林 森
(山西天然氣有限公司,山西 太原 030001)
山西天然氣公司與西北某化工研究院聯(lián)合設(shè)計(jì)了一套焦?fàn)t煤氣制天然氣工藝,應(yīng)用裝置運(yùn)行結(jié)果表明,設(shè)計(jì)研發(fā)的合成天然氣工藝滿足技術(shù)要求,經(jīng)三段甲烷催化劑處理后焦?fàn)t煤氣,其CO轉(zhuǎn)化率大于99%,甲烷選擇性接近100%,經(jīng)三段甲烷化反應(yīng)器后,其出口氣中w(CO+CO2)<50×10-6,完全達(dá)到了技術(shù)指標(biāo)的要求。工藝合理,流程緊湊,甲烷化催化劑耐高溫性能良好。
甲烷化反應(yīng)是合成天然氣的主要過程,該反應(yīng)的特點(diǎn)是易受硫化物等雜質(zhì)毒化,使催化劑的活性降低。同時(shí),在甲烷化反應(yīng)中,熱量的回收是甲烷化過程必須考慮的重要問題,移熱方式、移熱部位的不同,可對(duì)甲烷化工藝流程產(chǎn)生一定的影響。當(dāng)前甲烷化工藝主要有多段甲烷化工藝、單段換熱式甲烷化工藝、循環(huán)換熱式甲烷化工藝和組合式甲烷化工藝。組合式甲烷化工藝根據(jù)不同甲烷化反應(yīng)器、不同換熱方式、不同控溫措施的優(yōu)缺點(diǎn)來進(jìn)行合理的組配,使甲烷化反應(yīng)能夠進(jìn)行得更為徹底[1-2]。
從目前的情況看,要使甲烷化反應(yīng)進(jìn)行得更為徹底,比較可行的方法是降低反應(yīng)的熱點(diǎn)或出口溫度,采取多段反應(yīng)工藝,段間分離反應(yīng)生成水。要使催化劑的運(yùn)行壽命延長(zhǎng),除了選用性能優(yōu)異的催化劑外,還可采取強(qiáng)化前段的深度凈化操作、適當(dāng)降低進(jìn)口可反應(yīng)的總碳濃度或控制床層的熱點(diǎn)溫度、反應(yīng)器前加注水蒸氣、減輕析碳的生成等措施。要使系統(tǒng)的熱能利用率更高,除需要根據(jù)不同溫度的熱能進(jìn)行合理的回收利用之外,使用絕熱反應(yīng)器也是另一可行之舉。
1.2.1 工藝流程的比較
對(duì)多段甲烷化工藝、單段換熱式甲烷化工藝、循環(huán)換熱式甲烷化工藝和組合式甲烷化工藝進(jìn)行技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)比較,從流程、設(shè)備、反應(yīng)程度、能耗、功耗、操作成熟度等幾個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比分析后,確定采用多段甲烷化工藝。多段式工藝在設(shè)備、流程、反應(yīng)深度、技術(shù)成熟性等幾方面均有較大的優(yōu)勢(shì)。
1.2.2 焦?fàn)t煤氣制天然氣工藝流程
通過大量的研究與比較,結(jié)合實(shí)驗(yàn)室甲烷化催化劑研制過程的實(shí)際情況及工業(yè)應(yīng)用裝置運(yùn)行結(jié)果,從工業(yè)應(yīng)用的技術(shù)需要出發(fā),研究制定出如下焦?fàn)t煤氣制天然氣原則工藝流程。
其中,無循環(huán)甲烷化工藝可根據(jù)實(shí)際過程中焦?fàn)t煤氣的組成、雜質(zhì)含量、生產(chǎn)企業(yè)的投資規(guī)模、技術(shù)的認(rèn)知度等方面差異,進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[3-4]。
通過Ni含量、焙燒溫度對(duì)催化劑性能的影響實(shí)驗(yàn),對(duì)甲烷化催化劑進(jìn)行了初步定型。物化分析表明,卸下樣品與試驗(yàn)前相比,結(jié)構(gòu)未發(fā)生明顯變化。初步定型的耐高溫合成天然氣的催化劑相關(guān)物化性能:外觀:深灰色圓柱體;規(guī)格:Φ5mm×5mm;堆比重:1.20kg/L~1.35kg/L;側(cè)壓強(qiáng)度:>80N/cm;磨耗:≤8%。
通過大量的篩選試驗(yàn)和條件優(yōu)化,提高了樣品的熱穩(wěn)定性、抗結(jié)碳能力和對(duì)CO2的轉(zhuǎn)化能力。在焦?fàn)t煤氣氣氛下,初步定型的樣品其CO、CO2的轉(zhuǎn)化率均大于99%。
在完成樣品篩選及確定催化劑組成和制備方法的基礎(chǔ)上,對(duì)初步定型的樣品進(jìn)行了相關(guān)性能試驗(yàn),進(jìn)一步考察了催化劑的適應(yīng)性及操作彈性。溫度、壓力、空速、CO及CO2濃度等實(shí)驗(yàn)條件均會(huì)對(duì)甲烷化反應(yīng)有一定的影響,為此,針對(duì)各操作條件對(duì)甲烷化的影響進(jìn)行了研究。
2.2.1 溫度的影響
在壓力1.0MPa、空速5 000h-1、入口溫度260℃~650℃等條件下,考察了溫度對(duì)催化劑性能的影響。從數(shù)據(jù)結(jié)果可知,CO、CO2的轉(zhuǎn)化率及CH4的選擇性均隨溫度的升高而逐漸升高。但是,由于甲烷化反應(yīng)是強(qiáng)放熱反應(yīng),受熱力學(xué)平衡影響,當(dāng)溫度超過500℃時(shí),轉(zhuǎn)化率及選擇性均有所下降。
2.2.2 壓力的影響
考察了操作壓力0.2MPa~4.0MPa下甲烷化催化劑的活性。從數(shù)據(jù)結(jié)果可知,在入口溫度260℃~280℃、空速10 000h-1、進(jìn)口模擬焦?fàn)t煤氣中CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)8.1%、CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.6%等情況下,隨著壓力的升高,甲烷化反應(yīng)后原料氣中CO、CO2含量也相應(yīng)降低。壓力達(dá)到1.0MPa后,出口CO和CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)可分別降至20×10-6及30×10-6以下,基本可全部轉(zhuǎn)化,隨壓力變化不大,表明在1.0MPa~4.0MPa范圍內(nèi),壓力對(duì)甲烷化催化劑的性能無明顯影響。
2.2.3 空速的影響
在入口溫度260℃~280℃、壓力1.0MPa~3.5MPa、進(jìn)口模擬焦?fàn)t 煤 氣 中 CO 質(zhì) 量 分 數(shù)7.5%,CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.8%等條件下,考察了空速對(duì)催化劑性能的影響。從數(shù)據(jù)結(jié)果可知,隨著空速的增加,出口氣中CO、CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)有所升高??账龠_(dá)到20 000h-1時(shí),經(jīng)兩段甲烷化后,出口(CO+CO2)質(zhì)量分?jǐn)?shù)<50×10-6,表明催化劑具有較高的操作彈性。
2.2.4 耐高溫活性試驗(yàn)
定型樣品和參比樣品經(jīng)1 000℃、耐熱12h后,降溫至260℃,在空速5 000h-1、壓力1.0MPa等條件下進(jìn)行性能測(cè)試。從數(shù)據(jù)結(jié)果可知,研制的催化劑經(jīng)1 000℃下耐熱12h后,在進(jìn)口氣中CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)8.8%、CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.3%條件下,三段甲烷化后,CO及CO2基本上可全部轉(zhuǎn)化,比表面積無明顯下降趨勢(shì),其性能明顯優(yōu)于參比樣品,顯示出了較強(qiáng)的熱穩(wěn)定性。
對(duì)初步定型的耐高溫CO、CO2甲烷化催化劑進(jìn)行了50kg級(jí)放大制備,同時(shí)考察了其活性及穩(wěn)定性。采用三段甲烷化工藝對(duì)制備的樣品進(jìn)行了評(píng)價(jià)。試驗(yàn)裝置為原粒度加壓評(píng)價(jià)裝置,原料氣為配有CO、CO2的模擬焦?fàn)t煤氣。評(píng)價(jià)條件:壓力2.0MPa,一、二、三段入口溫度260℃~300℃,一段甲烷化空速10 000h-1,二段、三段甲烷化空速5 000h-1。進(jìn)口模擬煤氣中CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)7.0%~9.0%,CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.0%~3.0%,試驗(yàn)累計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)1 000h。經(jīng)三段甲烷化后其w(CO+CO2)<50×10-6。表明研制的甲烷化催化劑具有活性高、耐熱性能好、抗結(jié)碳能力強(qiáng)等特點(diǎn)。
應(yīng)用裝置以焦?fàn)t煤氣為原料合成天然氣。設(shè)計(jì)焦?fàn)t煤氣處理量為7 500m3/h。操作范圍為裝置設(shè)計(jì)能力的30%~120%。
應(yīng)用裝置建設(shè)地點(diǎn)在山西焦煤集團(tuán)某焦化廠。該廠以焦?fàn)t煤氣為原料氣,建設(shè)了一套20萬t/a的甲醇裝置。該廠焦?fàn)t煤氣干法凈化技術(shù)采用西北某化工研究院研制開發(fā)的加氫、脫硫工藝及其催化、凈化劑,較好地解決了焦?fàn)t煤氣深度凈化問題。因此,應(yīng)用裝置不再設(shè)立單獨(dú)的加氫凈化工段。來自凈化工段處理后的焦?fàn)t煤氣經(jīng)超級(jí)精脫硫塔將硫脫除至小于40×10-9后,進(jìn)入一段甲烷化反應(yīng)器,反應(yīng)后的氣體經(jīng)段間換熱后再依次進(jìn)入二段甲烷反應(yīng)器、三段甲烷反應(yīng)器,在三段甲烷轉(zhuǎn)化反應(yīng)器內(nèi)將氣體中剩余的CO與CO2徹底轉(zhuǎn)化成甲烷,反應(yīng)后的氣體將溫度降至常溫并減壓后送至界外。
催化劑還原結(jié)束后,將反應(yīng)器入口溫度降至260℃,然后導(dǎo)人焦?fàn)t煤氣,調(diào)節(jié)壓力、流量及溫度,并通過汽包調(diào)節(jié)二段、三段甲烷化反應(yīng)器入口溫度,逐漸轉(zhuǎn)入正常運(yùn)行。
運(yùn)行結(jié)果表明,研究的焦?fàn)t煤氣制天然氣工藝技術(shù)及其催化劑,完全能夠滿足合成天然氣的技術(shù)要求,經(jīng)三段甲烷催化劑處理后的焦?fàn)t煤氣,其CO轉(zhuǎn)化率大于99%,出口w(CO+CO2)<50×10-6。完全達(dá)到了技術(shù)指標(biāo)的要求。具有工藝合理,流程緊湊,節(jié)能效果顯著等特點(diǎn)。
1)設(shè)計(jì)中采用的氣體一次通過的三段甲烷化工藝,設(shè)備簡(jiǎn)單,投資省,操作容易,既可用于常壓也可與加壓工藝相匹配。
2)催化劑在入口溫度260℃~350℃、壓力1.0MPa~4.0MPa、空速10 000h-1~1 000h-1,條件下,經(jīng)過三段甲烷化反應(yīng)后,出口氣體中殘余碳氧化物w(CO+CO2)<50×10-6,CO+CO2總轉(zhuǎn)化率>99%。
3)建成的7 500m3/h焦?fàn)t煤氣制天然氣工業(yè)應(yīng)用裝置,開車運(yùn)行正常,檢測(cè)各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到技術(shù)要求。