優(yōu)化出廠煤氣熱值控制的途徑

上海石洞口煤氣制氣有限公司 姚良琮

上海石洞口煤氣制氣有限公司(以下簡稱石煤公司)有3條制氣生產線，由英國巴布考克(Babcock)公司設計，原來以石腦油為原料生產城市煤氣。隨著上海市天然氣供氣量的不斷增加，城市燃氣結構發(fā)生重大調整，石煤公司于 2009年實施了油改氣項目，把制氣原料由石腦油改為天然氣。如何根據上海市城市煤氣的實際需要，合理調節(jié)生產負荷、同時控制好出廠煤氣熱值，做到節(jié)能降耗、降低生產成本，是我們面臨的一大課題。

1 工藝流程介紹

石煤公司出廠煤氣由變換氣、天然氣和富氮氣三股氣體在摻混器中混合生成。天然氣制氣工藝(如圖 1所示)是天然氣在較低溫度和較高壓力條件下與蒸汽進行轉化反應，生成變換氣。變換氣經減壓，與天然氣及富氮氣混兌為符合質量要求的城市煤氣，送入管網。

圖1 天然氣制氣工藝流程示意

1.1 變換氣系統(tǒng)

天然氣經過脫硫后與高壓飽和蒸汽混合進入預轉化器，在較低溫度和較高壓力條件下進行預轉化，得到的預轉化氣熱值較高，先將部分預轉化氣在高溫下與蒸汽在裝有改質催化劑的一段轉化爐內進一步進行轉化反應，生成的轉化氣(較低熱值)再和剩余預轉化氣摻混，然后再在裝有變換催化劑的高溫變換器中與蒸汽發(fā)生變換反應，將CO調整到變換氣允許值。生成的一部分變換氣(返氫氣)循環(huán)分流用于原料天然氣脫硫，另一部分變換氣(合成氣)經減壓，與天然氣及富氮氣混兌為符合質量要求的城市煤氣,送入管網。

1.2 制氮系統(tǒng)

制氮系統(tǒng)由空氣壓縮機組、壓縮凈化干燥和變壓吸附制氮三部分組成(如圖2所示)。空氣壓縮機組由3臺空氣壓縮機組成，壓縮凈化干燥包括水分離器，2組過濾器，干燥系統(tǒng)，變壓吸附制氮包括4臺吸附塔，產品氮氣緩沖罐。

由空氣壓縮機生產的壓縮空氣，經過壓縮凈化干燥，再到變壓吸附裝置吸附部分氧氣，最后生成含氮氣量較高的富氮氣。

圖2 制氮系統(tǒng)工藝流程示意

1.3 天然氣

摻混用的天然氣由天然氣管網公司石洞口門站直接提供。

1.4 煤氣摻混

變換氣、富氮氣和摻混天然氣按一定的比例，在煤氣摻混器中均勻混合，獲得符合質量要求的城市煤氣，最后經加臭、計量后，送入出廠煤氣管網。

2 天然氣制氣工藝下的熱值控制途徑

天然氣制氣工藝下，每條生產線的煤氣制氣能力在35~60萬m3/d。

影響煤氣熱值的因素有很多，下面就從主要的幾個方面來進行討論和分析如何在實際生產過程中，通過合適的途徑控制好在不同的生產負荷下出廠煤氣的熱值。

2.1 變換氣的熱值控制

變換氣在整個出廠煤氣中的摻混量在70%~85%(體積百分比)之間，要保證煤氣質量，控制變換氣熱值顯得尤為重要。影響變換氣熱值的因素主要有預轉化爐水烴比、進入一段轉化爐的富甲烷氣比例、一段轉化爐水烴比、和一段轉化爐出口溫度。

2.1.1 預轉化爐水烴比

經過脫硫后的天然氣與過熱蒸汽混合后，在500 ℃溫度下進入預轉化爐進行甲烷轉化反應：

CH4+H2O+Q ? CO+3H2

過熱蒸汽的流量和天然氣的流量之比稱之為預轉化爐水烴比，一般控制在 1.90~2.10以內。過量的過熱蒸汽，推動甲烷轉化反應充分向右進行，同時使CO濃度降低到析碳反應2CO ? CO2+C可發(fā)生的濃度以下，阻止了催化劑積碳的發(fā)生。但是如果水烴比太大，會使預轉化催化劑的床層溫差縮小，影響預轉化催化劑的使用壽命，因此一般水烴比的調節(jié)范圍不超過 0.1，而且要注意保持預轉化溫差在58~70 ℃(具體視催化劑使用情況而定)。過熱蒸汽的流量調節(jié)幅度控制在上下100 kg/h，可以使變換氣熱值波動幅度在上下0.05 MJ/m3以內。

2.1.2 進入一段轉化爐的富甲烷氣比例

進入一段轉化爐的富甲烷氣占總的富甲烷氣流量比例稱之為進入一段轉化爐的富甲烷氣比例。富甲烷氣比例是最主要的影響變換氣熱值的因素。通過調整富甲烷氣比例，使進入一段轉化爐的富甲烷氣的流量發(fā)生變化，在一段轉化爐內，富甲烷氣與過熱蒸汽發(fā)生甲烷裂解反應，生成低熱值的貧煤氣，然后與通過一段轉化爐旁路的富甲烷氣混合以達到降低變換氣熱值的效果。因此，進入一段轉化爐的富甲烷氣的流量大小，最大程度上決定了最終變換氣的熱值。

在實際生產中，富甲烷氣流量比例一般控制在0.720左右，我們可以根據變換氣最終熱值來調節(jié)富甲烷氣流量比例。一般情況下，富甲烷氣流量比例的上下調整 0.005，可以使最終變換氣熱值產生上下0.03 MJ/m3的波動。但是也不可以無限制地升高富甲烷氣流量的比例，因為這將提高一段轉化爐的熱負荷，如果一段轉化爐氣槍不能提供轉化所需的相應熱量，那么再提高富甲烷氣流量的比例也無濟于事。同時也不可以過分降低富甲烷氣流量的比例來提高熱值，因為如果富甲烷氣流量的比例降得太低，大量的富甲烷氣通過一段轉化爐旁通走，將會使一段轉化爐系統(tǒng)的壓差變小，沒有足夠的富甲烷氣進入一段轉化爐，就無法帶走氣槍燃燒所產生的熱量，會引起一段轉化爐爐管變形﹑產生亮斑等嚴重的后果。因此，我們在實際生產中一般的富甲烷氣流量比例調節(jié)范圍是0.680~0.760之間。

2.1.3 一段轉化爐的水烴比

進入一段轉化爐的富甲烷氣和過熱蒸汽發(fā)生如下反應：

進入一段轉化爐的過熱蒸汽流量和富甲烷氣的流量之比稱之為一段轉化爐水烴比，從反應式中可以看出，過熱蒸汽的多少也可以影響到熱值，但是如果蒸汽量過多，一段轉化爐氣槍將無法提供相應的熱量，如果太少則容易引起積碳，影響催化劑的使用壽命。因此實際生產過程中一段轉化爐水烴比調節(jié)幅度不大，一般只在生產負荷有所變化時才做相應調整，范圍在0.390~0.400之間。

2.1.4 一段轉化爐的出口溫度

從一段轉化爐中反應式可以看出，要使熱值降低，就是要降低甲烷的含量，就要使反應充分向右進行，反之亦然。要使反應向右進行，無非通過兩種方法，一是減小壓力，二是增加溫度。減壓在實際生產過程中很難做到，不予討論，而加溫卻很容易實現，因此是在生產中經常用到的調節(jié)熱值的手段。一段轉化爐的出口溫度在實際生產中一般根據生產負荷不同控制在730~750 ℃，調節(jié)1℃，可以使最終熱值產生上下0.05 MJ/m3左右的變化。但是溫度也不能太高，因為那會影響到爐管的使用壽命。

2.2 富氮氣摻混流量控制

由于變換氣比重較小，應摻入比重較大的富氮氣。一般采取同時使用兩臺或兩臺以上空氣壓縮機的操作方式，為變壓吸附裝置運行穩(wěn)定提供足夠的壓縮空氣。最后生成的富氮氣，部分用于煤氣摻混，其余轉向放散。

富氮氣摻混流量的穩(wěn)定控制保證了煤氣質量。為達到城市煤氣氧含量小于1%的要求，根據煤氣生產負荷的高低及時調整變壓吸附裝置的吸附時間等工藝操作指標，操作中富氮氣氧含量控制在 10%以內。

2.3 摻混天然氣流量控制

為保證最終出廠煤氣熱值達到要求，使用流量調節(jié)閥控制來自天然氣管網公司石洞口門站的摻混用天然氣流量。

2.4 摻混比例的控制

在煤氣摻混器中變換氣、富氮氣和摻混天然氣按一定的比例均勻混合，獲得熱值15.910 MJ/m3的城市煤氣，經加臭、計量后，最終送入出廠煤氣管網。

富氮氣流量和天然氣的熱值在一定的范圍內變化，采用前饋式控制，由中控系統(tǒng)根據設定的摻混比例控制調節(jié)閥，可以對變壓吸附制氮系統(tǒng)出來的富氮氣的流量變化作出即時的反應，從而維持穩(wěn)定的摻混比例。有時采用前饋式控制還是不能確保準確地控制煤氣的熱值，在煤氣摻混器出口配置一臺高速在線熱值儀，將化驗室人工熱值分析報告與其比對，一旦熱值儀與人工分析值出現偏差，根據現場生產的實際情況將工藝參數加以適當調整并進一步完善，使出廠煤氣熱值控制在出廠標準范圍內。

表1 天然氣制氣工藝中過程氣體的組分分析單位：V%

表2 不同負荷下3種氣源的摻混比例單位：V%

3 結論

在天然氣制氣的實際生產過程中，主要通過保持3種摻混氣源的質量和控制各種氣源的摻混比例等途徑對煤氣的熱值加以調整和控制。

不同生產負荷下，變換氣熱值可以通過適時調節(jié)好預轉化爐水烴比、進入一段轉化爐的富甲烷氣比例、一段轉化爐水烴比、和一段轉化爐出口溫度等辦法加以控制；富氮氣質量可以通過合理使用空氣壓縮機組和優(yōu)化變壓吸附裝置操作以及出口富氮氣流量控制來實現。

根據煤氣摻混裝置啟動時間短、提升負荷快的特點，隨著生產負荷的變化，及時調節(jié)3種氣源的摻混比例，使出廠煤氣熱值相對較容易地控制在15.910 MJ/m3的標準范圍內。以保持煤氣熱值穩(wěn)定、同時控制好煤氣燃燒勢和華白指數、優(yōu)化煤氣的燃燒品質，從而大大降低了生產成本，滿足了石煤公司作為城市煤氣季節(jié)性調峰補充的要求。