[发明专利]生产合成天然气的设备和方法

说明书

相关申请交叉参考

本申请要求2012年11月15日向韩国专利局提交的韩国专利申请第10-2012-0129674号的优先权，其全文通过引用结合入本文。

背景

本发明涉及一种用来制造合成天然气的设备和方法。

更具体地，本发明涉及通过利用含有一氧化碳、二氧化碳和氢气的合成气来合成甲烷从而生产合成天然气的方法，所述合成气是石化工业的副产物或者通过煤或生物质的汽化得到的。

图1是用于解释相关领域中合成天然气生产方法的流程示意图。参见图1，通过如下方法制备含有CO、CO₂和H₂的合成气：煤气化过程S100，在合成气冷却之后在加热集灰过程S110中从合成气去除灰尘，将合成气供给到水煤气变换反应器以进行水煤气变换反应过程S120。通过来说，通过煤气化过程S100制备的合成气的H₂/CO比为0.5-1。但是，在水煤气变换反应过程S120之后，合成气的H₂/CO比增加到约为3。然后，合成气进行脱硫化和二氧化碳去除过程130和甲烷合成过程S140。

利用合成气，通过如下化学式1和2表示的反应可以生产具有甲烷作为主要组分的合成天然气，反应热值如下：

CO+3H₂→CH₄+H₂O(反应热：206kJ/摩尔)  (1)

CO₂+4H₂→CH₄+2H₂O(反应热：165kJ/摩尔)  (2)

由于CO和H₂之间的反应产生的水分，发生作为甲烷合成反应的副反应的水煤气变换反应，如下化学式3所示，并且水煤气变换反应中产生的CO₂参与了化学式2所示的甲烷合成反应：

CO+H₂O→H₂+CO₂(反应热：41.1kJ/摩尔)  (3)

理论上来说，随着压力的增加，甲烷合成反应变得更有活性，但是随着反应温度的增加，甲烷合成反应的产率下降。在甲烷合成反应中，通常使用含Ni催化剂，对大量反应热进行高效驱散和控制的方法是核心合成技术。具体来说，由于烧结现象导致常规含Ni催化剂的使用寿命在大于或等于700℃的温度下发生下降，因此温度控制会是至关重要的。即使改善了含Ni催化剂的耐热性，但是它仍然无法耐受大于或等于800℃的高温，因而控制催化剂层的温度会是至关重要的。

因此，在一般商用工艺中，采用多个绝热反应器来增加最终产品的甲烷含量，并且将从部分绝热反应器中排出的气体再循环到绝热反应器的入口，以将气体与流入气体混合，并将混合物供给回绝热反应器。以这种方式降低了流入气体的Co和H₂的浓度，并降低了反应热。

图2所示是相关领域中用于生产合成天然气的设备示意图。该设备使用绝热反应器。在该设备中，将约70%的从第一绝热反应器201排出的气体作为再循环气体102再循环到第一绝热反应器201的入口，采用再循环压缩器204通过稀释的作用来控制第一绝热反应器201中的反应，并将30%的从第一绝热反应器201排出的气体依次供给到第二绝热反应器202和第三绝热反应器203。以这种方式增加了甲烷合成的产率。如果通过使用再循环气体201将第一绝热反应器201的温度维持在小于或等于700℃，则从第一绝热反应器201排出的气体的甲烷浓度可以约为50%。需要至少3个绝热反应器以得到甲烷浓度大于或等于90%的气体，需要约5个绝热反应器以得到甲烷浓度大于或等于97%的气体。在（2010年5月6日提交的）韩国专利申请第10-2010-0042266号揭示的技术中，将合成气供给到第一和第二绝热反应器，并将从第一绝热反应器排出的部分产物再循环回到第一绝热反应器以控制反应热。在所揭示的技术中，使用4个绝热反应器以得到甲烷浓度大于或等于90%的气体。

但是，根据此类绝热反应器组合技术，需要昂贵的设备成本来对高温高压气体进行再循环，并且不得不使用多个绝热反应器。

发明内容