技术领域
[0001] 本
发明属于
煤基合成
天然气和工厂废热
回收利用技术领域，具体涉及一种合成气甲烷化多联产方法及装置。
背景技术
[0002] 我国
能源结构特点是“富煤、贫油、少气”，发展煤制天然气可以优化能源供给结构，减轻环保压
力和对石油资源的依赖。从长远来看，开发煤制天然气工艺并在煤产地建设大型生产装置对解决我国煤炭资源的综合利用问题，维护国家能源安全，实现节能减排具有重要意义。冷热电多联产是分布式能源的一种，具有节约能源、改善环境，增加电力供应等综合效益，是城市治理大气污染和提高能源综合利用率的必要手段之一，符合国家可持续发展战略。《中华人民共和国节约能源法》第三十九条指出“国家鼓励发展
热能梯级利用技术，热电冷联产技术，提高热能综合利用率”。
[0003] 合成气甲烷化工艺是煤制天然气过程的关键技术，甲烷化的主反应是
净化后的合成气CO、CO2分别与H2反应生成CH4和H2O，属于强放热反应过程。每转化1％的CO，可产生74℃的绝热温升，转化1％的CO2，可产生60℃的绝热温升。因此，及
时移走反应热、控制反应过程稳定进行、确保催化剂的反应活性和寿命、是甲烷化工艺系统的核心问题。
[0004] 煤制天然气甲烷化装置均是采用多个甲烷化反应炉
串联，分级进行反应，过程的大量反应热回收是通过设置多台换热器，副产中低压
蒸汽、预热
锅炉给
水、加热脱盐水和
循环水冷却等方式来实现。目前，成熟的工业技术来源有德国鲁奇(Lurgi)公司甲烷化工艺、丹麦托普索(Topsoe)公司TREMPTM技术和英国戴维(Davy)公司的CRG技术。
[0005] 近年来，国内一些学者和研究机构对于合成天然气进行了系列研究，在2011年9月的《节能》中公开了题为“基于Aspen Plus加压甲烷化工艺流程模拟与研究”的文章，以大唐国际阜新煤制天然气甲烷化装置为例进行流程分析，甲烷化反应热采用废热锅炉副产各等级蒸汽和预热锅炉给水和除盐水、空冷器等方式回收。另外，在公开
专利“一种煤基合成气制备合成天然气的甲烷化工艺”(CN103509618A)、“一种
焦炉气制合成天然气的甲烷合成工艺”(CN104099148A)和“一种由煤制取合成天然气SNG的方法及其工艺装置”(CN101775319B)等文献中，合成气甲烷化过程反应热主要锅炉水带走且用来副产各个等级蒸汽产品，预热合成气等，剩余难以回收利用的热量被循环水冷却。
[0006] 以上所述的合成气甲烷化工艺流程布置均采用多段反应器串联废热锅炉，通过副产蒸汽回收反应热，尽管能够满足工艺生产上的要求，但其不足之处在于：装置运行能耗高，热量利用效率低，副产蒸汽量大，反应热不能完全用来生产高品位的蒸汽，实际生产中有大量多余蒸汽放空，因此，不能高效回收反应过程热量，造成能源浪费。
发明内容
[0007] 本发明的目的在于按照国家节能减排的发展和相关政策要求，针对
现有技术存在的不足之处，而提供一种合成气甲烷化多联产工艺及系统。根据“
温度对口、梯级利用”等总能系统理论原则，优化和搭建工艺流程，提出在煤化工生产工艺装置中，通过引入冷热电多联产用于回收利用甲烷化过程的大量反应热，满足工艺生产要求的同时，实现发电、制冷和供暖多联供，并具有
能量集成效果好、节能降耗显著、热量利用效率高等特点。
[0008] 本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
[0009] 一种合成气甲烷化多联产装置，该装置包括合成气加热器、第一甲烷化炉、第二甲烷化炉、第三甲烷化炉；
[0010] 来自界外的合成气输出管道与合成气加热器相连，所述合成气加热器的输出端分为两个支路输出，一个支路与第一甲烷化炉的输入端相连，第一甲烷化炉底部的输出端通过第一余热锅与第二甲烷化炉的输入端相连，另一个支路与第二甲烷化炉的输入端相连，第二甲烷化炉底部的输出端通过第一余热锅与循环气加热器的输入端相连；
[0011] 所述循环气加热器的输出端也分为两个支路，一个支路依次通过发生器、第一气液分离器、循环气
压缩机、循环气加热器与第一甲烷化炉的输入端相连；另一个支路依次与第三甲烷化炉、合成气加热器和第二
余热锅炉相连，所述的第二余热锅炉依次与发生器、采暖加热器、甲烷水冷器和第三气液分离器相连，第三气液分离器顶部的输出端为天然气。
[0012] 在一些优选的技术方案中：所述的第一余热锅炉与第一循环工质发
电机组匹配相连，所述的第二余热锅炉与第二循环工质
发电机组匹配相连，所述的发生器与吸收式制冷循环装置匹配相连。在一些更优选的技术方案中：所述第一、第二循环工质发电机组采用的余热锅炉和吸收式制冷装置的发生器为双热源组合式换热器。
[0013] 在一些优选的技术方案中：该装置还包括第四甲烷化炉，所述循环气加热器的另一个支路与第三甲烷化炉相连，所述第三甲烷化炉底部分的输出端依次通过合成气加热器、第二余热锅炉、进气加热器与第二气液分离器相连，所述第二气液分离器相连顶部的输出端通过进气加热器与第四甲烷化炉顶部的输入端相连，所述第四甲烷化炉底部的输出端通过第二余热锅炉与发生器相连。
[0014] 在一些优选的技术方案中：所述的第一循环工质发电机组、第二循环工质发电机组为卡琳娜循环、
朗肯循环或它们的改进型式。
[0015] 在一些优选的技术方案中：所述的吸收式制冷装置为热驱动制冷循环、热/功复合驱动制冷循环或其改进型式。
[0016] 一种利用上述装置实现合成气甲烷化多联产方法，该方法包括以下步骤：
[0017] 1)来自界外的合成气进入合成气加热器后分成两股，一股进入第一甲烷化炉，从第一甲烷化炉出来的高温甲烷工艺气进入第一余热锅炉驱动发电；
[0018] 2)步骤1)驱动发电后降温的甲烷工艺气和另一股合成气进入第二甲烷化炉，所得高温甲烷工艺气再进入第一余热锅炉驱动发电；
[0019] 3)步骤2)驱动发电后降温的甲烷工艺气输送至循环气加热器，被冷却后的甲烷工艺气分为两股，一股作为循环气进入吸收式制冷装置的发生器后进入再输送至第一气液分离器，经分离后得到的气相依次进入循环气压缩机和循环气加热器后送入第一甲烷化炉；另一股工艺气进入第三甲烷化炉，经第三甲烷化炉加热后的气体依次输送至合成气加热器，从合成气加热器输出的气体输送至第二余热锅炉驱动发电；
[0020] 4)步骤3)驱动发电后的气体经过吸收式制冷装置的发生器后，再进入采暖加热器，从采暖加热器输出的气体经甲烷水冷器和第三气液分离器分离凝液，得到高纯度天然气送去界外管网。
[0021] 上述实现合成气甲烷化多联产方法中：第一甲烷化炉、第二甲烷化炉、第三甲烷化炉入口温度均控制在200～300℃之间，第一甲烷化炉、第二甲烷化炉出口温度均控制在550～850℃，第三甲烷化炉出口温度均控制在400～600℃。
[0022] 实现合成气甲烷化多联产方法中：第一余热锅炉的操作温度为500～800℃；第二余热锅炉的操作温度为200～350℃；吸收式制冷装置发生器的操作温度为100～200℃；采暖加热器可以提供的热水温度为50～100℃。
[0023] 在另一些实施方案中，实现合成气甲烷化多联产方法包括以下步骤：
[0024] 1)来自上游的合成气进入合成气加热器后分成两股，一股进入第一甲烷化炉，从第一甲烷化炉出来的高温甲烷工艺气进入第一余热锅炉驱动发电；
[0025] 2)步骤1)驱动发电后降温的甲烷工艺气和另一股合成气进入第二甲烷化炉，所得高温甲烷工艺气再进入第一余热锅炉驱动发电；
[0026] 3)步骤2)驱动发电后降温的甲烷工艺气输送至循环气加热器，经加热后的甲烷工艺气分为两股，一股作为循环气进入吸收式制冷装置的发生器后进入再输送至第一气液分离器，经分离后得到的气相依次进入循环气压缩机和循环气加热器后送入第一甲烷化炉；另一股工艺气进入第三甲烷化炉，经第三甲烷化炉加热后的气体依次输送至合成气加热器，从合成气加热器输出的气体输送至第二余热锅炉驱动发电；
[0027] 4)步骤3)驱动发电后输出的气体先输送至进气加热器，从进气加热器输出的气体进入第二气液分离器，分离后得到的气体经进气加热器后再输送至第四甲烷化炉加热，从第四甲烷化炉输出的气体再输送至第二余热锅炉驱动发电；
[0028] 5)步骤4)驱动发电后的气体经过吸收式制冷装置的发生器后，再进入采暖加热器，从采暖加热器输出的气体经甲烷水冷器和第三气液分离器分离凝液，得到高纯度天然气送去界外管网。
[0029] 实现合成气甲烷化多联产方法中：第一甲烷化炉、第二甲烷化炉、第三甲烷化炉、第四甲烷化炉入口温度均控制在200～300℃之间，第一甲烷化炉、第二甲烷化炉出口温度均控制在550～850℃，第三甲烷化炉出口温度均控制在400～600℃，第四甲烷化炉出口温度均控制在300～500℃。
[0030] 实现合成气甲烷化多联产方法中：第一余热锅炉的操作温度为500～800℃；第二余热锅炉的操作温度为200～350℃；吸收式制冷装置发生器的操作温度为100～200℃；采暖加热器可以提供的热水温度为50～100℃。
[0031] 本发明技术方案中，将合成气甲烷化反应热用于发电、制冷和采暖；其中，第一、第二甲烷化炉的高温反应热共同驱动第一循环工质发电装置；第三甲烷化炉加热进料合成气后与第四甲烷化炉的高温反应热共同驱动第二循环工质发电装置；第四甲烷化炉出口的高纯度甲烷依次驱动第二循环工质发电装置输出
电能，驱动吸收式制冷装置输出冷量，再去采暖加热器加热供暖水。
[0032] 本发明技术方案中：第二甲烷化炉出口甲烷工艺气进入第一循环工质发电机组的余热锅炉驱动发电，然后经过循环气加热器后分为两股，一股作为循环去吸收式制冷装置驱动制冷进入第一气液分离器，气相进入循环气压缩机提压后与合成气混合后去第一甲烷化炉。
[0033] 本发明技术方案中：所述的吸收式制冷装置采用的循环工质为溴化锂-水、
氨水、R134a-DMF、
离子液体-水以及它们的改进型式。
[0034] 本发明技术方案中：界外的合成气可以由煤炭经过
气化和净化后制得，也可以是由煤炭经过
炼焦副产焦炉气制得。
[0035] 本发明的有益效果：
[0036] 按照国家节能减排的发展和相关政策要求，根据“温度对口、梯级利用”等总能系统理论原则，优化和搭建合成气甲烷化生产流程，在工艺中引入冷热电多联产设计思路，提出在合成气甲烷化工艺装置中串联循环工质发电机组、
吸收式制冷机组和采暖加热器，在保证满足生产工艺要求和输出高纯度甲烷的同时，有效回收利用大量的甲烷化反应热，可以实现发电、制冷和供暖多联产，并具有能量集成效果好、节能降耗显著、热量利用效率高等特点。
附图说明
[0037] 图1和图2是本发明的工艺流程示意图。
[0038] 图中：1-合成气加热器，2-第一甲烷化炉，3-第一余热锅炉，4-第一循环工质发电机组，5-第二甲烷化炉，6-循环气加热器，7-发生器，8-吸收式制冷循环装置，9-第一气液分离器，10-循环气压缩机，11-第三甲烷化炉，12-第二余热锅炉，13-第二循环工质发电机组，14-进气加热器，15-第二气液分离器，16-第四甲烷化炉，17-采暖加热器，18-甲烷水冷器，
19-第三气液分离器。
具体实施方式
[0039] 下面结合
实施例对本发明做进一步说明，但本发明的保护范围不限于此：
[0040] 实施例1
[0041] 如图1所示，一种合成气甲烷化多联产装置，该装置包括合成气加热器(1)、第一甲烷化炉(2)、第二甲烷化炉(5)、第三甲烷化炉(11)、第四甲烷化炉(16)；来自界外的合成气输出管道与合成气加热器(1)相连，所述合成气加热器(1)的输出端分为两个支路输出，一个支路与第一甲烷化火炉(2)的输入端相连，第一甲烷化火炉(2)底部的输出端通过第一余热锅(3)与第二甲烷化炉(5)的输入端相连，另一个支路与第二甲烷化炉(5)的输入端相连，第二甲烷化炉(5)底部的输出端通过第一余热锅(3)与循环气加热器(6)的输入端相连；所述循环气加热器(6)的输出端也分为两个支路，一个支路依次通过发生器(7)、第一气液分离器(9)、循环气压缩机(10)、循环气加热器(6)与第一甲烷化火炉(2)的输入端相连；另一个支路依次与第三甲烷化炉(11)、合成气加热器(1)和第二余热锅炉(12)相连，所述第二余热锅炉(12)通过进气加热器(14)和第二气液分离器(15)相连，所述第二气液分离器(15)相连顶部的输出端通过进气加热器(14)与第四甲烷化炉(16)顶部的输入端相连，所述第四甲烷化炉(16)底部的输出端通过第二余热锅炉(12)与发生器(7)相连；所述发生器(7)依次与采暖加热器(17)、甲烷水冷器(18)和第三气液分离器(19)相连，第三气液分离器(19)顶部的输出端为天然气。所述的第一余热锅炉(3)与第一循环工质发电机组(4)匹配相连，所述的第二余热锅炉(12)与第二循环工质发电机组(13)匹配相连，所述的发生器(7)与吸收式制冷循环装置(8)匹配相连。所述的第一循环工质发电机组(4)、第二循环工质发电机组(13)为卡琳娜循环、朗肯循环或它们的改进型式。所述的吸收式制冷装置(8)为热驱动制冷循环、热/功复合驱动制冷循环或其改进型式。所述的第一余热锅炉(3)、第二余热锅炉(12)和发生器(7)均采用双热源组合式换热器。
[0042] 一种利用上述装置实现年产40亿Nm3煤制合成气甲烷化工艺流程
[0043] 如图1所示，来自上游的1966200Nm3/h净化合成气(30℃，3.3MPa)，组成为(v％):H2:75.2％、CO：20.9％、CO2：3％、N2：0.9％，氢
碳比[(H2-CO2)/(CO+CO2)]为3.02，进入合成气加热器(1)升温至150℃后分成两股，一股与循环物流混合升温至223℃后进入第一甲烷化炉(2)，所得661℃高温甲烷工艺气进入第一循环工质发电机组(4)的第一余热锅炉(3)驱动发电，第一余热锅炉的循环工质被加热至600℃。另一股合成气与降温后的甲烷工艺气混合升温至246℃后进入第二甲烷化炉(5)，所得632℃高温甲烷工艺气再进入第一循环工质发电机组(4)的第一余热锅炉(3)共同驱动发电。降温后的甲烷工艺气进入循环气加热器(6)后分为两股，一股作为循环气(循环比为0.65)进入吸收式制冷装置(8)的发生器(7)后进入第一气液分离器(9)，气相进入循环气压缩机(10)经过循环气加热器(6)升温至260℃后与合成气混合；另一股进入第三甲烷化炉(11)，所得454℃高温甲烷工艺气经合成气加热器(1)进入第二循环工质发电机组(13)的第二余热锅炉(12)驱动发电，第二余热锅炉的循环工质被加热至250℃。
[0044] 降温后的甲烷工艺气进入进气加热器(14)经第二气液分离器(15)分离凝液，气相经过进气加热器(14)升温至230℃后进入第四甲烷化炉(16)，所得326℃高温甲烷工艺气进入第二循环工质发电机组(13)的第二余热锅炉(12)后，再经过吸收式制冷装置(8)的发生器(7)，制冷工质被加热至150℃，甲烷工艺气被降温至200℃后进入采暖加热器(17)加热用户供暖水，经甲烷水冷器(18)和第三气液分离器(19)分离凝液，得到纯度为94.1％的天然气送去界外管网。表1为年产40亿Nm3煤制合成天然气甲烷化装置的冷热电输出量。
[0045] 表1年产40亿Nm3煤制合成天然气甲烷化装置冷热电输出量
[0046]
[0047] 实施例2
[0048] 如图2所示，一种合成气甲烷化多联产装置，该装置包括合成气加热器(1)、第一甲烷化炉(2)、第二甲烷化炉(5)、第三甲烷化炉(11)；来自界外的合成气输出管道与合成气加热器(1)相连，所述合成气加热器(1)的输出端分为两个支路输出，一个支路与第一甲烷化火炉(2)的输入端相连，第一甲烷化火炉(2)底部的输出端通过第一余热锅(3)与第二甲烷化炉(5)的输入端相连，另一个支路与第二甲烷化炉(5)的输入端相连，第二甲烷化炉(5)底部的输出端通过第一余热锅(3)与循环气加热器(6)的输入端相连；
[0049] 所述循环气加热器(6)的输出端也分为两个支路，一个支路依次通过发生器(7)、第一气液分离器(9)、循环气压缩机(10)、循环气加热器(6)与第一甲烷化火炉(2)的输入端相连；另一个支路依次与第三甲烷化炉(11)、合成气加热器(1)和第二余热锅炉(12)相连，所述的第二余热锅炉(12)依次与发生器(7)、采暖加热器(17)、甲烷水冷器(18)和第三气液分离器(19)相连，第三气液分离器(19)顶部的输出端为天然气。
[0050] 所述的第一余热锅炉(3)与第一循环工质发电机组(4)匹配相连，所述的第二余热锅炉(12)与第二循环工质发电机组(13)匹配相连，所述的发生器(7)与吸收式制冷循环装置(8)匹配相连。所述的第一循环工质发电机组(4)、第二循环工质发电机组(13)为卡琳娜循环、朗肯循环或它们的改进型式。所述的吸收式制冷装置(8)为热驱动制冷循环、热/功复合驱动制冷循环或其改进型式。所述的第一余热锅炉(3)、第二余热锅炉(12)和发生器(7)均采用双热源组合式换热器。
[0051] 一种利用上述装置实现年产40亿Nm3焦炉气制天然气甲烷化工艺流程
[0052] 如图2所示，来自上游的1065003Nm3/h净化焦炉合成气(30℃，3MPa),组成为(v％):H2:59.7％、CO：7.2％、CO2：8％、N2：2％，CH4：23.1％，进入合成气加热器(1)升温至170℃后分成两股，一股与循环物流混合至207℃后，进入第一甲烷化炉(2)，所得633℃高温甲烷工艺气进入第一循环工质发电机组(4)的第一余热锅炉(3)驱动发电，第一余热锅炉的循环工质被加热至550℃。另一股合成气与降温后的甲烷工艺气混合至223℃后进入第二甲烷化炉(5)，所得599℃高温甲烷工艺气再进入第一循环工质发电机组(4)的第一余热锅炉(3)共同驱动发电。降温后的甲烷工艺气进入循环气加热器(6)升温至295℃后分为两股，一股作为循环气(循环比为0.2)进入吸收式制冷装置(8)的发生器(7)后进入第一气液分离器(9)，气相进入循环气压缩机(10)经过循环气加热器(6)升温至285℃后与合成气混合；另一股进入第三甲烷化炉(11)，所得434℃高温甲烷工艺气经合成气加热器(1)进入第二循环工质发电机组(13)的第二余热锅炉(12)驱动发电，第二余热锅炉的循环工质被加热至350℃。
[0053] 降温后的甲烷工艺气进入吸收式制冷装置(8)的发生器(7)，制冷工质被加热至150℃，甲烷工艺气被降温至100℃后进入采暖加热器(17)加热用户供暖水，经甲烷水冷器(18)和第三气液分离器(19)分离凝液，得到纯度为88％的天然气送去界外。表2为年产40亿Nm3焦炉气制天然气甲烷化装置的冷热电输出量。
[0054] 表2年产40亿Nm3焦炉气制天然气甲烷化装置冷热电输出量
[0055]
[0056] 本发明设计的一种合成气甲烷化多联产工艺及系统在保证满足生产工艺要求和输出高纯度甲烷的同时，可以实现发电、制冷、供热输出供应，系统能效高，节能效果显著。
[0057] 上述实施例和
说明书中描述的只是说明本发明创造的原理，并不因此而限定本发明的保护范围，在不脱离本发明创造精神和范围的前提下，本技术发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
