一種以粗煤氣為原料的甲烷合成工藝方法及其系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種以粗煤氣為原料的甲烷合成工藝方法及系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)入口粗煤氣中CO和H2含量來(lái)調(diào)節(jié)水汽含量，達(dá)到蒸汽消耗和反應(yīng)后工藝氣中 CH4含量的最佳平衡。粗煤氣無(wú)需先經(jīng)過(guò)CO變換和脫硫脫碳處理。采用等溫反應(yīng)器通過(guò)鍋爐給水副產(chǎn)蒸汽移走反應(yīng)熱來(lái)降低裝置的熱點(diǎn)溫度，而無(wú)需使用循環(huán)氣壓縮機(jī)進(jìn)行氣體循環(huán)來(lái)降低裝置的熱點(diǎn)溫度，既降低了對(duì)設(shè)備和管道材料的要求，節(jié)省裝置投資，也降低了裝置的運(yùn)行成本。通過(guò)配氣達(dá)到控制絕熱反應(yīng)器出口溫度的目的，滿足下游蒸汽過(guò)熱器對(duì)工藝氣溫度的要求，提高了裝置的熱回收等級(jí)。本發(fā)明特別適宜使用氣流床煤氣化技術(shù)（如Shell煤氣化、GSP煤氣化、HTL煤氣化）生產(chǎn)的煤氣進(jìn)行甲烷合成。
【專利說(shuō)明】
一種以粗煤氣為原料的甲烷合成工藝方法及其系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種以粗煤氣為原料的甲烷合成工藝方法，屬于化工工藝技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 我國(guó)是一個(gè)富煤、貧油、少氣的國(guó)家，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和城市化率的不斷提 高，天然氣的需求量逐漸增大，天然氣的供需矛盾難以在短期內(nèi)得到根本解決。為緩解天然 氣的供需矛盾，在煤炭資源豐富的地區(qū)，適度發(fā)展煤制天然氣符合我國(guó)能源結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和能 源消費(fèi)結(jié)構(gòu)調(diào)整的需要。
[0003] 煤制天然氣工藝的反應(yīng)主要包含前端的煤氣化和后端的甲烷合成。煤氣化工藝種 類繁多，技術(shù)多已成熟。但是，現(xiàn)有的甲烷合成技術(shù)較少，且都是處理經(jīng)過(guò)C0變換、脫硫脫碳 處理后的凈化合成氣，要求凈化合成氣的H 2/C0比值為3左右，大多采用循環(huán)氣壓縮機(jī)將反 應(yīng)后的合成氣與新鮮合成氣進(jìn)行混合的方式控制反應(yīng)熱點(diǎn)溫度?，F(xiàn)有甲烷合成技術(shù)用于生 產(chǎn)煤制天然氣的全廠工藝流程復(fù)雜，粗煤氣需要經(jīng)過(guò)C0變換、脫硫脫碳處理之后再進(jìn)行甲 烷合成，甲烷合成之后還要進(jìn)行壓縮和干燥處理才能作為商品天然氣外賣，且品質(zhì)無(wú)法滿 足天然氣直接液化的要求?，F(xiàn)有甲烷合成技術(shù)是〇)與出按照1:3的比例進(jìn)行反應(yīng)，生成等摩 爾量的CH 4和H20,反應(yīng)生成的H20無(wú)法得到合理利用，只能進(jìn)行冷卻分離處理。并且，甲烷合 成技術(shù)多采用循環(huán)氣壓縮機(jī)循環(huán)合成氣的方式或加入蒸汽控制反應(yīng)平衡的方式來(lái)控制甲 烷合成反應(yīng)的熱點(diǎn)溫度，存在能耗高的問(wèn)題。由于以現(xiàn)有甲烷合成技術(shù)為基礎(chǔ)的煤制天然 氣全廠工藝流程復(fù)雜、建設(shè)投資高、運(yùn)行能耗高等特點(diǎn)，導(dǎo)致目前的煤制天然氣產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)性 差，發(fā)展受阻。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題是，如何直接使用粗煤氣 進(jìn)行甲烷合成反應(yīng)，降低投資和運(yùn)行成本，而提供以粗煤氣為原料的甲烷合成工藝方法。
[0005] 本發(fā)明還提供實(shí)現(xiàn)上述方法的工藝和系統(tǒng)。
[0006] 解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:一種以粗煤氣為原料的甲烷合成 工藝方法，其特征在于，根據(jù)系統(tǒng)入口粗煤氣中〇)和出含量來(lái)調(diào)節(jié)水汽含量，達(dá)到蒸汽消耗 與反應(yīng)后工藝氣中CH 4含量的最佳平衡;工藝流程包括：
[0007] 1)煤氣水汽含量調(diào)節(jié):根據(jù)系統(tǒng)入口粗煤氣中co和出含量來(lái)調(diào)節(jié)水汽含量；
[0008] 2)預(yù)反應(yīng):調(diào)節(jié)好水汽含量的粗煤氣加熱至預(yù)反應(yīng)器催化劑啟活溫度后進(jìn)入預(yù)反 應(yīng)器進(jìn)行預(yù)反應(yīng)，預(yù)反應(yīng)器使用普通耐硫變換催化劑；
[0009] 3)配氣控制及主反應(yīng):對(duì)經(jīng)過(guò)預(yù)反應(yīng)處理并回收熱量后的粗煤氣進(jìn)行配氣控制， 通過(guò)1級(jí)等溫反應(yīng)器和2-5級(jí)絕熱反應(yīng)器的反應(yīng)處理與級(jí)間熱回收，使粗煤氣中的0)、出反 應(yīng)最終生成CH4和C〇2;
[0010] 4)合成氣冷卻及分離:完成反應(yīng)的工藝氣經(jīng)低壓廢熱鍋爐、除鹽水預(yù)熱器回收熱 量和循環(huán)水冷卻，經(jīng)氣液分尚后送出系統(tǒng)。
[0011] 本發(fā)明還提供一種以粗煤氣為原料的甲烷合成系統(tǒng)，包括水汽調(diào)節(jié)及預(yù)反應(yīng)、配 氣控制及主反應(yīng)、合成氣冷卻及分離三部分；
[0012] 1)煤氣水汽調(diào)節(jié)及預(yù)反部分:其中，水汽調(diào)節(jié)包含煤氣分離器;預(yù)反應(yīng)包括粗煤氣 加熱器、預(yù)反應(yīng)器、1#蒸汽過(guò)熱器;煤氣分離器的入口接粗煤氣輸入管，煤氣分離器設(shè)有連 接粗煤氣加熱器的第一管道和用于排除冷凝液的第二管道;粗煤氣加熱器連接預(yù)反應(yīng)器和 等溫反應(yīng)器;1#蒸汽過(guò)熱器的工藝氣側(cè)分別連接預(yù)反應(yīng)器和煤氣加熱器；
[0013] 2)配氣控制及主反應(yīng)部分，包括等溫反應(yīng)器、蒸汽汽包、鍋爐給水循環(huán)栗、1#絕熱 反應(yīng)器、2#蒸汽過(guò)熱器、1#鍋爐給水預(yù)熱器、2#絕熱反應(yīng)器、3#蒸汽過(guò)熱器、2#鍋爐給水預(yù)熱 器、3#絕熱反應(yīng)器、3#鍋爐給水預(yù)熱器、4#絕熱反應(yīng)器、4#鍋爐給水預(yù)熱器;等溫反應(yīng)器連接 蒸汽包和鍋爐給水循環(huán)栗，通過(guò)鍋爐給水循環(huán)栗強(qiáng)制循環(huán)鍋爐給水，以吸收等溫反應(yīng)器的 反應(yīng)放熱來(lái)降低整個(gè)系統(tǒng)的溫度;等溫反應(yīng)器還通過(guò)管道與上游煤氣加熱器和下游1#絕熱 反應(yīng)器連接；1#絕熱反應(yīng)器的入口同時(shí)連接等溫反應(yīng)器的出口和煤氣加熱器的熱側(cè)出口， 1#絕熱反應(yīng)器出口經(jīng)過(guò)2#蒸汽過(guò)熱器和1#鍋爐給水預(yù)熱器連接2#絕熱反應(yīng)器;2#絕熱反應(yīng) 器的入口還同時(shí)連接煤氣加熱器的熱側(cè)出口；2#絕熱反應(yīng)器出口經(jīng)過(guò)3#蒸汽過(guò)熱器、2#鍋 爐給水預(yù)熱器連接3#絕熱反應(yīng)器;3#絕熱反應(yīng)器出口經(jīng)3#鍋爐給水預(yù)熱器連接4#絕熱反應(yīng) 器，等溫反應(yīng)器出口也通過(guò)管道與3#鍋爐給水預(yù)熱器的入口連接;4#絕熱反應(yīng)器出口經(jīng)過(guò) 4#鍋爐給水預(yù)熱器與合成氣冷卻及分離系統(tǒng)的入口連接；
[0014] 3)合成氣冷卻分離部分，包括依次連接的低壓廢鍋、除鹽水預(yù)熱器、合成氣水冷器 和合成氣分離器。
[0015] 所述以粗煤氣為原料的甲烷合成系統(tǒng)的應(yīng)用，其工藝為:進(jìn)入系統(tǒng)的粗煤氣調(diào)整 水汽含量后通過(guò)粗煤氣加熱器加熱至催化劑的啟活溫度，然后進(jìn)入預(yù)反應(yīng)器進(jìn)行預(yù)反應(yīng)， 預(yù)反應(yīng)器出口氣體依次經(jīng)過(guò)1#蒸汽過(guò)熱器、粗煤氣加熱器回收熱量后分三股：第一股氣體 進(jìn)入等溫反應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng)，等溫反應(yīng)器利用鍋爐給水副產(chǎn)蒸汽移走反應(yīng)熱；第二股和第三 股不經(jīng)過(guò)等溫反應(yīng)器而分別直接進(jìn)入1#絕熱反應(yīng)器和2#絕熱反應(yīng)器;等溫反應(yīng)器出口氣體 分兩股:第一股氣體與預(yù)反應(yīng)器出口經(jīng)熱量回收之后的第二股氣體混合進(jìn)入1#絕熱反應(yīng)器 進(jìn)行反應(yīng)，第二股氣體將與3#絕熱反應(yīng)器出口氣體混合后送至3#鍋爐給水預(yù)熱器；1#絕熱 反應(yīng)器出口氣體經(jīng)過(guò)2#蒸汽過(guò)熱器和1#鍋爐給水預(yù)熱器回收熱量后與預(yù)反應(yīng)器出口經(jīng)熱 量回收之后的第三股氣體混合進(jìn)入2#絕熱反應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng);2#絕熱反應(yīng)器出口氣體依次經(jīng) 過(guò)3#蒸汽過(guò)熱器、2#鍋爐給水預(yù)熱器回收熱量冷卻后進(jìn)入3#絕熱反應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng);3#絕熱 反應(yīng)器出口氣體與等溫反應(yīng)器出口第二股氣體混合，經(jīng)3#鍋爐給水預(yù)熱器回收熱量冷卻后 進(jìn)入4#絕熱反應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng)，4#絕熱反應(yīng)器出口氣體經(jīng)過(guò)4#鍋爐給水預(yù)熱器、低壓廢熱鍋 爐、除鹽水預(yù)熱器逐漸回收熱量后依次進(jìn)入合成氣水冷器和合成氣分離器進(jìn)行冷卻分離處 理后送出界區(qū)。
[0016] 相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下有益效果：
[0017] 1、本發(fā)明方法直接使用粗煤氣進(jìn)行甲烷合成反應(yīng)，粗煤氣無(wú)需先經(jīng)過(guò)C0變換和脫 硫脫碳處理。本發(fā)明根據(jù)系統(tǒng)入口粗煤氣中〇)和出含量來(lái)調(diào)節(jié)水汽含量，達(dá)到蒸汽消耗與 反應(yīng)后工藝氣中CH 4含量的最佳平衡。
[0018] 進(jìn)入裝置的粗煤氣首先調(diào)整水汽含量，使水汽含量FH2Q滿足:0.5*(FCQ-FH2)彡F H20 <0.6*(Fcq-FH2)，即水汽含量大于等于0.5倍的粗煤氣中C0含量與H 2含量之差，小于等于0.6 倍的粗煤氣中CO含量與出含量之差，達(dá)到蒸汽消耗與反應(yīng)后工藝氣中CH4含量的最佳經(jīng)濟(jì)平 衡。
[0019] 2、本發(fā)明系統(tǒng)使用1級(jí)等溫反應(yīng)器和多級(jí)絕熱反應(yīng)器，等溫反應(yīng)器通過(guò)鍋爐給水 副產(chǎn)蒸汽的方式既降低裝置的熱點(diǎn)溫度，降低了對(duì)設(shè)備和管道材料的要求，又將反應(yīng)熱通 過(guò)副產(chǎn)中壓(或高壓)蒸汽的方式進(jìn)行了有效回收;設(shè)置多級(jí)絕熱反應(yīng)器并通過(guò)配氣手段控 制絕熱反應(yīng)器的出口溫度以滿足下游蒸汽過(guò)熱器對(duì)工藝氣溫度的要求，等溫反應(yīng)器副產(chǎn)的 中壓（或高壓）蒸汽經(jīng)過(guò)過(guò)熱處理滿足動(dòng)力蒸汽品質(zhì)要求后送出系統(tǒng)，提高了裝置的經(jīng)濟(jì) 性。
[0020] 3、本發(fā)明在等溫反應(yīng)器前設(shè)置一預(yù)反應(yīng)器，預(yù)反應(yīng)器采用立式軸向固定床反應(yīng)器 形式，同時(shí)發(fā)揮化學(xué)反應(yīng)和防止因粗煤氣含塵帶油導(dǎo)致等溫反應(yīng)器催化劑結(jié)塊的作用，有 利于延長(zhǎng)等溫反應(yīng)器的催化劑使用壽命。
[0021] 4、本發(fā)明適用于高C0濃度的粗煤氣進(jìn)行甲烷合成，煤氣無(wú)需先經(jīng)過(guò)C0變換和脫硫 脫碳處理，簡(jiǎn)化煤制天然氣的全廠工藝流程;本發(fā)明適應(yīng)處理的煤氣C0干基體積含量的最 佳范圍為40 %~90 %。
[0022] 5、無(wú)需使用循環(huán)氣壓縮機(jī)進(jìn)行氣體循環(huán)來(lái)降低裝置熱點(diǎn)溫度，裝置投資和運(yùn)行成 本降低。
[0023] 6、本發(fā)明可以使用多種煤氣化技術(shù)生產(chǎn)的粗煤氣進(jìn)行甲烷合成，特別適宜使用氣 流床煤氣化技術(shù)(如Shel 1煤氣化、GSP煤氣化、HTL煤氣化)生產(chǎn)的煤氣進(jìn)行甲烷合成。
【附圖說(shuō)明】
[0024] 圖1為本發(fā)明使用SHELL廢鍋流程煤氣化技術(shù)生產(chǎn)的粗煤氣進(jìn)行甲烷合成的工藝 流程簡(jiǎn)圖，生產(chǎn)出的天然氣經(jīng)過(guò)脫硫脫碳處理后滿足天然氣國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 17820-2012中一 類天然氣的技術(shù)指標(biāo)。
[0025] 圖2為本發(fā)明使用GSP煤氣化技術(shù)生產(chǎn)的粗煤氣進(jìn)行甲烷合成的工藝流程簡(jiǎn)圖，生 產(chǎn)出的天然氣經(jīng)過(guò)脫硫脫碳處理后滿足天然氣國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 17820-2012中一類天然氣的技 術(shù)指標(biāo)。
[0026] 圖中，1-粗煤氣加熱器，2-預(yù)反應(yīng)器，3-1#蒸汽過(guò)熱器，4-等溫反應(yīng)器，5-蒸汽汽 包，6-鍋爐給水循環(huán)栗，7-1#絕熱反應(yīng)器，8-2#蒸汽過(guò)熱器，9-1#鍋爐給水預(yù)熱器，10-2#絕 熱反應(yīng)器，11-3#蒸汽過(guò)熱器，12-2#鍋爐給水預(yù)熱器，13-3#絕熱反應(yīng)器，14-3#鍋爐給水預(yù) 熱器，15-4#絕熱反應(yīng)器，16-4#鍋爐給水預(yù)熱器，17-低壓廢鍋，18-除鹽水預(yù)熱器，19-合成 氣水冷器，20-合成氣分離器，21-煤氣分離器，22-2#低壓廢鍋爐，23-2#煤氣分離器。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合具體實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0028] -、本發(fā)明提供一種以粗煤氣為原料的甲烷合成工藝方法。
[0029]根據(jù)系統(tǒng)入口粗煤氣中⑶和H2含量來(lái)調(diào)節(jié)水汽含量，達(dá)到蒸汽消耗與反應(yīng)后工藝 氣中CH4含量的最佳平衡;調(diào)節(jié)好水汽含量后的粗煤氣進(jìn)入反應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng)，最終將粗煤氣 中的C0、H2以及水汽反應(yīng)生成CH4和C0 2,工藝流程包括：
[0030] 1)煤氣水汽含量調(diào)節(jié):根據(jù)系統(tǒng)入口粗煤氣中⑶和H2含量來(lái)調(diào)節(jié)水汽含量。當(dāng)入 口粗煤氣水汽含量高于ο. 6倍的CO含量與H2含量之差時(shí)，需要對(duì)煤氣進(jìn)行冷卻處理，將煤氣 中過(guò)量部分的水汽冷卻成液態(tài)后進(jìn)行分尚；當(dāng)入口粗煤氣中水汽含量低于0.5倍的C0含量 與出含量之差時(shí)，需要向粗煤氣中加入蒸汽，以滿足水汽含量的要求;當(dāng)入口粗煤氣的水汽 含量滿足大于等于〇. 5倍的C0含量與出含量之差，且小于等于0.6倍的C0含量與出含量之差 時(shí)，水汽含量無(wú)需進(jìn)行特別處理，只需將夾帶的液態(tài)冷凝液進(jìn)行分離即可。
[0031] 2)預(yù)反應(yīng):調(diào)節(jié)好水汽含量的粗煤氣加熱至預(yù)反應(yīng)器催化劑啟活溫度后進(jìn)入預(yù)反 應(yīng)器進(jìn)行預(yù)反應(yīng)，粗煤氣通過(guò)預(yù)反應(yīng)器催化劑床層時(shí)，可以將粗煤氣夾帶的灰分、油分和部 分對(duì)下游催化劑有害的物質(zhì)進(jìn)行吸附過(guò)濾。
[0032] 3)配氣控制及主反應(yīng):對(duì)經(jīng)過(guò)預(yù)反應(yīng)處理并回收熱量后的粗煤氣進(jìn)行配氣控制， 通過(guò)1級(jí)等溫反應(yīng)器和多級(jí)絕熱反應(yīng)器的反應(yīng)處理與級(jí)間熱回收，使粗煤氣中的C0、H2在水 汽作用下反應(yīng)最終生成CH4和C02。裝個(gè)系統(tǒng)的化學(xué)反應(yīng)總方程式為：
[0034] 反應(yīng)放出的熱量通過(guò)副產(chǎn)蒸汽、過(guò)熱蒸汽和預(yù)熱鍋爐給水等方式進(jìn)行逐級(jí)合理回 收，以提高裝置的經(jīng)濟(jì)效益，熱回收的方式可以根據(jù)具體的工程條件而定。
[0035] 4)合成氣冷卻及分離:完成反應(yīng)的合成氣主要含有CH4和C02氣體，經(jīng)鍋爐給水預(yù)熱 器、低壓廢熱鍋爐、除鹽水預(yù)熱器等回收熱量后，采用循環(huán)水進(jìn)行進(jìn)一步冷卻，經(jīng)氣液分離 后送出系統(tǒng)。
[0036] 二、實(shí)現(xiàn)上述方法的以粗煤氣為原料的甲烷合成系統(tǒng)。
[0037] 下面以4級(jí)絕熱反應(yīng)器為例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。需要說(shuō)明的是，選擇2級(jí) 絕熱反應(yīng)器成本更低;而選擇5級(jí)絕熱反應(yīng)器，成本會(huì)有所增加，但是甲烷合成含量更高。
[0038] 以粗煤氣為原料合成甲烷的系統(tǒng)，包括水汽調(diào)節(jié)及預(yù)反應(yīng)、配氣控制及主反應(yīng)、合 成氣冷卻及分離三部分；
[0039] 1)煤氣水汽調(diào)節(jié)及預(yù)反部分:其中，水汽調(diào)節(jié)包含煤氣分離器21;預(yù)反應(yīng)包括粗煤 氣加熱器1、預(yù)反應(yīng)器2、1#蒸汽過(guò)熱器3;煤氣分離器21的入口接粗煤氣輸入管，煤氣分離器 21設(shè)有連接粗煤氣加熱器1的第一管道和用于排除冷凝液的第二管道;粗煤氣加熱器1連接 預(yù)反應(yīng)器2和等溫反應(yīng)器4; 1#蒸汽過(guò)熱器3的工藝氣側(cè)分別連接預(yù)反應(yīng)器2和煤氣加熱器1;
[0040] 2)配氣控制及主反應(yīng)部分，包括等溫反應(yīng)器4、蒸汽汽包5、鍋爐給水循環(huán)栗6、1#絕 熱反應(yīng)器7、2#蒸汽過(guò)熱器8、1#鍋爐給水預(yù)熱器9、2#絕熱反應(yīng)器10、3#蒸汽過(guò)熱器11、2#鍋 爐給水預(yù)熱器12、3#絕熱反應(yīng)器13、3#鍋爐給水預(yù)熱器14、4#絕熱反應(yīng)器15、4#鍋爐給水預(yù) 熱器16;等溫反應(yīng)器4連接蒸汽包5和鍋爐給水循環(huán)栗6,通過(guò)鍋爐給水循環(huán)栗6強(qiáng)制循環(huán)鍋 爐給水，以吸收等溫反應(yīng)器4的反應(yīng)放熱來(lái)降低整個(gè)系統(tǒng)的溫度;等溫反應(yīng)器4還通過(guò)管道 與上游煤氣加熱器1和下游1#絕熱反應(yīng)器7連接；1#絕熱反應(yīng)器7的入口同時(shí)連接等溫反應(yīng) 器4的出口和煤氣加熱器1的熱側(cè)出口，1#絕熱反應(yīng)器7出口經(jīng)過(guò)2#蒸汽過(guò)熱器8和1#鍋爐給 水預(yù)熱器9連接2#絕熱反應(yīng)器10，2#絕熱反應(yīng)器10的入口還同時(shí)連接煤氣加熱器1的熱側(cè)出 口；2#絕熱反應(yīng)器10出口經(jīng)過(guò)3#蒸汽過(guò)熱器11、2#鍋爐給水預(yù)熱器12連接3#絕熱反應(yīng)器13; 3#絕熱反應(yīng)器13出口經(jīng)3#鍋爐給水預(yù)熱器14連接4#絕熱反應(yīng)器15，等溫反應(yīng)器4出口也通 過(guò)管道與3#鍋爐給水預(yù)熱器14的入口連接;4#絕熱反應(yīng)器15出口經(jīng)過(guò)4#鍋爐給水預(yù)熱器16 與合成氣冷卻及分離系統(tǒng)的入口連接；
[0041] 3)合成氣冷卻分離部分，包括依次連接的低壓廢鍋17、除鹽水預(yù)熱器18、合成氣水 冷器19和合成氣分離器20。
[0042] 其中，配氣控制及主反應(yīng)部分將工藝氣走向分配采用串、并聯(lián)組合的方式，通過(guò)等 溫反應(yīng)器與絕熱反應(yīng)器的有效組合，將裝置熱點(diǎn)溫度控制在450Γ~600°C之間，且實(shí)現(xiàn)將 反應(yīng)放出的熱量通過(guò)副產(chǎn)壓力在4 · OMPaA~12MPaA之間，溫度滿足動(dòng)力蒸汽品質(zhì)要求的過(guò) 熱蒸汽。等溫反應(yīng)器4采用立式"火管"型和"水管"型等溫反應(yīng)器，通過(guò)鍋爐給水副產(chǎn)蒸汽移 走反應(yīng)熱，鍋爐給水采用強(qiáng)制循環(huán)方式保證移熱效果。1#絕熱反應(yīng)器7和2#絕熱反應(yīng)器10為 高溫反應(yīng)器，為降低系統(tǒng)阻力降和降低反應(yīng)器殼體溫度，1#絕熱反應(yīng)器7和2#絕熱反應(yīng)器10 采用立式軸徑向反應(yīng)器，入口氣體從反應(yīng)器殼體與催化劑床層間的環(huán)隙進(jìn)入催化劑床層， 經(jīng)催化劑床層中間的集氣中心筒匯集后出反應(yīng)器。
[0043]三、實(shí)現(xiàn)上述方法和系統(tǒng)的工藝流程。
[0044] 實(shí)施例1:
[0045] 參見(jiàn)圖1，SHELL廢鍋流程粉煤氣化技術(shù)生產(chǎn)的粗煤氣進(jìn)入甲烷合成系統(tǒng)，粗煤氣 溫度為167°(：，壓力為3.810^(4)。粗煤氣中00含量54.87%，!12含量15.44%，水汽含量 22.67 %，水汽含量Fh2〇已滿足:0.5*(Fro-FH2XFH2〇^iO . 6*(Fcq-Fh2)，即水汽含量大于等于 〇. 5倍的粗煤氣中C0含量與出含量之差，小于等于0.6倍的粗煤氣中C0含量與H2含量之差的 要求。
[0046] 粗煤氣經(jīng)粗煤氣分離器21進(jìn)行夾帶液體分離、粗煤氣加熱器1加熱至240°C后進(jìn)入 預(yù)反應(yīng)器2進(jìn)行反應(yīng)，預(yù)反應(yīng)器2出口氣體溫度為450°C左右，依次經(jīng)過(guò)1#蒸汽過(guò)熱器3、粗煤 氣加熱器1回收熱量降溫至320°C左右后分三股，第一股氣體進(jìn)入等溫反應(yīng)器4進(jìn)行反應(yīng)，等 溫反應(yīng)器4利用鍋爐給水副產(chǎn)10MPa(G)的高壓蒸汽移走反應(yīng)熱，第二股和第三股分別進(jìn)入 1#絕熱反應(yīng)器7和2#絕熱反應(yīng)器10。等溫反應(yīng)器4出口氣體溫度控制在380 °C左右，分兩股， 第一股氣體與預(yù)反應(yīng)器2出口經(jīng)熱量回收之后的第二股氣體混合進(jìn)入1#絕熱反應(yīng)器7進(jìn)行 反應(yīng)，第二股氣體將與3#絕熱反應(yīng)器13出口氣體混合。1#絕熱反應(yīng)器7出口氣體溫度控制在 580°C左右，經(jīng)過(guò)2#蒸汽過(guò)熱器8和1#鍋爐給水預(yù)熱器9回收熱量降溫至320°C后與預(yù)反應(yīng)器 2出口經(jīng)熱量回收之后的第三股氣體混合進(jìn)入2#絕熱反應(yīng)器10進(jìn)行反應(yīng)。2#絕熱反應(yīng)器10 出口氣體溫度控制在580 °C左右，依次經(jīng)過(guò)3#蒸汽過(guò)熱器11、2#鍋爐給水預(yù)熱器9回收熱量 冷卻至280°C左右后進(jìn)入3#絕熱反應(yīng)器13進(jìn)行反應(yīng)，3#絕熱反應(yīng)器13出口氣體溫度為450°C 左右，與等溫反應(yīng)器4出口的第三股氣體混合，經(jīng)3#鍋爐給水預(yù)熱器14回收熱量冷卻至250 °C左右后進(jìn)入4#絕熱反應(yīng)器15進(jìn)行反應(yīng)，4#絕熱反應(yīng)器15出口氣體為280 °C左右，經(jīng)過(guò)4#鍋 爐給水預(yù)熱器16、低壓廢熱鍋爐17、除鹽水預(yù)熱器18逐級(jí)回收熱量后依次進(jìn)入合成氣水冷 器19和合成氣分離器20進(jìn)行冷卻和氣液分離處理，后送出界區(qū)。各反應(yīng)器進(jìn)出口的物料組 成見(jiàn)下表，其中預(yù)反應(yīng)器的入口組成由進(jìn)入系統(tǒng)的原料粗煤氣組成決定，1#絕熱反應(yīng)器和 2#絕熱反應(yīng)器入口氣體組成可以通過(guò)配氣手段進(jìn)行調(diào)節(jié)，其余各點(diǎn)的物料組成由反應(yīng)平衡 控制。
[0048] 本發(fā)明通過(guò)設(shè)置多級(jí)絕熱反應(yīng)器，并采用配氣手段調(diào)節(jié)1#絕熱反應(yīng)器和2#絕熱反 應(yīng)器入口氣體組成來(lái)控制1#絕熱反應(yīng)器和2#絕熱反應(yīng)器的出口溫度，以滿足下游蒸汽過(guò)熱 器對(duì)工藝氣溫度的要求，等溫反應(yīng)器副產(chǎn)的中壓(或高壓)蒸汽經(jīng)過(guò)過(guò)熱處理滿足動(dòng)力蒸汽 品質(zhì)要求后送出系統(tǒng)，提高了裝置的經(jīng)濟(jì)性。
[0049] 實(shí)施例2:
[0050] 參見(jiàn)圖2，GSP煤氣化技術(shù)生產(chǎn)的粗煤氣進(jìn)入甲烷合成裝置，溫度為210°C，壓力為 3.8MPa(A)。粗煤氣中⑶含量32.38 %，H2含量9.11 %，水汽含量54.37 %，水汽含量Fh2〇超過(guò) 〇. 6倍的粗煤氣中C0含量與出含量之差，需要進(jìn)行水汽含量調(diào)節(jié)。
[0051] 粗煤氣經(jīng)煤氣分離器21進(jìn)行夾帶液體分離后進(jìn)入2#低壓廢鍋22冷卻至165°C，冷 卻冷凝出的液態(tài)水進(jìn)入2#煤氣分離器23進(jìn)行氣液分離，分立后的粗煤氣經(jīng)粗煤氣加熱器1 加熱至240°C后進(jìn)入預(yù)反應(yīng)器2進(jìn)行反應(yīng)，預(yù)反應(yīng)器2出口氣體溫度為440°C左右，依次經(jīng)過(guò) 1#蒸汽過(guò)熱器3、粗煤氣加熱器1回收熱量降溫至320°C左右后分三股，第一股氣體進(jìn)入等溫 反應(yīng)器4進(jìn)行反應(yīng)，等溫反應(yīng)器4利用鍋爐給水副產(chǎn)10MPa(G)的高壓蒸汽移走反應(yīng)熱，第二 股和第三股分別進(jìn)入1#絕熱反應(yīng)器7和2#絕熱反應(yīng)器10。等溫反應(yīng)器4出口氣體控制在380 °C左右，分兩股，第一股氣體與預(yù)反應(yīng)器2出口經(jīng)熱量回收之后的第二股氣體混合進(jìn)入1#絕 熱反應(yīng)器7進(jìn)行反應(yīng)。1#絕熱反應(yīng)器7出口氣體控制在580 °C左右，經(jīng)過(guò)2#蒸汽過(guò)熱器8和1# 鍋爐給水預(yù)熱器9回收熱量降溫至320°C后與預(yù)反應(yīng)器2出口經(jīng)熱量回收之后的第三股氣體 混合進(jìn)入2#絕熱反應(yīng)器10進(jìn)行反應(yīng)。2#絕熱反應(yīng)器10出口氣體溫度控制在580 °C左右，依次 經(jīng)過(guò)3#蒸汽過(guò)熱器11、2#鍋爐給水預(yù)熱器12回收熱量冷卻至280°C左右后進(jìn)入3#絕熱反應(yīng) 器13進(jìn)行反應(yīng)，3#絕熱反應(yīng)器13出口氣體溫度為450°C左右，與等溫反應(yīng)器4出口的第二股 氣體混合，經(jīng)3#鍋爐給水預(yù)熱器14回收熱量冷卻至250°C左右后進(jìn)入4#絕熱反應(yīng)器15進(jìn)行 反應(yīng)，4#絕熱反應(yīng)器15出口氣體為290 °C左右，經(jīng)過(guò)4#鍋爐給水預(yù)熱器16、低壓廢熱鍋爐17、 除鹽水預(yù)熱器18逐級(jí)回收熱量后依次進(jìn)入合成氣水冷器19和合成氣分離器20,進(jìn)行冷卻和 氣液分離處理后送出界區(qū)。裝置入口及各反應(yīng)器進(jìn)出口的物料組成見(jiàn)下表，其中裝置入口 粗煤氣組成由進(jìn)入系統(tǒng)的原料粗煤氣組成決定，預(yù)反應(yīng)器入口水汽含量通過(guò)2#低壓廢鍋產(chǎn) 汽溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，1#絕熱反應(yīng)器和2#絕熱反應(yīng)器入口氣體組成可以通過(guò)配氣手段進(jìn)行調(diào) 節(jié)，其余各點(diǎn)的物料組成由反應(yīng)平衡控制。
[0054] 其中，預(yù)反應(yīng)器可使用普通耐硫變換催化劑，如山東齊魯科力化工研究院有限公 司的QCS-04等類似產(chǎn)品；主反應(yīng)器可使用Mo-Ni系耐硫甲烷化催化劑，如中國(guó)科學(xué)院山西煤 炭化學(xué)研究所研制的類似產(chǎn)品。
[0055] 本發(fā)明方法及系統(tǒng)適合于含有高濃度C0的粗煤氣進(jìn)行甲烷合成，尤其適合粗煤氣 中C0干基體積含量為40%~90%的工況。本發(fā)明在等溫反應(yīng)器之前設(shè)置預(yù)反應(yīng)器，預(yù)反應(yīng) 器同時(shí)發(fā)揮化學(xué)反應(yīng)和防止因粗煤氣含塵帶油導(dǎo)致等溫反應(yīng)器催化劑結(jié)塊的作用。
[0056] 對(duì)等溫反應(yīng)器設(shè)置旁路，預(yù)反應(yīng)器出來(lái)的氣體只部分進(jìn)入等溫反應(yīng)器，1#絕熱反 應(yīng)器和2#絕熱反應(yīng)器均加入部分沒(méi)經(jīng)過(guò)等溫反應(yīng)器反應(yīng)的氣體，以調(diào)節(jié)1#絕熱反應(yīng)器和2# 絕熱反應(yīng)器的出口溫度，滿足下游蒸汽過(guò)熱器對(duì)工藝氣的溫度要求。
[0057] 最后說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較 佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的 技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在 本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種以粗煤氣為原料的甲烷合成工藝方法，其特征在于，根據(jù)系統(tǒng)入口粗煤氣中CO 和出含量來(lái)調(diào)節(jié)水汽含量，達(dá)到蒸汽消耗與反應(yīng)后工藝氣中CH4含量的最佳平衡;工藝流程 包括： 1) 煤氣水汽含量調(diào)節(jié):根據(jù)系統(tǒng)入口粗煤氣中C0和出含量來(lái)調(diào)節(jié)水汽含量； 2) 預(yù)反應(yīng):調(diào)節(jié)好水汽含量的粗煤氣加熱至預(yù)反應(yīng)器催化劑啟活溫度后進(jìn)入預(yù)反應(yīng)器 進(jìn)行預(yù)反應(yīng)，預(yù)反應(yīng)器使用普通耐硫變換催化劑； 3) 配氣控制及主反應(yīng):對(duì)經(jīng)過(guò)預(yù)反應(yīng)處理并回收熱量后的粗煤氣進(jìn)行配氣控制，通過(guò)1 級(jí)等溫反應(yīng)器和2-5級(jí)絕熱反應(yīng)器的反應(yīng)處理與級(jí)間熱回收，使粗煤氣中的C0、H 2反應(yīng)最終 生成CH4和C02; 4) 合成氣冷卻及分離：完成反應(yīng)的工藝氣經(jīng)低壓廢熱鍋爐、除鹽水預(yù)熱器回收熱量和 循環(huán)水冷卻，經(jīng)氣液分離后送出系統(tǒng)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述以粗煤氣為原料的甲烷合成工藝方法，其特征在于，所述步驟1) 調(diào)整進(jìn)入系統(tǒng)的粗煤氣的水汽含量，使水汽含量F H2Q滿足:0.5*(FCQ-FH2)<FH2c^0.6*(F C0-FH2)，即水汽含量大于等于0.5倍的粗煤氣中CO含量與出含量之差，小于等于0.6倍的粗煤氣 中C0含量與H 2含量之差。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述以粗煤氣為原料的甲烷合成工藝方法，其特征在于，系統(tǒng)內(nèi)的熱 點(diǎn)溫度為450°C~600°C;粗煤氣操作壓力在3.5 MPaA~8.5 MPaA之間。4. 一種以粗煤氣為原料的甲烷合成系統(tǒng)，其特征在于，包括水汽調(diào)節(jié)及預(yù)反應(yīng)、配氣控 制及主反應(yīng)、合成氣冷卻及分離三部分； 1) 煤氣水汽調(diào)節(jié)及預(yù)反部分:其中，水汽調(diào)節(jié)包含煤氣分離器(21);預(yù)反應(yīng)包括粗煤氣 加熱器(1)、預(yù)反應(yīng)器(2)、1#蒸汽過(guò)熱器(3);煤氣分離器(21)的入口接粗煤氣輸入管，煤氣 分離器(21)設(shè)有連接粗煤氣加熱器（1)的第一管道和用于排除冷凝液的第二管道;粗煤氣 加熱器（1)連接預(yù)反應(yīng)器(2)和等溫反應(yīng)器(4); 1#蒸汽過(guò)熱器(3)的工藝氣側(cè)分別連接預(yù)反 應(yīng)器(2)和煤氣加熱器(1); 2) 配氣控制及主反應(yīng)部分，包括等溫反應(yīng)器(4)、蒸汽汽包(5)、鍋爐給水循環(huán)栗(6)、1# 絕熱反應(yīng)器(7)、2#蒸汽過(guò)熱器(8)、1#鍋爐給水預(yù)熱器(9)、2#絕熱反應(yīng)器（10)、3#蒸汽過(guò)熱 器（11)、2#鍋爐給水預(yù)熱器（12)、3#絕熱反應(yīng)器（13)、3#鍋爐給水預(yù)熱器（14)、4#絕熱反應(yīng) 器（15)、4#鍋爐給水預(yù)熱器（16);等溫反應(yīng)器(4)連接蒸汽包(5)和鍋爐給水循環(huán)栗(6)，通 過(guò)鍋爐給水循環(huán)栗(6)強(qiáng)制循環(huán)鍋爐給水，以吸收等溫反應(yīng)器(4)的反應(yīng)放熱來(lái)降低整個(gè)系 統(tǒng)的溫度;等溫反應(yīng)器(4)還通過(guò)管道與上游煤氣加熱器（1)和下游1#絕熱反應(yīng)器(7)連接； 1#絕熱反應(yīng)器(7)的入口同時(shí)連接等溫反應(yīng)器(4)的出口和煤氣加熱器（1)的熱側(cè)出口，1# 絕熱反應(yīng)器（7)出口經(jīng)過(guò)2#蒸汽過(guò)熱器（8)和1#鍋爐給水預(yù)熱器（9)連接2#絕熱反應(yīng)器 (10 ); 2#絕熱反應(yīng)器（10 )的入口還同時(shí)連接煤氣加熱器（1)的熱側(cè)出口； 2#絕熱反應(yīng)器（10 ) 出口經(jīng)過(guò)3#蒸汽過(guò)熱器（11)、2#鍋爐給水預(yù)熱器（12)連接3#絕熱反應(yīng)器（13); 3#絕熱反應(yīng) 器（13)出口經(jīng)3#鍋爐給水預(yù)熱器（14)連接4#絕熱反應(yīng)器（15)，等溫反應(yīng)器(4)出口也通過(guò) 管道與3#鍋爐給水預(yù)熱器（14)的入口連接;4#絕熱反應(yīng)器（15)出口經(jīng)過(guò)4#鍋爐給水預(yù)熱器 (16)與合成氣冷卻及分離系統(tǒng)的入口連接； 3) 合成氣冷卻分離部分，包括依次連接的低壓廢鍋（1)、除鹽水預(yù)熱器（18)、合成氣水 冷器(19)和合成氣分離器(20)。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述以粗煤氣為原料的甲烷合成系統(tǒng)，其特征在于，所述預(yù)反應(yīng)器 (2)、3#絕熱反應(yīng)器（13)和4#絕熱反應(yīng)器（15)采用普通的立式軸向固定床反應(yīng)器；1#絕熱反 應(yīng)器(7)和2#絕熱反應(yīng)器（10)采用立式軸徑向反應(yīng)器，入口氣體從反應(yīng)器殼體與催化劑床 層間的環(huán)隙進(jìn)入催化劑床層，經(jīng)催化劑床層中間的集氣中心筒匯集后出反應(yīng)器。6. 根據(jù)權(quán)利要求4以粗煤氣為原料的甲烷合成系統(tǒng)，其特征在于，所述等溫反應(yīng)器(4) 采用立式"火管"型和"水管"型等溫反應(yīng)器，通過(guò)鍋爐給水副產(chǎn)蒸汽移走反應(yīng)熱；該等溫反 應(yīng)器(4)副產(chǎn)蒸汽壓力在4. OMPaA~12MPaA之間，蒸汽在裝置內(nèi)經(jīng)過(guò)過(guò)熱處理后滿足動(dòng)力蒸 汽的品質(zhì)要求。7. 根據(jù)權(quán)利要求4以粗煤氣為原料的甲烷合成系統(tǒng)，其特征在于，所述水汽調(diào)節(jié)部分還 包含依次連接的2#低壓廢鍋爐(22)和2#煤氣分離器(23)。8. 根據(jù)權(quán)利要求4所述以粗煤氣為原料的甲烷合成系統(tǒng)的應(yīng)用，其特征在于，其工藝 為:進(jìn)入系統(tǒng)的粗煤氣調(diào)整水汽含量后通過(guò)粗煤氣加熱器(1)加熱至催化劑的啟活溫度，然 后進(jìn)入預(yù)反應(yīng)器(2)進(jìn)行預(yù)反應(yīng)，預(yù)反應(yīng)器(2)出口氣體依次經(jīng)過(guò)1#蒸汽過(guò)熱器(3)、粗煤氣 加熱器（1)回收熱量后分三股:第一股氣體進(jìn)入等溫反應(yīng)器(4)進(jìn)行反應(yīng)，等溫反應(yīng)器(4)利 用鍋爐給水副產(chǎn)蒸汽移走反應(yīng)熱；第二股和第三股不經(jīng)過(guò)等溫反應(yīng)器(4)而分別直接進(jìn)入 1#絕熱反應(yīng)器(7)和2#絕熱反應(yīng)器（10);等溫反應(yīng)器(4)出口氣體分兩股:第一股氣體與預(yù) 反應(yīng)器(2)出口經(jīng)熱量回收之后的第二股氣體混合進(jìn)入1#絕熱反應(yīng)器(7)進(jìn)行反應(yīng)，第二股 氣體將與3#絕熱反應(yīng)器（13)出口氣體混合后送至3#鍋爐給水預(yù)熱器（14); 1#絕熱反應(yīng)器 (7)出口氣體經(jīng)過(guò)2#蒸汽過(guò)熱器(8)和1#鍋爐給水預(yù)熱器(9)回收熱量后與預(yù)反應(yīng)器(2)出 口經(jīng)熱量回收之后的第三股氣體混合進(jìn)入2#絕熱反應(yīng)器（10)進(jìn)行反應(yīng);2#絕熱反應(yīng)器（10) 出口氣體依次經(jīng)過(guò)3#蒸汽過(guò)熱器（11 )、2#鍋爐給水預(yù)熱器（12)回收熱量冷卻后進(jìn)入3#絕熱 反應(yīng)器（13)進(jìn)行反應(yīng);3#絕熱反應(yīng)器（13)出口氣體與等溫反應(yīng)器(4)出口第二股氣體混合， 經(jīng)3#鍋爐給水預(yù)熱器（14)回收熱量冷去后進(jìn)入4#絕熱反應(yīng)器（15)進(jìn)行反應(yīng)，4#絕熱反應(yīng)器 (15)出口氣體經(jīng)過(guò)4#鍋爐給水預(yù)熱器（16)、低壓廢熱鍋爐（17)、除鹽水預(yù)熱器（18)逐漸回 收熱量后依次進(jìn)入合成氣水冷器(19)和合成氣分離器(20)進(jìn)行冷卻分離處理后送出界區(qū)。
【文檔編號(hào)】C10L3/08GK105969435SQ201610378492
【公開(kāi)日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年5月28日
【發(fā)明人】周明燦, 邢挺, 王家天, 劉晉波, 劉靜, 周軻, 劉會(huì)禎
【申請(qǐng)人】重慶化工設(shè)計(jì)研究院