CN103409187A - 一种利用焦炉气制备sng或lng无循环气的甲烷化工艺 - Google Patents

一种利用焦炉气制备sng或lng无循环气的甲烷化工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用焦炉气制备SNG或LNG无循环气的甲烷化工艺，将焦炉气分成若干股分别进入若干个串联的甲烷化主反应器，用副产水蒸气对进入其中第一甲烷化主反应器的焦炉气进行稀释，在最后一个甲烷化主反应器后，将甲烷化后的气体冷却，冷凝分离水，再进入一个甲烷化次反应器，对残余的CO和CO2进行甲烷化反应，然后送去进行分离或液化，得到SNG或LNG。本发明是一种投资成本更低，在抑制结炭反应的同时，又尽可能地降低能耗、提高反应深度，能够同时适用于SNG或LNG生产的利用焦炉气制备SNG或LNG无循环气的甲烷化工艺。

Description

一种利用焦炉气制备SNG或LNG无循环气的甲烷化工艺
技术领域
本发明涉及利用焦炉气制备合成天然气（SNG）或液化天然气（LNG）技术中的甲烷化工艺。
背景技术
我国焦炭年生产能力在3亿吨之上，每生产1吨焦炭副产焦炉气400m3左右。除炼焦自用、民用及商用燃料、发电外，每年放散的煤气超过200亿m3之多，既浪费了宝贵的资源，又污染了环境。
利用焦炉气生产合成天然气或液化天然气是近年来一个热点技术。由于我国天然气资源短缺，今后随着对环境要求的提高及城镇化进展，天然气需要量越来越大，每年需进口大量的液化天然气及管道天然气。不少焦炉气企业正在利用焦炉气建设合成天然气或液化天然气装置。在焦炉气生产合成天然气的技术中，除了焦炉气的净化外，关键技术是焦炉气的甲烷化技术。而如何有效的解决甲烷化过程中强放热和反应深度之间的矛盾是焦炉气制天然气一直以来不断尝试去解决的难题。专利“一种利用焦炉气制备合成天然气的方法”（专利号ZL 200610021836.5）介绍了利用焦炉气制备合成天然气的方法，介绍了为了控制甲烷化反应温度，用已甲烷化的气体加压返回到原料焦炉气中，稀释进甲烷化反应器气体中的CO+CO2的含量。专利“一种利用焦炉气制备合成天然气的甲烷化反应工艺”（专利号ZL 200910058611.0）采用甲烷化后的气体作为稀释气，稀释焦炉气中CO+CO2的含量，为了减少甲烷化反应的循环气量，降低能耗，采用了多级甲烷化工艺。这两个专利中，均控制进入甲烷化反应器的CO+CO2含量≤3.5%，甲烷化后的气体温度≤550℃，或称低温甲烷化反应。
发明内容
本发明的目的在于：提出一种投资成本更低，在抑制结炭反应的同时，又尽可能地降低能耗、提高反应深度，能够同时适用于SNG或LNG生产的利用焦炉气制备SNG或LNG无循环气的甲烷化工艺。
本发明目的通过下述技术方案来实现：
一种利用焦炉气制备SNG或LNG无循环气的甲烷化工艺，将焦炉气分成若干股分别进入若干个串联的甲烷化主反应器，用副产水蒸气对进入其中第一甲烷化主反应器的焦炉气进行稀释，在最后一个甲烷化主反应器后，将甲烷化后的气体冷却，冷凝分离水，再进入一个甲烷化次反应器，对残余的CO和CO2进行甲烷化反应，然后送去进行分离或液化，得到SNG或LNG。
本发明方案采用水蒸气作为进甲烷化反应器焦炉气的稀释气，而不用已甲烷化后的气体返回作为稀释气，也不用其他气体。由于甲烷化反应工艺中副产蒸汽的压力大于甲烷化反应压力，可以直接加入到甲烷化反应器的焦炉气中，不需要现有技术中的循环气压缩机。所述副产水蒸气是指各甲烷化反应器出口气换热降温副产的水蒸气。
本发明方案加入水蒸气作用首先在于：其一，省去循环气压缩机，节省了投资，减少了动力消耗；其二，焦炉气中含有C2以上烃类，对于高温甲烷化反应，加入水蒸气可以抑制结炭反应，保护了催化剂。
但是由于甲烷化反应是强放热反应，温度越高，对反应越不利，因此本方案加入的水蒸气同时又起到抑制甲烷化反应从而降低温度的作用，反应温度越高，所需的水蒸气就越多。，但由于水蒸气本身会抑制甲烷化反应，因此，加入水蒸气又会降低反应深度。如前所述，这是甲烷化过程中强放热和反应深度之间的矛盾。另外，由于水蒸气为高热物料，加入水蒸气就增加了反应体系内热量，最后还必须要冷却下来，能耗增加，因此为了提高能量利用率，加入水蒸气量应尽量少，这是甲烷化过程中的第二个矛盾。因此如何保证反应温度一定的条件下，尽可能减少水蒸气用量，使能耗降低，是本发明的难点和关键点。因此，本发明采取焦炉气分多股进入甲烷化主反应器，且仅在进第一甲烷化主反应器的焦炉气中加入水蒸气，这样保证反应温度一定的条件下使蒸汽用量大大减少，提高了甲烷化工艺的能量利用率。且在该特定方案下，将最后一个甲烷化主反应器出口气体进行冷却，冷凝分离水后，只需再进入仅一个甲烷化次反应器，即可将残余的CO和CO2进一步反应掉，使出口气体中的CO2含量降低到50×10-6以下，满足对于生产LNG为目标产物的装置，保证进低温装置气体中的CO2体积含量小于50×10-6的要求。而反过来，脱离了前述方案的基础，就难以仅需一个甲烷化次反应器这样的最经济、最优化的方式得到LNG的结果，甚至最终根本无法满足LNG制备的更高要求。
作为优选方式，所述各甲烷化主反应器的出口气体温度为550℃～620℃，更优选，550℃～600℃。
本发明方案更有利于适用于高温甲烷化反应工艺（反应温度550℃以上），能有效解决高温甲烷化中更为困难的高热、结炭、能耗，LNG制备等矛盾。
作为优选方式，所述水蒸气用量为进入第一甲烷化主反应器焦炉气摩尔量的20%～50%。
作为优选方式，进入所述各甲烷化主反应器的气体温度为260℃～320℃，最后一个甲烷化主反应器后气体冷却至温度80℃～100℃。
作为优选方式，所述焦炉气分成2股～3股。
本发明工艺过程：以焦炉气分成两股为例，第一股经加热后与过热水蒸气混合（温度260℃～320℃），压力2.0 MPa～2.1 MPa，然后进入第一甲烷化主反应器中，进行甲烷化反应。甲烷化后的气体进入废锅进行冷却，并副产蒸汽，然后与第二股焦炉气混合，温度260℃～320℃，进入第二甲烷化主反应器中，进行甲烷化反应，此时已有90%以上CO+CO2反应掉。出第二甲烷化主反应器的气体进入废锅进行冷却，并副产蒸汽后再冷却到80℃～100℃，在分离器中分离水后，加热到260℃进入甲烷化次反应器，进一步将残余的CO和CO2反应掉，使出口气体中的CO2含量降低到50×10-6以下。
本发明的有益效果：通过本发明使甲烷化反应流程简化，省掉了循环气压缩机。由于水蒸气的加入，抑制了结炭反应，对催化剂有保护作用。仅在进第一甲烷化主反应器加入水蒸气，使其用量大大减少，提高了能量利用率。该方法适用于生产LNG。本发明实现了抑制结炭反应、保护催化剂作用的实现，与甲烷化过程中反应温度和反应深度，以及能量利用率和满足制备LNG更高要求的多方要素的平衡。
附图说明
图1是本发明实施例1、2的工艺流程示意图；
图2是本发明实施例3、4的工艺流程示意图。
具体实施方式
下列非限制性实施例用于说明本发明。
实施例1
本实施例流程示意图见图1。
净化后的焦炉气组成（vol%，干基）：H2 59，CH4 26，N2 4，CO 7，CO2  2，CmHn 2。气量 20000 Nm3/h。
净化后的焦炉气20000 Nm3/h，温度 180℃，压力 2.1 MPa。分成两股，第一股9600 Nm3/h由管线2进入换热器E1，加热到247℃后，由管线4与由管线0压力2.5 MPa，温度 325℃1543 Kg/h(1920 Nm3/h,与进入的焦炉气摩尔比为20%)的过热蒸汽混合，温度260℃。经管线5进入第一甲烷化主反应器R1，进行甲烷化反应，出R1的气体温度 619.1℃，组成（vol%）：CH4 34.78，CO 0.70，H2 33.50，CO2  1.26，H2O 26.0，N2 3.77。由管线6进入废锅B1，冷却至334℃，通过管线7与由管线3进入的10400 Nm3/h净化焦炉气混合，混合后温度260℃，经过管线8进入第二甲烷化主反应器R2，甲烷化后的气体温度为 556.5℃，组成（vol%）为：CH4 41.95，CO 0.101，H2 31.61，CO2  0.24，H2O 21.76，N2 4.34。通过管线9进入废锅B2，冷却后通过管线10进入换热器E2进一步冷却至100℃，在分离器S1中分离水，由管线12排出。分离水后的气体由管线13进入换热器E3加热到260℃，由管线14进入甲烷化次反应器R3，在此将残余的CO和CO2进一步进行甲烷化反应，出R3的甲烷化后气体的温度为 279.1℃，组成（vol%）为：CH4 51.22，H2 36.79，H2O 6.74，N2 5.25，CO2 < 30×10-4。通过管线15进入换热器E4，进一步冷却到40℃，送后工序处理。
 
实施例2
本实施例流程示意图见图1。
净化后的焦炉气组成（vol%，干基）：H2 59，CH4 26，N2 4，CO 7，CO2  2，CmHn 2。气量 20000 Nm3/h。
净化后的焦炉气20000 Nm3/h，温度 180℃，压力 2.1 MPa。分成两股，第一股9000 Nm3/h由管线2进入换热器E1，加热到240.1℃后，由管线4与由管线0压力2.5 MPa，温度 325℃2170 Kg/h(2700 Nm3/h,与进入的焦炉气摩尔比为30%)的过热蒸汽混合，温度260℃，经管线5进入第一甲烷化主反应器R1，进行甲烷化反应，出R1的气体温度 596.0℃，组成（vol%）：CH4 31.85，CO 0.46，H2 30.67，CO2  1.29，H2O 32.28，N2 3.42。由管线6进入废锅B1，冷却至336.1℃，通过管线7与由管线3进入的11000 Nm3/h净化焦炉气混合，混合后温度260℃，经过管线8进入第二甲烷化主反应器R2，甲烷化后的气体温度为 552.8℃，组成（vol%）为：CH4 40.11，CO 0.11，H2 30.58，CO2  0.30，H2O 24.76，N2 4.16。通过管线9进入废锅B2，冷却后通
过管线10进入换热器E2进一步冷却至100℃，在分离器S1中分离水，由管线12排出。分
离水后的气体由管线13进入换热器E3加热到260℃，由管线14进入甲烷化次反应器R3，在此将残余的CO和CO2进一步进行甲烷化反应，出R3的甲烷化后气体的温度为 283.6℃，组成（vol%）为：CH4 51.12，H2 36.70，H2O 6.94，N2 5.24，CO2 < 30×10-4。通过管线15进入换热器E4，进一步冷却到40℃，送后工序处理。
 
实施例3
本实施例流程示意图见图2。
净化后的焦炉气组成（vol%，干基）：H2 59，CH4 26，N2 4，CO 7，CO2  2，CmHn 2。气量 20000 Nm3/h。
净化后的焦炉气20000 Nm3/h，温度 180℃，压力 2.1 MPa。分成三股，第一股4400 Nm3/h由管线2进入换热器E1，加热到290℃后，通过管线5与由管线0压力2.5 MPa,温度 325℃，1414 Kg/h(1760 Nm3/h,与进入的焦炉气摩尔比为40%)的过热水蒸汽混合，混合后的温度为300℃。经管线6进入第一甲烷化主反应器R1，进行甲烷化反应。出R1的气体温度为 592.2℃，组成（vol%）：CH4 28.69，CO 0.46，H2 29.57，CO2  1.54，H2O 36.59，N2 3.15, 由管线7进入废锅B1，冷却至415℃，通过管线8与由管线3来的6000 Nm3/h净化焦炉气混合，混合后温度为300℃，由管线9进入第二甲烷化主反应器R2进行甲烷化反应。出R2的气体温度为 578.3℃，组成（vol%）为：CH4 37.91，CO 0.24，H2 30.96，CO2  0.61，H2O 26.30，N2 3.98。通过管线10进入废锅B2，冷却到396℃，通过管线11与由管线4来的9600 Nm3/h焦炉气混合，混合后温度为300℃，由管线12进入第三甲烷化主反应器R3进行甲烷化反应。出R3的气体温度为 552.4℃，组成（vol%）为：CH4 42.42，CO 0.088，H2 31.72，CO2  0.204，H2O 21.19，N2 4.38。由管线13进入废锅B3冷却，再通过管线14到换热器E2进一步冷却至80℃，由管线15进入水分离器S1中分离水，由管线16排出。分离水后的气体由管线17进入换热器E3加热到260℃，经由管线18送入甲烷化次反应器R4，在此将残余的CO和CO2进一步进行甲烷化反应。出R4的气体温度为 277℃，组成（vol%）为：CH4 53.13，H2 38.04，H2O 3.48，N2 5.44，CO2 < 30×10-4。再通过管线19进入换热器E4冷却到40℃，送后工序处理。
 
实施例4
本实施例流程示意图见图2。
净化后的焦炉气组成（vol%，干基）：H2 59，CH4 26，N2 4，CO 7，CO2  2，CmHn 2。气量 20000 Nm3/h。
净化后的焦炉气20000 Nm3/h，温度 180℃，压力 2.1 MPa。分成三股，第一股4000Nm3/h由管线2进入换热器E1，加热到317.5℃后，通过管线5与由管线0压力2.5 MPa，温度 325℃，1607 Kg/h(2000Nm3/h,与进入的焦炉气摩尔比为50%)的过热水蒸汽混合，混合后的温度为320℃。经管线6进入第一甲烷化主反应器R1，进行甲烷化反应。出R1的气体温度为 584.5℃，组成（vol%）：CH4 26.32，CO 0.40，H2 28.07，CO2  1.63，H2O 40.68，N2 2.91。由管线7进入废锅B1，冷却至456℃，通过管线8与由管线3来的6000 Nm3/h净化焦炉气混合，混合后温度为320℃，由管线9进入第二甲烷化主反应器R2进行甲烷化反应。出R2的气体温度为 586.3 ℃，组成（vol%）为：CH4 36.22，CO 0.33，H2 31.08，CO2  0.82，H2O 27.73，N2 3.83。通过管线10进入废锅B2，冷却到436.6℃，通过管线11与由管线4来的10000 Nm3/h焦炉气混合，混合后温度为320℃，由管线12进入第三甲烷化主反应器R3进行甲烷化反应。出R3的气体温度为 572.4℃，组成（vol%）为：CH4 41.37，CO 0.18，H2 32.13，CO2  0.38，H2O 21.65，N2 4.30。由管线13进入废锅B3冷却，再通过管线14到换热器E2进一步冷却至80℃，由管线15进入水分离器S1中分离水，由管线16排出。分离水后的气体由管线17进入换热器E3加热到260℃，经由管线18送入甲烷化次反应器R4，在此将残余的CO和CO2进一步进行甲烷化反应。出R4的气体温度为 292.7℃，组成（vol%）为：CH4 52.72，H2 37.82，H2O 4.06，N2 5.41，CO2 < 30×10-4。再通过管线19进入换热器E4冷却到40℃，送后工序处理。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种利用焦炉气制备SNG或LNG无循环气的甲烷化工艺，其特征在于：将焦炉气分成若干股分别进入若干个串联的甲烷化主反应器，用副产水蒸气对进入其中第一甲烷化主反应器的焦炉气进行稀释，在最后一个甲烷化主反应器后，将甲烷化后的气体冷却，冷凝分离水，再进入一个甲烷化次反应器，对残余的CO和CO2进行甲烷化反应，然后送去进行分离或液化，得到SNG或LNG。
2.如权利要求1所述的利用焦炉气制备SNG或LNG无循环气的甲烷化工艺，其特征在于：所述水蒸气用量为进入第一甲烷化主反应器焦炉气摩尔量的20%～50%。
3.如权利要求1所述的利用焦炉气制备SNG或LNG无循环气的甲烷化工艺，其特征在于：进入所述各甲烷化主反应器的气体温度为260℃～320℃，最后一个甲烷化主反应器后气体冷却至温度80℃～100℃。
4.如权利要求1所述的利用焦炉气制备SNG或LNG无循环气的甲烷化工艺，其特征在于：所述各甲烷化主反应器的出口气体温度为550℃～620℃。
5.如权利要求1所述的利用焦炉气制备SNG或LNG无循环气的甲烷化工艺，其特征在于：所述焦炉气分成2～3股。
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