[发明专利]一种合成气制甲烷的流化床工艺和装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用合成气制甲烷的工艺和装置，尤其涉及一种采用流化床工艺制甲烷的工艺及设备，属于化工技术及设备技术领域。

背景技术

迄今为止，我国煤炭经济可采储量1145亿吨，占世界同类储量的13.9％，煤炭也是我国能源消费结构中一次能源消费的主体，占70.2％。但我国煤炭资源集中在中西部偏远地区，运输能力和过程的经济性是制约煤炭直接利用的因素。所以通过把煤炭高效转化为易于通过管道运输的能源化工产品的化工新工艺和技术，具有重要的经济意义。煤制天然气与其他煤化工技术相比具有流程短，能量利用率高，水耗相对较少，投资较少等特点，同时天然气热值高，燃烧产物污染小，是普遍采用的清洁能源。煤制天然气过程主要包括煤气化得到合成气的过程：C+H₂O-CO+H₂，和合成气甲烷化过程：CO+3H₂-H₂O+CH₄。目前，煤制天然气过程中的煤气化过程已经有相对成熟的工艺技术，而完全甲烷化过程国外只有美国大平原公司进行了固定床工艺的工业应用，国内仍处于实验室研发阶段。因此，开发合成气制甲烷的新工艺和技术，具有重要的应用前景。

上世纪70年代的石油危机引发了世界对煤制合成甲烷的研究，形成的甲烷化工艺技术主要有：一、美国大平原公司的甲烷化工艺，H₂/CO调节至化学计量比3∶1后进入甲烷化反应器进行甲烷化，采用多段循环绝热固定床反应器，压力30个大气压，温度250～550℃。二、英国煤气公司的甲烷化技术，反应压力30～60个大气压，温度230～700℃，使用多段循环固定床反应器。三、丹麦托普索公司甲烷化技术，采用三台串联的绝热固定床反应器。而国内的相关研究和工业技术开发主要是针对水煤气(25％CO，40％H₂，10％CO₂，25％N₂)中一氧化碳的部分甲烷化过程：除去部分有毒的CO，同时生成甲烷，提高煤气的热值，该工艺使用固定床装置，采用负载型镍催化剂，载体为Al₂O₃、TiO₂等，反应温度300～350℃，过程中仅部分、约15％的CO转化为甲烷，同时由于甲烷化反应是一个强放热反应，绝热温升高，床层温度很难控制，过程飞温问题比较突出。

从以上分析可以得知：

一、现有的水煤气甲烷化工艺为常压且反应温度较低，为300～350℃。由于甲烷化为强放热反应，反应热高达206kJ/mol，因此有效移出反应热是反应器设计的关键问题之一。当反应温度较低时，换热温差也较小，同样的换热量需要更大的换热面积。而合成气甲烷化，由于反应物浓度高、反应速度快、反应放热量大，如果反应温度低，则会由于换热温差小，床层温度难于控制。另外，由于温度低，不能产生高品质的蒸汽，反应热的利用受到限制。

二、使用固定床反应器，换热能力差，对水煤气部分甲烷化尚能满足换热要求，但对于合成气完全甲烷化过程，由于放热量很大，固定床很难有效的撤出反应热并控制床层温度，无法实验反应器的工业放大，而通过多级固定床反应器串联来进行甲烷化，工艺复杂，能量利用低，存在存在设备投资大，能效低的缺点。

发明内容

本发明的目的是针对合成气制甲烷过程对反应器类型，换热设计等方面的要求，提供一种适用于合成气制甲烷的流化床工艺及装置。

本发明的上述目的是通过如下技术方案实现：一种合成气制甲烷的流化床工艺，所述工艺包含以下步骤：

(1)催化剂加入流化床反应器内形成催化剂床层，通入惰性气体置换反应器内气体；

(2)加热催化剂床层温度至200～600℃，同时在惰性气体中加入还原气使催化剂原位还原；

(3)合成气从流化床反应器底部经由气体分布器进入流化床反应器，在流化床反应器筒体内或流化床反应器筒体内设置换热构件；

(4)在200～700℃反应温度和1～70大气压下进行反应，并将冷却介质通入换热构件移出反应热；

(5)反应后的气体从流化床反应器顶部流出，进入分离工段进行分离，得到甲烷产品。

可对失活催化剂进行在线更换。所述的催化剂更换过程包括将流化床反应器内部分失活的催化剂通过失活催化剂导出管输出，同时通过催化剂进料管输入催化剂，使流化床反应器内的催化剂维持在一个稳定的活性水平，从而实现流化床反应器的长时间运行。