[发明专利]一种合成气完全甲烷化的装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于煤化工技术领域，具体涉及一种合成气完全甲烷化的装置及方法。

背景技术

由于上世纪70年代的石油危机引发了世界各大能源公司致力于煤制合成天然气的研究，合成气甲烷化是上述过程的关键部分，其核心是甲烷化催化剂和工艺的研究。1984年，Lurgi公司完成了两步法完全甲烷化的整套工艺技术的开发，并成功应用于美国大平原工厂12亿标方/年的煤制合成天然气工厂。Lurgi完全甲烷化工艺过程包括：煤气化生成合成气，合成气经水汽变换调整氢气与一氧化碳摩尔比至合适值，甲醇洗脱硫，两段固定床绝热反应器进行完全甲烷化反应，尾气冷凝净化处理，其核心是绝热固定床反应器。

合成气完全甲烷化反应是一个强放热反应，要求在适当温度下进行，300℃～500℃，同时为了提高转化率要增大压力，反应条件是3.0MPa～5.0MPa，反应生成的CH₄和H₂O的摩尔流率之比约为1，因此甲烷化反应器开发的核心是有效控温。

合成气完全甲烷化装置的技术核心是甲烷化反应工序，关键设备是可实现有效控温的反应器，主要采用固定床反应器或流化床反应器。甲烷化固定床反应器目前已出现若干较为成熟的技术，如德国Lurgi公司的甲烷化技术和丹麦Topsoe公司的TREPM工艺，其核心思想是将原料合成气通过多段绝热固定床，通过控制各段反应器的转化率抑制温升，最终结合部分产品气体循环实现反应过程的整体控温。但是，多段反应器结构使得设备整体构架相对复杂，成本较高，自动控制相对困难，同时大量产品气冷却后循环使得装置整体能耗较大，并限制了单段反应器的生产能力，使得工艺的经济性降低。流化床反应器主要利用其高效的传热传质效率实现对甲烷化反应温度的控制。然而，由于流化床内的返混现象，会影响甲烷化反应的转化率，同时还要考虑催化剂磨损等问题，因此完全甲烷化流化床工艺的开发仍处于实验室阶段，目前尚无成熟的完全甲烷化流化床工艺可用于工业化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用气-固-固反应器合成气完全甲烷化反应装置。

本发明的目的还在于提供一种利用气-固-固反应器装置进行合成气完全甲烷化反应的方法，克服现有固定床反应器的缺点，降低合成气完全甲烷化过程的能耗，进一步降低生产成本。

一种合成气完全甲烷化的装置，其特征在于，所述装置由混合器1a、气-固-固反应器2、旋风分离器3、热回收容器1b、第一料封4a、第二料封4b构成；气-固-固反应器2设置在混合器1a出口处，旋风分离器3入口与气-固-固反应器2的出口通过管道相连；热回收容器1b分别通过第一料封4a和第二料封4b与旋风分离器3和混合器1a相连。

一种合成气完全甲烷化的方法，其特征在于，按照如下步骤进行：

a、以合成气作为原料气，将原料气与惰性热载体颗粒在混和器1a内混和，混合后进入装有甲烷化催化剂的气-固-固反应器2内，并在气-固-固反应器2中进行充分接触和反应；合成气中氢气与一氧化碳摩尔比为3.0～3.5，气-固-固反应器2的进口温度与出口温度分别为300℃～500℃和340℃～540℃，操作压力为3.0MPa～5.0MPa；

b、从气-固-固反应器2出来的气固混和物进入旋风分离器3进行分离，分离出来的气体经工业处理装置处理后，最终得到纯净的甲烷；

c、从旋风分离器3出来的惰性热载体颗在热回收容器1b中回收，使惰性热载体颗粒冷却至室温；

d、从热回收容器1b出来的惰性热载体颗粒通过管路重新进入混合器1a，并加入少量惰性新鲜热载体颗粒用于补充上述过程中的损耗，再通过合成气携带进入气-固-固反应器2进行新一轮的合成气完全甲烷化反应。

所述惰性热载体为氧化铝微球、石英砂或氟矿砂。

所述惰性热载体颗粒的粒径大小为5～200微米，优选为50～100微米。

所述气-固-固反应器2在固定床状态下操作时，使用催化剂颗粒粒径在5～10毫米，在流化床状态下操作时，使用催化剂颗粒粒径在1～5毫米。