合成气甲烷化技术【正版新书】

现代煤化工是煤炭清洁高效利用的一种有效方式,已经被国家“十三五”规划列为重点发展的100项重大工程之一。煤制合成天然气作为现代煤化工的一个重要组成，近年来发展迅速。截至2018年10月，煤制合成天然气项目投产4个，实际投产产能51×108m3/a，国家发改委核准和给予启动前期工作的煤制合成天然气项目12个，产能802×108m3/a，规划建设煤制天然气项目13个，产能428×108m3/a。煤制合成天然气工厂采用的煤炭气化、合成气变换及净化等工艺已在煤化工行业应用多年，积累了丰富的经验；而合成气甲烷化是煤制合成天然气工厂特有技术，相关经验不多，急需系统论述合成气甲烷化技术的专著，以满足需要。2010年开始，中国大唐集团公司牵头组织承担了国家高技术研究发展计划（简称863计划）重点项目“煤气化甲烷化关键技术开发与煤制天然气示范工程”，并具体承担了课题三“合成气完全甲烷化成套工艺技术开发”，同时自主立项开展了“合成气甲烷化催化剂开发”的研究。上述两个课题均已完成，其中甲烷化催化剂已成功应用于内蒙古大唐国际克什克腾煤制天然气公司引进的甲烷化装置上，效果良好，系国内首个实现工业应用的国产化合成气甲烷化催化剂。与之相关的“合成气完全甲烷化催化剂”、“合成气完全甲烷化成套工艺技术”以及“400×104m3/d(标况下）合成天然气的合成气甲烷化装置技术工艺包”均通过了中国石油和化学工业联合会组织的专家评审。基于上述情况，我们在完成863计划项目和催化剂开发工作基础上，参考有关煤制合成天然气的相关技术及*成果，编写了这本《合成气甲烷化技术》，为生产技术人员和科研人员提供参考。本书共8章，首先介绍了合成气甲烷化技术背景、国内外研究开发和应用现状。其次，从合成气甲烷化反应热力学和动力学入手，详细论述了甲烷化催化剂催化性能、要素组成和反应机理，介绍了国内外开发的合成气甲烷化工艺技术流程，并进行了过程模拟，建立反应器数学模型并对相关模拟结果进行了分析。*后，对国内外合成气甲烷化新技术进行了展望。本书由中国大唐集团公司参与863计划项目和催化剂开发工作的相关人员按照各自负责的研究课题、专业特长和分工分别撰写。李安学、李春启负责总策划和协调，李安学、李春启、梅长松、刘永健负责组织与统稿。具体分工如下：第1章李安学、刘永健；第2章康善娇、刘鑫；第3章左玉帮、李安学；第4章周帅林、梅长松；第5章刘学武、余铭程；第6章、第7章左玉帮、梅长松；第8章李春启、段士慈。本书在编写过程中，得到了大唐国际化工技术研究院有限公司领导、专家和技术人员的大力支持和帮助，在此深表感谢。尽管我们尽了*努力，但由于所涉及的专业多、可供参考的资料少，加上水平有限，书中涉及的内容和结论会有不尽完美之处，难免会存在疏漏和不足，恳请读者批评指正。编著者2020年3月

《合成气甲烷化技术》全书共8章，首先介绍了合成气甲烷化技术背景、国内外研究开发和应用现状。其次，从合成气甲烷化反应热力学和动力学入手，详细论述了甲烷化催化剂催化性能、要素组成和反应机理，介绍了国内外开发的合成气甲烷化工艺技术流程，并进行了过程模拟，建立反应器数学模型并对相关模拟结果进行了分析。*后，对国内外合成气甲烷化新技术进行了展望。

本书实用性较强，可为煤制合成天然气生产技术人员和科研人员提供参考。

第1章绪论11.1甲烷化与合成天然气11.2天然气供需形势与合成天然气产业发展31.2.1国际天然气供需形势31.2.2国内天然气供需形势31.2.3合成天然气发展概况51.3合成天然气技术路线101.3.1按工艺路线分类111.3.2按原料路线分类111.3.3按反应器类型分类121.4我国合成天然气产业展望141.4.1国家高度重视141.4.2市场前景广阔161.4.3环境保护需求171.5本书的意义和主要内容17参考文献18第2章合成气的制备和净化技术202.1合成气制造综述202.1.1合成气的来源202.1.2合成气的要求202.2以煤为原料制备合成气212.2.1煤气化反应基本原理212.2.2固定床煤气化制备合成气232.2.3流动床煤气化制备合成气262.2.4气流床气化制备合成气272.2.5气化对原料气中甲烷成分的影响292.2.6气化对原料气其他成分的影响302.3其他原料制备合成气312.3.1焦炉气制备合成气312.3.2黄磷尾气制备合成气322.3.3电石气制备合成气322.3.4钢铁厂废气制备合成气332.3.5生物质等制备合成气332.4合成气净化和气体组成的调整332.4.1CO变换332.4.2脱硫342.4.3二氧化碳脱除38参考文献39第3章合成气甲烷化反应过程分析413.1合成气甲烷化反应热力学与平衡状态分析413.1.1合成气甲烷化过程的化学反应413.1.2理想气体状态下合成气甲烷化热力学413.1.3非理想气体状态下合成气甲烷化热力学443.2甲烷化反应机理483.2.1CO甲烷化反应机理483.2.2CO2甲烷化反应机理533.3甲烷化反应动力学55参考文献60第4章合成气甲烷化催化剂624.1合成气甲烷化催化剂研究开发概况624.1.1国外研究开发概况624.1.2国内研究开发概况644.2合成气甲烷化催化剂的组分性质654.2.1活性组分654.2.2助剂664.2.3载体664.2.4流化床催化剂674.3工业合成气甲烷化催化剂674.3.1合成气甲烷化催化剂的制备674.3.2催化剂构型设计694.3.3合成气甲烷化催化剂的还原704.3.4甲烷化催化剂工业应用性能724.3.5合成气甲烷化催化剂的失活774.3.6工业合成气甲烷化催化剂的使用维护834.4合成气甲烷化催化剂性能评价和表征854.4.1评价方法的建立854.4.2催化剂老化方法的建立864.4.3催化剂分析与表征87参考文献92第5章合成气甲烷化工艺955.1合成气甲烷化工艺技术研究进展955.1.1甲烷化技术分类955.1.2绝热固定床甲烷化工艺955.1.3等温固定床甲烷化工艺1005.1.4流化床甲烷化工艺1015.1.5浆态床甲烷化工艺1035.1.6合成气甲烷化技术展望1045.2合成气甲烷化装置的工艺流程1055.2.1工艺流程的配置原则1055.2.2Lurgi甲烷化工艺1055.2.3Davy甲烷化工艺1095.2.4Topsφe甲烷化工艺1115.3合成气甲烷化装置的工艺操作条件1155.3.1原料气精制处理1165.3.2操作温度控制1175.3.3操作压力控制1235.3.4模值控制1255.3.5空速控制1275.3.6循环比控制1285.3.7产品质量控制1295.3.8催化剂床层温度控制1325.4合成气甲烷化装置的操作要点1335.4.1甲烷化新装置的开车准备1335.4.2甲烷化装置开车程序1335.4.3催化剂的升温还原1345.4.4甲烷化催化剂的钝化1375.4.5结炭1385.4.6正常操作要点1405.4.7不正常现象判断与处理1425.5合成气甲烷化装置的主要设备1445.5.1甲烷化反应器1445.5.2废热锅炉和蒸汽过热器1495.5.3循环气压缩机155参考文献158第6章合成气甲烷化反应器的数学模拟1606.1合成气甲烷化反应器模拟研究进展1606.2绝热甲烷化反应器数学模型1616.2.1绝热甲烷化反应器数学模型建立1616.2.2高温甲烷化反应器模拟结果分析1686.2.3中温甲烷化反应器模拟结果分析1756.2.4低温甲烷化反应器模拟结果分析1816.3列管式甲烷化反应器数学模型1886.3.1列管式甲烷化反应器数学模型特点1886.3.2守恒方程组的建立1886.3.3床层与冷却介质间的总传热系数1896.4流化床甲烷化反应器数学模型1906.4.1数学模型描述1906.4.2流化床模型计算结果1956.4.3灵敏度研究1996.4.4流化床模拟结论206参考文献207第7章合成气甲烷化工艺过程模拟2097.1流程模拟系统介绍2097.1.1流程模拟系统功能2097.1.2流程模拟软件的分类2117.1.3流程模拟软件的构成2117.1.4主要商业化流程模拟软件2137.2合成气甲烷化流程模拟研究进展2167.3合成气甲烷化过程模拟2177.3.1模拟物性方法选择与单元模型选择2177.3.2合成气甲烷化过程模拟2197.4合成气甲烷化过程能耗分析与换热网络优化2217.4.1合成气甲烷化过程能耗分析2217.4.2合成气甲烷化过程换热网络优化222参考文献224第8章煤制天然气新技术展望2278.1耐硫甲烷化2278.2高效流化床甲烷化2298.3无循环甲烷化2318.4加氢气化甲烷化2328.5催化气化甲烷化234参考文献236

2010年开始，中国大唐集团公司牵头组织承担了国家863重点项目“煤气化甲烷化关键技术开发与煤制天然气示范工程”项目，并具体承担了课题三“合成气完全甲烷化成套工艺技术开发”，同时自主立项开展了“合成气甲烷化催化剂开发”的研究，上述两个课题均已完成，并通过了中国石油和化学工业联合会组织的专家评审。。 

作者在完成“863”项目和催化剂开发工作基础上，参考有关煤制合成天然气的相关技术及新成果，编著了这本《合成气甲烷化》，为生产技术和科研人员提供参考。