混合進(jìn)氣甲烷化工藝技術(shù)研究

殷志源，方林木

(浙能集團新疆準(zhǔn)東能源化工有限公司 新疆奇臺 831800)

1 技術(shù)背景

隨著我國經(jīng)濟的快速增長以及可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略和加強環(huán)保等政策的實施，從長遠(yuǎn)來看，國內(nèi)對天然氣的需求量將與日俱增，預(yù)計2020年我國天然氣的需求量將達(dá)到2 000億m3，而同期的天然氣供應(yīng)量只能達(dá)到約1 600億m3，缺口較大[1]。解決供需矛盾的最有效方法是多渠道擴大天氣然供給，目前我國每年從俄羅斯、中亞地區(qū)、土庫曼斯坦等通過長輸管線購買約700億m3天然氣[2]，另外與印度尼西亞、澳大利亞、馬來西亞等國家簽署了進(jìn)口液化天然氣(LNG)的協(xié)議[3]，能源對外依存度逐年增大。

我國煤炭資源相對豐富，利用煤化工迅速發(fā)展的契機，積極發(fā)展煤制天然氣(SNG)項目，不僅可以滿足日益增長的市場需求，而且對保障我國的能源安全、節(jié)能減排等方面具有戰(zhàn)略意義?！笆濉逼陂g，通過國內(nèi)一些煤制天然氣示范項目的實施，除甲烷化工藝技術(shù)需從國外引進(jìn)外，其余的工藝技術(shù)均實現(xiàn)了國產(chǎn)化[4- 5]。目前，世界上主流的甲烷化工藝技術(shù)主要有3種，即英國戴維公司甲烷化技術(shù)、丹麥托普索公司甲烷化技術(shù)和德國魯奇公司甲烷化技術(shù)[6- 8]。這3種工藝技術(shù)雖在工藝流程、催化劑等方面有所差異，但整體均較為成熟[9- 15]，在國內(nèi)外煤制天然氣項目中均已實現(xiàn)商業(yè)化運行。目前，國內(nèi)已建成的煤制氣項目中，大唐克旗、新天煤制氣項目采用的是戴維甲烷化工藝，對應(yīng)的煤氣化技術(shù)為碎煤加壓氣化技術(shù)；新疆慶華和內(nèi)蒙古匯能一期煤制氣項目采用的是丹麥托普索公司甲烷化技術(shù)，煤氣化技術(shù)分別為碎煤加壓氣化技術(shù)和水煤漿氣化技術(shù)。

對于年產(chǎn)20億m3(標(biāo)態(tài))及以下新建煤制天然氣項目，為了充分利用粉煤和塊煤，考慮煤炭塊粉比平衡、技術(shù)成熟度、經(jīng)濟性等因素，大都采用碎煤加壓氣化和干煤粉氣化組合工藝。由于這2種煤氣化技術(shù)制取的粗煤氣成分差異較大，故凈化后的原料氣分別進(jìn)入2套不同規(guī)模的甲烷化裝置進(jìn)行處理，由此既增加了項目投資，又給以后的生產(chǎn)運營管理以及備品備件帶來困難。鑒于此，筆者創(chuàng)新性地提出1.2億m3/a(標(biāo)態(tài))碎煤加壓氣化與1.0億m3/a(標(biāo)態(tài))粉煤氣化組合工藝，凈化后的2股不同成分的原料氣先混合再均分至2套同規(guī)模的甲烷化裝置，并對分開進(jìn)氣甲烷化方案和混合進(jìn)氣甲烷化方案的產(chǎn)品氣規(guī)格、催化劑裝填量、設(shè)備投資、負(fù)荷調(diào)節(jié)和模數(shù)調(diào)節(jié)手段、裝置的實用性和靈活性、裝置的設(shè)計與運行管理等方面加以研究。

2 2種進(jìn)氣方案優(yōu)劣勢分析

2.1 原料氣規(guī)格

分開進(jìn)氣甲烷化方案：來自碎煤加壓氣化裝置的凈化氣[497 000 m3/h(標(biāo)態(tài))，模數(shù)(氫碳比)M=3.000，含CH4體積分?jǐn)?shù)6.72%]和來自粉煤氣化裝置的凈化氣[499 000 m3/h(標(biāo)態(tài))，M=3.000，含CH4體積分?jǐn)?shù)0.01%]分別進(jìn)入對應(yīng)的甲烷化裝置。凈化氣含硫體積分?jǐn)?shù)為100×10-9，其中H2S，COS和有機硫分別占75%，15%和10%。

混合進(jìn)氣甲烷化方案：來自碎煤加壓氣化裝置和粉煤氣化裝置的凈化氣先混合[流量為940 000 m3/h(標(biāo)態(tài))，M=2.992，含CH4體積分?jǐn)?shù)3.58%，含硫體積分?jǐn)?shù)仍為100×10-9，其中H2S，COS和有機硫分別占75%，15%和10%]，然后均分進(jìn)入同等規(guī)模的甲烷化裝置。

2.2 產(chǎn)品規(guī)格

分開進(jìn)氣甲烷化方案：來自碎煤加壓氣化系列的產(chǎn)品氣中含CH4和H2物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為98.10%和≤1.00%，其對照條件下的高熱值(HHV)為36.4 MJ/m3；來自粉煤氣化系列的產(chǎn)品氣中含CH4和H2物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)分別為97.35%和≤1.00%，HHV為36.2 MJ/m3；CH4總計為269 095 m3/h(標(biāo)態(tài))，物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)總計為97.76%。

混合進(jìn)氣甲烷化方案：產(chǎn)品氣總流量為265 144.1 m3/h(標(biāo)態(tài))，含CH4和H2物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)分別為97.50%和≤1.00，HHV為36.2 MJ/m3。

2種進(jìn)氣方案的甲烷化產(chǎn)品氣均符合國家標(biāo)準(zhǔn)《天然氣》(GB 17820—1999)的要求，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》(GB 50251—2003)的要求。

2.3 催化劑裝填量

2種進(jìn)氣方案催化劑裝填量如表1所示?；旌线M(jìn)氣甲烷化方案的脫硫催化劑和甲烷化催化劑的裝填量比分開進(jìn)氣甲烷化方案有所減少，其原因主要是在保證相同的產(chǎn)品氣量和品質(zhì)時，混合進(jìn)氣甲烷化方案的甲烷化裝置所處理的原料氣量比分開進(jìn)氣甲烷化方案少約6%；另外，分開進(jìn)氣甲烷化方案原料氣的氫碳比為3.000，而混合進(jìn)氣甲烷化方案的原料氣氫碳比約為2.992，也影響了催化劑的裝填量。根據(jù)前期的調(diào)研測算，與分開進(jìn)氣甲烷化方案相比，采用混合進(jìn)氣甲烷化方案可以降低催化劑費用約200萬元。

表1 2種進(jìn)氣方案甲烷化催化劑裝填量 m

3

2.4 主要設(shè)備

2種進(jìn)氣方案甲烷化裝置所需要的主要設(shè)備如表2所示。

與分開進(jìn)氣甲烷化方案相比，采用混合進(jìn)氣甲烷化方案的廢熱鍋爐、汽包和空冷器的數(shù)量相對減少，加熱器數(shù)量增加，其他設(shè)備數(shù)量均相同。對于分開進(jìn)氣甲烷化方案，由于原料氣成分和氣量不同，對應(yīng)的甲烷化裝置規(guī)模不同，因此，所有設(shè)備兩系列無法共用；混合進(jìn)氣甲烷化方案設(shè)置2套相同規(guī)模的甲烷化裝置，廢熱鍋爐、汽包和氣液分離罐可共用，因此設(shè)備數(shù)量減少。2種進(jìn)氣方案的核心設(shè)備循環(huán)氣壓縮機數(shù)量雖相同，但造價相差較大。據(jù)專利商詢價文件，在分開進(jìn)氣甲烷化方案中，與碎煤加壓氣化和粉煤氣化配套的循環(huán)氣壓縮機功率分別為7 839 kW和8 718 kW；在混合進(jìn)氣甲烷化方案中，配置的2臺循環(huán)氣壓縮機功率均為6 628 kW，造價低于分開進(jìn)氣甲烷化方案配置的循環(huán)氣壓縮機，優(yōu)勢明顯。

表2 2種進(jìn)氣方案甲烷化裝置所需主要設(shè)備 臺

2.5 模數(shù)調(diào)節(jié)手段

分開進(jìn)氣甲烷化方案：當(dāng)碎煤加壓氣化或粉煤氣化裝置的負(fù)荷低至50%時，分別通過調(diào)節(jié)相對應(yīng)的循環(huán)氣壓縮機的流量和進(jìn)入主甲烷化反應(yīng)器的流量維持主甲烷化反應(yīng)器的溫度，模數(shù)通過耐硫變換單元來調(diào)節(jié)。

混合進(jìn)氣甲烷化方案：當(dāng)負(fù)荷低至50%時，根據(jù)實際生產(chǎn)需要，同樣通過調(diào)節(jié)循環(huán)氣壓縮機的流量和進(jìn)入主甲烷化反應(yīng)器的流量來維持主甲烷化反應(yīng)器的溫度，模數(shù)可通過2個系列的耐硫變換單元分別進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到要求后再將凈化氣混合；當(dāng)單系列原料氣模數(shù)難以調(diào)整時，可將2股氣體混合稀釋以滿足正常生產(chǎn)需求。與分開進(jìn)氣甲烷化方案相比，混合進(jìn)氣甲烷化方案增加了模數(shù)調(diào)節(jié)手段。

2.6 實用性和靈活性

分開進(jìn)氣甲烷化方案：①獨立的碎煤加壓氣化和粉煤氣化裝置向SNG單元供應(yīng)原料氣；②獨立的負(fù)荷調(diào)節(jié)和隔離；③獨立維護，工作量較大；④當(dāng)某個系列的氣化裝置出現(xiàn)問題時，對應(yīng)的甲烷化裝置必須停車，給生產(chǎn)造成不便。

混合進(jìn)氣甲烷化方案：①正常情況為雙系列共同操作混合供氣，也可以僅操作碎煤加壓氣化裝置或粉煤氣化裝置供氣；②降低氣化爐負(fù)荷時，可進(jìn)行獨立維護；③可僅操作某一個系列，具有運行的獨立性；④某個氣化裝置出現(xiàn)問題時，可通過調(diào)節(jié)甲烷化裝置的負(fù)荷進(jìn)行調(diào)整。

2.7 甲烷化裝置的設(shè)計

分開進(jìn)氣甲烷化方案：①2套成套工藝包設(shè)計和2份詳細(xì)設(shè)計(管道、儀表、土建)；②2套壓縮機設(shè)計和采購；③2套廢熱鍋爐、過熱器、換熱器、容器的設(shè)計、制造和備件；④設(shè)計和設(shè)備加工制造費用高，需要的周期更長。

混合進(jìn)氣甲烷化方案：①只需1套工藝包設(shè)計和1份詳細(xì)設(shè)計；②1套壓縮機設(shè)計和2套設(shè)備采購；③設(shè)計和設(shè)備加工制造費用低，周期短。

2.8 運行管理分析

分開進(jìn)氣甲烷化方案：由于2個系列的甲烷化裝置規(guī)模不同，運行相對獨立，裝置定員人數(shù)較多；運行管理、維護和檢修工作量較大；2個系列的備品備件不可共用，增加了投資費用。

混合進(jìn)氣甲烷化方案：2套甲烷化裝置實為同一個系列，裝置定員人數(shù)減少，如采用四班三倒，每班5個人即可滿足運行需求；備品備件數(shù)量減少，維修和檢修工作量減??；甲烷化裝置能效較高，滿足國家節(jié)能降耗要求。

如表3所示，采用混合進(jìn)氣甲烷化方案的總輸入能量折標(biāo)煤為400.61 t/h，總輸出能量折標(biāo)煤為398.07 t/h，裝置能耗折標(biāo)煤為2.54 t/h。由于甲烷化過程中能量損失很小，裝置能量利用效率達(dá)到99.37%。根據(jù)前期調(diào)研，目前已運行的內(nèi)蒙古和新疆2個煤制氣項目的甲烷化裝置能量利用效率均為98.5%，采用混合進(jìn)氣的甲烷化裝置能量利用率達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平。

表3 混合進(jìn)氣甲烷化裝置的能耗和能效

項 目實物量折標(biāo)煤系數(shù)能耗(折標(biāo)煤)/(t·h-1)輸入 甲烷化原料氣937706．9m3/h(標(biāo)態(tài))4．084×10-4t/m3(標(biāo)態(tài))382．96 電(當(dāng)量值)8150．0kW·h1．229×10-4t/(kW·h)1．00 循環(huán)冷卻水600．0t/h1．4297×10-4t/t0．08 儀表空氣400．0m3/h(標(biāo)態(tài))3．99×10-5t/m3(標(biāo)態(tài))0．02 鍋爐給水(158℃)654．4t/h2．28×10-2t/t14．89 工藝除氧水(104℃，1．5MPa)111．5t/h1．49×10-2t/t1．66 合計400．61輸出 甲烷化產(chǎn)品氣265144．1m3/h(標(biāo)態(tài))1．1912×10-3t/m3(標(biāo)態(tài))315．83 蒸汽(9．8MPa，540℃)647．9t/h0．1190t/t76．91 蒸汽(0．4MPa，175℃)48．7t/h0．0958t/t4．67 凝液(135℃)60．6t/h0．0109t/t0．66 合計398．07能耗2．54能量利用效率99．37%

3 結(jié)語

通過工況分析及方案優(yōu)化，對于不同氣化工藝制取的原料氣進(jìn)行甲烷化，選擇通過凈化后再混合均分進(jìn)入2個完全相同系列的甲烷化裝置的方案配置，可以增大操作彈性，滿足碎煤加壓氣化裝置和粉煤氣化裝置0%～100%的操作彈性要求；分開進(jìn)氣甲烷化方案具有運行更靈活的優(yōu)點，但設(shè)計和投資成本較高；雖然混合進(jìn)氣甲烷化方案的靈活性相對較差，但在負(fù)荷和模數(shù)調(diào)節(jié)方面具有更多的選擇，且設(shè)計和投資成本較低，同時裝置的運行管理、操作、維護和檢修更為方便。

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