CN207362164U - 一种有效回收低品位余热的甲烷化装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种有效回收低品位余热的甲烷化装置，包括精脱硫反应器、多级甲烷化反应器组、蒸发过热组件、余热回收器、预热器、分离罐组件、循环凝液泵、冷却器、流量调节阀和控温元件。本实用新型通过在末级甲烷化反应器的出口管路上设置蒸发过热组件，利用末级甲烷化反应器出口的低品位余热使注水后的原料气变为过热原料气，通过这一方式，一方面提高了甲烷化反应末级低品位余热的回收利用率，另一方面通过注水量的多少，可有效控制甲烷化反应放热，使甲烷化反应易于控制。
Description
技术领域
本实用新型涉及合成天然气技术领域，具体涉及一种有效回收低品位余热的甲烷化装置。
背景技术
天然气是一种使用安全、热值高的清洁能源，广泛应用于发电、化工、城市燃气、汽车燃料等行业，是世界上主要的清洁能源之一。合成气甲烷化反应是CO与H2、CO2与H2在一定温度、压力和催化剂存在条件下发生的强放热反应。通常，每1个百分点的CO甲烷化可产生74℃的绝热温升；每1个百分点的CO2甲烷化可产生60℃的绝热温升。因此，如何有效的控制甲烷化反应的放热，防止高温烧坏催化剂和损坏反应器，是甲烷化工艺的一个很关键的问题。目前，现有的甲烷化技术的控温方式主要有两种：一是采用将甲烷化部分产品气通过压缩机加压循环至主甲烷化反应器入口；二是采用外加稀释剂和冷激剂。
对于采用产品气循环的控温方式，流程中需要设置循环气压缩机，一方面增加了压缩功耗，另一方面还存在操控风险大的问题。对于外加稀释剂和冷激剂，如水蒸气、CO2等组分来控温的方式，虽然流程中可以避免使用循环气压缩机，但是，大量稀释剂的加入，贯穿整个工艺流程，在末级甲烷化反应器出口，大量反应热被稀释剂带出。被带出的反应热不仅热容量大，而且温位低。受制于传热温差的限制，这些低温位余热中有很大一部分无法有效回收利用，造成甲烷化单元的余热回收率低，副产蒸汽量少。
实用新型内容
本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种有效回收低品位余热的甲烷化装置。
本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种有效回收低品位余热的甲烷化装置，包括依次连接的原料合成气管线、预热器、精脱硫反应器和蒸发过热组件，在精脱硫反应器出口与蒸发过热组件冷侧入口之间管路上接入水管线，所述的蒸发过热组件的冷侧出口引出两条支路，其中一条支路连接多级甲烷化反应器组中的第一级甲烷化反应器的入口，另一条支路连接多级甲烷化反应器组中的第二级甲烷化反应器的入口，所述的多级甲烷化反应器组中，相邻两级甲烷化反应器依次连接并在连接管线上设置余热回收器，末级甲烷化反应器底部连接所述蒸发过热组件热侧入口，所述蒸发过热组件热侧出口连接分离罐组件。
优选的，所述的水管线上设有流量调节阀，该流量调节阀由设置在第一级甲烷化反应器出口的控温元件反馈控制。
优选的，所述的水管线的入口还连接外部锅炉水或脱盐水输出口。
更优选的，所述的分离罐组件包括两级分离罐，其中，第一级分离罐的入口连接蒸发过热组件热侧出口，底部凝液出口通过循环凝液泵接入所述水管线，顶部气体出口通过冷却器连接第二级分离罐入口；所述第二级分离罐的顶部得到SNG粗产品气，底部出口凝液排放至界区外。
优选的，所述的蒸发过热组件由板式换热器、绕管式换热器或管壳式换热器组成。
更优选的，所述蒸发过热组件为包括沿原料气输送方向布置的蒸发器和过热器，或集成一体化的兼具蒸发和过热功能的蒸发过热器。
优选的，所述的多级甲烷化反应器为固定床绝热甲烷化反应器，其级数不小于3。
与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：
(1)本实用新型通过在末级甲烷化反应器的出口管路上设置蒸发过热组件，使原料合成气和水形成的两相混合物，进入蒸发器和过热器，与末级甲烷化反应器出口的产品气发生热量交换。通过这一方式，末级甲烷化反应器出口的大量低品位余热，被水吸收后，以蒸发潜热的形式被带回反应系统，减少了出界区的低品位余热的热损失，提高了反应余热的回收利用率，增加了副产蒸汽的产量，提高了过程的综合能效；
(2)通过注水量的多少即可有效控制甲烷化反应放热，工艺流程简单，系统易于操控，并提高了操作安全性；
(3)避免了在甲烷化流程中使用高温循环气压缩机，降低了设备投资和过程能耗；
(4)多级甲烷化反应器组中每一级甲烷化反应器的底部出口处均连接有余热回收器，在降低气体温度的同时可以吸收大量余热，回收的余热可用于公用工程。
附图说明
图1为本实用新型的一种结构示意图；
图2为本实用新型的另一种结构示意图；
图中，1为原料合成气，2为预热器，3为预热后原料气，4为精脱硫反应器，5为脱硫气体，6a为蒸发器，6b为过热器，6为蒸发过热器，7为过热原料气，8为至第一级甲烷化反应器原料气，9为第一级甲烷化反应器，10为第一级甲烷化产品气，11，16，20为余热回收器，12为至第二级甲烷化反应器原料气，13为第二级甲烷化反应器进料气体，14为第二级甲烷化反应器，15为第二级甲烷化产品气，17为第三级甲烷化反应器进料气体，18为第三级甲烷化反应器，19为第三级甲烷化产品气，21为第四级甲烷化反应器进料气体，22为第四级甲烷化反应器，23为第四级甲烷化产品气，24为第一级分离罐，25为第一级分离罐顶部气体，26为第一级分离罐底部液体，27为第一级分离罐排放液体，28为至循环凝液泵的凝液，29为循环凝液泵，30为循环凝液，31为冷却器，32为第二级分离罐，33为SNG粗产品气，34为第二级分离罐排放液体，35为水管线，36为流量调节阀，37为控温元件，38为注水后的原料气，39为锅炉水或脱盐水。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。
一种有效回收低品位余热的甲烷化装置，包括依次连接的原料合成气1管线、预热器2、精脱硫反应器4和蒸发过热组件，在精脱硫反应器4出口与蒸发过热组件冷侧入口之间管路上接入水管线35，蒸发过热组件的冷侧出口引出两条支路，其中一条支路连接多级甲烷化反应器组中的第一级甲烷化反应器9的入口，另一条支路连接多级甲烷化反应器组中的第二级甲烷化反应器14的入口，多级甲烷化反应器组中，相邻两级甲烷化反应器依次连接并在连接管线上设置余热回收器11、16、20，最后一级甲烷化反应器底部连接蒸发过热组件热侧入口，蒸发过热组件热侧出口连接分离罐组件。
作为一种优选的实施方式，水管线35上设有流量调节阀36，该流量调节阀36由设置在第一级甲烷化反应器9出口的控温元件37反馈控制。
作为一种优选的实施方式，水管线35的入口还连接外部锅炉水或脱盐水39输出口。更优选的，分离罐组件包括两级分离罐，其中，第一级分离罐24的入口连接蒸发过热组件热侧出口，底部凝液出口通过循环凝液泵29接入水管线35，顶部气体出口通过冷却器31连接第二级分离罐32入口，第二级分离罐32的顶部得到SNG粗产品气33，底部出口凝液排放至界区外。
作为一种优选的实施方式，蒸发过热组件由板式换热器、绕管式换热器或管壳式换热器组成。更优选的，蒸发过热组件为包括沿原料气输送方向布置的蒸发器6a和过热器6b(如图1所示)，或集成一体化的兼具蒸发和过热功能的蒸发过热器6(如图2所示)。
作为一种优选的实施方式，多级甲烷化反应器为固定床绝热甲烷化反应器，其级数不小于3。
实施例1
以四级甲烷化反应为例，生产规模年产10亿Nm3SNG，给出了一种有效回收低品位余热的新型甲烷化装置，示意图如图1所示，该装置的工艺流程包括以下步骤：
原料合成气1的流量483470Nm3/h，温度30℃，压力3.3MPaG，组成(mol％)：H2：38.81，CO：11.84，CO2：35.26，H2O：0.13，CH4：13.78，N2：0.11，Ar：0.07，H2S：0.1ppmv，经预热器2预热后，得到预热后原料气3，随后进入精脱硫反应器4内发生脱硫化学反应，脱除H2S等含硫组分，得到脱硫气体5。
得到的脱硫气体5与水管线35中的水混合后形成注水后的原料气38，进入蒸发器6a发生蒸发气化，再进入过热器6b进一步被加热，得到过热原料气7。过热原料气7分为两股，一股作为至第二级甲烷化反应器原料气12进入第二级甲烷化反应器14的入口处，另一股作为至第一级甲烷化反应器原料气8送至第一级甲烷化反应器9发生甲烷化反应，出口得到第一级甲烷化产品气10。
第一级甲烷化反应器9出口设有控温元件37，控温元件37检测第一级甲烷化反应器9出口工艺气的温度，并控制水管线35上的流量调节阀36来调节水管线35中水的流量。第一级甲烷化产品气10经余热回收器11降温后，与至第二级甲烷化反应器原料气12混合后，形成第二级甲烷化反应器进料气体13，进入第二级甲烷化反应器14，发生甲烷化反应，出口得到第二级甲烷化产品气15。第二级甲烷化产品气15经余热回收器16降温后，作为第三级甲烷化反应器进料气体17进入第三级甲烷化反应器18，发生甲烷化反应，出口得到第三级甲烷化产品气19。第三级甲烷化产品气19经余热回收器20降温后，作为第四级甲烷化反应器进料气体21进入第四级甲烷化反应器22，发生进一步的甲烷化反应，出口得到第四级甲烷化产品气23。第四级甲烷化产品气23依次进入过热器6b和蒸发器6a，用于加热注水后的原料气38，得到过热原料气7。
第四级甲烷化产品气23经过热器6b和蒸发器6a冷却降温后，进入第一级分离罐24进行气液分离，第一级分离罐底部液体26分为两股，一股作为第一级分离罐排放液体27送至界区外，另一股作为至循环凝液泵凝液28送入循环凝液泵29，并作为循环凝液30与锅炉水或脱盐水39一同进入水管线35；第一级分离罐顶部气体25经冷却器31冷却后，进入第二级分离罐32进行气液分离，第二级分离罐32顶部得到SNG粗产品气33，底部得到的第二级分离罐排放液体34送至界区外。得到的SNG粗产品气33的流量297812Nm3/h，温度40℃，压力2.85MPaG，组成(mol％)：H2：0.23，CO：0.00，CO2：56.11，H2O：0.31，CH4：43.06，N2：0.18，Ar：0.11，H2S：0，送至下游的气体净化单元，以获得合格的SNG产品气。
第一级甲烷化反应器9、第二级甲烷化反应器14、第三级甲烷化反应器18和第四级甲烷化反应器22均为固定床绝热甲烷化反应器。
预热器2、蒸发器6a、过热器6b以及余热回收器11、16、20回收的反应余热，可用于副产高压过热蒸汽。以副产9.8MPaG，540℃高压过热蒸汽为例，实施例1工艺流程副产的高压过热蒸汽量约198t/h。
实施例2
以四级甲烷化反应为例，生产规模年产10亿Nm3SNG，给出了一种有效回收低品位余热的新型甲烷化装置，示意图如图2所示，该装置的工艺流程包括以下步骤：
原料合成气1的流量767077Nm3/h，温度30℃，压力3.3MPaG，组成(mol％)：H2：47.21，CO：15.03，CO2：36.61，H2O：0.13，CH4：0.63，N2：0.28，Ar：0.11，H2S：0.1ppmv，经预热器2预热后，进入精脱硫反应器4内发生脱硫化学反应，脱除H2S等含硫组分，得到脱硫气体5。
得到的脱硫气体5与水管线35中的水混合后形成注水后的原料气38，进入蒸发过热器6发生蒸发气化及过热后，得到过热原料气7。过热原料气7分为两股，一股作为至第二级甲烷化反应器原料气12进入第二级甲烷化反应器14的入口处，另一股作为至第一级甲烷化反应器原料气8送至第一级甲烷化反应器9发生甲烷化反应，出口得到第一级甲烷化产品气10。
第一级甲烷化反应器9出口设有控温元件37，控温元件37检测第一级甲烷化反应器9出口工艺气的温度，并控制水管线上的流量调节阀36来调节水管线35中水的流量。第一级甲烷化产品气10经余热回收器11降温后，与至第二级甲烷化反应器原料气12混合后，形成第二级甲烷化反应器进料气体13，进入第二级甲烷化反应器14，发生甲烷化反应，出口得到第二级甲烷化产品气15。第二级甲烷化产品气15经余热回收器16降温后，进入第三级甲烷化反应器18，发生甲烷化反应，出口得到第三级甲烷化产品气19。第三级甲化产品气19经余热回收器20降温后，进入第四级甲烷化反应器22，发生进一步的甲烷化反应，出口得到第四级甲烷化产品气23。第四级甲烷化产品气23进入蒸发过热器6，用于加热注水后的原料气38，得到过热原料气7。
第四级甲烷化产品气23经蒸发过热器6冷却降温后，再进入冷却器31冷却后，进入第二级分离罐32进行气液分离，第二级分离罐32顶部得到SNG粗产品气33，底部得到的第二级分离罐排放液体34送至界区外。
得到的SNG粗产品气33的流量405578Nm3/h，温度40℃，压力2.75MPaG，组成(mol％)：H2：0.14，CO：0.00，CO2：68.27，H2O：0.26，CH4：30.58，N2：0.53，Ar：0.21，H2S：0，送至下游的气体净化单元，以获得合格的SNG产品气。
第一级甲烷化反应器9、第二级甲烷化反应器14、第三级甲烷化反应器18和第四级甲烷化反应器22均为固定床绝热甲烷化反应器。
预热器2、蒸发过热器6以及余热回收器11、16和20回收的反应余热，可用于副产高压过热蒸汽。以副产9.8MPaG，540℃高压过热蒸汽为例，实施例2工艺流程副产的高压过热蒸汽量约385t/h。
实施例3
本实施例的原料合成气条件同实例1，区别在于，本实施例采用三级甲烷化反应器。
实施例4
本实施例的原料合成气条件同实例2，区别在于，本实施例采用五级甲烷化反应器。
本实用新型提出的一种有效回收低品位余热的新型甲烷化装置，已通过较佳的实施例进行了描述。但本实用新型要求保护的范围不限于以上实施例，对于本领域技术人员而言，本实用新型可以有多种变形和更改，凡在本实用新型的构思与原则之内所做的任何修改、改进和等同替换都应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种有效回收低品位余热的甲烷化装置，其特征在于，包括依次连接的原料合成气管线、预热器、精脱硫反应器和蒸发过热组件，在精脱硫反应器出口与蒸发过热组件冷侧入口之间管路上接入水管线，所述的蒸发过热组件的冷侧出口引出两条支路，其中一条支路连接多级甲烷化反应器组中的第一级甲烷化反应器的入口，另一条支路连接多级甲烷化反应器组中的第二级甲烷化反应器的入口，所述的多级甲烷化反应器组中，相邻两级甲烷化反应器依次连接并在连接管线上设置余热回收器，末级甲烷化反应器底部连接所述蒸发过热组件热侧入口，所述蒸发过热组件热侧出口连接分离罐组件。
2.根据权利要求1所述的一种有效回收低品位余热的甲烷化装置，其特征在于，所述的水管线上设有流量调节阀，该流量调节阀由设置在第一级甲烷化反应器出口的控温元件反馈控制。
3.根据权利要求1所述的一种有效回收低品位余热的甲烷化装置，其特征在于，所述的水管线的入口还连接外部锅炉水或脱盐水输出口。
4.根据权利要求1所述的一种有效回收低品位余热的甲烷化装置，其特征在于，所述的分离罐组件包括两级分离罐，其中，第一级分离罐的入口连接蒸发过热组件热侧出口，底部凝液出口通过循环凝液泵接入所述水管线，顶部气体出口通过冷却器连接第二级分离罐入口；所述第二级分离罐的顶部得到SNG粗产品气，底部出口凝液排放至界区外。
5.根据权利要求1所述的一种有效回收低品位余热的甲烷化装置，其特征在于，所述的蒸发过热组件由板式换热器、绕管式换热器或管壳式换热器组成。
6.根据权利要求5所述的一种有效回收低品位余热的甲烷化装置，其特征在于，所述蒸发过热组件为包括沿原料气输送方向布置的蒸发器和过热器，
或集成一体化的兼具蒸发和过热功能的蒸发过热器。
7.根据权利要求1所述的一种有效回收低品位余热的甲烷化装置，其特征在于，所述的多级甲烷化反应器为固定床绝热甲烷化反应器，其级数不小于3。
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