[发明专利]一种制备合成天然气的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及利用含CO气体制备合成天然气的方法，特别是通过甲烷化反应制备合成天然气的方法。

技术背景

针对我国天然气的缺乏，尤其是2009年冬天北方出现的气荒现象，发展合成天然气制备工艺成为研究重点。制备合成天然气过程中的一个重要步骤就是CO/CO₂的甲烷化反应，提高产品气中CH₄的含量，反应方程式如下：

CO+3H₂＝CH₄+H₂O

CO₂+4H₂＝CH₄+2H₂O

当原料气中H₂∶CO比小于3时，还需要进行水汽变换反应以提高H₂∶CO比，变换反应方程式为：

CO+H₂O＝CO₂+H₂

其中，甲烷化反应属于强放热反应，基本上每转化1％的CO绝热温升约为72℃，每转化1％的CO₂绝热温升约为60℃。由于反应属于强放热反应，反应过程中若移热效果不够好，则容易发生飞温现象，从而产生高温结炭，降低催化剂的催化活性和使用寿命。现阶段的主要研究都集中在提高催化剂的热稳定性，如专利“一种新型甲烷化催化剂及其制备方法”(公开号CN 101380581A)等。而针对反应工艺方面的报道较少，为达到控制反应温升的目的，一般采取的方法是通过降低原料气中CO的含量来降低反应量，从而降低反应放热量控制反应温升，例如在专利“一种利用焦炉气制备合成天然气的方法”(公开号CN1919985)中采用稀释法和两段转化法，其中稀释法是返混甲烷化产物到原料气中，循环气比较高，而两段法进口CO和CO₂浓度仍然较高；专利“一种利用焦炉气制备合成天然气的甲烷化反应工艺”(公开号CN101508922A)采用了多级甲烷化工艺，其原料气为焦炉气，H₂∶CO比远大于3，且工艺过程中存在着严重的产品气返混到原料气中的现象；专利(公开号CN101560423A)“一种制备代用天然气的方法及设备”亦是采用通过产品气混合新鲜原料气的方法来控制反应温升。

因此，本领域中迫切需要一种能控制甲烷化反应的温度从而减少催化剂高温积炭的方便易行的方法。

发明内容

为了达到上述目的，本发明提供一种制备合成天然气的方法，它包括在液态饱和水的存在下使含有CO、CO₂和H₂的原料气进行甲烷化反应的步骤。

在本发明方法中，利用液态饱和水的汽化来快速移除甲烷化反应放出的热量，达到控制反应温升的目的，同时产生的饱和水蒸汽促进了水汽变换反应，提高了H₂∶CO比。

本发明的另一目的是提供实施上述方法的装置，它包括具有原料气进口、产物出口、镍系催化剂和液态水进口的甲烷化反应器。

本发明的方法方便易行，适用于各种原料气体，不仅通过水汽变换反应提高了原料气中的提高H₂∶CO比，而且通过液态饱和水的汽化快速移除甲烷化反应放出的大量热量，有效地控制了反应温度，减少了催化剂的高温积炭，延长了催化剂的寿命。本发明的反应装置结构简单，操作方便，并减少了如多级甲烷化工艺过程中需采用的多台反应器和热交换器，以及避免了产品气返混到原料气中现象。

附图说明

图1是本发明一个优选反应装置的示意图。

具体实施方式

本发明方法所用的原料气来源广泛，例如是由H₂∶CO比不同的含CO、CO₂、H₂以及惰性气体N₂等组成的混合气体，特别是煤气化后的粗煤气、生物质气化后气体、焦炉气净化后的气体、或它们的混合物。这些原料气中H₂∶CO一般为1∶0.2～5，优选为1∶1～3.5。

这些原料可直接应用于本发明方法，不需要通过水汽变换反应进行预处理来提高H₂∶CO比。

如图1所述，将上述原料气直接通入反应器1中。该反应器具有原料气进口、产物出口、镍系催化剂和液态水进口。反应器1是本行业中常规的甲烷化反应器，如管式反应器或或釜式反应器，所不同的是增加了连续或间歇加入液态水的进口。