CN105713673B - 用于产生代用天然气的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于产生代用天然气的方法和设备。其中，一种系统包括多级反应器。该多级反应器可包括水气变换(WGS)反应器和配置成在未预先去除酸性气体的情况下产生甲烷的酸性甲烷化反应器。此外，该多级反应器可为具有WGS反应器和甲烷化反应器二者的单个单元。

Description

用于产生代用天然气的方法和设备
本申请是申请号为201010171604.4、申请日为2010年4月22日、发明名称为“用于产生代用天然气的方法和设备”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本文公开的主题涉及代用天然气的产生。
背景技术
一般而言，整体气化联合循环(IGCC)动力装置能够相对清洁和有效地从各种碳氢化合物给料(如煤)产生能量。IGCC技术可通过在气化器中与氧气和蒸汽的反应而将碳氢化合物给料转换成一氧化碳(CO)和氢气(H2)的气体混合物，即，合成气。可将这些气体清洁、处理并用作常规联合循环动力装置中的燃料。例如，可将合成气输送到IGCC动力装置的燃气涡轮的燃烧器中并点燃以驱动燃气涡轮用于发电。
然而，合成气可进一步转换成代用天然气(SNG)，可将该代用天然气输送到新的或已有(改装)的天然气联合循环(NGCC)动力装置的燃气涡轮的燃烧器中并点燃以驱动燃气涡轮用于发电，以及用于成品SNG的普通销售。从合成气产生SNG是一项复杂的工作，具有大量步骤以及转换单元，其独立建造和/或维护的费用是昂贵的。
发明内容
将与原始要求保护的发明的范围相称的特定实施例归纳如下。这些实施例并非意图限制要求保护的发明的范围，相反，这些实施例仅意图提供本发明的可能形式的简要概括。实际上，本发明可包含可与以下阐述的实施例相似或不同的多种形式。
在第一实施例中，一种系统包括代用天然气(SNG)生产系统，该生产系统包括多级反应器，该多级反应器包括水气变换(WGS)反应器、甲烷化反应器、经过WGS反应器和甲烷化反应器二者的气体流动路径，以及具有WGS反应器和甲烷化反应器二者的单个单元。
在第二实施例中，一种系统包括多级反应器，该多级反应器包括水气变换(WGS)反应器、配置成在WGS反应器中的WGS反应之后从合成气去除硫化氢的酸性气体去除(AGR)系统、配置成在通过AGR系统去除酸性气体之后从合成气产生甲烷的无酸甲烷化反应器，以及具有WGS反应器、AGR系统和甲烷化反应器的单个单元。
在第三实施例中，一种系统，包括多级反应器，该多级反应器包括水气变换(WGS)反应器、配置成在未预先去除酸性气体的情况下产生甲烷的酸性甲烷化反应器，以及具有WGS反应器和甲烷化反应器二者的单个单元。
附图说明
当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，全部附图中相同的符号代表相同的部件，其中：
图1是代用天然气(SNG)生产系统的一个实施例的示意性框图；
图2是代用天然气(SNG)生产系统的另一实施例的示意性框图；
图3是如图2的线3-3内所示的图2的WGS-甲烷化反应器的示意性框图；
图4是代用天然气(SNG)生产系统的另一实施例的示意性框图；
图5是如图4的线5-5内所示的图4的WGS-甲烷化反应器的示意性框图；
图6是代用天然气(SNG)生产系统的另一实施例的示意性框图；
图7是如图6的线7-7内所示的图6的WGS-甲烷化反应器的示意性框图。
具体实施方式
下面将描述本发明的一个或多个特定实施例。为了致力于提供这些实施例的简明描述，说明书中可能未描述实际实施方案的所有特征。应当理解的是，在任何此类实际实施方案的开发过程中，与任何工程或设计方案一样，必须作出许多针对实施方案的决定以实现开发者的特定目标，例如服从系统相关和商业相关的约束，其可能因实施方案而异。此外，应当理解的是，此类开发努力可能是复杂和耗时的，但对于受益于本公开内容的技术人员来说无非是日常的设计、制作和制造工作。
当介绍本发明的各种实施例的元件时，冠词“一”、“一个”、“该”和“所述的”意指存在一个或多个元件。用语“包含”、“包括”和“具有”意图是包括性的并意味着可存在有别于所列元件的另外的元件。
本公开内容涉及一种用于从合成气产生代用天然气(SNG)的生产系统和方法。SNG可以是主要含有可从燃料源(如煤或生物质)产生的甲烷的气体。用于产生SNG的生产系统可包括复合的水-气变换(WGS)-甲烷化反应器，其将WGS反应器和甲烷化反应器二者组合在单个单元中。换句话说，WGS反应器和甲烷化反应器可完全结合在一起而不是使用分离的单元。WGS-甲烷化反应器可通过无酸WGS或酸性WGS配置操作，也就是说，在一氧化碳与水(例如，蒸汽)反应以形成二氧化碳和氢气的WGS反应之前已从合成气去除硫的情况下操作，或在WGS反应期间合成气中存在硫的情况下操作。同样，甲烷化反应器可通过无酸或酸性配置操作，也就是说，在将合成气转换成富含SNG的气体之前已从其去除硫的情况下操作，或在将合成气转换成富含SNG的气体时合成气中存在硫的情况下操作。这样，WGS-甲烷化反应器可利用原质合成气(含硫的合成气)或清洁合成气(不含硫的合成气)操作。另外，可联合结合了酸性WGS反应器和无酸甲烷化反应器的WGS-甲烷化反应器利用酸性气体去除系统。
图1基于上下文示出了代用天然气(SNG)生产系统100。IGCC系统100的元件可包括燃料源102，诸如固体供料，其可用作用于生产SNG的能量源。燃料源102可包括煤、石油焦、生物质、木质材料、农业废料、焦油、焦炉气和沥青，或其它含碳物。
燃料源102的固体燃料可传递至给料、气化和净化系统104。给料、气化和净化系统104可包括若干子系统。例如，给料、气化和净化系统104可包括给料制备子系统，其例如可通过斩切(chopping)、碾磨、切碎、粉碎、压块或装运燃料源102来调整燃料源102的大小或再成形燃料源102以产生给料。另外，可向给料制备子系统中的燃料源102添加水或其它合适的液体以形成浆状给料。在其它实施例中，不向给料制备子系统中的燃料源添加液体，从而形成干燥的给料。
给料可从给料制备子系统传递到给料、气化和净化系统104的气化子系统。气化子系统可将给料转换成一氧化碳和氢气的组合物，例如，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，取决于气化子系统中所用的气化器的类型。气化过程还可包括给料经历高温分解过程，从而加热给料。在高温分解过程期间气化子系统的气化器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102。给料在高温分解过程期间的加热可产生固体，如焦炭，以及残余气体，如一氧化碳、氢气和氮气。从来自高温分解过程的给料剩余的焦炭可仅占原始给料的重量的大约30%。
气化子系统中然后可发生燃烧过程。为了协助该燃烧过程，可从空气分离单元(ASU)106向气化子系统供应氧气。ASU 106可操作而通过例如可为低温的或可利用变压吸附(PSA)的蒸馏技术将空气分离成组分气体。ASU 106可从向其供应的空气分离氧气并可将分离的氧气传送至气化子系统。另外，ASU 106可分离例如氮气，以进行收集或进一步用于产生动力。
相应地，由气化子系统从ASU 106接收的氧气用于燃烧。燃烧可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和一氧化碳，从而为随后的气化反应提供热量。燃烧过程期间的温度可在大约700摄氏度至1600摄氏度的范围内。接下来，可在气化步骤期间将蒸汽导入气化子系统中。焦炭可与二氧化碳和蒸汽反应以产生大约800摄氏度至1100摄氏度的温度范围的一氧化碳和氢气。实质上，气化器利用蒸汽和氧气以允许一些给料燃烧而产生二氧化碳和能量，从而驱使主反应将给料进一步转换成氢气和另外的一氧化碳。
这样，通过气化器气化子系统制造了合成气体。该合成气体可包括大约85%的一氧化碳和氢气，以及CH4、HCl、HF、NH3、HCN、COS 和H2S(基于给料的硫含量)。该合成气体可称为原质合成气。气化子系统还产生废料，诸如熔渣108，其可为湿灰尘材料。
可通过给料、气化和净化系统104的净化子系统从气化子系统去除该熔渣108。熔渣108例如可被处理作为路基，或作为另一种建筑材料。另外，净化子系统可通过从原质合成气去除任何颗粒物质(如湿灰尘)而清洁原质合成气。
然后可使原质合成气传递到WGS反应器110。WGS反应器110可执行WGS 反应，其中一氧化碳与水(例如，蒸汽)反应以形成二氧化碳和氢气。该过程可将原质合成气中氢气与一氧化碳的比率从大约1比1调节至大约3比1以用于甲烷化过程。另外，WGS反应器110可包括旁路112，其可用来协助适当地控制原质已变换的合成气的氢气与一氧化碳的比率。应当注意的是，WGS反应器110可为酸性WGS反应器，也就是说，在WGS反应期间输送到WGS反应器110中的原质合成气中可存在硫。
在WGS反应器110中的WGS反应后，系统100可将原质已变换的合成气传输至气体清洁单元114。气体清洁单元114可净化原质已变换的合成气(例如，WGS反应器110的合成气产物并且含硫)，以从原质合成气去除不希望有的成分，例如HCl、HF、COS、HCN和H2S，从而产生清洁合成气(例如，不含硫的合成气)。另外，气体清洁单元可将原质合成气的不希望有的成分(例如，HCl、HF、COS、HCN和H2S)传输至硫回收和尾气处理单元116，其可包括通过例如硫回收和尾气处理单元116中的酸性气体去除过程分离硫118。这样，可分离硫118以进行处理或销售。
此时，清洁合成气可包括大约3%的CO、大约55%的H2和大约40%的CO2，并且基本除去了H2S。这样，甲烷化和气体冷却单元122可利用原质合成气(含硫的合成气)或清洁合成气(不含的硫合成气)操作。气体清洁单元114还可包括可从清洁合成气去除CO2的CO2去除子系统。去除的CO2可从气体清洁单元114传输至CO2脱水和压缩单元120，其可脱水并压缩CO2以进行储存和随后使用，例如可通过管线发送该CO2，通向碳截存(sequetration)部位如强化油回收(EOR)部位或咸水层(saline aquifer)。备选地，CO2脱水和压缩单元120可将脱水和压缩的CO2传输至例如化工厂以在其中使用。
气体清洁单元114可将合成气传输至甲烷化和气体冷却单元122。甲烷化和气体冷却单元122可将合成气中的CO和H2转换成CH4和H2O，也就是说，转换成甲烷(例如，SNG)和水，作为放热反应。相应地，甲烷和气体冷却单元122可包括一个或多个利用冷却剂(例如，水)来冷却得到的SNG和水的热交换器。这可以产生蒸汽，甲烷化和气体冷却单元122将该蒸汽传输至蒸汽涡轮124以产生电力126。电力126可由例如各种制造装置使用，或可被传输至电网以随后使用。应当注意的是，甲烷化和气体冷却单元122可包括无酸甲烷化单元，其在合成气转换成SNG和水之前利用清洁合成气(例如，硫已从合成气除去)。
甲烷化和气体冷却单元122可将产生的SNG和水传输至SNG脱水和压缩单元128。该SNG脱水和压缩单元128可从SNG分离水，使得SNG可被压缩并从SNG脱水和压缩单元128传输至例如SNG管线。SNG管线可用来将SNG传输至例如储存设备或另外的SNG处理设备。
图2示出了SNG生产系统的另一实施例130。SNG生产系统130可包括燃料源102，给料、气化和净化系统104，ASU106，气体清洁单元114，硫回收和尾气处理单元116，CO2脱水和压缩单元120，蒸汽涡轮124，以及SNG脱水和压缩单元128。这些元件中的各个可与以上参考图1所述基本相似的方式操作。此外，SNG生产系统132可包括WGS-甲烷化反应器132。WGS-甲烷化反应器132可将WGS反应器134与甲烷化反应器136组合在单个单元中。换句话说，WGS反应器134和甲烷化反应器136可完全结合在一起作为反应器132而不使用分离的单元。WGS反应器134可执行WGS反应，其中一氧化碳与水(例如，蒸汽)反应以形成二氧化碳和氢气，可执行该WGS反应以将原质合成气中氢气与一氧化碳的比率从大约1比1调节为大约3比1，以发生适当的甲烷化。甲烷化反应器136可执行甲烷化过程，该甲烷化过程可将合成气中的CO和H2转换成CH4和H2O，也就是说，转换成甲烷(例如，SNG)和水，并且甲烷化反应器132可为酸性甲烷化反应器，也就是说，甲烷化反应器132可在未预先去除酸性气体(例如，H2S)的情况下产生甲烷。该组合的WGS-甲烷化反应器132可降低SNG生产系统130的整体成本和复杂性。此外，应当注意的是，单个反应器132在WGS134与甲烷化反应器136之间的气体流动路径中不包括酸性气体去除系统(例如，气体清洁单元114以及硫回收和尾气处理单元116)。取而代之，酸性气体去除系统在多级反应器132的气体流动路径的下游。
图3示出了如图2的线3-3内所示的水-气甲烷化反应器132的一个实施例。合成气可如箭头142所示沿大致向下的方向经由管道140流至管状WGS反应器138。在流经管道140时，可选择地向合成气添加蒸汽，例如，基于管状变换反应器138中所用的催化剂的类型。该催化剂例如可基于硫化的Co-Mo，或基于任何其它已知的酸性WGS催化剂。另外，一些合成气可选地经由第二管道144绕开管状变换反应器138，例如，以喷射到管道146中。这种一些合成气的绕开可协助适当控制离开管状变换反应器138的已变换的合成气的氢气与一氧化碳比率。当合成气如箭头142所示流经管状变换反应器138时，其可接触管148的外部。可用WGS催化剂填充和/或洗涂(wash-coat)这些管148，这可加速将在WGS反应器134的管状变换反应器138中执行的WGS反应。洗涂是用于催化剂制备的技术，其中将基底，这里为管状变换反应器138的管的表面，浸入含有溶解或悬浮的催化成分的溶液或浆液中。在适当的加热和干燥处理之后，基底变成覆有催化成分，如同是基底的表面上的涂料。
WGS反应为放热反应，并且相应地，热量可从管148辐射并在合成气经过管状变换反应器138时接触并加热合成气。这样加热合成气可有助于WGS反应器134的整体效率，因为用于加速WGS反应的WGS催化剂可比与低温合成气反应更快地与加热的合成气反应。
可大致沿箭头154所示的方向经由管道150将加热的合成气传输到分配板152中。分配板152例如可为可操作而在管状变换反应器138中均匀地分散合成气的热交换器。相应地，均匀分散的合成气大致沿箭头154的方向从分配板152流到管状变换反应器138的管148的内部并通过管148。可使用WGS催化剂洗涂管148的内壁和/或WGS催化剂可填充管148。当合成气经过管148时，WGS催化剂可加速合成气中的一氧化碳与合成气中的水的反应，以形成二氧化碳和氢气。可执行该过程以将原质合成气中氢气与一氧化碳的比率从大约1比1调节至大约3比1。
已变换的合成气可大致沿箭头154的方向离开管状变换反应器138，并且可进入管道146。在管道146中，绕开的合成气可与已变换的合成气混合并且混合物可进入管道156中。管道156可为可使用冷却剂(如水)冷却混合的合成气的热交换器。合成气的冷却可使水沸腾，产生例如低压蒸汽。可将该蒸汽例如传输至蒸汽涡轮124。管道156也可为例如分配器，其将合成气混合物分配到甲烷化反应器136中的管状甲烷化反应器160的管158的内部并通过管158。
也可用酸性甲烷化催化剂洗涂管状甲烷化反应器160的管158的壁的内部和/或可将管158中填充酸性甲烷化催化剂，该酸性甲烷化催化剂可含有已知的酸性WGS催化剂中存在的组分，和/或除了诸如NiO的甲烷化催化剂成分以外，也可含有氢化脱硫(HDS)催化剂中存在的组分，以及包括Co、Mg和Ni的复合物，或任何其它已知的甲烷化催化剂。该甲烷化催化剂可加速合成气中的CO和H2反应成CH4和H2O，也就是说，反应成甲烷(例如，SNG)和水作为富含SNG的气体。甲烷化极具放热性，基于每摩尔输送的一氧化碳，其产生的热量大约为WGS反应器134中产生的热量的五倍。相应地，水(和/或低温蒸汽)可大致沿箭头164所示的方向经过管道162，以去除反应热并冷却管158(例如，管158的外部周围)，使得它们在甲烷化反应期间不会过热并损坏。经管状甲烷化反应器160传输的水(和/或蒸汽)可蒸发，形成例如用于经由管道166传输至蒸汽涡轮124的高压蒸汽。备选地，蒸汽可用来驱使WGS反应。
在甲烷化反应已发生之后，富含SNG的气体可离开管状甲烷化反应器160进入再循环装置168。再循环装置168可使富含SNG的气体的一部分，例如，以体积计大约5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%或90%，或以体积计在大约5%-90%之间，经过管道170而经由再循环压缩机172到达管道156。这种富含SNG气体的传送可操作而使富含SNG的气体经管状甲烷化反应器160再循环，以控制在甲烷化过程期间产生的热量。这样，可控制甲烷化反应器160的温度使其可介于大约650摄氏度与700摄氏度之间。例如，如果借助于管道156将以体积计10%的富含SNG的气体喷射到管状甲烷化反应器160的管158中，则富含SNG的气体的该10%部分中存在的甲烷化产品组分，即CH4和H2O，将不会反应，因此变成用于甲烷化反应介质的稀释因素并从而防止甲烷化过程使甲烷化催化剂、甲烷化反应器160及其管158过热。此外，再循环压缩机172可有助于将管道170中富含SNG的气体的压力升高至大约等于管道156中合成气的压力的水平，因为甲烷化催化剂可诱发流经管158的气体的压力的下降。
最后，WGS-甲烷化反应器132可包括冷凝器174，其可从富含SNG的气体去除水作为冷凝液176。在某些实施例中，冷凝器174可为可冷却富含SNG的气体的热交换器。富含SNG的气体可大致沿箭头154所示的方向流经冷凝器174并可离开WGS-甲烷化反应器132而被发送至图2的气体清洁单元114。由此，应当理解的是，WGS-甲烷化反应器132可利用酸性WGS和酸性甲烷化，也就是说，在WGS-甲烷化反应器132中转换成富含SNG的气体的合成气中存在硫118。相应地，该硫118可经由气体清洁单元114从SNG分离并经由硫回收和尾气处理单元116去除。这可允许合成气在转换成SNG之前的不严格的净化，因为可使用原质合成气执行酸性WGS和酸性甲烷化过程。
图4示出了SNG生产系统的另一实施例178。SNG生产系统178可包括燃料源102，给料、气化和净化系统104，ASU 106，硫回收和尾气处理单元116，CO2脱水和压缩单元120，蒸汽涡轮124，以及SNG脱水和压缩单元128。这些元件各个可以以与以上参考图1所述基本相似的方式操作。此外，SNG生产系统178可包括酸性气体去除单元180、WGS-甲烷化反应器182、CO2去除单元184和水分分离单元186。如图所示，酸性气体去除系统(例如，气体清洁单元114以及硫回收和尾气处理单元116)在多级反应器182的气体流动路径的上游，而二氧化碳去除单元184不在WGS反应器188与甲烷化反应器190之间的气体流动路径上，而是定位在多级反应器182的气体流动路径的下游。
酸性气体去除单元180可利用变温过程来从合成气分离酸性气体(例如，合成气中的硫化氢(H2S))。变温过程例如可包括借以在使用空气或氧气增浓的空气的热再生步骤之后执行H2S的吸附的吸附步骤。该变温过程(也称为热气净化)可包括将合成气与流态介质(如氧化锌(ZnO))混合以在吸附步骤中产生硫化锌(ZnS)。在再生步骤中，该硫化锌可在热作用下与氧气(O2)混合而产生二氧化硫(SO2)，可将其传输至硫回收和尾气处理单元166以去除和处理或销售硫118。
WGS-甲烷化反应器182可将WGS反应器188与甲烷化反应器190组合在单个单元中。再一次地，WGS反应器188和甲烷化反应器190可完全结合在一起作为反应器182而不使用分离的单元。水气变换反应器188可执行WGS反应，其中一氧化碳与水(例如，蒸汽)反应以形成二氧化碳和氢气，可执行该WGS反应以将原质合成气中氢气与一氧化碳的比率从大约1比1调节为大约3比1，以用于适当的甲烷化。甲烷化反应器190可执行甲烷化过程，该甲烷化过程可将合成气中的CO和H2转换成CH4和H2O，也就是说，转换成甲烷(例如，SNG)和水。该组合的WGS-甲烷化反应器182可降低SNG生产系统178的整体成本和复杂性。
WGS-甲烷化反应器182的输出为传输至CO2去除单元184的富含SNG的气体。CO2去除单元184可利用变温过程来从富含SNG的气体中的SNG分离二氧化碳(CO2)。例如，可将诸如氧化钙(CaO)的吸附剂与富含SNG的气体的CO2混合以产生碳酸钙(CaCO3)，可将其传输至CO2去除单元184的再生部分，而将SNG传输至SNG脱水和压缩单元128。在CO2去除单元184的再生部分中，碳酸钙可暴露于热量和作为载体的高压流中，使得碳酸钙重新分解成二氧化碳和氧化钙。这也是有利的，因为CO2流可在稍高一些的压力离开，这可通过较低的负荷需求对CO2压缩单元120产生积极影响。氧化钙可如上所述被重新用作吸附剂，而二氧化碳可传输至水分分离单元186，该水分分离单元可以是从二氧化碳流去除水并将二氧化碳流传递至CO2脱水和压缩单元120的热交换器或冷凝器。该CO2可通过管线被发送至其它化工设备或可发送至碳截止部位，诸如强化油回收(EOR)部位或咸水层。
图5示出了如图4的线5-5内所示的WGS-甲烷化反应器182的一个实施例。合成气可大致沿箭头200所示的方向经由管道192流入分配板194中。分配板194例如可为可操作在WGS反应器188的管状变换反应器198中均匀地分散合成气的热交换器。相应地，从分配板194流出的均匀分散的合成气可大致沿箭头200的方向进入管状WGS反应器198的管196的内部并通过管196。
当合成气经过管196时，合成气可与已被洗涂在管196的壁的内部上的WGS催化剂反应。该WGS催化剂可加速合成气中的一氧化碳与合成气中的水(例如，蒸汽)的反应，以形成二氧化碳和氢气。可执行该过程以将原质合成气中氢气与一氧化碳的比率从大约1比1调节至大约3比1，以用于适当的甲烷化。另外，一些合成气可选地经由第二管道204绕开管状变换反应器198，例如，以喷射到管道206中。这种一些未变换的合成气的绕开可有助于适当控制离开管状WGS反应器198的已变换的合成气的氢气与一氧化碳比率。
当合成气流经管状WGS反应器198时，WGS过程，包括合成气与WGS催化剂的反应，可产生热量。也就是说，WGS反应为放热反应，并且热量相应地可从管196辐射。为了防止管196过热，可大致沿箭头208所示的方向经由管道207将诸如水的冷却流体传输至管196的外部周围的管状WGS反应器198。冷却流体可蒸发，使得形成例如低压蒸汽，该低压蒸汽可经由管道209传输出管状WGS反应器198。例如，可将该蒸汽传输至蒸汽涡轮124。
已变换的合成气可大致沿箭头200的方向离开管状WGS反应器198，并且可进入管道206。在管道206中，绕开的合成气可与已变换的合成气混合并且混合物可进入管道210。管道210可以是可使用冷却剂(如水)冷却混合的合成气的热交换器。合成气的冷却可使水蒸发，产生例如低压蒸汽。例如，可将该蒸汽传输至蒸汽涡轮124。管道210也可为例如分配器，其将合成气混合物分配到甲烷化反应器190中的管状甲烷化反应器212的管211的内部并通过管211。
可使用甲烷化催化剂填充和/或洗涂管状甲烷化反应器212的管211的壁的内部。该甲烷化催化剂可加速合成气中的CO和H2反应成CH4和H2O，也就是说，反应成甲烷(例如，SNG)和水作为富含SNG的气体。该反应极具放热性，基于每摩尔输送的一氧化碳，其产生的热量大约为WGS反应器188中产生的热量的五倍。相应地，可使水大致沿箭头215所示的方向经过管道214，以冷却管道211(例如，冷却剂在管211的外部周围流动)，使得它们在甲烷化反应期间不会过热或损坏。传输通过管状甲烷化反应器212的水可沸腾，形成例如高压蒸汽，用于经由管道216传输至蒸汽涡轮124。
在甲烷化反应已发生之后，富含SNG的气体可离开管状甲烷化反应器212进入再循环装置218。再循环装置218可使富含SNG的气体的一部分，例如，以体积计大约5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%或90%，或以体积计在大约5%-90%之间，经过管道220而经由再循环压缩机222到达管道210。这样，可控制甲烷化反应器160的温度使其可处于大约650摄氏度且不超过700摄氏度。这种富含SNG气体的传送可操作而使富含SNG的气体经管状甲烷化反应器212再循环，以控制在甲烷化过程期间产生的热量。例如，如果借助于管道210将以体积计10%的富含SNG的气体喷射到管状甲烷化反应器212的管211中，则富含SNG的气体的该10%部分中存在的甲烷化产物组分，即CH4和H2O，将不会反应，因此变成用于甲烷化反应介质的稀释因素并从而防止甲烷化过程使甲烷化催化剂、甲烷化反应器212及其管211过热。此外，再循环压缩机222可有助于将管道220中富含SNG的气体的压力升高至大约等于管道210中合成气的压力的水平，因为甲烷化催化剂可使得流经管211的气体的压力下降。
富含SNG的气体可大致沿箭头200所示的方向流经再循环装置218，并可离开WGS-甲烷化反应器182而被发送至图4的CO2去除单元184。因此，应当理解的是，WGS-甲烷化反应器182可利用无酸WGS和无酸甲烷化，也就是说，在合成气在WGS-甲烷化反应器182中转换成富含SNG的气体之前已从合成气中去除硫118。这可允许用于将合成气转换成SNG的管状WGS反应器198和管状甲烷化反应器212相对不复杂，因为可使用清洁合成气执行WGS和甲烷化过程。无酸WGS反应器198中的催化剂可采用Cu-Zn、Fe-Cr，或任何其它已知的WGS催化剂，而无酸甲烷化反应器212中的催化剂可采用NiO，以及包括Co、Mg和Ni的复合物，或任何其它已知的甲烷化催化剂。
图6示出了SNG生产系统的另一实施例224。SNG生产系统224可包括燃料源102，给料、气化和净化系统104，ASU 106，硫回收和尾气处理单元116，CO2脱水和压缩单元120，蒸汽涡轮124，SNG脱水和压缩单元128，CO2去除单元184以及两个水分分离单元186。这些元件中的各个可与以上参考图1和4所述基本相似的方式操作。
此外，SNG生产系统224可包括WGS-甲烷化反应器226，其可在单个单元中包括WGS反应器228、硫化氢(H2S)隔膜分离器230和甲烷化反应器232。换句话说，WGS反应器228、隔膜分离器230和甲烷化反应器232可完全结合在一起作为反应器226而不使用分离的单元。WGS反应器228可执行WGS反应，其中一氧化碳与水(例如，蒸汽)反应以形成二氧化碳和氢气，可执行该WGS反应以将原质合成气中氢气与一氧化碳的比率从大约1比1调节为大约2比1、3比1或4比1。在通过反应器228的WGS反应之后，H2S隔膜分离器230可联合酸性气体去除系统(例如，硫回收和尾气处理单元116)操作而在甲烷化之前从合成气分离任何H2S，如以下参考图7所述。
甲烷化反应器232可执行甲烷化过程，该甲烷化过程可将合成气中的CO和H2转换成CH4和H2O，也就是说，转换成甲烷(例如，SNG)和水。甲烷化反应器232可为无酸甲烷化反应器，因为其配置成在通过H2S隔膜分离器230以及硫回收和尾气处理单元116去除酸性气体以后产生甲烷。该组合的WGS-甲烷化反应器226可降低SNG生产系统224的整体成本和复杂性。此外，通过在WGS反应器228与甲烷化反应器232之间使用H2S隔膜分离器230，WGS-甲烷化反应器226的操作可利用酸性WGS无酸甲烷化过程操作(例如，在WGS过程期间合成气中存在硫而在甲烷化过程期间合成气中不存在硫)，如以下参考图7所述。
图7示出了如图6的线7-7内所示的WGS-甲烷化反应器226的一个实施例。合成气可如箭头238所示沿大致向下的方向经由管道236流至管状变换反应器234。在流经管道236的同时，例如，基于管状WGS反应器234中所采用的WGS催化剂的类型，可选地向合成气添加蒸汽。另外，一些已变换的合成气可选地经由第二管道240绕开管状WGS反应器234，例如，以喷射到管道242中。这种一些未变换的合成气的绕开可有助于适当控制离开管状WGS反应器234的已变换的合成气的氢气与一氧化碳比率。
当合成气流经管状WGS反应器234时，如箭头238所示，其可接触管244的外部。可使用WGS催化剂洗涂这些管244，该WGS催化剂可加速将在WGS反应器228的管状变换反应器234中执行的WGS反应。WGS反应为放热反应，并且相应地，热量可从管244辐射并可在合成气经过管状WGS反应器234时接触并加热合成气。这样加热合成气可有助于WGS反应器228的整体效率，因为用于加速WGS反应的WGS催化剂可比与低温合成气反应更快地与加热的合成气反应。
加热的合成气可大致沿箭头250所示的方向经由管道246传输到分配板248中。分配板248例如可为可操作而在管状WGS反应器234中均匀地分散合成气的热交换器。相应地，均匀分散的合成气大致沿箭头250的方向从分配板248流到管状变换反应器234的管244的内部并通过管244。当合成气经过管244时，其可与填充管244和/或已被洗涂到管244的壁的内部上的WGS催化剂反应。该WGS催化剂可加速合成气中的一氧化碳与合成气中的水(例如，蒸汽)的反应，以形成二氧化碳和氢气。可执行该过程以将原质合成气中氢气与一氧化碳的比率从大约1比1调节至大约2比1、3比1或4比1。
已变换的合成气可大致沿箭头250的方向离开管状WGS反应器234，并且可进入管道242。在管道242中，绕开的合成气可与变换的合成气混合并且混合物可进入热交换器252中。热交换器252可使用冷却剂(如水)冷却混合的合成气。合成气的冷却可使经由管道254传输的水蒸发，从而产生蒸汽。该蒸汽例如可经由管道256传输至蒸汽涡轮124。管道252可将混合的合成气传送至分配器258，该分配器258也可操作而冷却合成气以产生冷凝液260，并将合成气混合物分配到H2S隔膜分离器230的管262中。
H2S隔膜分离器230可经管道264接收诸如低压蒸汽的蒸汽，该蒸汽可经由管道266经过并离开H2S隔膜分离器230。经由管道266离开H2S隔膜分离器230的流可包括蒸汽和H2S二者。这通过H2S隔膜分离器230的管262与围绕H2S隔膜分离器230的管262的区域268之间的压力差来完成。例如，管262内部的压力可低于围绕管262的区域268中的压力，例如，H2S隔膜分离器230的管262与围绕H2S隔膜分离器230的管262的区域268之间存在至少5%、10%、15%、20%或25%的压力差。此外，管262可以隔膜型材料形成，其允许H2S经过管262，同时阻止合成气流过管262。相应地，管262与围绕管262的区域268之间的压力差可使H2S从管262的内部流入围绕管262的外部区域268中，使得H2S与围绕H2S隔膜分离器230的管262的蒸汽混合。这样，蒸汽起到H2S的载体的作用，因此经由管道266将H2S传递出H2S隔膜分离器230。如图6所示，可在水分分离单元186中从H2S去除蒸汽使得可在硫回收和尾气处理单元116中处理H2S。这样，H2S隔膜分离器230操作而从原质合成气产生清洁合成气。
清洁合成气大致沿箭头250所示的方向传输至热交换器270。该热交换器270可在甲烷化过程之前从清洁合成气去除热量。热交换器270可将清洁合成气传输至分配器272，该分配器272可将清洁合成气分配到甲烷化反应器232中的管状甲烷化反应器276的管274中。
可使用甲烷化催化剂洗涂管状甲烷化反应器276的管274的壁的内部。该甲烷化催化剂可加速合成气中的CO和H2反应成CH4和H2O，也就是说，反应成甲烷(例如，SNG)和水作为富含SNG的气体。该反应极具放热性，基于每摩尔输送的一氧化碳，其产生的热量大约为WGS反应器228中产生的热量的五倍。相应地，可使水大致沿箭头280所示的方向经过管道278，以冷却管274(例如，冷却剂在管274周围流动)，使得它们在甲烷化反应期间不会损坏。经管状甲烷化反应器276传输的水可蒸发，产生用于经由管道282传输至蒸汽涡轮124的蒸汽。
在甲烷化反应已发生之后，富含SNG的气体可离开管状甲烷化反应器276进入再循环装置284。再循环装置284可使富含SNG的气体的一部分，例如，以体积计大约5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%或90%，或以体积计在大约5%-90%之间，经过管道286而经由再循环压缩机290到达管道288。这种富含SNG气体的传送可操作而使富含SNG的气体经管状甲烷化反应器276再循环，以控制在甲烷化过程期间产生的热量。这样，可控制甲烷化反应器160的温度使其可大约介于650摄氏度与700摄氏度之间。例如，如果借助于管道272将以体积计10%的富含SNG的气体喷射到管状甲烷化反应器276的管274中，则富含SNG的气体的该10%部分中存在的甲烷化产品组分，即CH4和H2O，将不会反应，因此变成用于甲烷化反应介质的稀释因素并从而防止甲烷化过程使甲烷化催化剂、甲烷化反应器276及其管274过热。此外，再循环压缩机290可有助于将管道288中富含SNG的气体的压力升高至大约等于管道272中合成气的压力的水平，因为甲烷化催化剂可使得流经管274的气体的压力下降。
富含SNG的气体的剩余部分可大致沿箭头208所示的方向经由管道292经热交换器270传输以冷却富含SNG的气体。富含SNG的气体可经由管道294离开热交换器270，例如，以传输至图6的CO2去除单元184。由此，应当理解的是，WGS-甲烷化-隔膜反应器226可利用酸性WGS和无酸甲烷化，也就是说，在合成气转换成富含SNG的气体之前，但在已执行WGS之后，已从合成气去除硫118。这可允许合成气在WGS之前相对不复杂的净化，因为可使用原质合成气执行该过程，同时允许使用相对不复杂的管状甲烷化反应器276来将合成气转换成SNG，因为可使用清洁合成气执行甲烷化过程。
此书面描述使用了包括最佳模式在内的实例来公开本发明，并且还使本领域的任何技术人员能够实施本发明，包括制造并利用任何装置或系统并且执行任何所结合的方法。本发明可取得专利的范围通过权利要求来限定，并且可包括本领域技术人员所想到的其它实例。如果此类其它实例没有不同于权利要求的文字语言所描述的结构元件，或者它们包括与权利要求的文字语言无实质性区别的等同结构元件，则认为此类其它实例包含在权利要求的范围内。

Claims (19)

1.一种用于产生代用天然气的系统，包括：
多级反应器，包括：
水气变换反应器(134)，其包括具有第一管(148)的管状变换反应器(138)，所述第一管用水气变换催化剂填充和/或洗涂以调节在通过所述第一管的合成气中的氢气与一氧化碳的比率，其中，热量从所述第一管(148)辐射并在合成气经过所述管状变换反应器(138)时接触并加热合成气，经由第一管道(150)将加热的合成气传输到分配板(152)中，所述分配板(152)为可操作而在管状变换反应器(138)中均匀地分散合成气的热交换器，均匀分散的合成气从所述分配板(152)流到所述管状变换反应器(138)的第一管(148)的内部并通过第一管(148)；
第二管道(146)，所述第二管道(146)连接到绕开的合成气供应管道(144)；
第三管道(156)，所述第三管道(156)连接到富含代用天然气气体的管道(170)；
甲烷化反应器(136)，其包括具有第二管(158)的管状甲烷化反应器(160)，所述第二管用酸性甲烷化催化剂和氢化脱硫催化剂洗涂和/或填充以加速在所述合成气中的一氧化碳与氢气的反应而生成富含代用天然气气体；
通过所述水气变换反应器、所述第二管道、所述第三管道和所述甲烷化反应器的第一气体流动路径；和
从所述甲烷化反应器通过所述富含代用天然气气体的管道到所述第三管道的富含代用天然气气体的第二气体流动路径；
其中，所述水气变换反应器、所述第二管道、所述第三管道和所述甲烷化反应器组合在单个单元中，并且完全结合在一起而不使用分离的单元，所述第二管道接收来自所述水气变换反应器的已变换的合成气并且在其中添加来自绕开的合成气供应管道的绕开的合成气的一部分，并且所述第三管道接收所述已变换的合成气和来自所述第一管道的绕开的合成气的部分并且在其中添加来自所述富含代用天然气气体的管道的富含代用天然气气体的一部分。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述单个单元不包括在所述水气变换反应器与所述甲烷化反应器之间的所述气体流动路径中的酸性气体去除系统。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述系统包括在所述多级反应器的所述气体流动路径下游的酸性气体去除系统。
4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述系统包括在所述多级反应器的所述气体流动路径上游的酸性气体去除系统。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述单个单元不包括在所述水气变换反应器与所述甲烷化反应器之间的所述气体流动路径中的二氧化碳去除系统。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述系统包括在所述多级反应器的所述气体流动路径下游的二氧化碳去除系统。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第三管道包括第三管道热交换器。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述第三管道热交换器连接到蒸汽涡轮。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述富含代用天然气气体的管道包括压缩机。
10.一种用于产生代用天然气的系统，包括：
多级反应器，包括：
水气变换反应器(134)，其包括具有第一管(148)的管状变换反应器(138)，所述第一管用水气变换催化剂填充和/或洗涂以调节在通过所述第一管的合成气中的氢气与一氧化碳的比率，其中，热量从所述第一管(148)辐射并在合成气经过所述管状变换反应器(138)时接触并加热合成气，经由第一管道(150)将加热的合成气传输到分配板(152)中，所述分配板(152)为可操作而在管状变换反应器(138)中均匀地分散合成气的热交换器，均匀分散的合成气从所述分配板(152)流到所述管状变换反应器(138)的第一管(148)的内部并通过第一管(148)；
第二管道(146)，所述第二管道(146)连接到绕开的合成气供应管道(144)；
酸性气体去除系统，其配置成在所述水气变换反应器中的水气变换反应之后从合成气去除硫化氢而生成清洁合成气；
第三管道(156)，所述第三管道(156)连接到富含代用天然气气体的管道(170)；和
配置成在通过所述酸性气体去除系统去除酸性气体之后从所述合成气产生甲烷的无酸甲烷化反应器；
其中，所述水气变换反应器、所述第二管道、所述酸性气体去除系统、所述第三管道和所述甲烷化反应器组合在单个单元中，并且完全结合在一起而不使用分离的单元，所述第二管道接收来自所述水气变换反应器的已变换的合成气并且在其中添加来自绕开的合成气供应管道的绕开的合成气的一部分，并且所述第三管道接收所述酸性气体去除系统的清洁合成气并且在其中添加来自所述富含代用天然气气体的管道的富含代用天然气气体的一部分，所述富含代用天然气气体的管道接收来自所述甲烷化反应器的富含代用天然气气体。
11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述酸性气体去除系统包括隔膜管，所述隔膜管配置成使硫化氢通过所述隔膜管而阻止合成气通过所述隔膜管。
12.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述第三管道包括第三管道热交换器。
13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述第三管道热交换器连接到蒸汽涡轮。
14.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述富含代用天然气气体的管道包括压缩机。
15.一种用于产生代用天然气的系统，包括：
多级反应器，包括：
水气变换反应器(134)，其包括具有第一管(148)的管状变换反应器(138)，所述第一管用水气变换催化剂填充和/或洗涂以调节在通过所述第一管的合成气中的氢气与一氧化碳的比率，其中，热量从所述第一管(148)辐射并在合成气经过所述管状变换反应器(138)时接触并加热合成气，经由第一管道(150)将加热的合成气传输到分配板(152)中，所述分配板(152)为可操作而在管状变换反应器(138)中均匀地分散合成气的热交换器，均匀分散的合成气从所述分配板(152)流到所述管状变换反应器(138)的第一管(148)的内部并通过第一管(148)；
第二管道(146)，所述第二管道(146)连接到绕开的合成气供应管道(144)；
第三管道(156)，所述第三管道(156)连接到富含代用天然气气体的管道(170)；
酸性甲烷化反应器，其包括具有第二管(158)的管状甲烷化反应器(160)，所述第二管用酸性甲烷化催化剂和氢化脱硫催化剂洗涂和/或填充以加速在所述合成气中的一氧化碳与氢气的反应而生成富含代用天然气气体；
其中，所述水气变换反应器、所述第二管道、所述第三管道和所述甲烷化反应器组合在单个单元中，并且完全结合在一起而不使用分离的单元，所述第二管道接收来自所述水气变换反应器的已变换的合成气并且在其中添加来自绕开的合成气供应管道的绕开的合成气的一部分，并且所述第三管道接收所述已变换的合成气和来自所述第一管道的绕开的合成气的部分并且添加来自所述富含代用天然气气体的管道的富含代用天然气气体的一部分，所述富含代用天然气气体的管道接收来自所述甲烷化反应器的富含代用天然气气体。
16.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述系统包括在所述单个单元的下游的酸性气体去除系统。
17.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述第三管道包括第三管道热交换器。
18.根据权利要求17所述的系统，其特征在于，所述第三管道热交换器连接到蒸汽涡轮。
19.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述富含代用天然气气体的管道包括压缩机。
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