本發(fā)明屬于化工技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種帶有膜分離器的焦?fàn)t煤氣甲烷化裝置和方法。
背景技術(shù)：
中國(guó)作為世界上最大的焦炭生產(chǎn)國(guó)，2015年焦炭總產(chǎn)量達(dá)到44778萬(wàn)噸，按照1噸干煤產(chǎn)0.74噸焦炭和325立方米焦?fàn)t煤氣計(jì)算，每年可生產(chǎn)焦?fàn)t煤氣2.0×1011立方米。目前階段，每年有大約70%的焦?fàn)t煤氣是用于焦?fàn)t燃燒、熱電廠(chǎng)發(fā)電和城市燃?xì)獾?。焦?fàn)t煤氣中大約含有55%~60%氫氣和23%~27%的甲烷，直接用于燃燒將造成資源的極大浪費(fèi)，同時(shí)燃燒排放還會(huì)造成大氣的污染。近年來(lái)，焦?fàn)t煤氣制天然氣備受關(guān)注，該技術(shù)能量利用效率高，工藝流程簡(jiǎn)單，市場(chǎng)前景看好，正逐漸成為焦?fàn)t煤氣綜合利用的具有較強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力的新領(lǐng)域之一。關(guān)于焦?fàn)t煤氣甲烷化反應(yīng)裝置主要有等溫式和絕熱式兩種， 等溫反應(yīng)裝置所需換熱面積大，投資成本較高；目前應(yīng)用較為廣泛的是絕熱式反應(yīng)裝置，但是絕熱式反應(yīng)裝置存在能耗高、反應(yīng)器使用效率低的問(wèn)題。
專(zhuān)利CN 205398571 U提供了一種焦?fàn)t煤氣甲烷化裝置，該反應(yīng)裝置由上段的等溫段反應(yīng)器和位于下段的絕熱段反應(yīng)器構(gòu)成，該反應(yīng)裝置等溫段由列管構(gòu)成，但是列管填裝催化劑困難，并且甲烷化過(guò)程中產(chǎn)生較多的富氫尾氣。
專(zhuān)利CN103697661A提供了從焦?fàn)t煤氣中制取液化天然氣和富氫產(chǎn)品的裝置及方法，裝置包括混合冷劑壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)、預(yù)冷系統(tǒng)、液化冷箱系統(tǒng)，該系統(tǒng)在制備液化天然氣過(guò)程中耗能較多。
公開(kāi)號(hào)為 CN101712897A 和 CN101100622A 的發(fā)明專(zhuān)利，針對(duì)焦?fàn)t氣碳源不足、H2得不到有效利用的缺點(diǎn)開(kāi)發(fā)了焦?fàn)t煤氣制天然氣工藝，主要是通過(guò)補(bǔ)入外界煙氣、尿素合成剩余的二氧化碳、高爐煤氣或轉(zhuǎn)爐煤氣中的一氧化碳等方法以達(dá)到充分利用焦?fàn)t氣中氫資源的目的。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明針對(duì)目前焦?fàn)t煤氣甲烷化過(guò)程中富氫尾氣產(chǎn)量大、設(shè)備投資大等問(wèn)題，提供了一種焦?fàn)t煤氣甲烷化、富氫尾氣與煤反應(yīng)制甲烷的一體化裝置和方法。
本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
一種帶有膜分離器的焦?fàn)t煤氣甲烷化裝置，包括位于上部焦?fàn)t煤氣甲烷化段、位于中部氫氣膜分離段和位于下部的煤加氫甲烷化段。
所述焦?fàn)t煤氣甲烷化段頂部設(shè)置有焦?fàn)t煤氣進(jìn)氣口，焦?fàn)t煤氣進(jìn)氣口與第一氣體分布板連接，第一氣體分布板由圓錐形氣體分布裝置和氣體混合裝置構(gòu)成；其中，圓錐形氣體分布裝置下端是由若干傘狀結(jié)構(gòu)的復(fù)合金屬條構(gòu)成，氣體混合裝置的上端通過(guò)法蘭連通有焦?fàn)t煤氣進(jìn)氣口，第一氣體分布板下端為焦?fàn)t煤氣催化反應(yīng)床層。
所述氫氣膜分離段由第一富甲烷氣排放口和膜組件構(gòu)成，膜組件包括合金膜和氫氣通道，合金膜固定在焦?fàn)t煤氣甲烷化段下方，氫氣通道沿煤加氫甲烷化段內(nèi)壁向下延伸，直至與位于煤加氫甲烷化段下方的氫氣導(dǎo)管連接，所述氫氣導(dǎo)管聯(lián)通第二氣體混合室。
所述煤加氫甲烷化段設(shè)置有富氫煤氣入口，富氫煤氣入口與第二氣體混合室連接，第二氣體混合室上端設(shè)有第二氣體分布板，第二氣體分布板由上下兩層多孔金屬平板構(gòu)成，第二氣體分布板上端為煤加氫反應(yīng)床層，煤加氫反應(yīng)床層末端設(shè)置有第二富甲烷氣排放口。
所述焦?fàn)t煤氣甲烷化段和氫氣膜分離段外周設(shè)置保溫層；所述煤加氫甲烷化段外周上部設(shè)置投料口、下部設(shè)置灰倉(cāng)。
進(jìn)一步地，所述圓錐型氣體分布裝置與反應(yīng)器（焦?fàn)t煤氣甲烷化段）的直徑比為0.4~0.7，并位于反應(yīng)器內(nèi)上端面以下的320~370mm處；氣體分布裝置的復(fù)合金屬條與水平面的夾角為130°~180°，層數(shù)為3~9層。
進(jìn)一步地，所述第二氣體分布板上層多孔金屬平板的孔直徑為0.01mm~0.02mm，而下層多孔金屬平板的孔直徑為0.03~0.07mm。
一種應(yīng)用于上述裝置的焦?fàn)t煤氣甲烷化方法，包括以下步驟：
（1）、焦?fàn)t煤氣甲烷化段升溫：通過(guò)焦?fàn)t煤氣進(jìn)氣口吹入氮?dú)?，吹風(fēng)時(shí)間3~4h，催化劑床層溫度至265~290℃，氮?dú)饨?jīng)催化反應(yīng)床層進(jìn)入氫氣膜分離段經(jīng)第一富甲烷氣排放口排出；
（2）、煤加氫甲烷化段升溫：通過(guò)富氫煤氣入口吹入空氣，吹風(fēng)時(shí)間為20~30min，煤加氫甲烷化段溫度升至650~690℃，燃燒后的吹風(fēng)氣經(jīng)第二富甲烷氣排放口排出；
（3）、煤加氫甲烷化段吹掃：通過(guò)富氫煤氣入口吹入氮?dú)鈱?duì)煤加氫甲烷化段吹掃，吹掃時(shí)間10~15s，將殘余的吹風(fēng)氣經(jīng)第二富甲烷氣排放口排出；
（4）、焦?fàn)t煤氣甲烷化：焦?fàn)t煤氣與水蒸氣混合后從焦?fàn)t煤氣進(jìn)氣口進(jìn)入，經(jīng)第一氣體分布板進(jìn)入催化反應(yīng)床層，與催化劑接觸生成富甲烷氣a；富甲烷氣a從催化反應(yīng)床層進(jìn)入氫氣膜分離段，氫氣沿氫氣通道進(jìn)入第二氣體混合室，富甲烷氣b從第一富甲烷氣排放口排出反應(yīng)器；富氫煤氣從富氫煤氣入口進(jìn)入第二氣體混合室與氫氣膜分離段的氫氣混合，經(jīng)第二氣體分布板進(jìn)入煤加氫反應(yīng)床層進(jìn)行煤加氫反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)生氣經(jīng)第二富甲烷氣排放口排出；第一富甲烷排放口與第二富甲烷氣排放口排出的富甲烷氣混合得到富含甲烷的氣體，再經(jīng)過(guò)冷卻、干燥、分離得到天然氣。
進(jìn)一步地，步驟（4）中，焦?fàn)t煤氣與水蒸氣混合，焦?fàn)t煤氣與水蒸氣體積比為0.40~0.51:1。
進(jìn)一步地，步驟（4）中，煤加氫反應(yīng)段填裝的為褐煤或者煙煤。
進(jìn)一步地，步驟（4）中，催化反應(yīng)床層的反應(yīng)壓力為1.52~1.70MPa。
進(jìn)一步地，步驟（4）中，煤加氫甲烷化段的反應(yīng)壓力為2.1~2.7MPa。
進(jìn)一步地，步驟（4）中，富氫煤氣的氫氣體積含量為68%~87%。
進(jìn)一步地，步驟（4）中，焦?fàn)t煤氣加氫段排灰時(shí)間為6~7h。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：
1、將焦?fàn)t煤氣甲烷化、富氫尾氣與煤反應(yīng)制甲烷結(jié)合在一個(gè)反應(yīng)裝置中用來(lái)制取天然氣，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可行，并且甲烷產(chǎn)量高。
2、富氫尾氣來(lái)自原焦?fàn)t煤氣制天然氣生產(chǎn)過(guò)程中的尾氣，實(shí)現(xiàn)了對(duì)富氫尾氣的充分利用。
3、富氫煤氣入口吹入空氣，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)床層的升溫，同時(shí)可以將床層填充物的揮發(fā)分帶出反應(yīng)器，提高后續(xù)反應(yīng)甲烷的產(chǎn)量。
4、反應(yīng)器中設(shè)置膜分離裝置，及時(shí)分離出焦?fàn)t煤氣甲烷化段未反應(yīng)的氫氣，分離出的氫氣進(jìn)入煤加氫甲烷化段進(jìn)一步轉(zhuǎn)化。
本發(fā)明設(shè)計(jì)合理，帶有膜分離器的焦?fàn)t煤氣甲烷化裝置包括焦?fàn)t煤氣甲烷化段、氫氣膜分離段和煤加氫甲烷化段；方法包括焦?fàn)t煤氣甲烷化、氫氣分離和富氫煤氣與煤反應(yīng)制甲烷。通過(guò)將焦?fàn)t煤氣甲烷化段未反應(yīng)的氫氣分離出與富氫煤氣混合進(jìn)行煤加氫制甲烷，提高了甲烷的產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)了富氫煤氣的綜合利用，產(chǎn)生了很大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，適合工業(yè)化大生產(chǎn)。
附圖說(shuō)明
圖1表示帶有膜分離器的焦?fàn)t煤氣甲烷化裝置示意圖。
圖中：1-焦?fàn)t煤氣甲烷化段，2-氫氣膜分離段，3-煤加氫甲烷化段，4-焦?fàn)t煤氣進(jìn)氣口，5-第一氣體分布板，6-圓錐形氣體分布裝置，7-氣體混合裝置，8-焦?fàn)t煤氣催化反應(yīng)床層，9-第一富甲烷氣排放口，10-膜組件，11-合金膜，12-氫氣通道，13-氫氣導(dǎo)管，14-富氫煤氣入口，15-第二氣體混合室，16-第二氣體分布板，17-煤加氫反應(yīng)床層，18-第二富甲烷氣排放口，19-富甲烷混合氣排放口，20-灰倉(cāng)，21-投料口，22-保溫層。
具體實(shí)施方式
下面通過(guò)實(shí)施例來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明，但不局限于以下實(shí)施例。
實(shí)施例1
首先說(shuō)明本發(fā)明帶有膜分離器的焦?fàn)t煤氣甲烷化裝置的結(jié)構(gòu)：
焦?fàn)t煤氣甲烷化裝置，包括上部的焦?fàn)t煤氣甲烷化段1、中部的氫氣膜分離段2和下部的煤加氫甲烷化段3。
如圖1所示，所述上部的焦?fàn)t煤氣甲烷化段1頂部設(shè)置有焦?fàn)t煤氣進(jìn)氣口4，焦?fàn)t煤氣進(jìn)氣口4與第一氣體分布板5連接，第一氣體分布板5由圓錐形氣體分布裝置6和氣體混合裝置7構(gòu)成；所述圓錐型氣體分布裝置6與反應(yīng)器的直徑比為0.4~0.7，并位于反應(yīng)器內(nèi)上端面320~370mm處；所述圓錐形氣體分布裝置6下端是由若干傘狀結(jié)構(gòu)的復(fù)合金屬條構(gòu)成，復(fù)合金屬條與水平面的夾角為130°~180°，層數(shù)為3~9層，氣體混合裝置7上端通過(guò)法蘭連通有焦?fàn)t煤氣進(jìn)氣口4，第一氣體分布板5下端為焦?fàn)t煤氣催化反應(yīng)床層8。
如圖1所示，所述中部的氫氣膜分離段2，膜分離段設(shè)置第一富甲烷氣排放口9和膜組件10，膜組件10包括合金膜11和氫氣通道12，合金膜11固定在焦?fàn)t煤氣甲烷化段1下部，膜組件與反應(yīng)器內(nèi)壁接觸處設(shè)置有氫氣導(dǎo)管13，氫氣導(dǎo)管13沿反應(yīng)器內(nèi)壁向下通往第二氣體混合室15。
如圖1所示，所述下部的煤加氫甲烷化段3設(shè)置有富氫煤氣入口14，富氫煤氣入口14與第二氣體混合室15連接，第二氣體混合室15上端設(shè)有第二氣體分布板16，第二氣體分布板16由上下兩層多孔金屬平板構(gòu)成，上層多孔金屬平板的孔直徑為0.01mm~0.02mm，而下層多孔金屬平板的孔直徑為0.03~0.07mm，第二氣體分布板16上端為煤加氫反應(yīng)床層17，煤加氫反應(yīng)床層17末端設(shè)置有第二富甲烷氣排放口18。
如圖1所示，第一富甲烷氣排放口9和第二富甲烷氣排放口18并接后連接富甲烷混合氣排放口19
如圖1所示，所述焦?fàn)t煤氣甲烷化段1和氫氣膜分離段2外周設(shè)置保溫層22；所述煤加氫甲烷化段3外周上部設(shè)置投料口21、下部設(shè)置灰倉(cāng)20。
實(shí)施例2
一種焦?fàn)t煤氣甲烷化方法，按照上述甲烷化裝置說(shuō)明本發(fā)明工藝過(guò)程：包括以下步驟：
（1）、焦?fàn)t煤氣甲烷化段升溫：通過(guò)焦?fàn)t煤氣進(jìn)氣口4吹入氮?dú)?，吹風(fēng)時(shí)間3~4h，催化反應(yīng)床層8溫度至265~290℃，氮?dú)饨?jīng)催化劑床層進(jìn)入氫氣膜分離段2經(jīng)第一富甲烷氣排放口9排出；
（2）、煤加氫甲烷化段升溫：通過(guò)富氫煤氣入口14吹入空氣，吹風(fēng)時(shí)間為20~30min，煤加氫甲烷化段3溫度升至650~690℃，燃燒后的吹風(fēng)氣經(jīng)第二富甲烷氣排放口18排出；
（3）、煤加氫甲烷化段吹掃：通過(guò)富氫煤氣入口14吹入氮?dú)鈱?duì)煤加氫甲烷化段吹掃，吹掃時(shí)間10~15s，將殘余的吹風(fēng)氣經(jīng)第二富甲烷氣排放口18排出；
（4）、焦?fàn)t煤氣甲烷化：焦?fàn)t煤氣與水蒸氣按體積比為0.40~0.51混合后從焦?fàn)t煤氣進(jìn)氣口4進(jìn)入，經(jīng)第一氣體分布板5進(jìn)入催化反應(yīng)床層8，催化反應(yīng)床層為1.52~1.70MPa，與催化劑接觸生成富甲烷氣a；富甲烷氣a從催化反應(yīng)床層8進(jìn)入氫氣膜分離段2，氫氣沿氫氣通道12進(jìn)入第二氣體混合室15，富甲烷氣b從第一富甲烷氣排放口9排出反應(yīng)器；氫氣體積含量為68%~87%的富氫煤氣從富氫煤氣入口14進(jìn)入第二氣體混合室15與氫氣膜分離段的氫氣混合，經(jīng)第二氣體分布板16進(jìn)入煤加氫反應(yīng)床層17進(jìn)行煤加氫反應(yīng)，反應(yīng)壓力為2.1~2.7MPa，反應(yīng)產(chǎn)生氣經(jīng)第二富甲烷氣排放口18排出；第一富甲烷排放口與第二富甲烷氣排放口排出的富甲烷氣混合得到富含甲烷的氣體，再經(jīng)過(guò)冷卻、干燥、分離得到天然氣。
煤加氫反應(yīng)段填裝的為褐煤或者煙煤。
焦?fàn)t煤氣加氫段排灰時(shí)間為6~7h。
本發(fā)明是將焦?fàn)t煤氣甲烷化、富氫尾氣與煤反應(yīng)制甲烷集于一體，形成一種焦?fàn)t煤氣甲烷化、富氫尾氣充分利用的制天然氣裝置和方法。
按照上述反應(yīng)工藝提供一組具體的實(shí)施例，反應(yīng)過(guò)程工藝參數(shù)如下表1所示，
實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示：
最后應(yīng)說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照本發(fā)明實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明的技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋本發(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍中。