专利名称：一种利用工厂废气制天然气的装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及化学工程技术领域，尤其涉及一种利用工厂废气制合成天然气的
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背景技术：
天然气是一种清洁能源，我国天然气在民用能源所占比例远低于国际平均水平，国家发改委“十二五”天然气发展规划明确要年增天然气量500亿方，煤制天然气可以用煤直接加氢气化或蒸汽催化转化一步法甲烷化，但目前广泛采用的煤气化制得合成气再将其中的Η2、CO、CO2进行甲烷化反应，制取合成天然气，以上不论是一步法甲烷化或煤气化再甲烷化都要消耗大量煤炭资源，而我国有多种工厂废气或工业尾气含有上述合成甲烷的Η2、CO、CO2，例如氨厂弛放气有70%上下H2和约10% CH4脱碳解吸气有90%多CO2,甲醇厂弛放气有高含量的Η2、CO、CO2，焦化厂焦炉气有20%上下CH4和Η2、CO、CO2，钢厂高炉气和转炉气有10%以上CO2和20-55% CO,电石炉和黄磷炉有75-90% CO，上述工业废气均可利用作为合成人工天然气的原料。目前国内外合成气制人工天然气的甲烷的特点，一是合成技术基本都采用多台绝热甲烷化反应器，例如用丹麦托普索公司的高温甲烷化(见图1)，采取三台甲烷化反应器串联，前后二段间有换热冷却器，降低温度再进下段甲烷化，第一台甲烷化反应器出气还有部分气循环回进口再反应，这类甲烷化法存在甲烷催化剂易过热失活和甲烷化中出现结碳影响正常生产，且热回收效率低、能耗大。二是合成甲烷所用的合成气主要为CO加氢反应，例如托普索公司为H2/C0 = 3 (SNG)，即按C0+3H2 = CH4+H20反应，戴维公司则用含CO =19. 2%与H2反应，合成气中 CO2 = 0.8%。CO2加H2甲烷化反应是一个强放热反应C02+4H2 = CH4+2H20在上述绝热反应器中随着反应热释放，反应气温度升高，生成甲烷的平衡常数大
2
幅下降，影响CO2合成甲烷转化率。CO2加H2合成CH4的平衡常数夂p 今.由2801时
y Co^ H1
的 I. 486 X IO6 下降到至Ij 600。。的 O. 76，只有 280°C 时的 O. 51 X I(T6 倍。
实用新型内容针对上述问题，本实用新型的目的是提供一种节能环保的利用工厂废气制人工天然气的装置。为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案一种利用工厂废气制人工天然气的装置，包括汽包、锅炉水泵，甲烷化合成反应器、塔前换热器、开工加热器、水冷器、水分离器、甲烷提浓装置、压缩机和蒸汽透平机，所述的甲烷化合成反应器、塔前换热器、开工加热器、水冷器、水分离器、甲烷提浓装置、压缩机和蒸汽透平机依次连接，所述的甲烷化反应器还外接有汽包和水泵，所述的汽包与蒸汽透平机连接。所述的开工加热器为蒸汽喷射器或电加热器(选用电加热器时安装在塔前换热器和甲烷化合成反应器之间)。所述的甲烷化合成反应器为水冷换热式固定床反应器或水冷绕管式反应器。净化后的工业废气先进塔前换热器与出甲烷化合成反应器的合成气换热，再进甲烷化合成反应器进行甲烷化反应，出甲烷化合成反应器的合成气经塔前换热器降温后再依次经水冷器、水分离器分离出冷凝水，送去甲烷提浓装置和压缩机提浓、压缩得到人工天然气。与甲烷化合成反应器连接的汽包产生高压蒸汽，送去蒸汽透平机用作动力或去发电机发电。本实用新型装置主要用于利用工厂废气制人工天然气工艺，该工艺用一种含有CO2和/或CO和H2的工厂废气，或多种各自含有CO2和/或CO和/或H2的工厂废气，经净化除去对催化剂的有害物质，通过CO2加H2和/或CO加H2生成甲烷的反应制取人工天然
气产品。，所述的工厂废气为多种时，其中至少一种含有H2。作为一种优选，生成的甲烷用变压吸附或膜分离法或深冷法从产品气中提浓。作为一种优选，所述的工厂废气为一种时，采用合成甲醇厂弛放气或炼焦厂的焦炉气。作为一种优选，所述的工厂废气为多种时，采用合成氨厂含H2的弛放气、合成氨厂脱碳含CO2的解吸气、合成甲醇厂弛放气、炼焦厂焦炉气、高炉气、转炉气、电石炉尾气、黄磷尾气或碳化硅气中的几种。
·[0018]所述的氨厂弛放气也可以净化除去氨气后再分离氮气，用H2与CO2加氢反应制CH4。所述的生成甲烷的反应在内装镍基甲烷化催化剂的水冷换热式固定床反应器中进行。所述的生成甲烷的反应在水冷绕管式反应器中进行。本技术与现有的用煤为原料用Lurgi炉气化或水煤浆气化制得合成气H2、C0、C02，采用Lurgi或DAVY或TOPScpe等国外绝热高温甲烷化制人工天然气比较有显著优势I.本技术不用煤制气合成甲烷，而利用工业废气，节约了国家资源；2.利用工业废气，特别是利用CO2合成天然气，减少CO2排放，保护环境；3.用水冷换热低温甲烷化，优化了甲烷化反应条件，提高甲烷合成率，可用单台甲烷化塔取代高温绝热甲烷化需3-4台甲烷化塔和中间换热器，简化流程，减少设备，取消循环机，减少动力消耗；4.利用甲烷合成反应热副产高压蒸汽，用于驱动压缩天然气需用的蒸汽透平机和水泵动力，节能降耗。
图I是丹麦托普索公司的高温甲烷化工艺流程图。图2是本实用新型装置使用一种工业废气作为原料时的工艺流程框图，例如甲醇厂弛放气。[0028]图3是本实用新型装置装置使用多种工业废气作为原料时的工艺流程框图，例如氨厂脱碳解吸气CO2和氨合成含H2的弛放气。图4是本实用新型装置的示意图。图5是本实用新型装置中的甲烷化反应器采用的水冷绕管式反应器的示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型的进行详细的描述。实施例I采用如图3所示的工艺流程，由工厂废气I (合成氨厂含H2、N2的弛放气)净化除氨，配以净化后的工厂废气2 (脱碳解吸气)，总气量lOOOKmol/h，压力2MPa下在装有镍基有TiO载体甲烷化催化剂的立式绕管水冷反应器，在空速30001^下进行CO2加氢甲烷化反应，经冷却除水后得含CH4约50%、N240%的产品气4959Kmol/h，经变压吸附分离得CH488%的产品气，再压缩到25MPa，得2580Kmol/h车用压缩天然气。实施例2如图4所示的本实用新型装置，包括汽包101、水泵102、甲烷化合成反应器103、塔前换热器104、开工加热器105、水冷器106、水分离器107、甲烷提浓装置108、压缩机1010和蒸汽透平机109，所述的甲烷化合成反应器103、塔前换热器104、水冷器106、水分离器107、甲烷提浓装置108、压缩机1010和蒸汽透平机109依次连接，所述的甲烷化反应器103还外接有汽包101、水泵102和开工加热器105，所述的汽包101还与蒸汽透平机109连接。所述的开工加 热器105可选用蒸汽喷射器，或选用安装在塔前换热器104和甲烷化合成反应器103之间的进口管线上的电加热器。净化后的工业废气先进塔前换热器104与出甲烷化合成反应器103的合成气换热，再进甲烷化合成反应器103进行甲烷化反应，出甲烷化合成反应器103的合成气经塔前换热器104降温后再依次经水冷器106、水分离器107分离出冷凝水，送去甲烷提浓装置108和压缩机1010提浓、压缩得到人工天然气。与甲烷化合成反应器103连接的汽包101产生高压蒸汽，送去蒸汽透平机109用作动力或去发电机发电，也可以用于工艺蒸汽。实施例3图5是采用水冷绕管式反应器作为甲烷化合成反应器(图5未显示装置中的其他设备，其余设备组成及连接同实施例2)的示意图，该水冷绕管式反应器为本申请人已申请的实用新型专利(申请号201210033806. 1，申请日2012年2月14日)中的一种反应器，包括壳体I和换热件，所述壳体I顶部设有进气口 3和人孔4，进气口 3配有气体分布板81，壳体下部设有一对带管板的联箱进口联箱9a和出口联箱％。内外圈或同圈径相邻两根换热管2的顶部由倒U形弯头连接，构成内通换热介质的上行换热管和下行换热管布置，SP上行换热管与进口联箱9a连接、下行换热管与出口联箱9b连接。各层换热管由纵向定位板19定位。壳体I内部中心还设有绕管轴芯7,同一 U形弯头连接的上行换热管和下行换热管沿绕管轴芯7分别各自按逆时针方向或顺时针方向成螺旋形布置，绕管轴芯7下部通过支承件23支承在筒底，绕管轴芯7的上部可自由伸缩。同一U形弯头连接的上行换热管和下行换热管的缠绕方向相反。壳体底部设有出气口 5和催化剂卸出口 6，出气口 5配有多孔集气板82。换热介质采用水。[0041]上述换热反应器使用时，催化剂装填在管间，出口联箱9b通过蒸汽出口管连接汽包，汽包通过出水管连接循环泵，循环泵还连接补充水管，进口联箱9a通过换热介质循环管连接循环泵。反应气从进气口 3进入，换热介质从进口联箱9a进入到各换热管2中，沿上行的换热管以螺旋形上行，再经U形弯头转入下行的换热管，以与上行方向相反的螺旋形方向下行，期间与轴向穿过催化剂层的反应气换热，管中部分水汽化为蒸汽，经出口联箱9b去带调节阀的汽包。上述水冷绕管式甲烷化反应器管内走冷却剂水，可以采用例如12mm直径的小管径管，大幅提高换热面积，高达每IM3催化剂200M2上下，绕管合成塔气体与绕管错流换热，比直管管内外并流换热传热系数高得多，大幅提高换热效率，有效实现低温和均温甲烷化。实施例4年产百万吨甲醇厂弛放气经水洗回收除去甲醇后，弛放气2000Kmol在压力3MPa下，装有镍型甲烷化催化剂的水冷绕管式甲烷化反应器，在空速δΟΟΟΙΓ1下进行甲烷化反应，经冷却分离水后得625. 7Kmol含CH473. 46%的产品气，用变压吸附法分离得CH490%的产品气再压缩到25MPa，得5·200Kmol/h的车用压缩天然气CNG。
权利要求1.一种用于利用工厂废气制人工天然气的装置，包括汽包、锅炉水泵，甲烷化合成反应器、塔前换热器、开工加热器、水冷器、水分离器、甲烷提浓装置、压缩机和蒸汽透平机，其特征在于所述的甲烷化合成反应器、塔前换热器、开工加热器、水冷器、水分离器、甲烷提浓装置、压缩机和蒸汽透平机依次连接，所述的甲烷化反应器还外接有汽包、水泵和开工加热器，所述的汽包还与蒸汽透平机连接。
2.如权利要求I所述的用于利用工厂废气制人工天然气的装置，其特征在于所述的甲烷化合成反应器为卧式水冷换热式固定床反应器或水冷绕管式反应器。
3.如权利要求I所述的用于利用工厂废气制人工天然气的装置，其特征在于所述的开工加热器为蒸汽 喷射器或电加热器。
专利摘要本实用新型公开了一种利用工厂废气制人工天然气的装置，其中甲烷化合成反应器、塔前换热器、开工加热器、水冷器、水分离器、甲烷提浓装置、压缩机和蒸汽透平机依次连接，所述的甲烷化反应器还外接有汽包、水泵和开工加热器，所述的汽包还与蒸汽透平机连接。本实用新型装置技术不用煤制气合成甲烷，而利用工业废气，节约了国家资源，减少CO2排放，保护环境；同时用水冷换热低温甲烷化，优化了甲烷化反应条件，提高甲烷合成率，简化流程，减少设备，取消循环机，减少动力消耗；利用甲烷合成反应热副产高压蒸汽，用于驱动压缩天然气需用的蒸汽透平机和水泵动力，节能降耗。
文档编号C10L3/10GK203096014SQ20132002269
公开日2013年7月31日 申请日期2013年1月6日 优先权日2013年1月6日
发明者楼韧, 楼寿林 申请人:杭州林达化工技术工程有限公司