摘要：甲烷化技术是煤制天然气的关键环节，一氧化碳和氢气在一定温度、压力和催化剂下合成甲烷的反应叫甲烷化反应。本文提出一 种煤制天然气无循环甲烷化新工艺及新型甲烷化反应器的结构设计。本设计采用无循环压缩机逐段合成工艺，相比 DAIVY 和 TOPSOE 等公司采用的高温循环压缩机的循环稀释工艺，除有效解决了运用高温循环压缩机的难题外，还可以节省投资。本设计有效调节合成气进料的总氢、碳比。作为调节管线，富 CO 合成气分别从一、二和三级反应器补入系统，通过调节其流量，可精确调节合成系统的总氢、碳比，进而使反应温度得到有效控制，防止“飞温”现象产生。本项目本着节能的原则，利用反应热可以副产4.0 ～ 10MPa 的过热蒸汽和0． 7MPa 的蒸汽，达到能量梯级回收和利用，提高了热回收品位。本设计开发新的甲烷化工艺，设计新型甲烷化反应器，采用国产甲烷化催化剂，节省投资。
关键词：无循环；甲烷化；天然气；节能；反应器；
随着国内对能源需求量的不断增加，而我国“富煤贫油少气”的能源结构特点，决定了煤炭将会在未来很长一段时期内 继续作为能源主体被开发和利用。国家对煤制气的支持，推动 了煤制气的发展，煤制天然气是以煤炭为原料，经煤气化、变 换、净化、甲烷化等工序，即可生产出热值符合规定的代用天 然气。
1 无循环甲烷化工艺
1.1美国 RMP 公司的无循环工艺
PMP 甲烷化工艺采用 6 段绝热固定床反应器，变换和甲烷化联合进行，不用循环设备。前三个反应器采用合成气直接冷 激的方式以降低反应器进口温度。净化后的合成气（未脱 CO2）的约 40% 和水蒸气一起进入一级反应器，30% 的合成气作为冷激气和一级出口气体进入二级反应器，剩下 30% 合成气同样和二级出口气体混合进入三级反应器，最后三级反应器继续甲烷化。反应可在高温下进行，甲烷化流程简单，易于控制。
1.2 ICI 公司的无循环甲烷化工艺
ICI 的无循环联合变换甲烷化工艺与 ＲMP 工艺很相似，只是不需要冷激气。联合变换甲烷化工艺不需要循环装置，反应温度易于控 制。但工业应用还存在问题，主要是：①脱硫与脱碳分开，不能采用低温甲醇洗工艺，操作费用较高；②催化剂技术要求高，开发难度较大。
1.3福斯特惠勒和德国南方化学公司合作的 VESTA 工艺
VESTA 工艺原理上是对联合变换甲烷化工艺的改进，在前面增加一个变换反应器，在脱除 CO2 后又增加了一个末端甲烷化反应器，使甲烷化完成的更为彻底。该工艺工业应用存在的主要问题是：
（1）脱硫与脱碳分开，不能采用低温甲醇洗工艺，操作费用增加；
（2）催化剂技术要求较高；
（3）脱碳精度要求很高，否则最后的甲烷化完成不彻底，产品气中甲烷含量的波动大。
本设计采用国产新型甲烷化催化剂，可承受最高温度800℃，该催化剂通过了实验室 8000h 的运行验证，安全可靠。工艺方面，通过控制进入反应器的原料配比来控制反应放热量，避免超温，中试装置是保持原料 H2 过量，控制 CO 的加入量来控制反应温度的；富 CO 的原料气是通过一级、二级、三级反应器逐步加入的，在四级反应器入口预留了一个原料配比调 节接口，若前三级原料（H2 － CO2）/（CO + CO2）配比偏离了反应理想比例，可通过四级进行微量调节。反应移热通过成熟的 废锅工艺进行移热，但考虑到反应器出口温度较高，达到了700℃，高温气体直接引出，给后续工艺设备和管道的设计和操作维护带来困难，通过工艺和设备整合，实现了在反应器内取 热，耐高温设备仅反应器，其他均为常规设备，使流程简化，操作维护简单，投资低，阻力降小，节能。同时反应器采用轴径向 型式，使设备操作维护更加安全可靠，避免了传统反应器因耐 火材料脱落或损坏而损坏反应器发生危险的情况，加工制造容 易，采用常规材质，降低了造价。
本设计通过控制反应放热和反应器内移热两项措施，使甲 烷化工艺得以优化，更为安全可靠，相比目前国外商业化的单 一通过大量气体循环来控制超温和移热相比，在项目投资和节 能方面，均是一大进步。
2技术创新之处
（1）无循环煤制天然气装置无需循环机，降低了投资和运行费用。
（2）无循环甲烷化生产工艺和甲烷化催化剂的研发，旨在彻底打破国外技术的垄断，为国内诸多大型煤制天然气项目的 技术国产化铺平道路。
（3）甲烷化反应器型式的进一步创新升级，在充分借鉴研究国内外先进成熟的各种反应器型式的基础上，打破现在甲烷 化工艺反应器的简单型式，做到气体分布更好，安全可靠性更 高，投资更低。
3天然气产品指标
根据甲烷化技术特点，经过对其他甲烷化工艺流程的研究，提出了一种无循环甲烷化新工艺。本工艺生产的 SNG 产品可作为代用天然气，质量执行天然气国家质量标准（GB17820 － 1999），其指标见表 1。
表1 天然气国家标准（GB17820 － 1999）
4甲烷化集成反应器的结构设计
高温甲烷化反应在工程中的应用，核心技术之一就是要解 决高 CO 含量和快速反应带来的大量反应热的移出和回收利用问题。新型甲烷化反应器采用轴径向反应器，外壳采用普通碳钢，承受高压但不受高温，内件气体分布更均匀，承受高温但不 受高压；且将反应与换热集成于一个内件内，使工艺流程更为简单合理，反应器进出口均只有 200 ～ 300℃，无高温管道与设备，进一步降低投资和优化操作。
该装置具有由不承压且可抽出式内筒和承压外壳组成；装置外壳顶部出水管口、多点测温热偶安装口，外壳下部有原料气 进口、反应气出口、换热器进水口； 内筒上部设有催化剂床层、内筒下部设有滑动水冷式换热设备；反应器催化剂床层内设有中心集气管；本装置为克服热膨胀，没有采用传统换热器设计形式，而是设计了一种带垂直导向滑轨的特殊换热器结构。
5过程模拟与试验结果
无循环甲烷化新工艺已经完成了实验室模拟试验，主要试验内容包括：模拟不同煤种、不同造气工艺所获得的粗煤气条件，计算出经过变换、脱硫脱碳后的合成气组成，配制合成气，然后进行多级甲烷化的模拟试验反应。模拟试验是甲烷含量 7． 5% 左右的合成气甲烷化反应，试验结果与计算结果吻合较好 经过五级甲烷化反应后 产品气中甲烷含量为 98． 2%（干基）。其他组成的模拟试验也都获得了成功，实验室模拟试验结 果表明，该工艺原理是可行和可靠的。
同时进行了长周期的稳定性试验，连续运行 8000 ～ 8500 h，催化剂性能稳定，卸出催化剂的微观结构、晶粒度、碳含量等变化微小，预期使用寿命在 2 年以上。在实验室模拟试验的基础上建设中试装置，进一步收集工 程数据和优化测试，进而进行大型装置的工程化。
就目前形势来看，影响我国煤制天然气发展的主要技术障碍包括：甲烷化催化剂、甲烷化工艺及高温循环设备等三个部分。国内在建项目所需要的甲烷化工艺及催化剂主要从国外引进，价格昂贵；甲烷化所需高温（～ 300℃）循环机要从德国、美国或日本等国家进口，该设备制造难度大，加工周期长，运行过程中还存在安全隐患。经过多年的积累、研究，现提出无循环甲烷化高效合成工 艺。
结束语
综上所述，无循环甲烷化高效合成工艺是目前甲烷化工艺 的重大改进和提升，可降低能耗、提高天然气产品质量、保障高 温设备的安全性。目前，无循环甲烷化高效合成工艺中试装置已经试验成功，打通全流程，并完成专家标定，并认为该技术是国际先进 的，无循环甲烷化工艺水平达到和超过了目前国内外工业化的 甲烷化工艺水平。
参考文献：
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作者简介：
郭俊君，男，身份证号码；6205031987****6015.
论文作者:郭俊君
论文发表刊物:《基层建设》2018年第36期
论文发表时间:2019/1/25
标签：甲烷论文; 反应器论文; 合成气论文; 催化剂论文; 工艺论文; 天然气论文; 化工论文; 《基层建设》2018年第36期论文;