一種合成天然氣甲烷化設(shè)備及工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于化工領(lǐng)域，涉及一種用于合成天然氣甲烷化工藝的設(shè)備、系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，工業(yè)上合成天然氣主要有焦?fàn)t煤氣制天然氣及煤制天然氣兩種。合成天然氣的關(guān)鍵反應(yīng)是甲烷化反應(yīng)，其反應(yīng)式為:
[0003]C0+3H2 = CH 4+H20 Δ H298 = — 206KJ/mo I
[0004]C02+4H2= CH4+2H20 Λ H298= — 165KJ/mol
[0005]甲烷化反應(yīng)均為強放熱可逆反應(yīng)，在典型的甲烷化反應(yīng)條件下，氣體中每1% CO轉(zhuǎn)化的絕熱溫升約為72°C，每1% CO2轉(zhuǎn)化的絕熱溫升約為60°C。
[0006]現(xiàn)有的甲烷化工藝中，甲烷化反應(yīng)器均為絕熱反應(yīng)形式，即經(jīng)催化劑床層絕熱反應(yīng)后，氣體出反應(yīng)器，再經(jīng)高壓鍋爐產(chǎn)生蒸汽回收熱量。
[0007]由于合成天然氣的原料氣體中CO及0)2含量很高，為了控制溫度，甲烷化反應(yīng)器必須采用多臺串聯(lián)的方式，并且采用大量氣體循環(huán)的方式以降低反應(yīng)器進(jìn)口氣體中CO及CO2含量(一般控制C0+C02:3?5% )。若第一甲烷化反應(yīng)器氣體進(jìn)口溫度為300°C，則出口溫度為600?700 °C。
[0008]現(xiàn)有的合成天然氣甲烷化工藝均為高溫甲烷化工藝，必須使用能耐700°C高溫的甲烷化催化劑，以滿足該工藝的要求。
[0009]高溫甲烷化工藝存在以下缺點:
[0010]①反應(yīng)溫度高，設(shè)備材質(zhì)要求高，安全性差。
[0011]由于反應(yīng)溫度高，尤其是第一甲烷化反應(yīng)器溫度為600?700°C，需要使用耐高溫的材料制作，設(shè)備造價高。如果發(fā)生甲烷化反應(yīng)器進(jìn)口氣體中CO及CO2含量突然增加時，反應(yīng)器很容易發(fā)生超溫事故，安全可靠性較差。
[0012]②催化劑成本高。
[0013]甲烷化催化劑主要活性成分為鎳，以氧化鋁為載體。普通的甲烷化催化劑中鎳含量約為20?30%，其使用溫度范圍為200?400 °C。高溫甲烷化催化劑中鎳含量約為40?50%，其使用溫度范圍為300?700°C。高溫甲烷化催化劑制造成本高，價格昂貴。
[0014]③高溫積炭。
[0015]高溫甲烷化工藝為絕熱反應(yīng)，反應(yīng)器內(nèi)催化劑床層溫度為300?700°C。當(dāng)溫度在400°C以上時容易產(chǎn)生積炭反應(yīng)，造成催化劑表面積炭，使催化劑的活性下降，影響催化劑的使用壽命。
[0016]④電耗高。
[0017]由于甲烷化反應(yīng)原料氣體中的CO及CO2含量高(C0+C0 2:20?25% )，為了控制溫度，必須采用大量氣體循環(huán)的方式以降低反應(yīng)器進(jìn)口氣體中CO及CO2含量(一般控制C0+C02:3?5% )，其循環(huán)氣體流量約為新鮮氣體流量的5倍，電耗較高。
[0018]專利號201320842753.8的中國專利提供了一種能持續(xù)有效散熱的甲烷化反應(yīng)器以解決上述問題，它可以將甲烷化反應(yīng)中不斷放出的熱量及時用另一種介質(zhì)移走，維持反應(yīng)在低溫恒溫下進(jìn)行。
[0019]另一類甲烷化反應(yīng)器為甲烷化流化床反應(yīng)器，這類反應(yīng)器中催化劑處于流化狀態(tài)，其催化劑床層(密相區(qū))傳質(zhì)傳熱效率高。只要在催化劑床層(密相區(qū))內(nèi)布置足夠的換熱管，就能利用換熱管內(nèi)液體的相變將大量的反應(yīng)熱及時移走。申請?zhí)?01410255842.1的中國專利申請?zhí)峁┑募淄榛骰卜磻?yīng)器，其在催化床中設(shè)有許多組換熱管組成的換熱裝置，每組換熱管下端與水進(jìn)口總管連通，水進(jìn)口總管與汽包水出口連通，每組換熱管上端與蒸汽出口總管連通，蒸汽出口總管與汽包的蒸汽進(jìn)口連通；它可以將甲烷化反應(yīng)中不斷放出的熱量及時用另一種介質(zhì)移走，維持反應(yīng)在低溫恒溫下進(jìn)行。在設(shè)備中，所產(chǎn)生的蒸汽通過蒸汽出口總管排出反應(yīng)體系之外。
[0020]對現(xiàn)有的甲烷化流化床反應(yīng)器來說，存在著操作彈性小的缺陷，其正常操作負(fù)荷波動范圍在30?120%之間。當(dāng)裝置處于非正常狀態(tài)(比如系統(tǒng)開停車或其它故障狀態(tài))，其操作負(fù)荷為O?30%時，反應(yīng)器內(nèi)催化劑流化不好，必須采用補加蒸汽的方法以維持催化劑床層的正常流化狀態(tài)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0021]本發(fā)明目的之一在于提供一種生產(chǎn)性能及經(jīng)濟(jì)價值進(jìn)一步提升的甲烷化流化床反應(yīng)設(shè)備。
[0022]本發(fā)明的目的之二在于提供一種具有更大操作彈性的甲烷化反應(yīng)體系。
[0023]本發(fā)明的目的之三是提供基于上述設(shè)備和系統(tǒng)的甲烷化方法。
[0024]發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)上述目的。
[0025]發(fā)明提供了一種甲烷化流化床設(shè)備，包括殼體、位于殼體底部的原料氣進(jìn)口、位于殼體內(nèi)底部空間的氣體分配器、位于氣體分配器上方的擋氣除塵器，位于殼體上的反應(yīng)氣出口 ；殼體內(nèi)部形成處于擋氣除塵器上方的固體顆粒稀相區(qū)，以及位于擋氣除塵器下方的固體顆粒密相區(qū)；其特征在于，所述的設(shè)備中還設(shè)有換熱系統(tǒng)；所述換熱系統(tǒng)包括設(shè)于固體顆粒密相區(qū)的至少一個密相區(qū)換熱裝置，設(shè)于固體顆粒稀相區(qū)的至少一個稀相區(qū)換熱裝置，以及設(shè)于殼體外部連接所述密相區(qū)換熱裝置和稀相區(qū)換熱裝置的汽包。
[0026]如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于所述的密相區(qū)換熱裝置具有一個密相區(qū)入口和一個密相區(qū)出口 ；所述稀相區(qū)換熱裝置具有一個稀相區(qū)入口和一個稀相區(qū)出口 ；所述密相區(qū)入口與設(shè)于汽包底部的汽包出水口連通，所述密相區(qū)出口與設(shè)于汽包的中間入口連通，所述稀相區(qū)入口與設(shè)于汽包頂部的汽包出氣口連通。
[0027]汽包用于補水、水循環(huán)及產(chǎn)生蒸汽。當(dāng)設(shè)備啟動運行時，汽包底部的水通過密相區(qū)入口流入固體顆粒密相區(qū)中的密相區(qū)換熱裝置，此時，由于該密相區(qū)中進(jìn)行著劇烈放熱的反應(yīng)，水被迅速加熱汽化成為蒸汽，并從密相區(qū)出口輸入至汽包的中間入口，在汽包中，蒸汽進(jìn)一步上升從汽包頂部的汽包出氣口經(jīng)管道輸入至稀相區(qū)換熱裝置的稀相區(qū)入口，經(jīng)過進(jìn)一步的加熱成為過熱蒸汽，過熱蒸汽再從稀相區(qū)出口輸出至反應(yīng)體系之外。
[0028]巧妙的是，在該反應(yīng)體系中，通過將換熱裝置設(shè)置于稀相區(qū)中，利用反應(yīng)氣與飽和蒸汽的溫差，可將密相區(qū)內(nèi)換熱裝置產(chǎn)生的飽和蒸汽轉(zhuǎn)化成為過熱蒸汽，此時蒸汽的利用價值將大大提升。
[0029]在本發(fā)明的一個實施例中，從汽包出氣口輸入的蒸汽為310°C左右的飽和蒸汽，經(jīng)過溫度在400°C左右的稀相區(qū)換熱裝置加熱后，輸出的蒸汽為350?380 V的過熱蒸汽。也即是說，在該反應(yīng)體系中，僅需要在設(shè)備的固體顆粒稀相區(qū)設(shè)置簡單的換熱管，即可以使其成為一個能產(chǎn)生過熱蒸汽的蒸汽過熱器。
[0030]除此，通過上述設(shè)備的設(shè)置，可以使得反應(yīng)氣出口的溫度降低，轉(zhuǎn)化率提升。
[0031]在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，從反應(yīng)氣出口輸出的氣體，H2含量在1.5%以下。
[0032]所述用于產(chǎn)生過熱蒸汽的蒸汽過熱器不宜設(shè)置于固體顆粒密相區(qū)中。
[0033]優(yōu)選地，在于所述的密相區(qū)換熱裝置和稀相區(qū)換熱裝置均具有一組或以上的換熱管；優(yōu)選地，所述的密相區(qū)換熱裝置和稀相區(qū)換熱裝置均具有多組并聯(lián)的換熱管。
[0034]作為一種優(yōu)選的實施方案，在所述的固體顆粒密相區(qū)設(shè)有兩組或以上的并聯(lián)的密相區(qū)換熱裝置；所述的多組密相區(qū)換熱裝置均具有連通至汽包出水口的供水進(jìn)入的密相區(qū)入口，水通過密相區(qū)入口進(jìn)入密相區(qū)換熱裝置的換熱管，受熱成為蒸汽并從密相區(qū)換熱裝置的密相區(qū)出口輸出。
[0035]在本發(fā)明的一個優(yōu)選的實施例中，甲烷化流化床反應(yīng)器下部的固體顆粒密相區(qū)內(nèi)布置換熱裝置I及換熱裝置II，換熱裝置I位于催化劑靜床高度以內(nèi)，換熱裝置II位于催化劑靜床高度上方，整個催化劑床層的密相區(qū)內(nèi)均布置了換熱管，有利于將大量的反應(yīng)熱及時移出。
[0036]經(jīng)過甲烷化反應(yīng)，從流化床反應(yīng)器的反應(yīng)氣出口輸出的氣體成為反應(yīng)氣，本發(fā)明中稱為第一級反應(yīng)氣，以區(qū)別于后續(xù)可選的后處理系統(tǒng)所產(chǎn)生的第二級反應(yīng)氣。
[0037]作為一種優(yōu)選的實施方案，本發(fā)明的流化床反應(yīng)設(shè)備中還可以設(shè)置有氣固分離設(shè)備，用于在將反應(yīng)氣(第一級反應(yīng)氣)輸出之前，先分離回收大部分的固體催化劑，使其回落至反應(yīng)體系之內(nèi)?？蛇x的氣固分離設(shè)備可以是例如申請?zhí)?