CN101875863B - 余热推动循环载热的煤气甲烷化技术与装置 - Google Patents
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Abstract
一种余热推动蒸汽循环载热的煤气甲烷化技术，在0.15～3.0MPa的常压与加压范围内，通过一个蒸发/冷凝耦合的换热器，利用250℃以下产品气在壳程冷却、冷凝的余热，推动部分原料气在管程降膜升温同时增湿达到3.0～4.0的汽/气比，其载热能力使其在一段甲烷化绝热反应器出口温度不超过680℃，在高压蒸汽过热器内释放热量降温后与另一部分常温原料气混合，在二段甲烷化绝热反应器中完成全部反应并使其出口温度也不超过680℃；通过高压蒸汽锅炉和过热器回收产品气的高温显热后，通过蒸发/冷凝耦合的换热器回收其250℃以下的低温余热，用原料气升温和循环水蒸发使产品气冷却并析出冷凝水；用循环水泵将冷凝水送入蒸发/冷凝耦合换热器的管程，与原料气混合降膜蒸发，形成蒸发/冷凝循环。升温重新蒸发进的余热使增湿，重新节省动力，增加副产电力输出，能量利用率提高至少6％以上。蒸发/冷凝耦合换热器由多段垂直组合，原料气与循环水在贯通的管程由上而下降膜蒸发升温增湿，产品气自下而上折流通过各段管间冷却、冷凝。
Description
技术领域
本发明属于煤制代用天然气生产领域，特别涉及一种煤气甲烷化技术与装置。
背景技术
煤制甲烷气(或称代用天然气，简称SNG)是煤炭转化为高热值气体燃料的一种重要途径，有利于坑口加工、远距离输送和就地捕集减排CO2。
煤制代用天然气的关键步骤是含高浓度CO和H2的煤气甲烷化催化反应
ΔH0＝-206.4kJ mol-1(CH4)
H2/CO＝3的煤气，每转化1％的CO，气体绝热温升70～100℃(随反应深度增加而增加)。工业上采取列管式外冷等温催化反应器和段间冷却的多段绝热催化反应器两种工艺移走反应热(吴连弟，陈幸达，王文明等.两种煤气甲烷化反应器的模拟和比较，煤炭转化，2006，29(2)：70～75)。国际上主要采用多段绝热催化反应，通过循环压缩机使大量产品气循环稀释反应介质、移走反应热、控制绝热反应温升，使反应器温度维持在250～700℃范围(Haldor 
，From coalto substitute natural gas using TREMPTM HALDOR 
recycle methanation process.[EB/OL][2009-03-28].http://www.topsoe.com.)。但是循环压缩机消耗动力，相当于产品热值的6％以上，直接降低了该工艺的能量转化效率和经济效益。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种无压缩机的余热推动循环载热煤气甲烷化技术，节省动力，增加副产电力输出，能量利用率提高至少6％以上。煤气甲烷化反应产物之一是水蒸气，因此以水蒸汽作为载热体其性质与产品气相近。本发明在反应体系压力0.15～3.0MPa的范围内，根据气-液两相体系中水蒸汽分压随温度改变的热力学性质，利用低温余热推动水蒸汽蒸发-冷凝循环，代替机械压缩循环，构成附图所示的余热推动循环载热的煤气甲烷化技术工艺流程。
本发明所述余热推动循环载热煤气甲烷化技术，其工艺步骤包括：煤气经CO变换、脱硫、脱碳等预处理成为H2/CO＝3(摩尔比，下同)的煤气原料气，按1∶1～1∶2的比例分两路分别进入一段甲烷化绝热反应器1和二段甲烷化绝热反应器2。进入一段甲烷化绝热反应器1的原料气，首先在蒸发/冷凝耦合换热器3的降膜蒸发侧升温增湿，其热量来自在该间壁式换热器3另一侧的产品气冷却、冷凝放热。原料气温度从常温上升至蒸发饱和温度T1、湿含量同步上升到汽/气＝3.0～4.0(摩尔比，下同)；产品气温度则从换热器入口温度T8下降到冷凝饱和温度T9、湿含量下降至汽/气低于0.02、所含的水蒸汽95％以上冷凝析出，冷凝水返回该换热器的降膜蒸发侧，构成蒸发-冷凝-蒸发的水蒸汽载热循环。汽/气比＝3.0～4.0的原料气离开换热器3进入原料气过热器6，与入口温度为T7的产品气间壁换热，原料气温度上升到T2进入一段甲烷化绝热反应器1，原料气载热能力足以控制气体出口温度不超过T3、离开反应器1进入高压蒸汽过热器7释放热量降温至T4为350～420℃后与要进入二段甲烷化绝热反应器2的常温原料气混合到温度T5，在二段甲烷化绝热反应器2完成全部甲烷化反应后的产品气温度不超过T6，将反应热带入高压锅炉8副产蒸汽后温度降到T7为320～420℃，通过一段甲烷化原料气过热器6回收产品气高温余热使其温度降到T8，进一步通过蒸发/冷凝耦合换热器3回收低温余热使其终端出口温度T9比常温原料气进口温度高20～30℃，高压锅炉8副产的蒸汽在高压蒸汽包9中分离雾沫后在高压蒸汽过热器7中被升温到500～520℃输出。上述步骤形成封闭循环系统，连续化生产甲烷气，副产8～12MPa、500～520℃的高压蒸汽，各步骤的时间由选用设备的能力和实际负荷量确定。
上述方法中，所述原料气在间壁式蒸发/冷凝耦合换热器3中降膜蒸发侧升温增湿，原料气与循环水均从该换热器顶部均匀分布进入换热管内，形成垂直下降的气液环状两相流，接受管外侧传来的热量而升温并且蒸发，提高原料气的汽/气比；所述循环水是从产品气析出的冷凝水，由循环水泵4从冷凝水收集槽5输送而来；原料气在换热管内流速2.0～10.0m/s；循环水体积流量与原料气体积流量之比1∶20～1∶60。
上述方法中，所述通过蒸发/冷凝耦合换热器3回收低温余热，是指温度为T7的产品气从蒸发/冷凝耦合换热器3最下部的壳体接管进入换热器壳程，在管间以不低于5.0m/s的平均速度向上折流，通过管壁将热量传给管内的原料气和循环水两相流，产品气冷却并析出冷凝水；向上折流的程数大于2，每程均有一根冷凝水排出管联向低位的冷凝水收集槽；冷凝水收集槽有一根排放管，定量排出工艺过程产生的水。
上述方法中，所述：通过蒸发/冷凝耦合换热器3原料气温度从常温上升至T1，T1不超过250℃，产品气温度从T8下降到T9，T8为250～280℃，T9为50～100℃；一段甲烷化绝热反应器1进口温度T2为270～300℃、出口温度T3不高于680℃；二段甲烷化绝热反应器2进口温度T5为300～320℃、出口温度T6不高于680℃。
上述方法中，所述蒸发/冷凝耦合换热器3，由多段的固定管板式管壳换热器组合而成，段数至少两段，垂直叠放；每段固定管板式管壳换热器市售可得，各段结构和换热管规格、管数及布管方式均相同，长度至少2m；段与段之间用法兰密封连接；各段管程所有换热管的中心线同心布置，段与段之间换热管端部间隙5～10m；各段壳体上下两端开有相同结构与尺寸的产品气接口，方位180°对称，换热器多段组合后用U型接管将相邻两段的产品气接口相连，形成壳程折流通道；每段壳体靠近下管板位置开冷凝水排出口，安装后与该段冷凝水排出管相联；最上和最下的两段均与锥形封头相连，安装后分别连接原料气进、出接管；上锥形封头内在轴线位置上距换热器管板500～1200mm高度固定安装一个螺旋喷头，将循环水向下均匀喷洒到管板上，循环水接管从上锥形封头外水平伸入与螺旋喷头相连。
附图说明
附图1是本发明所述余热推动蒸汽循环载热的煤气甲烷化技术工艺流程图。
图中，1-一段甲烷化绝热反应器、2-二段甲烷化绝热反应器、3-蒸发/冷凝耦合换热器、4-循环水泵、5-冷凝水分离器、6-原料气过热器、7-高压蒸汽过热器、8-高压蒸汽锅炉、9-高压蒸汽包。
具体实施方式
结合实施例1说明具体实施方式，附图是本实施例的工艺流程。
实施例1余热推动蒸汽循环载热的煤气甲烷化生产装置。生产规模4000千摩尔甲烷气/小时，产品气温度70℃，水份含量低于2％(体积％，下同)；副产10MPa、510℃过热蒸汽约300吨/小时。原料气是H2/CO＝3的煤气16000千摩尔/小时，压力2.5MPa，温度45℃，水份含量低于1％。所用的蒸发/冷凝耦合换热器3由4段市售的固定管板式管壳换热器组合而成，每段均有相同结构与尺寸，其换热管根数1520、长度4米、管径25毫米，换热器壳程接管直径500毫米。原料气按1∶1.2的比例分两路分别进入一段甲烷化绝热反应器1和二段甲烷化绝热反应器2。进入一段甲烷化绝热反应器1的原料气，首先从换热器3的顶部锥形封头原料气进口接管进入管程，循环水泵4从冷凝水收集槽5把循环水120立方米/小时通过接管送入该封头内轴线位置上距换热器管板1000mm高度固定安装的一个螺旋喷头，向下喷洒并与原料气混合均匀进入到换热管内，垂直向下流动连续通过换热器3的各段管程，气液两相升温、蒸发，气体温度达到230℃、汽/气3.8，离开换热器3的底部锥形封头进入原料气过热器6，被加热到280℃，进入一段甲烷化绝热反应器1后温度升高到600℃离开该反应器，进入高压蒸汽过热器7释放热量降温至400℃后与要进反应器2的常温原料气混合到温度310℃，进入二段甲烷化绝热反应器2完成全部甲烷化反应后的产品甲烷气温度约650℃，在高压锅炉8释放热量副产10MPa蒸汽约300吨/小时、产品气温度降到约350℃，进入原料气过热器6继续降温到280℃，然后从蒸发/冷凝耦合换热器3底部壳程接管进入该换热器管间折流4次冷却并析出冷凝水，产品气温度降低到70℃、离开换热器3进入冷凝水分离器5，气水分离最终达到产品甲烷气含水低于2％，冷凝水则从换热器3各段壳程排放到冷凝水分离器5收集，由循环水泵4向换热器3送回120立方米/小时重新蒸发，工艺过程产生约70立方米/小时冷凝水从收集槽5底部排出系统。锅炉补水进入高压锅炉8接受二段甲烷化绝热反应产品气热量蒸发副产10MPa蒸汽约300吨/小时，通过高压蒸汽包9分离雾沫后在高压蒸汽过热器7中接受一段甲烷化绝热反应气热量过热到510℃。
Claims (2)
1.一种余热推动水蒸汽蒸发-冷凝循环载热的煤气甲烷化工艺，其特征在于无压缩，煤气原料气按1∶1～1∶2的比例分两路进入一段甲烷化绝热反应器和二段甲烷化绝热反应器，进入一段甲烷化绝热反应器的原料气，首先在蒸发/冷凝耦合换热器的管内降膜蒸发升温增湿，其热量来自在该间壁式换热器管间的产品气冷却、冷凝放热，原料气温度从常温上升至蒸发饱和温度不超过250℃、湿含量同步上升到汽/气＝3.0～4.0(摩尔比)，产品气温度则从250～280℃下降到冷凝饱和温度50～100℃、湿含量下降至汽/气低于0.02、所含的水蒸汽95％以上冷凝析出，冷凝水返回该换热器的降膜蒸发侧，构成蒸发-冷凝-蒸发的水蒸汽载热循环；
H2/CO＝3(摩尔比)的煤气通过降膜升温蒸发增湿到汽/气＝3.0～4.0(摩尔比)，其载热能力确保甲烷化绝热反应器气体出口温度不超过680℃；
冷凝水循环是将产品气在蒸发/冷凝耦合换热器各段壳程冷却析出的冷凝水集中收集到低位的冷凝水收集槽，用循环水泵将其送回蒸发/冷凝耦合换热器顶部，均匀分布进入换热管内，与原料气混合形成垂直下降的气液环状两相流，升温并且蒸发，提高原料气的汽/气比。
2.根据权利要求1所述的余热推动水蒸汽蒸发-冷凝循环载热的煤气甲烷化工艺，一种实现蒸发/冷凝耦合的多段固定管板式管壳换热器组合，其特征在于段数至少两段，垂直叠放；各段结构和换热管规格、管数及布管方式均相同，长度至少2m；段与段之间用法兰密封连接；各段管程所有换热管的中心线同心布置，段与段之间换热管端部间隙5～10m；各段壳体上下两端开有相同结构与尺寸的产品气接口，方位180°对称，用U型接管将相邻两段的产品气接口相连，形成壳程折流通道；每段壳体靠近下管板位置开冷凝水排出口；最上和最下的两段均与锥形封头相连，上锥形封头内在轴线位置上距换热器管板500～1200mm高度固定安装一个螺旋喷头，循环水接管从上锥形封头外水平伸入与螺旋喷头相连。
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20130807 Termination date: 20140429 |