[发明专利]合成气甲烷化制替代天然气的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种合成气甲烷化制替代天然气（SNG）的方法。

背景技术

天然气是一种低污染、高热值的清洁能源，能够在一定程度上弥补石油资源日益紧缺的现状，但是我国天然气储量较少并且天然气需求量快速增长，据估计我国目前天然气缺口约为200亿m3。我国煤炭资源较为丰富，因此将来自煤气化的合成气甲烷化制替代天然气（SNG）的方法能够有效地缓解我国对天然气的需求。

合成气的主要组成是CO、CO₂和H₂，通过甲烷化反应产生大量甲烷，反应方程式为：

甲烷化反应是强放热反应，取决于初始甲烷含量，单级甲烷化反应会导致绝热温升△T为400~600℃，低温能够使反应向正方向进行而高温会抑制甲烷的生成，并且如果不及时将反应过程中产生的热量撤去，会对催化剂活性造成损失。控制甲烷化反应过程温升的主要方法是采用甲烷化反应产物的部分循环或者使用冷物流撤去甲烷化反应放出的热量。如专利CN101812339A，其流程为三级甲烷化反应器的串联，为了降低前两级甲烷化反应器温度，将第三级甲烷化反应器部分产物经过降温、压缩机升压后与第一级甲烷化反应器原料混合然后进入该甲烷化反应器；或者将第三级甲烷化反应器部分产物分为两部分，分别与第一级和第二级甲烷化反应器原料混合后进入反应器。类似专利还有US4133825A，三级甲烷化反应器串联，一级甲烷化反应器出口分为两部分，一部分作为循环气与一级反应器原料混合，另一部分作为二级甲烷化反应器进料。二级甲烷化反应器出料分为两个部分一部分作为循环气与一级甲烷化反应器进料混合，另一部分作为三级甲烷化反应器进料。

专利CN87102871A，所述的是一个内部有冷却催化剂床层冷却系统的甲烷化反应器，合成气在甲烷化反应器中发生甲烷化反应，同时有水通过一系列预热后进入甲烷化反应器的冷却系统利用甲烷化反应放出的热量生产蒸汽，撤去反应热。前面所述的专利技术存在换热设备多、流程复杂、循环气用量大和压缩机能耗高等问题。

目前国外主要的合成气制SNG技术有德国鲁奇公司甲烷化技术、丹麦托普索公司TREMP技术和英国DAVY公司的甲烷化技术。国内还没有合成气制天然气技术，但是国内在低浓度CO甲烷化技术和城市煤气技术方面有一定的市场竞争力。世界上已有的合成气制SNG装置只有美国北达科他州的大平原有一套在运行，该装置采用德国鲁奇公司的生产工艺，该装置的产品目前存在的问题有碳氢含量高、热值低、流程复杂、质量差和热回收效率差的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是以往合成气制SNG技术中存在的甲烷化反应转化率低、换热设备多、流程复杂和压缩机能耗高的问题，提供了一种新的合成气制SNG的方法，该方法具有甲烷化反应转化率高、换热设备少、流程简单和压缩机能耗低的优点。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案包括以下几个步骤：

a）合成气作为原料分成N股，来自甲烷化反应后的循环气相应地分成N股，并分别与合成气混合形成N股原料气，其中N≥2；

b）进入反应器第一段床层之前的原料气与反应器出口气换热或加热至250~450℃；

c）N股原料气同时进入装有甲烷化催化剂的N段层式固定床反应器的各段床层；反应器出口得到包含有CH₄、H₂O和未转化的CO、CO₂、H₂的出口气；

d）出口气先与原料气换热，再与蒸汽换热后，形成物流I；

e）物流I分成物流II和物流III两股，以物流I的体积百分比计，物流II占70~90%；

物流III占10%~30%；

f）物流II降温到20~80℃，经过汽液分离后，气相通过压缩机升压到3.0~5.5MPa后，作为循环气返回a）步骤；

g）物流III进入下一级甲烷化反应器进行甲烷化反应。