一种合成气制替代天然气的方法

文档序号:10504992阅读:550来源:国知局
一种合成气制替代天然气的方法
【专利摘要】本发明公开了一种合成气制替代天然气的方法。包括:(1)原料气经预热、水解、精脱硫反应、加热;(2)加热后的原料气分成两股,一股进入1#热管甲烷合成反应器进行甲烷化反应,1#热管甲烷合成反应器产品经过中压废锅后释放部分热量后,与另一股原料气混合进入2#热管甲烷合成反应器继续进行甲烷化反应;(3)2#热管甲烷合成反应器出口产物经过蒸汽过热器后,顺次通过2#原料加热器、1#原料加热器、锅炉给水加热器、冷凝器换热后,经分离得到替代天然气。本发明流程简单、副产高压蒸汽,工艺能效高。反应器能及时移除反应热,均化了反应床层温度,避免催化剂出现过热区域,延长了催化剂的使用寿命,提高了转化率和选择性。
【专利说明】
一种合成气制替代天然气的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及煤化工技术领域,进一步地说,是涉及一种合成气制替代天然气的方 法。
【背景技术】
[0002] 20世纪70年代,受世界能源危机的影响,T〇pS0e、Davy、Lurgi等企业加快了煤 制天然气的研究步伐,合成气甲烷化技术是煤制天然气的关键部分,其核心是甲烷化催化 剂和工艺的研究。Lurgi公司开发的两步法甲烧化工艺,率先在美国建成的Great Plains 煤制天然气项目得到运用,从1984年建成投产至今已稳定运行30年。Lurgi工艺主要包括 煤气化、合成气变换、脱硫、甲烷化反应,分离等过程,其工艺核心是固定床绝热反应器。
[0003] 甲烷化反应是一个体积缩小、强放热反应,需要在适宜的操作条件下进行,反应温 度280-650°C,反应压力2. 5-50MPa(G)。甲烷化反应的进出口温升高达300°C。计算表明, 每转化1%的CO或0)2可产生的绝热温升分别达到了 70°C和60°C。可以看出甲烷化反应 器的开发重点是实现有效控温。
[0004] 煤制替代天然气路线的核心技术是甲烷化工艺,关键设备是能够有效控温的反应 器。固定床和流化床两种反应器能实现对反应温度的有效控制。流化床反应器由于存在着 严重的返混及催化剂磨损问题,目前尚处于实验室开发阶段。固定床甲烷化反应器已经出 现了比较成熟的技术,如英国Davy公司的CRG甲烷化工艺、丹麦Topsoe公司TREMP甲烷 化工艺以及德国的Lugri公司甲烷化工艺。为了控制甲烷化反应温升,回收反应放出的大 量热能,三大工业化甲烷化工艺采用多个固定床甲烷化反应器串并联、部分富甲烷产品气 循环的方式,逐级进行甲烷化反应,在反应器出口设置蒸汽发生器回收反应热,通过压缩机 循环部分产品气来控制每台反应器的甲烷化反应转化深度。但是,传统的甲烷化反应器存 在反应器设备尺寸庞大、容易出现局部飞温、移热缓慢、床层温度高、催化剂容易失活以及 反应和取热必须在两个独立设备中进行的问题,并且还存在着工艺流程长、成本高、能效低 等问题,因此限制了单个反应器的生产能力,工艺的整体经济性较低。
[0005] 因此,为了减小反应器的设备尺寸,降低反应器压降损失,提高单个甲烷化反应器 的生产能力和整个甲烷化工艺的能量利用效率,尽可能的回收高温位热量,充分延长催化 剂的使用寿命,满足反应器大型化的需求,是目前需要解决的技术问题。

【发明内容】

[0006] 为解决现有技术中出现的问题,本发明提供了一种合成气制替代天然气的方法。 原料气在冷壁反应器中呈向心流动,由于采用了径向床反应器结构以及强化传热的热管传 热元件,原料气在径向床反应器中沿反应器径向流动,与相同催化剂装填量的轴向床反应 器相比,不但短停留时间短,而且降低了反应器压力降、均化了床层温度,提高了床层的换 热效率及反应物转化率,同时还缩小了反应器尺寸,便于加工和运输,解决了现有技术存在 的缺陷。
[0007] 本发明的目的是提供一种合成气制替代天然气的方法。
[0008] 包括:
[0009] (1)原料气经预热、水解、精脱硫反应后加热至220-350°C ;
[0010] (2)加热后的原料气分成两股,一股进入1#热管甲烷合成反应器进行甲烷化反 应,1#热管甲烷合成反应器产品气经过中压废锅后释放部分热量后,与另一股原料气混合 进入2#热管甲烷合成反应器继续进行甲烷化反应;
[0011] (3)2#热管甲烷合成反应器出口产物经过蒸汽过热器后,顺次通过2#原料加热 器、1#原料加热器、锅炉给水加热器、冷凝器换热后,经分离得到替代天然气;
[0012] (4)预热锅炉给水分两股,一股进入中压废锅,产生中压蒸汽后进入汽包,另一股 则直接进入汽包;
[0013] (5) 1#热管甲烷合成反应器和2#热管甲烷合成反应器为串并联连接,共用一个汽 包
[0014] 其中,优选:
[0015] 1#热管甲烷合成反应器和2#热管甲烷合成反应器的进口温度分别为220-350°C; 出口温度为320-620°C,操作压力为2. 8-5. IMPa。
[0016] 所述原料气中H2/C0体积比为2. 8-3. 5。
[0017] 热管是一种高导热性能传热元件,依靠自身内部液体工质的相变传输热量无需外 加动力。具有传热效率高、等温性能好、热流密度可以自动调节、热流方向具有可逆性、结构 可以按需要灵活布置以及高可靠性的特点。
[0018] 本申请米用的热管甲烧合成反应器包括壳体,壳体分为上壳体和下壳体,上壳体 内的空间为换热区,下壳体内的空间为甲烷化反应区;所述上壳体和下壳体通过高压凸封 头连接;
[0019] 热管甲烷合成反应器顶部设置进气口,底部设置出气口;上壳体上设置有冷却介 质进口和蒸汽出口;
[0020] 换热区内设置有折流挡板;甲烷化反应区设置有催化剂床层,催化剂床层顶部和 底部分别设置有催化剂顶部密封板和催化剂底部密封板;甲烷化反应区底部设置有隔热材 料;
[0021] 热管竖直设置在壳体空间内,热管垂直穿过高压凸封头、催化剂顶部密封板、催化 剂床层和催化剂底部密封板插入到隔热材料中;热管与高压凸封头、催化剂顶部密封板和 催化剂底部密封板分别固定连接。
[0022] 连接进气口的进气管穿过高压凸封头深入到甲烷化反应区内,进气管的末端设置 气体分布器;中心管布置于催化剂床层中央,一端连接出气口,一端与催化剂顶部密封板连 接,并且与催化剂底部密封板、下壳体密封固定。
[0023] 所述热管的直径为IOmm-IOOmm ;相邻热管中心距离为100mm-500mm,优选为 100mm-300mm,更优选为 200mm。
[0024] 热管插入到隔热材料中的长度不低于五倍热管直径;优选为七倍热管直径;热管 与壳体的间距为不低于三倍热管直径,优选为五倍热管直径。
[0025] 所述换热区内液体介质液面距热管顶部距离不小于三倍热管直径,优选为五倍热 管直径。
[0026] 本发明具体按照如下步骤进行:
[0027] a.来自变换的合成气作为原料气,其H2/C0体积比为2. 8-3. 5。原料气在1#原料 加热器内进行预热。
[0028] b.预热后的原料依次通过水解器31、精脱硫反应器30、2#原料加热器,预热后的 原料气温度范围为220-350 °C。
[0029] c.预热到一定温度的原料气,分两股进入1#热管甲烷合成反应器、2#热管甲烷化 合成反应器进行甲烷化反应,1#热管甲烷合成反应器产品气经过中压废锅25后释放部分 热量后,与另一股原料气混合进入2#热管甲烷合成反应器继续进行甲烷化反应,甲烷合成 反应器的进出口温度分别为220-350 °C和320-620 °C,操作压力为2. 8-5. IMPa。
[0030] d. 2#热管甲烷合成反应器出口产物经过蒸汽过热器后,顺次通过2#原料加热器、 1#原料加热器、锅炉给水加热器23、冷凝器22,最后通过产品分离器32,分离后得到替代天 然气。
[0031] 所述的热管固定床甲烷合成反应器采取二级串并联方式排列,物料主要通过中压 废锅25、蒸汽过热器26、2#原料加热器、1#原料加热器、锅炉给水加热器23、冷凝器22,产 品分离器32。
[0032] 所述的预热锅炉给水分两股,一股进入中压废锅,产生中压蒸汽后进入汽包,另一 股则直接进入汽包。
[0033] 本发明的有益效果:
[0034] 1.本发明采用两个热管径向甲烷合成反应器串并联的方式连接,不需要采用压缩 机循环部分产品气,并且将锅炉预热给水分两股,一股进入中压废锅产生中压蒸汽。另外, 产品气经过蒸汽过热器、两次预热原料气及锅炉给水,可以产生8-12MPa,200-300°C的过热 蒸汽,能量利用效率提高了 5% -10%。
[0035] 2.本发明利用热管传热元件将甲烷化反应和传热集成在一个反应器内。反应器内 不会出现催化剂局部过热失活现象,床层温度均匀,可以解决有限的空间条件下大量反应 热的移除问题。延长了催化剂的使用寿命(寿命可以提高15% -20% )。反应物转化效率 可提高5%-15%,目标产物选择性可提高5%-10%,床层压降较同处理量的轴向反应器低 (20% -35% )。
【附图说明】
[0036] 图1本发明的甲烷合成反应工艺流程示意图
[0037] 图2为本发明的热管甲烷合成反应器结构示意图。
[0038] 图3图2的A-A面剖视图
[0039] 图4热管与反应器环隙之间位置关系局部示意图
[0040] 图5热管与反应器中心管之间位置关系局部示意图
[0041] 其中,1一进气口,2-壳体,3-折流挡板,4一高压凸封头,5-热管,6-催化剂顶 部密封板,7-催化剂,8-催化剂底部密封板,9-出气口,10-隔热材料,11-中心管,12- 外筒,13-催化剂封,14 一第二气体分布器,15-第一气体分布器,16-蒸汽出口,17-冷却 介质进口,18-热管与外筒间距,19-热管之间间距,20-热管与中心管间距,21-1#原料 加热器,22-冷却器,23-锅炉给水加热器,24 - 2#原料加热器,25-中压废锅,26-过热 器,27-汽包,28 - 1#甲烷化反应器,29 - 2#甲烷化反应器,30-精脱硫反应器,31-水解 反应器,32-产品分离器;41-原料气,42-锅炉给水;43-替代天然气;44-冷凝液;45-过热 蒸汽。
【具体实施方式】
[0042] 下面结合实施例,进一步说明本发明。
[0043] 实施例1
[0044] 如图1所示,该流程由1#原料加热器、水解反应器、精脱硫反应器、2#原料加热器、 1#甲烷化反应器、中压废锅、2#甲烷化反应器、过热器、锅炉给水加热器、冷却器及产品分 离器相连;两个甲烷化反应器采用串并联的方式相连,共用一个汽包。
[0045] 操作步骤如下:
[0046] a.来自变换的合成气作为原料气,其H2/C0体积比为3. 0,总体积流率为10m3/h, 原料气在1#原料加热器内进行预热。
[0047] b.预热后的原料依次通过水解器31、精脱硫反应器30、2#原料加热器,加热后的 原料气温度为250 °C。
[0048] c.将加热后的原料气分两股,一股进入1#甲烷合成反应器,经反应后从底部离开 反应器,产品气经过中压废锅25后释放部分热量后,与另一股原料气混合进入2#甲烷合 成反应器继续进行甲烷化反应,两个甲烷合成反应器的进出口温度分别为250°C、55(TC和 3 2〇°C、48〇°C,操作压力为 3. OMPa。
[0049] d. 2#甲烷化反应器出口产物经过蒸汽过热器后,顺次通过2#原料加热器、1#原料 加热器、锅炉给水加热器23、冷凝器22,最后通过产品分离器32,分离后得到替代天然气。
[0050] 本实施例中一氧化碳的转化率为98%,甲烷的选择性为95%,同时副产9MPa, 250°C的高温过热蒸汽。
[0051] 甲烷合成反应器的结构如下:
[0052] 包括壳体,壳体分为上壳体和下壳体,上壳体内的空间为换热区,下壳体内的空间 为甲烷化反应区;所述上壳体和下壳体通过高压凸封头4连接;
[0053] 热管甲烷合成反应器顶部设置进气口 1,底部设置出气口 9 ;上壳体上设置有冷却 介质进口 17和蒸汽出口 16 ;
[0054] 换热区内设置有折流挡板3 ;甲烷化反应区设置有催化剂床层7,催化剂床层7顶 部和底部分别设置有催化剂顶部密封板6和催化剂底部密封板8 ;甲烷化反应区底部设置 有隔热材料10 ;催化剂顶部密封板6和催化剂床层7之间设置一段供催化剂热胀冷缩用的 瓷球(也称为催化剂封13);
[0055] 热管竖直设置在壳体空间内,热管垂直穿过高压凸封头4、催化剂顶部密封板6、 催化剂封13、催化剂床层7和催化剂底部密封板8插入到隔热材料10中;热管与高压凸封 头、催化剂顶部密封板和催化剂底部密封板分别固定连接;
[0056] 连接进气口 1的进气管穿过高压凸封头4深入到甲烷化反应区内,进气管的末端 设置两级气体分布器;中心管11插入催化剂床层中,一端连接出气口 9, 一端与催化剂顶部 密封板6连接。
[0057] 所述热管的直径为18mm ;相邻热管中心距离为150mm。
[0058] 热管插入到隔热材料中的长度为100mm ;热管与壳体的间距为75mm。
[0059] 所述换热区内液体介质液面距热管顶部距离为75mm。
[0060] 实施例2
[0061] 工艺流程、甲烷合成反应器结构同实施例1。
[0062] 操作步骤如下:
[0063] a.来自变换的合成气作为原料气,其H2/C0体积比为3. 5,总体积流率为10m3/h, 原料气在1#原料加热器内进行预热。
[0064] b.预热后的原料依次通过水解器31、精脱硫反应器30、2#原料加热器,加热后的 原料气温度为280 °C。
[0065] c.将加热后的原料气分两股,一股进入1#甲烷合成反应器,经反应后从底部离开 反应器,产品气经过中压废锅25后释放部分热量后,与另一股原料气混合进入2#甲烷合 成反应器继续进行甲烷化反应,两个甲烷合成反应器的进出口温度分别为280°C、60(TC和 340°C、500°C,操作压力为 3. OMPa。
[0066] d. 2#甲烷合成反应器出口产物经过蒸汽过热器后,顺次通过2#原料加热器、1# 原料加热器、锅炉给水加热器23、冷凝器22,最后通过产品分离器32,分离后得到替代天然 气。
[0067] 本实施例中一氧化碳的转化率为99%,甲烷的选择性为95%,同时副产lOMPa, 280 °C的高温过热蒸汽。
[0068] 实施例3
[0069] 工艺流程、甲烷合成反应器结构同实施例1。
[0070] a.来自变换的合成气作为原料气,其H2/C0体积比为3. 0,总体积流率为10m3/h, 原料气在1#原料加热器内进行预热。
[0071] b.预热后的原料依次通过水解器31、精脱硫反应器30、2#原料加热器,加热后的 原料气温度为300 °C。
[0072] c.将加热后的原料气分两股,一股进入1#甲烷合成反应器,经反应后从底部离开 反应器,产品气经过中压废锅25后释放部分热量后,与另一股原料气混合进入2#甲烷合 成反应器继续进行甲烷化反应,两个甲烷合成反应器的进出口温度分别为300°C、60(TC和 340°C、 55〇°C,操作压力为 4. OMPa。
[0073] d. 2#甲烷合成反应器出口产物经过蒸汽过热器后,顺次通过2#原料加热器、1# 原料加热器、锅炉给水加热器23、冷凝器22,最后通过产品分离器32,分离后得到替代天然 气。
[0074] 本实施例中一氧化碳的转化率为99%,甲烷的选择性为95%,同时副产8MPa, 230°C的高温过热蒸汽。
【主权项】
1. 一种合成气制替代天然气的方法,其特征在于所述方法包括: (1) 原料气经预热、水解、精脱硫反应后加热至220-350°C ; (2) 加热后的原料气分成两股,一股进入1#热管甲烷合成反应器进行甲烷化反应,1# 热管甲烷合成反应器产品气经过中压废锅后释放部分热量后,与另一股原料气混合进入2# 热管甲烷合成反应器继续进行甲烷化反应; (3) 2#热管甲烷合成反应器出口产物经过蒸汽过热器后,顺次通过2#原料加热器、1# 原料加热器、锅炉给水加热器、冷凝器换热后,经分离得到替代天然气; (4) 预热锅炉给水分两股,一股进入中压废锅,产生中压蒸汽后进入汽包,另一股则直 接进入汽包; (5) 1#热管甲烷合成反应器和2#热管甲烷合成反应器为串并联连接,共用一个汽包。2. 如权利要求1所述的合成气制替代天然气的方法,其特征在于: 1#甲烷合成反应器和2#热管甲烷合成反应器的进口温度分别为220-350°C;出口温度 为 320-620°C,操作压力为 2. 8-5. IMPa。3. 如权利要求1所述的合成气制替代天然气的方法,其特征在于: 所述原料气中H2/C0体积比为2. 8-3. 5。4. 如权利要求1~3之一所述的合成气制替代天然气的方法,其特征在于: 所述热管甲烧合成反应器包括壳体,壳体分为上壳体和下壳体,上壳体内的空间为换 热区,下壳体内的空间为甲烷化反应区;所述上壳体和下壳体通过高压凸封头连接; 热管甲烷合成反应器顶部设置进气口,底部设置出气口;上壳体上设置有冷却介质进 口和蒸汽出口; 换热区内设置有折流挡板;甲烷化反应区设置有催化剂床层,催化剂床层顶部和底部 分别设置有催化剂顶部密封板和催化剂底部密封板;甲烷化反应区底部设置有隔热材料; 热管竖直设置在壳体空间内,热管垂直穿过高压凸封头、催化剂顶部密封板、催化剂床 层和催化剂底部密封板插入到隔热材料中;热管与高压凸封头、催化剂顶部密封板和催化 剂底部密封板分别固定连接; 连接进气口的进气管穿过高压凸封头深入到甲烷化反应区内,进气管的末端设置气体 分布器;中心管布置于催化剂床层中央,一端连接出气口,一端与催化剂顶部密封板连接, 并与催化剂底部密封板、下壳体密封固定。5. 如权利要求4所述的合成气制替代天然气的方法,其特征在于: 所述热管的直径为1〇__1〇〇_。6. 如权利要求5所述的合成气制替代天然气的方法,其特征在于: 相邻热管中心距离为100mm_500mm。7. 如权利要求4所述的合成气制替代天然气的方法,其特征在于: 热管插入到隔热材料中的长度不低于五倍热管直径;热管与壳体的间距为不低于三倍 热管直径。8. 如权利要求5所述的合成气制替代天然气的方法,其特征在于: 所述换热区内液体介质液面距热管顶部距离不小于三倍热管直径。
【文档编号】C10L3/08GK105861085SQ201510034215
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2015年1月23日
【发明人】张旭, 戴文松, 王子宗, 蒋荣兴
【申请人】中国石化工程建设有限公司, 中石化炼化工程(集团)股份有限公司
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