本实用新型涉及一种甲烷化工艺，尤其涉及一种无循环甲烷化工艺中能量的优化利用系统。
背景技术：
甲烷化工艺是指合成气中CO、CO2和H2在一定的温度、压力及催化剂的作用下，发生甲烷化反应生成甲烷的过程。该反应为强放热反应(强放热反应通常是指焓值大于200kJ/mol的反应)，在通常的合成气体组份下，每一个百分点的CO甲烷化可产生74℃的绝热温升，每一个百分点的CO2甲烷化可产生60℃的绝热温升。受到反应平衡及催化剂性能的限制，在甲烷化工艺中，通常通过设置多级串联的反应器来实现合成气的完全甲烷化。根据反应器内原料气消耗量的不同，甲烷化工艺又包括配气甲烷化(或大量甲烷化)和补充甲烷化(或完全甲烷化)两阶段。大部分甲烷在第一阶段(通常分为2～4级)生成，第二阶段主要是为了实现合成气的完全甲烷化，通过逐级(通常分为2～3级)平衡降温来实现。在配气甲烷化阶段，由于反应器内反应消耗的原料气量大，反应温升剧烈，反应器内部温度高，一般可达500～700℃。因而工业化的甲烷化反应器多通过设置耐火衬里来降低反应器的金属壁温，同时，为了减小耐火衬里的厚度，反应器的外壁裸露在环境中以强化散热。这不仅增加了设备投资、增大了耐火衬里损坏时可能造成的安全风险、增大了反应器外壁存在的烫伤风险，也降低了系统的能量利用率。
同时，配气甲烷化阶段反应器的出口温度高，下游多通过设置废热锅炉的形式来降低工艺气体的温度，当废热锅炉副产蒸汽的压力等级较高时，由于蒸汽温度高，废热锅炉两侧的传热温差减小，废热锅炉出口工艺气体温度较高，此时若直接进入下一级反应器，则下一级反应器中CO或H2单程转化率会有所降低，对甲烷化反应不利。因而应设计合理的工艺流程来降低反应器入口的工艺气温度。
在甲烷化工艺中，配气甲烷化阶段随反应的进行会产生大量的水，而水含量过大会对甲烷化反应的正向进行起到抑制作用，因而在配气甲烷化阶段反应结束后，会将工艺气体的温度降低至100℃以下，以分离掉工艺气体中含有的大量水分。在补充甲烷化阶段，随反应的进行也会产生一定量的水分，而合成天然气产品中对水含量也有严格的要求，一般需要将工艺气体的温度降低至50℃以下，以初步除去气体中含有的水分。在配气甲烷化阶段及补充甲烷化阶段的工艺气降温过程中，当工艺气温度降低至140℃～180℃左右时，工艺气体中仍然携带大量的低品位热量，而该部分热量往往由于品位低，利用难度大，最终在较高的温度下通过循环水冷却至所需温度。这不仅造成了能量的浪费，而且降低了企业的经济效益。
技术实现要素：
本实用新型的目的是提供一种无循环甲烷化工艺中能量的优化利用系统。
本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：
本实用新型的无循环甲烷化工艺中能量的优化利用系统，包括配气甲烷化阶段和补充甲烷化阶段，所述配气甲烷化阶段设有多级反应器，所述补充甲烷化阶段设有一级或多级反应器；
所述配气甲烷化阶段的各级反应器外部设有反应器冷却夹套，所述配气甲烷化阶段的各级反应器的进口管线上设有富CO气冷激管线，所述配气甲烷化阶段的末端及补充甲烷化阶段的末端分别设有热泵，所述配气甲烷化阶段除第一级反应器之外的各级反应器进口的上游分别设有反应器入口换热器，所述补充甲烷化阶段除第一级反应器之外的其它反应器进口的上游分别设有反应器入口换热器。
由上述本实用新型提供的技术方案可以看出，本实用新型实施例提供的无循环甲烷化工艺中能量的优化利用系统，通过设置反应器冷却夹套的技术来降低反应器的外壁温度及反应器耐火衬里的厚度，通过在反应器入口设置富CO气冷激管线或反应器入口换热器的技术来降低反应器的入口温度，通过热泵技术充分利用无循环甲烷化工艺中的低品位热量来副产较高品位的蒸汽。
附图说明
图1为本实用新型实施例提供的无循环甲烷化工艺中能量的优化利用系统的结构示意图。
图标：
R1～R6-第1级反应器～第6级反应器；J1～J4-冷却夹套；G1～G4-富CO气冷激管线；E11～E15-废热锅炉；E21～E24-反应器入口换热器；E31～E32-预热器；E41～E42-热泵；E51-第5级反应预热器；E52-水冷器；V1～V2-分液罐。
具体实施方式
下面将对本实用新型实施例作进一步地详细描述。本实用新型实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
本实用新型的无循环甲烷化工艺中能量的优化利用系统，其较佳的具体实施方式是：
包括配气甲烷化阶段和补充甲烷化阶段，所述配气甲烷化阶段设有多级反应器，所述补充甲烷化阶段设有一级或多级反应器；
所述配气甲烷化阶段的各级反应器外部设有反应器冷却夹套，所述配气甲烷化阶段的各级反应器的进口管线上设有富CO气冷激管线，所述配气甲烷化阶段的末端及补充甲烷化阶段的末端分别设有热泵，所述配气甲烷化阶段除第一级反应器之外的各级反应器进口的上游分别设有反应器入口换热器，所述补充甲烷化阶段除第一级反应器之外的其它反应器进口的上游分别设有反应器入口换热器。
所述配气甲烷化阶段采用2～4级反应器，所述补充甲烷化阶段采用1～2级反应器。
所述反应器入口换热器为原料富H2气加热器、锅炉水加热器或蒸汽过热器等。
所述配气甲烷化阶段的热泵设置于配气甲烷化阶段末端分液罐的上游，该热泵的出口端与配气甲烷化阶段的末端分液罐直接连通；
所述补充甲烷化阶段的热泵设置于补充甲烷化阶段末端分液罐的上游，该热泵的出口端与补充甲烷化阶段的末端分液罐之间还设置有水冷器。
所述配气甲烷化阶段的热泵与补充甲烷化阶段的热泵上游还设置预热器，所述预热器为原料富H2气预热器、原料富CO气预热器或脱盐水预热器等。
本实用新型的无循环甲烷化工艺中能量的优化利用系统实现无循环甲烷化工艺中能量的优化利用方法，包括：
所述反应器冷却夹套采用脱盐水、锅炉水或其它液体作为冷却介质，换热后的冷却介质以热液体或蒸汽的形式输出；
所述反应器入口换热器通过加热原料富H2气、锅炉水或蒸汽等实现降低反应器进口温度；
所述配气甲烷化阶段的热泵与补充甲烷化阶段的热泵上游的预热器用于初步预热原料富H2气、原料富CO气或脱盐水等。
所述原料富H2气依次通过预热器和反应器入口换热器中的一个或多个设备以加热至230℃以上，进入反应系统，原料富CO气仅经过预热器一次预热至160℃以下，作为冷激气通过CO气冷激管线配入反应系统。
本实用新型的无循环甲烷化工艺中能量的优化利用系统，通过设置反应器冷却夹套的技术来降低反应器的外壁温度及反应器耐火衬里的厚度，减少了设备投资，提高了系统的能量利用率。通过在反应器入口设置富CO气冷激管线或反应器入口换热器的技术来降低反应器的入口温度，可将反应器的入口温度控制在需要的范围内，增加了系统的操作灵活性。通过热泵技术充分利用无循环甲烷化工艺中的低品位热量来副产较高品位的蒸汽，减少了循环冷却水的耗量，提高了低位热能的利用效率，有助于提高企业效益。
具体实施例：
如图1所示，该有无循环甲烷化工艺中能量的优化利用系统包括：反应器冷却夹套J1～J4、反应器入口富CO气冷激管线G1～G4、反应器入口换热器E21～E24及热泵E41～E42。其中，反应器冷却夹套J1～J4设置于无循环甲烷化工艺中配气甲烷化阶段的各级反应器R1～R4外部，富CO气冷激管线G1～G4设置于配气甲烷化阶段的各级反应器R1～R4的进口管线上，反应器入口换热器E21～E24设置于反应器R1～R4及R6进口的上游，热泵E41～E42分别设置于配气甲烷化阶段的末端及补充甲烷化阶段的末端。
进一步地，反应器冷却夹套J1～J4采用脱盐水、锅炉水或其他液体作为冷却介质，换热后的冷却介质可以热液体或蒸汽的形式输出。
进一步地，配气甲烷化阶段采用4级反应器R1～R4，第2级反应器R2的入口上游设置反应器入口换热器E21，第3级反应器R3的入口上游设置反应器入口换热器E22，第4级反应器R4的入口上游设置反应器入口换热器E23。此时，富CO气冷激管线G2与反应器入口换热器E21的出口端联通，富CO气冷激管线G3与反应器入口换热器E22的出口端联通，富CO气冷激管线G4与反应器入口换热器E23的出口端联通。根据实际工况，当仅通过富CO气冷激管线G2便能使第2级反应器R2进口温度满足工艺要求时，第2级反应器R2的上游可不设计反应器入口换热器E21。当仅通过富CO气冷激管线G3便能使第3级反应器R3进口温度满足工艺要求时，第3级反应器R3的上游可不设计反应器入口换热器E22。当仅通过富CO气冷激管线G4便能使第4级反应器R4进口温度满足工艺要求时，第4级反应器R4的上游可不设计反应器入口换热器E23。
进一步地，补充甲烷化阶段采用2级反应器，即第5级反应器R5和第6级反应器R6，在第6级反应器R6的进口上游设置反应器入口换热器E24。
进一步地，反应器入口换热器E21～E24可以为原料富H2气加热器、锅炉水加热器、蒸汽过热器等，通过加热原料富H2气、锅炉水或蒸汽等，实现降低反应器进口温度的目的。
进一步地，配气甲烷化阶段的热泵E41设置于配气甲烷化阶段末端分液罐V1的上游，利用配气甲烷化阶段的低品位热量来副产较高品位的蒸汽。该热泵E41的出口端与配气甲烷化阶段的末端分液罐V1连通，中间可不再设计其他冷却设备。
进一步地，补充甲烷化阶段的热泵E42设置于补充甲烷化阶段末端分液罐V2的上游，利用补充甲烷化阶段的低品位热量来副产较高品位的蒸汽。该热泵E42的出口端与补充甲烷化阶段的末端分液罐V2之间，还设置有水冷器E52，以对产品气进一步的冷却，达到工艺要求。
进一步地，配气甲烷化阶段的热泵E41上游还可设置预热器E31，补充甲烷化阶段的热泵E42上游还可设置预热器E32，预热器E31及E32可以为原料富H2气预热器、原料富CO气预热器、脱盐水预热器等，用以初步预热原料富H2气、原料富CO气或脱盐水等。
进一步地，原料富H2气依次通过预热器E31～E32和反应器入口换热器E21～E24中的一个或多个设备以加热至230℃以上，进入反应系统。原料富CO气仅经过预热器E31或E32一次预热至160℃以下，作为冷激气通过CO气冷激管线G1～G4配入反应系统。
以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。