CN104312651A - 无循环甲烷化系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无循环甲烷化系统，包括配气甲烷化阶段和补充甲烷化阶段，配气甲烷化阶段采用1～3级串联的高温反应器，补充甲烷化阶段采用2～3级串联的中低温反应器，配气甲烷化阶段的末级反应器与补充甲烷化阶段的首级反应器也串联连接；前一级反应器排出的工艺气分别作为下一级反应器的部分或全部合成气，末级反应器排出的工艺气经冷却分离后得最终的甲烷产品。工艺系统简单、反应运行平稳、安全可靠，运行成本和造价低。
Description
技术领域
本发明涉及甲烷化反应技术，尤其涉及一种无循环甲烷化系统。
背景技术
甲烷化反应是CO、CO2和H2在一定温度下进行的强放热反应(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。受催化剂操作温区的限制，目前工业化的甲烷化一般耐温在650～750℃。因此如何有效的控制反应放热及迅速移热，以维持反应的正常运行是大型甲烷化工艺研发的重点。目前，国内外的甲烷化装置大多采用循环甲烷化工艺来控制反应温度，该类工艺是将甲烷化反应的生成气在回收热量后，大部分通过压缩机补压后循环到反应器的入口，与原料气汇合后一起进入反应器，通过循环气的稀释来控制反应温度。循环甲烷化工艺至少存在如下缺点：(1)由于反应器进料流量增大，反应推动力减小，催化剂装填量会显著增加。(2)需要使用循环气压缩机，设备制造困难，投资高。(3)采用循环来控制甲烷化反应的温度，存在着飞温的可能。
另外，由于甲烷化反应的放热量大、反应温度高，因此一般在具有耐火衬里的高温反应器中进行。但现有技术中的高温反应器也至少存在如下缺点：(1)现有高温反应器的耐火衬里通常具有相当大的厚度，这就使得现有高温反应器的整体体积较大，不利于安装、拆卸。(2)在经受设备震动和/或温度剧烈变化后，现有高温反应器的耐火衬里容易出现龟裂、脱落等损伤；一旦耐火衬里出现损伤，反应的强放热将会直接损坏高温反应器的外壳，进而可能引发安全事故。(3)强放热反应使高温反应器的出口温度过高，因此配合高温反应器使用的后续生产设备(例如：高温反应器的出口管道、用于回收热量的废热锅炉等)也需要具有相当高的耐高温性能，这就给后续流程中生产设备的选型和加工制造带来了困难，同时也增加了投资和运行成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种工艺系统简单、反应运行平稳、安全可靠、运行成本低的无循环甲烷化系统。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的无循环甲烷化系统，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采用1～3级串联的高温反应器，所述补充甲烷化阶段采用2～3级串联的中低温反应器，所述配气甲烷化阶段的末级反应器与所述补充甲烷化阶段的首级反应器也串联连接；前一级反应器排出的工艺气分别作为下一级反应器的部分或全部合成气，末级反应器排出的工艺气经冷却分离后得最终的甲烷产品。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的无循环甲烷化系统，其特征在于，由于包括配气甲烷化阶段和补充甲烷化阶段，配气甲烷化阶段采用1～3级串联的高温反应器，所述补充甲烷化阶段采用2～3级串联的中低温反应器，所述配气甲烷化阶段的末级反应器与所述补充甲烷化阶段的首级反应器也串联连接；前一级反应器排出的工艺气分别作为下一级反应器的部分或全部合成气，末级反应器排出的工艺气经冷却分离后得最终的甲烷产品。工艺系统简化，反应运行平稳，安全可靠，运行成本和造价更低。
附图说明
图1为本发明实施例提供的无循环甲烷化系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。
首先需要说明的是，本申请文件中所述的“上”、“下”、“顶”、“底”等表示方位的词语，仅是为了清楚描述出本发明实施例的各部件之间的相对位置关系，是基于本发明实施例在采用附图1中所示的放置方位时的一种表述形式，并不是本发明所有实施例的绝对位置关系，因此这并不构成对本发明的限制，本领域普通技术人员可以理解的，当本发明实施例的放置方位发生改变时，相应的绝对位置关系也将发生变化，但这仍属于本发明的保护范围。本申请文件中所述的术语“和/或”是指包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
本发明的无循环甲烷化系统，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采用1～3级串联的高温反应器，所述补充甲烷化阶段采用2～3级串联的中低温反应器，所述配气甲烷化阶段的末级反应器与所述补充甲烷化阶段的首级反应器也串联连接；
前一级反应器排出的工艺气分别作为下一级反应器的部分或全部合成气，末级反应器排出的工艺气经冷却分离后得最终的甲烷产品。
所述配气甲烷化阶段包括一级反应器、二级反应器和三级反应器，所述补充甲烷化阶段包括四级反应器、五级反应器和六级反应器。
所述一级反应器的入口管线上设有富H2气接入管线，所述配气甲烷化阶段的各级反应器的入口管线上均设有富CO气接入管线；
原料富H2气由一级反应器入口管线一次性加入系统，富CO气分别从所述配气甲烷化阶段各级反应器的入口管线逐步加入系统。
所述一级反应器的入口管线上设有蒸汽接入管线；
通过调节蒸汽的加入量控制H2O/CO摩尔比，以免发生析炭反应。
通过调节进入所述配气甲烷化阶段各级反应器的富CO气量来控制反应温度，降低催化剂床层飞温的可能性，保证合成系统的总氢碳摩尔比(H2-CO2)/(CO+CO2)＝3.0～3.1。
所述四级反应器的入口管线上接有富H2气和富CO气微调管线，若配气甲烷化阶段合成气的总氢碳摩尔比偏离了反应理想比例，通过所述微调管线进行精确调节，使CO与H2在补充甲烷化阶段以最佳摩尔配比进行充分的化学反应。
所述反应器采用相同或相似的结构型式，其主要结构包括：外壳、内筒，内筒的外壁与外壳的内壁之间设有间隙气流通道和水冷管，所述内筒的内部由上至下设有催化剂床层和换热器；
合成气自反应器底部穿过外壳进入间隙气流通道，在间隙气流通道内，合成气自下向上流动并与内筒及水冷管进行气气、水气复合换热，之后合成气由内筒的顶部或侧壁进入催化剂床层，并在催化剂的催化作用下发生强放热反应，反应后生成气进入换热器，在换热器内进行换热降温后，由外壳的底部排出。
下面对本发明实施例提供的无循环甲烷化系统进行详细描述。
如图1所示，该无循环甲烷化系统包括配气甲烷化及补充甲烷化两个阶段，其中配气甲烷化采用典型的3级串联的高温反应器(一级反应器R1、二级反应器R2及三级反应器R3)，补充甲烷化采用典型的3级串联的中低温反应器(四级反应器R4、五级反应器R5及六级反应器R6)。六台反应器全部采用串联的形式，一级至五级反应器排出的工艺气分别作为下一级反应器的部分或全部原料气，六级反应器排出的工艺气经冷却分离后可得最终的产品(甲烷)。
本发明一级反应器的入口管线上接有富H2气、富CO气及蒸汽管线，二级及三级反应器的入口管线上分别设有富CO气补入管线。原料富H2气(配蒸汽后，防止析炭)由一级反应器入口管线一次性加入反应系统，而富CO气则分别从一级、二级及三级反应器的入口管线逐步加入反应系统。
具体的，原料富H2气与少量富CO气及适量蒸汽混合，调节蒸汽的加入量，控制H2O/CO摩尔比，以免发生析炭反应。之后合成气进入一级反应器，反应后的生成气与部分补入的富CO气混合后进入二级反应器，二级反应的生成气再与另一部分补入的富CO气混合后进入三级反应器，通过调节进入各级反应器的富CO气量控制反应温度，大大降低催化剂床层飞温的可能性，使合成系统的总氢碳摩尔比更容易调节，保证反应的平稳运行。
该工艺四级反应器的入口管线上可接有富H2气和富CO气微调管线。若前三级合成气的总氢碳摩尔比偏离了反应理想比例，可通过四级反应进行微量调节，使CO与H2在补充甲烷化阶段能以最佳摩尔配比进行充分的化学反应。
该工艺的六个反应器R1～R6采用相同或相似的结构型式，如图1所示，其主要结构包括：外壳1、内筒2、内筒2的外壁与外壳1的内壁之间的间隙气流通道3和水冷管4(可有可无，可选项)；内筒2的内部由上至下设有催化剂床层5和换热器6。
该反应器内的气体运行及换热原理如下，合成气自反应器底部穿过外壳1进入间隙气流通道3，在间隙气流通道3内，合成气自下向上流动并与内筒2及水冷管4进行气气、水气复合换热，之后合成气由内筒2的顶部或侧壁进入催化剂床层5，并在催化剂的催化作用下发生强放热反应，反应生成气进入换热器6，与锅炉水换热降温后，由外壳1的底部排出。
可见，本发明提供的无循环甲烷化系统至少具备以下优点：
(1)本发明中原料富H2气由一级反应器入口管线一次性加入反应系统，富CO气分别从一级、二级和三级反应器入口管线逐步加入反应系统，通过调节进入各级反应器的富CO气量来控制反应温度。与循环甲烷化工艺相比，催化剂床层的温度更容易控制，飞温的可能性大大降低，运行更加平稳。
(2)合成系统的总氢碳摩尔配比容易调节。富CO气分别从一级、二级和三级反应器入口管线逐步加入反应系统，通过流量调节，可精确控制合成系统的总氢碳摩尔比。
(3)本发明无循环气流程，反应器进料流量小，可显著减小反应器体积；合成气不经循环气稀释，反应推动力大，催化剂装填量显著减少；无循环气压缩机，减少了设备投资，节省了压缩功，运行成本大大降低。
(4)工艺四级反应器的入口管线上可接有富H2气和富CO气微调管线。若前三级合成气的总氢碳摩尔比偏离了反应理想比例，可通过四级反应进行微量调节，使CO与H2在补充甲烷化阶段能以最佳摩尔配比进行充分的化学反应，提高合成天然气中甲烷的含量及合成天然气的热值。
(5)本发明所采用的高温反应器将催化剂床层和换热器都设置在了反应器内筒的内部，将工艺所有高温部分集成在一个反应器内件内，使该高温反应器排出物料的温度较低，后续流程无需使用耐高温设备，从而为后续生产设备的选型和加工制造创造有利条件，并能有效减少设备投资，更加安全可靠。
(6)本发明提供的高温反应器设有间隙气流通道及水冷管，在间隙气流通道内合成气与反应器内筒及水冷管进行复合换热，能有效降低反应器内筒外壁的温度，使反应器内筒无需使用耐火材料，外壳不承受高温，缩小了高温反应器的体积，保证了入催化剂床层合成气温度的恒定，避免了传统反应器因耐火材料脱落或损伤而对反应器造成的损坏及可能引起的安全事故。
(7)本发明提供的无循环甲烷化系统所采用的耐高温设备仅有反应器，其他均为常规设备，不采用循环流程，简化了工艺，降低了工程投资，减小了阻力降，高效节能，操作维护安全可靠。
为使本发明的发明目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面通过实例，并结合相应附图，对本发明提供的无循环甲烷化系统进行详细描述。
实施例
具体地，若采用本实施例中的无循环甲烷化系统生产甲烷，则其详细流程如下：
工艺气流程：
原料富H2气与少量富CO气及适量蒸汽混合，由底部进入一级反应器R1，并沿间隙气流通道向上流动到达反应器内筒的上方。在间隙气流通道内，合成气与反应器内筒及水冷管进行气气、水气复合换热，从而使合成气能以相对恒定的温度由反应器内筒的上方或侧壁进入催化剂床层发生催化反应，反应后生成700℃左右(小于800℃即可)的生成气进入反应器下部换热段，经与锅炉水换热后生成气温度降至270℃左右(至少在200℃以上)，由一级反应器R1的底部输出去往二级反应器R2。因各反应器内的气体运行、换热及反应原理都相同，后续不再赘述。
一级反应器R1输出的生成气补入部分原料富CO气后，从底部进入二级反应器R2，经催化反应后生成700℃左右(小于800℃即可)的生成气进入反应器下部换热段，换热后温度降至270℃左右(至少在200℃以上)，离开二级反应器R2去往三级反应器R3。
二级反应器R2输出的反应生成气再与另一部分原料富CO气混合，通过调节进入一级、二级及三级反应器的富CO气量，保证总的摩尔比(H2-CO2)/(CO+CO2)＝3.0～3.1。混合后的气体进入三级反应器R3，经催化反应升温至700℃左右(小于800℃即可)，离开催化剂床层进入反应器下部换热段，换热后生成气温度降至270℃左右(至少在200℃以上)，离开三级反应器R3去往四级反应器R4。
若前三级反应中合成气的总氢碳摩尔比偏离理论值，可通过四级反应器入口管线上设置的富H2气和富CO气微调管线进行微调，以保证在后续反应中CO与H2能以最佳摩尔配比进行充分的化学反应。正常情况下，前三级反应即可实现总氢碳摩尔比平衡，此时四级反应不需再加入原料气。
进入四级反应器R4的合成气，发生催化反应后升温至500℃左右(根据原料气组成不同，温度会有所不同)，经反应器下部换热器回收热量后温度降至270℃左右(至少在200℃以上)，离开四级反应器R4。该部分工艺气进一步冷却后进行气液分离，将反应产生的水分排出系统，气相复热后进入五级反应器R5。五级催化反应后，生成气温度上升至420℃左右(根据原料气体组成不同，温度会有所不同)，经与锅炉水换热后降温至230℃(至少在200℃以上)进入六级反应器R6。六级催化反应后，生成气温度上升至270℃左右(根据原料气体组成不同，温度会有所不同)，经与锅炉水及原料气回收热量后离开六级反应器R6。该部分生成气经进一步冷却后进行气液分离，所得气相为最终的产品气甲烷。
锅炉水—蒸汽流程：
来自汽包的锅炉水，经循环泵(开车时使用)加压后进入反应器下部的换热器6，与反应生成气进行换热，形成温度较高(或部分汽化)的锅炉水。流回汽包中，副产蒸汽外送管网，正常生产时可停运循环泵，使锅炉水自然循环换热，以节省功耗。来自界外的锅炉水(与副产蒸汽量平衡)连续补入汽包。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明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发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种无循环甲烷化系统，其特征在于，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采用1～3级串联的高温反应器，所述补充甲烷化阶段采用2～3级串联的中低温反应器，所述配气甲烷化阶段的末级反应器与所述补充甲烷化阶段的首级反应器也串联连接；
前一级反应器排出的工艺气分别作为下一级反应器的部分或全部合成气，末级反应器排出的工艺气经冷却分离后得最终的甲烷产品。
2.根据权利要求1所述的无循环甲烷化系统，其特征在于，所述配气甲烷化阶段包括一级反应器(R1)、二级反应器(R2)和三级反应器(R3)，所述补充甲烷化阶段包括四级反应器(R4)、五级反应器(R5)和六级反应器(R6)。
3.根据权利要求2所述的无循环甲烷化系统，其特征在于，所述一级反应器的入口管线上设有富H2气接入管线，所述配气甲烷化阶段的各级反应器的入口管线上均设有富CO气接入管线；
原料富H2气由一级反应器入口管线一次性加入系统，富CO气分别从所述配气甲烷化阶段各级反应器的入口管线逐步加入系统。
4.根据权利要求3所述的无循环甲烷化系统，其特征在于，所述一级反应器的入口管线上设有蒸汽接入管线；
通过调节蒸汽的加入量控制H2O/CO摩尔比，以免发生析炭反应。
5.根据权利要求4所述的无循环甲烷化系统，其特征在于，通过调节进入所述配气甲烷化阶段各级反应器的富CO气量来控制反应温度，降低催化剂床层飞温的可能性，保证合成系统的总氢碳摩尔比(H2-CO2)/(CO+CO2)＝3.0～3.1。
6.根据权利要求5所述的无循环甲烷化系统，其特征在于，所述四级反应器(R4)的入口管线上接有富H2气和富CO气微调管线，若配气甲烷化阶段合成气的总氢碳摩尔比偏离了反应理想比例，通过所述微调管线进行精确调节，使CO与H2在补充甲烷化阶段以最佳摩尔配比进行充分的化学反应。
7.根据权利要求1至6任一项所述的无循环甲烷化系统，其特征在于，所述反应器采用相同或相似的结构型式，其主要结构包括：外壳(1)、内筒(2)，内筒(2)的外壁与外壳(1)的内壁之间设有间隙气流通道(3)和水冷管(4)，所述内筒(2)的内部由上至下设有催化剂床层(5)和换热器(6)；
合成气自反应器底部穿过外壳(1)进入间隙气流通道(3)，在间隙气流通道(3)内，合成气自下向上流动并与内筒(2)及水冷管(7)进行气气、水气复合换热，之后合成气由内筒(2)的顶部或侧壁进入催化剂床层(5)，并在催化剂的催化作用下发生强放热反应，反应后生成气进入换热器(6)，在换热器(6)内进行换热降温后，由外壳(1)的底部排出。
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