[发明专利]无循环回路的合成气完全甲烷化制合成天然气的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备合成天然气的方法，特别是涉及一种无循环回路的合成气完全甲烷化制合成天然气的工艺方法。

背景技术

近年来，受我国的天然气资源及开发速度的限制，已经不能满足化工行业和城市生活日益增长的需要，寻找新的天然气来源已经迫在眉睫。利用煤炭或其他原料制合成气，再经合成气完全甲烷化制合成天然气是完全可行的。

合成气完全甲烷化制合成天然气的主要工艺原理是：一氧化碳与氢气在一定的温度、压力和催化剂作用下发生化学反应，化学反应式为：

3H₂+CO=CH₄+H₂O+Q

甲烷化反应为强放热反应，绝热反应温升高（气体中每转化1%的一氧化碳绝热温升72℃），如果不采用控制措施，系统的温升将损坏催化剂及设备。传统的生产工艺流程为：将富含氢气和一氧化碳的合成气的氢气与一氧化碳的氢碳比（即H₂/CO的摩尔比，以下简称氢碳比）调整到3.0左右，然后将生成的富含甲烷的产品气返回到进料原料气中，以降低原料气中一氧化碳和氢气的浓度，从而降低反应系统的温升，以保证反应的正常进行。如德国鲁奇公司的完全甲烷化技术、英国煤气公司和德国鲁奇公司合作开发的HICOM甲烷化技术以及丹麦托普索公司的TREMP甲烷化技术均采用这种控制甲烷化反应器温升的方法而设置了循环回路。循环回路的设置导致进入甲烷化反应器的气体流量明显增加，增加了设备投资、管道投资，于此同时还需要增加循环压缩机，增加了装置投资及装置能耗，也增加了装置操作的复杂性。因操作不当，会出现反应失控而超温的情况，严重时还可能“烧毁”催化剂和设备。因此，现有设置循环回路的合成气完全甲烷化制合成天然气的工艺方法装置投资高、能耗高运行费用高且装置操作复杂。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种无循环回路、节约投资且节约能耗、更易于控制和操作的合成气完全甲烷化制合成天然气的方法。本发明的理论基础，甲烷化反应的温升取决于甲烷化反应进行的深度，可通过控制原料气中一种反应物的含量来控制反应深度，本发明工艺通过控制反应物中CO或H₂的浓度来控制反应深度。

为达上述目的，本发明一种无循环回路的合成气完全甲烷化制合成天然气的方法，

（1）自上游装置的粗合成气进入一氧化碳变换装置后分为两部分，一部分粗合成气经变换反应器发生变换反应得到富氢粗合成气（即富含氢气的粗合成气），另一部分不经变换反应，直接降温并分离出液态水后得到富碳粗合成气（即富含一氧化碳的粗合成气）；

（2）所述富氢粗合成气和富碳粗合成气进入净化装置后分别经过净化处理，除去杂质气体及微量的水分，得到干净的富含氢气的合成气（以下简称富氢合成气）和富含一氧化碳的合成气（以下简称富碳合成气）；

（3）经过净化的富氢合成气或富碳合成气作为反应流股进入一级甲烷化反应器发生甲烷化反应，富碳合成气或富氢合成气作为控制流股用于控制除一级甲烷化反应器之外的其他各级甲烷化反应器的反应深度，反应产物出一级甲烷化反应器经降温并补充部分控制流股后进入下一级甲烷化反应器，直至在最后一级甲烷化反应器前全部控制流股补充到反应流股内；

（4）自最后一级甲烷化反应器的富含甲烷的反应产物进入合成天然气后处理单元，经包括干燥、压缩在内的处理过程，得到合成天然气产品。

其中所述步骤（1）中上游装置的粗合成气是以氢气和一氧化碳为主要组分，用作化工原料的一种原料气。合成气的原料范围很广，可由煤或焦炭等固体燃料气化产生，也可由天然气或石脑油等轻质烃类制取，还可由重油经部分氧化法生产。

本发明的方法，其中在所述第（2）步中，除去的杂质气体为二氧化碳、硫化氢和羰基硫等下游甲烷化装置不需要的气体。

本发明的方法，还包括在第（4）步中自最后一级甲烷化反应器的富含甲烷的反应产物进入低温甲烷化反应器的步骤，以确保一氧化碳完全反应。

本发明的方法，其中在第（3）步中，当富氢合成气作为反应流股，经过配气（即补充适量富碳合成气）使富氢合成气氢碳比在7至32之间，优选在10至25之间；当富碳合成气作为反应流股，经过配气（即补充适量富氢合成气）使富碳合成气氢碳比在0.09至1.2之间，优选在0.13至0.8之间。当上述反应流股中氢碳比在上述范围内时，则不需要配气。本发明所述的氢碳比为摩尔比。