CN104388139A - 粗煤气直接甲烷化的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了粗煤气直接甲烷化的方法和系统，其中，粗煤气直接甲烷化的方法包括：将粗煤气进行预热处理；将经过预热处理的粗煤气交替进行甲烷化反应和变换反应，以便得到粗制甲烷；以及将粗制甲烷进行脱硫和脱碳处理，以便得到精制甲烷。根据本发明实施例的粗煤气直接甲烷化的方法较传统的工艺流程可以显著节省设备配置，缩短制备流程，节省能耗，显著降低成本。

Description

粗煤气直接甲烷化的方法和系统

技术领域

本发明涉及甲烷化领域，尤其涉及粗煤气直接甲烷化的方法和系统。

背景技术

传统的粗煤气制SNG工艺流程，将除尘后的粗煤气经过变换后，降低温度至常温，经过净化工艺处理后再升高温度，再进行甲烷化反应，然后再进行降温后送到下游工序；由于净化工艺位于变换和甲烷化之间，导致变换气必须降温和净化气必须升温，由此需要配套换热器、分离器等十余台高压设备以及相应的管道、仪控等，造成流程复杂、投资较高且能耗较大。

因此上述用于制备甲烷的工艺仍存在进一步改进的需求。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种更加合理、低投资、低消耗的粗煤气直接甲烷化的方法和系统。

为此，根据本发明的一个方面，本发明提出了一种粗煤气直接甲烷化的方法。根据本发明实施例的粗煤气直接甲烷化的方法包括：

将所述粗煤气进行预热处理；

将经过所述预热处理的粗煤气交替进行甲烷化反应和变换反应，以便得到粗制甲烷；以及

将所述粗制甲烷进行脱硫和脱碳处理，以便得到精制甲烷。

由此，采用本发明上述实施例的粗煤气直接甲烷化的方法，粗煤气无需变换、降温、脱硫、脱碳后再进入甲烷化工序，而是直接进行甲烷化反应和变换反应，制备得到甲烷。由此较传统的工艺流程可以显著节省设备配置，缩短制备流程，节省能耗，显著降低成本。

在本发明的一些是实施例中，所述交替进行甲烷化反应和变换反应按照下列步骤进行：

将所述粗煤气进行预甲烷化反应，以便得到预甲烷化混合气体；

将所述预甲烷化混合气体进行变换反应，以便得到变换反应混合气体；

将所述变换反应混合气体进行甲烷化反应，以便得到所述粗制甲烷和蒸汽。

由此，本发明的发明人巧妙地利用预甲烷化反应为下一步的变换反应提供反应所需的水蒸气，并且进一步地，利用变换反应为下一步地甲烷化反应提供合适的碳氢比，进而显著提高甲烷化反应效率，提高制备甲烷的产率。

在本发明的一些是实施例中，所述粗煤气为气化炉内产生的经过除尘处理的工业气体，所述粗煤气中包含一氧化碳、氢气、二氧化碳、甲烷和水蒸汽。本发明的粗煤气直接甲烷化的方法对原料气粗煤气并没有特别要求。因此，本发明上述实施例的粗煤气直接甲烷化的方法具有更广的适用性。

在本发明的一些是实施例中，所述粗煤气的温度为20～280摄氏度。可以用于本发明的粗煤气直接甲烷化的方法的原料气粗煤气的温度并不受特别限制，由此可以显著节省能耗。

在本发明的一些是实施例中，所述甲烷化反应为多级化甲烷化反应。由此可以进一步提高甲烷化反应的效率和产率。

在本发明的一些是实施例中，上述粗煤气直接甲烷化的方法进一步包括：

利用所述预甲烷化混合气体与所述粗煤气进行换热，以便预热所述粗煤气；

利用所述变换反应混合气体和粗制甲烷分别与补充水进行换热，以便产出饱和蒸汽。由此可以进一步提高热能利用率。

根据本发明的第二方面，本发明提出了一种粗煤气直接甲烷化的系统，包括：

粗煤气预热器，所述粗煤气预热器适于所述粗煤气的预热处理；

预甲烷化反应器，所述预甲烷化反应器与所述粗煤气预热器相连且适于经过所述预热处理的粗煤气进行预甲烷化反应，以便得到预甲烷化混合气体；

氢碳调节器，所述氢碳调节器与所述预甲烷化反应器相连且适于所述预甲烷化混合气体进行变换反应，以便得到变换反应混合气体；

甲烷化反应器，所述甲烷反应器与所述氢碳调节器相连且适于所述变换反应混合气体进行多级甲烷化反应，以便得到所述粗制甲烷和蒸汽；

脱硫脱碳器，所述脱硫脱碳器与所述甲烷化反应器相连且适于所述粗制甲烷进行脱硫和脱碳处理，以便得到精制甲烷。

由此，本发明上述实施例的粗煤气直接甲烷化的系统结构简单，流程短，投资少。并且采用上述粗煤气直接甲烷化的系统可以有效地制备得到甲烷，同时显著地降低了成本。

在本发明的一些实施例中，上述粗煤气直接甲烷化的系统进一步包括：

第一废锅，所述第一废锅与所述氢碳调节器相连且适于对所述变换反应混合气体进行降温处理，以便得到第一饱和蒸汽；

第二废锅，所述第二废锅与所述甲烷化反应器相连且适于对粗制甲烷进行第一降温处理，以便得到第二饱和蒸汽；

第三废锅，所述第三废锅与所述第二废锅相连且适于对经过所述第一降温处理的粗制甲烷进行第二降温处理，以便得到低压蒸汽。由此可以充分利用变换反应和甲烷化反应放出的热量额外产出饱和蒸汽和低压蒸汽，提高了系统的热能利用率，平衡系统能耗。

在本发明的一些实施例中，上述粗煤气直接甲烷化的系统进一步包括：

蒸汽过热器，所述蒸汽过热器与所述第一废锅和所述第二废锅相连且适于将所述第一饱和蒸汽和第二饱和蒸汽转变为过热蒸汽。

在本发明的一些实施例中，上述粗煤气直接甲烷化的系统进一步包括：

第一冷却器，所述第一冷却器与所述第三废锅相连且适于对经过所述第二降温处理的粗制甲烷进行冷却处理；

第一气液分离器，所述第一气液分离器与所述第一冷凝器和脱硫脱碳器相连且适于对经过所述冷却处理的粗制甲烷进行气液分离，以便得到干燥粗制甲烷。

在本发明的一些实施例中，上述粗煤气直接甲烷化的系统进一步包括：

末级预热器，所述末级预热器与所述脱硫脱碳器相连且适于对经过脱硫脱碳处理的粗制甲烷进行预热；

末级甲烷反应器，所述末级甲烷反应器与所述末级预热器相连且适于经过所述脱硫脱碳处理的粗制甲烷进行末级甲烷化反应，以便得到精制甲烷。由此可以进一步提高甲烷产率。

在本发明的一些实施例中，上述粗煤气直接甲烷化的系统进一步包括：

第二冷却器，所述第二冷却器与所述末级甲烷反应器相连且适于对精制甲烷进行第二冷却处理；

第二气液分离器，所述第二气液分离器与所述第二冷凝器相连且适于对经过所述第二冷却处理的精制甲烷进行气液分离，以便得到干燥精制甲烷。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的煤气直接甲烷化的方法的流程图。

图2是根据本发明一个实施例的煤气直接甲烷化的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面参考图1描述根据本发明实施例的粗煤气直接甲烷化的方法。根据本发明的实施例的粗煤气直接甲烷化的方法包括：将粗煤气进行预热处理；将经过预热处理的粗煤气交替进行甲烷化反应和变换反应，以便得到粗制甲烷；以及将粗制甲烷进行脱硫和脱碳处理，以便得到精制甲烷。

由此，采用本发明上述实施例的粗煤气直接甲烷化的方法，粗煤气无需变换、降温、脱硫、脱碳后再进入甲烷化工序，而是直接进行甲烷化反应和变换反应，制备得到甲烷。由此较传统的工艺流程可以显著节省设备配置，缩短制备流程，节省能耗，显著降低成本。

S100：预热处理

根据本发明的具体实施例，首先将粗煤气进行预热处理，由此可以进一步提高预甲烷化反应的效率。

根据本发明的具体实施例，粗煤气为气化炉内产生的经过除尘处理的工业气体，所述粗煤气中包含一氧化碳、氢气、二氧化碳、甲烷和水蒸汽。本发明的粗煤气直接甲烷化的方法对原料气粗煤气并没有特别要求。因此，本发明上述实施例的粗煤气直接甲烷化的方法具有更广的适用性。

在本发明的一些是实施例中，所述粗煤气的温度为20～280摄氏度。可以用于本发明的粗煤气直接甲烷化的方法的原料气粗煤气的温度并不受特别限制，由此可以显著节省能耗。

根据本发明具体实施例的粗煤气直接甲烷化的方法中，交替进行甲烷化反应和变换反应具体按照下列步骤进行：预甲烷化反应、变换反应和甲烷化反应。

S200：预甲烷化反应

首先，将粗煤气进行预甲烷化反应，以便得到预甲烷化混合气体。根据本发明的具体实施例，甲烷化主要工艺原理是：一氧化碳或二氧化碳与氢气在一定的温度、压力和催化剂的作用下发生化学反应，化学反应式为：

由此，发明人首先使得粗煤气发生预甲烷化反应，生产部分甲烷并产生水蒸气。该步骤的目的在于产生水蒸气，进而为下一步的变换反应提供反应原料，而变换反应则是为进一步的甲烷化反应做准备。

根据本发明的具体实施例，预甲烷化反应为放热反应。由此，上述实施例的粗煤气直接甲烷化反应的方法进一步包括将预甲烷化反应得到的预甲烷化混合气体与粗煤气进行换热处理，进而利用预甲烷化反应放出的热量为粗煤气进行预热，提高预甲烷化反应的反应效率，以便最终提高制备甲烷的效率。

S300：变换反应

将预甲烷化混合气体进行变换反应，以便得到变换反应混合气体。根据本发明的具体实施例，变换主要工艺原理是：一氧化碳与水蒸汽在一定的温度、压力和催化剂作用下发生化学反应，化学反应式为：

由此，发明人巧妙地应用了预甲烷化反应为变换反应提供了反应原料水蒸气。而变换反应可以为进一步地甲烷化反应提供适宜的碳氢比。进而可以显著提高甲烷化反应的产率。根据本发明的具体实施例，变换反应同样是放热反应。由此，上述实施例的粗煤气直接甲烷化反应的方法进一步包括将变换化反应得到的变换混合气体与补充水进行换热处理，进而充分利用变换反应放出的热量的同时产出饱和蒸汽，由此降低生产成本。

S400：甲烷化反应

将变换反应混合气体进行甲烷化反应，以便得到粗制甲烷和蒸汽。根据本发明的具体实施例，甲烷化反应的原理同上述预甲烷化反应。甲烷化反应的原料为上述变化反应的产物，通过变换反应得到的碳氢比更加适合甲烷化反应的需求，由此可以进一步提高甲烷化反应的产率。由此本发明的发明人巧妙地通过变换反应调节粗煤气中碳氢比，直接甲烷化反应制备得到了甲烷。另外，上述甲烷化反应同样为放热反应。由此，上述实施例的粗煤气直接甲烷化反应的方法还可以进一步包括将甲烷化反应得到的粗制甲烷与补充水进行换热处理，进而充分利用甲烷化反应放出的热量的同时产出饱和蒸汽，由此降低生产成本。

根据本发明的具体实施例，上述甲烷化反应为多级化甲烷化反应。由此可以进一步提高甲烷化反应的效率和产率以及甲烷的纯度。

由此，本发明上述实施例的粗煤气直接甲烷化的方法工艺简单，流程短，进而可以显著节省能耗。并且该方法较传统的制备甲烷的方法省去了多次的降温、升温过程，进而不仅节省了工艺设备投资成本同时显著降低了能耗。

根据本发明的具体实施例，上述利用变换反应和甲烷化反应产物的热量产出的饱和蒸汽也可以返回用于上述变换反应，由此可以显著减小预甲烷化反应的压力。同时进一步提高变换反应的产率，进而得到碳氢比更加适宜于甲烷化反应的变化反应混合气体。由此，最终提高制备甲烷的效率和产率以及纯度。

根据本发明的具体实施例，上述预甲烷化反应、变换反应以及甲烷化反应所需要的温度、压力以及催化剂等反应条件均不受特别限制，只要能够保证和维持常规的反应进行即可。

S500：脱硫和脱碳处理

将上述交替进行甲烷化反应和变换反应最终得到的粗制甲烷进行脱硫和脱碳处理，以便得到精制甲烷。由此可以进一步提高甲烷的纯度。

根据本发明的第二方面，本发明提出了一种粗煤气直接甲烷化的系统。下面参考图2描述本发明上述实施例的粗煤气直接甲烷化的系统。

根据本发明实施例的粗煤气直接甲烷化的系统包括：粗煤气预热器01，预甲烷化反应器02、氢碳调节器03、甲烷化反应器04和脱硫脱碳器05。

其中，粗煤气预热器01适于粗煤气的预热处理；预甲烷化反应器02与粗煤气预热器01相连且适于经过预热处理的粗煤气进行预甲烷化反应，以便得到预甲烷化混合气体；氢碳调节器03与预甲烷化反应器02相连且适于预甲烷化混合气体进行变换反应，以便得到变换反应混合气体；甲烷反应器04与氢碳调节器03相连且适于变换反应混合气体进行多级甲烷化反应，以便得到粗制甲烷和蒸汽；脱硫脱碳器05与甲烷化反应器04相连且适于粗制甲烷进行脱硫和脱碳处理，以便得到精制甲烷。

由此，本发明上述实施例的粗煤气直接甲烷化的系统结构简单，流程短，投资少。并且采用上述粗煤气直接甲烷化的系统可以有效地制备得到甲烷，同时显著地降低了成本。采用本发明上述实施例的粗煤气直接甲烷化的系统可以将粗煤气依次进行预甲烷化反应、变换反应和甲烷化反应，即可制备得到甲烷。本发明的发明人巧妙地运用了预甲烷化反应为变换反应提供水蒸气，而变换反应为甲烷化反应提供适宜的碳氢比，进而提高制备甲烷的产率和纯度。利用本发明上述实施例的粗煤气直接甲烷化的系统制备甲烷无需传统方法中多次将粗煤气进行降温和升温处理，进而可以显著节省能耗，同时该系统结构简单，流程短，进而可以显著节省设备投资，从根本上降低制备甲烷的成本。

根据本发明的具体实施例，上述粗煤气直接甲烷化的系统进一步包括：第一废锅06、第二废锅07和第三废锅08。其中，第一废锅06与氢碳调节器03相连且适于对变换反应混合气体进行降温处理，以便得到第一过热蒸气；第二废锅07与甲烷化反应器04相连且适于对粗制甲烷进行第一降温处理，以便得到第二过热蒸气；第三废锅08与第二废锅07相连且适于对经过第一降温处理的粗制甲烷进行第二降温处理，以便得到低压蒸汽。

由此上述第一废锅06、第二废锅07和第三废锅08可以充分利用变换反应和甲烷化反应放出的热量额外产出饱和蒸汽和低压蒸汽，提高了系统的热能利用率，平衡系统能耗。根据本发明的具体实施例，上述产出的饱和蒸汽和低压蒸汽可以用于其他工艺，同时也可以用于氢碳调节器内的变换反应，进而提高变换反应的效率，同时为甲烷化反应器内的甲烷化反应提供有力的保障。另外，将上述产出的饱和蒸汽和低压蒸汽用于氢碳调节器内的变换反应还可以有效降低预甲烷化反应器内预甲烷化反应的压力。

根据本发明的另一个具体实施例，上述粗煤气直接甲烷化的系统还可以进一步包括：第一冷却器09和第一气液分离器10。其中，第一冷却器09与第三废锅08相连且适于对经过第二降温处理的粗制甲烷进行冷却处理；第一气液分离器10与第一冷凝器09和脱硫脱碳器05相连且适于对经过冷却处理的粗制甲烷进行气液分离，以便得到干燥粗制甲烷。由此便于粗制甲烷的脱硫脱碳处理，进而提高粗制甲烷的纯度。

根据本发明的再一个具体实施例，上述粗煤气直接甲烷化的系统还可以进一步包括：末级预热器11和末级甲烷反应器12。其中，末级预热器11与脱硫脱碳器05相连且适于对经过脱硫脱碳处理的粗制甲烷进行预热；末级甲烷反应器12与末级预热器11相连且适于经过所述脱硫脱碳处理的粗制甲烷进行末级甲烷化反应，以便得到精制甲烷。由此可以进一步提高甲烷产率和甲烷的纯度。

根据本发明的再一个具体实施例，上述粗煤气直接甲烷化的系统还可以进一步包括：第二冷却器13和第二气液分离器14。其中，第二冷却器13与末级甲烷反应器12相连且适于对精制甲烷进行第二冷却处理；第二气液分离器14与第二冷凝器13相连且适于对经过第二冷却处理的精制甲烷进行气液分离，以便得到干燥精制甲烷。由此，通过第二冷却器13和第二气液分离器14可以有效地除去末级甲烷化反应产生的水蒸汽，进而提高精制甲烷的纯度。

根据本发明的再一个具体实施例，上述粗煤气直接甲烷化的系统还可以进一步包括：蒸汽过热器15，蒸汽过热器15与第一废锅06和第二废锅07相连，由此通过蒸汽过热器15可以将从第一废锅06和第二废锅07内产出的第一饱和蒸汽和第二饱和蒸汽转变为更高品质的过热蒸汽。进而最终将变换反应和甲烷化反应放出的热能转化为可以再利用的过热蒸汽，平衡粗煤气直接甲烷化的系统的投资成本。

根据本发明的上述实施例的粗煤气直接甲烷化的系统巧妙地利用预甲烷化反应器内的预甲烷化反应为下一步的氢碳调节器内的变换反应提供反应所需的水蒸气，并且进一步地，利用氢碳调节器内的变换反应为下一步地甲烷化反应器内的甲烷化反应提供合适的碳氢比，进而显著提高甲烷化反应效率，提高制备甲烷的产率。该系统较传统无需配套换热器、分离器等十余台高压设备以及相应的管道、仪控等设备，进而显著节省了设备投资，降低了生产甲烷的成本。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种粗煤气直接甲烷化的方法，其特征在于，包括：

将所述粗煤气进行预热处理；

将经过所述预热处理的粗煤气交替进行甲烷化反应和变换反应，以便得到粗制甲烷；以及

将所述粗制甲烷进行脱硫和脱碳处理，以便得到精制甲烷。

2.根据权利要求1所述的粗煤气直接甲烷化的方法，其特征在于，所述交替进行甲烷化反应和变换反应按照下列步骤进行：

将所述粗煤气进行预甲烷化反应，以便得到预甲烷化混合气体；

将所述预甲烷化混合气体进行变换反应，以便得到变换反应混合气体；

将所述变换反应混合气体进行甲烷化反应，以便得到所述粗制甲烷和蒸汽。

3.根据权利要求1所述的粗煤气直接甲烷化的方法，其特征在于，所述粗煤气为气化炉内产生的经过除尘处理的工业气体，所述粗煤气中包含一氧化碳、氢气、二氧化碳、甲烷和水蒸汽，所述粗煤气的温度为20～280摄氏度。

4.根据权利要求1所述的粗煤气直接甲烷化的方法，其特征在于，所述甲烷化反应为多级化甲烷化反应。

5.根据权利要求2所述的粗煤气直接甲烷化的方法，其特征在于，进一步包括：

利用所述预甲烷化混合气体与所述粗煤气进行换热，以便预热所述粗煤气；

利用所述变换反应混合气体和粗制甲烷分别与补充水进行换热，以便产出饱和蒸汽。

6.一种粗煤气直接甲烷化的系统，其特征在于，包括：

粗煤气预热器，所述粗煤气预热器适于所述粗煤气的预热处理；

预甲烷化反应器，所述预甲烷化反应器与所述粗煤气预热器相连且适于经过所述预热处理的粗煤气进行预甲烷化反应，以便得到预甲烷化混合气体；

氢碳调节器，所述氢碳调节器与所述预甲烷化反应器相连且适于所述预甲烷化混合气体进行变换反应，以便得到变换反应混合气体；

甲烷化反应器，所述甲烷反应器与所述氢碳调节器相连且适于所述变换反应混合气体进行多级甲烷化反应，以便得到所述粗制甲烷和蒸汽；

脱硫脱碳器，所述脱硫脱碳器与所述甲烷化反应器相连且适于所述粗制甲烷进行脱硫和脱碳处理，以便得到精制甲烷。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，进一步包括：

第一废锅，所述第一废锅与所述氢碳调节器相连且适于对所述变换反应混合气体进行降温处理，以便得到第一饱和蒸汽；

第二废锅，所述第二废锅与所述甲烷化反应器相连且适于对粗制甲烷进行第一降温处理，以便得到第二饱和蒸汽；

第三废锅，所述第三废锅与所述第二废锅相连且适于对经过所述第一降温处理的粗制甲烷进行第二降温处理，以便得到低压蒸汽；

蒸汽过热器，所述蒸汽过热器与所述第一废锅和所述第二废锅相连且适于将所述第一饱和蒸汽和第二饱和蒸汽转变为过热蒸汽。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，进一步包括：

第一冷却器，所述第一冷却器与所述第三废锅相连且适于对经过所述第二降温处理的粗制甲烷进行冷却处理；

第一气液分离器，所述第一气液分离器与所述第一冷凝器和脱硫脱碳器相连且适于对经过所述冷却处理的粗制甲烷进行气液分离，以便得到干燥粗制甲烷。

9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，进一步包括：

末级预热器，所述末级预热器与所述脱硫脱碳器相连且适于对经过脱硫脱碳处理的粗制甲烷进行预热；

末级甲烷反应器，所述末级甲烷反应器与所述末级预热器相连且适于经过所述脱硫脱碳处理的粗制甲烷进行末级甲烷化反应，以便得到精制甲烷。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，进一步包括：

第二冷却器，所述第二冷却器与所述末级甲烷反应器相连且适于对精制甲烷进行第二冷却处理；

第二气液分离器，所述第二气液分离器与所述第二冷凝器相连且适于对经过所述第二冷却处理的精制甲烷进行气液分离，以便得到干燥精制甲烷。