[发明专利]一种甲烷化流化床反应器

说明书

技术领域

本发明属于化工领域，涉及一种流化床反应器，具体地说，涉及一种甲烷化流化床反应器。

背景技术

目前，工业上合成天然气主要有焦炉煤气制天然气及煤制天然气两种。合成天然气的关键反应是甲烷化反应，其反应式为：

CO+3H₂＝CH₄+H₂O    △H₂₉₈＝－206KJ/mol

CO₂+4H₂＝CH₄+2H₂O  △H₂₉₈＝－165KJ/mol

甲烷化反应均为强放热可逆反应，在典型的甲烷化反应条件下，气体中每1％CO转化的绝热温升约为72℃，每1％CO₂转化的绝热温升约为60℃。

现有的甲烷化工艺中，甲烷化反应器均为绝热反应形式，即经催化剂床层绝热反应后，气体出反应器，再经高压锅炉产生蒸汽回收热量。

由于合成天然气的原料气体中CO及CO₂含量很高，为了控制温度，甲烷化反应器必须采用多台串联的方式，并且采用大量气体循环的方式以降低反应器进口气体中CO及CO₂含量(一般控制CO+CO₂：3～5％)。若第一甲烷化反应器气体进口温度为300℃，则出口温度为600～700℃。

现有的合成天然气甲烷化工艺均为高温甲烷化工艺，必须使用能耐700℃高温的甲烷化催化剂，以满足该工艺的要求。

高温甲烷化工艺存在以下缺点：

①反应温度高，设备材质要求高，安全性差。

由于反应温度高，尤其是第一甲烷化反应器温度为600～700℃，需要使用耐高温的材料制作，设备造价高。如果发生甲烷化反应器进口气体中CO及CO₂含量突然增加时，反应器很容易发生超温事故，安全可靠性较差。

②催化剂成本高。

甲烷化催化剂主要活性成分为镍，以氧化铝为载体。普通的甲烷化催化剂中镍含量约为20～30％，其使用温度范围为200～400℃。高温甲烷化催化剂中镍含量约为40～50％，其使用温度范围为300～700℃。高温甲烷化催化剂制造成本高，价格昂贵。

③高温积炭。

高温甲烷化工艺为绝热反应，反应器内催化剂床层温度为300～700℃。当温度在400℃以上时容易产生积炭反应，造成催化剂表面积炭，使催化剂的活性下降，影响催化剂的使用寿命。

④电耗高。

由于甲烷化反应原料气体中的CO及CO₂含量高(CO+CO₂：20～25％)，为了控制温度，必须采用大量气体循环的方式以降低反应器进口气体中CO及CO₂含量(一般控制CO+CO₂：3～5％)，其循环气体流量约为新鲜气体流量的5倍，电耗较高。

针对高温甲烷化工艺的缺陷，国内一些研发机构提出一种等温低温甲烷化反应器技术。该技术的特点是反应器的触媒筐采用径向结构，径向筐内装有许多换热管，其结构形式为悬置式双套管。利用换热管内液体的相变将大量的反应热移走，以保持催化剂床层温度恒定不变，即可维持反应在400℃低温恒温下进行。

该反应器为固定床反应器，换热管外侧传热系数低，总传热系数较低。由于甲烷化反应热很大，只有将催化剂床层内换热管的分布密度设计得非常大，才能够将反应热充分移出，设备设计制作难度大，且催化剂装卸困难。

由于该反应器为固定床反应器，当反应器直径较大时，很难做到气体均匀分布，容易发生气体偏流的情况，从而造成催化剂床层温度分布不均匀、温差较大、催化剂局部过热等。催化剂床层温差太大，极易导致催化剂活性下降，严重时可导致设备损坏并造成安全事故。

少量文献披露了甲烷化流化床反应器，设备主要包括壳体、用于分散气体并使固体颗粒流化的气体分布器，用于分离产品气与其他物质(如催化剂)的分离器，原料气进口、产品气出口等。然而，目前的流化床反应器的直径和体积受到较大的限制，主要是因为气体分布器的覆盖面积的限制，如果气体分布器的面积过大，由于气体的冲力影响容易导致进风处的相应位置拱起，影响设备的运作和寿命，并且具有较大的安全隐患。另外，目前的气体分布器还存在较容易堵塞的缺点，影响设备的有效运作。除此，产品气与固体粒子的分离也是一个问题。