[发明专利]用于再循环甲烷的方法和装置

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2013年3月14日提交的美国临时申请61/782,227的全部权利，其在此被全文引用参考。2013年3月14日提交的交叉引用的另一美国临时申请61/782,418也在此引用参考。

技术领域

本发明涉及使用流化床气化炉的煤气化。更具体地说，本发明涉及用于再循环从流化床气化炉产生的合成气流中富含甲烷的气体并将甲烷返回至流化床反应器的方法和装置。

背景技术

流化床反应器常用于气化含碳材料例如煤。这种气化炉的一个实例可见美国专利申请13/532,769。这种气化炉的特点是气化炉工作温度稍低于灰分熔点，因此这种气化炉称为非排渣气化炉。

在气化炉中，固体进料与蒸汽和氧气反应并被气化产生包含氢气、一氧化碳、二氧化碳和甲烷的合成气体("合成气")产品。除固体进料的部分氧化之外，气化炉中还发生以下反应：

水气转换反应：CO+H₂O→CO₂+H₂Rx(1)

甲烷化(CO)：CO+3H₂→CH₄+H₂ORx(2)

甲烷化(CO₂)：CO₂+4H₂→CH₄+2H₂ORx(3)

合成气还包含很大数量的甲烷(CH₄)。产生的甲烷量根据反应条件和进料的成分不同而不同。例如，采用煤作为进料，压力40bar及以上，甲烷可以达到干燥合成气产出的15-20％。该数量的甲烷代表了经济上相当重要的一部分可利用合成气碳和热值。然而对于许多应用，例如利用合成气作为化学合成甲醇的原料时，甲烷是不希望存在的。

当前，甲烷被分离和重整(reform)以实现从原始气化炉进料得到CO和H₂的经济产率。重整步骤需要昂贵的设备，并消耗大量的氧气和蒸汽。而且，为了保持催化剂活性，甲烷必须经过纯化，这也是很昂贵的步骤。

因此，工业上需要改进的工艺，通过改进的工艺可将合成气中的甲烷转化为CO和H₂而没有现有技术工艺的缺陷。

发明内容

再循环或者再使用合成气中甲烷的现有技术包括昂贵的步骤，且结果并不令人满意。根据本发明的一个方面，甲烷再循环至流化床反应器以转化为CO和H₂，而无需采用任何昂贵的重整器。

本发明一方面提供了一种用于再循环流化床煤气化炉反应器甲烷的方法，其中含碳进料进入流化床反应器以产生包含甲烷、一氧化碳和氢气的合成气体。该方法包括回收合成气体中的甲烷以产生富甲烷气(methane-rich gas)以及递送至少一部分该回收的富甲烷气至流化床反应器。

在该方法的某实施方式中，流化床反应器包含具有顶部和底部的容器，和在容器中向下倾斜的锥形注入格栅，其中该格栅在流化床区域底部的下面并界定了流化床区域的底部，其中该格栅包含中心管，通过该中心管将流体介质提供到流化床区域中，其中高温区形成于中心管之上分配格栅上方(above the center pipe over the distribution grid)，并且至少一部分回收的富甲烷气被递送到高温区。

在该方法的某实施方式中，反应器包含具有顶部和底部的容器，和在容器中向下倾斜的锥形注入格栅，其中该格栅在流化床区域底部的下面并界定了流化床区域的底部，其中该格栅包含中心管，通过该中心管将流体介质提供到流化床区域中，其中固体流化床(fluidized bed of solids)形成于容器之内格栅之上(above the grid)，所述床具有上表面，并且至少一部分回收的富甲烷气被递送到反应器的中心区域固体流化床的上表面之下。

在该方法的某实施方式中，至少一部分回收的富甲烷气作为输运气体与含碳进料一起递送以协助将含碳进料输送至流化床反应器中。

在该方法的某实施方式中，微细固体颗粒在固体-气体分离设备中从合成气体回收，并且至少一部分回收的富甲烷气作为输运气体与回收的固体颗粒一起递送以协助将回收的固体颗粒输送至流化床反应器中。

在该方法的某实施方式中，合成气体在气体净化装置中经历脱酸性气工序，而富甲烷气在脱酸性气工序之前、或者之后、或者之中(integrated with)被回收。