天然氣生產系統及方法
【技術領域】
[0001]本發明有關一種天然氣生產系統及方法，尤其涉及一種通過氣化燃料源來制備天然氣的系統及方法。
【背景技術】
[0002]一般而言，制備天然氣的系統包括氣化裝置(如氣化爐)。通過在氣化裝置中讓碳質的燃料源與氧氣和蒸汽在高溫和高壓下反應產生主要含有一氧化碳和氫氣的合成氣。對合成氣進行水氣變換反應來調節一氧化碳和氫氣的比例以用于甲烷化反應過程。將合成氣清潔、處理后進行甲烷化反應產生甲烷，即合成氣中的一氧化碳和氫氣反應產生甲烷和水。在工業上需要對大量的合成氣進行處理，水氣變換裝置、清潔裝置等設備的體積相當大，因此整個系統相當龐大。
[0003]因此，有必要提供一種天然氣生產系統及方法來解決上面提及的至少一個技術問題。
【發明內容】
[0004]本發明的一個方面在于提供一種天然氣生產系統。該天然氣生產系統包括:氣化裝置，用來氣化燃料源產生包括氫氣和一氧化碳的合成氣；水氣變換反應器，和所述氣化裝置連通，用來調節氫氣和一氧化碳的比例；第一甲烷化反應器，和所述水氣變換反應器連通，用來使至少部分氫氣和至少部分一氧化碳反應產生甲烷；酸性氣體去除裝置，和所述第一甲烷化反應器連通，用來去除酸性氣體；及第二甲烷化反應器，和所述酸性氣體去除裝置連通，用來促進氫氣和一氧化碳的反應進一步產生甲烷。
[0005]本發明的另一個方面在于提供一種天然氣生產方法。該天然氣生產方法包括以下步驟:氣化燃料源產生包括氫氣和一氧化碳的合成氣；調節氫氣和一氧化碳的比例；使至少部分氫氣和至少部分一氧化碳反應產生甲烷；去除酸性氣體；及促進氫氣和一氧化碳的反應進一步產生甲烷。
【附圖說明】
[0006]通過結合附圖對于本發明的實施方式進行描述，可以更好地理解本發明，在附圖中:
[0007]圖1所示為本發明天然氣生產系統的一個實施例的示意圖；
[0008]圖2所示為本發明天然氣生產系統的另一個實施例的示意圖；
[0009]圖3所示為本發明天然氣生產系統的另一個實施例的示意圖；
[0010]圖4所示為本發明天然氣生產系統的另一個實施例的示意圖；
[0011]圖5所示為本發明天然氣生產方法的一個實施例的流程圖；
[0012]圖6所示為本發明天然氣生產方法的另一個實施例的流程圖。
【具體實施方式】
[0013]除非另作定義，此處使用的技術術語或者科學術語應當為本發明所屬領域內具有一般技能的人士所理解的通常意義。本發明專利申請說明書以及權利要求書中使用的“第一”“第二”以及類似的詞語并不表示任何順序、數量或者重要性，而只是用來區分不同的組成部分。“包括”、“包含”或者“含有”等類似的詞語意指出現在“包括”、“包含”或者“含有”前面的元件或者物件涵蓋出現在“包括”或者“包含”后面列舉的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件、物件或元素。“連接”、“相連”或者“連通”等類似的詞語并非限定于直接的連接，而是可以包括間接的連接。數值范圍包括其端值。
[0014]圖1所示為一個實施例的天然氣生產系統100的示意圖。天然氣生產系統100包括氣化裝置11、水氣變換(Water Gas Shift,以下簡稱“WGS”)反應器19、第一甲烷化反應器21、酸性氣體去除裝置23和第二甲烷化反應器31。氣化裝置11用來氣化燃料源13產生包括氫氣(H2)和一氧化碳(CO)的合成氣。燃料源13，諸如固體供料，可用做生產天然氣(Synthetic Natural Gas, SNG)的能量源。燃料源13可包括煤、石油焦、生物質、木質材料、農業廢料、焦油、焦爐氣、浙青或其它含碳物。
[0015]在一些實施例中，燃料源13輸送給氣化裝置11之前可經過給料制備系統(未圖示)，其例如可通過斬切、碾磨、切碎、粉碎、壓塊或裝運燃料源13來調整燃料源13的大小或再成形燃料源13以產生給料。另外，可向給料制備系統中的燃料源13添加水或其它合適的液體以形成漿狀給料。在其他實施例中，不向給料制備系統中的燃料源13添加液體，從而形成干燥的給料。
[0016]給料可從給料制備系統傳遞至氣化裝置11，氣化裝置11可將給料轉換成合成氣。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(Bar)至85巴，以及升高的溫度，例如大約700攝氏度至1600攝氏度，取決于氣化裝置的類型。氣化過程還可包括高溫分解給料，從而加熱給料。在高溫分解過程期間氣化裝置11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13。給料在高溫分解過程期間可產生固體，如焦炭，以及殘余氣體，如CO、H2和氮氣(N2)。在一實施例中，高溫分解過程中產生的焦炭占原始給料的重量的大約30%。
[0017]氣化裝置11中然后發生燃燒過程。為了協助該燃燒過程，空氣分離單元15向氣化裝置11供應氧氣。空氣分離單元15從空氣中分離出氧氣，其將空氣分離成組分氣體，可利用冷凍的或變壓吸附的蒸餾技術。空氣分離單元15將分離出的氧氣傳送至氣化裝置11。
[0018]氣化裝置11從空氣分離單元15接收氧氣用于燃燒。燃燒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(CO2)和CO，從而為隨后的氣化反應提供熱量。燃燒過程中的溫度可在大約700攝氏度至1600攝氏度的范圍內。接下來，可在氣化期間將蒸汽導入氣化裝置11中。焦炭可與CO2和蒸汽反應以產生大約800攝氏度至1100攝氏度的CO和H2。
[0019]如此，通過氣化裝置11制造合成氣。該合成氣可包括大約85%的CO和H2,以及甲烷(CH4)、氯化氫(HCl)、氟化氫(HF)、氨氣(NH3)、氰化氫(HCN)、氧硫化碳(COS)和硫化氫(H2S)(基于給料的硫含量)。該合成氣可稱為原質合成氣。氣化裝置還產生廢料，諸如熔渣17，其可為濕灰塵材料。
[0020]在一實施例中，可通過凈化系統(未圖示)從氣化裝置11去除該熔渣17。熔渣17可被處理作為路基或建筑材料。另外，凈化系統可用來從原質合成氣中去除顆粒物質(如濕灰塵)來清潔原質合成氣。
[0021 ] WGS反應器19和氣化裝置11連通，用來調節H2和CO的比例。原質合成氣傳輸至WGS反應器19。WGS反應器19用來進行WGS反應，即CO和水(例如，蒸汽)反應以產生CO2和H2。該過程可將原質合成氣中的H2和CO的摩爾比從大約I比I調節至大約3比I以用于甲烷化過程。在本實施例中，WGS反應器19包括酸性WGS反應器，也就是說，在WGS反應期間輸送到WGS反應器19中的原質合成氣中可存在硫。
[0022]WGS反應器19包括WGS催化劑，用于加速WGS反應。WGS催化劑包括基于鑰(Mo)的催化劑、基于鈷(Co)的催化劑或兩者的結合。例如，鑰的氧化物或鈷的氧化物。WGS反應器19在高溫(例如大約250攝氏度)、高壓(例如大約3兆帕至5兆帕)及水氣比大約
0.5至1.5 (較典型的為I)的條件下進行WGS反應。
[0023]天然氣生產系統100進一步包括位于第一甲烷化反應器21的氣體流動路徑的上游的冷卻和脫水裝置18，用來調節合成氣的水氣比，以適合甲烷化反應。在一個實施例中，冷卻和脫水裝置18調節水氣比小于0.5。冷卻和脫水裝置18冷卻來自WGS反應器的氣體，然后對冷卻后的氣體進行脫水，從而調節水氣比。在一個實施例中