甲烷化流化磁控反应器系统技术方案

本发明专利技术公开了一种由合成气生产富含甲烷气体的反应器系统，和用所述系统生产富含甲烷气体的方法。所述反应器系统包括一端具有合成气入口、另一端具有富含甲烷产物气体出口的流化反应器；至少一个在所述合成气入口和产物气体出口之间的反应-吸附区，其中所述反应-吸附区包括甲烷化催化剂和吸附或吸收二氧化碳和/或硫化物气体的吸附剂；通过废吸附剂输送管道和再生吸附剂输送管道与上述反应器相连通的吸附剂再生器，其中通过施加磁场使甲烷化催化剂颗粒相对于其它流动的反应物处于基本静止的状态，而废吸附剂颗粒经过其输送管道进入上述吸附剂再生器中，并在其中被再生，再生的吸附剂颗粒经其输送管道被重新循环回反应器中。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种由合成气生产富含甲烷气体的反应器系统，和用所述系统生产富含甲烷气体的方法。所述反应器系统包括一端具有合成气入口、另一端具有富含甲烷产物气体出口的流化反应器；至少一个在所述合成气入口和产物气体出口之间的反应-吸附区，其中所述反应-吸附区包括甲烷化催化剂和吸附或吸收二氧化碳和/或硫化物气体的吸附剂；通过废吸附剂输送管道和再生吸附剂输送管道与上述反应器相连通的吸附剂再生器，其中通过施加磁场使甲烷化催化剂颗粒相对于其它流动的反应物处于基本静止的状态，而废吸附剂颗粒经过其输送管道进入上述吸附剂再生器中，并在其中被再生，再生的吸附剂颗粒经其输送管道被重新循环回反应器中。【专利说明】甲烷化流化磁控反应器系统
本专利技术涉及一种由合成气制备富含CH4气体的反应器系统、以及一种用该反应器系统生产富含CH4气体的方法，特别是涉及一种其中催化剂颗粒与吸附剂颗粒实现自动分离的甲烷化流化磁控反应器系统。
技术介绍
甲烷化是将固态碳质材料、例如煤炭和生物质转化为合成天然气(或替代天然气，SNG)的关键性步骤。在这一步骤中，富含一氧化碳、二氧化碳和氢气的煤炭和生物质气化产物流(通常称为合成气)通过以下可逆反应被转化为作为管道级质量产物的富含CH4的气体:CO+ 3 H2 CH4 + H2O (反应 I)2 CO + 2 H2 <=> CH4 + CO](反应 2)CO + H2O CO] + H〕(反应 3)常规甲烷化基于反应1，其要求H2/C0的摩尔比约为3:1，而酸性甲烷化主要基于反应2，其要求H2/C0的摩尔比为1:1。与常规甲烷化相比，酸性甲烷化具备以下优点:1)进料气体中所需的H2更少，因此需要的原料气体预处理也更少；2)某些酸性甲烷化催化剂表现出高耐硫性，因此，在某些情况下预脱硫可以省略；以及3)不会发生常规甲烷化中发生的催化剂碳结垢，由此催化剂寿命更长。甲烷化反应是可逆反应。按照热力学规律，CO2的存在将使反应平衡向左侧移动，从而使得反应进行的方向不利于CH4的生成。因此，CO2是CH4生成的抑制剂，其降低了反应速率，也降低了产物的最高转化率。在常规工业方法中，随着CO2在甲烷化过程中的积累，反应速度将逐渐放慢，而产物的转化率将显著降低。在酸性甲烷化过程中形成的CO2不仅给系统带来热力学上的限制。甲烷化过程中产生的CO2作为副产物和CH4 —起存在于系统中，因此必须除去，本领域技术人员已知的除去方法包括SeloXol、MDEA、石灰吸附等。此类独立的CO2去除、或CH4提纯过程也显著增加了甲烷化的总成本。这样的CO2去除是CH4产物后处理的一部分，而不是甲烷化本身的一部分。气化所产生的合成气含有主要形式为H2S和COS的硫组分，该硫组分可使甲烷化催化剂中毒，因此必须在甲烷化前从进料中除去。工业上，合成气在进入甲烷化过程前已经过深度净化单元处理，使硫含量降低至0.1ppm0此类深度净化通常是通过一个或多个工业脱硫过程实现，例如Rectisol和Selexol等。预净化显著增加了资本投入。另外，此类净化方法需要低温(室温或更低)，因此气化单元生产的热合成气必须降温，这将导致能量效率降低。US6610264公开了一种从气体混合物中去除硫的方法和系统，该系统可以被用于从上述合成气原料中分离硫化物气体。同时，US7713421公开了一种用于从流体混合物中去除某些组分的方法，其中吸附剂结构可以吸附某些包括上述硫化物气体的气体组分。尽管存在高耐硫甲烷化催化剂，例如包括US5141191中公开的钥和镧元素或锕元素的耐硫甲烷化催化剂，但此类催化剂的价格很高。另外，由于系统内不包括再生机制，中毒的催化剂在系统内积累，会导致催化剂活性和选择性的降低或丢失。此外，更换催化剂要求系统完全停止运行，由此导致成本大量增加。因此，需要找到延长催化剂寿命的方法。US4774261公开了一种耐硫催化剂以及在硫的存在下使用该催化剂的方法。但是，在此类工艺条件下，过量的CO2产生并且随甲烷化过程而积累，从而导致化学平衡移向与甲烷化方向相反的方向，由此抑制了 CH4的生成，限制了 CH4的最大转化率。因此，在产物中，大量未转化的合成气被残留下来，并且热值降低。在此情况下，必须进一步提纯产物，以便生产管道级质量的产物。除了 CO2的过度积累和催化剂因硫化物气体而中毒外，现有技术中的甲烷化方法还存在以下问题。由于反应放热，低温对于CH4的生产是有利的。结果，为了避免热力学上的限制，希望使用约300-400°C的操作温度以获得可接受的转化率。但是，在这样的温度下得到的反应速率较低，因此需要很大的反应器和/或大量的循环水蒸汽来完成反应，这将显著增加资本投入。另外，催化剂的耐硫性在较低温度下被降低，由此催化剂寿命被缩短。还有，反应的高度放热特性提高了对热传递的要求。从反应体系内将热传出的设备、例如多管热交换器或级间冷却器要求必须精心设计，而这增加了操作的复杂性和资本投入。另外，本领域中经常在系统中使用热交换器以将反应热传出系统，从而控制反应温度和使用得到的热蒸汽来产生电力或驱动机械设备。这样做需要高反应温度，但是，如上所述，高反应温度对反应而言却是不利的。CN102040441、CN101982448、CN102371136 和 CN102126906 都公开了一种生产富含CH4气体的系统以及用该系统生产富含CH4气体的方法。虽然上述方法均采取了甲烷化反应和CO2以及硫化物气体吸附同时进行的技术思路，但在甲烷化催化剂和废吸附剂物理分离方面，却分别采用了依靠甲烷化催化剂和废吸附剂的流化高度差用下行漏斗或下行管进行分离、用相互交错的夹层结构进行分离、或用独石结构进行分离的方法。这些分离方法取得了较好的技术效果，但甲烷化催化剂的磨蚀或损耗、甲烷化反应和CO2以及硫化物气体吸附之间仍可能存在时间差、以及甲烷化催化剂不可更换或难以更换仍是在实际使用时不可忽视的技术问题。上述文献的所有公开内容在此全文引入以作参考。本专利技术的目的在于在克服以上一个或多个甚至所有问题的情况下实施合成气的酸性甲烷化过程。
技术实现思路
本专利技术人发现，本专利技术的上述目的可以通过在甲烷化反应进行的同时用吸附剂从反应系统中快速除去CO2和硫化物气体、例如H2S和C0S，并且对吸附剂进行再生来实现，其中通过用现代包覆技术或混合技术赋予甲烷化催化剂颗粒磁性，并在施加磁场的情况下实现甲烷化催化剂和废吸附剂的自动分离。通过从甲烷化反应系统中同时除去CO2和硫化物气体，甲烷化反应的平衡被推向形成CH4的一端，由此可得到更高的CH4产率。此类去除还可以提纯甲烷产物，因而可得到质量更高的甲烷，和/或降低与甲烷提纯有关的成本。另外，同时除去CO2和硫化物气体避免了催化剂中毒，因此可以得到更高的催化剂活性、选择性和/或更长的催化剂寿命，并且省去合成气的脱硫预处理，和/或可以在甲烷化反应系统中使用非耐硫或低耐硫的催化剂。最后，通过吸附剂再生，系统中吸附剂的实际消耗量可以大大减少，因此可以获得更低的成本。这对于工业化规模的实施是尤其有利的。从甲烷化反应系统中同时除去CO2和硫化物气体可以通过这样的反应器系统来实现，即其包括反应器和至少一个吸附剂再生器，所述反应器在其中保留甲烷本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种由合成气制备富含CH4气体的反应器系统，所述系统包括反应器(100)，所述反应器(100)在一端具有合成气入口(101)，在另一端具有富含CH4产物气体出口(102)，在所述反应器(100)内,在所述合成气入口(101)和所述产物气体出口(102)之间具有至少一个反应?吸附区(105)，其中所述反应?吸附区(105)包括甲烷化催化剂和能够吸附和/或吸收CO2和/或硫化物气体的吸附剂；至少一个吸附剂再生器(200)，其通过废吸附剂输送管道(103)和再生吸附剂输送管道(104)与所述反应器(100)相连通，其中在所述反应器(100)中产生的废吸附剂通过其输送管道(103)进入所述吸附剂再生器(200)中，并在其中被再生，随后被再生的吸附剂通过其输送管道(104)被重新循环回所述反应?吸附区(105)中；和磁场发生器，用于使所述反应?吸附区(105)内部产生方向与反应物料流化或流动方向相反的磁场，其特征在于：通过施加上述磁场使磁性甲烷化催化剂颗粒产生一个方向与其流化力方向相反的磁力，抵消其流化力和其它流动的反应物对它的推动力，以使其相对于其它流动的反应物在所述反应?吸附区(105)中处于基本静止的状态，从而实现甲烷化催化剂颗粒与流动的废吸附剂颗粒的自动分离。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：苗强，
申请(专利权)人：北京低碳清洁能源研究所，
类型：发明
国别省市：