[发明专利]一种合成气甲烷化的滴流床反应装置和工艺

说明书

技术领域

本发明属于能源化工领域，尤其涉及一种合成气甲烷化的滴流床反应装置和工艺。

背景技术

天然气是一种清洁、便捷、安全的优质能源，其主要成分为甲烷。预计到2020年，我国天然气年消费需求将达3000亿立方米，存在约1500亿立方米缺口，对外依存度将达到50％。国际能源价格急剧动荡，将对我国能源安全带来严重影响。中国贫油、少气、富煤的能源结构特点，决定了煤炭将长期占据中国一次能源消费的主要地位。利用中国相对丰富的煤炭资源或生物质资源制备合成天然气更具运输经济性和利用效能，有利于集中处理污染物、减少环境污染，为城镇居民和工业提供高效、清洁的气体燃料。

与发电、煤制油、煤制甲醇、煤制二甲醚等其他煤化工技术路线相比，煤或生物质制合成天然气具有能量转化效率高、水耗少、投资低、经济效益好等优势，是煤炭和生物质热转化的优选途径，其中合成气甲烷化工艺技术是煤和生物质制合成天然气的核心技术。

煤或生物质经气化制得合成气，再经甲烷化工艺过程转化为合成天然气，主要发生如下反应：

合成气甲烷化反应是一个强放热可逆反应，现有的合成气甲烷化反应器主要有以下三大类：

第一类是多级串联绝热固定床反应器，其特征是通过外置换热器的方式实现热量移取。代表性的工艺技术有德国Lurgi公司与南非SASOL公司共同开发的多级绝热固定床反应器工艺技术，该技术已实现多套工业化生产装置。美国燃料电池能有限公司公开了一种改进的串联和并联相结合的多级固定床反应工艺(中国发明专利CN1957076)，该工艺进一步减小每个反应器的负荷，并将产物用作燃料电池的原料气。固定床工艺常常需要多个反应器，并采用高达5倍多的循环气稀释反应器入口的CO浓度，以控制反应器内催化剂床层的温升，既增加了设备投资，又加大了循环气的动力消耗，降低了其经济效益。

第二类是流化床甲烷化反应器。以原料气作为催化剂流化介质的流化床反应器不仅可以促进原料气和催化剂的有效接触，还可以显著改善内置换热器的传热效率，有利于反应热的移出和催化剂床层温度分布的均匀，可在高操作空速下连续运行，提高了装置的生产能力。中国发明专利CN1960954公开了一种基于流化床反应器的甲烷化反应工艺，但该技术依赖于原料气中附加的芳香烃同步重整吸热来平衡反应热。芳香烃本身价格较高，权利要求中的苯、甲苯或萘等都是市场需要的终端产品，消耗这些高价值的物质取热并不具有经济性和普适性。中国发明专利CN10817716A公开了流化床与固定床耦合的工艺；中国发明专利CN102180756A公开了气－固－固反应器，但都存在反应器内返混严重和催化剂磨损严重的问题。

第三类是浆态床甲烷化反应器。中国发明专利CN101979476A公开了采用浆态床反应器的工艺技术，解决了反应热的移出问题，但是浆态床甲烷化反应器还存在着如下不足：催化剂颗粒悬浮在惰性介质中，其催化剂的装填量存在最大上限，导致反应器的操作空速受到限制；在浆态床中存在较为普遍的返混，这将会造成单程产品收率不高；悬浮在惰性介质中的催化剂颗粒粒度较小，加剧了催化剂的磨损和团聚，而且在介质输送过程中催化剂对输送设备和管道也存在磨损问题，再者固体分离装置的引入增加了设备成本和操作费用。总之，浆态床甲烷化反应器存在操作空速低、单程产品收率低、催化剂、设备磨损严重及催化剂回收设备费用高等问题，大规模工业应用的整体效果有待进一步提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种反应热移除效果好、产品收率高、设备投资少的合成气甲烷化的反应装置和工艺。为达到上述发明目的，本发明提出了一种合成气甲烷化的滴流床反应装置和工艺。

一种合成气甲烷化的滴流床反应装置，包括：甲烷化反应单元模块、换热器模块和油气分离模块三部分构成，其中，甲烷化反应单元模块包括导热油储罐和滴流床甲烷化反应器，换热器模块包括废热锅炉和原料预热器，油气分离模块包括油气分离器和泵；

导热油储罐的出口与滴流床甲烷化反应器的顶部入口相连，滴流床甲烷化反应器的底部出口依次通过废热锅炉、原料预热器与油气分离器入口相连，油气分离器用于把产品气和换热后的导热油分离；油气分离器的液相出口通过泵与导热油储罐入口相连，出来的导热油通过泵压返回导热油储罐循环使用；原料气通过原料预热器之后从滴流床甲烷化反应器上部入口进入滴流床甲烷化反应器，产品气从油气分离器的气相出口出来，废热锅炉通过冷却水换热产生高压蒸汽，从而有效利用反应热，回收能量。