專利名稱：用于產生代用天然氣的方法和設備的制作方法
技術領域：
本文公開的主題涉及代用天然氣的產生。
背景技術：
一般而言，整體氣化聯合循環(IGCC)動力裝置能夠相對清潔和有效地從各種碳 氫化合物給料(如煤)產生能量。IGCC技術可通過在氣化器中與氧氣和蒸汽的反應而將碳 氫化合物給料轉換成一氧化碳(CO)和氫氣(H2)的氣體混合物，即，合成氣。可將這些氣體 清潔、處理并用作常規聯合循環動力裝置中的燃料。例如，可將合成氣輸送到IGCC動力裝 置的燃氣渦輪的燃燒器中并點燃以驅動燃氣渦輪用于發電。然而，合成氣可進一步轉換成代用天然氣(SNG)，可將該代用天然氣輸送到新的或 已有(改裝)的天然氣聯合循環(NGCC)動力裝置的燃氣渦輪的燃燒器中并點燃以驅動燃 氣渦輪用于發電，以及用于成品SNG的普通銷售。從合成氣產生SNG是一項復雜的工作，具 有大量步驟以及轉換單元，其獨立建造和/或維護的費用是昂貴的。
發明內容
將與原始要求保護的發明的范圍相稱的特定實施例歸納如下。這些實施例并非意 圖限制要求保護的發明的范圍，相反，這些實施例僅意圖提供本發明的可能形式的簡要概 括。實際上，本發明可包含可與以下闡述的實施例相似或不同的多種形式。在第一實施例中，一種系統包括代用天然氣(SNG)生產系統，該生產系統包括多 級反應器，該多級反應器包括水氣變換(WGS)反應器、甲烷化反應器、經過WGS反應器和甲 烷化反應器二者的氣體流動路徑，以及具有WGS反應器和甲烷化反應器二者的單個單元。在第二實施例中，一種系統包括多級反應器，該多級反應器包括水氣變換(WGS) 反應器、配置成在WGS反應器中的WGS反應之后從合成氣去除硫化氫的酸性氣體去除(AGR) 系統、配置成在通過AGR系統去除酸性氣體之后從合成氣產生甲烷的無酸甲烷化反應器， 以及具有WGS反應器、AGR系統和甲烷化反應器的單個單元。在第三實施例中，一種系統，包括多級反應器，該多級反應器包括水氣變換(WGS) 反應器、配置成在未預先去除酸性氣體的情況下產生甲烷的酸性甲烷化反應器，以及具有 WGS反應器和甲烷化反應器二者的單個單元。
當參照附圖閱讀以下詳細描述時，本發明的這些和其它特征、方面和優點將變得 更好理解，全部附圖中相同的符號代表相同的部件，其中圖1是代用天然氣(SNG)生產系統的一個實施例的示意性框圖；圖2是代用天然氣(SNG)生產系統的另一實施例的示意性框圖；圖3是如圖2的線3-3內所示的圖2的WGS-甲烷化反應器的示意性框圖；圖4是代用天然氣(SNG)生產系統的另一實施例的示意性框圖5是如圖4的線5-5內所示的圖4的WGS-甲烷化反應器的示意性框圖；圖6是代用天然氣(SNG)生產系統的另一實施例的示意性框圖；圖7是如圖6的線7-7內所示的圖6的WGS-甲烷化反應器的示意性框圖。
具體實施例方式下面將描述本發明的一個或多個特定實施例。為了致力于提供這些實施例的簡明 描述，說明書中可能未描述實際實施方案的所有特征。應當理解的是，在任何此類實際實施 方案的開發過程中，與任何工程或設計方案一樣，必須作出許多針對實施方案的決定以實 現開發者的特定目標，例如服從系統相關和商業相關的約束，其可能因實施方案而異。此 外，應當理解的是，此類開發努力可能是復雜和耗時的，但對于受益于本公開內容的技術人 員來說無非是日常的設計、制作和制造工作。當介紹本發明的各種實施例的元件時，冠詞“一”、“一個”、“該”和“所述的”意指
存在一個或多個元件。用語“包含”、“包括”和“具有”意圖是包括性的并意味著可存在有 別于所列元件的另外的元件。本公開內容涉及一種用于從合成氣產生代用天然氣(SNG)的生產系統和方法。 SNG可以是主要含有可從燃料源(如煤或生物質)產生的甲烷的氣體。用于產生SNG的生 產系統可包括復合的水_氣變換(WGS)-甲烷化反應器，其將WGS反應器和甲烷化反應器二 者組合在單個單元中。換句話說，WGS反應器和甲烷化反應器可完全結合在一起而不是使 用分離的單元。WGS-甲烷化反應器可通過無酸WGS或酸性WGS配置操作，也就是說，在一氧 化碳與水(例如，蒸汽)反應以形成二氧化碳和氫氣的WGS反應之前已從合成氣去除硫的 情況下操作，或在WGS反應期間合成氣中存在硫的情況下操作。同樣，甲烷化反應器可通過 無酸或酸性配置操作，也就是說，在將合成氣轉換成富含SNG的氣體之前已從其去除硫的 情況下操作，或在將合成氣轉換成富含SNG的氣體時合成氣中存在硫的情況下操作。這樣， WGS-甲烷化反應器可利用原質合成氣(含硫的合成氣)或清潔合成氣(不含硫的合成氣) 操作。另外，可聯合結合了酸性WGS反應器和無酸甲烷化反應器的WGS-甲烷化反應器利用 酸性氣體去除系統。圖1基于上下文示出了代用天然氣(SNG)生產系統100。IGCC系統100的元件可 包括燃料源102，諸如固體供料，其可用作用于生產SNG的能量源。燃料源102可包括煤、石 油焦、生物質、木質材料、農業廢料、焦油、焦爐氣和浙青，或其它含碳物。燃料源102的固體燃料可傳遞至給料、氣化和凈化系統104。給料、氣化和凈化系 統104可包括若干子系統。例如，給料、氣化和凈化系統104可包括給料制備子系統，其例 如可通過斬切(chopping)、碾磨、切碎、粉碎、壓塊或裝運燃料源102來調整燃料源102的大 小或再成形燃料源102以產生給料。另外，可向給料制備子系統中的燃料源102添加水或 其它合適的液體以形成漿狀給料。在其它實施例中，不向給料制備子系統中的燃料源添加 液體，從而形成干燥的給料。給料可從給料制備子系統傳遞到給料、氣化和凈化系統104的氣化子系統。氣化 子系統可將給料轉換成一氧化碳和氫氣的組合物，例如，合成氣。該轉換可通過將給料置于 受控量的蒸汽和氧氣中來完成，該蒸汽和氧氣處于升高的壓力，例如，從大約20巴至85巴， 以及升高的溫度，例如大約700攝氏度至1600攝氏度，取決于氣化子系統中所用的氣化器的類型。氣化過程還可包括給料經歷高溫分解過程，從而加熱給料。在高溫分解過程期間 氣化子系統的氣化器內部的溫度可在大約150攝氏度至700攝氏度的范圍內，取決于用來 產生給料的燃料源102。給料在高溫分解過程期間的加熱可產生固體，如焦炭，以及殘余氣 體，如一氧化碳、氫氣和氮氣。從來自高溫分解過程的給料剩余的焦炭可僅占原始給料的重 量的大約30%。氣化子系統中然后可發生燃燒過程。為了協助該燃燒過程，可從空氣分離單元 (ASU) 106向氣化子系統供應氧氣。ASU 106可操作而通過例如可為低溫的或可利用變壓吸 附(PSA)的蒸餾技術將空氣分離成組分氣體。ASU 106可從向其供應的空氣分離氧氣并可 將分離的氧氣傳送至氣化子系統。另外，ASU 106可分離例如氮氣，以進行收集或進一步用 于產生動力。相應地，由氣化子系統從ASU 106接收的氧氣用于燃燒。燃燒可包括將氧氣引導 至焦炭和殘余氣體使得焦炭和殘余氣體與氧氣反應而形成二氧化碳和一氧化碳，從而為隨 后的氣化反應提供熱量。燃燒過程期間的溫度可在大約700攝氏度至1600攝氏度的范圍 內。接下來，可在氣化步驟期間將蒸汽導入氣化子系統中。焦炭可與二氧化碳和蒸汽反應 以產生大約800攝氏度至1100攝氏度的溫度范圍的一氧化碳和氫氣。實質上，氣化器利用 蒸汽和氧氣以允許一些給料燃燒而產生二氧化碳和能量，從而驅使主反應將給料進一步轉 換成氫氣和另外的一氧化碳。這樣，通過氣化器氣化子系統制造了合成氣體。該合成氣體可包括大約85%的一 氧化碳和氫氣，以及CH4、HCI、HF、NH3、HCN、COS和H2S(基于給料的硫含量)。該合成氣體可 稱為原質合成氣。氣化子系統還產生廢料，諸如熔渣108，其可為濕灰塵材料。可通過給料、氣化和凈化系統104的凈化子系統從氣化子系統去除該熔渣108。熔 渣108例如可被處理作為路基，或作為另一種建筑材料。另外，凈化子系統可通過從原質合 成氣去除任何顆粒物質(如濕灰塵)而清潔原質合成氣。然后可使原質合成氣傳遞到WGS反應器110。WGS反應器110可執行WGS反應，其 中一氧化碳與水(例如，蒸汽)反應以形成二氧化碳和氫氣。該過程可將原質合成氣中氫 氣與一氧化碳的比率從大約1比1調節至大約3比1以用于甲烷化過程。另外，WGS反應 器110可包括旁路112，其可用來協助適當地控制原質已變換的合成氣的氫氣與一氧化碳 的比率。應當注意的是，WGS反應器110可為酸性WGS反應器，也就是說，在WGS反應期間 輸送到WGS反應器110中的原質合成氣中可存在硫。在WGS反應器110中的WGS反應后，系統100可將原質已變換的合成氣傳輸至氣體 清潔單元114。氣體清潔單元114可凈化原質已變換的合成氣(例如，WGS反應器110的合 成氣產物并且含硫)，以從原質合成氣去除不希望有的成分，例如HC1、HF、COS、HCN和H2S， 從而產生清潔合成氣(例如，不含硫的合成氣)。另外，氣體清潔單元可將原質合成氣的不 希望有的成分U^^n，HCl、HF、COS、HCN*H2S)傳輸至硫回收和尾氣處理單元116，其可包 括通過例如硫回收和尾氣處理單元116中的酸性氣體去除過程分離硫118。這樣，可分離硫 118以進行處理或銷售。此時，清潔合成氣可包括大約3%的CO、大約55%的H2和大約40%的C02，并且 基本除去了 H2S。這樣，甲烷化和氣體冷卻單元122可利用原質合成氣(含硫的合成氣) 或清潔合成氣(不含的硫合成氣)操作。氣體清潔單元114還可包括可從清潔合成氣去除C02的C02去除子系統。去除的C02可從氣體清潔單元114傳輸至C02脫水和壓縮單元 120，其可脫水并壓縮C02以進行儲存和隨后使用，例如可通過管線發送該C02，通向碳截存 (sequetration)部位如強化油回收(E0R)部位或成水層(saline aquifer)。備選地，C02 脫水和壓縮單元120可將脫水和壓縮的C02傳輸至例如化工廠以在其中使用。氣體清潔單元114可將合成氣傳輸至甲烷化和氣體冷卻單元122。甲烷化和氣體 冷卻單元122可將合成氣中的CO和H2轉換成CH4和H20，也就是說，轉換成甲烷(例如，SNG) 和水，作為放熱反應。相應地，甲烷和氣體冷卻單元122可包括一個或多個利用冷卻劑(例 如，水)來冷卻得到的SNG和水的熱交換器。這可以產生蒸汽，甲烷化和氣體冷卻單元122 將該蒸汽傳輸至蒸汽渦輪124以產生電力126。電力126可由例如各種制造裝置使用，或可 被傳輸至電網以隨后使用。應當注意的是，甲烷化和氣體冷卻單元122可包括無酸甲烷化 單元，其在合成氣轉換成SNG和水之前利用清潔合成氣(例如，硫已從合成氣除去)。甲烷化和氣體冷卻單元122可將產生的SNG和水傳輸至SNG脫水和壓縮單元128。 該SNG脫水和壓縮單元128可從SNG分離水，使得SNG可被壓縮并從SNG脫水和壓縮單元 128傳輸至例如SNG管線。SNG管線可用來將SNG傳輸至例如儲存設備或另外的SNG處理 設備。圖2示出了 SNG生產系統的另一實施例130。SNG生產系統130可包括燃料源102， 給料、氣化和凈化系統104，ASU106，氣體清潔單元114，硫回收和尾氣處理單元116，C02脫 水和壓縮單元120，蒸汽渦輪124，以及SNG脫水和壓縮單元128。這些元件中的各個可與以 上參考圖1所述基本相似的方式操作。此外，SNG生產系統132可包括WGS-甲烷化反應器 132。WGS-甲烷化反應器132可將WGS反應器134與甲烷化反應器136組合在單個單元中。 換句話說，WGS反應器134和甲烷化反應器136可完全結合在一起作為反應器132而不使 用分離的單元。WGS反應器134可執行WGS反應，其中一氧化碳與水(例如，蒸汽)反應以 形成二氧化碳和氫氣，可執行該WGS反應以將原質合成氣中氫氣與一氧化碳的比率從大約 1比1調節為大約3比1，以發生適當的甲烷化。甲烷化反應器136可執行甲烷化過程，該 甲烷化過程可將合成氣中的CO和H2轉換成CH4和H20，也就是說，轉換成甲烷(例如，SNG) 和水，并且甲烷化反應器132可為酸性甲烷化反應器，也就是說，甲烷化反應器132可在未 預先去除酸性氣體(例如，H2S)的情況下產生甲烷。該組合的WGS-甲烷化反應器132可降 低SNG生產系統130的整體成本和復雜性。此外，應當注意的是，單個反應器132在WGS134 與甲烷化反應器136之間的氣體流動路徑中不包括酸性氣體去除系統(例如，氣體清潔單 元114以及硫回收和尾氣處理單元116)。取而代之，酸性氣體去除系統在多級反應器132 的氣體流動路徑的下游。圖3示出了如圖2的線3-3內所示的水-氣甲烷化反應器132的一個實施例。合 成氣可如箭頭142所示沿大致向下的方向經由管道140流至管狀WGS反應器138。在流經 管道140時，可選擇地向合成氣添加蒸汽，例如，基于管狀變換反應器138中所用的催化劑 的類型。該催化劑例如可基于硫化的Co-Mo，或基于任何其它已知的酸性WGS催化劑。另 外，一些合成氣可選地經由第二管道144繞開管狀變換反應器138，例如，以噴射到管道146 中。這種一些合成氣的繞開可協助適當控制離開管狀變換反應器138的已變換的合成氣的 氫氣與一氧化碳比率。當合成氣如箭頭142所示流經管狀變換反應器138時，其可接觸管 148的外部。可用WGS催化劑填充和/或洗涂(wash-coat)這些管148，這可加速將在WGS反應器134的管狀變換反應器138中執行的WGS反應。洗涂是用于催化劑制備的技術，其 中將基底，這里為管狀變換反應器138的管的表面，浸入含有溶解或懸浮的催化成分的溶 液或漿液中。在適當的加熱和干燥處理之后，基底變成覆有催化成分，如同是基底的表面上 的涂料。WGS反應為放熱反應，并且相應地，熱量可從管148輻射并在合成氣經過管狀變換 反應器138時接觸并加熱合成氣。這樣加熱合成氣可有助于WGS反應器134的整體效率， 因為用于加速WGS反應的WGS催化劑可比與低溫合成氣反應更快地與加熱的合成氣反應。可大致沿箭頭154所示的方向經由管道150將加熱的合成氣傳輸到分配板152 中。分配板152例如可為可操作而在管狀變換反應器138中均勻地分散合成氣的熱交換器。 相應地，均勻分散的合成氣大致沿箭頭154的方向從分配板152流到管狀變換反應器138 的管148的內部并通過管148。可使用WGS催化劑洗涂管148的內壁和/或WGS催化劑可 填充管148。當合成氣經過管148時，WGS催化劑可加速合成氣中的一氧化碳與合成氣中的 水的反應，以形成二氧化碳和氫氣。可執行該過程以將原質合成氣中氫氣與一氧化碳的比 率從大約1比1調節至大約3比1。已變換的合成氣可大致沿箭頭154的方向離開管狀變換反應器138，并且可進入 管道146。在管道146中，繞開的合成氣可與已變換的合成氣混合并且混合物可進入管道 156中。管道156可為可使用冷卻劑(如水)冷卻混合的合成氣的熱交換器。合成氣的冷 卻可使水沸騰，產生例如低壓蒸汽。可將該蒸汽例如傳輸至蒸汽渦輪124。管道156也可為 例如分配器，其將合成氣混合物分配到甲烷化反應器136中的管狀甲烷化反應器160的管 158的內部并通過管158。也可用酸性甲烷化催化劑洗涂管狀甲烷化反應器160的管158的壁的內部和/或 可將管158中填充酸性甲烷化催化劑，該酸性甲烷化催化劑可含有已知的酸性WGS催化劑 中存在的組分，和/或除了諸如NiO的甲烷化催化劑成分以外，也可含有氫化脫硫(HDS)催 化劑中存在的組分，以及包括Co、Mg和Ni的復合物，或任何其它已知的甲烷化催化劑。該 甲烷化催化劑可加速合成氣中的CO和H2反應成CH4和H20，也就是說，反應成甲烷(例如， SNG)和水作為富含SNG的氣體。甲烷化極具放熱性，基于每摩爾輸送的一氧化碳，其產生的 熱量大約為WGS反應器134中產生的熱量的五倍。相應地，水(和/或低溫蒸汽)可大致 沿箭頭164所示的方向經過管道162，以去除反應熱并冷卻管158 (例如，管158的外部周 圍)，使得它們在甲烷化反應期間不會過熱并損壞。經管狀甲烷化反應器160傳輸的水(和 /或蒸汽)可蒸發，形成例如用于經由管道166傳輸至蒸汽渦輪124的高壓蒸汽。備選地， 蒸汽可用來驅使WGS反應。在甲烷化反應已發生之后，富含SNG的氣體可離開管狀甲烷化反應器160進入再 循環裝置168。再循環裝置168可使富含SNG的氣體的一部分，例如，以體積計大約5%、 10% ,15%,20%,25%,30%,35%,40%,45%,50%,55%,60%,65%,70%,75%,80%, 85%或90%，或以體積計在大約5% -90%之間，經過管道170而經由再循環壓縮機172到 達管道156。這種富含SNG氣體的傳送可操作而使富含SNG的氣體經管狀甲烷化反應器160 再循環，以控制在甲烷化過程期間產生的熱量。這樣，可控制甲烷化反應器160的溫度使其 可介于大約650攝氏度與700攝氏度之間。例如，如果借助于管道156將以體積計10%的 富含SNG的氣體噴射到管狀甲烷化反應器160的管158中，則富含SNG的氣體的該10%部分中存在的甲烷化產品組分，即014和H20，將不會反應，因此變成用于甲烷化反應介質的稀 釋因素并從而防止甲烷化過程使甲烷化催化劑、甲烷化反應器160及其管158過熱。此外， 再循環壓縮機172可有助于將管道170中富含SNG的氣體的壓力升高至大約等于管道156 中合成氣的壓力的水平，因為甲烷化催化劑可誘發流經管158的氣體的壓力的下降。最后，WGS-甲烷化反應器132可包括冷凝器174，其可從富含SNG的氣體去除水作 為冷凝液176。在某些實施例中，冷凝器174可為可冷卻富含SNG的氣體的熱交換器。富 含SNG的氣體可大致沿箭頭154所示的方向流經冷凝器174并可離開WGS-甲烷化反應器 132而被發送至圖2的氣體清潔單元114。由此，應當理解的是，WGS-甲烷化反應器132可 利用酸性WGS和酸性甲烷化，也就是說，在WGS-甲烷化反應器132中轉換成富含SNG的氣 體的合成氣中存在硫118。相應地，該硫118可經由氣體清潔單元114從SNG分離并經由硫 回收和尾氣處理單元116去除。這可允許合成氣在轉換成SNG之前的不嚴格的凈化，因為 可使用原質合成氣執行酸性WGS和酸性甲烷化過程。圖4示出了 SNG生產系統的另一實施例178。SNG生產系統178可包括燃料源102， 給料、氣化和凈化系統104，ASU 106，硫回收和尾氣處理單元116，C02脫水和壓縮單元120， 蒸汽渦輪124，以及SNG脫水和壓縮單元128。這些元件各個可以以與以上參考圖1所述基 本相似的方式操作。此外，SNG生產系統178可包括酸性氣體去除單元180、WGS-甲烷化反 應器182、0)2去除單元184和水分分離單元186。如圖所示，酸性氣體去除系統(例如，氣 體清潔單元114以及硫回收和尾氣處理單元116)在多級反應器182的氣體流動路徑的上 游，而二氧化碳去除單元184不在WGS反應器188與甲烷化反應器190之間的氣體流動路 徑上，而是定位在多級反應器182的氣體流動路徑的下游。酸性氣體去除單元180可利用變溫過程來從合成氣分離酸性氣體(例如，合成氣 中的硫化氫(H2s))。變溫過程例如可包括借以在使用空氣或氧氣增濃的空氣的熱再生步驟 之后執行H2s的吸附的吸附步驟。該變溫過程(也稱為熱氣凈化)可包括將合成氣與流態 介質(如氧化鋅(ZnO))混合以在吸附步驟中產生硫化鋅(ZnS)。在再生步驟中，該硫化鋅 可在熱作用下與氧氣(02)混合而產生二氧化硫(S02)，可將其傳輸至硫回收和尾氣處理單 元166以去除和處理或銷售硫118。WGS-甲烷化反應器182可將WGS反應器188與甲烷化反應器190組合在單個單元 中。再一次地，WGS反應器188和甲烷化反應器190可完全結合在一起作為反應器182而不 使用分離的單元。水氣變換反應器188可執行WGS反應，其中一氧化碳與水(例如，蒸汽) 反應以形成二氧化碳和氫氣，可執行該WGS反應以將原質合成氣中氫氣與一氧化碳的比率 從大約1比1調節為大約3比1，以用于適當的甲烷化。甲烷化反應器190可執行甲烷化過 程，該甲烷化過程可將合成氣中的CO和H2轉換成CH4和H20，也就是說，轉換成甲烷(例如， SNG)和水。該組合的WGS-甲烷化反應器182可降低SNG生產系統178的整體成本和復雜 性。WGS-甲烷化反應器182的輸出為傳輸至C02去除單元184的富含SNG的氣體。C02 去除單元184可利用變溫過程來從富含SNG的氣體中的SNG分離二氧化碳(C02)。例如， 可將諸如氧化鈣(CaO)的吸附劑與富含SNG的氣體的0)2混合以產生碳酸鈣(CaC03)，可將 其傳輸至C02去除單元184的再生部分，而將SNG傳輸至SNG脫水和壓縮單元128。在C02 去除單元184的再生部分中，碳酸鈣可暴露于熱量和作為載體的高壓流中，使得碳酸鈣重新分解成二氧化碳和氧化鈣。這也是有利的，因為C02流可在稍高一些的壓力離開，這可通 過較低的負荷需求對C02壓縮單元120產生積極影響。氧化鈣可如上所述被重新用作吸附 劑，而二氧化碳可傳輸至水分分離單元186，該水分分離單元可以是從二氧化碳流去除水并 將二氧化碳流傳遞至C02脫水和壓縮單元120的熱交換器或冷凝器。該C02可通過管線被 發送至其它化工設備或可發送至碳截止部位，諸如強化油回收(E0R)部位或咸水層。圖5示出了如圖4的線5-5內所示的WGS-甲烷化反應器182的一個實施例。合成 氣可大致沿箭頭200所示的方向經由管道192流入分配板194中。分配板194例如可為可 操作在WGS反應器188的管狀變換反應器198中均勻地分散合成氣的熱交換器。相應地， 從分配板194流出的均勻分散的合成氣可大致沿箭頭200的方向進入管狀WGS反應器198 的管196的內部并通過管196。當合成氣經過管196時，合成氣可與已被洗涂在管196的壁的內部上的WGS催化 劑反應。該WGS催化劑可加速合成氣中的一氧化碳與合成氣中的水(例如，蒸汽)的反應， 以形成二氧化碳和氫氣。可執行該過程以將原質合成氣中氫氣與一氧化碳的比率從大約1 比1調節至大約3比1，以用于適當的甲烷化。另外，一些合成氣可選地經由第二管道204 繞開管狀變換反應器198，例如，以噴射到管道206中。這種一些未變換的合成氣的繞開可 有助于適當控制離開管狀WGS反應器198的已變換的合成氣的氫氣與一氧化碳比率。當合成氣流經管狀WGS反應器198時，WGS過程，包括合成氣與WGS催化劑的反應， 可產生熱量。也就是說，WGS反應為放熱反應，并且熱量相應地可從管196輻射。為了防止 管196過熱，可大致沿箭頭208所示的方向經由管道207將諸如水的冷卻流體傳輸至管196 的外部周圍的管狀WGS反應器198。冷卻流體可蒸發，使得形成例如低壓蒸汽，該低壓蒸汽 可經由管道209傳輸出管狀WGS反應器198。例如，可將該蒸汽傳輸至蒸汽渦輪124。已變換的合成氣可大致沿箭頭200的方向離開管狀WGS反應器198，并且可進入 管道206。在管道206中，繞開的合成氣可與已變換的合成氣混合并且混合物可進入管道 210。管道210可以是可使用冷卻劑(如水)冷卻混合的合成氣的熱交換器。合成氣的冷 卻可使水蒸發，產生例如低壓蒸汽。例如，可將該蒸汽傳輸至蒸汽渦輪124。管道210也可 為例如分配器，其將合成氣混合物分配到甲烷化反應器190中的管狀甲烷化反應器212的 管211的內部并通過管211。可使用甲烷化催化劑填充和/或洗涂管狀甲烷化反應器212的管211的壁的內 部。該甲烷化催化劑可加速合成氣中的CO和H2反應成CH4和H2O，也就是說，反應成甲烷 (例如，SNG)和水作為富含SNG的氣體。該反應極具放熱性，基于每摩爾輸送的一氧化碳， 其產生的熱量大約為WGS反應器188中產生的熱量的五倍。相應地，可使水大致沿箭頭215 所示的方向經過管道214，以冷卻管道211 (例如，冷卻劑在管211的外部周圍流動)，使得 它們在甲烷化反應期間不會過熱或損壞。傳輸通過管狀甲烷化反應器212的水可沸騰，形 成例如高壓蒸汽，用于經由管道216傳輸至蒸汽渦輪124。在甲烷化反應已發生之后，富含SNG的氣體可離開管狀甲烷化反應器212進入再 循環裝置218。再循環裝置218可使富含SNG的氣體的一部分，例如，以體積計大約5%、 10% ,15%,20%,25%,30%,35%,40%,45%,50%,55%,60%,65%,70%,75%,80%, 85%或90%，或以體積計在大約5% -90%之間，經過管道220而經由再循環壓縮機222到 達管道210。這樣，可控制甲烷化反應器160的溫度使其可處于大約650攝氏度且不超過700攝氏度。這種富含SNG氣體的傳送可操作而使富含SNG的氣體經管狀甲烷化反應器212 再循環，以控制在甲烷化過程期間產生的熱量。例如，如果借助于管道210將以體積計10% 的富含SNG的氣體噴射到管狀甲烷化反應器212的管211中，則富含SNG的氣體的該10% 部分中存在的甲烷化產物組分，即014和H20，將不會反應，因此變成用于甲烷化反應介質的 稀釋因素并從而防止甲烷化過程使甲烷化催化劑、甲烷化反應器212及其管211過熱。此 外，再循環壓縮機222可有助于將管道220中富含SNG的氣體的壓力升高至大約等于管道 210中合成氣的壓力的水平，因為甲烷化催化劑可使得流經管211的氣體的壓力下降。富含SNG的氣體可大致沿箭頭200所示的方向流經再循環裝置218，并可離開 WGS-甲烷化反應器182而被發送至圖4的C02去除單元184。因此，應當理解的是，WGS-甲 烷化反應器182可利用無酸WGS和無酸甲烷化，也就是說，在合成氣在WGS-甲烷化反應器 182中轉換成富含SNG的氣體之前已從合成氣中去除硫118。這可允許用于將合成氣轉換 成SNG的管狀WGS反應器198和管狀甲烷化反應器212相對不復雜，因為可使用清潔合成 氣執行WGS和甲烷化過程。無酸WGS反應器198中的催化劑可采用Cu-Zn、Fe-Cr,或任何 其它已知的WGS催化劑，而無酸甲烷化反應器212中的催化劑可采用NiO，以及包括Co、Mg 和M的復合物，或任何其它已知的甲烷化催化劑。圖6示出了 SNG生產系統的另一實施例224。SNG生產系統224可包括燃料源102， 給料、氣化和凈化系統104，ASU 106，硫回收和尾氣處理單元116，C02脫水和壓縮單元120， 蒸汽渦輪124，SNG脫水和壓縮單元128，C02去除單元184以及兩個水分分離單元186。這 些元件中的各個可與以上參考圖1和4所述基本相似的方式操作。此外，SNG生產系統224可包括WGS-甲烷化反應器226，其可在單個單元中包括 WGS反應器228、硫化氫(H2S)隔膜分離器230和甲烷化反應器232。換句話說，WGS反應器 228、隔膜分離器230和甲烷化反應器232可完全結合在一起作為反應器226而不使用分 離的單元。WGS反應器228可執行WGS反應，其中一氧化碳與水(例如，蒸汽)反應以形成 二氧化碳和氫氣，可執行該WGS反應以將原質合成氣中氫氣與一氧化碳的比率從大約1比 1調節為大約2比1、3比1或4比1。在通過反應器228的WGS反應之后，H2S隔膜分離器 230可聯合酸性氣體去除系統(例如，硫回收和尾氣處理單元116)操作而在甲烷化之前從 合成氣分離任何H2S，如以下參考圖7所述。甲烷化反應器232可執行甲烷化過程，該甲烷化過程可將合成氣中的CO和H2轉換 成014和吐0，也就是說，轉換成甲烷(例如，SNG)和水。甲烷化反應器232可為無酸甲烷化 反應器，因為其配置成在通過H2S隔膜分離器230以及硫回收和尾氣處理單元116去除酸 性氣體以后產生甲烷。該組合的WGS-甲烷化反應器226可降低SNG生產系統224的整體 成本和復雜性。此外，通過在WGS反應器228與甲烷化反應器232之間使用H2S隔膜分離 器230，WGS-甲烷化反應器226的操作可利用酸性WGS無酸甲烷化過程操作(例如，在WGS 過程期間合成氣中存在硫而在甲烷化過程期間合成氣中不存在硫)，如以下參考圖7所述。圖7示出了如圖6的線7-7內所示的WGS-甲烷化反應器226的一個實施例。合 成氣可如箭頭238所示沿大致向下的方向經由管道236流至管狀變換反應器234。在流經 管道236的同時，例如，基于管狀WGS反應器234中所采用的WGS催化劑的類型，可選地向 合成氣添加蒸汽。另外，一些已變換的合成氣可選地經由第二管道240繞開管狀WGS反應 器234，例如，以噴射到管道242中。這種一些未變換的合成氣的繞開可有助于適當控制離開管狀WGS反應器234的已變換的合成氣的氫氣與一氧化碳比率。當合成氣流經管狀WGS反應器234時，如箭頭238所示，其可接觸管244的外部。 可使用WGS催化劑洗涂這些管244，該WGS催化劑可加速將在WGS反應器228的管狀變換反 應器234中執行的WGS反應。WGS反應為放熱反應，并且相應地，熱量可從管244輻射并可 在合成氣經過管狀WGS反應器234時接觸并加熱合成氣。這樣加熱合成氣可有助于WGS反 應器228的整體效率，因為用于加速WGS反應的WGS催化劑可比與低溫合成氣反應更快地 與加熱的合成氣反應。加熱的合成氣可大致沿箭頭250所示的方向經由管道246傳輸到分配板248中。 分配板248例如可為可操作而在管狀WGS反應器234中均勻地分散合成氣的熱交換器。相 應地，均勻分散的合成氣大致沿箭頭250的方向從分配板248流到管狀變換反應器234的 管244的內部并通過管244。當合成氣經過管244時，其可與填充管244和/或已被洗涂到 管244的壁的內部上的WGS催化劑反應。該WGS催化劑可加速合成氣中的一氧化碳與合成 氣中的水(例如，蒸汽)的反應，以形成二氧化碳和氫氣。可執行該過程以將原質合成氣中 氫氣與一氧化碳的比率從大約1比1調節至大約2比1、3比1或4比1。已變換的合成氣可大致沿箭頭250的方向離開管狀WGS反應器234，并且可進入管 道242。在管道242中，繞開的合成氣可與變換的合成氣混合并且混合物可進入熱交換器 252中。熱交換器252可使用冷卻劑(如水)冷卻混合的合成氣。合成氣的冷卻可使經由 管道254傳輸的水蒸發，從而產生蒸汽。該蒸汽例如可經由管道256傳輸至蒸汽渦輪124。 管道252可將混合的合成氣傳送至分配器258，該分配器258也可操作而冷卻合成氣以產生 冷凝液260，并將合成氣混合物分配到H2S隔膜分離器230的管262中。H2S隔膜分離器230可經管道264接收諸如低壓蒸汽的蒸汽，該蒸汽可經由管道 266經過并離開H2S隔膜分離器230。經由管道266離開H2S隔膜分離器230的流可包括蒸 汽和H2S 二者。這通過H2S隔膜分離器230的管262與圍繞H2S隔膜分離器230的管262 的區域268之間的壓力差來完成。例如，管262內部的壓力可低于圍繞管262的區域268 中的壓力，例如，H2S隔膜分離器230的管262與圍繞H2S隔膜分離器230的管262的區域 268之間存在至少5 %、10 %、15 %、20 %或25 %的壓力差。此外，管262可以隔膜型材料形 成，其允許H2S經過管262，同時阻止合成氣流過管262。相應地，管262與圍繞管262的區 域268之間的壓力差可使H2S從管262的內部流入圍繞管262的外部區域268中，使得H2S 與圍繞H2S隔膜分離器230的管262的蒸汽混合。這樣，蒸汽起到H2S的載體的作用，因此 經由管道266將H2S傳遞出H2S隔膜分離器230。如圖6所示，可在水分分離單元186中從 H2S去除蒸汽使得可在硫回收和尾氣處理單元116中處理H2S。這樣，H2S隔膜分離器230操 作而從原質合成氣產生清潔合成氣。清潔合成氣大致沿箭頭250所示的方向傳輸至熱交換器270。該熱交換器270可 在甲烷化過程之前從清潔合成氣去除熱量。熱交換器270可將清潔合成氣傳輸至分配器 272，該分配器272可將清潔合成氣分配到甲烷化反應器232中的管狀甲烷化反應器276的 管274中。可使用甲烷化催化劑洗涂管狀甲烷化反應器276的管274的壁的內部。該甲烷化 催化劑可加速合成氣中的CO和H2反應成CH4和H20，也就是說，反應成甲烷(例如，SNG)和 水作為富含SNG的氣體。該反應極具放熱性，基于每摩爾輸送的一氧化碳，其產生的熱量大約為WGS反應器228中產生的熱量的五倍。相應地，可使水大致沿箭頭280所示的方向經 過管道278，以冷卻管274 (例如，冷卻劑在管274周圍流動)，使得它們在甲烷化反應期間 不會損壞。經管狀甲烷化反應器276傳輸的水可蒸發，產生用于經由管道282傳輸至蒸汽 渦輪124的蒸汽。在甲烷化反應已發生之后，富含SNG的氣體可離開管狀甲烷化反應器276進入再 循環裝置284。再循環裝置284可使富含SNG的氣體的一部分，例如，以體積計大約5%、 10% ,15%,20%,25%,30%,35%,40%,45%,50%,55%,60%,65%,70%,75%,80%, 85%或90%，或以體積計在大約5% -90%之間，經過管道286而經由再循環壓縮機290到 達管道288。這種富含SNG氣體的傳送可操作而使富含SNG的氣體經管狀甲烷化反應器276 再循環，以控制在甲烷化過程期間產生的熱量。這樣，可控制甲烷化反應器160的溫度使其 可大約介于650攝氏度與700攝氏度之間。例如，如果借助于管道272將以體積計10%的 富含SNG的氣體噴射到管狀甲烷化反應器276的管274中，則富含SNG的氣體的該10%部 分中存在的甲烷化產品組分，即014和H20，將不會反應，因此變成用于甲烷化反應介質的稀 釋因素并從而防止甲烷化過程使甲烷化催化劑、甲烷化反應器276及其管274過熱。此外， 再循環壓縮機290可有助于將管道288中富含SNG的氣體的壓力升高至大約等于管道272 中合成氣的壓力的水平，因為甲烷化催化劑可使得流經管274的氣體的壓力下降。富含SNG的氣體的剩余部分可大致沿箭頭208所示的方向經由管道292經熱交換 器270傳輸以冷卻富含SNG的氣體。富含SNG的氣體可經由管道294離開熱交換器270，例 如，以傳輸至圖6的C02去除單元184。由此，應當理解的是，WGS-甲烷化-隔膜反應器226 可利用酸性WGS和無酸甲烷化，也就是說，在合成氣轉換成富含SNG的氣體之前，但在已執 行WGS之后，已從合成氣去除硫118。這可允許合成氣在WGS之前相對不復雜的凈化，因為 可使用原質合成氣執行該過程，同時允許使用相對不復雜的管狀甲烷化反應器276來將合 成氣轉換成SNG，因為可使用清潔合成氣執行甲烷化過程。此書面描述使用了包括最佳模式在內的實例來公開本發明，并且還使本領域的任 何技術人員能夠實施本發明，包括制造并利用任何裝置或系統并且執行任何所結合的方 法。本發明可取得專利的范圍通過權利要求來限定，并且可包括本領域技術人員所想到的 其它實例。如果此類其它實例沒有不同于權利要求的文字語言所描述的結構元件，或者它 們包括與權利要求的文字語言無實質性區別的等同結構元件，則認為此類其它實例包含在 權利要求的范圍內。
權利要求
一種系統，包括代用天然氣(SNG)生產系統，包括多級反應器，包括水氣變換(WGS)反應器；甲烷化反應器；通過所述WGS反應器和所述甲烷化反應器二者的氣體流動路徑；以及具有所述WGS反應器和所述甲烷化反應器二者的單個單元。
2.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述單個單元包括在所述WGS反應器與所 述甲烷化反應器之間的所述氣體流動路徑中的酸性氣體去除系統。
3.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述系統包括在所述多級反應器的所述 氣體流動路徑的下游的酸性氣體去除系統。
4.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述系統包括在所述多級反應器的所述 氣體流動路徑的上游的酸性氣體去除系統。
5.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述系統包括在所述多級反應器的所述 氣體流動路徑的下游的二氧化碳去除系統。
6.一種系統，包括 多級反應器，包括水氣變換(WGS)反應器；配置成在所述WGS反應器中的WGS反應之后從合成氣去除硫化氫的酸性氣體去除 (AGR)系統；配置成在通過所述AGR系統去除酸性氣體之后從所述合成氣產生甲烷的無酸甲烷化 反應器；以及具有所述WGS反應器、所述AGR系統和所述甲烷化反應器的單個單元。
7.根據權利要求6所述的系統，其特征在于，所述AGR系統包括隔膜管，所述隔膜管配 置成使硫化氫通過所述隔膜管而阻止合成氣通過所述隔膜管。
8.一種系統，包括 多級反應器，包括水氣變換(WGS)反應器；配置成在未預先去除酸性氣體的情況下產生甲烷的酸性甲烷化反應器；以及 具有所述WGS反應器和所述甲烷化反應器二者的單個單元。
9.根據權利要求8所述的系統，其特征在于，所述系統包括在所述多級反應器的下游 的酸性氣體去除系統。
10.根據權利要求8所述的系統，其特征在于，所述系統包括代用天然氣再循環單元， 所述代用天然氣再循環單元配置成將代用天然氣從所述酸性甲烷化反應器的下游傳輸至 所述酸性甲烷化反應器的上游作為所述酸性甲烷化反應器的輸入。
全文摘要
本發明涉及一種包括多級反應器的系統。該多級反應器可包括水氣變換(WGS)反應器和配置成在未預先去除酸性氣體的情況下產生甲烷的酸性甲烷化反應器。此外，該多級反應器可為具有WGS反應器和甲烷化反應器二者的單個單元。
文檔編號C10J3/66GK101892103SQ20101017160
公開日2010年11月24日 申請日期2010年4月22日 優先權日2009年4月22日
發明者A·弗里曼, 劉科 申請人:通用電氣公司