CN103289769A - 无循环回路的合成气完全甲烷化制合成天然气的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及无循环回路的合成气完全甲烷化制合成天然气的方法，粗合成气一部分发生变换反应得到富氢粗合成气，另一部分直接降温并分离出液态水后得到富碳粗合成气；再分别经过净化处理，除去杂质气体；经过净化的富氢合成气或富碳合成气作为反应流股进入一级甲烷化反应器发生甲烷化反应，富碳合成气或富氢合成气作为控制流股用于控制其他各级甲烷化反应器的反应深度，反应产物出一级甲烷化反应器经降温并补充部分控制流股后进入下一级甲烷化反应器，直至在最后一级甲烷化反应器前全部控制流股补充到反应流股内；富含甲烷的反应产物进入合成天然气后处理单元，得到合成天然气产品。本发明方法节约投资和能耗、更易于控制和操作。
Description
技术领域
本发明涉及一种制备合成天然气的方法，特别是涉及一种无循环回路的合成气完全甲烷化制合成天然气的工艺方法。
背景技术
近年来，受我国的天然气资源及开发速度的限制，已经不能满足化工行业和城市生活日益增长的需要，寻找新的天然气来源已经迫在眉睫。利用煤炭或其他原料制合成气，再经合成气完全甲烷化制合成天然气是完全可行的。
合成气完全甲烷化制合成天然气的主要工艺原理是：一氧化碳与氢气在一定的温度、压力和催化剂作用下发生化学反应，化学反应式为：
3H2+CO=CH4+H2O+Q
甲烷化反应为强放热反应，绝热反应温升高（气体中每转化1%的一氧化碳绝热温升72℃），如果不采用控制措施，系统的温升将损坏催化剂及设备。传统的生产工艺流程为：将富含氢气和一氧化碳的合成气的氢气与一氧化碳的氢碳比（即H2/CO的摩尔比，以下简称氢碳比）调整到3.0左右，然后将生成的富含甲烷的产品气返回到进料原料气中，以降低原料气中一氧化碳和氢气的浓度，从而降低反应系统的温升，以保证反应的正常进行。如德国鲁奇公司的完全甲烷化技术、英国煤气公司和德国鲁奇公司合作开发的HICOM甲烷化技术以及丹麦托普索公司的TREMP甲烷化技术均采用这种控制甲烷化反应器温升的方法而设置了循环回路。循环回路的设置导致进入甲烷化反应器的气体流量明显增加，增加了设备投资、管道投资，于此同时还需要增加循环压缩机，增加了装置投资及装置能耗，也增加了装置操作的复杂性。因操作不当，会出现反应失控而超温的情况，严重时还可能“烧毁”催化剂和设备。因此，现有设置循环回路的合成气完全甲烷化制合成天然气的工艺方法装置投资高、能耗高运行费用高且装置操作复杂。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种无循环回路、节约投资且节约能耗、更易于控制和操作的合成气完全甲烷化制合成天然气的方法。本发明的理论基础，甲烷化反应的温升取决于甲烷化反应进行的深度，可通过控制原料气中一种反应物的含量来控制反应深度，本发明工艺通过控制反应物中CO或H2的浓度来控制反应深度。
为达上述目的，本发明一种无循环回路的合成气完全甲烷化制合成天然气的方法，
（1）自上游装置的粗合成气进入一氧化碳变换装置后分为两部分，一部分粗合成气经变换反应器发生变换反应得到富氢粗合成气（即富含氢气的粗合成气），另一部分不经变换反应，直接降温并分离出液态水后得到富碳粗合成气（即富含一氧化碳的粗合成气）；
（2）所述富氢粗合成气和富碳粗合成气进入净化装置后分别经过净化处理，除去杂质气体及微量的水分，得到干净的富含氢气的合成气（以下简称富氢合成气）和富含一氧化碳的合成气（以下简称富碳合成气）；
（3）经过净化的富氢合成气或富碳合成气作为反应流股进入一级甲烷化反应器发生甲烷化反应，富碳合成气或富氢合成气作为控制流股用于控制除一级甲烷化反应器之外的其他各级甲烷化反应器的反应深度，反应产物出一级甲烷化反应器经降温并补充部分控制流股后进入下一级甲烷化反应器，直至在最后一级甲烷化反应器前全部控制流股补充到反应流股内；
（4）自最后一级甲烷化反应器的富含甲烷的反应产物进入合成天然气后处理单元，经包括干燥、压缩在内的处理过程，得到合成天然气产品。
其中所述步骤（1）中上游装置的粗合成气是以氢气和一氧化碳为主要组分，用作化工原料的一种原料气。合成气的原料范围很广，可由煤或焦炭等固体燃料气化产生，也可由天然气或石脑油等轻质烃类制取，还可由重油经部分氧化法生产。
本发明的方法，其中在所述第（2）步中，除去的杂质气体为二氧化碳、硫化氢和羰基硫等下游甲烷化装置不需要的气体。
本发明的方法，还包括在第（4）步中自最后一级甲烷化反应器的富含甲烷的反应产物进入低温甲烷化反应器的步骤，以确保一氧化碳完全反应。
本发明的方法，其中在第（3）步中，当富氢合成气作为反应流股，经过配气（即补充适量富碳合成气）使富氢合成气氢碳比在7至32之间，优选在10至25之间；当富碳合成气作为反应流股，经过配气（即补充适量富氢合成气）使富碳合成气氢碳比在0.09至1.2之间，优选在0.13至0.8之间。当上述反应流股中氢碳比在上述范围内时，则不需要配气。本发明所述的氢碳比为摩尔比。
所述经净化的富氢合成气补充适量富碳合成气得到氢碳比符合要求的富氢合成气作为反应流股进入一级甲烷化反应器发生甲烷化反应，余量富碳合成气作为控制流股用于控制除一级甲烷化反应器之外的其他各级甲烷化反应器的反应深度；也可通过控制变换反应的深度，使富氢粗合成气经净化后氢碳比符合一级甲烷化反应器的要求，不需要补充富碳合成气直接作为反应流股进入一级甲烷化反应器发生甲烷化反应，将经净化的富碳合成气作为控制流股用于控制除一级甲烷化反应器之外的其他各级甲烷化反应器的反应深度。
所述反应流股的氢碳比决定了一级甲烷化反应器发生甲烷化反应的深度，进而决定了一级甲烷化反应器的温升和出口温度。因此，一级甲烷化反应器的温升和出口温度通过反应流股的氢碳比来调节。所述反应流股的氢碳比可以通过调整富碳合成气的补充量来调节，也可以通过调整变换反应的深度来调节。反应流股的氢碳比越高，甲烷化反应器的温升和出口温度越低；反之，反应流股的氢碳比越低，甲烷化反应器的温升和出口温度越高。所述富含氢气的反应流股的氢碳比，由一级甲烷化反应器允许的出口温度决定，一般在7至32之间，优选在10至25之间。
反之，富碳合成气作为反应流股，富氢合成气作为控制流股也可。所述经净化的富碳合成气补充适量富氢合成气得到氢碳比符合要求的富碳合成气作为反应流股进入一级甲烷化反应器发生甲烷化反应，余量富氢合成气作为控制流股用于控制除一级甲烷化反应器之外的其他各级甲烷化反应器的反应深度；如果富碳合成气氢碳比符合一级甲烷化反应器的要求，不需要补充富氢合成气直接作为反应流股进入一级甲烷化反应器发生甲烷化反应，将经净化的富氢合成气作为控制流股用于控制除一级甲烷化反应器之外的其他各级甲烷化反应器的反应深度。
所述反应流股的氢碳比决定了一级甲烷化反应器发生甲烷化反应的深度，进而决定了一级甲烷化反应器的温升和出口温度。因此，一级甲烷化反应器的温升和出口温度通过反应流股的氢碳比来调节。所述反应流股的氢碳比可以通过调整富氢合成气的补充量来调节。反应流股的氢碳比越低，甲烷化反应器的温升和出口温度越低；反之，反应流股的氢碳比越高，甲烷化反应器的温升和出口温度越高。所述富含一氧化碳的反应流股的氢碳比由一级甲烷化反应器允许的出口温度决定，一般在0.09至1.2之间，优选在0.13至0.8之间。
反应产物出一级甲烷化反应器经降温并补充部分控制流股后进入二级甲烷化反应器，反应产物出二级甲烷化反应器经降温并补充部分控制流股后进入三级甲烷化反应器，依次类推，直至全部控制流股补充到反应流股内。控制流股的补充量越大，下一级甲烷化反应器的温升和出口温度越高；控制流股的补充量越小，下一级甲烷化反应器的温升和出口温度越低。因此，控制流股的补充量由下一级甲烷化反应器允许的温升和出口温度决定。各级甲烷化反应器的出口温度在500℃至900℃之间，优选在600℃至800℃之间。各级甲烷化反应器的温升和出口温度越高，对甲烷化反应器的材质要求越高，需要的总的甲烷化反应器的数量越少；各级甲烷化反应器的温升和出口温度越低，对甲烷化反应器的材质要求越低，需要的总的甲烷化反应器的数量越多，所述甲烷化反应器在4-15台之间，优选在4-10之间。
所述自最后一级甲烷化反应器的富含甲烷的反应产物进入低温甲烷化反应器，确保一氧化碳完全反应。如果出最后一级甲烷化反应器的反应产物中一氧化碳已经完全反应，可不设置低温甲烷化反应器，自最后一级甲烷化反应器的富含甲烷的反应产物直接进入合成天然气后处理单元。低温甲烷化反应器的出口温度在200℃至600℃之间，优选在300℃至500℃之间。
由前述甲烷化反应的化学方程式可知，发生甲烷化反应氢气和一氧化碳的摩尔比为3：1，为保证在最终产品合成天然气中一氧化碳完全反应，氢气应该适度过量，因此，所述反应流股和控制流股总氢碳比，也就是反应流股和控制流股混合之后的氢碳比要大于3，在3.0至3.1之间，优选在3.01至3.05之间。
与现有技术相比，在不设置循环回路不需要循环压缩机的情况下，本发明的工艺方法可有效控制甲烷化反应，进而有效控制各级甲烷化反应器的温升和出口温度，降低了装置投资减少了能耗，同时简化了装置操作，一级甲烷化反应器只需控制反应流股的氢碳比，其后各级甲烷化反应器只需控制控制流股的补充量。
目前，工业化的合成气完全甲烷化制合成天然气技术仅由国外公司如鲁奇、托普索、戴维等少数公司掌握。本发明工艺另辟蹊径，采用了完全与国外公司不同的技术线路，技术含量高，填补了国内合成气完全甲烷化制合成天然气工艺方法的空白。
下面结合附图对本发明的无循环回路的合成气完全甲烷化制合成天然气的方法作进一步说明。
附图说明
图1为本发明一种无循环回路的合成气完全甲烷化制合成天然气的方法示意图（富氢合成气作为反应流股）；
图2为本发明一种无循环回路的合成气完全甲烷化制合成天然气的方法示意图（富碳合成气作为反应流股）。
附图标记说明：1-一氧化碳变换装置；2-净化装置；3-一级甲烷化反应器；4-一级降温配气单元；5-二级甲烷化反应器；6-二级降温配气单元；7-三级甲烷化反应器；8-三级降温配气单元；9-四级甲烷化反应器；10-四级降温配气单元；11-五级甲烷化反应器；12-五级降温配气单元；13-六级甲烷化反应器；14-六级降温配气单元；15-七级甲烷化反应器；16-七级降温单元；17-低温甲烷化反应器；18-合成天然气后处理单元。
具体实施方式
以下是实施例及其试验数据等，但本发明的内容并不局限于这些实施例的范围。
实施例1
工艺流程如图1所示：自上游装置的粗合成气进入一氧化碳变换装置后分为两部分，一部分粗合成气经变换反应器发生变换反应得到富氢粗合成气，另一部分不经变换反应，直接降温并分离出液态水后得到富碳粗合成气。所述富氢粗合成气和富碳粗合成气进入净化装置后分别经过净化过程，分离出下游甲烷化装置不需要的微量水分及二氧化碳、硫化氢和羰基硫等气体，得到干净的富氢合成气和富碳合成气。所述干净的富氢合成气和富碳合成气的总氢碳比，即富氢合成气和富碳合成气混合后的氢碳比为3.03。富氢合成气流股B，氢碳比10.8，不需要配气直接作为反应流股进入一级甲烷化反应器发生甲烷化反应，富碳合成气作为控制流股用于控制除一级甲烷化反应器之外的其他各级甲烷化反应器的反应深度。反应产物出一级甲烷化反应器经降温并补充部分控制流股后进入二级甲烷化反应器，反应产物出二级甲烷化反应器经降温并补充部分控制流股后进入三级甲烷化反应器，依次类推，直至全部控制流股补充到反应流股内，本实施例中控制流股分三次全部补充到反应流股内，需要设置甲烷化反应器四台，各级甲烷化反应器的出口温度请参下表相应流股的温度。反应产物出四级甲烷化反应器经降温进入低温甲烷化反应器，低温甲烷化反应器的出口温度请参下表相应流股的温度。自低温甲烷化反应器的反应产物经干燥、压缩等后处理工艺过程可得到合成天然气产品。详细的流股数据请参附图1及下表：
备注：上述表格中的流量指干基气体流量，组成是干基气体组成。
实施例2
工艺流程如图2所示：自上游装置的粗合成气进入一氧化碳变换装置后分为两部分，一部分粗合成气经变换反应器发生变换反应得到富氢粗合成气，另一部分不经变换反应，直接降温并分离出液态水后得到富碳粗合成气。所述富氢粗合成气和富碳粗合成气进入净化装置后分别经过净化过程，分离出下游甲烷化装置不需要的微量水分及二氧化碳、硫化氢和羰基硫等气体，得到干净的富氢合成气和富碳合成气。所述干净的富氢合成气和富碳合成气的总氢碳比，即富氢合成气和富碳合成气混合后的氢碳比为3.03。富碳合成气流股B，氢碳比0.31，不需要配气直接作为反应流股进入一级甲烷化反应器发生甲烷化反应，富氢合成气作为控制流股用于控制除一级甲烷化反应器之外的其他各级甲烷化反应器的反应深度。反应产物出一级甲烷化反应器经降温并补充部分控制流股后进入二级甲烷化反应器，反应产物出二级甲烷化反应器经降温并补充部分控制流股后进入三级甲烷化反应器，依次类推，直至全部控制流股补充到反应流股内，本实施例中控制流股分六次全部补充到反应流股内，需要设置甲烷化反应器七台，各级甲烷化反应器的出口温度请参下表相应流股的温度。反应产物出七级甲烷化反应器经降温进入低温甲烷化反应器，低温甲烷化反应器的出口温度请参下表相应流股的温度。自低温甲烷化反应器的反应产物经干燥、压缩等后处理工艺过程可得到合成天然气产品。详细的数据请参附图2及下表：
备注：上述表格中的流量指干基气体流量，组成是干基气体组成。
上述实施例均设置了低温甲烷化反应器，以确保一氧化碳完全反应。如果出最后一级甲烷化反应器的反应产物中一氧化碳已经完全反应，可不设置低温甲烷化反应器，自最后一级甲烷化反应器的富含甲烷的反应产物直接进入合成天然气后处理单元。经干燥、压缩等后处理工艺过程可得到合成天然气产品。
上述实施例中反应流股和控制流股总的氢碳比为3.03，本发明不限于上述实施例中的列举，为保证在最终产品合成天然气中一氧化碳完全反应，所述反应流股和控制流股总的氢碳比应大于3，在3.0至3.1之间，优选在3.01至3.05之间。
实施例1中反应流股是富氢合成气，控制流股为富碳合成气，其中所述反应流股的氢碳比，由一级甲烷化反应器允许的出口温度决定，一般在7至32之间，优选在10至25之间，不限于该实施例中的10.8。
实施例2中反应流股为富碳合成气，控制流股为富氢合成气，其中所述反应流股的氢碳比，由一级甲烷化反应器允许的出口温度决定，一般在0.09至1.2之间，优选在0.13至0.8之间，不限于该实施例中的0.31。
在实际生产中，各级甲烷化反应器的出口温度可根据需要调整，一般在500℃至900℃之间，优选在600℃至800℃之间。如需设置低温甲烷化反应器，低温甲烷化反应器的出口温度一般在200℃至600℃之间，优选在300℃至500℃之间。不限于上述实施例中的列举。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (8)
1.一种无循环回路的合成气完全甲烷化制合成天然气的方法，其特征在于：
（1）自上游装置的粗合成气进入一氧化碳变换装置后分为两部分，一部分粗合成气经变换反应器发生变换反应得到富氢粗合成气，另一部分不经变换反应，直接降温并分离出液态水后得到富碳粗合成气；
（2）所述富氢粗合成气和富碳粗合成气进入净化装置后分别经过净化处理，除去杂质气体及微量的水分；
（3）经过净化的富氢合成气或富碳合成气作为反应流股进入一级甲烷化反应器发生甲烷化反应，富碳合成气或富氢合成气作为控制流股用于控制除一级甲烷化反应器之外的其他各级甲烷化反应器的反应深度，反应产物出一级甲烷化反应器经降温并补充部分控制流股后进入下一级甲烷化反应器，直至在最后一级甲烷化反应器前全部控制流股补充到反应流股内；
（4）自最后一级甲烷化反应器的富含甲烷的反应产物进入合成天然气后处理单元，经包括干燥、压缩在内的处理过程，得到合成天然气产品。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：还包括在第（4）步中自最后一级甲烷化反应器的富含甲烷的反应产物进入低温甲烷化反应器的步骤，以确保一氧化碳完全反应。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在所述第（3）步中，当富氢合成气作为反应流股，富氢合成气氢碳比在7至32之间，优选在10至25之间；当富碳合成气作为反应流股，富碳合成气氢碳比在0.09至1.2之间，优选在0.13至0.8之间。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在所述第（3）步中，所述甲烷化反应器为4-15级，优选4-10级。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在所述第（3）步中，反应流股和控制流股混合后，总的氢碳比在3.0至3.1之间，优选在3.01至3.05之间。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述各级甲烷化反应器的出口温度在500℃至900℃之间，优选在600℃至800℃之间。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述低温甲烷化反应器的出口温度在200℃至600℃之间，优选在300℃至500℃之间。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在所述第（2）步中，除去的杂质气体包括二氧化碳、硫化氢和羰基硫。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130911 |