[发明专利]一种制备代用天然气的方法及设备

说明书

技术领域

本发明涉及代用天然气(SNG)的制备方法。本发明尤其涉及一 种通过在包含绝热反应器的甲烷化装置中使含有氢和碳氧化物的合 成气反应而制备SNG的方法，该绝热反应器可进行中间热回收和气体 再循环。本发明还涉及实施该方法所用的设备。

背景技术

人们对SNG制备技术领域的兴趣正日渐增大。SNG是一种清洁 燃料，可使用现有的天然气管道和设施供给，可广泛应用为天然气的 代用品。

制备代用天然气(SNG)的公知方法涉及含氢和碳氧化物的合成 气(补给气)的甲烷化。通过甲烷化反应，合成气被转换为由95％或 更多甲烷(CH₄)与少量二氧化碳、氢气和惰性气体组成的更有价值 的产品。由煤或生物质气化获得的合成气还具有其他的优点：由于有 大量的煤可供应，由煤炭气化获得SNG具有很强的吸引力，而与化 石燃料相比，由生物质气化获得SNG并未增加全球二氧化碳排放量。

基本上，合成气的甲烷化过程包括以下反应，为强放热反应：

(I)CO+3H₂→CH₄+H₂O

(II)CO₂+4H₂→CH₄+2H₂O

其中，反应(I)的热输出(反应热)约206千焦耳/摩尔，反应

(II)约165千焦耳/摩尔。

根据公知技术，上述反应是在一种包含多个可热回收和气体再循 环的绝热反应器的称之为甲烷化装置中进行的。

将反应器设置为顺序操作，即向第一个反应器注入新鲜气体，向 随后的每个反应器注入由该装置中先前的(上游)反应器得到的部分 转化的气体流。反应器中含有适当的催化剂以增加反应产率。热回收 和气体再循环用于控制放热反应，避免反应器内温度过高，那可能损 害反应器本身和/或催化剂。更具体地，热回收是在每个反应器出口 处通过换热器冷却热气体流，例如通过生成高压蒸汽。再循环是为控 制反应器内的反应速率和温度采取的进一步措施，其用部分反应气体 稀释注入第一反应器的新鲜气体。气体再循环需要准备合适的压缩 机。

例如，名为TREMP^TM的众所周知的市场化方法包含甲烷化装置， 其含有第一反应器，其注有具有适当氢气和一氧化碳比的新鲜合成 气，和另外两个反应器。第一反应器输出的反应气体通过过热器和高 压锅炉，分成两股气流。一股气流通向第二个反应器，另一股气流通 过气体预热器和压缩机再循环到第一反应器的进气口。在另一公知的 工艺中，再循环气流顺着第二或其后反应器而下，并与注入第一反应 器的新气混合，即，再循环回路包括甲烷化装置的所有反应器，最后 (结束)的反应器可能是个例外。

现有技术工艺的一个共同特点是，新鲜气体输入完全通向第一个 反应器。由于反应相关的热输出，强稀释是非常必要的，因此，反应 气体的相关部分需要重新循环。进入第一反应器的总摩尔流量和新合 成气原料的摩尔流量之间的比例可高达6或7，这意味着，进入第一 反应器的大约15-20％或更少的气体是新鲜合成气，而80％以上是重 新循环的反应气体。

因此，用于气体再循环的压缩机的功率消耗是相当高的，也因而， 压缩机本身就是一个庞大而昂贵的装置。另一个缺陷是，再循环气体 的量使通过反应器的流动速率增大，尤其是第一个反应器，这需要更 大更昂贵的装置和更大量的催化剂。

所有这些缺陷影响了甲烷化装置的成本，并因此影响了SNG比 化石天然气在价格方面存在的竞争力；另一方面，为避免反应器过热， 再循环的比率高似乎是不可避免的。

发明内容

本发明要解决的根本问题是提供一种更具成本效益和竞争力的 方法，该方法能将含有碳氧化物和氢的合成气转换成代用天然气。更 具体地，本发明旨在减少对气体再循环的需求和仍在影响现有技术方 法的相关缺陷。