[发明专利]无碳排放一步法合成人工天然气的方法和设备

说明书

技术领域

本发明涉及一种无碳排放一步法合成人工天然气的方法和设备，属化学工程领域。

背景技术

由煤气化制得合成气，将其中的H₂、CO、CO₂进行甲烷化反应可制取各种人工天然气，反应式如下：

CO+3H₂＝CH₄+H₂O      +206KJ/mol    (1)

CO₂+4H₂＝CH₄+2H₂O    +165KJ/mol    (2)

由于甲烷化反应(1)和(2)为强放热反应，故须控制合成气甲烷化过程中甲烷化反应器中的温度，以防止反应器中催化剂的过热。而且，由于低温下有利于甲烷的形成，从平衡的观点看高温是不利的，高温减少了合成气转化成甲烷。现有技术在甲烷化反应过程中控制温度的常规方法需要使用包括多个热交换器和气体循环机的复杂装置，以冷却流出物气体并且防止甲烷化反应器的过热，如最近公开的Casale公司申请的中国专利CN101560423A，申请号200910135203(见附图1)，同时将新鲜气合成并行通入绝热反应器，采用绝热反应器和塔外换热器，多台串联进行甲烷化反应，由于CO或CO₂加H₂的甲烷化反应热很大，因此一是采用反应-换热冷却-反应交替进行的办法，这就增加设备台数，即使这样，出塔气温度也高达600℃；二是采用循环气来降低进甲烷化反应气的CO含量来控制反应热，这就增加了动力消耗。

在公开专利CN101508922A，申请号200910058611中，用焦炉气制合成气的申请专利中，通过稀释进口气中CO+CO₂＜3.5％，将出口气体温度降到＜450℃。

现有用煤为原料制人工天然气方法中，不论用何种气化方法，所得的合成气中碳氧化物比H₂多，而在合成甲烷制天然气中，H₂和碳氧化物是按(H₂-CO₂)/(CO+CO₂)＝3消耗的，当合成气中有O₂时还会发生反应H₂+1/2O₂＝H₂O，因此在制得人工天然气中会有大量CO₂排放，例如美国大平原煤制甲烷化厂日产3890km³(2064吨)合成甲烷气时需排放5660km³/日(11118吨)CO₂(见唐宏青利民工程——煤制甲烷，《氮肥与甲醇》，2009年11月第六期P120)，而我国在煤炼焦中又有大量焦炉气排放可以利用，而焦炉气为富氢气，当用焦炉气合成甲烷制人工天然气时则有大量氢气过剩，例如1MPa压力下甲烷化合成各成分如表1，即100mol出塔气中甲烷合成气中CH₄为52％，出口气中过量H₂将近43％(中国公开专利，公开号CN1919985A，申请号200610021836)，这不符合我国天然气和压缩天然气的国家标准，还需要经变压吸附分离H₂和甲烷。

附表1