余热推动循环载热的煤气甲烷化技术与装置.pdf

发明内容  本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种无压缩机的余热推动循环载热煤气甲烷化技术，节省动力，增加副产电力输出，能量利用率提高至少6％以上。煤气甲烷化反应产物之一是水蒸气，因此以水蒸汽作为载热体其性质与产品气相近。本发明在反应体系压力0.15～3.0MPa的范围内，根据气-液两相体系中水蒸汽分压随温度改变的热力学性质，利用低温余热推动水蒸汽蒸发-冷凝循环，代替机械压缩循环，构成附图所示的余热推动循环载热的煤气甲烷化技术工艺流程。

本发明所述余热推动循环载热煤气甲烷化技术，其工艺步骤包括：煤气经CO变换、脱硫、脱碳等预处理成为H₂/CO＝3(摩尔比，下同)的煤气原料气，按1∶1～1∶2的比例分两路分别进入一段甲烷化绝热反应器1和二段甲烷化绝热反应器2。进入一段甲烷化绝热反应器1的原料气，首先在蒸发/冷凝耦合换热器3的降膜蒸发侧升温增湿，其热量来自在该间壁式换热器3另一侧的产品气冷却、冷凝放热。原料气温度从常温上升至蒸发饱和温度T1、湿含量同步上升到汽/气＝3.0～4.0(摩尔比，下同)；产品气温度则从换热器入口温度T8下降到冷凝饱和温度T9、湿含量下降至汽/气低于0.02、所含的水蒸汽95％以上冷凝析出，冷凝水返回该换热器的降膜蒸发侧，构成蒸发-冷凝-蒸发的水蒸汽载热循环。汽/气比＝3.0～4.0的原料气离开换热器3进入原料气过热器6，与入口温度为T7的产品气间壁换热，原料气温度上升到T2进入一段甲烷化绝热反应器1，原料气载热能力足以控制气体出口温度不超过T3、离开反应器1进入高压蒸汽过热器7释放热量降温至T4为350～420℃后与要进入二段甲烷化绝热反应器2的常温原料气混合到温度T5，在二段甲烷化绝热反应器2完成全部甲烷化反应后的产品气温度不超过T6，将反应热带入高压锅炉8副产蒸汽后温度降到T7为320～420℃，通过一段甲烷化原料气过热器6回收产品气高温余热使其温度降到T8，进一步通过蒸发/冷凝耦合换热器3回收低温余热使其终端出口温度T9比常温原料气进口温度高20～30℃，高压锅炉8副产的蒸汽在高压蒸汽包9中分离雾沫后在高压蒸汽过热器7中被升温到500～520℃输出。上述步骤形成封闭循环系统，连续化生产甲烷气，副产8～12MPa、500～520℃的高压蒸汽，各步骤的时间由选用设备的能力和实际负荷量确定。

上述方法中，所述原料气在间壁式蒸发/冷凝耦合换热器3中降膜蒸发侧升温增湿，原料气与循环水均从该换热器顶部均匀分布进入换热管内，形成垂直下降的气液环状两相流，接受管外侧传来的热量而升温并且蒸发，提高原料气的汽/气比；所述循环水是从产品气析出的冷凝水，由循环水泵4从冷凝水收集槽5输送而来；原料气在换热管内流速2.0～10.0m/s；循环水体积流量与原料气体积流量之比1∶20～1∶60。

上述方法中，所述通过蒸发/冷凝耦合换热器3回收低温余热，是指温度为T7的产品气从蒸发/冷凝耦合换热器3最下部的壳体接管进入换热器壳程，在管间以不低于5.0m/s的平均速度向上折流，通过管壁将热量传给管内的原料气和循环水两相流，产品气冷却并析出冷凝水；向上折流的程数大于2，每程均有一根冷凝水排出管联向低位的冷凝水收集槽；冷凝水收集槽有一根排放管，定量排出工艺过程产生的水。

上述方法中，所述：通过蒸发/冷凝耦合换热器3原料气温度从常温上升至T1，T1不超过250℃，产品气温度从T8下降到T9，T8为250～280℃，T9为50～100℃；一段甲烷化绝热反应器1进口温度T2为270～300℃、出口温度T3不高于680℃；二段甲烷化绝热反应器2进口温度T5为300～320℃、出口温度T6不高于680℃。

上述方法中，所述蒸发/冷凝耦合换热器3，由多段的固定管板式管壳换热器组合而成，段数至少两段，垂直叠放；每段固定管板式管壳换热器市售可得，各段结构和换热管规格、管数及布管方式均相同，长度至少2m；段与段之间用法兰密封连接；各段管程所有换热管的中心线同心布置，段与段之间换热管端部间隙5～10m；各段壳体上下两端开有相同结构与尺寸的产品气接口，方位180°对称，换热器多段组合后用U型接管将相邻两段的产品气接口相连，形成壳程折流通道；每段壳体靠近下管板位置开冷凝水排出口，安装后与该段冷凝水排出管相联；最上和最下的两段均与锥形封头相连，安装后分别连接原料气进、出接管；上锥形封头内在轴线位置上距换热器管板500～1200mm高度固定安装一个螺旋喷头，将循环水向下均匀喷洒到管板上，循环水接管从上锥形封头外水平伸入与螺旋喷头相连。