專利名稱：余熱推動循環(huán)載熱的煤氣甲烷化技術(shù)與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于煤制代用天然氣生產(chǎn)領(lǐng)域，特別涉及一種煤氣甲烷化技術(shù)
與裝置。
背景技術(shù)：
煤制甲烷氣(或稱代用天然氣，簡稱SNG)是煤炭轉(zhuǎn)化為高熱值氣體燃 料的一種重要途徑，有利于坑口加工、遠(yuǎn)距離輸送和就地捕集減排co2。煤制代用天然氣的關(guān)鍵步驟是含高濃度CO和H2的煤氣甲烷化催化反應(yīng)
CO + 3H2 CH4+H20 (g), A//°=-206.4kJ mol-^CHJH2/C0 = 3的煤氣，每轉(zhuǎn)化1 %的C0，氣體絕熱溫升70 100°C (隨反應(yīng)深度增 加而增加)。工業(yè)上采取列管式外冷等溫催化反應(yīng)器和段間冷卻的多段絕熱催化反應(yīng)器 兩種工藝移走反應(yīng)熱(吳連弟，陳幸達(dá)，王文明等.兩種煤氣甲烷化反應(yīng)器的模擬和比較， 煤炭轉(zhuǎn)化，2006，29 (2) :70 75)。國際上主要采用多段絕熱催化反應(yīng)，通過循環(huán)壓縮機(jī) 使大量產(chǎn)品氣循環(huán)稀釋反應(yīng)介質(zhì)、移走反應(yīng)熱、控制絕熱反應(yīng)溫升，使反應(yīng)器溫度維持在 250 700°C范圍(Haldor Topsoe, From coalto substitute natural gas using TREMP HALD0R TOPS0E recycle methanation process. [EB/0L] [2009-03-28]. http://www. topsoe. com.)。但是循環(huán)壓縮機(jī)消耗動力，相當(dāng)于產(chǎn)品熱值的6%以上，直接降低了該工藝 的能量轉(zhuǎn)化效率和經(jīng)濟(jì)效益。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種無壓縮機(jī)的余熱推 動循環(huán)載熱煤氣甲烷化技術(shù)，節(jié)省動力，增加副產(chǎn)電力輸出，能量利用率提高至少6%以上。 煤氣甲烷化反應(yīng)產(chǎn)物之一是水蒸氣，因此以水蒸汽作為載熱體其性質(zhì)與產(chǎn)品氣相近。本發(fā) 明在反應(yīng)體系壓力0. 15 3. OMPa的范圍內(nèi)，根據(jù)氣-液兩相體系中水蒸汽分壓隨溫度改 變的熱力學(xué)性質(zhì)，利用低溫余熱推動水蒸汽蒸發(fā)_冷凝循環(huán)，代替機(jī)械壓縮循環(huán)，構(gòu)成附圖 所示的余熱推動循環(huán)載熱的煤氣甲烷化技術(shù)工藝流程。本發(fā)明所述余熱推動循環(huán)載熱煤氣甲烷化技術(shù)，其工藝步驟包括煤氣經(jīng)C0變 換、脫硫、脫碳等預(yù)處理成為H2/C0 = 3(摩爾比，下同)的煤氣原料氣，按1 1 1 2的 比例分兩路分別進(jìn)入一段甲烷化絕熱反應(yīng)器1和二段甲烷化絕熱反應(yīng)器2。進(jìn)入一段甲烷 化絕熱反應(yīng)器1的原料氣，首先在蒸發(fā)/冷凝耦合換熱器3的降膜蒸發(fā)側(cè)升溫增濕，其熱量 來自在該間壁式換熱器3另一側(cè)的產(chǎn)品氣冷卻、冷凝放熱。原料氣溫度從常溫上升至蒸發(fā) 飽和溫度T1、濕含量同步上升到汽/氣=3. 0 4. 0 (摩爾比，下同)；產(chǎn)品氣溫度則從換熱 器入口溫度T8下降到冷凝飽和溫度T9、濕含量下降至汽/氣低于0. 02、所含的水蒸汽95% 以上冷凝析出，冷凝水返回該換熱器的降膜蒸發(fā)側(cè)，構(gòu)成蒸發(fā)_冷凝_蒸發(fā)的水蒸汽載熱循 環(huán)。汽/氣比=3. 0 4. 0的原料氣離開換熱器3進(jìn)入原料氣過熱器6，與入口溫度為T7 的產(chǎn)品氣間壁換熱，原料氣溫度上升到T2進(jìn)入一段甲烷化絕熱反應(yīng)器1，原料氣載熱能力 足以控制氣體出口溫度不超過T3、離開反應(yīng)器1進(jìn)入高壓蒸汽過熱器7釋放熱量降溫至T4 為350 420°C后與要進(jìn)入二段甲烷化絕熱反應(yīng)器2的常溫原料氣混合到溫度T5，在二段 甲烷化絕熱反應(yīng)器2完成全部甲烷化反應(yīng)后的產(chǎn)品氣溫度不超過T6，將反應(yīng)熱帶入高壓鍋 爐8副產(chǎn)蒸汽后溫度降到T7為320 420°C，通過一段甲烷化原料氣過熱器6回收產(chǎn)品氣高溫余熱使其溫度降到T8，進(jìn)一步通過蒸發(fā)/冷凝耦合換熱器3回收低溫余熱使其終端出口溫度T9比常溫原料氣進(jìn)口溫度高20 30°C，高壓鍋爐8副產(chǎn)的蒸汽在高壓蒸汽包9中 分離霧沫后在高壓蒸汽過熱器7中被升溫到500 520°C輸出。上述步驟形成封閉循環(huán)系 統(tǒng)，連續(xù)化生產(chǎn)甲烷氣，副產(chǎn)8 12MPa、500 520°C的高壓蒸汽，各步驟的時(shí)間由選用設(shè)備 的能力和實(shí)際負(fù)荷量確定。上述方法中，所述原料氣在間壁式蒸發(fā)/冷凝耦合換熱器3中降膜蒸發(fā)側(cè)升溫增 濕，原料氣與循環(huán)水均從該換熱器頂部均勻分布進(jìn)入換熱管內(nèi)，形成垂直下降的氣液環(huán)狀 兩相流，接受管外側(cè)傳來的熱量而升溫并且蒸發(fā)，提高原料氣的汽/氣比；所述循環(huán)水是從 產(chǎn)品氣析出的冷凝水，由循環(huán)水泵4從冷凝水收集槽5輸送而來；原料氣在換熱管內(nèi)流速 2.0 10. Om/s ；循環(huán)水體積流量與原料氣體積流量之比1 20 1 60。上述方法中，所述通過蒸發(fā)/冷凝耦合換熱器3回收低溫余熱，是指溫度為T7的 產(chǎn)品氣從蒸發(fā)/冷凝耦合換熱器3最下部的殼體接管進(jìn)入換熱器殼程，在管間以不低于 5. Om/s的平均速度向上折流，通過管壁將熱量傳給管內(nèi)的原料氣和循環(huán)水兩相流，產(chǎn)品氣 冷卻并析出冷凝水；向上折流的程數(shù)大于2，每程均有一根冷凝水排出管聯(lián)向低位的冷凝 水收集槽；冷凝水收集槽有一根排放管，定量排出工藝過程產(chǎn)生的水。上述方法中，所述通過蒸發(fā)/冷凝耦合換熱器3原料氣溫度從常溫上升至T1，T1 不超過250°C，產(chǎn)品氣溫度從T8下降到T9，T8為250 280°C，T9為50 100°C ；—段甲 烷化絕熱反應(yīng)器1進(jìn)口溫度T2為270 300°C、出口溫度T3不高于680°C ；二段甲烷化絕 熱反應(yīng)器2進(jìn)口溫度T5為300 320°C、出口溫度T6不高于680°C。上述方法中，所述蒸發(fā)/冷凝耦合換熱器3，由多段的固定管板式管殼換熱器組合 而成，段數(shù)至少兩段，垂直疊放；每段固定管板式管殼換熱器市售可得，各段結(jié)構(gòu)和換熱管 規(guī)格、管數(shù)及布管方式均相同，長度至少2m ；段與段之間用法蘭密封連接；各段管程所有換 熱管的中心線同心布置，段與段之間換熱管端部間隙5 IOm;各段殼體上下兩端開有相同 結(jié)構(gòu)與尺寸的產(chǎn)品氣接口，方位180°對稱，換熱器多段組合后用U型接管將相鄰兩段的產(chǎn) 品氣接口相連，形成殼程折流通道；每段殼體靠近下管板位置開冷凝水排出口，安裝后與該 段冷凝水排出管相聯(lián)；最上和最下的兩段均與錐形封頭相連，安裝后分別連接原料氣進(jìn)、出 接管；上錐形封頭內(nèi)在軸線位置上距換熱器管板500 1200mm高度固定安裝一個螺旋噴 頭，將循環(huán)水向下均勻噴灑到管板上，循環(huán)水接管從上錐形封頭外水平伸入與螺旋噴頭相 連。


附圖1是本發(fā)明所述余熱推動蒸汽循環(huán)載熱的煤氣甲烷化技術(shù)工藝 流程圖。圖中，1- 一段甲烷化絕熱反應(yīng)器、2- 二段甲烷化絕熱反應(yīng)器、3-蒸發(fā)/冷凝耦合換 熱器、4-循環(huán)水泵、5-冷凝水分離器、6-原料氣過熱器、7-高壓蒸汽過熱器、8-高壓蒸汽鍋 爐、9-高壓蒸汽包。
具體實(shí)施方式
結(jié)合實(shí)施例1說明具體實(shí)施方式
，附圖是本實(shí)施例的工藝流程。實(shí)施例1余熱推動蒸汽循環(huán)載熱的煤氣甲烷化生產(chǎn)裝置。生產(chǎn)規(guī)模4000千摩爾 甲烷氣/小時(shí)，產(chǎn)品氣溫度70°C，水份含量低于2% (體積％，下同)；副產(chǎn)10MPa、510°C過 熱蒸汽約300噸/小時(shí)。原料氣是吐/CO = 3的煤氣16000千摩爾/小時(shí)，壓力2. 5MPa，溫 度45°C，水份含量低于1%。所用的蒸發(fā)/冷凝耦合換熱器3由4段市售的固定管板式管殼換熱器組合而成，每段均有相同結(jié)構(gòu)與尺寸，其換熱管根數(shù)1520、長度4米、管徑25毫米， 換熱器殼程接管直徑500毫米。原料氣按1 1.2的比例分兩路分別進(jìn)入一段甲烷化絕熱 反應(yīng)器1和二段甲烷化絕熱反應(yīng)器2。進(jìn)入一段甲烷化絕熱反應(yīng)器1的原料氣，首先從換 熱器3的頂部錐形封頭原料氣進(jìn)口接管進(jìn)入管程，循環(huán)水泵4從冷凝水收集槽5把循環(huán)水 120立方米/小時(shí)通過接管送入該封頭內(nèi)軸線位置上距換熱器管板1000mm高度固定安裝的 一個螺旋噴頭，向下噴灑并與原料氣混合均勻進(jìn)入到換熱管內(nèi)，垂直向下流動連續(xù)通過換 熱器3的各段管程，氣液兩相升溫、蒸發(fā)，氣體溫度達(dá)到230°C、汽/氣3. 8，離開換熱器3的 底部錐形封頭進(jìn)入原料氣過熱器6，被加熱到280°C，進(jìn)入一段甲烷化絕熱反應(yīng)器1后溫度 升高到600°C離開該反應(yīng)器，進(jìn)入高壓蒸汽過熱器7釋放熱量降溫至400°C后與要進(jìn)反應(yīng)器 2的常溫原料氣混合到溫度310°C，進(jìn)入二段甲烷化絕熱反應(yīng)器2完成全部甲烷化反應(yīng)后的 產(chǎn)品甲烷氣溫度約650°C，在高壓鍋爐8釋放熱量副產(chǎn)lOMPa蒸汽約300噸/小時(shí)、產(chǎn)品氣 溫度降到約350°C，進(jìn)入原料氣過熱器6繼續(xù)降溫到280°C，然后從蒸發(fā)/冷凝耦合換熱器 3底部殼程接管進(jìn)入該換熱器管間折流4次冷卻并析出冷凝水，產(chǎn)品氣溫度降低到70°C、離 開換熱器3進(jìn)入冷凝水分離器5，氣水分離最終達(dá)到產(chǎn)品甲烷氣含水低于2%，冷凝水則從 換熱器3各段殼程排放到冷凝水分離器5收集，由循環(huán)水泵4向換熱器3送回120立方米 /小時(shí)重新蒸發(fā)，工藝過程產(chǎn)生約70立方米/小時(shí)冷凝水從收集槽5底部排出系統(tǒng)。鍋爐 補(bǔ)水進(jìn)入高壓鍋爐8接受二段甲烷化絕熱反應(yīng)產(chǎn)品氣熱量蒸發(fā)副產(chǎn)lOMPa蒸汽約300噸/ 小時(shí)，通過高壓蒸汽包9分離霧沫后在高壓蒸汽過熱器7中接受一段甲烷化絕熱反應(yīng)氣熱 量過熱到510°C。
權(quán)利要求
一種余熱推動蒸汽循環(huán)載熱的煤氣甲烷化技術(shù)，其特征在于工藝步驟包括余熱推動蒸發(fā)/冷凝耦合的蒸汽循環(huán)、高汽/氣比載熱的甲烷化絕熱反應(yīng)和冷凝水循環(huán)；余熱推動蒸發(fā)/冷凝耦合的蒸汽循環(huán)是通過一個蒸發(fā)/冷凝耦合的換熱器，使產(chǎn)品氣在殼程在280～50℃溫區(qū)冷卻、冷凝放熱，推動H2/CO＝3的常溫煤氣原料氣在管程降膜升溫同時(shí)蒸發(fā)增濕，從產(chǎn)品氣降溫析出的冷凝水返回管程重新參與蒸發(fā)增濕；高汽/氣比載熱的甲烷化絕熱反應(yīng)是將H2/CO＝3的煤氣通過降膜升溫蒸發(fā)增濕，其載熱能力隨汽/氣比提高而增加，使甲烷化絕熱反應(yīng)器出口溫度不超過680℃；冷凝水循環(huán)是將產(chǎn)品氣在蒸發(fā)/冷凝耦合換熱器各段殼程冷卻析出的冷凝水集中收集到低位布置的冷凝水收集槽，用循環(huán)水泵將其送回蒸發(fā)/冷凝耦合換熱器頂部，均勻分布在所有換熱管內(nèi)，與原料氣混合形成垂直降膜蒸發(fā)，以水蒸汽形態(tài)參與反應(yīng)載熱后，通過產(chǎn)品氣冷卻又重新析出；上述步驟形成封閉循環(huán)系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的余熱推動蒸汽循環(huán)載熱的煤氣甲烷化技術(shù)，其特征在于 0. 15 3. OMPa的常壓與加壓范圍內(nèi)，均可通過蒸發(fā)/冷凝耦合換熱器使H2/CO = 3的煤氣 降膜升溫蒸發(fā)增濕達(dá)到3. 0 4. 0的汽/氣比、使產(chǎn)品氣放熱降溫減濕達(dá)到汽/氣比低于 0. 02。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的余熱推動蒸汽循環(huán)載熱的煤氣甲烷化技術(shù)，其特征在于 將H2/CO = 3的常溫原料氣分為兩部分，第一部分通過升溫蒸發(fā)增濕使汽/氣比達(dá)到3. 0 4. 0、過熱到270 300°C后進(jìn)入一段甲烷化絕熱反應(yīng)器，溫度上升至不超過680°C，降溫 并與第二部分原料氣混合后溫度300 320°C直接進(jìn)入二段甲烷化絕熱反應(yīng)器，完成全部 甲烷化反應(yīng)后其出口溫度也不超過680°C ；第一部分與第二部分原料氣分配比為1 1 1 2。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的余熱推動蒸汽循環(huán)載熱的煤氣甲烷化技術(shù)，其特征在于 冷凝水循環(huán)體積流量與原料氣體積流量之比為1 20 1 60。
5.一種蒸發(fā)/冷凝耦合換熱器，其特征在于由市售的多段固定管板式管殼換熱器組合 而成，段數(shù)至少兩段，垂直疊放；各段結(jié)構(gòu)和換熱管規(guī)格、管數(shù)及布管方式均相同，長度至少 2m ；段與段之間用法蘭密封連接；各段管程所有換熱管的中心線同心布置，段與段之間換 熱管端部間隙5 IOm ；各段殼體上下兩端開有相同結(jié)構(gòu)與尺寸的產(chǎn)品氣接口，方位180° 對稱，用U型接管將相鄰兩段的產(chǎn)品氣接口相連，形成殼程折流通道；每段殼體靠近下管板 位置開冷凝水排出口 ；最上和最下的兩段均與錐形封頭相連，上錐形封頭內(nèi)在軸線位置上 距換熱器管板500 1200mm高度固定安裝一個螺旋噴頭，循環(huán)水接管從上錐形封頭外水平 伸入與螺旋噴頭相連。
全文摘要
一種余熱推動蒸汽循環(huán)載熱的煤氣甲烷化技術(shù)，在0.15～3.0MPa的常壓與加壓范圍內(nèi)，通過一個蒸發(fā)/冷凝耦合的換熱器，利用250℃以下產(chǎn)品氣在殼程冷卻、冷凝的余熱，推動部分原料氣在管程降膜升溫同時(shí)增濕達(dá)到3.0～4.0的汽/氣比，其載熱能力使其在一段甲烷化絕熱反應(yīng)器出口溫度不超過680℃，在高壓蒸汽過熱器內(nèi)釋放熱量降溫后與另一部分常溫原料氣混合，在二段甲烷化絕熱反應(yīng)器中完成全部反應(yīng)并使其出口溫度也不超過680℃；通過高壓蒸汽鍋爐和過熱器回收產(chǎn)品氣的高溫顯熱后，通過蒸發(fā)/冷凝耦合的換熱器回收其250℃以下的低溫余熱，用原料氣升溫和循環(huán)水蒸發(fā)使產(chǎn)品氣冷卻并析出冷凝水；用循環(huán)水泵將冷凝水送入蒸發(fā)/冷凝耦合換熱器的管程，與原料氣混合降膜蒸發(fā)，形成蒸發(fā)/冷凝循環(huán)。升溫重新蒸發(fā)進(jìn)的余熱使增濕，重新節(jié)省動力，增加副產(chǎn)電力輸出，能量利用率提高至少6％以上。蒸發(fā)/冷凝耦合換熱器由多段垂直組合，原料氣與循環(huán)水在貫通的管程由上而下降膜蒸發(fā)升溫增濕，產(chǎn)品氣自下而上折流通過各段管間冷卻、冷凝。
文檔編號F28D1/04GK101875863SQ20091005912
公開日2010年11月3日 申請日期2009年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月29日
發(fā)明者周勇, 夏素蘭, 張峰榛, 朱家驊, 陳建利 申請人:四川大學(xué)