CN204198706U - 一种煤制合成气制天然气的甲烷化装置 - Google Patents
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Abstract
一种煤制合成气制天然气的甲烷化装置，包括连接合成气的气液分离器一，出气液分离器一的气体通过换热装置后连接至微通道甲烷化反应器，出微通道甲烷化反应器的气体通过换热装置后连接至绝热固定床甲烷化反应器，出绝热固定床甲烷化反应器的气体通过换热装置后连接至气液分离器二，利用本实用新型，可将上游合格的合成气引入到甲烷化反应器中进行甲烷化反应，由于引入微通道甲烷化反应器，使甲烷化反应优选在最佳热力学范围内且接近于恒温的反应条件下进行完全甲烷化，解决了甲烷化催化剂在高温下容易积碳和失活等问题，同时，工艺生产中富产中压蒸汽和高压蒸汽，可以解决变换工段以及其他工段供热问题，具有节能、高效、易操作且容易放大等优点。
Description
技术领域
本实用新型属于合成天然气技术领域，特别涉及一种煤制合成气制天然气的甲烷化装置。
背景技术
近年来，随着人们生活水平的逐渐提高，中国城镇化水平步伐也逐步加快，伴随着汽车尾气及工业废气的大量排放，尤其是近年来人们比较关注的雾霾天气，已经严重影响到了我们的日常生活，亟待需要我们开发一种清洁、高效且对环境友好的资源。而我国的资源现状是，天然气资源的人均占有率不到世界的10％，且近年来，环境问题的日益凸显，天然气的消费比例也持续增长，结合我国的国情是“富煤、缺油、少气”，发展煤制天然气，利用相对丰富的煤炭资源，将之转变成清洁，高效，安全的天然气，不仅实现了资源的综合利用，同时也缓减了我国油气资源相对短缺的现象，且对维护我国能源安全，实现节能节排，保护环境生态等都具有重要意义。
煤制天然气的核心技术就是甲烷化工艺，而甲烷化反应属于强放热反应，在不同的气体组分中，每1个百分点的CO甲烷化反应能产生74℃的绝热温升，每1个百分点的CO2甲烷化反应能够产生60℃的绝热温升，所以甲烷化反应过程要严格控制反应器的温升，迅速移走反应过程中所放出的大量热量，防止催化剂在高温条件下的失活与烧结。
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采用多台等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。
微通道反应器是微化工系统的核心研究内容。微反应器主要通过功能单元的模块集成的数量增减来调节实际工况生产，便于不同规模的生产推广；另外，微通道反应器的通道尺寸微小，传递效果和反应效率通常都比常规反应器高出2-5数量级。微通道反应器能够将反应放出的热量迅速移走，可以有效抑制反应过程中热点温度的产生，保证反应在洁净与恒温的条件下进行。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种煤制合成气制天然气的甲烷化装置，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，本实用新型采用的技术方案是：
一种煤制合成气制天然气的甲烷化装置，包括连接合成气的气液分离器一V101，出气液分离器一V101的气体通过换热装置后连接至微通道甲烷化反应器R1，出微通道甲烷化反应器R1的气体通过换热装置后连接至绝热固定床甲烷化反应器R2，出绝热固定床甲烷化反应器R2的气体通过换热装置后连接至气液分离器二V103。
所述气液分离器一V101的气体出口连接气气换热器三E103的空气入口，气气换热器三E103的空气出口接微通道甲烷化反应器R1且在连接线路上设置有电加热器一E201。
所述微通道甲烷化反应器R1的气体产品出口接气气换热器一E101的烟气入口，气气换热器一E101的烟气出口接气气换热器二E102的烟气入口，气气换热器二E102的烟气出口通过电加热器二E202接绝热固定床甲烷化反应器R2的气体入口，且在连接线路上设置有电加热器二E202。
所述绝热固定床甲烷化反应器R2的气体出口接气气换热器三E103的烟气入口，气气换热器三E103的烟气出口连接气气换热器四E104的烟气入口，气气换热器四E104的烟气出口连接气液分离器二V103。
所述气气换热器四E104的空气入口连接脱盐水，空气出口接气气换热器二E102的空气入口，出气气换热器二E102空气出口的气体分为两路，一路连接至气气换热器一E101的空气入口，另一路连接至汽包V102，汽包V102下部的沸腾水依靠重力作用通过下降管进入到微通道甲烷化反应器R1的移热通道中。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
(1)微通道甲烷化反应器的引入，大大提高了单位面积上的传热和传质，甲烷化反应速率显著增强，同时也降低了甲烷化催化剂的还原温度和起活温度，更易于甲烷化反应工艺操作。
(2)反应通道放出的大量热量被移热通道一侧的循环水迅速移走，保证了甲烷化反应在接近于恒温条件下反应，避免了催化剂的高温烧结和失活，大大延长了催化剂的使用寿命，降低了催化剂的生产成本。
(3)微通道反应器的模块化，便于反应器的生产和运输，并在生产过程中能够更方便的控制整个反应进程；可根据不同工况条件，灵活增减微反应器模块数量来达到生产放大或负荷降低的目的，且操作方便，安全性高。
(4)该装置只有一个微通道甲烷化反应器和一个绝热固定床甲烷化反应器，合成气无需复杂耗能的压缩循环工艺，一次通过就可以生成出合格的天然气，大大简化了工艺流程，降低了工艺成本。
(5)该装置富产的中压蒸汽和高压蒸汽，不仅可以供给变换炉升温以及变换反应时所需的大量热量，同时可以保证空分车间汽轮机正常运转，再者可以供给煤气化所需的蒸汽，达到了能源综合利用，节能高效。
(6)微通道甲烷化反应器出口温度在350-450℃，避免了甲烷化反应的高温操作，同时也降低了设备、阀门、管件等装置耗材的要求，节约成本，且提高了整套工艺的安全系数。
附图说明
图1是本实用新型结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本实用新型的实施方式。
如图1所示，一种煤制合成气制天然气的甲烷化装置，包括连接合成气的气液分离器一V101，气液分离器一V101的气体出口连接气气换热器三E103的空气入口，气气换热器三E103的空气出口接微通道甲烷化反应器R1且在连接线路上设置有电压热器一E201。微通道甲烷化反应器R1的气体产品出口接气气换热器一E101的烟气入口，气气换热器一E101的烟气出口接气气换热器二E102的烟气入口，气气换热器二E102的烟气出口通过电加热器E202接绝热固定床甲烷化反应器R2的气体入口且在连接线路上设置有电压热器二E202。绝热固定床甲烷化反应器R2的气体出口接气气换热器三E103的烟气入口，气气换热器三E103的烟气出口连接气气换热器四E104的烟气入口，气气换热器四E104的烟气出口连接气液分离器二V103。气气换热器四E104的空气入口连接脱盐水，空气出口接气气换热器二E102的空气入口，出气气换热器二E102空气出口的气体分为两路，一路连接至气气换热器一E101的空气入口，另一路连接至汽包V102，汽包V102下部的沸腾水依靠重力作用通过下降管进入到微通道甲烷化反应器R1的移热通道中。
依据上述装置，本实用新型的工作过程是：
经上游工段气化、净化、变换生产出的合格合成气，经过气液分离器一V101混合，通过连接绝热固定床甲烷化反应器R2出口的气气换热器三E103换热，预热到250-350℃(优选在280℃-320℃))，预热后的气体进入到微通道甲烷化反应器R1中进行甲烷化反应，生成的合成天然气进入气气换热器一E101并富产3.5-4.5MPa的中压蒸汽，随后进入气气换热器二E102后温度降至250℃，开启电加热器二E202，将入口合成气温度加热到280℃，进入到绝热固定床甲烷化反应器R2中，未反应的CO彻底转化成甲烷，出口气体中的CO含量达到5-10ppm级以下，反应生成的合成天然气依次通过气气换热器三E103一级换热和气气换热器四E104二级换热，温度降低到100℃以下，最后进入到气液分离器二V103后得到含量在95-98％(实施例中可达97.5％)、热值在37-38MJ/Nm3(实施例中可达37.6MJ/Nm3)的合格天然气，直接并网输送。其中电加热器一E201和电加热器二E202主要是在催化剂升温还原时投入使用，且生产过程中，如果微通道甲烷化反应器R1和绝热固定床甲烷化反应器R2入口合成气温度较低，可以根据工况条件选择是否开启电加热器，来稳定入口合成气温度保持在250-350℃之间。
本实用新型微通道甲烷化反应器R1是由微通道反应器模块组合而成，其微通道反应器模块的数量可根据实际工况自由组合，其中微通道反应器模块是由反应通道和移热通道交替排列的方式而构成，通道之间采用Fe、Cr、Al合金制作加工的耐高压基板隔开，反应通道的基板首先通过湿法刻蚀工艺加工以便于催化剂在基板上附着，其基板首先通过丙酮清洗，再经过碱洗和酸洗，最后经表面钝化处理，将制备好的甲烷化催化剂充分研磨，与去离子水充分混合制备出催化剂浆液，将其涂抹在反应通道一侧的基板上，再经过干燥，焙烧，还原，制备成晶粒细小、分散均一的微通道分布的甲烷化催化剂。微通道甲烷化反应器R1的微反应通道表面附着高度分散的甲烷化催化剂，甲烷化反应放出的大量热量被移热通道与外部汽包建立的移热循环系统迅速移走，反应器的热点温度不超过420℃。
由界外引入的脱盐水通过气气换热器四E104预热到140℃，再通过气气换热器二E102换热达到280℃并分成两路，一路通过气气换热器一E101换热富产3.5MPa的中压蒸汽并输送至其它工段；另一路进入到汽包V102，维持汽包V102液位稳定，微通道甲烷化反应器R1的移热通道中的沸腾水吸收甲烷化反应放出的大量热量并形成气液混合物上升到达汽包V102，富产10MPa的高压蒸汽，汽包V102下部的沸腾水依靠重力作用通过下降管进入到微通道反应器的移热通道中，形成循环换热，维持微反应通道中的甲烷化反应接近于恒温，保证甲烷化催化剂在微反应通道中始终维持在350-450℃的甲烷化热力学最佳的条件下进行，从本质上避免了甲烷化反应过程中热点温度的出现，较好的保证了催化剂的最高活性，同时也避免了催化剂的高温烧结与失活，延长了催化剂的使用寿命。
其中用到的甲烷化催化剂分别为两种，都以Al2O3、TiO2和SiO2制备的复合载体为甲烷化催化剂的载体，其中微通道甲烷化反应器R1中的甲烷化催化剂Ni含量在20-60％之间，而绝热固定床甲烷化反应器R2中甲烷化催化剂Ni含量在5-40％之间。
本装置的工艺要求为：甲烷化反应入口温度在250℃-350℃，出口温度在350-450℃之间，反应系统压力1-6MPa(例如3MPa)，原料气空速5000-24000L/(h·kg)(例如12000L/(h·kg))。其中甲烷化原料气中CO/CO2体积浓度比在2％-40％之间(例如16％)，(H2-CO2)/(CO+CO2)的摩尔比为3.1-3.6之间(例如3.2)。
本实用也适用于焦炉煤气合成代用天然气的工艺技术。
Claims (5)
1.一种煤制合成气制天然气的甲烷化装置，其特征在于，包括连接合成气的气液分离器一(V101)，出气液分离器一(V101)的气体通过换热装置后连接至微通道甲烷化反应器(R1)，出微通道甲烷化反应器(R1)的气体通过换热装置后连接至绝热固定床甲烷化反应器(R2)，出绝热固定床甲烷化反应器(R2)的气体通过换热装置后连接至气液分离器二(V103)。
2.根据权利要求1所述煤制合成气制天然气的甲烷化装置，其特征在于，所述气液分离器一(V101)的气体出口连接气气换热器三(E103)的空气入口，气气换热器三(E103)的空气出口接微通道甲烷化反应器(R1)且在连接线路上设置有电加热器一(E201)。
3.根据权利要求1所述煤制合成气制天然气的甲烷化装置，其特征在于，所述微通道甲烷化反应器(R1)的气体产品出口接气气换热器一(E101)的烟气入口，气气换热器一(E101)的烟气出口接气气换热器二(E102)的烟气入口，气气换热器二(E102)的烟气出口通过电加热器二(E202)接绝热固定床甲烷化反应器(R2)的气体入口，且在连接线路上设置有电加热器二(E202)。
4.根据权利要求3所述煤制合成气制天然气的甲烷化装置，其特征在于，所述绝热固定床甲烷化反应器(R2)的气体出口接气气换热器三(E103)的烟气入口，气气换热器三(E103)的烟气出口连接气气换热器四(E104)的烟气入口，气气换热器四(E104)的烟气出口连接气液分离器二(V103)。
5.根据权利要求4所述煤制合成气制天然气的甲烷化装置，其特征在于，所述气气换热器四(E104)的空气入口连接脱盐水，空气出口接气气换热器二(E102)的空气入口，出气气换热器二(E102)空气出口的气体分为两路，一路连接至气气换热器一(E101)的空气入口，另一路连接至汽包(V102)，汽包(V102)下部的沸腾水依靠重力作用通过下降管进入到微通道甲烷化反应器(R1)的移热通道中。
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