本发明专利技术公开了一种由合成气生产富含CH4气体的具有同轴闭合夹层结构的反应器系统以及使用该系统生产富含CH4气体的方法。所述系统包括反应器和至少一个吸附剂再生器，所述反应器包括位于一端的合成气入口，位于另一端的富含CH4气体出口，至少一个位于反应器中的反应吸附区，该反应吸附区包括N个甲烷化反应催化剂同轴闭合夹层和N个或N+1个与上述甲烷化反应催化剂同轴闭合夹层呈交叉排列、能吸附CO2和硫化物气体的吸附剂同轴闭合夹层，其中N为大于或等于1的整数，并且上述两种同轴闭合夹层具有相同的轴；吸附剂再生器与反应器通过废吸附剂输送管线和再生吸附剂输送管线相连接，其中反应器中产生的废吸附剂通过废吸附剂输送管线进入吸附剂再生器中，并在其中被再生，随后再生吸附剂通过再生吸附剂输送管线被循环回反应器中。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及富含CH4气体的生产，特别是涉及生产富含014气体的具有同轴夹层结构的反应器系统以及使用该系统生产富含CH4气体的方法。
技术介绍
甲烷化是将固体含碳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 1)2 CO + 2 H2 CH4 + CO2 (反应 2)CO + H2O <=> CO2 + H2 (反应 3)常规甲烷化反应工艺以反应1为基础，其要求吐/CO的摩尔比约为3 1，而直接甲烷化反应工艺主要以反应2为基础，其要求压/CO的摩尔比为1 1。与常规甲烷化反应工艺相比，直接甲烷化反应工艺具备以下优点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)某些直接甲烷化反应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反应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。根据热力学理论，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014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在甲烷化反应过程中的积累，反应速度将逐渐放慢，而产物的转化率将显著降低。在直接甲烷化反应过程中形成的CO2不仅仅给系统带来热力学上的限制，甲烷化反应过程中产生的ω2作为副产物和CH4 —起存在于系统中降低了 CH4的有效含量，因此必须从反应系统中去除C02。本领域普通技术人员已知的(X)2去除方法包括Rectisol、 kloxol、MDEA、石灰吸附等。此类独立的(X)2去除、或CH4提纯过程显著增加了甲烷化反应工艺生产的总成本。这样的(X)2去除是CH4产物后处理的一部分，而不是甲烷化反应工艺本身的一部分。气化所产生的合成气含有主要形式为和COS的硫组分，该硫组分可以使甲烷化反应催化剂中毒，因此必须在甲烷化反应进行前从入料中除去。工业上，合成气在进入甲烷化反应过程之前已经过深度净化单元处理使硫含量降低至0. lppm。此类深度净化通常是通过一个或多个工业脱硫过程来实现的，例如Rectisol和klexol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，从而导致能量效率的降低或流失。US5291942公开了一种使用多个同轴管装置多段吸附和解吸工业气体的方法和装置，其中热源气体通过中心管产生一热波，该热波穿过在最里层的闭合夹层中的高温吸附/ 解吸盐解吸之前吸附的工业气体，接着通过外面的闭合夹层、并与在里层的闭合夹层中的工业气体的吸附热一起解吸在外边的闭合夹层中的工业气体。上述设备和方法可用于热泵和气体蒸发冷却循环。上述方法和装置至少公开了多个同轴夹层结构用于吸附和解吸工业气体的内容。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特定组分的方法，其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反应催化剂，例如包括US5141191中公开的钼和镧元素或锕元素的耐硫甲烷化反应催化剂，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，由此导致成本的大量增加。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，产生过量的CO2,并且其随甲烷化反应过程而积累，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，限制了其最大转化率。因此，大量未转化的合成气被残留在产物中，导致其热值降低。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(X)2在反应系统中的过度积累和甲烷化反应催化剂因硫化物气体而中毒外， 现有技术中的甲烷化反应的方法还存在以下问题。由于反应放热，低温对于CH4的生成是有利的。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很低，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，从而显著增加了资本投入。另外，催化剂的耐硫性在较低温度下被降低，因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。从反应体系中将热传出的设备、例如多管热交换器或级间冷却器要求必须精心设计，而这又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发电或驱动机械设备。这样做需要高反应温度，但是，如上所述，高反应温度对上述甲烷化反应而言却是不利的。
技术实现思路
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直接甲烷化反应工艺过程。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COS)并且对吸附剂进行再生来实现。通过从甲烷化反应系统中同时除去(X)2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。如此除去(X)2和硫化物气体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，并可以在甲烷化反应系统中使用非耐硫和/ 或低耐硫的催化剂。最后，通过吸附剂的再生，系统中吸附剂的实际消耗量可大大减少，因此可以获得更低的生产成本。这对于工业化规模的实施是尤其有利的。根据本专利技术第一个方面，从甲烷化反应系统中同时除去CO2和硫化物气体可以通过一种具有同轴夹层结构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，所述反应器在一端具有合成气入口，在另一端具有富含CH4气体出口，在所述反应器内， 在所述合成气入口和所述富含CH4气体出口之间具有至少一个为同轴闭合夹层结构的反应吸附区，所述同轴闭合夹层结构包括一个能吸附(X)2和硫化物气体的吸附剂轴芯、N个以上述轴芯为轴的甲烷化反应催化剂同轴闭合夹层、和N个与上述甲烷化反应催化剂同轴闭合夹层呈交叉排列的上述吸附剂同轴闭合夹层，其中N为大于或等于1的整数，并且所述甲烷化反应催化剂同轴闭合夹层和吸附剂同轴闭合夹层具有相同的轴；所述至少一个吸附剂再生器通过废吸附剂输送管线和再生吸附剂输送管线与所述反应器相连通，其中在上述吸附剂轴芯和吸附剂同轴闭合夹层中产生的废吸附剂通过废吸附剂输送管线进入所述吸附剂再生器中，并在其中被再生，随后被再生的吸附剂通过所述再生吸附剂输送管线被循环回上述吸附剂轴芯和吸附剂同轴闭合夹层中。根据本专利技术第二本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种由合成气制备富含ＣＨ４气体的具有同轴闭合夹层结构的反应器系统，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）和所述富含ＣＨ４气体出口（１０２）之间具有至少一个为同轴闭合夹层结构的反应吸附区，所述同轴闭合夹层结构包括一个能吸附ＣＯ２和硫化物气体的吸附剂轴芯、Ｎ个以上述轴芯为轴的甲烷化反应催化剂同轴闭合夹层（１０５）、和Ｎ个与上述甲烷化反应催化剂同轴闭合夹层（１０５）呈交叉排列的上述吸附剂同轴闭合夹层（１０５’），其中Ｎ为大于或等于１的整数，并且所述甲烷化反应催化剂同轴闭合夹层（１０５）和吸附剂同轴闭合夹层（１０５’）具有相同的轴；和至少一个吸附剂再生器（２００），其通过废吸附剂输送管线（１０３）和再生吸附剂输送管线（１０４）与所述反应器（１００）相连通，其中在上述吸附剂轴芯和吸附剂同轴闭合夹层（１０５’）中产生的废吸附剂通过废吸附剂输送管线（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所述再生吸附剂输送管线（１０４）被循环回上述吸附剂轴芯和吸附剂同轴闭合夹层（１０５’）中。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：王理，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：11
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