CN109111967B - 一种焦炉气制天然气的甲烷化系统及方法 - Google Patents

一种焦炉气制天然气的甲烷化系统及方法 Download PDF

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    • B01J8/067—Heating or cooling the reactor

Abstract

本发明提供了一种焦炉气制天然气的甲烷化系统及方法，该系统包括一个带冷激气分布器的均温甲烷化反应器和一个绝热甲烷化反应器；入塔气由净化后的焦炉气、补充CO2、中压蒸汽三部分组成，另一路净化后的焦炉气作为冷激气，由冷激气分布器进入到均温甲烷化反应器的列管中发生甲烷化反应，并利用自身的低温抑制反应器床层热点温度飞温；其中均温甲烷化反应器的列管中分别装填两种不同的甲烷化催化剂，列管中的其它空间用导热瓷球来填充；甲烷化反应放出的热量通过反应器壳程中的循环水迅速移走；同时均温甲烷化反应器之后再串联一个绝热甲烷化反应器进行补充甲烷化反应，以提高甲烷化深度，生产出合格的天然气产品；该焦炉气甲烷化反应工艺操作温度恒定，较好的保护了甲烷化催化剂，催化效率高，节能且易操作。

Description

一种焦炉气制天然气的甲烷化系统及方法
技术领域
本发明属于合成天然气技术领域，特别涉及一种焦炉气制天然气的甲烷化系统及方法。
背景技术
合成天然气的核心技术就是甲烷化催化剂和甲烷化工艺技术，其中甲烷化催化剂发展已较为成熟，国内掌握甲烷化催化剂生产工艺的研究院校举不胜数：但是目前国内开工、在建的几家煤制天然气化工厂全部采用国外的技术工艺，国内的工艺技术由于不够成熟而迟迟未实现工业化应用；甲烷化工艺技术的关键是解决反应过程中放热量大、取热难等问题，维持反应器床层温度恒定，防止催化剂在高温条件下的失活与烧结是天然气合成技术的关键。
现有的甲烷化技术大多采用多个绝热固定床串联的方式，使甲烷化反应在每个绝热反应器中逐步反应，且为避免出现热点温度过高的情况，通常采用多个循环压缩机采用不小于5的循环比多次循环，将每段的CO体积百分数由25％降低到2％-3％；同时整套工艺需要采用多台换热器来移走反应所放出的热量；这些不仅提高了设备投资，同时也增加能耗。如美国专利US4016189、US4205961、US4298694，采用多台绝热甲烷化反应器串联，为每段反应器之间采用多台换热器来移走反应所放出的热量，大大增加了设备投资。中国专利CN102827657采用多台低温反应器进行甲烷化反应，不仅增加了设备投资，同时该工艺存在放大困难等问题。
列管反应器的管程中装填有催化剂，冷却介质通过反应器壳层循环换热，利用热容较大的脱盐水不断蒸发-冷凝的循环过程，将反应放出的热量迅速移走，能够有效抑制反应过程中热点温度的产生，维持反应在恒温的条件下进行。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种焦炉气制天然气的甲烷化系统及方法，具有能耗低、操作方便，催化反应效率高的特点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种焦炉气制天然气的甲烷化系统，系统入口的原料气包括焦炉气、补充CO2气和中压蒸汽三路气源；三路气分别与气体混合罐V101的入口相连接，气体混合罐V101出口与第一列管换热器E101壳层入口相连接，第一列管换热器E101的壳层出口与第一电加热器E201的入口相连接，第一电加热器E201的出口与均温甲烷化反应器R1的入口相连接；其中原料气中的焦炉气又分出一路旁路作为冷激气直接与均温甲烷化反应器R1的入口相连接；均温甲烷化反应器R1的出口与第一列管换热器E101的管程入口相连接，第一列管换热器E101的管程出口与第二电加热器E202入口相连接，第二电加热器E202出口与绝热甲烷化反应器R2入口相连接，绝热甲烷化反应器R2出口与第二列管换热器E102的管程入口相连接，第二列管换热器E102的管程出口与气液分离器V103的入口相连接，气液分离器V103上部分离出合成天然气SNG，气液分离器V103下部分离的工艺冷凝液外排到脱盐水站净化循环利用；
系统入口的脱盐水与第二列管换热器E102的壳层入口相连接，第二列管换热器E102壳层的出口与汽包V102下部的补水口连接，汽包V102下部的出水口通过下降管与均温甲烷化反应器R1壳程的入口相连接，均温甲烷化反应器R1壳程的出口通过上升管与汽包V102侧面的入水口相连接，汽包V102产生的中压蒸汽一部分作为原料气通入到气体混合罐V101中，另一部分中压蒸汽外排至其它工段。
所述均温甲烷化反应器R1为均温的列管反应器，甲烷化催化剂装填在反应器的列管中，其列管下部装填100mm-200mm高的φ5耐高温的氧化铝瓷球，中部装填M1甲烷化催化剂，上部装填M2甲烷化催化剂，其中M1和M2催化剂分别占列管剩余空间的1/2；其中M1甲烷化催化剂的组成成分：NiO 15％-20％、La2O3 1％-10％、Zr02 0.5％-5％、CeO2 0.2-2％、CaO 2％-10％、MgO 1％-5％、Al2O3 50％-75％和石墨1％-2％；M2甲烷化催化剂的组成成分：NiO 30％-60％、La2O3 1％-10％、Zr02 0.5％-5％、K2O 0.2-2％、CaO 1％-5％、MgO1％-5％、Al2O3 30％-65％和石墨1％-2％。
所述均温甲烷化反应器R1上部的冷激气分布器的通气管线均匀的分布在均温甲烷化反应器R1中的列管中，纵向延伸到反应器列管的中部，冷激气分布器管线的管壁外表面分布有疏密不等的通气小孔，其上端通气小孔分布稀疏，而下端通气小孔分部密集。
绝热甲烷化反应器R2下部装填的φ5耐高温的氧化铝瓷球，其余空间装填的是M2甲烷化催化剂，M2甲烷化催化剂的组成成分：NiO 30％-60％、La2O3 1％-10％、Zr02 0.5％-5％、K2O 0.2-2％、CaO 1％-5％、MgO 1％-5％、Al2O3 30％-65％和石墨1％-2％。
所述补充CO2气来自于净化脱碳工段，或用烟道气、高炉煤气补充。
焦炉气制天然气的甲烷化系统的制天然气方法，所述的焦炉气压力8.0-10.0MPa，通过焦炉气流量调节阀FIQ101控制流量至2000-5000Nm3/h，补充CO2气通过补充CO2流量调节阀FIQ102控制流量至1000-1500Nm3/h，汽包V102产生的中压蒸汽通过中压蒸汽流量调节阀FIQ103控制流量至500-1000Nm3/h，三路气在气体混合罐V101中混合均匀后组成入塔混合气，通过第一列管换热器E101换热后温度达到180-220℃，再通过第一电加热器E201加热到260-305℃后通入到均温甲烷化反应器R1上部的气体分布器，与均温甲烷化反应器R1列管中的甲烷化催化剂发生催化反应；
所述焦炉气又通过旁路作为冷激气直接通入到均温甲烷化反应器R1上部的冷激气分布器中，其冷激气温度20-35℃，通过冷激气流量调节阀FIQ104调节流量至2000-5000Nm3/h，从冷激气分布器上的通气小孔通入到均温甲烷化反应器R1列管中，与列管中的甲烷化催化剂发生催化反应；
所述均温甲烷化反应器R1出口气通过第一列管换热器E101换热后温度达到100-200℃，再通过第二电加热器E202维持温度到260-305℃通入到绝热甲烷化反应器R2中，作为补充甲烷化反应，进行深度甲烷化；
所述绝热甲烷化反应器R2出口产品气温度为380-465℃，经过第二列管换热器E102换热后温度降低到95-160℃，最后经过气液分离器V103分离得到甲烷含量96-98％的合成天然气SNG；
所述气液分离器V103冷凝后的冷凝液汇集后送回至脱盐水站，经过沉积过滤、磷酸化和汽提作用得到合格的脱盐水循环利用；
所述均温甲烷化反应器R1床层中甲烷化反应放出的热量通过壳程的脱盐水迅速移走，避免反应器床层热点温度飞温；均温甲烷化反应器R1壳程的脱盐水分别通过上升管和下降管与汽包V102建立循环换热系统，汽包V102中的高温脱盐水由于重力作用沿下降管流入到均温甲烷化反应器R1的壳程中，高温脱盐水吸收甲烷化反应放出的热量成为沸腾水，沸腾水形成气液混合物沿上升管通入到汽包V102中，如此反复，实现循环换热。
所述均温甲烷化反应器R1壳程的脱盐水是来至脱盐水站合格的脱盐水，通过第二列管换热器E102换热后由补水管为汽包V102补充消耗的水量，维持汽包V102液位稳定；其中汽包V102产生的8-10.0MPa的中压蒸汽一部分外送到其它工段，实现热量的循环利用，另一部分中压蒸汽通过中压蒸汽流量调节阀FIQ103控制流量至500-1000Nm3/h通入到气体混合罐V101中，作为消碳剂混合到甲烷化反应的原料气中，以避免甲烷化催化剂因累积积碳而失活，延长催化剂寿命。
本发明的优点：该发明将均温甲烷化反应器引入到甲烷化反应工艺中，利用反应器壳程的脱盐水不断循环移热，迅速置换反应器中甲烷化反应放出的大量热量，维持反应器床层温度均一，避免催化剂因受热不均而导致的粉化；补充CO2量以提高系统碳负荷，有效减少整套工艺的碳排放；碳负荷较低的焦炉气作为冷激气通入到反应器床层与新鲜的入塔气混合换热发生甲烷化反应，不仅降低了甲烷化反应的碳负荷，而且有效避免了床层热点温度的飞温；同时，该工艺气体一次性通过反应器，原料气不需要大量的循环气去稀释，省去了循环工段产生的大量能耗，并且利用冷、热物料逆向交互式混合换热，通过控制冷、热物料的流量变化控制反应负荷，灵活控制反应器床层温度；该甲烷化工艺系统节能、高效，操作安全性能高。
附图说明
图1是本发明系统的结构示意图。
V101：气体混合罐；V102：汽包；V103：气液分离器；
R1：均温甲烷化反应器；R2：绝热甲烷化反应器；
E101：第一列管换热器；E102：第二列管换热器；
E201：第一电加热器；E202：第二电加热器；
FIQ101：焦炉气流量调节阀；FIQ102：补充CO2流量调节阀；
FIQ103：中压蒸汽流量调节阀；FIQ104：冷激气流量调节阀。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
一种焦炉气制天然气的甲烷化方法，来至系统的焦炉气流量4000Nm3/h，压力9.0MPa，补充CO2气流量1000Nm3/h，补充水蒸气量500Nm3/h，三路气通入到气体混合罐V101混合均匀组成入塔原料气5500Nm3/h，通过第一列管换热器E101换热后温度达到220℃，再通过第一电加热器E201加热到305℃通入到均温甲烷化反应器R1的上部，与列管中的甲烷化催化剂发生催化反应；
所述焦炉气中另一路作为冷激气温度20℃，通过冷激气流量调节阀FIQ104调节流量至4000Nm3/h，从冷激气分布器上的通气小孔通入到均温甲烷化反应器R1列管中，与列管中的甲烷化催化剂发生催化反应；
所述均温甲烷化反应器R1列管中的下部装填高150mm的φ5耐高温的氧化铝瓷球；列管中部装填的是M1甲烷化催化剂，其中M1甲烷化催化剂的组成成分：NiO 15.0％、La2O33.5％、Zr02 1.0％、CeO2 0.50％、CaO 8.0％、MgO 4.0％、Al2O3 66.5％和石墨1.5％；列管上部装填的是M2甲烷化催化剂,其中M2甲烷化催化剂的组成成分：NiO 50％、La2O3 2％、Zr02 0.7％、K2O 0.3％、CaO 2％、MgO 4％、Al2O3 40％和石墨1％；所述均温甲烷化反应器R1的出口气通过第一列管换热器E101换热温度达到150℃，再通过第二电加热器E202维持温度到295℃通入到绝热甲烷化反应器R2中，作为补充甲烷化反应，进行深度甲烷化；绝热甲烷化反应器R2下部装填的是φ5耐高温的氧化铝瓷球，其余空间装填的是甲烷化催化剂为M2；
所述绝热甲烷化反应器R2出口产品气温度为455℃，经过列管换热器E102换热后温度降低到120℃，最后经过气液分离器V103分离得到甲烷含量98％的合成天然气SNG；
所述汽包V102产生的8.8MPa中压蒸汽4000Nm3/h，其中500Nm3/h的中压蒸汽与焦炉气、补充CO2气混合进入均温甲烷化反应器R1中，其余水蒸汽外送到其它工段循环利用。

Claims (4)

1.一种焦炉气制天然气的甲烷化系统，其特征在于：系统入口的原料气包括焦炉气、补充CO2气和中压蒸汽三路气源；三路气分别与气体混合罐(V101)的入口相连接，气体混合罐(V101)出口与第一列管换热器(E101)壳层入口相连接，第一列管换热器(E101)的壳层出口与第一电加热器(E201)的入口相连接，第一电加热器(E201)的出口与均温甲烷化反应器(R1)的入口相连接；其中原料气中的焦炉气又分出一路旁路作为冷激气直接与均温甲烷化反应器(R1)的入口相连接；均温甲烷化反应器(R1)的出口与第一列管换热器(E101)的管程入口相连接，第一列管换热器(E101)的管程出口与第二电加热器(E202)入口相连接，第二电加热器(E202)出口与绝热甲烷化反应器(R2)入口相连接，绝热甲烷化反应器(R2)出口与第二列管换热器(E102)的管程入口相连接，第二列管换热器(E102)的管程出口与气液分离器(V103)的入口相连接，气液分离器(V103)上部分离出合成天然气SNG，气液分离器(V103)下部分离的工艺冷凝液外排到脱盐水站净化循环利用；
系统入口的脱盐水与第二列管换热器(E102)的壳层入口相连接，第二列管换热器(E102)壳层的出口与汽包(V102)下部的补水口连接，汽包(V102)下部的出水口通过下降管与均温甲烷化反应器(R1)壳程的入口相连接，均温甲烷化反应器(R1)壳程的出口通过上升管与汽包(V102)侧面的入水口相连接，汽包(V102)产生的中压蒸汽一部分作为原料气通入到气体混合罐(V101)中，另一部分中压蒸汽外排至其它工段；
所述补充CO2气来自于净化脱碳工段，或用烟道气、高炉煤气补充；
所述的焦炉气制天然气的甲烷化系统的制天然气方法，所述的焦炉气压力8.0-10.0MPa，通过焦炉气流量调节阀(FIQ101)控制流量至2000-5000Nm3/h，补充CO2气通过补充CO2流量调节阀(FIQ102)控制流量至1000-1500Nm3/h，汽包(V102)产生的中压蒸汽通过中压蒸汽流量调节阀(FIQ103)控制流量至500-1000Nm3/h，三路气在气体混合罐(V101)中混合均匀后组成入塔混合气，通过第一列管换热器(E101)换热后温度达到180-220℃，再通过第一电加热器(E201)加热到260-305℃后通入到均温甲烷化反应器(R1)上部的气体分布器，与均温甲烷化反应器(R1)列管中的甲烷化催化剂发生催化反应；
所述焦炉气又通过旁路作为冷激气直接通入到均温甲烷化反应器(R1)上部的冷激气分布器中，其冷激气温度20-35℃，通过冷激气流量调节阀(FIQ104)调节流量至2000-5000Nm3/h，从冷激气分布器上的通气小孔通入到均温甲烷化反应器(R1)列管中，与列管中的甲烷化催化剂发生催化反应；
所述均温甲烷化反应器(R1)出口气通过第一列管换热器(E101)换热后温度达到100-200℃，再通过第二电加热器(E202)维持温度到260-305℃通入到绝热甲烷化反应器(R2)中，作为补充甲烷化反应，进行深度甲烷化；
所述绝热甲烷化反应器(R2)出口产品气温度为380-465℃，经过第二列管换热器(E102)换热后温度降低到95-160℃，最后经过气液分离器(V103)分离得到甲烷含量96-98％的合成天然气SNG；
所述气液分离器(V103)冷凝后的冷凝液汇集后送回至脱盐水站，经过沉积过滤、磷酸化和汽提作用得到合格的脱盐水循环利用；
所述均温甲烷化反应器(R1)床层中甲烷化反应放出的热量通过壳程的脱盐水迅速移走，避免反应器床层热点温度飞温；均温甲烷化反应器(R1)壳程的脱盐水分别通过上升管和下降管与汽包(V102)建立循环换热系统，汽包(V102)中的高温脱盐水由于重力作用沿下降管流入到均温甲烷化反应器(R1)的壳程中，高温脱盐水吸收甲烷化反应放出的热量成为沸腾水，沸腾水形成气液混合物沿上升管通入到汽包(V102)中，如此反复，实现循环换热。
2.根据权利要求1所述的焦炉气制天然气的甲烷化系统，其特征在于：所述均温甲烷化反应器(R1)为均温的列管反应器，甲烷化催化剂装填在反应器的列管中，其列管下部装填100mm-200mm高的φ5耐高温的氧化铝瓷球，中部装填M1甲烷化催化剂，上部装填M2甲烷化催化剂，其中M1甲烷化催化剂和M2甲烷化催化剂分别占列管剩余空间的1/2；其中M1甲烷化催化剂的组成成分：NiO 15％-20％、La2O3 1％-10％、Zr02 0.5％-5％、CeO2 0.2-2％、CaO2％-10％、MgO 1％-5％、Al2O3 50％-75％和石墨1％-2％；M2甲烷化催化剂的组成成分：NiO30％-60％、La2O3 1％-10％、Zr02 0.5％-5％、K2O 0.2-2％、CaO 1％-5％、MgO 1％-5％、Al2O3 30％-65％和石墨1％-2％；
所述均温甲烷化反应器(R1)上部的冷激气分布器的通气管线均匀的分布在均温甲烷化反应器(R1)中的列管中，纵向延伸到反应器列管的中部，冷激气分布器管线的管壁外表面分布有疏密不等的通气小孔，其上端通气小孔分布稀疏，而下端通气小孔分部密集。
3.根据权利要求1所述的焦炉气制天然气的甲烷化系统，其特征在于：绝热甲烷化反应器(R2)下部装填的φ5耐高温的氧化铝瓷球，其余空间装填的是M2甲烷化催化剂，M2甲烷化催化剂的组成成分：NiO 30％-60％、La2O3 1％-10％、Zr02 0.5％-5％、K2O 0.2-2％、CaO1％-5％、MgO 1％-5％、Al2O3 30％-65％和石墨1％-2％。
4.根据权利要求1所述的焦炉气制天然气的甲烷化系统，其特征在于：所述均温甲烷化反应器(R1)壳程的脱盐水是来至脱盐水站合格的脱盐水，通过第二列管换热器(E102)换热后由补水管为汽包(V102)补充消耗的水量，维持汽包(V102)液位稳定；其中汽包(V102)产生的8-10.0MPa的中压蒸汽一部分外送到其它工段，实现热量的循环利用，另一部分中压蒸汽通过中压蒸汽流量调节阀(FIQ103)控制流量至500-1000Nm3/h通入到气体混合罐(V101)中，作为消碳剂混合到甲烷化反应的原料气中，以避免甲烷化催化剂因累积积碳而失活，延长催化剂寿命。
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