[发明专利]一种火山型温度序列甲烷合成工艺

说明书

本发明提供一种火山型温度序列甲烷合成工艺，通过合理分配进入各级高温甲烷合成反应器的新鲜原料气量，优化循环气量，有效控制各段甲烷合成反应器之间的温升，使得各段甲烷合成反应器的热点温度呈火山型分布。降低循环压缩机投资和电能的消耗，大幅降低对高纯水或饱和蒸汽的需求，多产高压饱和蒸汽，从而达到节能降耗、提高装置经济性的目的。

技术领域

本发明属于合成天然气领域，具体涉及一种火山型温度序列甲烷合成工艺。

背景技术

高温甲烷合成技术是煤制天然气的关键技术之一，甲烷合成反应体系主要关注以下几个反应：

CO+3H2→CH4+H2O (1)

CO2+4H2→CH4+2H2O (2)

2CO→C+CO2 (3)

CH4→C+2H2 (4)

C+H2O→CO+H2 (5)

其中，(1)和(2)是主要的甲烷合成反应，(3)和(4)是主要的积炭反应，(5)是抑制积炭反应。从反应角度看，反应温度越高、水含量越低，催化剂越容易积炭。积炭导致催化剂粉化、失活，引起反应器堵塞，影响工业装置稳定运行，甚至酿成事故。

为实现工业装置稳定运行，现有的高温甲烷合成技术采用多段串并联、产品气循环、原料气补水相结合的工艺。该工艺中，各段反应器热点温度通常呈降序形式，即反应器从前到后温度逐渐下降(如620℃→600℃→500℃→380℃)，一段反应器补入水蒸汽占原料气总量通常大于5％(V/V)。从逻辑上分析，该工艺自身存在矛盾：反应器热点温度呈降序分布，因而各段反应器对水含量的需求逐渐降低；而客观事实却是，气体中的水蒸气含量逐渐升高(反应(1)和反应(2)生成水)。温度分布与水分布呈倒挂趋势，不利于工业装置操作的稳定性和能量的高效利用。基于以上逻辑分析，现有工艺的缺点有如下具体表现：(1)一次性投资大：为了保证反应器温度呈降温序列，需要很高的循环气量，因而需要的循环压缩机固定投资费用很高；循环气量大，在相同的空速条件下，催化剂装填量大，费用高；(2)操作费用高：循环压缩机功率大、电耗高；为了保证一段反应器在高温条件下不积炭，需要补入大量水/水蒸气，补入水/水蒸汽含量通常大于总气量的5％(V/V)，从而加大了高纯水/水蒸汽的消耗；(3)能量利用效率低：产品气要求不含水，而现有技术需补入大量水/水蒸气，后续需要用循环水将水蒸气冷凝并脱除，从而造成系统能量损耗。

发明内容

本发明的目的在于提供一种火山型温度序列的高温甲烷合成工艺，通过合理分配进入各级高温甲烷合成反应器的新鲜原料气量，优化循环气量，降低循环压缩机投资和电耗，大幅降低高纯水/饱和蒸汽需求，多产高压饱和蒸汽，从而达到节能降耗、提高装置经济性的目的。