甲烷非催化部分氧化與甲烷蒸汽轉化聯產合成氣的方法和系統的制作方法
【專利摘要】本發明提供了一種甲烷非催化部分氧化與甲烷蒸汽轉化聯產合成氣的方法，甲烷蒸汽轉化預熱過程利用甲烷非催化部分氧化反應中產生的熱量，生產第一合成氣后，與甲烷非催化部分氧化反應生產的第二合成氣，進行混合；應用本發明的有益效果：采用本方法能夠利用氣化過程中的熱量，減少熱損。消除管式爐因燃燒天然氣而產生的二氧化碳排放，真正做到低碳生產。可減少甲烷蒸汽轉化系統中換熱器，降低甲烷蒸汽轉化系統的投資成本，利用本方法進行甲烷轉化合成氣聯產，能夠做到節能、降耗、減排、降低成本，具有一定的經濟價值。
【專利說明】甲烷非催化部分氧化與甲烷蒸汽轉化聯產合成氣的方法和系統
【技術領域】
[0001]本發明屬于化工新工藝技術和新能源開發領域，具體涉及一種甲烷非催化部分氧化與甲烷蒸汽轉化聯產合成氣的方法和系統。
【背景技術】
[0002]甲烷非催化部分氧化工藝主要是對重油氣化爐(德士古爐)的噴嘴進行技術改造，以甲烷為原料在氣化爐內直燒生產合成氨、尿素等產品，在化肥行業有較好的應用。德士古氣化爐為熱壁爐其耐火襯里為耐火磚，其氣化工藝原理為:甲烷、氧氣分別經氣化爐噴嘴內、外通道充分混合后進入氣化爐，在溫度1200— 1400°C，壓力2.0—3.5Mpa條件下生成CCHH2在95%以上的有效氣體。高溫氣體在急冷室與加入急冷室內的洗滌水充分接觸，經氣化爐喉管急劇膨脹，溫度降至210°C以下，同時被水蒸氣飽和，生成氣化氣，在此過程中，造成了大量的熱損失。甲烷非催化部分氧化工藝流程見附圖1。
[0003]甲燒蒸汽轉化法主要工藝技術提供方有Technip (KTI)、Uhde> Linde、FosterWheeler、Top soe、Hpwe Baker等。其基本工藝流程大致相同，整個工藝流程由原料氣處理、蒸汽轉化、CO變換和氫氣提純4大單元組成。蒸汽轉化是在催化劑存在及高溫條件下，使甲烷與水蒸汽反應，生成H2、CO等混合氣，該反應是強吸熱反應，需要外界供熱。其供熱方式是以天然氣為原料的管式加熱爐。管式加熱爐未采取余熱回收措施，造成大量熱量放散，煙氣放空溫度一般在350°C左右，浪費熱能，造成環境熱污染。管式加熱爐燃燒器采用自然通風方式配置助燃空氣，燃燒效率較低。對管式加熱爐廢氣廢熱利用的研究，僅僅局限于燃料的更換以降低成本， 廢熱的利用回收，沒有技術之外的延伸。管式加熱爐節能途徑及措施主要有優化裝置的換熱系統，降低排煙溫度，提高空氣入爐溫度，合理控制過剩空氣系數等。

【發明內容】

[0004]本發明的目的提供一種甲烷非催化部分氧化與甲烷蒸汽轉化聯產合成氣的方法和系統，該方法將甲烷非催化部分氧化工藝與甲烷蒸汽轉化工藝整合在一起，利用甲烷非催化部分氧化工藝產生的熱量對甲烷蒸汽轉化工藝原料氣進行預處理，達到節能減排的目的。
[0005]本發明的目的是通過以下技術方案實現的:
[0006]一種甲烷非催化部分氧化與甲烷蒸汽轉化聯產合成氣的方法，包括以下步驟:
[0007]1、將甲烷預熱脫硫后，送入氣化爐，同時向氣化爐通入富氧空氣，高溫條件下，甲烷發生非催化部分氧化反生成合成氣；
[0008]2、將合成氣投入廢鍋系統，生成第一合成氣和中壓蒸汽，中壓蒸汽投入氣化爐的甲烷入口管道；
[0009]3、調整氣化爐中甲烷水蒸汽混合氣、富氧空氣指標，當氣化爐的甲烷蒸汽出口排出的甲烷水蒸汽混合氣達到500-700°C時，將其通入氣體換熱式轉化器，甲烷和水蒸汽在其中反應生成轉化氣，將轉化氣送入富氧轉化器；
[0010]4、氣化爐的富氧空氣出口排出的富氧空氣達到350_500°C時，通入富氧轉化器，與步驟3中的轉化氣在催化劑作用下反應，生成反應氣；
[0011]5、步驟4生成的反應氣依次經氣體換熱式轉化器的管間、甲烷換熱器后，生成第
二合成氣；
[0012]6、將第一合成氣與第二合成氣混合后,送出聯產工段；
[0013]其中所述步驟4生成的反應氣在氣體換熱式轉化器的管間向管內的反應提供熱量。
[0014]一種甲烷非催化部分氧化與甲烷蒸汽轉化聯產合成氣的系統，包括甲烷換熱器1、脫硫槽2、氣化爐3、廢鍋4、氣體換熱式轉化器5和富氧轉化器6，其中所述甲烷換熱器I依次與脫硫槽2、氣化爐3、廢鍋4連接，所述廢鍋4的氣出口依次與氣化爐3、氣體換熱式轉化器5、富氧轉化器6連接。
[0015]所述氣化爐3還包括甲烷蒸汽入口管31、富氧空氣出口管32、甲烷蒸汽出口管33、富氧空氣入口管34，其中所述廢鍋4氣出口依次連接甲烷蒸汽入口管31、甲烷蒸汽出口管33、氣體換熱式轉化器5和富氧轉化器6，所述富氧空氣入口管34依次連接富氧空氣出口管32、富氧轉化器6、氣體換熱式轉化器5和甲烷換熱器I。
[0016]所述氣化爐3內部為半環狀列管結構，由兩個半環之間連接數根列管組成，所述半環狀列管安裝在氣化爐爐壁與耐火磚7之間，進入系統的氣體通過半環管分布到各個列管，從對角半環列管流出，其中所述甲烷蒸汽入口管31與甲烷蒸汽出口管33連通，所述富氧空氣入口管34與富氧空氣出`口管32連通。
[0017]應用本發明的有益效果:
[0018](I)甲烷非催化部分氧化氣化爐為熱壁爐，生產過程中會產生大量的熱，熱損失較大，采用本方法能夠利用氣化過程中的熱量，減少熱損。另外，在氣化爐爐壁與耐火磚之間增加列管，可以減少耐火磚的使用量，降低氣化爐的運行成本。
[0019](2)通過氣化爐中環狀列管加熱，可替代甲烷蒸汽轉化系統中的加熱設備管式爐，消除管式爐因燃燒天然氣而產生的二氧化碳排放，真正做到低碳生產。此外，可減少甲烷蒸汽轉化系統中換熱器，降低甲烷蒸汽轉化系統的投資成本。
[0020](3)甲烷非催化部分氧化系統生產的合成氣與甲烷蒸汽轉化系統生產的合成氣可以根據其氣體成份進行有比例的混合，從而降低整個系統在變換工段的投資，同時也降低了下游變壓吸附脫氮工段的投資。
[0021](4)利用本方法進行甲烷轉化合成氣聯產，能夠做到節能、降耗、減排、降低成本，具有一定的經濟價值。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1:本發明甲烷非催化部分氧化與甲烷蒸汽轉化聯產合成氣系統流程圖
[0023]圖2:氣化爐剖面圖
[0024]圖3:環狀管系統俯視圖
[0025]圖4:環狀管剖視圖
[0026]甲烷換熱器-1脫硫槽-2氣化爐-3廢鍋-4[0027]氣體換熱式轉化器-5富氧轉化器-6耐火磚-7
[0028]甲烷蒸汽入口管-31 富氧空氣出口管-32甲烷蒸汽出口管-33
[0029]富氧空氣入口管-34
【具體實施方式】
[0030]為更好的說明本發明，下面結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。
[0031]如圖1、2所示，該系統的包括:甲烷換熱器1、脫硫槽2、氣化爐3、廢鍋4、氣體換熱式轉化器5和富氧轉化器6，其中甲烷換熱器I依次與脫硫槽2、氣化爐3、廢鍋4連接，所述氣化爐3還包括甲烷蒸汽入口管31、富氧空氣出口管32、甲烷蒸汽出口管33、富氧空氣入口管34，其中廢鍋4氣出口依次連接甲烷蒸汽入口管31、甲烷蒸汽出口管33、氣體換熱式轉化器5、富氧轉化器6，所述富氧空氣入口管34依次連接富氧空氣出口管32、富氧轉化器6、氣體換熱式轉化器5和甲烷換熱器I。
[0032]圖3、4為氣化爐中半環狀列管系統結構，所述半環狀列管是有兩個半環之間連接數根列管組成，進入系統的氣體通過半環管分布到各個列管，然后從對角半環管流出。整個半環狀列管系統包括兩套半環狀列管，一套通入甲烷水蒸氣混合氣體，另一套通入富氧空氣，對向進入半環狀列管，對向流出。
[0033]半環狀列管安裝在氣化爐爐壁與耐火磚7之間，如圖2。所述半環狀列管安裝于氣化爐中，主要是利用加熱爐原理，氣化爐代替了甲烷蒸汽轉化工藝中加熱爐及換熱器的作用，為甲烷蒸汽轉化工藝的原料提供充足的熱量。
[0034]圖1為本發明甲烷非催化部分氧化與甲烷蒸汽轉化聯產工藝流程圖。
[0035]工藝流程主要包括兩個系統，系統一是甲烷非催化部分氧化工藝系統，包括甲烷換熱器、脫硫槽、氣化爐、廢鍋等；系統二是甲烷蒸汽轉化工藝系統，包括甲烷換熱器、脫硫槽、氣化爐、廢鍋、氣體換熱式轉化器、富氧轉化器等。
[0036](I)系統一開車:在甲烷非催化部分氧化系統開工前，投入甲烷脫硫系統，將甲烷、富氧空氣投入半環狀列管系統。氣化爐的開工程序按原甲烷非催化部分氧化工藝系統氣化爐操作規程進行，氣化爐生產出合格的合成氣后，投入廢鍋系統，生成第一合成氣和中壓蒸氣，將中壓蒸汽投入半環狀列管系統的甲烷氣管道。系統一中，主要存著如下基本反應:
[0037]CH4+02 — CO2+H2O
[0038]CH4+H20 — C0+H2
[0039]CH4+02 — C0+H2
[0040](2)系統二開車:在甲烷非催化部分氧化系統正常運行后，分別調節甲烷水蒸汽混合氣、富氧空氣指標，甲烷水蒸汽混合氣溫度達到500—700°C時，將甲烷水蒸汽混合氣通入氣體換熱式轉化器，在催化劑層中，甲烷與水蒸汽反應生成CO和H2,甲烷轉化所需熱量由高溫的富氧轉化器來的轉化合成氣提供，出換熱式轉化器的轉化氣，甲烷含量約30%，溫度約700—800 0C，該轉化氣直接進入富氧轉化器。
[0041]富氧空氣溫度達到350—500°C時，進入富氧轉化器與換熱式轉化器來的轉化氣充分混合燃燒，并在鎳催化劑存在下高溫轉化，使轉化氣中的甲烷含量進一步降低，出富氧轉化器的氣體中殘余甲烷含量約為0.5%，該轉化氣經換熱式轉化器的管間為管內的轉化反應提供熱量后，溫度降至500— 600°C，再經過甲烷換熱器回收熱量后，溫度降至300— 400°C，此時生成第二合成氣。
[0042]系統二中，主要存著如下基本反應:
[0043]CH4+H20 — C0+H2
[0044]CH4+02 — C0+H2
[0045]C0+H20 — C02+H2
[0046]C0+02 — CO2
[0047](3)將第一合成氣與第二合成氣混合后,送出聯產工段。
[0048]利用本方法進行甲烷轉化合成氣聯產，能夠做到節能、降耗、減排、降低成本，具有一定的經濟價值。
[0049]以上所述，僅為本發明較佳的【具體實施方式】，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術領域】的技術人員在本發明披露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應該以權利要求書的保護范圍為準。
【權利要求】
1.一種甲烷非催化部分氧化與甲烷蒸汽轉化聯產合成氣的方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)將甲烷預熱脫硫后，送入氣化爐，同時向氣化爐通入富氧空氣，高溫條件下，甲烷發生非催化部分氧化反生成合成氣； (2)將合成氣投入廢鍋系統，生成第一合成氣和中壓蒸汽，中壓蒸汽投入氣化爐的甲烷入口管道； (3)調整氣化爐中甲烷水蒸汽混合氣、富氧空氣指標，當氣化爐的甲烷蒸汽出口排出的甲烷水蒸汽混合氣達到500-700°C時，將其通入氣體換熱式轉化器，甲烷和水蒸汽在其中反應生成轉化氣，將轉化氣送入富氧轉化器； (4)氣化爐富氧空氣出口排出的富氧空氣達到350-500°C時，通入富氧轉化器，與步驟3中的轉化氣在催化劑作用下反應，生成反應氣； (5)步驟4生成的反應氣依次經氣體換熱式轉化器的管間、甲烷換熱器后，生成第二合成氣； (6)將第一合成氣與第二合成氣混合后,送出聯產工段； 其中所述步驟4生成的反應氣在氣體換熱式轉化器的管間向管內的反應提供熱量。
2.一種根據權利要求1所述甲烷非催化部分氧化與甲烷蒸汽轉化聯產合成氣的方法所用系統，其特征在于，包括甲烷換熱器(I)、脫硫槽(2)、氣化爐(3)、廢鍋(4)、氣體換熱式轉化器(5)和富氧轉化器(6)，其中所述甲烷換熱器(I)依次與脫硫槽(2)、氣化爐(3)、廢鍋(4)連接，所述廢鍋(4)的氣出`口依次與氣化爐(3)、氣體換熱式轉化器(5)、富氧轉化器(6)連接。
3.根據權利要求2所述的一種甲烷非催化部分氧化與甲烷蒸汽轉化聯產合成氣的系統，其特征在于，所述氣化爐(3)還包括甲烷蒸汽入口管(31)、富氧空氣出口管(32)、甲烷蒸汽出口管(33)、富氧空氣入口管(34)，其中所述廢鍋(4)氣出口依次連接甲烷蒸汽入口管(31)、甲烷蒸汽出口管(33)、氣體換熱式轉化器(5)和富氧轉化器(6)，所述富氧空氣入口管(34)依次連接富氧空氣出口管(32)、富氧轉化器(6)、氣體換熱式轉化器(5)和甲烷換熱器(I)。
4.根據權利要求2所述的一種甲烷非催化部分氧化與甲烷蒸汽轉化聯產合成氣的系統，其特征在于，所述氣化爐(3)內部為半環狀列管結構，由兩個半環之間連接數根列管組成，所述半環狀列管安裝在氣化爐爐壁與耐火磚(7)之間，進入系統的氣體通過半環管分布到各個列管，從對角半環列管流出，其中所述甲烷蒸汽入口管(31)與甲烷蒸汽出口管(33)連通，所述富氧空氣入口管(34)與富氧空氣出口管(32)連通。
【文檔編號】C01B3/38GK103693616SQ201310670181
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月10日 優先權日:2013年12月10日
【發明者】吳道洪, 賈海峰 申請人:北京神霧環境能源科技集團股份有限公司