CN107974318B - 复合塔式甲烷化装置及甲烷化工艺 - Google Patents

复合塔式甲烷化装置及甲烷化工艺 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种复合塔式甲烷化装置及甲烷化工艺：原料气经缠绕式换热器II，与高温气换热后进入缠绕式换热器I换热，再经等温催化剂床层I进行甲烷化反应形成高温气I；高温气I经过缠绕式换热器I降温后进入绝热固定催化剂床层I，反应后的高温气降温后，进入等温催化剂床层II，形成高温气II；高温气II经过缠绕式换热器II降温后进入绝热固定催化剂床层II，并连续进行降温，再通过气液分离器I气液分离，气相进入缠绕式换热器II，与高温气换热后进入补充甲烷化反应器；反应后的工艺气依次通过锅炉给水预热器III、空冷器、水冷器和气液分离器II，分离出产品天然气。该工艺具有更高的经济效益，更低的综合能耗，更小的设备尺寸。

Description

复合塔式甲烷化装置及甲烷化工艺
技术领域
本发明涉及甲烷化技术领域，更具体地，涉及一种复合塔式甲烷化装置及甲烷化工艺。
背景技术
甲烷化是煤制替代天然气的核心技术，甲烷化反应是强放热、体积减小的反应，目前，现有工业化装置的甲烷化工艺均为多段绝热固定床反应工艺，为了快速移走反应热并保证反应温升不至于过大，均通过循环部分产品气达到控制反应温度的目的，这样就增加了循环压缩机的设置，增加了能耗及操作费用。同时为了得到满足产品要求的天然气，需要设置多级绝热固定床反应器，各级间设置多台换热器回收反应热，这样就造成流程复杂，并进一步增加了投资以及占地。
发明内容
本发明的目的是针对现有甲烷化工艺中流程复杂、投资大、能耗高、占地大等问题，本发明提供一种复合塔式甲烷化装置及甲烷化工艺，结合绝热固定床反应器、等温反应器、缠绕式换热器的特点及优势，简化了流程，加深反应平衡，减少甲烷化反应器的设置。
为了实现上述目的，本发明提供一种复合塔式甲烷化装置，该装置包括：
第一级复合塔式甲烷化反应器I、蒸汽发生器I、锅炉给水预热器I第二级复合塔式甲烷化反应器II、蒸汽发生器II、锅炉给水预热器II、除盐水预热器I、气液分离器I、补充甲烷化反应器、锅炉给水预热器III、空冷器、水冷器和气液分离器II；
所述第一级复合塔式甲烷化反应器I内的上部为绝热固定催化剂床层I，下部为等温催化剂床层I，中部为缠绕式换热器I；所述第二级复合塔式甲烷化反应器II内的上部为绝热固定催化剂床层II，下部为等温催化剂床层II，中部为缠绕式换热器II；
所述缠绕式换热器II的出口与所述缠绕式换热器I的入口相连接，绝热固定催化剂床层I(的出口通过蒸汽发生器I、锅炉给水预热器I与等温催化剂床层II的入口相连接，绝热固定催化剂床层II的出口与蒸汽发生器II、锅炉给水预热器II、除盐水预热器I、气液分离器I依次相连接，气液分离器I的顶部与缠绕式换热器II的入口相连接，缠绕式换热器II的出口与补充甲烷化反应器、锅炉给水预热器III、空冷器、水冷器和气液分离器II依次相连接。
根据本发明提供的装置，优选地，所述缠绕式换热器I和等温催化剂床层I的直径大于绝热固定催化剂床层I的直径；所述缠绕式换热器I和等温催化剂床层I的对应壳体均设置耐磨、耐热的衬里。
根据本发明提供的装置，优选地，所述缠绕式换热器II和等温催化剂床层II的直径大于绝热固定催化剂床层II的直径；所述缠绕式换热器II和等温催化剂床层II的对应壳体均设置耐磨、耐热的衬里。
根据本发明提供的装置，优选地，所述等温催化剂床层I和等温催化剂床层II均采用列管式固定床型式，其列管内为锅炉给水，列管外为催化剂床层。
根据本发明提供的装置，优选地，所述缠绕式换热器I和缠绕式换热器II均为单股流换热，或者多股流换热。
本发明还提供一种采用如上所述装置的甲烷化工艺，该工艺包括如下步骤：
1)原料气进入第二级复合塔式甲烷化反应器II中部的缠绕式换热器II，与高温气换热，然后进入第一级复合塔式甲烷化反应器I中部的缠绕式换热器I进一步与高温气换热，换热后进入第一级复合塔式甲烷化反应器I下部的等温催化剂床层I进行甲烷化反应，并通过发生超高压蒸汽控制反应温度，形成高温气I；
2)所述高温气I经过缠绕式换热器I降温后进入第一级复合塔式甲烷化反应器I上部的绝热固定催化剂床层I发生反应，反应后的高温气连续通过蒸汽发生器I、锅炉给水预热器I降温后，进入第二级复合塔式甲烷化反应器II下部的等温催化剂床层II发生反应，并通过发生超高压蒸汽控制反应温度，形成高温气II；
3)所述高温气II经过第二级复合塔式甲烷化反应器II中部的缠绕式换热器II降温后进入上部绝热固定催化剂床层II发生反应，反应后的高温气连续通过蒸汽发生器II、锅炉给水预热器II、除盐水预热器I进行降温，降温后形成的工艺气通过气液分离器I进行气液分离，分离出的液相为工艺凝液，分离出的气相进入第二级复合塔式甲烷化反应器II中部的缠绕式换热器II，与高温气换热，然后进入补充甲烷化反应器发生反应；
4)在补充甲烷化反应器中反应后的工艺气依次通过锅炉给水预热器III、空冷器、水冷器和气液分离器II，气液分离出的气相为产品天然气。
根据本发明提供的工艺，优选地，所述等温催化剂床层I和等温催化剂床层II的入口温度均为250-320℃，出口温度均为400-550℃，空速均为1500-9000h-1。所述等温催化剂床层I和等温催化剂床层II可发生高压蒸汽为的量40公斤-100公斤。
根据本发明提供的工艺，优选地，所述绝热固定催化剂床层I和绝热固定催化剂床层II的入口温度均为250-320℃，空速均为1500-9000h-1。
根据本发明提供的工艺，优选地，所述补充甲烷化反应器的入口温度为250-300℃，空速为3000-9000h-1。
根据本发明提供的工艺，优选地，所述原料气来自上游净化处理单元。
本发明的技术方案带来的有益效果在于：
1)复合塔式甲烷化反应器集成了绝热固定催化剂床层、缠绕式换热器及等温甲烷化催化剂床层，有效简化了换热流程及设备占地，同时根据甲烷化反应体积减小的特点，复合塔式甲烷化反应器中绝热固定催化剂床层体积显著减小；
2)复合塔式甲烷化反应器中只有对应等温甲烷化催化剂床层及缠绕式换热器的壳体部分设置耐热、耐磨衬里，绝热固定催化剂床层由于温升减少，不需要设置衬里，简化了制造难度；
3)因为采用了列管式等温甲烷化催化剂床层，利于加大甲烷化反应平衡深度，进一步减少甲烷化反应器的设置，减少了压力降；
上述的所有优点使得本发明与传统技术方法比较，具有更高的经济效益，更低的综合能耗，更小的设备尺寸。本发明尤其适用于煤气化合成气制取替代天然气。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了本发明所述的甲烷化工艺流程图。
上述图中标号说明如下：
1.第一级复合塔式甲烷化反应器I；2.蒸汽发生器I；3.锅炉给水预热器I；4.第二级复合塔式甲烷化反应器II；5.蒸汽发生器II；6.锅炉给水预热器II；7.除盐水预热器I；8.气液分离器I；9.补充甲烷化反应器；10.锅炉给水预热器III；11.空冷器；12.水冷器；13.气液分离器II；14.绝热固定催化剂床层I；15.缠绕式换热器I；16.等温催化剂床层I；17.绝热固定催化剂床层II；18.缠绕式换热器II；19.等温催化剂床层II；20.原料气；21.工艺凝液；22.产品天然气；23.锅炉给水；24.高压蒸汽。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然附图中显示了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。
实施例
来自上游净化单元的新鲜原料气，特征组成为：H2：68.2mol％，CO：19.5mol％，CO2：3.0mol％，CH4：9.0mol％，N2:0.3mol％。
如图1所示，一种采用复合塔式甲烷化装置的甲烷化工艺，包括如下步骤：
(1)新鲜原料气20通过第二级复合塔式甲烷化反应器II 4中部的缠绕式换热器II18，与高温气换热温度升至130℃，然后进入第一级复合塔式甲烷化反应器I中间原料预热器II 1中部的缠绕式换热器I 15进一步与高温气换热，换热后温度为280℃的原料气进入第一级复合塔式甲烷化反应器I 1下部的等温催化剂床层I 16进行甲烷化反应，空速为8000h-1，并通过发生100公斤超高压蒸汽控制反应温度为450℃，形成高温气I；
(2)450℃的高温气I经过经过缠绕式换热器I 15降温后温度降至280℃，进入第一级复合塔式甲烷化反应器I 1上部的绝热固定催化剂床层I14进行甲烷化反应，空速为9000h-1，反应后高温气的温度升至330℃，连续通过蒸汽发生器I 2发生40公斤蒸汽、锅炉给水预热器I 3降温，温度降为280℃，然后进入第二级复合塔式甲烷化反应器II 4下部的等温催化剂床层II 19发生反应，空速为8000h-1，并通过发生超高压蒸汽控制反应温度为450℃，形成高温气II；
(3)高温气II与新鲜原料气、补充甲烷化反应器9入口的工艺气经过第二级复合塔式甲烷化反应器II 4中部的缠绕式换热器II 18换热降温至260℃后，进入上部的绝热固定催化剂床层II 17发生反应，反应后温度为320℃的高温气连续通过蒸汽发生器II 5发生40公斤蒸汽、锅炉给水预热器II 6、除盐水预热器I 7降温至100℃，降温后形成的工艺气通过气液分离器I 8进行气液分离，分离出的液相为工艺凝液21，分离出的气相进入第二级复合塔式甲烷化反应器II 4中部的缠绕式换热器II 18，与高温气换热至260℃，然后进入补充甲烷化反应器9发生反应；
(4)在补充甲烷化反应器9中反应后的工艺气依次通过锅炉给水预热器III 10，空冷器11，水冷器12和气液分离器II 13，冷却分液后，分离出的气相为产品天然气22，满足国家一类天然气热值要求，为37.01MJ/Nm3，分离出的液相工艺凝液送出。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (8)

1.一种复合塔式甲烷化装置，其特征在于，该装置包括：
第一级复合塔式甲烷化反应器I(1)、蒸汽发生器I(2)、锅炉给水预热器I(3)、第二级复合塔式甲烷化反应器II(4)、蒸汽发生器II(5)、锅炉给水预热器II(6)、除盐水预热器I(7)、气液分离器I(8)、补充甲烷化反应器(9)、锅炉给水预热器III(10)、空冷器(11)、水冷器(12)和气液分离器II(13)；
所述第一级复合塔式甲烷化反应器I(1)内的上部为绝热固定催化剂床层I(14)，下部为等温催化剂床层I(16)，中部为缠绕式换热器I(15)；所述第二级复合塔式甲烷化反应器II(4)内的上部为绝热固定催化剂床层II(17)，下部为等温催化剂床层II(19)，中部为缠绕式换热器II(18)；
所述缠绕式换热器II(18)的出口与所述缠绕式换热器I(15)的入口相连接，绝热固定催化剂床层I(14)的出口通过蒸汽发生器I(2)、锅炉给水预热器I(3)与等温催化剂床层II(19)的入口相连接，绝热固定催化剂床层II(17)的出口与蒸汽发生器II(5)、锅炉给水预热器II(6)、除盐水预热器I(7)、气液分离器I(8)依次相连接，气液分离器I(8)的顶部与缠绕式换热器II(18)的入口相连接，缠绕式换热器II(18)的出口与补充甲烷化反应器(9)、锅炉给水预热器III(10)、空冷器(11)、水冷器(12)和气液分离器II(13)依次相连接；
所述缠绕式换热器I(15)和等温催化剂床层I(16)的直径大于绝热固定催化剂床层I(14)的直径。
2.根据权利要求1所述的复合塔式甲烷化装置，其中，所述缠绕式换热器I(15)和等温催化剂床层I(16)的对应壳体均设置耐磨、耐热的衬里。
3.根据权利要求1所述的复合塔式甲烷化装置，其中，所述缠绕式换热器II(18)和等温催化剂床层II(19)的直径大于绝热固定催化剂床层II(17)的直径；所述缠绕式换热器II(18)和等温催化剂床层II(19)的对应壳体均设置耐磨、耐热的衬里。
4.根据权利要求1所述的复合塔式甲烷化装置，其中，所述等温催化剂床层I(16)和等温催化剂床层II(19)均采用列管式固定床型式，其列管内为锅炉给水，列管外为催化剂床层。
5.根据权利要求1所述的复合塔式甲烷化装置，其中，所述缠绕式换热器I(15)和缠绕式换热器II(18)均为单股流换热，或者多股流换热。
6.一种采用权利要求1-5中任一项所述装置的甲烷化工艺，其特征在于，该工艺包括如下步骤：
1)原料气(20)进入第二级复合塔式甲烷化反应器II(4)中部的缠绕式换热器II(18)，与高温气换热，然后进入第一级复合塔式甲烷化反应器I(1)中部的缠绕式换热器I(15)进一步与高温气换热，换热后进入第一级复合塔式甲烷化反应器I(1)下部的等温催化剂床层I(16)进行甲烷化反应，并通过发生超高压蒸汽控制反应温度，形成高温气I；
2)所述高温气I经过缠绕式换热器I(15)降温后进入第一级复合塔式甲烷化反应器I(1)上部的绝热固定催化剂床层I(14)发生反应，反应后的高温气连续通过蒸汽发生器I(2)、锅炉给水预热器I(3)降温后，进入第二级复合塔式甲烷化反应器II(4)下部的等温催化剂床层II(19)发生反应，并通过发生超高压蒸汽控制反应温度，形成高温气II；
3)所述高温气II经过第二级复合塔式甲烷化反应器II(4)中部的缠绕式换热器II(18)降温后进入上部绝热固定催化剂床层II(17)发生反应，反应后的高温气连续通过蒸汽发生器II(5)、锅炉给水预热器II(6)、除盐水预热器I(7)进行降温，降温后形成的工艺气通过气液分离器I(8)进行气液分离，分离出的液相为工艺凝液(21)，分离出的气相进入第二级复合塔式甲烷化反应器II(4)中部的缠绕式换热器II(18)，与高温气换热，然后进入补充甲烷化反应器(9)发生反应；
4)在补充甲烷化反应器(9)中反应后的工艺气依次通过锅炉给水预热器III(10)、空冷器(11)、水冷器(12)和气液分离器II(13)，气液分离出的气相为产品天然气(22)；
其中，所述等温催化剂床层I(16)和等温催化剂床层II(19)的入口温度均为250-320℃，出口温度均为400-550℃，空速均为1500-9000h-1；
所述绝热固定催化剂床层I(14)和绝热固定催化剂床层II(17)的入口温度均为250-320℃，空速均为1500-9000h-1。
7.根据权利要求6所述的甲烷化工艺，其中，所述补充甲烷化反应器(9)的入口温度为250-300℃，空速为3000-9000h-1。
8.根据权利要求6所述的甲烷化工艺，其中，所述原料气来自上游净化处理单元。
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