[发明专利]一种无循环甲烷化工艺中能量的优化利用系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种甲烷化工艺，尤其涉及一种无循环甲烷化工艺中能量的优化利用系统及方法。

背景技术

甲烷化工艺是指合成气中CO、CO₂和H₂在一定的温度、压力及催化剂的作用下，发生甲烷化反应生成甲烷的过程。该反应为强放热反应(强放热反应通常是指焓值大于200kJ/mol的反应)，在通常的合成气体组份下，每一个百分点的CO甲烷化可产生74℃的绝热温升，每一个百分点的CO₂甲烷化可产生60℃的绝热温升。受到反应平衡及催化剂性能的限制，在甲烷化工艺中，通常通过设置多级串联的反应器来实现合成气的完全甲烷化。根据反应器内原料气消耗量的不同，甲烷化工艺又包括配气甲烷化(或大量甲烷化)和补充甲烷化(或完全甲烷化)两阶段。大部分甲烷在第一阶段(通常分为2～4级)生成，第二阶段主要是为了实现合成气的完全甲烷化，通过逐级(通常分为2～3级)平衡降温来实现。在配气甲烷化阶段，由于反应器内反应消耗的原料气量大，反应温升剧烈，反应器内部温度高，一般可达500～700℃。因而工业化的甲烷化反应器多通过设置耐火衬里来降低反应器的金属壁温，同时，为了减小耐火衬里的厚度，反应器的外壁裸露在环境中以强化散热。这不仅增加了设备投资、增大了耐火衬里损坏时可能造成的安全风险、增大了反应器外壁存在的烫伤风险，也降低了系统的能量利用率。

同时，配气甲烷化阶段反应器的出口温度高，下游多通过设置废热锅炉的形式来降低工艺气体的温度，当废热锅炉副产蒸汽的压力等级较高时，由于蒸汽温度高，废热锅炉两侧的传热温差减小，废热锅炉出口工艺气体温度较高，此时若直接进入下一级反应器，则下一级反应器中CO或H₂单程转化率会有所降低，对甲烷化反应不利。因而应设计合理的工艺流程来降低反应器入口的工艺气温度。

在甲烷化工艺中，配气甲烷化阶段随反应的进行会产生大量的水，而水含量过大会对甲烷化反应的正向进行起到抑制作用，因而在配气甲烷化阶段反应结束后，会将工艺气体的温度降低至100℃以下，以分离掉工艺气体中含有的大量水分。在补充甲烷化阶段，随反应的进行也会产生一定量的水分，而合成天然气产品中对水含量也有严格的要求，一般需要将工艺气体的温度降低至50℃以下，以初步除去气体中含有的水分。在配气甲烷化阶段及补充甲烷化阶段的工艺气降温过程中，当工艺气温度降低至140℃～180℃左右时，工艺气体中仍然携带大量的低品位热量，而该部分热量往往由于品位低，利用难度大，最终在较高的温度下通过循环水冷却至所需温度。这不仅造成了能量的浪费，而且降低了企业的经济效益。

发明内容

本发明的目的是提供一种无循环甲烷化工艺中能量的优化利用系统及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的无循环甲烷化工艺中能量的优化利用系统，包括配气甲烷化阶段和补充甲烷化阶段，所述配气甲烷化阶段设有多级反应器，所述补充甲烷化阶段设有一级或多级反应器；

所述配气甲烷化阶段的各级反应器外部设有反应器冷却夹套，所述配气甲烷化阶段的各级反应器的进口管线上设有富CO气冷激管线，所述配气甲烷化阶段的末端及补充甲烷化阶段的末端分别设有热泵，所述配气甲烷化阶段除第一级反应器之外的各级反应器进口的上游分别设有反应器入口换热器，所述补充甲烷化阶段除第一级反应器之外的其它反应器进口的上游分别设有反应器入口换热器。

本发明的无循环甲烷化工艺中能量的优化利用系统实现无循环甲烷化工艺中能量的优化利用方法，包括：

所述反应器冷却夹套采用脱盐水、锅炉水或其它液体作为冷却介质，换热后的冷却介质以热液体或蒸汽的形式输出；

所述反应器入口换热器通过加热原料富H₂气、锅炉水或蒸汽等实现降低反应器进口温度；

所述配气甲烷化阶段的热泵与补充甲烷化阶段的热泵上游的预热器用于初步预热原料富H₂气、原料富CO气或脱盐水等。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的无循环甲烷化工艺中能量的优化利用系统及方法，通过设置反应器冷却夹套的技术来降低反应器的外壁温度及反应器耐火衬里的厚度，通过在反应器入口设置富CO气冷激管线或反应器入口换热器的技术来降低反应器的入口温度，通过热泵技术充分利用无循环甲烷化工艺中的低品位热量来副产较高品位的蒸汽。

附图说明

图1为本发明实施例提供的无循环甲烷化工艺中能量的优化利用系统的结构示意图。

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