CN105087092A - 天然气生产系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天然气生产系统及方法，其中涉及的天然气生产系统，其包括：气化装置，用来气化燃料源产生包括氢气和一氧化碳的合成气；水气变换反应器，和所述气化装置连通，用来调节氢气和一氧化碳的比例；第一甲烷化反应器，和所述水气变换反应器连通，用来使至少部分氢气和至少部分一氧化碳反应产生甲烷；酸性气体去除装置，和所述第一甲烷化反应器连通，用来去除酸性气体；及第二甲烷化反应器，和所述酸性气体去除装置连通，用来促进氢气和一氧化碳的反应进一步产生甲烷。本发明还设计一种天然气生产方法。

Description

天然气生产系统及方法

技术领域

本发明有关一种天然气生产系统及方法，尤其涉及一种通过气化燃料源来制备天然气的系统及方法。

背景技术

一般而言，制备天然气的系统包括气化装置(如气化炉)。通过在气化装置中让碳质的燃料源与氧气和蒸汽在高温和高压下反应产生主要含有一氧化碳和氢气的合成气。对合成气进行水气变换反应来调节一氧化碳和氢气的比例以用于甲烷化反应过程。将合成气清洁、处理后进行甲烷化反应产生甲烷，即合成气中的一氧化碳和氢气反应产生甲烷和水。在工业上需要对大量的合成气进行处理，水气变换装置、清洁装置等设备的体积相当大，因此整个系统相当庞大。

因此，有必要提供一种天然气生产系统及方法来解决上面提及的至少一个技术问题。

发明内容

本发明的一个方面在于提供一种天然气生产系统。该天然气生产系统包括：气化装置，用来气化燃料源产生包括氢气和一氧化碳的合成气；水气变换反应器，和所述气化装置连通，用来调节氢气和一氧化碳的比例；第一甲烷化反应器，和所述水气变换反应器连通，用来使至少部分氢气和至少部分一氧化碳反应产生甲烷；酸性气体去除装置，和所述第一甲烷化反应器连通，用来去除酸性气体；及第二甲烷化反应器，和所述酸性气体去除装置连通，用来促进氢气和一氧化碳的反应进一步产生甲烷。

本发明的另一个方面在于提供一种天然气生产方法。该天然气生产方法包括以下步骤：气化燃料源产生包括氢气和一氧化碳的合成气；调节氢气和一氧化碳的比例；使至少部分氢气和至少部分一氧化碳反应产生甲烷；去除酸性气体；及促进氢气和一氧化碳的反应进一步产生甲烷。

附图说明

通过结合附图对于本发明的实施方式进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中：

图1所示为本发明天然气生产系统的一个实施例的示意图；

图2所示为本发明天然气生产系统的另一个实施例的示意图；

图3所示为本发明天然气生产系统的另一个实施例的示意图；

图4所示为本发明天然气生产系统的另一个实施例的示意图；

图5所示为本发明天然气生产方法的一个实施例的流程图；

图6所示为本发明天然气生产方法的另一个实施例的流程图。

具体实施方式

除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”、“包含”或者“含有”等类似的词语意指出现在“包括”、“包含”或者“含有”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件、物件或元素。“连接”、“相连”或者“连通”等类似的词语并非限定于直接的连接，而是可以包括间接的连接。数值范围包括其端值。

图1所示为一个实施例的天然气生产系统100的示意图。天然气生产系统100包括气化装置11、水气变换(WaterGasShift，以下简称“WGS”)反应器19、第一甲烷化反应器21、酸性气体去除装置23和第二甲烷化反应器31。气化装置11用来气化燃料源13产生包括氢气(H₂)和一氧化碳(CO)的合成气。燃料源13，诸如固体供料，可用做生产天然气(SyntheticNaturalGas，SNG)的能量源。燃料源13可包括煤、石油焦、生物质、木质材料、农业废料、焦油、焦炉气、沥青或其它含碳物。

在一些实施例中，燃料源13输送给气化装置11之前可经过给料制备系统(未图示)，其例如可通过斩切、碾磨、切碎、粉碎、压块或装运燃料源13来调整燃料源13的大小或再成形燃料源13以产生给料。另外，可向给料制备系统中的燃料源13添加水或其它合适的液体以形成浆状给料。在其他实施例中，不向给料制备系统中的燃料源13添加液体，从而形成干燥的给料。

给料可从给料制备系统传递至气化装置11，气化装置11可将给料转换成合成气。该转换可通过将给料置于受控量的蒸汽和氧气中来完成，该蒸汽和氧气处于升高的压力，例如，从大约20巴(Bar)至85巴，以及升高的温度，例如大约700摄氏度至1600摄氏度，取决于气化装置的类型。气化过程还可包括高温分解给料，从而加热给料。在高温分解过程期间气化装置11内部的温度可在大约150摄氏度至700摄氏度的范围内，取决于用来产生给料的燃料源13。给料在高温分解过程期间可产生固体，如焦炭，以及残余气体，如CO、H₂和氮气(N₂)。在一实施例中，高温分解过程中产生的焦炭占原始给料的重量的大约30％。

气化装置11中然后发生燃烧过程。为了协助该燃烧过程，空气分离单元15向气化装置11供应氧气。空气分离单元15从空气中分离出氧气，其将空气分离成组分气体，可利用冷冻的或变压吸附的蒸馏技术。空气分离单元15将分离出的氧气传送至气化装置11。

气化装置11从空气分离单元15接收氧气用于燃烧。燃烧包括将氧气引导至焦炭和残余气体，使得焦炭和残余气体与氧气反应而形成二氧化碳(CO₂)和CO，从而为随后的气化反应提供热量。燃烧过程中的温度可在大约700摄氏度至1600摄氏度的范围内。接下来，可在气化期间将蒸汽导入气化装置11中。焦炭可与CO₂和蒸汽反应以产生大约800摄氏度至1100摄氏度的CO和H₂。

如此，通过气化装置11制造合成气。该合成气可包括大约85％的CO和H₂，以及甲烷(CH₄)、氯化氢(HCl)、氟化氢(HF)、氨气(NH₃)、氰化氢(HCN)、氧硫化碳(COS)和硫化氢(H₂S)(基于给料的硫含量)。该合成气可称为原质合成气。气化装置还产生废料，诸如熔渣17，其可为湿灰尘材料。

在一实施例中，可通过净化系统(未图示)从气化装置11去除该熔渣17。熔渣17可被处理作为路基或建筑材料。另外，净化系统可用来从原质合成气中去除颗粒物质(如湿灰尘)来清洁原质合成气。

WGS反应器19和气化装置11连通，用来调节H₂和CO的比例。原质合成气传输至WGS反应器19。WGS反应器19用来进行WGS反应，即CO和水(例如，蒸汽)反应以产生CO₂和H₂。该过程可将原质合成气中的H₂和CO的摩尔比从大约1比1调节至大约3比1以用于甲烷化过程。在本实施例中，WGS反应器19包括酸性WGS反应器，也就是说，在WGS反应期间输送到WGS反应器19中的原质合成气中可存在硫。

WGS反应器19包括WGS催化剂，用于加速WGS反应。WGS催化剂包括基于钼(Mo)的催化剂、基于钴(Co)的催化剂或两者的结合。例如，钼的氧化物或钴的氧化物。WGS反应器19在高温(例如大约250摄氏度)、高压(例如大约3兆帕至5兆帕)及水气比大约0.5至1.5(较典型的为1)的条件下进行WGS反应。

天然气生产系统100进一步包括位于第一甲烷化反应器21的气体流动路径的上游的冷却和脱水装置18，用来调节合成气的水气比，以适合甲烷化反应。在一个实施例中，冷却和脱水装置18调节水气比小于0.5。冷却和脱水装置18冷却来自WGS反应器的气体，然后对冷却后的气体进行脱水，从而调节水气比。在一个实施例中，冷却和脱水装置18可包括冷却单元和脱水单元，且冷却单元和脱水单元可为独立的设备。加热装置20用来加热来自冷却和脱水装置18的气体至适合第一甲烷化反应的温度，例如大约350摄氏度。

第一甲烷化反应器21和WGS反应器19连通，用来使至少部分H₂和至少部分CO反应产生CH₄。在WGS反应器19中的WGS反应后，变换后的合成气经过冷却和脱水装置18和加热装置20后传输至第一甲烷化反应器21。第一甲烷化反应器21执行甲烷化过程，将合成气中的CO和H₂反应产生CH₄和水。反应产生的CH₄和水的体积之和为相应的CO和H₂的体积之和的一半，如此，很大程度上减小合成气的体积，下游的装置(例如，冷却装置22、酸性气体去除装置23、捕捉装置27及第二甲烷反应器31等)可以采用体积较小的装置。因此整个系统的体积变小，从而提高散热，降低能耗。在一个实施例中，第一甲烷化反应器21产生浓度大约10％的甲烷，即产生的甲烷相对于第一甲烷化反应器21中混合气体的浓度。

第一甲烷化反应器21包括第一甲烷化催化剂，用来加速甲烷化反应。第一甲烷化催化剂源于WGS催化剂，可含有WGS催化剂的组分。第一甲烷化催化剂包括基于钼的催化剂、基于钴的催化剂或两者的结合。例如，钼的氧化物或钴的氧化物。在一个实施例中，第一甲烷化催化剂与WGS催化剂采用相同的催化剂。如此，第一甲烷化反应器21可利用WGS催化剂，从而方便准备催化剂。第一甲烷化反应器21在高温(例如大约350摄氏度至500摄氏度)、高压(例如大约3兆帕至5兆帕)及水气比大约小于0.5的条件下进行甲烷化反应。在本实施例中，第一甲烷化反应器21包括酸性甲烷化反应器，也就是说，第一甲烷化反应器21可在未预先去除酸性气体(例如，H₂S)的情况下产生CH₄。

第一甲烷化反应器21进行甲烷化反应之后，气体输入冷却装置22进行冷却，以便去除酸性气体。冷却装置22可包括一个或多个利用冷却剂(例如，水)来冷却气体的热交换器。

酸性气体去除装置23和第一甲烷化反应器21连通，用来去除酸性气体。冷却后的气体输入酸性气体去除装置23来去除酸性气体。在典型的实施例中，酸性气体去除装置23主要去除H₂S。酸性气体去除装置23可以基本上除去H₂S。在一些实施例中，酸性气体去除装置23还可去除第一甲烷化反应器21输出的混合气体中其他不希望有的成分，例如HCl、HF、COS和HCN。酸性气体去除装置23可将去除的气体(例如，HCl、HF、COS、HCN和H₂S)传输至尾气处理装置25。尾气处理装置25可分离出硫，分离出的硫可被使用或销售。

在本实施例中，天然气生产系统100还包括位于WGS反应器19的气体流动路径的下游的捕捉装置27，用来捕捉和去除CO₂。捕捉装置27可以用胺基溶液吸收CO₂、低温甲醇洗的方法或其他方法去除CO₂。WGS反应器19中会产生CO₂，捕捉装置27可用来清洁气体。在图示实施例中，酸性气体去除装置23输出的无硫的气体输入捕捉装置27。在其他实施例中，捕捉装置27位于WGS反应器19和第一甲烷化反应器21之间、第一甲烷化反应器21和酸性气体去除装置23之间，或第二甲烷化反应器31之后。在一些实施例中，去除的CO₂可从捕捉装置27传输至CO₂脱水和压缩装置29，其可脱水并压缩CO₂以进行储存和随后使用。

第二甲烷化反应器31和酸性气体去除装置23连通，用来促进CO和H₂的反应进一步产生CH₄。在图示实施例中，第二甲烷化反应器31位于捕捉装置27的气体流动路径的下游，气体被清洁之后进一步反应产生甲烷。第二甲烷化反应器31可包括无酸甲烷化反应器，其利用清洁的合成气(例如，硫已从合成气除去)产生CH₄(例如，合成天然气(SNG，SyntheticNaturalGas))和水。第二甲烷化反应器31包括第二甲烷化催化剂，第二甲烷化催化剂包括基于镍(Ni)的催化剂、基于铁(Fe)的催化剂或两者的结合。例如，镍的氧化物或铁的氧化物。第二甲烷化反应器31在高温(例如大约350摄氏度至500摄氏度)及高压(例如大约3兆帕至5兆帕)的条件下进行甲烷化反应。在一个实施例中，第二甲烷化反应器31产生浓度大约90％的甲烷。

在一个实施例中，第二甲烷化反应器31可将产生的SNG和水通过冷却装置32冷却后传输至SNG脱水和压缩装置33。该SNG脱水和压缩装置33可从SNG中分离水，使得SNG可被压缩并从SNG脱水和压缩装置33传输至储存装置或其他SNG处理装置。

在一些实施例中，上述的各个装置为独立的物理设备。在另一些实施例中，上述的两个或多个装置可以整合在一起为一个物理设备。例如，冷却装置22可以和酸性气体去除装置23整合在一起。

图2所示为另一个实施例的天然气生产系统200的示意图。图2所示的天然气生产系统200类似于图1所示的天然气生产系统100。图2中与图1中相同的装置用相同的标号表示。相对于图1的天然气生产系统100，图2中的天然气生产系统200的冷却和脱水装置18位于WGS反应器的气体流动路径的上游。气化装置11进行气化反应之后的气体输入冷却和脱水装置18，冷却和脱水装置18调节水气比。气化后的合成气的水气比大约为1.2，冷却和脱水装置18用来降低水气比，以适用WGS反应和第一甲烷化反应。

图3所示为另一个实施例的天然气生产系统300的示意图。图3所示的天然气生产系统300类似于图2所示的天然气生产系统200。图3中与图2中相同的装置用相同的标号表示。相对于图2的天然气生产系统200，图3中的天然气生产系统300的气化装置11进行气化反应后的合成气通过冷却和脱水装置18调节水气比，之后加热来自冷却和脱水装置18的合成气使其适合甲烷化反应。接着，合成气输入第一甲烷化反应器21进行甲烷化反应，如此缩小气体的体积，从而下游的WGS反应器19也可采用体积较小的反应器。第一甲烷化反应器21进行甲烷化反应之后，冷却装置24对合成气进行冷却以适合WGS反应。WGS反应的温度低于甲烷化反应的温度。WGS反应器19接收来自冷却装置24的合成气进行WGS反应。

图4所示为另一个实施例的天然气生产系统400的示意图。图4所示的天然气生产系统400类似于图1所示的天然气生产系统100。图4中与图1中相同的装置用相同的标号表示。相对于图1的天然气生产系统100，图4中的天然气生产系统400进一步包括附加水气变换(WGS)反应器35，其位于酸性气体去除装置23与第二甲烷化反应器31之间，用来提高H₂和CO的比例。在一些实施例中，WGS反应器19产生的H₂和CO的摩尔比小于3比1，附加WGS反应器35进一步调节H₂和CO的比例，调节至摩尔比大约3比1，用于第二甲烷化反应器31的甲烷化过程。捕捉装置27位于附加WGS反应器35的气体流动路径的下游，用来去除WGS反应器19和附加WGS反应器35产生的CO₂。附件WGS反应器35还可用于图2和图3所示的天然气生产系统200和300中。

图5所示为一个实施例的天然气生产方法500的流程图。步骤501中，气化燃料源产生包括氢气和一氧化碳的合成气。合成气的主要成分为氢气和一氧化碳，合成气还包括少量的其他气体，例如CH₄、HCl、HF、NH₃、HCN、COS和H₂S。在一个实施例中，气化之前可对燃料源做预处理，例如斩切、碾磨、切碎、粉碎、压块等。在一个实施例中，从空气中分离出氧气提供给气化过程，来加速气化。步骤503中，调节氢气和一氧化碳的比例。通过WGS反应将合成气中的H₂和CO的摩尔比从大约1比1调节至大约3比1以用于甲烷化过程。在一个实施例中，合成气中存在硫，WGS反应为耐酸性WGS反应。WGS催化剂包括基于钼(Mo)的催化剂、基于钴(Co)的催化剂或两者的结合。例如，钼的氧化物或钴的氧化物。

步骤504中，调节水气比以适合甲烷化反应。通过冷却和脱水的过程来降低水气比以适合甲烷化反应，甲烷化反应的水气比较低，大约小于0.5。在图示实施例中，调节水气比的步骤504在WGS反应的步骤503和甲烷化反应的步骤505之间。水气比调节后加热合成气至适合甲烷化反应的温度。在另一个实施例中，调节水气比的步骤504在气化步骤501和WGS反应的步骤503之间。

步骤505中，使至少部分氢气和至少部分一氧化碳反应产生甲烷。WGS变换后的合成气调节水气比后进行甲烷化反应，将合成气中的CO和H₂反应产生CH₄和水。反应产生的CH₄和水的体积之和为相应的CO和H₂的体积之和的一半，如此很大程度上减小合成气的体积。在一个实施例中，第一甲烷化反应器21产生浓度大约10％的甲烷。此步骤包括提供第一甲烷化催化剂。第一甲烷化催化剂源于WGS催化剂，可含有WGS催化剂的组分。第一甲烷化催化剂包括基于钼的催化剂、基于钴的催化剂或两者的结合。在高温和高压下进行甲烷化反应。在另一个实施例中，甲烷化步骤505在WGS反应的步骤503之前。先进行甲烷化反应来减小合成气的体积，然后进行WGS反应。

步骤507中，去除酸性气体。主要去除H₂S。在一个实施例中，还可去除第一甲烷化反应器21输出的混合气体中其他不希望有的成分，例如HCl、HF、COS和HCN。在一个实施例中，对甲烷化反应产生的合成气进行冷却之后去除酸性气体。去除的酸性气体可以被处理回收。

在图示实施例中，天然气生产方法500包括步骤509。步骤509中，去除二氧化碳。WGS反应会产生二氧化碳，可以用胺基溶液吸收二氧化碳、低温甲醇洗的方法或其他方法去除二氧化碳。步骤509在WGS反应的步骤503之后。在本实施例中，步骤509在去除酸性气体的步骤507之后。在其他实施例中，可在去除酸性气体的步骤507之前，或在甲烷化步骤511之后，等。去除的二氧化碳可脱水并压缩以进行储存和随后使用。

步骤511中，促进氢气和一氧化碳的反应进一步产生甲烷。此步骤包括提供第二甲烷化催化剂，第二甲烷化催化剂包括基于镍的催化剂、基于铁的催化剂或两者的结合。例如，镍的氧化物或铁的氧化物。步骤511中的甲烷化反应为无酸甲烷化反应，其利用清洁的合成气(例如，硫已从合成气除去)产生甲烷。此甲烷化步骤可产生大量的甲烷。在一个实施例中，第二甲烷化反应器31产生浓度大约90％的甲烷。

图6所示为一个实施例的天然气生产方法600的流程图。天然气生产方法600类似于图5所示的天然气生产方法500。相比于天然气生产方法500，图6中的天然气生产方法600进一步包括步骤508。在去除酸性气体的步骤507和促进氢气和一氧化碳的反应的步骤509之间设有提高氢气和一氧化碳的比例的步骤508。在一些实施例中，步骤503调节的氢气和一氧化碳的摩尔比小于3比1，步骤509可进一步通过WGS反应来调节氢气和一氧化碳的比例，调节至摩尔比大约3比1，用于步骤511中的甲烷化过程。本实施例中，去除二氧化碳的步骤509在步骤508之后，用来去除WGS反应的步骤503和步骤508产生的二氧化碳。

天然气生产方法500和600的动作以功能模块的形式图示，图5和图6所示的模块的先后顺序和模块中动作的划分并非限于图示的实施例。例如，模块可以按照不同的顺序进行；一个模块中的动作可以与另一个或多个模块中的动作组合，或拆分为多个模块。

虽然结合特定的实施方式对本发明进行了说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于涵盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。

Claims (10)

1.一种天然气生产系统，其特征在于，其包括：

气化装置，用来气化燃料源产生包括氢气和一氧化碳的合成气；

水气变换反应器，和所述气化装置连通，用来调节氢气和一氧化碳的比例；

第一甲烷化反应器，和所述水气变换反应器连通，用来使至少部分氢气和至少部分一氧化碳反应产生甲烷；

酸性气体去除装置，和所述第一甲烷化反应器连通，用来去除酸性气体；及

第二甲烷化反应器，和所述酸性气体去除装置连通，用来促进氢气和一氧化碳的反应进一步产生甲烷。

2.如权利要求1所述的天然气生产系统，其特征在于：所述天然气生产系统包括位于所述酸性气体去除装置与所述第二甲烷化反应器之间的附加水气变换反应器，用来提高氢气和一氧化碳的比例。

3.如权利要求1所述的天然气生产系统，其特征在于：所述天然气生产系统进一步包括位于所述第一甲烷化反应器的气体流动路径的上游的冷却和脱水装置，用来调节合成气的水气比。

4.如权利要求1所述的天然气生产系统，其特征在于：所述第一甲烷化反应器包括第一甲烷化催化剂，所述第一甲烷化催化剂包括基于钼的催化剂、基于钴的催化剂或两者的结合。

5.如权利要求1或4所述的天然气生产系统，其特征在于：所述第二甲烷化反应器包括第二甲烷化催化剂，所述第二甲烷化催化剂包括基于镍的催化剂、基于铁的催化剂或两者的结合。

6.如权利要求1或2所述的天然气生产系统，其特征在于：所述天然气生产系统包括位于所述水气变换反应器的气体流动路径的下游的捕捉装置，用来捕捉和去除二氧化碳。

7.一种天然气生产方法，其特征在于，其包括以下步骤：

气化燃料源产生包括氢气和一氧化碳的合成气；

调节氢气和一氧化碳的比例；

使至少部分氢气和至少部分一氧化碳反应产生甲烷；

去除酸性气体；及

促进氢气和一氧化碳的反应进一步产生甲烷。

8.如权利要求7所述的天然气生产方法，其特征在于：所述天然气生产方法包括在去除酸性气体的步骤和促进氢气和一氧化碳的反应的步骤之间提高氢气和一氧化碳的比例的步骤。

9.如权利要求7所述的天然气生产方法，其特征在于：所述使至少部分氢气和至少部分一氧化碳反应产生甲烷的步骤包括提供第一甲烷化催化剂，所述第一甲烷化催化剂包括基于钼的催化剂、基于钴的催化剂或两者的结合。

10.如权利要求7或9所述的天然气生产方法，其特征在于：所述促进氢气和一氧化碳的反应的步骤包括提供第二甲烷化催化剂，所述第二甲烷化催化剂包括基于镍的催化剂、基于铁的催化剂或两者的结合。