CN104651005B - 一种褐煤催化直接制甲烷的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种褐煤催化直接制甲烷的装置和方法。包括以下步骤：将原料褐煤制成煤粉，在反应炉内发生煤裂解、煤气化、煤甲烷化与合成气甲烷化反应，生成富含甲烷的气体和煤焦，富甲烷气体经过气固分离器，气体分离装置得到高含量的天然气，反应炉中产生的煤焦与气体净化分离装置分离的废气二氧化碳反应生成一氧化碳气体，将生成的一氧化碳气体通入反应炉参与反应，实现碳的循环利用。本发明工艺可根据需要灵活地得到煤制天然气产品，该工艺过程具有碳转化率高，产品洁净等优点，而且本发明可使用含水量较高的劣质褐煤，进一步降低生产成本。本发明提供的煤气化和甲烷化一体化生产代用天然气的工艺是一种具有很高的经济效益和竞争力的方法。

Description

一种褐煤催化直接制甲烷的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种褐煤催化直接制甲烷的装置和方法，属于煤催化制备天然气领域。

背景技术

随着经济和社会的快速发展，以及环保要求的日趋严格，我国能源资源结构和能源消费需求的矛盾日益突出。2000~2010年全国天然气消费量平均增速达14.4%。 据预测，2015年和2020年对天然气的需求分别达到1700和2000亿立方米，相应地，天然气缺口分别为650和1000亿立方米，届时，天然气对外依存度将达到50%。目前我国天然气供应的格局不仅制约我国经济和社会发展，而且严重影响我国的能源安全。另一方面，我国煤炭资源相对丰富，已探明的煤资源储量高达1万亿吨，可采储量为2040亿吨，研究煤高效转化为天然气的科学基础，开发高效转化煤为国家急需天然气的关键技术，对我国社会和经济发展以及保障能源安全有重大意义。

煤高效制甲烷（天然气）是以煤为基础实现天然气补充的一项重要技术。煤制甲烷技术有间接甲烷化和直接甲烷化两大类。煤间接甲烷化技术把煤气化、一氧化碳变换、脱硫脱碳和高温甲烷化通过独立的单元过程完成。首先，通过高耗能的煤气化反应获得合成气CO+H₂，然后通过变换调整CO和H₂的比例，最后通过气相甲烷化反应，放出大量的能量，转化为产物CH₄。世界上第一套煤间接制甲烷商业装置—美国大平原煤制天然气装置已成功运行20多年。目前拥有煤间接甲烷化技术的公司还有丹麦托普索(Topsøe)和英国戴维(Davy)。这一类工艺流程长，工艺复杂，放热和吸热过程分别单独进行，不耦合，能耗高（65836 ~75800MJ/km³ CH₄），并排放大量的二氧化碳（4.9 ~ 5.2 t/km³ CH₄）。

现有间接甲烷化的丹麦托普索工艺一般有5个绝热反应器，原料气分成两股分别进入第一、第二反应器。在第一反应器设有循环管线(即一段循环)以防止第一反应器出口超温，反应器出口处设有废锅或换热器回收反应热，提高热效率。现有间接甲烷化的英国戴维工艺一般有4个绝热反应器，原料气分两股分别进入第一、第二反应器，在第一反应器和第二反应器间设有循环管线(即二段循环)以防止第一反应器出口超温，反应器出口处设有废锅或换热器回收反应热，提高热效率。

目前，“一步法” 煤制天然气技术中仅有美国巨点能源公司开发的催化蒸汽甲烷化技术，又称蓝气技术，正在做商业化推广，2009年初，该技术被美国Always On杂志评选为最具创新绿色技术的清洁能源公司第1名，该技术是将煤粉和催化剂充分混合后送入反应器，与水蒸气在一个反应器中同时发生气化和甲烷化反应，气化反应所需的热量刚好由甲烷化反应所放出的热量提供。反应生成的CH₄和CO₂混合气从顶部离开反应器进入一个旋风分离器，分离出混合气中夹带的固体颗粒，然后进入一个气体净化器，脱除其中的硫，最后分离出CO₂ ，得到合成天然气(SNG)。 煤灰由反应器下部流出，在一个专门设备中和催化剂进行分离，分离的催化剂返回煤仓继续循环使用。蓝气技术特点是在一个反应器中催化三种反应(气化反应、水煤气变换反应和甲烷化反应)，从而实现在一个反应器内生产煤制SNG，但是蓝气技术的碳利用率很低，还有就是催化剂和残渣分离的难度过大和催化剂失活问题，而且至今还没有相关的可行性报告。

中国专利公开号为CN102021037B的“一种由煤催化制甲烷的方法和装置”，该专利较美国蓝气技术更具优点，在制天然气的同时实现了煤的裂解，更好地实现了能量的利用，但是同蓝气技术一样，耗水量较大，而且碳的利用率较低。

中国专利公开号为CN 101906339 A的“煤气化和甲烷化一体化生产代用天然气的工艺及装置”，该专利使煤直接甲烷化与间接甲烷化结合，在能量上也有很好的耦合，但是该工艺后续设备投入较大，在产生合成气的过程中通入的是氧气，不但增加了空分设备的投入，而且还将产生大量温室气体二氧化碳。

中国专利公开号为CN 102242006 A的“一种用于煤制天然气的工艺及其方法”，该专利提供一种煤直接加氢制甲烷的方法，此方法大大降低了温室气体二氧化碳的排放，但是该工艺碳转化率低、甲烷收率低、气体组成复杂，而且该工艺使用的是成本较高的氢气，经济效益受到限制。

发明内容

本发明旨在提供一种褐煤催化直接制甲烷的装置和方法，把煤裂解、煤气化、煤甲烷化和合成气甲烷化四个过程集成在一个反应器内进行，同时利用分离的废气二氧化碳来合成原料之一的一氧化碳气体，不但实现了能量的充分利用，而且减少了温室气体二氧化碳的排放，提高了碳利用率。由于本发明使用的是褐煤，在此过程中充分利用了褐煤中的水分，节约了水资源。

本发明提供了一种褐煤催化直接制甲烷的装置，其特征在于：包括反应炉、一氧化碳生成炉、气固分离器、冷凝器、气体净化分离器；所述反应炉下方左侧设有煤、催化剂入口，右侧设有一氧化碳气体入口，所述一氧化碳气体入口由第一入口和第二入口组成，第一入口沿气体分布板的底部中心向上设置，第二入口与气体分布板轴向成30-70度向上设置；反应炉顶部设有合成气出口，底部设有煤焦出口，合成气出口连接气固分离器，气固分离器顶部连接冷凝器，冷凝器另一端与气体净化分离器连接；气固分离器底部连接反应炉下方的循环煤焦入口；反应炉底部煤焦出口连接一氧化碳生成炉，一氧化碳生成炉的顶部设有一氧化碳气体出口连接反应炉，一氧化碳生成炉的底部设有排出口连接催化剂分离器，催化剂分离器另一端连接反应炉的催化剂入口；气体净化分离器设有二氧化碳气体出口连接一氧化碳生成炉。

上述方案中，所述反应炉中，负载在煤焦和活性炭上的催化剂以圆柱状间隔填充在反应炉中，相邻催化剂层之间设有气体挡板，在反应炉的顶部设有沉降装置，所述沉降装置包括板，由横向设置的板、竖向设置的板和倾斜设置的板组成，竖向设置的板和倾斜设置的板夹角为30度，在反应炉煤焦出口上方设有气体分布板，气体分布板的侧面设有溢流管，能使煤焦产品顺利向下排出反应炉。本发明反应炉顶部设置的沉降装置可以使气流有较小的回转半径及较大的回转角，提高气流急剧转折前的速度，有效地提高分离效率。

上述方案中，所述气固分离器为旋风分离器。

上述方案中，所述气固分离器为颗粒移动床除尘器；进一步地，所述颗粒移动床除尘器中采用合成气甲烷化催化剂作为除尘颗粒以生成含量更高的甲烷气体。

本发明提供了一种褐煤催化直接制甲烷的方法，包括以下的步骤：

a.在反应炉中，褐煤煤粉与高温一氧化碳气体发生煤热解、煤气化、煤甲烷化和合成气甲烷化反应，生成富含甲烷的气体和反应后的煤焦：首先褐煤在煤甲烷化催化剂的作用下与来自一氧化碳生成炉的一氧化碳气体发生甲烷化反应，生成含甲烷的气体和煤焦；含甲烷的气体物流在反应炉内合成气甲烷化催化剂的作用下使合成气发生甲烷化反应，再生成一部分甲烷，得到含量更高的甲烷气体；

所述一氧化碳与进入反应炉的煤粉的质量比为0.5~4.5；

b. 步骤a中反应得到的含甲烷的气体经过气固分离器，气固分离器分离出煤焦循环进入反应炉中；其余气体从气固分离器顶部排出依次进入冷凝器与气体净化分离器，得到含96％-98％甲烷的天然气；气体净化分离器分离出的二氧化碳气体进入一氧化碳生成炉中；

步骤a中反应得到的煤焦从反应炉底部排出，进入一氧化碳生成炉中；

c. 在一氧化碳生成炉中，煤焦与二氧化碳废气在800℃以上的温度下反应生成一氧化碳气体，生成的一氧化碳气体进入反应炉中参与反应。

若本发明的方法中采用的煤甲烷化催化剂在煤甲烷化段的温度下不能气化，则从一氧化碳生成炉的灰渣中回收煤甲烷化催化剂：具体操作方法为：在一氧化碳生成炉底部连接催化剂分离器，将分离出的催化剂通入反应炉中循环利用。

若本发明的方法中采用的煤甲烷化催化剂在该段的温度下能够气化，则该催化剂被气化成蒸气并随着所述包括合成气在内的气体物流向上冷凝在褐煤上，从而重复发挥催化作用。

上述制备方法中，所述原料褐煤为含水率为15％-55％的褐煤制成的粒径为0.1~1mm的煤粉。

所述煤甲烷化催化剂选自碱金属碳酸盐或碱金属氢氧化物中的一种或几种。

所述合成气甲烷化催化剂为耐硫甲烷化催化剂，选自负载在煤焦与活性炭载体上的硫化钼、氧化钼、氧化钴或钼-钴-镍的共熔物。所述合成气甲烷化催化剂以固定床形式位于反应炉内。可以以反应炉内构件的形式位于所述反应炉内，包括表面改性后的气体分布器和/或挡板。

所述煤甲烷化的温度为400-900℃，且反应炉内的压强控制在4~13MPa范围内。

所述一氧化碳气体分两股进入反应炉中，一股气体沿气体分布板的底部中心向上进入，另一股与分布板轴向成30-70度向上进入。

本发明的有益效果：

（1）本发明将煤裂解、煤气化、煤甲烷化和合成气甲烷化反应集中在同一反应炉中，节约了空间与设备投资。

（2）在所述的反应炉中，为了使富含甲烷的气体物流进一步发生甲烷化反应，可以在反应器中与富含甲烷的气体物流接触表面进行表面改性：所述表面改性可以是在与混合气体的接触面进行活性金属镀膜处理、浸渍处理或渗透处理，活性金属可以为钼、钴和/或镍等；也可以在反应炉内填充甲烷化整体催化剂，所设置的甲烷化整体催化剂可以是以煤焦和活性炭为载体，以钼、钴和/或镍等为活性组分的甲烷化催化剂

（3）反应后富甲烷气体物流在合成气甲烷化催化剂的作用下使富甲烷气体物流中的一氧化碳和氢气发生甲烷化反应，再生成一部分甲烷，得到含更多甲烷的气体产物。

（4）本发明充分利用了褐煤中的水分，节约了水资源。

（5）本发明在生成一氧化碳的过程中，利用了分离的二氧化碳废气，减少了二氧化碳的排放，同时省去了空分装置，减少投资费用，实现了节能减排。

（6）所述一氧化碳气体分两股进入反应炉中，物流在反应炉中经过气体分布板作用，更好的参与反应。

（7）在反应炉的顶部设有沉降段提高了反应炉的性能。

附图说明

图1是本发明实施例1的装置图。

图2是本发明实施例2的装置图。

图3是本发明合成甲烷的反应炉装置图。

图中1为反应炉，2为一氧化碳生成炉，3为气固分离器，4为冷凝器，5为气体净化分离器，6为煤、催化剂入口，7为第一入口，8为第二入口，9为合成气出口，10为煤焦出口，11为循环煤焦入口，12为催化剂分离器，13为催化剂，14为气体挡板，15为沉降装置，16为溢流管，17为气体分布板。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

实施例1：

如图1所示，一种褐煤催化直接制甲烷的装置，其特征在于：包括反应炉1、一氧化碳生成炉2、气固分离器3、冷凝器4、气体净化分离器5；所述反应炉1下方左侧设有煤、催化剂入口6，右侧设有一氧化碳气体入口，所述一氧化碳气体入口由第一入口7和第二入口8组成，第一入口7沿反应炉的底部中心向上设置，第二入口8与反应炉轴向成30-70度向上设置；反应炉顶部设有合成气出口9，底部设有煤焦出口10，合成气出口9连接气固分离器，气固分离器3顶部连接冷凝器4，冷凝器4另一端与气体净化分离器5连接；气固分离器3底部连接反应炉下方的循环煤焦入口11；反应炉1底部煤焦出口连接一氧化碳生成炉2，一氧化碳生成炉2的顶部设有一氧化碳气体出口连接反应炉，一氧化碳生成炉2的底部设有排出口连接催化剂分离器12，催化剂分离器12另一端连接反应炉1的催化剂入口；气体净化分离器5设有二氧化碳气体出口连接一氧化碳生成炉2。

上述方案中，所述反应炉1中，负载在煤焦和活性炭上的催化剂13以圆柱状间隔填充在反应炉1中，相邻催化剂层之间设有气体挡板14，在反应炉的顶部设有沉降装置15，所述沉降装置15包括板，由横向设置的板、竖向设置的板和倾斜设置的板组成，竖向设置的板和倾斜设置的板夹角为30度，在反应炉煤焦出口上方设有气体分布板17，气体分布板17的侧面设有溢流管16，能使煤焦产品顺利向下排出反应炉。本发明反应炉顶部设置的沉降装置可以使气流有较小的回转半径及较大的回转角，提高气流急剧转折前的速度，有效地提高分离效率。

上述方案中，所述气固分离器为旋风分离器。

本发明的反应炉在顶部设置沉降装置，该段用来使所述含更多甲烷的气体产物中的较大固体颗粒在离开气化炉之前沉降回煤热解段，从而减轻后续气固分离步骤的负荷。

所述的反应炉内设有气体分布板和挡板，相应的可以对其进行表面改性，可以进行活性金属镀膜处理、浸渍处理或渗透处理，活性金属可以为钼、钴和/或镍等。当然这些部件也可以由活性金属制成。

所述的反应炉还应包括为了使富甲烷气体物流进一步甲烷化而填充的负载在煤焦或活性炭上的合成气甲烷化催化剂。合成气甲烷化催化剂为耐硫甲烷化催化剂，所述耐硫甲烷化催化剂选自负载在煤焦或活性炭载体上的硫化钼、氧化钼、氧化钴或钼一钴一镍的共熔物等。

上述反应炉还应考虑到高温、高压与氢腐蚀等情况，本领域技术人员应当熟知且常用，在此不再赘述。

下面参照图1详述本发明的方法。本发明的方法所采用的核心设备是反应炉。该反应炉一般竖直放置或倾斜放置，在该反应炉中，裂解反应，气化反应，煤甲烷化、合成气甲烷化反应同时发生。进料时，其中固体物料煤和催化剂从上向下运动，最终从气化炉底部的排出口离开气化炉，而气体物料一氧化碳则从下向上运动，最终从气化炉顶部的排气口离开气化炉。固体物料和气体物料在反应炉内基本上呈逆流形式接触。

本发明的方法中，煤和煤甲烷化催化剂可以从距反应炉底部为反应炉高度的1/4-1/2的位置进入气化炉；而一氧化碳气体则可以直接或者通过气体分布板从气化炉的底部和/或侧面通入反应炉：一氧化碳分两股进入反应炉中。在本实施方案中，所述一氧化碳气体物流可以分两股进入所述合成气产生段，一股从气体分布板的底部中心或中心附近沿分布板轴向向上进入，另一股与分布板轴向呈1-89度向上进入，以使得气体分布更均匀；其中所述角度优选30-70度。不管煤和催化剂如何进料，它们最终会在反应炉中相互接触，并同时与一氧化碳气体呈逆流形式接触。对本发明中使用的煤应选自褐煤，并且褐煤为粉碎成粒度为0. 1一lmm的煤粉。

本实施例的具体步骤为：

在反应炉中，煤在煤甲烷化催化剂的作用下与一氧化碳气体发生甲烷化反应，生成富含甲烷的气体物流和反应后的煤焦。对煤甲烷化反应来说，是微吸热反应。反应炉中的反应温度一般为700℃左右。该段反应所需的热量通过来自一氧化碳气体的高温来维持。在该段中产生的含甲烷的气体同时还含有H₂O, CO₂、未反应完全的一氧化碳等。该气体物流在合成气甲烷化催化剂的作用下进一步合成更多的甲烷。煤甲烷化段中产生的反应后的煤焦呈多孔形状，在自身重力作用下排出炉外。

以含水量为30%的褐煤为例，粒径为0.1mm-1mm的褐煤与煤甲烷化催化剂的混合物从煤与催化剂入口进入反应炉，一氧化碳气体从反应炉底部进入反应炉，一氧化碳与褐煤的质量比为0.5-4.5。褐煤与一氧化碳气体反应生成富含甲烷的气体物流，之后在合成气甲烷化催化剂的作用下进一步反应再生成一部分甲烷气体。经过合成气甲烷化催化剂催化后的富甲烷气体物流在沉降段进行沉降后，通过合成气出口排出反应炉。在此反应过程中生成的煤焦在自身重力作用下排出反应炉。

本发明采用管道煤甲烷化催化剂为碱金属碳酸盐或碱金属氢氧化物或它们的混合物以及其它合适的催化剂。合成气甲烷化催化剂为负载在煤焦与活性炭载体上的硫化钼、氧化钼、氧化钴或钼-钴-镍的共熔物以及经过表面处理的反应炉的部件，亦为耐硫甲烷化催化剂。

反应炉中生成的富含甲烷的气体物流在合成气甲烷化催化剂的作用下使合成气发生甲烷化反应，即2CO+2H₂→CH₄+CO₂，再生成一部分甲烷，得到含更多甲烷的气体产物。其中所述合成气甲烷化催化剂选自耐硫甲烷化催化剂，因为在上述生成的含甲烷的气体物流中不可避免地带有一些含硫化合物，例如SOx或H₂S或COS等，故需要该合成气甲烷化催化剂具有耐硫性能。所述耐硫甲烷化催化剂选自负载在煤焦或活性炭载体上的硫化钼、氧化钼、氧化钴或钼-钴-镍的共熔物等。在反应炉中，所述合成气甲烷化催化剂以固定床形式填充在反应炉中，该催化剂也可以以气化炉内构件例如气体分布器和/或挡板的形式位于所述反应炉内。这样做不仅使合成气甲烷化催化剂固定在反应炉内，而且不影响气体物流的向上运动。富甲烷气体物流在通过该催化剂床层时即发生甲烷化反应，同时放出热量。该段中的温度一般为400-900 ℃ 。

从反应炉排出的煤焦在一氧化碳生成器中与气体净化分离器中分离的二氧化碳废气在高温条件下反应生成一氧化碳气体物流。其中固体物料，从上向下运动，最终从一氧化碳生成器底部的排渣口离开，而气体物料，则从下向上运动，最终从气化炉顶部的排气口离开生成器。固体物料和气体物料在气化炉内基本上呈逆流接触的形式。由于该段中的反应为高温条件下的反应，带有大量的热量，故一氧化碳气体具有很高的温度，可通过调节一氧化碳气体物流的进料速率来将该段的温度控制在适合于生成合成气的温度下。

若本发明的方法中采用的煤甲烷化催化剂在该段的温度下不能气化，则该催化剂随着灰渣排出生成器，进入到催化剂分离器中进行回收；若本发明的方法中采用的煤甲烷化催化剂在该段的温度下能够气化，则该催化剂被气化成蒸气并随着所述包括合成气在内的气体物流向上进入到所述煤甲烷化段，并随着气体温度的降低而冷凝在煤上重复发挥催化作用。

上述反应中，所述含更多甲烷的气体产物离开反应炉后，可以进入旋风分离器中进行气固分离，分离下来的固体可以另作它用，或者通过循环煤焦入口返回到反应炉中回用。

本发明的优点在于在一个反应炉集成了煤裂解，煤气化，煤甲烷化，合成气甲烷化过程，各过程彼此从物料和能量上相互补充和利用，不仅简化了工艺，还使整体能量效率大大提高。此外，将耐硫甲烷化催化剂做成合成气甲烷化段的内构件，例如气体分布板或挡板等，可根据气体的处理量，确定催化剂用量及内构件的具体布置，不但不影响多段炉内气固两相的运动特性，反而还有效利用了其反应过程产生的大量热量，为煤的热解反应提供了热源。再一个优点是本发明的方法调节手段丰富，通过调节煤的进料速度、一氧化碳气体物流的进料速度等，很容易反应炉的温度，例如在反应炉中，因一氧化碳气体物流携带热量过大而使煤甲烷化的温度超过煤甲烷化催化剂的最佳使用温度时，可通过通过加入额外的煤并降低一氧化碳的气体物流流速来调节该段的温度。

实施例2：

本发明提供另一种优选的实施方式，见图2。

本发明的总反应装置布置及反应炉结构砼实施例1，区别在于，本实施例中，所述气固分离器为颗粒移动床除尘器；进一步地，所述颗粒移动床除尘器中采用合成气甲烷化催化剂作为除尘颗粒以生成含量更高的甲烷气体。

反应炉中生成的含甲烷的气体产物离开反应炉后，也可以进入颗粒移动床中进行气固分离，如图3所示，分离下来的固体可以另作它用，或者返回到气化炉中回用，其中所述颗粒移动床中采用所述合成气甲烷化催化剂作为除尘颗粒，这样做的好处是未反应完全的合成气在此还可以继续反应而生成额外的甲烷气体，进一步增加甲烷含量。其中所述合成气甲烷化催化剂选自耐硫甲烷化催化剂，所述耐硫甲烷化催化剂选自负载在煤焦或活性炭载体上的硫化钼、氧化钼、氧化钴或钼一钴一镍共熔物等。经过旋风分离除尘或颗粒移动床除尘后的气体经过除焦油以及气体净化与分离后得到甲烷气体，经气体分离分离出来的含CO和H₂的气体可以再次进入反应炉参与反应，分离出的CO₂还可以和反应炉排出的煤焦反应，生成CO参与煤甲烷化反应。

Claims (9)

1.一种褐煤催化直接制甲烷的装置，其特征在于：包括反应炉、一氧化碳生成炉、气固分离器、冷凝器、气体净化分离器；所述反应炉下方左侧设有煤、催化剂入口，右侧设有一氧化碳气体入口，所述一氧化碳气体入口由第一入口和第二入口组成，第一入口沿气体分布板的底部中心向上设置，第二入口与气体分布板轴向成30-70度向上设置；反应炉顶部设有合成气出口，底部设有煤焦出口，合成气出口连接气固分离器，气固分离器顶部连接冷凝器，冷凝器另一端与气体净化分离器连接；气固分离器底部连接反应炉下方的循环煤焦入口；反应炉底部煤焦出口连接一氧化碳生成炉，一氧化碳生成炉的顶部设有一氧化碳气体出口连接反应炉，一氧化碳生成炉的底部设有排出口连接催化剂分离器，催化剂分离器另一端连接反应炉的催化剂入口；气体净化分离器设有二氧化碳气体出口连接一氧化碳生成炉；

所述反应炉中，负载在煤焦和活性炭上的催化剂以圆柱状间隔填充在反应炉中，相邻催化剂层之间设有气体挡板，在反应炉的顶部设有沉降装置，所述沉降装置包括板，由横向设置的板、竖向设置的板和倾斜设置的板组成，竖向设置的板和倾斜设置的板夹角为30度；在反应炉煤焦出口上方设有气体分布板，气体分布板的侧面设有溢流管。

2.根据权利要求1所述的褐煤催化直接制甲烷的装置，其特征在于：所述气固分离器为旋风分离器或颗粒移动床除尘器。

3.根据权利要求2所述的褐煤催化直接制甲烷的装置，其特征在于：所述颗粒移动床除尘器中采用合成气甲烷化催化剂作为除尘颗粒以生成含量更高的甲烷气体。

4.一种采用上述权利要求1~3任一项所述的褐煤催化直接制甲烷的装置的方法，其特征在于：包括以下步骤：

a.在反应炉中，褐煤煤粉与高温一氧化碳气体发生煤热解、煤气化、煤甲烷化和合成气甲烷化反应，生成富含甲烷的气体和反应后的煤焦：首先褐煤在煤甲烷化催化剂的作用下与来自一氧化碳生成炉的一氧化碳气体发生甲烷化反应，生成含甲烷的气体和煤焦；含甲烷的气体物流在反应炉内合成气甲烷化催化剂的作用下使合成气发生甲烷化反应，再生成一部分甲烷，得到含量更高的甲烷气体；

所述一氧化碳与进入反应炉的煤粉的质量比为0.5~4.5；

b. 步骤a中反应得到的含甲烷的气体经过气固分离器，气固分离器分离出煤焦循环进入反应炉中；其余气体从气固分离器顶部排出依次进入冷凝器与气体净化分离器，得到含96％-98％甲烷的天然气；气体净化分离器分离出的二氧化碳气体进入一氧化碳生成炉中；

步骤a中反应得到的煤焦从反应炉底部排出，进入一氧化碳生成炉中；

c. 在一氧化碳生成炉中，煤焦与二氧化碳废气在800℃以上的温度下反应生成一氧化碳气体，生成的一氧化碳气体进入反应炉中参与反应。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述原料褐煤为含水率为15％-55％的褐煤制成的粒径为0.1~1mm的煤粉。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述煤甲烷化催化剂选自碱金属碳酸盐或碱金属氢氧化物中的一种或几种；所述合成气甲烷化催化剂为耐硫甲烷化催化剂，选自负载在煤焦与活性炭载体上的硫化钼、氧化钼、氧化钴或钼-钴-镍的共熔物。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述合成气甲烷化催化剂以固定床形式位于反应炉内或者以反应炉内构件的形式位于反应炉内，所述反应炉内构件包括表面改性后的气体分布器或挡板。

8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述煤甲烷化的温度为400-900℃，且反应炉内的压强控制在4~13MPa范围内。

9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述一氧化碳气体分两股进入反应炉中，一股气体沿气体分布板的底部中心向上进入，另一股与分布板轴向成30-70度向上进入。