[发明专利]生成合成气的装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种生成合成气的装置和方法，尤其适用于合成天然气或“SNG”(合成天然气)的生成领域。

背景技术

作为“SNG”(合成天然气)的生物甲烷可以通过使用Power-to-SNG(缩写为“P2G”)方法来生成，该方法被设计为将水、CO₂和电能转换成与天然气质量类似的可燃气体。

为了获得令人满意的经济回报，P2G基于在电能生产过剩的期间使用来自可再生能源的电能。因此，甲烷化技术在功率、流量和处理方面需要很大的操作灵活性。

这个领域中有几个技术选择。

第一种选择包括直接电解蒸汽形式的水和人造CO₂来产生CO和H₂。这种转化通常发生在高温下，并且所产生的气体是合成气，其成分特性接近生物质气化(CO、H₂、CO₂和H₂O)的成分特性。主要的区别在于在没有气-水反应步骤(缩写为“WGS”(用于水气变换)并且被称为“Dussan反应”)的情况下能更好地控制H ₂/CO比例。这个WGS的反应式是

第二种选择包括通过碱性或聚合物电解质膜电解将水进行转化，以在阴极产生H₂，在阳极产生O₂。这样产生的H₂随后与CO₂混合形成合成气，这是合成天然气的源。

从合成气生成生物甲烷是基于CO或CO₂的催化甲烷化(或氢化)反应，被称为“Sabatier反应”。甲烷化包括在氢气和催化剂的存在下转化一氧化碳或二氧化碳(通常基于镍或任何其它或多或少的贵重过渡金属)，以产生甲烷。它受以下竞争平衡氢化反应控制：

为了从合成气生成SNG，第一种选择利用CO甲烷化反应，而第二种选择利用CO₂甲烷化反应。

甲烷化反应是伴随着摩尔数减少的放热反应。根据Le Chatelier的原理，通过增加压强促进该反应以及通过升高温度来阻碍该反应。

这些高度放热的平衡反应需要对其发生的反应器的冷却进行良好的控制。

在生成1Nm³的甲烷的过程中，CO转化过程中产生的热量约为2.7kWh。控制反应器内的温度并因此消除反应产生的热量是使催化剂失活(由于烧结)最小化和使甲烷转化率最大化的关键之一。

在甲烷化过程中所产生热量的有利再利用(无论是在实际的单元内还是通过销售热量)是SNG生成方法技术和经济平衡的关键之一。蒸汽的生成是获得这种再利用的传统方式。

在所使用的温度下具有快速动力学的甲烷化反应的特征在于非常高的放热性。

为了通过二氧化碳氢化来最大限度地产生CH₄，并使过量的CO₂最小化，H₂和CO₂应当具有约4:1的化学计量比。即使这个比例，由于化学平衡，反应仍然不完全。

在甲烷化反应器技术中，一些利用致密的流化床反应器，该床由甲烷化反应催化剂形成。因此，反应产生的热量通过浸在流化床中的交换器去除。然而，由于反应的非常高的放热性，要除去的热量以及因此所需的交换表面积非常大。因此，该交换器占据的体积导致反应器尺寸的整体扩大，并且最重要的是使其设计更复杂。

流化床的使用是限制反应温度的简单方法。催化剂通过反应物混合物的流化使得能够在催化剂层的所有点处几乎完美的均匀化，并且反应器可以被等同为等温反应器。反应所产生的热量的去除是通过浸在流化床内的交换器来实现的。流化层与浸入床中的壁之间的热交换系数非常高(每平方米每开尔文(kelvin)400至600瓦的量级，表示为W/K.m2，与液体和壁之间的热交换系数相当)并且使得可以使交换器的尺寸最小化，并因此使反应器的整体尺寸减小。

在流化床甲烷化反应器中使用的温度范围内，甲烷化反应的动力学非常迅速，作为结果，仅对于化学反应所需的催化剂量很小。因此，反应器的尺寸和所用催化剂的量缘于安装在流化床内的交换器的整体尺寸以及所需的转移表面积。

由于热交换和流化机制，主要的缺点归因于这种用于高压操作的技术。由于增加的压强导致的气体体积的减小导致用于布置交换器的更小的横截面积(等效功率)。然而，本领域技术人员的解决方案为用于克服有效表面积或流化机制的调整。例如，非详尽的解决方案为：