发明内容
本发明的主要目的在于提供一种制备甲烷的工艺系统,以解决现有技术中难以控制甲烷反应的温度,进而造成甲烷转化率较低的问题。
为了实现上述目的,根据本发明的一个方面,提供了一种制备甲烷的工艺系统,该工艺系统包括净化气供应装置、低温反应装置与高温反应装置,其中,上述低温反应装置具有第一反应气入口与设置在其内部的内置换热器,上述第一反应气入口与上述内置换热器隔离,上述内置换热器具有低温净化气入口和高温净化气出口,上述低温净化气入口与上述净化气供应装置通过净化气输送管线相连向上述内置换热器供应低温净化气作为冷却介质;高温反应装置具有饱和蒸汽入口、第三反应气入口和第三工艺气出口,上述高温净化气出口与上述第三反应气入口通过高温净化气输送管线相连,上述第三工艺气出口与上述第一反应气入口通过第三工艺气输送管线相连。
进一步地,上述工艺系统还包括中温反应装置,上述中温反应装置具有第二反应气入口和第二工艺气出口,上述第二反应气入口与上述高温净化气出口或上述高温净化气输送管线相连,上述第二工艺气出口与上述第一反应气入口通过第二工艺气输送管线相连。
进一步地,上述第二反应气入口与上述高温净化气输送管线通过高温净化气支线连通,上述高温净化气支线上设置有第一温度控制阀。
进一步地,上述第二反应气入口与上述第三工艺气输送管线通过第三工艺气支线相连。
进一步地,在上述第三工艺气支线的结点下游的上述第三工艺气输送管线上设置第二温度控制阀。
进一步地,上述工艺系统还包括第一换热器,上述第一换热器设置在与上述第三工艺气支线的结点上游的上述第三工艺气输送管线上。
进一步地,上述第三工艺气输送管线与上述第二工艺气输送管线在上述第一反应气入口之前汇合形成汇合管线,上述工艺系统还包括第二换热器,上述第二换热器设置在上述汇合管线上。
进一步地,上述工艺系统还包括第一气水分离器,上述第一气水分离器设置在上述汇合管线上,优选上述第一气水分离器与上述第一反应气入口之间的汇合管线在上述第二换热器交叉设置以进行换热。
进一步地,上述工艺系统还包括:给水锅炉与汽包。汽包具有锅炉水入口、饱和锅炉水出口和饱和蒸汽出口,且上述锅炉水入口与上述给水锅炉通过锅炉水输送管线相连,上述饱和蒸汽出口与上述高温反应装置的饱和蒸汽入口通过饱和蒸汽输送管线相连。
进一步地,上述饱和锅炉水出口与上述高温反应装置的饱和蒸汽入口通过第一饱和水输送管线相连,且上述第一换热器设置在上述第一饱和水输送管线上;以及上述汽包还具有蒸汽入口,上述饱和锅炉水出口与上述蒸汽入口之间设置有第二饱和水输送管线,上述第二饱和水输送管线穿过上述中温反应装置。
进一步地,上述工艺系统还包括第三换热器,上述工艺系统还包括第三换热器,上述锅炉水输送管线与上述第三工艺气输送管线在上述第三换热器交叉,或上述锅炉水输送管线与上述第二工艺气输送管线在上述第三换热器交叉。
进一步地,上述低温反应装置还具有产品气出口,上述工艺系统还包括:第二气水分离器,具有产品气入口,与上述产品气出口之间具有产品气输送管线;第四换热器,上述产品气输送管线与上述锅炉水输送管线在上述第四换热器交叉;第五换热器,上述净化气输送管线与上述产品气输送管线在上述第五换热器交叉。
应用本发明的技术方案,高温反应装置的第三工艺气出口输出的反应气通过第三工艺气输送管线进入到低温反应装置中进行反应,同时来自净化气供应装置的低温净化气由低温净化气入口进入到低温反应装置内置换热器中吸收反应中放出的热量,使得低温反应装置的温度降低,避免了低温反应装置中制备甲烷反应产生的大量热量的积累导致低温反应装置温度大幅度提高,进而避免了低温反应装置中制备甲烷的反应温度较高造成甲烷化转化率低,工艺设备损伤的问题;另一方面,低温反应装置中反应产生的热量通过内置换热器传给低温净化气,使得低温净化气的温度提高,因此节约了高温反应装置所需的热能,使得制备甲烷反应产生的热量得到了充分的利用。
具体实施方式
需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
正如背景技术所介绍的,现有技术中的甲烷制备系统不能在控制甲烷反应温度的同时保证甲烷反应的速率,为了解决如上的问题,本申请提出了一种制备甲烷的工艺系统。
本申请一种优选的实施方式中,提供了一种制备甲烷的工艺系统,如图1所示,上述工艺系统包括净化气供应装置10、低温反应装置20与高温反应装置30,上述低温反应装置20具有第一反应气入口与设置在其内部的内置换热器21,上述第一反应气入口与上述内置换热器21隔离,上述内置换热器21具有低温净化气入口和高温净化气出口,上述低温净化气入口与上述净化气供应装置10通过净化气输送管线1相连向上述内置换热器21供应低温净化气作为冷却介质;上述高温反应装置30具有饱和蒸汽入口、第三反应气入口和第三工艺气出口,上述高温净化气出口与上述第三反应气入口通过高温净化气输送管线4相连,上述第三工艺气出口与上述第一反应气入口通过第三工艺气输送管线3相连。
上述的工艺系统中,高温反应装置30的第三工艺气出口输出的反应气通过第三工艺气输送管线3进入到低温反应装置20中进行反应,同时来自净化气供应装置10的低温净化气由低温净化气入口进入到低温反应装置20内置换热器21中吸收反应中放出的热量,使得低温反应装置20的温度降低,避免了低温反应装置20中制备甲烷反应产生的大量热量的积累导致低温反应装置20温度大幅度提高,进而避免了低温反应装置20中制备甲烷的反应温度较高造成催化剂活性降低,进而造成的甲烷化转化率较低与工艺设备损伤的问题;另一方面,低温反应装置20中反应产生的热量通过内置换热器21传给低温净化气,使得低温净化气的温度提高,因此节约了高温反应装置30所需的热能,使得制备甲烷反应产生的热量得到了充分的利用。
为了进一步提高甲烷化的转化率,优选上述工艺系统还包括中温反应装置40,如图2所示,且进一步优选上述中温反应装置40具有第二反应气入口和第二工艺气出口,上述第二反应气入口与上述高温净化气出口或上述高温净化气输送管线4相连,上述第二工艺气出口与上述第一反应气入口通过第二工艺气输送管线2相连。与上述高温净化气输送至高温反应装置30的效果相似,低温反应装置20中反应产生的热量通过内置换热器21传给低温净化气,使得低温净化气的温度提高,因此节约了中温反应装置40所需的热能,使得制备甲烷反应产生的热量得到了充分的利用;此外,将中温反应装置40产生的第二工艺气输送至低温反应装置20,使第二工艺气中未反应完全的气体在其中进一步发生甲烷化,从而提高了甲烷化的转化率。
本申请一种优选的实施例中,如图3所示,上述第二反应气入口与上述高温净化气输送管线4通过高温净化气支线04连通,上述高温净化气支线04上设置有第一温度控制阀50。这样可以通过第一温度控制阀50更好地控制进入上述高温反应装置30与上述中温反应装置40的高温净化气的比例,从而更好地控制从中温反应装置40输送到低温反应装置20的反应气的量,进而更好地控制低温反应装置20中反应气的温度,有利于低温反应装置20中制备甲烷反应的温度的控制。
上述高温反应装置30所产生的第三工艺气除了可以作为低温反应装置20的反应气外,还可以作为中温反应装置40的反应气,因此如图3所示,优选上述第二反应气入口与第三工艺气输送管线3通过第三工艺气支线03相连。
从高温反应装置30输出的第三工艺气的温度较低,从中温反应装置40输出的第二工艺气的温度较高,为了更好地控制输入低温反应装置20中的第二工艺气与第三工艺气的比例,进而更好地控制进入低温反应装置20中的工艺气的温度,从而更好地控制低温反应装置20的温度,进而控制从中温反应装置40与高温反应装置30输入至低温反应装置20的工艺气,(工艺气作为低温反应装置20的反应气)的比例,避免温度过高,影响甲烷化效率。如图3所示,本申请优选在上述第三工艺气支线03的结点下游的上述第三工艺气输送管线3上设置第二温度控制阀60。
本申请另一种优选的实施例中,如图3所示,上述工艺系统还包括第一换热器70,上述第一换热器70设置在与第三工艺气支线03的结点上游的第三工艺气输送管线3上。利用上述第一换热器70实现对第三工艺气的温度调节后在输送至低温反应装置20和中温反应装置40,保证了各反应装置中的反应稳定性。
此外,为了进一步保证进入低温反应装置20中的工艺气的温度稳定,优选如图3所示,使第三工艺气输送管线3与第二工艺气输送管线2在上述第一反应气入口之前汇合形成汇合管线5,进一步地该工艺系统还包括第二换热器80,第二换热器80设置在上述汇合管线5上。利用第二换热器80对经过汇合管线5的第二工艺气和第三工艺气进行温度调节,避免了进入低温反应装置20的工艺气温度不符合反应要求带来的负面影响。
为了避免来自中温反应装置40和高温反应装置30的工艺气中存在过多的水蒸气对低温反应装置20产生不利影响,优选如图3所示,上述工艺系统还包括第一气水分离器90,且第一气水分离器90设置在汇合管线5上,优选第一气水分离器90与第一反应气入口之间的汇合管线5在上述第二换热器80交叉设置以进行换热。利用第一气水分离器90将汇合管线5中工艺气中的反应气与水蒸气分离,降低进入低温反应装置20的工艺气中的水蒸气的含量,从而能够提高产品气出口输出的气体中甲烷的比重,分离的水蒸气由管线输送到外界,成为工艺凝液。此外,将第二换热器80与汇合管线5的交叉设置,充分利用本申请工艺系统所产生的热能,利用汇合管线5中的工艺气对从第一气水分离器90输出的反应气进行加热,且同时实现自身的降温。第一气水分离器90将从工艺气中分离得到的水蒸气输出到工艺凝液装置中。
为了向系统提供锅炉水,进而向高温反应装置30提供饱和水蒸气作为高温反应所需的热源,优选上述工艺系统还包括给水锅炉100与汽包110,如图3所示,上述汽包110具有锅炉水入口、饱和锅炉水出口和饱和蒸汽出口,且上述锅炉水入口与上述给水锅炉100通过锅炉水输送管线6相连,上述饱和蒸汽出口与上述高温反应装置30的饱和蒸汽入口通过饱和蒸汽输送管线7相连,经高温反应装置30变为动力蒸汽,由管线输送到外界。
本申请一种优选的实施例中,如图3所示,上述饱和锅炉水出口与上述高温反应装置30的饱和蒸汽入口通过第一饱和水输送管线8相连,且上述第一换热器70设置在上述第一饱和水输送管线8上,这样从汽包110中输出的饱和锅炉水经第一换热器70与从高温反应装置30输出的第三工艺气进行换热,利用第三工艺气的热量将饱和锅炉水变为饱和水蒸气输送到高温反应装置30进而向制备甲烷反应提供热源;换热后的第三工艺气的温度降低,从而能够控制进入低温反应装置20和/或中温反应装置40的第三工艺气的温度,进一步控制在对应反应装置中发生的制备甲烷反应的反应温度和甲烷转化效率。
另外,优选上述汽包110还具有蒸汽入口,如图3所示,上述饱和锅炉水出口与上述蒸汽入口之间设置第二饱和水输送管线9,第二饱和水输送管线9穿过中温反应装置40,利用第二饱和水输送管线9输送的饱和水吸收中温反应装置40放出的热量,有效避免了中温反应装置40中的温度的大幅升高,更好地控制了中温反应装置40中制备甲烷反应的反应温度,而且还能够利用中温反应装置40中的制备甲烷反应放出的热量对饱和锅炉水进行加热,使得饱和锅炉水变为饱和水蒸气,再输送至汽包110作为汽包110输出的饱和蒸汽或者作为汽包110的热源对锅炉水进行加热。
本申请还可以利用甲烷化过程产生的热能实现对锅炉水的加热,因此优选上述工艺系统还包括第三换热器120,如图3所示,上述锅炉水输送管线6与上述第三工艺气输送管线3在上述第三换热器120交叉,或上述锅炉水输送管线6与上述第二工艺气输送管线2在上述第三换热器120交叉。上述锅炉水输送管线6与第三工艺气输送管线3在第三换热器120交叉实现锅炉水和第三工艺气的换热,和/或者锅炉水输送管线6与第二工艺气输送管线2在第三换热器120交叉实现锅炉水和第二工艺气的换热,既实现了对锅炉水的加热,有实现了降低进入低温反应装置20的第二工艺气和/或第三工艺气的降温,有效保证了低温反应装置20中的甲烷化的反应温度和效率。当然,如果第二工艺气和第三工艺气如前述的实施例中所描述的汇合形成汇合管线5时,可以直接将汇合管线5与锅炉水输送管线6在第三换热器120进行交叉,也能实现上述效果。
在完成甲烷化反应之后,本申请优选对所生成的产品气进行处理,降低其中的水蒸气含量,因此如图3所示,优选上述低温反应装置20还具有产品气出口,上述工艺系统还包括第二气水分离器130、第四换热器140与第五换热器150,上述第二气水分离器130具有产品气入口,与上述产品气出口之间具有产品气输送管线11,第二气水分离器130也将从工艺气中分离得到的水蒸气输出到工艺凝液装置中;上述产品气输送管线11与上述锅炉水输送管线6在上述第四换热器140交叉;上述净化气输送管线1与上述产品气输送管线11在上述第五换热器150交叉。第二气水分离器130对经过低温反应装置20反应生成的产品气进行气水分离,降低产品气中的水蒸气的含量,提高甲烷的比重,进而得到天然气,分离的水蒸气由管线输送到外界,成为工艺凝液;且利用第四换热器140对由低温反应装置20输出的反应气与给水锅炉100输出的锅炉水进行换热,降低产品气温度的同时对锅炉水进行加热;同样,利用第五换热器150由净化气输送管线1中的低温净化气对产品气输送管线11中的产品气进行降温的同时,适当提高低温净化气的温度。由此可见,上述结构实现了工艺系统中所产生的热能的进一步有效利用。
本申请的另一种优选的实施例中,如图3所示,制备甲烷的工艺系统还包括水冷器160,水冷器160设置在第二气水分离器130与第五热交换器150之间的管线上,用于对低温反应装置20反应生成的产品气进行降温。
图3所示的工艺系统中,中温反应装置40中还包括中温内置换热器41,用于将中温反应装置40中甲烷反应产生的热量传给由汽包110送入的饱和锅炉水,换热后,饱和锅炉水变为水蒸气,由汽包110的蒸气入口进入中温反应装置40中。
图3所示的工艺系统中,高温反应装置30包括高温内置换热器31,用于将甲烷反应产生的热量传递给饱和蒸汽,这样能够更好地控制高温反应装置30中制备甲烷反应的反应温度和甲烷转换效率。
从以上的描述中,可以看出,本发明上述的实施例实现了如下技术效果:
本申请的工艺系统中,高温反应装置的第三工艺气出口输出的反应气通过第三工艺气输送管线进入到低温反应装置中进行反应,同时来自净化气供应装置的低温净化气由低温净化气入口进入到低温反应装置内置换热器中吸收反应中放出的热量,使得低温反应装置的温度降低,避免了低温反应装置中制备甲烷反应产生的大量热量的积累导致低温反应装置温度大幅度提高,进而避免了低温反应装置中制备甲烷的反应温度较高造成甲烷化转化率低,工艺设备损伤的问题;另一方面,低温反应装置中反应产生的热量通过内置换热器传给低温净化气,使得低温净化气的温度提高,因此节约了高温反应装置所需的热能,使得制备甲烷反应产生的热量得到了充分的利用。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。