炉的生产方法，其特征在于合成气从甲烷化炉侧壁的合成气入口迸入气体分布器分布后径向通过催化剂床层，反应合成的甲烷气经过中心气体收集器中心管收集后，从甲烷化炉下部甲烷气出口流出，催化剂床层中设置有纵向列管，锅炉水从下部水入口进入，通过下部集水环管进入纵向列管，在此吸收反应热量汽化后从上部集水环管流出。第二种甲烷化炉的生产方法，其特征在于合成气从甲烷化炉下部的合成气入口迸入气体分布器中心管分布后径向通过催化剂床层，反应合成的甲烷气经过侧壁气体收集器收集后，从甲烷化炉侧壁甲烷气体出口流出，催化剂床层中设置有纵向列管，锅炉水从下部水入口进入，通过下部集水环管进入列管，在此吸收反应热量汽化后从上部集水环管流出。本发明改进了绝热式甲烷化炉的内部结构，达到了如下效用首先改变了合成气流经催化剂床层的走向，传统走向为纵向易受到催化剂床层高度影响，而本发明改纵向为分流径向，使得合成气与催化剂充分接触，催化反应进行得更完全；其次用于换热的纵向取热装置，由多根密集性排列的列管构成，最主要的是换热列管穿过等间隔设立的水平催化床层，由于两者结构上的设计使得降温效果显著，甲烷化炉内反应温度易受控制，反应过程中释放的反应热量能及时撤出，不会造成催化剂过烧现象。最后本发明中的甲烷化炉还设有气体收集器，统ー收集反应生成的甲烷气体，具有较高的工业应用价值。图I为现有技术中轴向绝热式甲烷化炉结构示意图；图2为本发明实施例一的径向流动副产蒸汽式甲烷化炉结构示意图；图3为本发明实施例二的径向流动副产蒸汽式甲烷化炉结构示意图；图4为本发明撤热装置；图5为本发明膨胀节结构放大图；图6为本发明实施例一的A-A剖视图； 其中1_轴向绝热式甲烷化炉合成气入口 ；2 -轴向绝热式甲烷化炉催化剂床层；
3-轴向绝热式甲烷化炉甲烷气出口 ；4_上部集水环形总管；5-上部集水环形分管；6-催化剂床层；7-合成气入口；8-气体分布器；9-纵向列管；10-下部集水环形分管；
11-下部集水环形总管；12_下部水入口 ；13_甲烷气出口 ；14_气体收集器；15_膨胀节；16_支撑栅。为了使本发明提出的技术方案更易理解，现结合附图对本发明作进一步阐述，其设备构造及生产工艺对本领域技术人员来说是清楚并可以实现的。本发明对合成气制天然气的关键设备甲烷化炉的结构作出了两种改进的方案，便因此得到了两种结构的甲烷化炉及其生产方法方案一此方案中的甲烷化炉结构如图2所示，包括合成气入口 7、催化剂床层6和甲烷气出口 13，其特征在于甲烷化炉底部设有甲烷气出口 13，甲烷化炉左右两侧设有合成气入口
7,甲烷化炉中部设有气体收集器14中心管，气体收集器14中心管底部连接甲烷气出口 13，气体收集器14中心管径向外侧设有催化剂床层6，催化剂床层6径向外侧设有气体分布器8，气体分布器8连接合成气入口 7 ;催化剂床层6内设有若干纵向列管9，所述的催化剂床层6上、下两端分别连接若干上部集水环形分管5和若干下部集水环形分管10，若干上部集水环形分管5顶部连接上部集水环形总管4，上部集水环形总管4顶部连接上部水出口，若干下部集水环形分管10底部连接下部集水环形总管11，下部集水环形总管11底部连接下部水入口。在这种结构的甲烷化炉中，合成气(H2/C0=3. I 3. 3)从甲烷化炉侧壁的合成气入口 7进入气体分布器8分布后径向通过催化剂床层6，反应合成的甲烷气经过中心气体收集器中心管14收集后，从甲烷化炉下部甲烷气出口 13流出。催化剂床层中设置有纵向列管9，锅炉水从下部水入口 12进入，通过下部集水环形总管11经下部集水环形分管10后进入纵向列管9，在此吸收反应热量汽化后从上部集水环形分管5经上部集水环形总管4流出，详见附图2。方案二此方案中的甲烷化炉结构如图3所示，包括合成气入口 7、催化剂床层6和甲烷气出口 13，其特征在于甲烷化炉底部设有合成气入口 7，甲烷化炉左右两侧设有甲烷气出口13，甲烷化炉中部设有气体分布器8，气体分布器8底部连接合成气入口 7，气体分布器径向外侧设有催化剂床层6，催化剂床层6径向外侧设有气体收集器14，气体收集器14连接甲烷气出ロ 13 ;催化剂床层6内设有若干纵向列管9，所述的催化剂床层6上、下两端分别连接若干上部集水环形分管5和若干下部集水环形分管10，若干上部集水环形分管5顶部连接上部集水环形总管4，上部集水环形总管4顶部连接上部水出ロ，若干下部集水环形分管10底部连接下部集水环形总管11，下部集水环形总管11底部连接下部水入口。在这种结构的甲烷化炉中，合成气(H2/C0=3. I 3. 3)从甲烷化炉下部的合成气入口 7进入气体分布器8中心管分布后径向通过催化剂床层6，反应合成的甲烷气经过侧壁气体收集器14收集后，从甲烷化炉侧壁甲烷气体出ロ 13流出，催化剂床层6中设置有纵向列管9，锅炉水从下部水入口 12进入，通过下部集水环形总管11经下部集水环形分管10后进入列管9，在此吸收反应热量汽化后从上部集水环形分管5经上部集水环形总管4流出，详见附图3。
本发明结构的一大特色如换热的纵向取热装置如图6所示，由多根密集性排列的列管构成，最主要的是等间距换热列管穿过催化剂床层，由于两者结构上的设计使得撤热效果显著，甲烷化炉内催化剂床层反应温度易受控制，近似等温床层，反应过程中释放的反应热量能及时撤出，不会造成催化剂过烧现象。本发明用于煤制合成气生产天然气领域中的关键设备甲烷化炉(亦称甲烷化反应器)，相关技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本发明所属的结构和技术方法进行改动或适当变更与组合来实现本发明技木。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。
权利要求
1.一种用于煤制合成气生产甲烷的甲烷化炉，包括合成气入ロ、催化剂床层和甲烷气出ロ，其特征在于甲烷化炉底部设有甲烷气出ロ，甲烷化炉左右两侧设有合成气入ロ，甲烷化炉中部设有气体收集器中心管，气体收集器中心管底部连接甲烷气出口，气体收集器中心管径向外侧设有催化剂床层，催化剂床层径向外侧设有气体分布器，气体分布器连接合成气入ロ。
2.一种用于煤制合成气生产甲烷的甲烷化炉，包括合成气入ロ、催化剂床层和甲烷气出ロ，其特征在于甲烷化炉底部设有合成气入ロ，甲烷化炉左右两侧设有甲烷气出ロ，甲烷化炉中部设有气体分布器，气体分布器底部连接合成气入ロ，气体分布器径向外侧设有催化剂床层，催化剂床层径向外侧设有气体收集器，气体收集器连接甲烷气出口。
3.如权利要求I或2所述的ー种用于煤制合成气生产甲烷的甲烷化炉，其特征在于所述的催化剂床层内设有若干纵向列管，所述的催化剂床层上、下两端分别连接若干上部集水环形分管和若干下部集水环形分管，若干上部集水环形分管顶部连接上部集水环形总管，上部集水环形总管顶部连接上部水出ロ，若干下部集水环形分管底部连接下部集水环形总管，下部集水环形总管底部连接下部水入ロ。
4.一种如权利要求I所述用于煤制合成气生产甲烷的甲烷化炉的生产方法，其特征在于合成气从甲烷化炉侧壁的合成气入口进入气体分布器分布后径向通过催化剂床层，反应合成的甲烷气经过中心气体收集器中心管收集后，从甲烷化炉下部甲烷气出口流出，催化剂床层中设置有纵向列管，锅炉水从下部水入口进入，通过下部集水环管进入纵向列管，在此吸收反应热量汽化后从上部集水环管流出。
5.一种如权利要求2所述用于煤制合成气生产甲烷的甲烷化炉的生产方法，其特征在于合成气从甲烷化炉下部的合成气入口进入气体分布器中心管分布后径向通过催化剂床层，反应合成的甲烷气经过侧壁气体收集器收集后，从甲烷化炉侧壁甲烷气体出口流出，催化剂床层中设置有纵向列管，锅炉水从下部水入口进入，通过下部集水环管进入列管，在此吸收反应热量汽化后从上部集水环管流出。
全文摘要
本发明涉及化工设备技术领域，具体的说是一种煤制合成气生产甲烷的甲烷化炉及其生产方法，该方法特征在于合成气从甲烷化炉侧壁的合成气入口进入气体分布器分布后径向通过催化剂床层，反应合成的甲烷气经过中心气体收集器中心管收集后，从甲烷化炉下部甲烷气出口流出，催化剂床层中设置有纵向列管，锅炉水从下部水入口进入，通过下部集水环管进入纵向列管，在此吸收反应热量汽化后从上部集水环管流出。本发明改变了合成气流经催化剂床层的走向，使得催化反应进行得更完全；其次有多根密集性排列的列管且列管穿过等间隔设立的水平催化床层，使得降温效果显著，反应温度易受控制；还设有气体收集器，统一收集甲烷气体，具有较高工业应用价值。
文档编号C07C9/04GK102814149SQ20121030348
公开日2012年12月12日 申请日期2012年8月23日 优先权日2012年8月23日
发明者赵斌义, 杨建国, 刘正文, 树茂华 申请人:上海蒙福陇化学工程有限公司