CN208829615U - 用于将含氢和碳氧化物的合成气甲烷化的系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于将含氢和碳氧化物的合成气甲烷化的系统，该系统包括原料气管线、水‑水蒸气循环管线、第一汇合点、第一反应器、第一换热器、第二反应器、第二换热器、第三换热器、第四换热器、第一气液分离器、第五换热器、第三反应器、第六换热器、第七换热器以及第二气液分离器。本实用新型采用多级反应器和换热器，且系统可以不将产气返回上级反应器，并利用水蒸气循环系统回收热能。该系统具有投资小、操作费用低、处理原料气浓度范围广、资源消耗小，能量利用率高等优点。

Description

用于将含氢和碳氧化物的合成气甲烷化的系统

技术领域

本实用新型属于将合成气等甲烷化的领域，具体涉及一种用于将含氢和碳氧化物的合成气甲烷化的系统。

背景技术

随着我国经济的快速发展和城市化进程的全面推进，天然气作为一种安全、清洁、便捷的优质能源，备受青睐，其供需矛盾将日益突出。预计到2030和2050年，我国天然气消费缺口将分别达到1500亿m³和2500亿m³。而另一方面，随着中东和俄罗斯等产气大国国内外局势持续动乱，国际天然气价格持续上涨，为缓解天然气需求，增大天然气在我国能源结构中的比重，我国先后采取了西气东输、川气东送、以及加大天然气进口等战略举措，但是这些举措一方面受到能源结构“富煤、贫油、少气”的限制，另一方面也受到国际地缘政治和天然气价格及运输的严重制约。因此充分利用丰富的煤炭或生物质资源生产合成天然气或代用天然气(SNG)，不仅可以缓解国内天然气供需矛盾，对于实现油气资源的多元化、煤的洁净利用以及保障能源安全、资源的生态化利用等方面也具有重要的战略意义。

利用煤炭或生物资源来制备代用天然气的已知方法之一为含氢和碳氧化物的合成气的甲烷化。甲烷化过程涉及的主要反应有：

CO+3H₂＝CH₄+H₂O ΔH298＝-206kJ/mol (1)

CO₂+4H₂＝CH₄+2H₂O ΔH298＝-165kJ/mol (2)

CO+H₂O＝CO₂+H₂ ΔH298＝-41kJ/mol (3)

上述反应分别为一氧化碳甲烷化反应、二氧化碳甲烷化反应和水煤气变换反应，其中前两者均为强放热反应。

对于利用煤或生物质来制备天然气的甲烷化过程，合成气中H₂和CO浓度高，甲烷化过程反应速率快，反应热难以及时移除，因此目前甲烷化工艺开发主要集中在：耐高温催化剂的开发、甲烷化反应器的设计和反应热的高效利用。

易高环保能源研究院有限公司和华东师范大学在专利申请CN103752315A披露了一种新型金属相载体负载型催化剂，其具有活性高、稳定性小、压降小、强导热性、寿命长，制备简单等优点，应用于甲烷化等强放热以及甲烷制合成气过程可有效解决反应过程中的强放热/吸热难题。

丹麦托普索公司的专利US4130575采用多个反应器串联，这些反应器均为高温反应器，采用催化剂MCR-2X，在很宽的温度范围内(250℃-700℃)都能稳定高效地运行。该工艺主要通过循环反应后的气体来调节第一个甲烷化反应器中进口物料各组分的含量，从而来调节控制反应器内温度。热量以蒸汽的形式回收，直接给压缩机提供能量，推动压缩机做功。但是此工艺最后一个反应器的温度不便于控制，容易造成原料转化率较低的问题。

德国鲁奇公司的专利申请US2013/0178546A1在原有两个绝热固定床反应器气体循环相结合的方式基础上进行改进，增加一个反应器，并且进行多股进料和气体循环结合控温。该工艺投资成本较低，而且单线产能大，转化率高，操作弹性较大，技术成熟可靠；经过工艺的改进，在提高转化率的同时运营成本也不断下降。但因气体循环带来的项目投资费用仍然很高。

五环工程有限公司所申请的专利CN104152198A涉及水蒸气换热控温，进料气在换热器中与出等温反应器的反应气换热升温，升温后的原料气送入等温反应器进行反应，反应后的反应气送入换热器与进料气换热降温后再送入低温绝热反应器进一步充分反应得到甲烷气。此项工艺流程虽然简单，但是副产的水蒸气压力过高，对设备材质要求较高。

专利申请CN104312651A披露了一种无循环的甲烷化系统，其中主要包括配气甲烷化阶段和补充甲烷化阶段。配气甲烷化阶段的末级反应器与补充甲烷化阶段的首级反应器串联连接。该工艺具有所使用的反应器结构复杂、换热器置于反应器内部不便于检修维护、反应器中因使用锅炉水换热而需要增加汽包、水泵，导致投资增加等不足。

专利CN204198706U介绍了一种煤制合成气制天然气的甲烷化装置，其利用微通道(mini channel)反应器进行甲烷化反应，在工程化时用多个微通道反应器来放大流程处理量。但该反应器结构复杂，其工艺中需要把催化剂均匀负载到反应通道壁上和高压操作需要使用特定合金材质等特点使得该流程变得非常昂贵，不符合经济效益。

专利CN205710633U涉及一种合成气甲烷化多联产装置，其需要以循环压缩机来为原料气提供稀释气，增加了操作成本和设备投资；该装置通过降低反应器入口温度来提供足够的反应温升空间，但是这样同时会有产生羰基镍的风险，也即，在低于250℃的情况下，原料气中的一氧化碳会与催化剂中的镍反应生成羰基镍，降低催化剂活性，影响催化剂寿命。

专利CN204589113U涉及一种不带循环气的甲烷化合成甲烷系统。但该系统是以绝热降温反应器为核心设计的无循环甲烷化流程，反应器包含了绝热段和等温段，该反应器有结构复杂，等温段不便于检修维护，投资高等不足。

实用新型内容

在实用新型内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本实用新型的实用新型内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

本实用新型的目的在于提供一种用于将含氢和碳氧化物的合成气甲烷化的系统，其具有投资小、操作费用低、处理原料气浓度范围广、资源消耗小，能量利用率高等优点。

根据本实用新型的一方面，涉及一种用于将含氢和碳氧化物的合成气甲烷化的系统，其可以包括：

原料气管线，其具有多个分流管线，用于分别输送原料气，

水-水蒸气循环管线，用于循环输送水和水蒸气，

第一汇合点，其连接一个分流管线和水-水蒸气循环管线，用于使原料气和水蒸气汇合而形成混合有水蒸气的原料气；

设在第一汇合点的下游的第一反应器(R1)，其中，第一反应器用于接收该混合有水蒸气的原料气，并使其发生甲烷化反应，以向下游提供第一产气；

第一换热器(E2)，用于使混合有水蒸气的原料气在进入第一反应器之前与第一产气进行互相隔离的换热，以降低第一产气的温度，并预热该原料气；

位于第一反应器的下游并连接一个分流管线的至少一个第二反应器(R2-R4)，其用于接收降温后的第一产气和原料气，并使其进一步发生甲烷化反应，以向下游提供第二产气；

至少一个第二换热器(E3-E5)，其用于使第二产气与由水-水蒸气循环管线输送的水进行互相隔离的换热，以降低第二产气的温度，并将水转化为水蒸气而输送到水-水蒸气循环管线；

第三换热器(E1)，其用于使降温后的第二产气与原料气进行互相隔离的换热，以降低第二产气的温度，并预热该原料气；

第四换热器(E6)，其用于使来自第三换热器的第二产气与由水-水蒸气循环管线输送的水进行互相隔离的换热，以降低第二产气的温度，并提供水蒸气；

第一气液分离器，其位于第二反应器的下游，用于接收降温后的第二产气，并将其分离成冷凝水和顶部气体；

第五换热器(E8)，其用于使顶部气体与经过第一换热器换热后的第一产气进行互相隔离的换热，以升高顶部气体的温度；

至少一个第三反应器(R5)，其用于接收升温后的顶部气体，并使其进一步发生甲烷化反应，以提供第三产气。

本实用新型的系统利用水-水蒸气循环管线提供的水蒸气对原料气进行稀释，一方面水蒸气的加入大大降低了原料气中的CO浓度，另一方面水蒸气的加入又可以提高气体(总体)的热容，故而加入水蒸气可以降低反应温升，有效地控制了反应器内催化剂床层的温度，从而可以显著延长催化剂寿命。与通常采用的利用等温反应器直接在反应器内移热以及用循环反应后的气体来稀释原料气的方式相比，本实用新型的系统构造简单，操作简便，价格低廉。采用多级换热器回收甲烷化反应的产气中的热量，极大地利用了反应产生的热量，提高了能量利用率，节约资源。水-水蒸气循环管线产生的蒸气一部分可以用于稀释原料气，另一部分还可以作为系统的副产品。

在一个优选实施方式中，本实用新型的系统还包括第六换热器(E10)，其用于使第三产气与由水-水蒸气循环管线输送的水进行互相隔离的换热，以降低第三产气的温度，并将水转化为水蒸气而输送到水-水蒸气循环管线；

第七换热器(E9)，其用于使降温后的第三产气与即将进入第三反应器之前的升温后的顶部气体进行互相隔离的换热；

第二气液分离器，其位于第三反应器的下游，用于接收降温后的第三产气，并将其分离成冷凝水和甲烷气体；

其中，第四换热器构造成从水-水蒸气循环管线接收来自第一和第二气液分离器的冷凝水，并使接收到的水与来自第三换热器(E1)的第二产气进行换热，并经由水-水蒸气循环管线向第二换热器(E3-E5)和第六换热器(E10)提供升温后的水，以供换热。

在一个优选的实施方式中，第二反应器的数量可以为2-4个，并依次连接为多级反应器，且各第二反应器之间具有第二换热器。

该系统能够用于处理总碳浓度(CO+CO₂)范围较大的原料气，可以根据原料气中的总碳浓度(CO+CO₂)增加或减少反应器个数，系统具有较大弹性，增减负荷容易。

在一个优选的实施方式中，第四换热器可以构造成还接收新鲜水，并使接收到的水与来自第三换热器(E1)的第二产气进行换热，并经由水-水蒸气循环管线向第二换热器(E3-E5)和第六换热器(E10)提供升温后的水，以供换热。

在一个优选的实施方式中，在第一气液分离器的上游且在第四换热器的下游，还可以具有第八换热器(E7)，用于使第二产气在进入第一气液分离器之前进一步降温至35-45摄氏度。

在一个优选的实施方式中，在第二气液分离器的上游且在第七换热器的下游，还可以具有第九换热器(E11)，用于使第三产气在进入第二气液分离器之前进一步降温至35-45摄氏度。

在一个优选的实施方式中，第七换热器可以构造成使得经过第七换热器换热后的顶部气体的温度为240-260摄氏度。

在一个优选的实施方式中，所述第三反应器的数量为1-2个，并依次连接为多级反应器。

在一个优选的实施方式中，该系统中不存在将产气循环回上级反应器的循环管线。

与现有甲烷化工艺相比，本实用新型的有益效果在于：

1、原料气分成多股进料，并在第一股进料混合一定比例的水蒸气，极大增加气体(总体)的热容，降低了各反应器进口组分的浓度，有效地控制了各反应器内床层的温升，使得反应能够安全稳定地进行。

2、没有反应气体循环，使得工艺没有大功率循环压缩机，极大降低了投资费用和运行费用。

3、循环水蒸气与多个反应器出口气体进行换热冷却，提高了能量利用率，水蒸气的循环节约了资源。

4、反应器等设备尺寸较小，投资费用低。

5、可以根据实际需要来改变进料股数和反应器的个数、混合水蒸气气量，可处理CO+CO₂/H₂范围很宽的原料气。

6、原料气直接分为多路进入反应器中，可根据原料气组成的变化来调节各反应器的气体分配量，对气体组成要求不高。

7、反应器内温度不超过550℃，对反应器和换热器材质要求低。

附图说明

本实用新型的下列附图在此作为本实用新型的一部分用于理解本实用新型。附图中示出了本实用新型的实施例及其描述，用来解释本实用新型的原理。

图1是根据本实用新型的一个实施方式所述的一种用于将含氢和碳氧化物的合成气甲烷化的系统的示意图。

图2是根据本实用新型的一个优选实施方式所述的一种用于将含氢和碳氧化物的合成气甲烷化的系统的示意图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本实用新型更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本实用新型可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本实用新型发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

图1示意性示出了根据本实用新型的一个实施方式。图1所示的一种用于将含氢和碳氧化物的合成气甲烷化的系统，包括：

原料气管线1，水-水蒸气循环管线2，第一汇合点3，多个分流管线4，第一反应器R1，第一换热器E2，第二反应器R2，第二换热器E3，第三换热器E1，第四换热器E6，第一气液分离器S1，第五换热器E8，第三反应器R5，第六换热器E10，第七换热器E9，第二气液分离器S2。

其中，原料气管线1具有多个分流管线4，用于分别输送含氢和碳氧化物(主要是CO和CO₂)的原料气。

水-水蒸气循环管线2用于循环输送水和水蒸气。

第一汇合点3连接一个分流管线4和水-水蒸气循环管线2，用于使原料气和水蒸气汇合而形成混合有水蒸气的原料气。

第一反应器R1设在第一汇合点3的下游，用于接收以上混合有水蒸气的原料气，并使其发生甲烷化反应，以向下游提供产气(第一产气)。该反应器可采用已知的甲烷化反应催化剂，例如，CN103752315A披露的催化剂，也可以采用以镍为主要活性组分，导热性能较好的金属作为载体的其他催化剂。优选地，反应器中甲烷化催化剂选用直径为4～150微米、长度为2～10毫米的镍纤维、由镍纤维烧结而成的三维多孔结构整体式金属纤维载体或三维多孔结构整体式金属泡沫载体，氧化镍为活性组分，三氧化二铝为助剂的催化剂。

第一换热器E2用于使混合有水蒸气的原料气在进入第一反应器R1之前与第一产气进行互相隔离的换热，以降低第一产气的温度，并预热该原料气。

第二反应器R2位于第一反应器R1的下游并连接一个分流管线4，用于接收降温后的第一产气和原料气，并使其进一步发生甲烷化反应，以向下游提供产气(第二产气)。该反应器可采用与第一反应器R1一样的催化剂，也可以使用其他已知催化剂。

第一反应器R1和第二反应器R2中主要发生甲烷化的第一步反应，消耗了大部分的CO，因此第二产气中CO含量较少，而CO₂含量较高。

第二换热器E3用于使第二产气与由水-水蒸气循环管线2输送的水进行互相隔离的换热，以降低第二产气的温度，并将水转化为水蒸气而输送到水-水蒸气循环管线2。

第三换热器E1用于使降温后的第二产气与原料气进行互相隔离的换热，以降低第二产气的温度，并预热该原料气。

第四换热器E6用于使来自第三换热器E1的第二产气与由水-水蒸气循环管线2输送的水进行互相隔离的换热，以降低第二产气的温度，并提供水蒸气。

第一气液分离器S1位于第二反应器R2的下游，用于接收降温后的第二产气，并将其分离成冷凝水和顶部气体。

第五换热器E8用于使顶部气体与经过第一换热器E2换热后的第一产气进行互相隔离的换热，以升高顶部气体的温度。

第三反应器R5用于接收升温后的顶部气体，并使其进一步发生甲烷化反应，以提供产气(第三产气)。第三反应器R5中，由于大部分CO在之前的第一和第二反应器中已消耗，因此主要发生甲烷化的第二步反应，即由CO₂和H₂反应生成甲烷。该反应器可采用与第一反应器R1一样的催化剂，也可以使用其他已知催化剂。

第六换热器E10用于使第三产气与由水-水蒸气循环管线2输送的水进行互相隔离的换热，以降低第三产气的温度，并将水转化为水蒸气而输送到水-水蒸气循环管线2。

第七换热器E9用于使降温后的第三产气与即将进入第三反应器R5之前的升温后的顶部气体进行互相隔离的换热。

第二气液分离器S2位于第三反应器R5的下游，用于接收降温后的第三产气，并将其分离成冷凝水和甲烷气体。

第四换热器E6构造成从水-水蒸气循环管线2接收来自第一和第二气液分离器S1和S2的冷凝水，并使接收到的水与来自第三换热器E1的第二产气进行换热，并经由水-水蒸气循环管线2向第二换热器E3和第六换热器E10提供升温后的水，以供换热。

该系统可以以下述工艺进行含氢和碳氧化物的合成气的甲烷化反应。

原料气经第三换热器E1换热升温后进入一个分流管线4。第一股分流管线4中的原料气在第一汇合点3与水-水蒸气循环管线2输送的水蒸气混合形成混合有水蒸气的原料气，该混合气引入至第一换热器E2预热后进入第一反应器R1，在第一反应器R1中发生甲烷化反应。

第一反应器R1产生的第一产气经过第一换热器E2与混合有水蒸气的原料气换热后进入第五换热器E8，与第一气液分离器S1的顶部气体换热降温。降温后的第一产气进入与第二反应器R2相连的分流管线4，与分流管线4中的原料气混合后进入第二反应器R2发生甲烷化反应。

第二反应器R2产生的第二产气经过第二换热器E3与水-水蒸气循环管线2输送的水进行换热。换热后的第二产气被引入第三换热器E1，与原料气进行换热，降低第二产气的温度并预热原料气。来自第三换热器E1的第二产气被引入第四换热器E6，与水-水蒸气循环管线2输送的水进行换热。来自第四换热器E6的第二产气被引入第一气液分离器S1分离成冷凝水和顶部气体。冷凝水进入水-水蒸气循环管线2，顶部气体进入第五换热器E8与第一产气换热，换热后的顶部气体引入至第七换热器E9预热后进入第三反应器R5，在第三反应器R5中进一步发生甲烷化反应。第三反应器R5产生的第三产气经过第六换热器E10与水-水蒸气循环管线2输送的水进行换热后进入第七换热器E9，用于预热顶部气体。来自第七换热器E9的第三产气被引入第二气液分离器S2进行分离，其顶部采出甲烷气体，分离得到的冷凝水进入水-水蒸气循环管线2。

在一个优选的实施方式中，第二反应器R2的数量可以为2-4个，并依次连接(串联)为多级反应器，且各第二反应器R2之间具有第二换热器E3。

在一个优选的实施方式中，第四换热器E6可以构造成还接收新鲜水，并使接收到的水与来自第三换热器E1的第二产气进行换热，并经由水-水蒸气循环管线2向第二换热器E3和第六换热器E10提供升温后的水，以供换热。

在一个优选的实施方式中，第一气液分离器S1的上游且在第四换热器E6的下游，还可以具有第八换热器E7，用于使第二产气在进入第一气液分离器S1之前进一步降温至35-45摄氏度。

在一个优选的实施方式中，第二气液分离器S2的上游且在第七换热器E9的下游，还可以具有第九换热器E11，用于使第三产气在进入第二气液分离器S2之前进一步降温至35-45摄氏度。

在一个优选的实施方式中，第七换热器E9可以构造成使得经过第七换热器E9换热后的顶部气体的温度为240-260摄氏度。

在一个优选的实施方式中，所述第三反应器的数量为1-2个，并依次连接为多级反应器。

在一个优选的实施方式中，该系统中不存在将产气循环回上级反应器的循环管线。

图2示意性示出了根据本实用新型的一个优选的实施方案。其中，该用于将含氢和碳氧化物的合成气甲烷化的系统包括：

原料气管线1，水-水蒸气循环管线2，第一汇合点3，多个分流管线4，第一反应器R1，第一换热器E2，第二反应器R2-R4，第二换热器E3-E5，第三换热器E1，第四换热器E6，第一气液分离器S1，第五换热器E8，第三反应器R5，第六换热器E10，第七换热器E9，第八换热器E7，第九换热器E11，第二气液分离器S2。

该实施方式中与图1所示实施方式相同的要素或部件中凡与之有相似功能的，在此不再赘述。其反应器可采用已知的甲烷化反应催化剂，例如，CN103752315A披露的催化剂，也可以采用以镍为主要活性组分，导热性能较好的金属作为载体的其他催化剂。优选地，反应器中甲烷化催化剂选用直径为4～150微米、长度为2～10毫米的镍纤维、由镍纤维烧结而成的三维多孔结构整体式金属纤维载体或三维多孔结构整体式金属泡沫载体，氧化镍为活性组分，三氧化二铝为助剂的催化剂。

与图1所示的实施方式不同的是，本实施方式中，该系统具有依次连接的第二反应器R2、R3和R4，即扩展为3个第二反应器，因而也在各第二反应器之间具有第二换热器E3、E4和E5。

此外，该系统中，第四换热器E6构造成还接收新鲜水，并使接收到的水与来自第三换热器E1的第二产气进行换热，并经由水-水蒸气循环管线2向所述第二换热器E3、E4和E5和第六换热器E10提供升温后的水，以供换热。

另外，第八换热器E7设在第一气液分离器S1的上游且在第四换热器E6的下游，用于使第二产气在进入第一气液分离器之前进一步降温至35-45摄氏度。

第九换热器E11设在第二气液分离器S2的上游且在第七换热器E9的下游，用于使产气在进入第二气液分离器之前进一步降温至35-45摄氏度。

第七换热器E9构造成使得经过第七换热器E9换热后的顶部气体的温度为240-260摄氏度。

该系统不存在将产气循环回上级反应器的循环管线。

该系统可以以下述工艺进行含氢和碳氧化物的合成气的甲烷化反应。

原料气经第三换热器E1换热升温后分为四股，分别进入多个分流管线4，第一股分流管线4中的原料气在第一汇合点3与水-水蒸气循环管线2输送的水蒸气混合形成混合有水蒸气的原料气，该混合气引入至第一换热器E2预热后进入第一反应器R1，在第一反应器R1中发生甲烷化反应。

第一反应器R1产生的第一产气经过第一换热器E2与混合有水蒸气的原料气换热后进入第五换热器E8，与第一气液分离器S1的顶部气体换热降温。

降温后的第一产气进入与第二反应器R2相连的分流管线4，与其中的原料气混合后进入第二反应器R2发生甲烷化反应。第二反应器R2产生的产气经过第二换热器E3与水-水蒸气循环管线2输送的水进行换热。

换热后的产气进入与第二反应器R3相连的分流管线4，与其中的原料气混合后进入第二反应器R3发生甲烷化反应。第二反应器R3产生的产气经过第二换热器E4与水-水蒸气循环管线2输送的水进行换热。

换热后的产气进入与第二反应器R4相连的分流管线4，与其中的原料气混合后进入第二反应器R4发生甲烷化反应。至此，CO基本消耗完毕。

第二反应器R4产生的产气经过第二换热器E5与水-水蒸气循环管线2输送的水进行换热。最终第二反应器R4产生的第二产气被引入第三换热器E1，与原料气进行换热，降低第二产气的温度并预热原料气。

来自第三换热器E1的第二产气被引入第四换热器E6。与第四换热器E6相连的水-水蒸气循环管线2可以接收新鲜水，用于对来自第三换热器E1的第二产气进行换热。

来自第四换热器E6的第二产气继续进入第八换热器E7进行换热，进一步降温至35-45摄氏度。

在第八换热器E7中降温后的第二产气被引入第一气液分离器S1分离成冷凝水和顶部气体。冷凝水进入水-水蒸气循环管线2，顶部气体进入第五换热器E8与第一产气换热，换热后的顶部气体引入至第七换热器E9预热至240-260摄氏度后进入第三反应器R5，在第三反应器R5中发生甲烷化反应(主要为CO₂的甲烷化反应)。

第三反应器R5产生的第三产气经过第六换热器E10与水-水蒸气循环管线2输送的水进行换热后进入第七换热器E9，用于预热顶部气体。来自第七换热器E9的第三产气继续进入第九换热器E11进行换热，进一步降温至35-45摄氏度。降温后的产气被引入第二气液分离器S2进行分离，其顶部采出甲烷气体，分离得到的冷凝水进入水-水蒸气循环管线2。

实施例

实施例1：原料气中，CO+CO₂＝15％

采用图2所示的系统。反应器中甲烷化催化剂选用直径为4～150微米、长度为2～10毫米的镍纤维、由镍纤维烧结而成的三维多孔结构整体式金属纤维载体或三维多孔结构整体式金属泡沫载体，氧化镍为活性组分，三氧化二铝为助剂的催化剂。

原料气经第三换热器E1换热升温到250℃后分为四股，第一股占原料气16％的气体与来自水-水蒸气循环管线2的水蒸气供给在第一汇合点3混合后引入至第一换热器E2预热到300℃进入第一反应器R1。

第一反应器R1的第一产气经过第一换热器E2与混合有水蒸气的原料气换热后进入第五换热器E8与第一气液分离器S1的顶部气体换热降温。

降温后的第一产气加入占原料气20％的第二股新鲜气进入第二反应器R2。第二反应器R2的产气经过第二换热器E3与水-水蒸气循环管线2输送的水换热产出低压蒸汽，降温后的产气加入占原料气30％的第三股新鲜气进入第二反应器R3。第二反应器R3的产气经过第二换热器E4与水-水蒸气循环管线2输送的水换热产出低压蒸汽，降温后的产气加入占原料气34％的第四股新鲜气体进入第二反应器R4。第二反应器R4的产气经过第二换热器E5与水-水蒸气循环管线2输送的水换热产出低压蒸汽，降温后的产气作为第二产气在第三换热器E1与原料气换热降温后进入第四换热器E6与水-水蒸气循环管线2输送的水换热，最大化的利用余热。

经过余热回收后的第二产气送到第八换热器E7冷却至40℃，冷却后的第二产气送至第一气液分离器S1分离出冷凝水。第一气液分离器S1的顶部气体送至第五换热器E8预热后在第七换热器E9与第三反应器R5的第三产气换热升温至250℃，预热后的顶部气体送至第三反应器R5。

第三反应器R5的第三产气经过第六换热器E10与水-水蒸气循环管线2输送的水换热产出低压蒸汽，再送至第七换热器E9与预热后的顶部气体换热回收余热。余热回收后的第三产气送至第九换热器E11冷却到40℃送至第二气液分离器S2分离冷凝水。第二气液分离器顶部采出甲烷气体。

原料气组成：【H₂:57％，CO:7％，CO₂:8％，CH₄:25％，N₂:3％】

原料气量：100000Nm³/hr

表1

	第一反应器	第二反应器R2	第二反应器R3	第二反应器R4	第三反应器
						原料气比	16％	20％	30％	34％	0％
原料气Nm<sup>3</sup>	16000	20000	30000	34000	0
						水蒸气Nm<sup>3</sup>	11000	0	0	0	0
进口温度℃	300	300	300	300	250
						出口温度℃	561	560	561	540	465

总CO转化率：100％

总CO₂转化率：96.1％

冷却脱水后产气量：47596Nm³/hr

产气组成：【H₂:11.0％，CO:0.0％，CO₂:0.6％，CH₄:82.2％，N₂:6.2％】

实施例2：原料气中，CO+CO₂＝40％

采用图2所示的系统。反应器中甲烷化催化剂选用直径为4～150微米、长度为2～10毫米的镍纤维、由镍纤维烧结而成的三维多孔结构整体式金属纤维载体或三维多孔结构整体式金属泡沫载体，氧化镍为活性组分，三氧化二铝为助剂的催化剂。

原料气经第三换热器E1换热升温到250℃后分为四股，第一股占原料气11％的气体与来自水-水蒸气循环管线2的水蒸气供给在第一汇合点3混合后引入至第一换热器E2预热到300℃进入第一反应器R1。

第一反应器R1的第一产气经过第一换热器E2与混合有水蒸气的原料气换热后进入第五换热器E8与第一气液分离器S1的顶部气体换热降温。

降温后的第一产气加入占原料气16％的第二股新鲜气进入第二反应器R2。第二反应器R2的产气经过第二换热器E3与水-水蒸气循环管线2输送的水换热产出低压蒸汽，降温后的产气加入占原料气27％的第三股新鲜气进入第二反应器R3。第二反应器R3的产气经过第二换热器E4与水-水蒸气循环管线输送的水换热产出低压蒸汽，降温后的产气加入占原料气46％的第四股新鲜气体进入第二反应器R4。第二反应器R4的产气经过第二换热器E5与水-水蒸气循环管线2输送的水换热产出低压蒸汽，降温后的产气作为第二产气在第三换热器E1与原料气换热降温后进入第四换热器E6与水-水蒸气循环管线2输送的水换热，最大化的利用余热。

经过余热回收后的第二产气送到第八换热器E7冷却至40℃，冷却后的第二产气送至第一气液分离器S1分离出冷凝水。第一气液分离器S1的顶部气体送至第五换热器E8预热后在第七换热器E9与第三反应器R5的第三产气换热升温至250℃，预热后的顶部气体送至第三反应器R5。

第三反应器R5的第三产气经过第六换热器E10与水-水蒸气循环管线2输送的水换热产出低压蒸汽，再送至第七换热器E9与预热后的顶部气体换热回收余热。余热回收后的第三产气送至第九换热器E11冷却到40℃送至第二气液分离器S2分离冷凝水。第二气液分离器顶部采出甲烷气体。

原料气组成：【H₂:45％，CO:10％，CO₂:30％，CH₄:10％，N₂:5％】

原料气量：100000Nm³/hr

表2

	第一反应器	第二反应器R2	第二反应器R3	第二反应器R4	第三反应器
						原料气比	11％	16％	27％	46％	0％
原料气Nm<sup>3</sup>	11000	16000	27000	46000	0
						水蒸气Nm<sup>3</sup>	11000	0	0	0	0
进口温度℃	300	300	300	300	250
						出口温度℃	548	556	554	556	466

总CO转化率：100％

总H₂转化率：97.2％

冷却脱水后产气量：62192Nm³/hr

产气组成：【H₂:2.3％，CO:0.0％，CO₂:47.2％，CH₄:41.6％，N₂:8.9％】

本实用新型已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本实用新型限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本实用新型并不局限于上述实施例，根据本实用新型的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本实用新型所要求保护的范围以内。本实用新型的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (9)

1.一种用于将含氢和碳氧化物的合成气甲烷化的系统，其特征在于，

其包括：

原料气管线，其具有多个分流管线，用于分别输送原料气，

水-水蒸气循环管线，用于循环输送水和水蒸气，

第一汇合点，所述第一汇合点连接一个所述分流管线和所述水-水蒸气循环管线，用于使原料气和水蒸气汇合而形成混合有水蒸气的原料气；

设在所述第一汇合点的下游的第一反应器(R1)，其中，第一反应器用于接收该混合有水蒸气的原料气，并使其发生甲烷化反应，以向下游提供第一产气；

第一换热器(E2)，用于使所述混合有水蒸气的原料气在进入第一反应器之前与第一产气进行互相隔离的换热，以降低第一产气的温度，并预热该原料气；

位于第一反应器的下游并连接一个所述分流管线的至少一个第二反应器(R2-R4)，其用于接收降温后的第一产气和原料气，并使其进一步发生甲烷化反应，以向下游提供第二产气；

至少一个第二换热器(E3-E5)，其用于使第二产气与由所述水-水蒸气循环管线输送的水进行互相隔离的换热，以降低第二产气的温度，并将水转化为水蒸气而输送到所述水-水蒸气循环管线；

第三换热器(E1)，其用于使降温后的第二产气与原料气进行互相隔离的换热，以降低第二产气的温度，并预热该原料气；

第四换热器(E6)，其用于使来自第三换热器的第二产气与由所述水-水蒸气循环管线输送的水进行互相隔离的换热，以降低第二产气的温度，并提供水蒸气；

第一气液分离器，其位于第二反应器的下游，用于接收降温后的第二产气，并将其分离成冷凝水和顶部气体；

第五换热器(E8)，其用于使所述顶部气体与经过第一换热器换热后的第一产气进行互相隔离的换热，以升高所述顶部气体的温度；

至少一个第三反应器(R5)，其用于接收升温后的所述顶部气体，并使其进一步发生甲烷化反应，以提供第三产气。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

第六换热器(E10)，其用于使第三产气与由所述水-水蒸气循环管线输送的水进行互相隔离的换热，以降低第三产气的温度，并将水转化为水蒸气而输送到所述水-水蒸气循环管线；

第七换热器(E9)，其用于使降温后的所述第三产气与即将进入所述第三反应器之前的升温后的所述顶部气体进行互相隔离的换热；

第二气液分离器，其位于第三反应器的下游，用于接收降温后的第三产气，并将其分离成冷凝水和甲烷气体；

其中，所述第四换热器构造成从所述水-水蒸气循环管线接收来自第一和第二气液分离器的冷凝水，并使接收到的水与来自第三换热器(E1)的第二产气进行换热，并经由所述水-水蒸气循环管线向所述第二换热器(E3-E5)和第六换热器(E10)提供升温后的水，以供换热。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第二反应器的数量为2-4个，并依次连接为多级反应器，且各第二反应器之间具有第二换热器。

4.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第四换热器构造成还接收新鲜水，并使接收到的水与来自第三换热器(E1)的第二产气进行换热，并经由所述水-水蒸气循环管线向所述第二换热器(E3-E5)和第六换热器(E10)提供升温后的水，以供换热。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，在所述第一气液分离器的上游且在所述第四换热器的下游，还具有第八换热器(E7)，用于使第二产气在进入第一气液分离器之前进一步降温至35-45摄氏度。

6.如权利要求2所述的系统，其特征在于，在所述第二气液分离器的上游且在所述第七换热器的下游，还具有第九换热器(E11)，用于使第三产气在进入第二气液分离器之前进一步降温至35-45摄氏度。

7.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第七换热器构造成使得经过所述第七换热器换热后的所述顶部气体的温度为240-260摄氏度。

8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第三反应器的数量为1-2个，并依次连接为多级反应器。

9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，本系统中不存在将产气循环回上级反应器的循环管线。