[实用新型]一种甲烷化流化床设备及甲烷化系统

说明书

技术领域

本实用新型属于化工领域，涉及一种甲烷化流化床设备及甲烷化系统。

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 △H ₂₉₈＝－206KJ/mol

CO₂+4H₂＝CH₄+2H₂O △H ₂₉₈＝－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。

专利号201320842753.8的中国专利提供了一种能持续有效散热的甲烷化反应器以解决上述问题，它可以将甲烷化反应中不断放出的热量及时用另一种介质移走，维持反应在低温恒温下进行。

另一类甲烷化反应器为甲烷化流化床反应器，这类反应器中催化剂处于流化状态，其催化剂床层(密相区)传质传热效率高。只要在催化剂床层(密相区)内布置足够的换热管，就能利用换热管内液体的相变将大量的反应热及时移走。申请号201410255842.1的中国专利申请提供的甲烷化流化床反应器，其在催化床中设有许多组换热管组成的换热装置，每组换热管下端与水进口总管连通，水进口总管与汽包水出口连通，每组换热管上端与蒸汽出口总管连通，蒸汽出口总管与汽包的蒸汽进口连通；它可以将甲烷化反应中不断放出的热量及时用另一种介质移走，维持反应在低温恒温下进行。在设备中，所产生的蒸汽通过蒸汽出口总管排出反应体系之外。

对现有的甲烷化流化床反应器来说，存在着操作弹性小的缺陷，其正常操作负荷波动范围在30～120％之间。当装置处于非正常状态(比如系统开停车或其它故障状态)，其操作负荷为0～30％时，反应器内催化剂流化不好，必须采用补加蒸汽的方法以维持催化剂床层的正常流化状态。

实用新型内容

本实用新型目的之一在于提供一种生产性能及经济价值进一步提升的甲烷化流化床反应设备。

本实用新型的目的之二在于提供一种具有更大操作弹性的甲烷化反应体系。

本实用新型的目的之三是提供基于上述设备和系统的甲烷化方法。