CN102329671A - 一种煤制合成天然气的甲烷化工艺 - Google Patents

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张新波
何洋
杨宽辉
郭雄
易竖鹏
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Abstract

本发明公开了一种煤制合成天然气的甲烷化工艺：将煤造气经净化和脱碳的合成气分成三股，第一股合成气和循环气混合后进入第一甲烷化反应器，第一甲烷化反应器出口的气体与第二股合成气混合后进入第二甲烷化反应器，第二甲烷化反应器出口的气体与第三股合成气混合后进入第三甲烷化反应器，在第三甲烷化反应器进行气体冷却后分出一部分气体进入循环压缩机升压后作为循环气，其余气体依次进入第四、第五或第六甲烷化反应器进行甲烷化反应，最后一个甲烷化反应器出口的气体中甲烷干基含量大于95%，然后冷却、压缩、脱水得到符合要求的合成天然气SNG。本发明具有循环气量小、能量利用率高、投资省的优点。

Description

一种煤制合成天然气的甲烷化工艺
技术领域
本发明涉及富含H2、CO和CO2气体的甲烷化工艺的方法，特别涉及一种煤制合成天然气的甲烷化工艺。
背景技术
中国预测煤炭储量约为5.47万亿吨，且大部分在山西省、内蒙古和新疆，特是新疆地处西北，交通运输条件较差。与此同时，我国常规天然气资源量约为35~38万亿Nm3，占世界总量的2%；其中可采资源量10~12万亿Nm3，人均天然气剩余可采储量仅相当于世界平均水平的6%，我国表现为相对富煤少气的国家。而天然气作为一种优质清洁能源，目前在我国一次能源消费中的比重仅为3.9%，远远低于世界23.7%的平均水平。多年来我国天然气消费增速超过产量增速，进口量逐年大幅增加。2010年我国天然气消费量达到1070亿Nm3，进口天然气166亿Nm3。据国务院发展研究中心预测，到2015年我国天然气消费量增加到1500亿Nm3，需进口400亿Nm3；到2020年消费量增加到3000亿Nm3，届时约有40%依赖进口。可以预见未来无论是国内还是国外对于天然气的需求都存在很大缺口，因此利用煤炭资源生产合成天然气将是一种现实的天然气补充来源。
现有的煤制合成天然气的甲烷化技术通常使用多个热交换器和气体循环机的复杂装置来控制温度，采用的循环气高达5倍之多，不仅增加了设备投资还大幅增加了循环气电耗。研发出更节能、循环气量小、成本较低的工艺实属迫切。
发明内容
本发明的目的是提供一种能量利用率高、循环气量小、投资较少的煤制合成天然气的甲烷化工艺。
为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
 一种煤制合成天然气的甲烷化工艺，包括如下工艺过程：
将煤造气经净化和脱碳后得到满足总硫小于0.1ppm和f = (nH2 - nCO2) / (nCO + nCO2) = 2.9~3.05的合成气分成三股，其中第一股合成气和循环气混合后进入第一甲烷化反应器，第一甲烷化反应器出口的气体与第二股合成气混合后进入第二甲烷化反应器，第二甲烷化反应器出口的气体与第三股合成气混合后进入第三甲烷化反应器，在第三甲烷化反应器进行气体冷却后分出一部分气体进入循环压缩机升压后作为循环气，其余气体依次进入第四、第五或第六甲烷化反应器进行甲烷化反应，最后一个甲烷化反应器出口的气体中甲烷干基含量大于95%，然后冷却，压缩，脱水得到符合要求的合成天然气SNG。
进入每个甲烷化反应器的入口温度为230℃~350℃，压力为1.5~8 MPa，所述反应器中以干气计算的体积空速为5000 h-1～30000h-1；进入所述循环压缩机的气体温度为100℃~180℃。
作为优选：第一、第二和第三甲烷化炉入口温度为250℃~300℃，干气计算的体积空速为10000 h-1~20000 h-1，最后一个甲烷化反应器的干气计算的体积空速为5000 h-1~10000 h-1；进入所述循环压缩机的气体温度为130℃~180℃。
所述第一甲烷化反应器、第二甲烷化反应器和第三甲烷化反应器出口的温度分别为490℃~650℃、490℃~650℃和600℃~700℃，其余甲烷化反应器出口温度为300℃~550℃，最后一个甲烷化反应器的出口温度优选为300℃~400℃。
作为优选：第一和第二甲烷化炉出口温度为490℃~635℃，第三甲烷化炉出口温度为610~690℃。
作为优选：合成气中f = (nH2 - nCO2) / (nCO + nCO2) = 2.95~3.05。
第一、第二和第三甲烷化反应器为绝热甲烷化反应器，最后一个甲烷化反应器为绝热或等温甲烷化反应器。
所述甲烷化反应器中的甲烷化催化剂是以镍为主要活性组分的催化剂。
包括西南化工研究设计院的CNJ-5甲烷化催化剂(专利号ZL200810046429.9)、J105甲烷化催化剂、J103和J103H甲烷化催化剂、J101甲烷化催化剂、大连普瑞特化工公司的M系列甲烷化催化剂、托普索公司的MCR系列甲烷化催化剂和Davay公司的CEG系列甲烷化催化剂等。
作为优选：所述的甲烷化反应器中的甲烷化催化剂是CNJ-5甲烷化催化剂。
专利号ZL200810046429.9所述的催化剂，主要包括载体、活性物质和助剂等，其中：以Al2O3为载体，以镍为主要活性组分，以MgO为助剂；其中：活性组分镍以NiO形Al2O3－MgO形成镁铝尖晶石的载体结构；主要组分质量百分含量分别为：NiO含量为5%～20%，Al2O3的含量为30%～80%，MgO的含量为1%～50%。优选为NiO含量为5%～12%，Al2O3的含量为50%～70%，MgO的含量为10%～40%。在此命名为CNJ-5甲烷化催化剂。
在所述工艺过程中，通过废热锅炉和过热器产生中压或是高压蒸汽回收甲烷化反应器出口的高温气体的热量。
产生的过热中压或高压蒸汽可进一步利用，蒸汽用于发电或是作为推动压缩机的动力。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明所述煤制合成天然气的甲烷化工艺是一种能量利用率高、循环气量小、投资较少的工艺。
 附图说明
图1是本发明的工艺流程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的上述发明内容作进一步的详细描述。
但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的范围内。
实施例1 
按照图1所示工艺流程，压力为3MPa，100000Nm3/h的合成气且合成气中总硫小于0.1ppm，f = (nH2 - nCO2) / (nCO + nCO2) = 2.98，具体为合成气的组成(体积分数，干基)为H2 64.01%，CO 20.03%，CO2 1.1%，CH4 14.57%，N2 0.29%。合成气分成三股分别进入第一甲烷化绝热反应器、第二甲烷化绝热反应器和第三甲烷化绝热反应器的合成气，其气量分别为5500Nm3/h、19000Nm3/h和75500Nm3/h。循环气气量为65000Nm3/h，进入循环压缩机的温度为100℃。第一和第二甲烷化炉入口温度为250℃，出口温度为490℃，干气空速都为10000 h-1。第三甲烷化炉入口温度为270℃，出口温度为632℃，干气空速为20000 h-1。第四和第五甲烷化炉入口温度分别为260℃和310℃，出口温度为454℃和392℃，干气空速分别为15000 h-1和5000 h-1。反应后各组分的体积分数(干基)分别为CH4占96.98%，CO占20ppm，CO2占0.70%，N2占0.79%，H2占1.51%，干基流量为36538Nm3/h，出口气体压力约为2.0MPa，然后压缩，脱水得到合成天然气进入管道输送到用户。
实施例2
按照图1所示工艺流程，压力为1.5 MPa，100000Nm3/h的合成气且合成气中总硫小于0.1ppm，f = (nH2 - nCO2) / (nCO + nCO2) = 2.95，具体为合成气的组成(体积分数，干基)为H2 63.43%，CO 20.03%，CO2 1.1%，CH4 15.15%，N2 0.29%。合成气分成三股分别进入第一甲烷化反应器、第二甲烷化反应器和第三甲烷化反应器的合成气，其气量分别为13000Nm3/h、24000Nm3/h和63000Nm3/h。循环气气量为28000Nm3/h，进入循环压缩机的温度为180℃。第一和第二甲烷化炉入口温度都为250℃，出口温度分别为635℃和630℃，干气空速都为20000 h-1。第三甲烷化炉入口温度为270℃，出口温度为686℃，干气空速为20000 h-1。第四甲烷化炉入口温度为260℃，出口温度为516℃，干气空速分别为9000 h-1。第五甲烷化炉反应器采用等温甲烷化反应器，控制催化剂床层温度为350℃，干气空速为8000 h-1。反应后各组分的体积分数(干基)分别为CH4占96.42%，CO占10ppm，CO2占1.11%，N2占0.78%，H2占1.66%，干基流量为37180Nm3/h，出口气体压力约为0.6 MPa，然后压缩，脱水得到合成天然气进入管道输送到用户。
实施例3
按照图1所示工艺流程，压力为8MPa，100000Nm3/h的合成气且合成气中总硫小于0.1ppm，f = (nH2 - nCO2) / (nCO + nCO2) = 3.05，具体为合成气的组成(体积分数，干基)为H2 65.55%，CO 20.03%，CO2 1.1%，CH4 13.03%，N2 0.29%。合成气分成三股分别进入第一甲烷化反应器、第二甲烷化反应器和第三甲烷化反应器的合成气，其气量分别为9000Nm3/h、22000Nm3/h和69000Nm3/h。循环气气量为58000Nm3/h，进入循环压缩机的温度为170℃。第一和第二甲烷化炉入口温度都为250℃，出口温度分别为527℃和527℃，干气空速为15000 h-1。第三甲烷化炉入口温度为270℃，出口温度为637℃，干气空速为18000 h-1。第四和第五甲烷化炉入口温度分别为260℃和300℃，出口温度为460℃和386℃，干气空速分别为10000 h-1和6000 h-1。反应后各组分的体积分数(干基)分别为CH4占95.45%，CO占8ppm，CO2占0.15%，N2占0.81%，H2占3.58%，干基流量为35730Nm3/h，出口气体压力约为6.9MPa，然后压缩，脱水得到合成天然气进入管道输送到用户。
实施例4
按照图1所示工艺流程，压力为3MPa，100000Nm3/h的合成气且合成气中总硫小于0.1ppm，f = (nH2 - nCO2) / (nCO + nCO2) = 3.05，具体为合成气的组成(体积分数，干基)为H2 65.55%，CO 20.03%，CO2 1.1%，CH4 13.03%，N2 0.29%。合成气分成三股分别进入第一甲烷化反应器、第二甲烷化反应器和第三甲烷化反应器的合成气，其气量分别为9000Nm3/h、22000Nm3/h和69000Nm3/h。循环气气量为58000Nm3/h，进入循环压缩机的温度为150℃。第一和第二甲烷化炉入口温度都为300℃，出口温度分别为555℃和556℃，干气空速为20000 h-1。第三甲烷化炉入口温度为280℃，出口温度为646℃，干气空速为30000 h-1。第四和第五甲烷化炉入口温度分别为290℃和270℃，出口温度为486℃和382℃，干气空速分别为15000 h-1和10000 h-1。反应后各组分的体积分数(干基)分别为CH4占95.36%，CO占30ppm，CO2占0.16%，N2占0.81%，H2占3.66%，干基流量为35750Nm3/h，出口气体压力约为2.0MPa，然后压缩，脱水得到合成天然气进入管道输送到用户。
 
实施例5
按照图1所示工艺流程，压力为5.6MPa，100000Nm3/h的合成气且合成气中总硫小于0.1ppm，f = (nH2 - nCO2) / (nCO + nCO2) = 3.00，具体为合成气的组成(体积分数，干基)为H2 64.49%，CO 20.03%，CO2 1.1%，CH4 14.09%，N2 0.29%。合成气分成三股分别进入第一甲烷化反应器、第二甲烷化反应器和第三甲烷化反应器的合成气，其气量分别为13000Nm3/h、24000Nm3/h和63000Nm3/h。循环气气量为28000Nm3/h，进入循环压缩机的温度为180℃。第一和第二甲烷化炉入口温度都为255℃，出口温度分别为640℃和638℃，干气空速都为20000 h-1。第三甲烷化炉入口温度为270℃，出口温度为690℃，干气空速为20000 h-1。第四甲烷化炉入口温度为260℃，出口温度为522℃，干气空速为15000 h-1。第五甲烷化炉入口温度为300℃，出口温度为431℃，干气空速为15000 h-1。第六甲烷化炉入口温度为260℃，出口温度为289℃，干气空速为6000 h-1。反应后各组分的体积分数(干基)分别为CH4占97.71%，CO占9ppm，CO2占0.29%，N2占0.81%，H2占1.19%，干基流量为35930Nm3/h，出口气体压力约为4.4 MPa，然后压缩，脱水得到合成天然气进入管道输送到用户。
实施例6
按照图1所示工艺流程，压力为6.4MPa，100000Nm3/h的合成气且合成气中总硫小于0.1ppm，f = (nH2 - nCO2) / (nCO + nCO2) = 2.90，具体为合成气的组成(体积分数，干基)为H2 62.38%，CO 20.03%，CO2 1.1%，CH4 16.20%，N2 0.29%。合成气分成三股分别进入第一甲烷化反应器、第二甲烷化反应器和第三甲烷化反应器的合成气，其气量分别为13500Nm3/h、23500Nm3/h和63000Nm3/h。循环气气量为28000Nm3/h，进入循环压缩机的温度为150℃。第一和第二甲烷化炉入口温度分别为230℃、280℃，出口温度均为650℃，干气空速都为5000 h-1。第三甲烷化炉入口温度为250℃，出口温度为700℃，干气空速为10000 h-1。第四甲烷化炉入口温度为230℃，出口温度为495℃，干气空速为10000 h-1。第五甲烷化炉入口温度为230℃，出口温度为300℃，干气空速为5000 h-1。反应后各组分的体积分数(干基)分别为CH4占96.45%，CO占150ppm，CO2占1.66%，N2占0.76%，H2占1.13%，干基流量为38040Nm3/h，出口气体压力约为5.4 MPa，然后压缩，脱水得到合成天然气进入管道输送到用户。
实施例7
按照图1所示工艺流程，压力为5.6MPa，100000Nm3/h的合成气且合成气中总硫小于0.1ppm，f = (nH2 - nCO2) / (nCO + nCO2) = 2.95，具体为合成气的组成(体积分数，干基)为H2 63.43%，CO 20.03%，CO2 1.1%，CH4 15.15%，N2 0.29%。合成气分成三股分别进入第一甲烷化反应器、第二甲烷化反应器和第三甲烷化反应器的合成气，其气量分别为14000Nm3/h、23400Nm3/h和62600Nm3/h。循环气气量为36800Nm3/h，进入循环压缩机的温度为160℃。第一和第二甲烷化炉入口温度都为350℃，出口温度分别为670℃和665℃，干气空速都为30000 h-1。第三甲烷化炉入口温度为275℃，出口温度为700℃，干气空速为20000 h-1。第四甲烷化炉入口温度为280℃，出口温度为550℃，干气空速为20000 h-1。第五甲烷化炉入口温度为290℃，出口温度为370℃，干气空速为5000 h-1。第六甲烷化炉入口温度为350℃，出口温度为353℃，干气空速为10000 h-1。反应后各组分的体积分数(干基)分别为CH4占95.98%，CO占614ppm，CO2占1.20%，N2占0.78%，H2占2.03%，干基流量为37320Nm3/h，出口气体压力约为4.3 MPa，然后压缩，脱水得到合成天然气进入管道输送到用户。 

Claims (10)

1.一种煤制合成天然气的甲烷化工艺，其特征在于：包括如下工艺过程：
将煤造气经净化和脱碳后得到满足总硫小于0.1ppm和f = (nH2 - nCO2) / (nCO + nCO2) = 2.9~3.05的合成气分成三股，其中第一股合成气和循环气混合后进入第一甲烷化反应器，第一甲烷化反应器出口的气体与第二股合成气混合后进入第二甲烷化反应器，第二甲烷化反应器出口的气体与第三股合成气混合后进入第三甲烷化反应器，在第三甲烷化反应器进行气体冷却后分出一部分气体进入循环压缩机升压后作为循环气，其余气体依次进入第四、第五或第六甲烷化反应器进行甲烷化反应，最后一个甲烷化反应器出口的气体中甲烷干基含量大于95%，然后冷却，压缩，脱水得到符合要求的合成天然气SNG。
2.根据权利要求1所述的煤制合成天然气的甲烷化工艺，其特征在于：
进入每个甲烷化反应器的入口温度为230℃~350℃，压力为1.5~8 MPa，所述反应器中以干气计算的体积空速为5000 h-1～30000h-1。
3.根据权利要求2所述的煤制合成天然气的甲烷化工艺，其特征在于：
所述第一、第二和第三甲烷化炉入口温度为250℃~300℃，干气计算的体积空速为10000 h-1~20000 h-1，最后一个甲烷化反应器的干气计算的体积空速为5000 h-1~10000 h-1；
进入所述循环压缩机的气体温度为100℃~180℃。
4.根据权利要求1所述的煤制合成天然气的甲烷化工艺，其特征在于：
所述第一甲烷化反应器、第二甲烷化反应器和第三甲烷化反应器出口的温度分别为490℃~650℃、490℃~650℃和600℃~700℃，其余甲烷化反应器出口温度为300℃~550℃，最后一个甲烷化反应器的出口温度优选为300℃~400℃。
5.根据权利要求4所述的煤制合成天然气的甲烷化工艺，其特征在于：所述第一和第二甲烷化炉出口温度为490℃~635℃，第三甲烷化炉出口温度为610~690℃。
6.根据权利要求1所述的煤制合成天然气的甲烷化工艺，其特征在于：合成气中f = (nH2 - nCO2) / (nCO + nCO2) = 2.95~3.05。
7.根据权利要求1所述的一种煤制合成天然气的甲烷化工艺，其特征在于：第一、第二和第三甲烷化反应器为绝热甲烷化反应器，最后一个甲烷化反应器为绝热或等温甲烷化反应器。
8.根据权利要求1所述的一种煤制合成天然气的甲烷化工艺，其特征在于：所述甲烷化反应器中的甲烷化催化剂是以镍为主要活性组分的催化剂。
9.根据权利要求8所述的一种煤制合成天然气的甲烷化工艺，其特征在于：所述的甲烷化反应器中的甲烷化催化剂是CNJ-5甲烷化催化剂。
10.根据权利要求1所述的一种煤制合成天然气的甲烷化工艺，其特征在于：在所述工艺过程中，通过废热锅炉和过热器产生中压或是高压蒸汽回收甲烷化反应器出口的高温气体的热量。
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