[发明专利]一种新的制取合成天然气的甲烷化反应工艺

说明书

技术领域

本发明属于化工技术领域，涉及在以煤或生物质为原料制取合成天然气的化工技术领域利用等温反应器进行工艺操作，具体为以原煤加压制成煤气（以下称煤造气），经过净化后作为原料的一种新的制取合成天然气的甲烷化反应工艺。

背景技术

近年来，天然气作为清洁能源备受关注。目前全球天然气消费量已高达每年2.32 万亿Nm3，占世界一次能源需求总量的24.3%。当前中国经济持续快速的发展势头仍在继续，但是为保障经济的能源动力却极度紧缺。在国际石油价格节节升高的情势之下，中国的能源危机显得更加严重。中国的能源结构以煤炭为主，石油、天然气只占到很小的比例，远远低于世界平均水平。预计到2015年，我国天然气产量有望达到1850亿立方米，需求量达2600亿立方米，供需缺口达750亿立方米。随着国家能源需求的不断增长，引进天然气将对优化中国的能源结构，有效解决能源供应安全、生态环境保护的双重问题。根据国内贫油、少气、多煤的现状，利用煤造气生产天然气，具有重大的经济和社会价值。对可持续发展具有作用。

煤造气成分较为复杂,其中含CH₄，CO，CO₂等组分，CnHm体积分数更是接近4%,且氢含量高(体积分数54%一59%,下同),通过甲烷化反应,即:

CO+3H₂=CH₄+H₂0+ΔH

及CO₂+4H₂=CH4+2H₂O+ΔH

一氧化碳变换反应：

CO+H₂O=CO₂+H₂+ΔH

由于甲烷化反应为强放热反应，高温下反应速率加快，低温有利于甲烷化反应平衡向右移动。不仅如此，由于甲烷化反应放热速率极快，一次通过的绝热温升可达400-600℃，非常容易造成催化剂失活。所以，控制反应温度对于甲烷化反应就具有非常重要的意义。目前甲烷化工艺最常用的方法为气体循环法，即循环气体稀释合成气，反应热被大量工艺气作为显热吸收，并降低反应器入口CO+CO₂浓度。

目前甲烷化工艺存在以下问题：

1、     甲烷化反应器数量较多，换热设备多

2、     反应温升大，容易超出甲烷化催化剂耐受温度造成催化剂失活

3、     反应温度偏离甲烷化反应平衡温度多，反应转化率较低

通过等温甲烷化工艺，可一定程度上可以减少反应器数量，较目前成熟利用绝热反应器进行煤制气甲烷化工艺需5台或更多反应器，本发明最低只需要三台甲烷化反应器。为避免甲烷化反应放热速率过快，采用全等温甲烷化反应器的工艺制冷水泵要求高、功耗大的问题，本发明借鉴已有循环气绝热甲烷化工艺，绝热反应工段通过调节循环气量，通入蒸汽等方式控制反应温度不超过催化剂耐受温度。绝热反应器出口气利用等温甲烷化反应器，最大程度接近甲烷化反应平衡温度，以提高甲烷化反应转化率。出口气体通过变压吸附气体等分离技术可得符合“天然气”国家标准GB178201999及“车用压缩天然气”的国家标准GB180472000中规定的合成天然气或压缩天然气。此工艺特点之一就在于，将绝热甲烷化深度反应的若干反应器用一台等温反应器替代，较绝热甲烷化工艺可以减少设备数量，简化换热网络，提高反应生成热的利用率。较全等温甲烷化工艺，能节省冷却用水量并解决制冷水泵要求高、功率大、能耗高的问题。  

发明内容

本发明的目的在于提供一种制取合成天然气的甲烷化反应工艺，其通过绝热反应器与等温反应器组合，再结合循环气工艺；通过分流、冷激和其他手段对气体循环系统进行改进，流程较常规绝热反应器组合更加简单、流程中工艺气体阻力降低、设备投资低、副产蒸汽量大。较常规等温反应流程，耗用冷却水量少，制冷水泵功率极大降低。

本发明要解决的第二个技术问题为解决甲烷化反应放热量大，CO+CO₂组分含量过高会造成反应器温升过高且无法迅速移除。本发明采用多级甲烷化反应，先利用多个绝热反应器进行甲烷化反应以降低CO+CO₂组分含量，再通过等温反应器使反应器热点温度维持在甲烷化反应平衡温度，利于甲烷化进程。

本发明解决其技术问题，所采用的技术方案是：