專(zhuān)利名稱(chēng)：合成天然氣的產(chǎn)生系統(tǒng)和有關(guān)方法
發(fā)明的背景1.發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及生產(chǎn)合成天然氣的方法和設(shè)備，更確切地說(shuō)，是涉及使用合成氣生產(chǎn)合成天然氣的方法和設(shè)備。
2.有關(guān)技術(shù)的描述人們對(duì)使用合成氣來(lái)生產(chǎn)合成天然氣的方法已經(jīng)進(jìn)行了廣泛的研究和開(kāi)發(fā)。
美國(guó)專(zhuān)利4011058公開(kāi)了一種由煤炭汽化生產(chǎn)合成天然氣的方法。在空氣和二氧化碳的存在下將碳質(zhì)物質(zhì)如煤炭氣化生成含有一氧化硫，二氧化碳和氮?dú)獾墓に囄锪?。采用這樣的氣化方法，需要使用復(fù)雜的步驟和使用各種各樣的吸收劑體系來(lái)生產(chǎn)合成氣，這樣將使得生產(chǎn)合成氣的成本提高。另一個(gè)缺點(diǎn)是生產(chǎn)合成氣的設(shè)備尺寸變大和制造費(fèi)用非常高。
美國(guó)專(zhuān)利4160649公開(kāi)了一種由煤油沸程烴生產(chǎn)合成天然氣的多步驟水蒸氣轉(zhuǎn)化方法。該方法需要在不同反應(yīng)條件下的許多復(fù)雜步驟，這就要求對(duì)這些不同的反應(yīng)條件要熟練地操作和控制。這使得生產(chǎn)合成天然氣的費(fèi)用提高。
美國(guó)專(zhuān)利4209305還公開(kāi)了一種由礦物燃料如原油組成的原料生產(chǎn)合成天然氣的方法。該方法具有在美國(guó)專(zhuān)利4160649中遇到的相同問(wèn)題，此外，因?yàn)榇謿怏w是硫污染的，因此，必須要設(shè)有復(fù)雜的脫硫步驟，這樣就使得純化產(chǎn)品氣體的費(fèi)用大大提高。
美國(guó)專(zhuān)利4239499公開(kāi)了由甲醇和水蒸汽生產(chǎn)合成天然氣的單步驟催化方法。使用甲醇和水蒸汽作為原料大大地增加了原料的費(fèi)用，從而難以減少合成天然氣的生產(chǎn)費(fèi)用。
發(fā)明的概述所以，本發(fā)明的目的是提供一種非常低成本的由固體碳物質(zhì)和進(jìn)料水高質(zhì)量地生產(chǎn)合成天然氣的方法和設(shè)備。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種生產(chǎn)合成天然氣的方法，該方法包括步驟準(zhǔn)備一個(gè)熱等離子體反應(yīng)器，該反應(yīng)器具有熱反應(yīng)室和位于該反應(yīng)室中的電弧放電電極；將固體碳物質(zhì)放入反應(yīng)室，并在固體碳物質(zhì)中形成許許多多細(xì)小的電弧通道；給電弧極分別供電以在細(xì)小的電弧通道中產(chǎn)生電弧放電等離子體；將水蒸汽通過(guò)細(xì)小的電弧通道產(chǎn)生電弧放電等離子體，以使水蒸汽與固體碳物質(zhì)反應(yīng)生成含有H2和CO的合成氣；將合成氣通入甲烷化反應(yīng)器的甲烷化催化劑中以合成合成天然氣。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種生產(chǎn)合成天然氣的方法，該方法包括步驟準(zhǔn)備一個(gè)熱等離子體反應(yīng)器，該反應(yīng)器具有熱反應(yīng)室和位于該反應(yīng)室中的電弧放電電極；將固體碳物質(zhì)放入反應(yīng)室，并在固體碳物質(zhì)中形成許許多多細(xì)小的電弧通道；給電弧電極分別供電以在細(xì)小的電弧通道中產(chǎn)生電弧放電等離子體；將由水蒸汽組成的等離子氣體通過(guò)細(xì)小的電弧通道產(chǎn)生電弧放電等離子體，以使水蒸汽與固體碳物質(zhì)反應(yīng)生成含有H2和CO的合成氣；測(cè)定H2和CO的濃度以產(chǎn)生H2和CO的檢測(cè)信號(hào)；由H2和CO檢測(cè)信號(hào)計(jì)算H2/CO比以生產(chǎn)電弧電流控制信號(hào)；為了控制其電弧放電電流，根據(jù)電弧電流控制信號(hào)調(diào)節(jié)供給電弧電極的電能，以控制電弧放電等離子體的溫度，從而調(diào)節(jié)H2/CO比在一給定值；將合成氣通入甲烷化反應(yīng)器的甲烷化催化劑中以合成合成天然氣。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種合成天然氣的生產(chǎn)設(shè)備，該設(shè)備包括具有固體碳供給口、進(jìn)料水供給口，具有合成氣出口的絕緣套管，在絕緣套管中形成的電弧等離子體室，位于電弧等離子體室中的電弧放電電極，和在電弧等離子體室中裝有的固體碳物質(zhì)形成的許多的細(xì)小的電弧通道的電弧等離子體反應(yīng)器；將進(jìn)料水供給進(jìn)料水供給口以使進(jìn)料水變?yōu)樗羝倪M(jìn)料水供給泵；將電能供給電弧電極的電弧電源，使電弧放電等離子體在細(xì)小的電弧通道中產(chǎn)生，從而使水蒸汽與固體碳物質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)生含有H2和CO的合成氣；和具有將合成氣轉(zhuǎn)化為合成天然氣的甲烷化催化劑的甲烷化反應(yīng)器。
附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明通過(guò)參考下列對(duì)優(yōu)選實(shí)施方案和附圖的描述可以更好地理解本發(fā)明、及其目的和優(yōu)點(diǎn)，其中

圖1是進(jìn)行本發(fā)明方法的本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案的合成天然氣生產(chǎn)系統(tǒng)的示意圖；圖2是作為圖1所示的合成氣生產(chǎn)系統(tǒng)一部分的電弧等離子體反應(yīng)器的橫剖面視圖；圖3是圖1所示的控制器的方框圖；和圖4是說(shuō)明圖1所示的合成天然氣生產(chǎn)系統(tǒng)的操作的基本順序流程圖。
優(yōu)選實(shí)施方案的詳述參看附圖，圖1顯示了應(yīng)用本發(fā)明方法的本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案的合成天然氣生產(chǎn)系統(tǒng)10。
在圖1中，合成天然氣生產(chǎn)系統(tǒng)10包括供應(yīng)固體碳物質(zhì)例如顆粒、粒子或球狀或丸狀石墨物質(zhì)或活性碳物質(zhì)的固體碳加料裝置12，進(jìn)料水供料線11，將進(jìn)料水供給進(jìn)料水供料線11的水進(jìn)料泵P1，調(diào)節(jié)進(jìn)料水流速的流量控制閥13，和熱等離子體反應(yīng)器PR，該反應(yīng)器PR在水存在下將碳進(jìn)料轉(zhuǎn)化成主要含有氫和一氧化碳的合成氣SG。溫度傳感器T1安裝在等離子反應(yīng)器PR中以測(cè)定等離子反應(yīng)器PR的等離子反應(yīng)室的溫度并產(chǎn)生溫度信號(hào)，合成氣再循環(huán)管道15連接在等離子反應(yīng)器PR的進(jìn)口和出口之間以循環(huán)一部分合成氣SG到等離子反應(yīng)器PR的進(jìn)口。流量控制閥17安裝在合成氣再循環(huán)管道15上以調(diào)節(jié)再循環(huán)到等離子反應(yīng)器PR的合成氣流速。
第一換熱器H1位于等離子反應(yīng)器PR的下游，通過(guò)與合成氣熱交換來(lái)預(yù)熱進(jìn)料水，冷卻裝置C1與第一換熱器H1連接以冷卻合成氣至適合于后來(lái)反應(yīng)的所需低溫。第一膨脹閥V1連接在冷卻裝置C1和第一液/氣分離器S1之間，分離器S1從合成氣SG分離出水分以收集冷凝水。冷凝水循環(huán)管線19連接到液/氣分離器S1的出口，以通過(guò)水再循環(huán)泵P2將由第一分離器S1出口排出的冷凝水循環(huán)到進(jìn)料水供料線11。
第一液面?zhèn)鞲衅鱈1安裝在液/氣分離器S1以測(cè)定第一液/氣分離器S1中保持的冷凝水高度，產(chǎn)生第一液位信號(hào)。氫氣傳感器H2S和CO傳感器COS也安裝在第一液/氣分離器S1上以測(cè)定氫氣(H2)濃度和一氧化碳(CO)濃度，從而分別產(chǎn)生H2檢測(cè)信號(hào)和CO檢測(cè)信號(hào)。
壓縮機(jī)CM連接到第一液/氣分離器S1的氣體出口，以加壓合成氣SG到15-50大氣壓的數(shù)值范圍。壓力傳感器PS安裝在壓縮機(jī)CM的出口以測(cè)定加壓的合成氣SG的壓力，產(chǎn)生一壓力信號(hào)。甲烷化反應(yīng)器MR裝有甲烷化催化劑，該催化劑將合成氣轉(zhuǎn)換成合成天然氣(SNG)。加熱器100向甲烷化反應(yīng)器MR供應(yīng)熱介質(zhì)，以便在250-500℃溫度范圍內(nèi)加熱反應(yīng)器。溫度傳感器T2安裝在甲烷化反應(yīng)器MR上，用于測(cè)定甲烷化反應(yīng)器MR中的反應(yīng)溫度，產(chǎn)生反應(yīng)溫度信號(hào)。
第二換熱器H2位于甲烷化反應(yīng)器MR的出口，用于冷卻SNG，冷卻器C2進(jìn)一步冷卻SNG。第二膨脹閥V2連接在第二換熱器H2和第二液/氣分離器S2之間，第二液/氣分離器S2從副產(chǎn)物水中分離出SNG。氣流傳感器102連接到第二液體氣體分離器S2的出口以測(cè)定SNG的流速，并產(chǎn)生SNG流速檢測(cè)信號(hào)。冷凝水循環(huán)管線21與冷凝水循環(huán)管線19連接以將副產(chǎn)物冷凝水與新鮮進(jìn)料水管線11中的進(jìn)料水混合。支流閥V3提供一部分SNG到燃?xì)廨啓C(jī)EG的燃燒室CB，該燃?xì)廨啓C(jī)EG連接到并驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)16。電能控制器104連接到發(fā)電機(jī)16，該電能控制器104由交流三相換流器組成，并以以后所述的方式將發(fā)電機(jī)16的電能輸出轉(zhuǎn)換成所需輸出電壓和預(yù)定輸出頻率的三相交流電能輸出。此外，地震傳感器105安裝在合成天然氣生產(chǎn)系統(tǒng)以測(cè)定地震，并生產(chǎn)其標(biāo)示的輸出信號(hào)。
將溫度傳感器T1，T2產(chǎn)生的溫度檢測(cè)信號(hào)、第一和第二液面?zhèn)鞲衅鱈1，L2產(chǎn)生的液位信號(hào)、氫氣傳感器H2S產(chǎn)生的H2濃度信號(hào)、CO傳感器COS產(chǎn)生的CO濃度信號(hào)、壓力傳感器PS產(chǎn)生的壓力檢測(cè)信號(hào)、SNG流速傳感器102產(chǎn)生的SNG流速檢測(cè)信號(hào)、和地震傳感器105產(chǎn)生的地震檢測(cè)信號(hào)提供給控制器106，控制器106控制合成天然氣生產(chǎn)系統(tǒng)10的運(yùn)行。
圖2顯示了圖1所示的熱等離子體反應(yīng)器PR的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。在圖2中，熱等離子體反應(yīng)器PR包括與固體碳加料裝置12連接的熱反應(yīng)器裝置14，和電弧放電電源16。固體碳加料裝置12由儲(chǔ)存固體碳物質(zhì)的進(jìn)料斗20、螺旋進(jìn)料機(jī)22和以預(yù)定的速度連續(xù)供給固體碳物質(zhì)的旋轉(zhuǎn)閥24組成。熱反應(yīng)器裝置14包括由耐熱陶瓷制成的圓筒形的外絕緣套管26，和具有圓筒形熱等離子體反應(yīng)室34的內(nèi)部絕緣套管32。絕緣電極支持物28通過(guò)固定螺栓30與內(nèi)部絕緣套管32的上端連接在一起。熱等離子體反應(yīng)室34具有由水蒸汽發(fā)生區(qū)34A形成的上游側(cè)和由合成氣發(fā)生區(qū)34B形成的下游側(cè)。當(dāng)將固體碳物質(zhì)加入到熱等離子體反應(yīng)室34中時(shí)，在固體碳物質(zhì)中形成的相鄰縫隙之間形成了很多細(xì)小的電弧通道35，通過(guò)這些電弧通道由于均勻方式的電花產(chǎn)生了許許多多電弧等離子體。當(dāng)發(fā)生上述情況時(shí)，進(jìn)料水在水蒸汽產(chǎn)生部分34A經(jīng)受了高溫轉(zhuǎn)化成水蒸汽物流。該水蒸汽物流通過(guò)大量的細(xì)微弧通道35流向下游。在水蒸汽物流流動(dòng)期間，在電弧等離子體存在下水蒸汽與固體碳物質(zhì)反應(yīng)形成合成氣。當(dāng)?shù)入x子體反應(yīng)室34中的反應(yīng)溫度在約835℃時(shí)，合成氣含有47.8％的H2、9.8％的CO、16.4％的CH4、13.8％的CO2、2.0％的C2H2、1.0％的C2H6、2.4％的O2和2.2％的剩余烴(CxHy)。當(dāng)反應(yīng)溫度為約1000℃時(shí)，該合成含有75.5％的H2、13.4％的CO、2.0％的CH4、7.6％的CO2、0.3％的C2H2、0.1％的C2H6、2.4％的O2和2.2％的剩余烴(CxHy)。因此，可以看出，合成氣中的氫濃度隨著反應(yīng)溫度的提高而增加，而且，可調(diào)節(jié)H2/CO比率至適當(dāng)?shù)闹狄杂行У剞D(zhuǎn)化合成氣成為合成天然氣(SNG)。
絕緣電極支持物28支撐棒狀電弧放電電極36，38，40。環(huán)狀圓盤(pán)形中性電極42位于絕緣套管32下部。中性電極42有一個(gè)錐形面42a和一個(gè)中心孔42b。裝入中性電極42并用在絕緣套管26底部形成的電極支持物78支撐和用固定螺栓80就地固定。電極支持物28具有一個(gè)與固體碳加料裝置12連接的碳進(jìn)料口50。外面的絕緣套管26的上部有一個(gè)在電弧電極36，38，40的上面區(qū)域附近形成的進(jìn)料水進(jìn)料口52以便將進(jìn)料水引入水蒸汽發(fā)生區(qū)34A。這有利于進(jìn)料水作為冷卻劑來(lái)防止電極36，38，40的溫度升得過(guò)高，并且有利于進(jìn)料水有效地轉(zhuǎn)變?yōu)樽鳛榈入x子氣體的水蒸汽，以便促進(jìn)在合成氣發(fā)生區(qū)34B中產(chǎn)生許多電弧。內(nèi)套32和中性電極42的外圍形成有由環(huán)狀冷卻劑通道54組成的冷卻和熱回收區(qū)63，相鄰的冷卻劑通道通過(guò)中間通道54相互連接。外絕緣套管26有一個(gè)進(jìn)口74和一個(gè)出口76，該進(jìn)口和出口通過(guò)冷卻劑通道54彼此連通。由螺栓80經(jīng)密封板83連接到電極支持物78上的是絕緣端板82。中性電極42和端板82分別具有同心孔42b和82a，過(guò)濾器84擋住了合成氣穿過(guò)其中。端板82具有一個(gè)合成氣出口86。
進(jìn)口74連接到進(jìn)料水管線11，出口76連接到進(jìn)料水進(jìn)料口52。出口86連接到合成氣再循環(huán)管道15，再循環(huán)管道15通過(guò)流量控制閥17隨后連接到進(jìn)料水進(jìn)料口52。進(jìn)料水在冷卻區(qū)63預(yù)熱并從出口76排出進(jìn)入進(jìn)料水進(jìn)料口52。然后將進(jìn)料水引入水蒸汽發(fā)生區(qū)34A形成由水蒸氣組成的等離子氣體。從出口86排出的一部分合成氣通過(guò)合成氣再循環(huán)管道15和進(jìn)料水進(jìn)料口52進(jìn)入熱等離子體反應(yīng)室34，在反應(yīng)室34中發(fā)生水轉(zhuǎn)移反應(yīng)。代號(hào)88表示密封部件。
在圖2中，電極支持物28固定地支撐三相棒狀電極36，38，40，這些電極提供有來(lái)自電弧放電電源16的交流三相電力。中性電極42與三相電弧功率放電電源16的中點(diǎn)連接，電源16提供了輸出頻率為10-60赫茲、輸出電壓范圍為30-240伏特的電力輸出。
在圖3中，控制器106包括一個(gè)ROM(只讀存儲(chǔ)器)110，該ROM儲(chǔ)存控制程序和參考數(shù)據(jù)用于控制合成天然氣生產(chǎn)系統(tǒng)10的操作，一個(gè)CPU(中央處理器)112，該CPU執(zhí)行控制程序和數(shù)據(jù)，和一個(gè)RAM(隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)114，該RAM儲(chǔ)存預(yù)置條件、相應(yīng)的值和來(lái)源于不同的傳感器的輸入信息。CPU112由輸入裝置116組成并與溫度傳感器T1，T2，氫氣濃度傳感器H2S，CO傳感器COS，液面?zhèn)鞲衅鱈1，L2，SNG流速傳感器102，壓力傳感器PS和地震傳感器105連接以接收相應(yīng)的檢測(cè)信號(hào)。CPU112將這些輸入信號(hào)與有關(guān)的參考信號(hào)比較，根據(jù)這些相應(yīng)的信號(hào)之間的各個(gè)差異產(chǎn)生不同的指令信號(hào)，將這些指令信號(hào)提供給換熱器100，電力控制器104，流量控制閥13，17和泵P1，P2。顯示驅(qū)動(dòng)電路108接收顯示驅(qū)動(dòng)信號(hào)以在監(jiān)視器110上提供操作參數(shù)的顯示，比如測(cè)定的壓力，H2濃度，CO濃度，H2/CO比和SNG流速。
輸入裝置116包括啟動(dòng)開(kāi)關(guān)(未畫(huà)出)和十位按鍵，十位按鍵用于預(yù)置不同的參考數(shù)據(jù)例如熱等離子體反應(yīng)器和甲烷化反應(yīng)器MR的各自最佳操作溫度，最佳H2/CO比，壓縮機(jī)CM的目標(biāo)壓力，冷凝水的高度植L1，L2，和目標(biāo)地震程度。
圖4顯示了說(shuō)明按照本發(fā)明的合成天然氣生產(chǎn)方法進(jìn)行控制器106的控制操作的基本順序的流程圖。
當(dāng)啟動(dòng)鍵被打開(kāi)時(shí)，將電力提供給合成天然氣生產(chǎn)系統(tǒng)。在步驟S100中，將加熱介質(zhì)從換熱器100提供到甲烷化反應(yīng)器MR，從而加熱甲烷化反應(yīng)器MR。在步驟102中，用溫度傳感器T2測(cè)定甲烷化反應(yīng)器MR的溫度，控制器辨別測(cè)定的溫度是否超過(guò)250℃的值。在測(cè)定的溫度超過(guò)250℃時(shí)，該操作進(jìn)入步驟S104。相反，當(dāng)測(cè)定的溫度低于250℃時(shí)，該操作返回到步驟S100。
在步驟S104中，向熱等離子體反應(yīng)器PR提供電弧放電電壓，在步驟S106，108中，打開(kāi)回轉(zhuǎn)進(jìn)料器24和泵P1，將固體碳物質(zhì)和進(jìn)料水提供給熱等離子體反應(yīng)器PR。這時(shí)，在熱等離子體反應(yīng)器PR中進(jìn)料水在水蒸汽產(chǎn)生區(qū)34A轉(zhuǎn)變成水蒸汽，水蒸汽流以等離子氣體的形式流過(guò)細(xì)小的等離子體通道35以促進(jìn)大量電弧放電等離子體的產(chǎn)生。在水蒸汽流動(dòng)期間，在合成氣產(chǎn)生區(qū)35B中在電弧放電等離子體存在下水蒸汽與固體碳物質(zhì)反應(yīng)生成合成氣SG。
在步驟S110中，控制器106辨別溫度信號(hào)T1是否超過(guò)1000℃的值，在″是″的情況下，操作進(jìn)入S112，但在″否″的情況下，操作進(jìn)入步驟S114。
在步驟S112中，一部分合成氣再循環(huán)到等離子反應(yīng)器PR。在步驟S114中，電力控制器104提高了三相電力的輸出頻率，從而提高了放電電壓，其根據(jù)V/F(電壓/頻率)的形態(tài)而變化，并提高經(jīng)過(guò)等離子反應(yīng)器PR的電弧放電電流，此后，操作返回到步驟S106。當(dāng)電弧放電電流增加時(shí)，熱等離子體溫度提高，從而增加了H2/CO的比率。
在步驟S112中，當(dāng)部分合成氣提供給熱等離子體反應(yīng)器PR時(shí)，合成氣中所含的一氧化碳和二氧化碳與水蒸汽反應(yīng)發(fā)生水轉(zhuǎn)移反應(yīng)。
在步驟S113中，打開(kāi)壓縮機(jī)CM壓縮合成氣SG。
在步驟S116中，控制器106辨別壓力信號(hào)PS是否超過(guò)15大氣壓的參考?jí)毫?。?dāng)壓力信號(hào)超過(guò)參考?jí)毫r(shí)，該操作進(jìn)入步驟S118。相反，如果壓力信號(hào)低于該參考?jí)毫r(shí)，那么，該操作返回到步驟S100。
在步驟S118中，控制器106的CPU112根據(jù)氫氣濃度信號(hào)H2S和CO濃度信號(hào)CO計(jì)算的H2/CO比率，計(jì)算的H2/CO比率與參考值比較。如果該計(jì)算的H2/CO比率高于3，那么該操作進(jìn)入步驟S120。相反，如果該計(jì)算的H2/CO比率低于3，那么，該操作返回到步驟S100。
在步驟S120中，通過(guò)減小流量控制閥17的開(kāi)度來(lái)降低再循環(huán)氣體的流速。
在步驟S122中，控制器106辨別冷凝水高度L1，L2是否分別超過(guò)參考高度。如果這些液位信號(hào)分別超過(guò)參考高度，那么該操作進(jìn)入步驟S124。相反，如果該液位信號(hào)低于各自的參考高度，那么該操作返回到步驟S100。
在步驟S124中，關(guān)閉泵P1停止供應(yīng)進(jìn)料水，而打開(kāi)泵P2。此時(shí)，第一和第二氣液分離器S1，S2中的冷凝水經(jīng)冷凝水循環(huán)管線19，21和進(jìn)料水供料線11循環(huán)到等離子反應(yīng)器PR。
在步驟S126中，控制器106辨別SNG的流速是否超過(guò)SNG的參考流速。如果SNG的流速超過(guò)給定值，那么該操作進(jìn)入步驟S128。相反，如果SNG的流速低于給定值，那么如上所述該操作返回到步驟S114。在步驟S128中，合成天然氣生產(chǎn)系統(tǒng)的操作是繼續(xù)的。但是，如果地震信號(hào)超過(guò)給定值，那么，停止命令會(huì)傳給合成天然氣生產(chǎn)系統(tǒng)，便停止該系統(tǒng)操作。
現(xiàn)在，參考圖1描述合成天然氣生產(chǎn)系統(tǒng)10的操作。在圖1中，首先，啟動(dòng)換熱器100以維持甲烷化反應(yīng)器MR在250-500℃。在此期間，將電弧放電電力提供給熱等離子體反應(yīng)器PR的電弧放電電極，同時(shí)驅(qū)動(dòng)螺旋進(jìn)料機(jī)22和旋轉(zhuǎn)閥24，將固體碳物質(zhì)加到熱等離子體PR。然后，驅(qū)動(dòng)進(jìn)料水供給泵P1，將進(jìn)料水從進(jìn)料水進(jìn)料口52供給熱等離子體反應(yīng)室34的水蒸汽產(chǎn)生區(qū)34A，進(jìn)料水經(jīng)受高溫產(chǎn)生等離子氣體。等離子氣體流入許多細(xì)小的等離子體通道35，水蒸汽與固體碳物質(zhì)在高于1000℃的溫度下反應(yīng)，轉(zhuǎn)變成具有H2/CO比率大于3的合成氣。合成氣SG在第一換熱器H1中冷卻，然后在冷卻器C1中進(jìn)一步冷卻至60-90℃。如此冷卻的合成氣經(jīng)關(guān)閉閥V1供給液/氣分離器S1，在此從合成氣SG中分離出作為冷凝水的水份。當(dāng)冷凝水達(dá)到L1高度時(shí)，驅(qū)動(dòng)泵P2將冷凝水經(jīng)過(guò)循環(huán)管線19供給進(jìn)料水供給管線11，與新鮮進(jìn)料水混合。在熱等離子體反應(yīng)器PR的冷卻區(qū)63預(yù)熱混合水，然后提供給進(jìn)料水供給口52。另一方面，將合成氣SG在約15-50大氣壓的壓力下加壓并加入到甲烷化反應(yīng)器MR，該甲烷化反應(yīng)器MR保持在250-500℃的溫度下，從而將合成氣轉(zhuǎn)化成合成天然氣。裝在反應(yīng)器MR中的甲烷化催化劑可以是下列專(zhuān)利中公開(kāi)的任何類(lèi)型的催化劑，例如，美國(guó)專(zhuān)利4,238,371，4,368,142，和4,774,261和日本專(zhuān)利臨時(shí)公開(kāi)號(hào)5-184,925。在換熱器H2和冷卻器C2冷卻合成天然氣，并經(jīng)過(guò)減壓閥V2供給液/氣分離器S2，在分離器S2中冷凝水與合成天然氣分離，冷凝水從液/氣分離器S2的底部經(jīng)循環(huán)管線21循環(huán)到進(jìn)料水供給管線11和經(jīng)循環(huán)泵P2循環(huán)到熱等離子體反應(yīng)器PR。將產(chǎn)品氣體SNG提供給外面，而將一部分產(chǎn)品氣體提供給發(fā)電機(jī)EG的燃燒室CB，以如上所述的方式發(fā)電。
本發(fā)明的系統(tǒng)和方法與現(xiàn)有技術(shù)相比提供了許多優(yōu)點(diǎn)，包括(1)可使用成本非常低的進(jìn)料水和固體碳物質(zhì)作為原料，從而使SNG的生產(chǎn)費(fèi)用明顯降低。
(2)所用的熱等離子體反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)小，但具有高的操作性能，能夠大量地有效生產(chǎn)合成氣，從而提高了SNG的生產(chǎn)效率。
(3)因?yàn)楣腆w碳物質(zhì)僅消耗于生產(chǎn)合成氣，而不象現(xiàn)有技術(shù)中所要求的那樣碳物質(zhì)作為燃料用于轉(zhuǎn)化爐，因此，固體碳物質(zhì)的利用率是非常高的。
(4)因?yàn)橥ㄟ^(guò)控制熱等離子體反應(yīng)器PR的操作溫度可容易地將合成氣的H2/CO比率調(diào)節(jié)至適當(dāng)?shù)挠行е?，以使SNG生產(chǎn)中的性能最佳，從而可以在操作中控制SNG生產(chǎn)系統(tǒng)以提供最佳的操作控制。
(5)雖然現(xiàn)有技術(shù)需要一個(gè)復(fù)雜的方法來(lái)間歇地將空氣提供給轉(zhuǎn)化爐，同時(shí)要間斷合成氣制備，但是本發(fā)明的系統(tǒng)和方法不需要這樣的復(fù)雜方法，從而簡(jiǎn)化了操作控制，同時(shí)能夠明顯地減少生產(chǎn)費(fèi)用。
(6)在現(xiàn)有技術(shù)中，因?yàn)檗D(zhuǎn)化爐采用燃燒法來(lái)生產(chǎn)合成氣，因此，很難根據(jù)SNG生產(chǎn)裝置的操作條件快速響應(yīng)地控制轉(zhuǎn)化爐的操作溫度。相反，本發(fā)明僅僅通過(guò)改變用于電弧放電電極的電源電壓，就能夠?qū)岬入x子體反應(yīng)器準(zhǔn)確地控制在適當(dāng)?shù)臏囟?，提供快速響?yīng)，最大效率地大量生產(chǎn)SNG。
(7)在現(xiàn)有技術(shù)中，將在SNG提純期間得到的冷凝水排到外面，造成環(huán)境污染。相反，根據(jù)本發(fā)明，冷凝水作為進(jìn)料水循環(huán)到熱等離子體反應(yīng)器PR，結(jié)果使進(jìn)料水的量明顯減少，同時(shí)，消除了環(huán)境污染。
(8)在現(xiàn)有技術(shù)中使用部分燃燒方法由天然氣生產(chǎn)合成氣的轉(zhuǎn)化方法中，需要花費(fèi)較長(zhǎng)的生成時(shí)間(rise time)和較長(zhǎng)的停工時(shí)間。相反，本發(fā)明具有通過(guò)將電力供給電弧放電電極即刻生產(chǎn)合成氣的能力，使SNG生產(chǎn)系統(tǒng)在操作中快速開(kāi)工和終止。這特別有利于緊急停工如地震的情況。
(9)在現(xiàn)有技術(shù)中，SNG設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)的尺寸非常大，同時(shí)增加了運(yùn)行費(fèi)用，因此，對(duì)這種設(shè)備的金融投資要求相當(dāng)大。相反，根據(jù)本發(fā)明的SNG生產(chǎn)系統(tǒng)的尺寸小，但是操作效率高，因此，不需要相當(dāng)大的投資。
雖然已經(jīng)詳細(xì)描述了本發(fā)明的具體實(shí)施方案，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員都將理解，根據(jù)公開(kāi)內(nèi)容的全部教導(dǎo)可以對(duì)那樣細(xì)節(jié)內(nèi)容進(jìn)行各種修改和替換。因此，公開(kāi)的具體實(shí)施方案僅僅是說(shuō)明性的，并且不限于附加的權(quán)利要求中所定義的發(fā)明范圍。
權(quán)利要求
1.一種生產(chǎn)合成天然氣的方法，包括步驟準(zhǔn)備一個(gè)具有熱反應(yīng)室和位于該反應(yīng)室中的電弧電極的熱等離子體反應(yīng)器；將固體碳物質(zhì)放入反應(yīng)室，并在固體碳物質(zhì)中形成大量細(xì)小的電弧通道；給電弧電極分別供電以在細(xì)小的電弧通道中產(chǎn)生電弧放電等離子體；水蒸汽通過(guò)細(xì)小的電弧通道，在電弧放電等離子體存在下水蒸汽與固體碳物質(zhì)反應(yīng)，生成含有H2和CO的合成氣；和將合成氣通入甲烷化反應(yīng)器的甲烷化催化劑中以合成合成天然氣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中熱等離子體反應(yīng)器具有由水蒸汽產(chǎn)生區(qū)形成的上游側(cè)和由反應(yīng)區(qū)形成的下游側(cè)，并還包括步驟將進(jìn)料水供給熱等離子體反應(yīng)器的水蒸汽產(chǎn)生區(qū)，在其上游側(cè)形成水蒸汽；冷卻合成天然氣以分離出冷凝水；和循環(huán)冷凝水至水蒸汽產(chǎn)生區(qū)以轉(zhuǎn)變成水蒸汽。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，還包括步驟控制電力供應(yīng)以改變電弧放電等離子體的溫度，從而控制H2/CO比率在給定值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1，2或3的方法，還包括步驟循環(huán)一部分合成氣到熱等離子體反應(yīng)器。
5.一種生產(chǎn)合成天然氣的方法，包括步驟；準(zhǔn)備一個(gè)熱等離子體反應(yīng)器，該反應(yīng)器具有熱反應(yīng)室和位于該反應(yīng)室中的電弧放電電極；將固體碳物質(zhì)放入反應(yīng)器以在固體碳物質(zhì)中形成大量細(xì)小的電弧通道；給電弧電極分別供電以在細(xì)小的電弧通道中產(chǎn)生電弧放電等離子體；將水蒸汽通過(guò)細(xì)小的電弧通道產(chǎn)生電弧放電等離子體，以使水蒸汽在電弧放電等離子體存在下與固體碳物質(zhì)反應(yīng)生成含有H2和CO的合成氣；測(cè)定H2和CO的濃度，產(chǎn)生H2和CO檢測(cè)信號(hào)；由H2和CO檢測(cè)信號(hào)計(jì)算H2/CO比率以產(chǎn)生電弧電流控制信號(hào)；為了控制其電弧放電電流，根據(jù)電弧電流控制信號(hào)調(diào)整供給電弧電極的電力，以控制電弧放電等離子體的溫度，從而調(diào)整H2/CO比率在一給定值；和將合成氣通入甲烷化反應(yīng)器的甲烷化催化劑中以合成合成天然氣。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中熱等離子體反應(yīng)器具有由水蒸汽產(chǎn)生區(qū)形成的上游側(cè)和由反應(yīng)區(qū)形成的下游側(cè)，并還包括步驟將進(jìn)料水供給熱等離子體反應(yīng)器的水蒸汽產(chǎn)生區(qū)，在其上游側(cè)形成作為等離子氣體的水蒸汽；冷卻合成天然氣以分離出冷凝水；和循環(huán)冷凝水至水蒸汽產(chǎn)生區(qū)以轉(zhuǎn)變成水蒸汽。
7.一種合成天然氣生產(chǎn)設(shè)備，包括具有固體碳供給口、進(jìn)料水供給口，具有合成氣出口的絕緣套管，在絕緣套管中形成的電弧等離子體室，位于電弧等離子體室中的電弧放電電極，和在電弧等離子體室中裝有的固體碳物質(zhì)形成的許多的細(xì)小的電弧通道的電弧等離子體反應(yīng)器；將進(jìn)料水供給進(jìn)料水供給口以使進(jìn)料水變?yōu)樗羝倪M(jìn)料水供給泵；將電能供給電弧放電電極使電弧放電等離子體在細(xì)小電弧通道中產(chǎn)生以致水蒸汽與固體碳物質(zhì)反應(yīng)生成含有H2和CO的合成氣的電弧放電電源；和用于將合成氣轉(zhuǎn)化成合成天然氣的具有甲烷化催化劑的甲烷化反應(yīng)器。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的合成天然氣生產(chǎn)設(shè)備，還包括與甲烷化反應(yīng)器連接用于冷卻合成天然氣以從其中分離出冷凝水的冷凝器裝置；和用于將冷凝水循環(huán)到電弧等離子體反應(yīng)器以形成水蒸汽的循環(huán)管線。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8的合成天然氣生產(chǎn)設(shè)備，還包括位于電弧等離子體反應(yīng)器中用于測(cè)定合成氣中H2濃度的第一檢測(cè)器，其產(chǎn)生H2檢測(cè)信號(hào)；位于電弧等離子體反應(yīng)器中用于測(cè)定合成氣中CO濃度的第二檢測(cè)器，其產(chǎn)生CO檢測(cè)信號(hào)；對(duì)H2和CO檢測(cè)信號(hào)響應(yīng)的控制器，其產(chǎn)生電能控制信號(hào)；和對(duì)電能控制信號(hào)響應(yīng)的電能控制器，該電能控制器用于控制提供給電弧放電電極的電力供應(yīng)以調(diào)整電弧放電等離子體的溫度，使H2/CO比率保持在一個(gè)給定值。
全文摘要
公開(kāi)了一種產(chǎn)生合成天然氣的方法和設(shè)備,包括等離子反應(yīng)器(PR),該等離子反應(yīng)器具有電弧放電電極和裝在等離子反應(yīng)器中的固體碳物質(zhì)形成的許多細(xì)小的電弧通道(35)。在等離子反應(yīng)器的水蒸汽產(chǎn)生區(qū)(34A)中將進(jìn)料水轉(zhuǎn)變成水蒸汽,并將水蒸汽通過(guò)細(xì)小的電弧通道進(jìn)料,在這些電弧通道中在電弧等離子體存在下水蒸汽與固體碳物質(zhì)反應(yīng)生成合成氣。將合成氣提供給甲烷化反應(yīng)器(MR),該反應(yīng)器將合成氣轉(zhuǎn)變成合成天然氣?？捎每刂频碾娔芴峁┙o電弧放電電極,以使H
文檔編號(hào)C10L3/08GK1375544SQ0210621
公開(kāi)日2002年10月23日 申請(qǐng)日期2002年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2001年1月29日
發(fā)明者畑中武史 申請(qǐng)人:畑中武史