煤制天然氣工藝流程優(yōu)化探討

周　芳　姜　波

中國(guó)成達(dá)工程有限公司　成都　610041

煤制天然氣工藝流程優(yōu)化探討

周芳*姜波

中國(guó)成達(dá)工程有限公司成都610041

摘要介紹煤制天然氣的傳統(tǒng)流程和優(yōu)化流程及兩種流程下的甲烷化反應(yīng)原理，并對(duì)傳統(tǒng)流程和優(yōu)化流程的主要工藝參數(shù)、動(dòng)力消耗、投資差異和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比較，指出煤制天然氣的優(yōu)化流程節(jié)省了變換系統(tǒng)和天然氣干燥系統(tǒng)，并在投資和經(jīng)濟(jì)性上具有一定的優(yōu)勢(shì)，是一種較優(yōu)的煤制天然氣工藝流程。

關(guān)鍵詞煤制天然氣傳統(tǒng)流程優(yōu)化流程比較

隨著全國(guó)工業(yè)和民用天然氣消費(fèi)量的持續(xù)增長(zhǎng)，未來我國(guó)天然氣的供需缺口將更加嚴(yán)重，預(yù)計(jì)2020年天然氣對(duì)外依存度將達(dá)到37%。而我國(guó)具有豐富的煤資源，具備發(fā)展煤制天然氣的資源優(yōu)勢(shì)，因而研究煤制天然氣的工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)我國(guó)煤制天然氣的發(fā)展具有重要意義。十二五期間，國(guó)家核準(zhǔn)的大唐克旗、新疆慶華煤制氣裝置相繼投產(chǎn)，為國(guó)家的煤制氣工程領(lǐng)域起到了重要的示范作用。這兩套裝置都是將粗煤氣經(jīng)變換和低溫甲醇洗脫硫脫碳以配好氫碳比后，送甲烷化系統(tǒng)合成天然氣，然后經(jīng)加壓和脫水，得到滿足管輸要求的天然氣產(chǎn)品。本文提出采用適應(yīng)高CO含量的變換甲烷化催化劑，使用脫硫后的粗煤氣為原料，將變換與甲烷化合二為一，即直接甲烷化工藝，該優(yōu)化流程較現(xiàn)運(yùn)行的間接甲烷化流程，可在一定程度上節(jié)省投資，降低消耗，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)類似新項(xiàng)目的設(shè)計(jì)具有一定的參考和借鑒作用。

1工藝流程及理論分析

1.1已運(yùn)行工廠的煤制氣工藝流程

已運(yùn)行工廠的煤制氣工藝流程見圖1。

圖1　已運(yùn)行工廠的煤制氣工藝流程

原料煤進(jìn)氣化裝置，空分裝置制得煤氣化所需要的氧氣，煤和氧氣、蒸汽在氣化系統(tǒng)生成富含CO和H2的粗煤氣，粗煤氣經(jīng)耐硫變換和低溫甲醇洗脫硫脫碳調(diào)整氫碳比后，送甲烷化系統(tǒng)，在鎳基催化劑的作用下，凈化合成氣中的CO及少量CO2和H2反應(yīng)生成甲烷氣，甲烷氣再經(jīng)天然氣壓縮和天然氣干燥系統(tǒng)，最終得到以滿足天然氣國(guó)標(biāo)GB17820-2012及具體項(xiàng)目管輸天然氣要求的產(chǎn)品。在脫硫脫碳經(jīng)過濃縮后的含硫的酸性氣體，經(jīng)硫回收裝置處理回收其中的硫元素，以制得硫磺或硫酸副產(chǎn)品。低溫甲醇洗脫硫脫碳排放的部分CO2氣經(jīng)加壓后用于煤氣化裝置粉煤或塊煤的加壓和輸送氣。

1.2工藝流程優(yōu)化后的煤制氣工藝流程

工藝流程優(yōu)化后的煤制氣工藝流程見圖2。

圖2　工藝流程優(yōu)化后的煤制氣工藝流程

原料煤和氧氣、蒸汽在氣化系統(tǒng)生成富含CO和H2的粗煤氣，粗煤氣先經(jīng)過簡(jiǎn)單的熱量回收，并經(jīng)低溫甲醇洗脫硫系統(tǒng)脫硫后，送直接甲烷化系統(tǒng)合成甲烷，再經(jīng)低溫甲醇洗脫碳系統(tǒng)進(jìn)行脫碳。因低溫甲醇洗出口氣為干氣，該優(yōu)化流程無需設(shè)置天然氣干燥系統(tǒng)，產(chǎn)品氣直接壓縮后即可滿足管輸要求。

對(duì)比圖2和圖1，優(yōu)化后的煤制氣裝置節(jié)省變換系統(tǒng)和天然氣干燥系統(tǒng)，可以預(yù)見的是系統(tǒng)阻力降會(huì)更低。

1.3甲烷化原理

1.3.1粗煤氣間接甲烷化

第一步：粗煤氣通過CO部分變換反應(yīng)，得到H2/CO略大于3的合成氣。

CO+H2O=H2+CO2

第二步：合成氣經(jīng)過凈化，即完全脫硫和脫除大部分CO2后，CO、CO2和H2發(fā)生下面的甲烷化反應(yīng)，絕大部分CO和CO2轉(zhuǎn)化成甲烷。

CO+3H2=CH4+H2O(g)

(1)

CO2+4H2=CH4+2H2O(g)

(2)

反應(yīng)(2)比反應(yīng)(1)更容易進(jìn)行，速度也更快。

根據(jù)反應(yīng)(1)和(2)，合成氣需要配好碳?xì)浠瘜W(xué)比后才能進(jìn)甲烷化系統(tǒng)，反應(yīng)原理決定了甲烷化前必須設(shè)置部分變換和脫碳系統(tǒng)。

粗煤氣間接甲烷化需要采用兩種催化劑：一種催化劑促進(jìn)變換反應(yīng)；另一種催化劑促進(jìn)甲烷化反應(yīng)。

1.3.2粗煤氣直接甲烷化

粗煤氣在經(jīng)過脫硫后不經(jīng)過變換，由煤氣中的CO直接在水蒸汽存在下發(fā)生甲烷化反應(yīng)，同時(shí)粗煤氣中的H2和CO2反應(yīng)生成甲烷和水，反應(yīng)方程式如下：

4CO+2H2O=CH4+3CO2(g)

(3)

CO2+4H2=CH4+2H2O(g)

(4)

反應(yīng)(3)和(4)均是體積縮小的反應(yīng)，增加反應(yīng)壓力，不僅有利于提高反應(yīng)速率，還有助于推動(dòng)反應(yīng)向甲烷合成方向進(jìn)行。

粗煤氣直接甲烷化僅采用一種催化劑，該催化劑既促進(jìn)變換反應(yīng)，又促進(jìn)甲烷化反應(yīng)，因此可使用沒配好碳?xì)浠瘜W(xué)比的原料氣。

無論是粗煤氣間接甲烷化還是直接甲烷化，所有反應(yīng)都在催化劑的存在下進(jìn)行。直接甲烷化工藝充分利用了煤氣中碳多氫少的特點(diǎn)，利用高CO甲烷化工藝，直接將煤氣轉(zhuǎn)化為天然氣，比起間接甲烷化工藝，因?yàn)樯倭俗儞Q系統(tǒng)和天然氣干燥系統(tǒng)，流程更為簡(jiǎn)短，投資相對(duì)低些，節(jié)能效果也更好。

1.4兩種流程對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)的影響

根據(jù)以上兩種流程及其甲烷化原理，可見優(yōu)化后的工藝流程，其產(chǎn)品易于達(dá)到更低H2含量的要求，而對(duì)于傳統(tǒng)流程，如產(chǎn)品要滿足更低H2含量的要求，往往還需要多增設(shè)一級(jí)甲烷化反應(yīng)系統(tǒng)，這樣甲烷化系統(tǒng)的流程將更為復(fù)雜。

2煤制天然氣傳統(tǒng)流程和優(yōu)化流程的工程比較

2.1比較的前提

(1)煤制氣的規(guī)模為10億Nm3/a天然氣，年操作時(shí)間8000h。

(2)氣化：采用4.2MPa(G)的粉煤氣化，激冷流程。

(3)天然氣產(chǎn)品的壓力為10MPa(G)。

(4)向氣化輸送相同工藝參數(shù)的工藝?yán)淠骸?/p>

(5)熱量回收的原則是逐級(jí)回收，以最大限度地合理利用。

(6)盡量利用空冷：表冷器采用空冷器，工藝水冷前也采用空冷。

(7)兩種流程下，氣化工藝完全相同，因而本文的比較范圍為從接收粗煤氣到生產(chǎn)出合格的天然氣產(chǎn)品。

2.2綜合比較

基于上述的比較前提，進(jìn)行了煤制天然氣傳統(tǒng)流程和優(yōu)化流程的模擬計(jì)算和工程分析，其主要計(jì)算結(jié)果見表1。

表1　煤制天然氣傳統(tǒng)流程和優(yōu)化流程的計(jì)算結(jié)果比較

根據(jù)表1中傳統(tǒng)流程與優(yōu)化流程的計(jì)算結(jié)果可知：

(1)從系統(tǒng)阻力降來看，由于粗煤氣直接甲烷化的優(yōu)化流程采用一種集變換和甲烷化于一體的催化劑，入口原料氣無需調(diào)整氫碳化學(xué)比，僅需進(jìn)行脫硫，因而優(yōu)化流程節(jié)省了變換系統(tǒng)和天然氣干燥系統(tǒng)，從而整個(gè)系統(tǒng)的阻力降較傳統(tǒng)流程低0.61MPa，優(yōu)化流程中天然氣壓縮機(jī)的入口壓力也更高。

(2)從各裝置的能力來看，傳統(tǒng)流程中低溫甲醇洗的規(guī)模遠(yuǎn)高于優(yōu)化流程，其中低溫甲醇洗脫硫和低溫甲醇洗脫碳入口氣量分別高出50%和92%。因傳統(tǒng)流程中低溫甲醇洗入口氣為粗煤氣經(jīng)過部分變換后的變換氣，粗煤氣中的部分H2O參與了變換反應(yīng)，變成了CO和H2，有1摩爾的H2O參與反應(yīng)，就生成1摩爾的H2和CO2，粗煤氣中只有不參與變換反應(yīng)的H2O才會(huì)變成冷凝液被分離下來，而優(yōu)化流程中粗煤氣中的H2O在粗煤氣降溫的過程中幾乎都變成了冷凝液，這樣到低溫甲醇洗的脫硫氣氣量自然就低得多。另一方面，在優(yōu)化流程中，進(jìn)低溫甲醇洗脫碳的氣體為經(jīng)過直接甲烷化的氣體，而直接甲烷化發(fā)生的是體積縮小的反應(yīng)，每1摩爾的CO參與反應(yīng)，總氣體量就減少0.5摩爾，每1摩爾的H2參與反應(yīng)，總氣體量就減少0.5摩爾，這樣優(yōu)化流程的低溫甲醇洗脫碳規(guī)模便小得多。需要說明的是，優(yōu)化流程中，甲烷化裝置的規(guī)模略比傳統(tǒng)流程略大，因傳統(tǒng)流程的入口氣已在脫碳系統(tǒng)脫除了大部分的CO2。

2.3主要?jiǎng)恿ο谋容^

煤制天然氣裝置除煤氣化系統(tǒng)外的主要?jiǎng)恿ο臑榈蜏丶状枷幢鶛C(jī)、熱量回收系統(tǒng)的高壓鍋爐給水泵、甲烷化系統(tǒng)的循環(huán)氣壓縮機(jī)和天然氣壓縮系統(tǒng)的天然氣壓縮機(jī)。煤制天然氣傳統(tǒng)流程和優(yōu)化流程的主要?jiǎng)恿ο谋容^見表2。

表2　傳統(tǒng)流程和優(yōu)化流程的主要?jiǎng)恿ο谋容^　(kW)

對(duì)表2的主要?jiǎng)恿ο姆治鋈缦拢?/p>

(1)從低溫甲醇洗冰機(jī)的功率來看， 優(yōu)化流程可節(jié)約4490kW的功耗。因低溫甲醇洗脫硫脫碳工藝為純物理吸收法工藝，H2S、COS和CO2酸性氣在低溫甲醇中的平衡溶解度極大，溶劑甲醇的循環(huán)量主要與進(jìn)氣總氣量和壓力相關(guān)，脫碳工藝中，CO2氣體既是需要脫除的酸性氣體，其溶解吸收時(shí)會(huì)放熱，同時(shí)又扮演著減壓解析制冷的角色，為裝置獲得低溫。低溫甲醇洗入口氣中CO2的含量越高，壓力越高，其減壓解析制冷效果越明顯，裝置外供冷量消耗越低。優(yōu)化流程的入口氣量要低得多，氣體中CO2的含量又高，故其甲醇循環(huán)量減小，裝置運(yùn)行的水、電、汽消耗更低。

(2)從甲烷化系統(tǒng)循環(huán)氣壓縮機(jī)的功率來看，因優(yōu)化流程直接甲烷化入口氣與傳統(tǒng)流程間接甲烷化入口氣的氣體成分差異較大，要控制甲烷化的反應(yīng)溫度，傳統(tǒng)間接甲烷化的循環(huán)量將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于優(yōu)化直接甲烷化的循環(huán)量，故其循環(huán)氣壓縮機(jī)的功率要高近4000kW。

(3)從天然氣壓縮機(jī)的功率來看，優(yōu)化流程將變換反應(yīng)與甲烷化反應(yīng)合二為一，節(jié)省了變換系統(tǒng)和天然氣干燥系統(tǒng)，將天然氣壓縮機(jī)入口壓力提高了近0.6MPa，另一方面壓縮機(jī)入口氣為低溫甲醇洗脫碳出口氣，氣體溫度低且為干氣，故天然氣壓縮機(jī)的功率較直接甲烷化低了1708kW。

(4)從高壓鍋爐給水泵的功率來看，因優(yōu)化流程所產(chǎn)的高壓蒸汽略多，其動(dòng)力消耗也就略大。

綜合以上，優(yōu)化流程較傳統(tǒng)流程，其主要?jiǎng)恿ο募s節(jié)省10000kW。

2.4主要的公用工程消耗

煤制天然氣傳統(tǒng)流程和優(yōu)化流程的主要公用工程消耗包括蒸汽(高壓蒸汽、中壓蒸汽和低壓蒸汽)、循環(huán)冷卻水、冷凝液和電耗，見表3。

根據(jù)表3的主要公用工程消耗，優(yōu)化流程將變換與甲烷化集于一體，在副產(chǎn)高壓蒸汽上更有優(yōu)勢(shì)，而傳統(tǒng)流程的變換工序受熱端溫度的限制，僅能副產(chǎn)中壓蒸汽。優(yōu)化流程副產(chǎn)低壓蒸汽較多，原因是比較基準(zhǔn)中煤氣化采用激冷流程，在煤氣進(jìn)入低溫甲醇洗脫硫前，需進(jìn)行降溫處理，受粗煤氣溫度的限制，該部分熱源分級(jí)利用，先副產(chǎn)低壓蒸汽，再用于預(yù)熱脫鹽水。降溫分離出的工藝?yán)淠撼蜌饣到y(tǒng)洗滌煤氣外，其余送直接甲烷化系統(tǒng)，發(fā)生直接甲烷化反應(yīng)。在冷卻水的消耗上，優(yōu)化流程主要節(jié)省在低溫甲醇洗脫硫脫碳系統(tǒng)、天然氣壓縮和干燥系統(tǒng)。優(yōu)化流程輸出更少的透平/蒸汽冷凝液，主要原因在于其動(dòng)力消耗更省，壓縮機(jī)透平蒸汽消耗更低。

表3　煤制天然氣傳統(tǒng)流程和優(yōu)化流程的

備注：“-”表示輸出。

3煤制天然氣傳統(tǒng)流程和優(yōu)化流程的投資差異估算

為便于客觀地分析煤制天然氣裝置的經(jīng)濟(jì)性，本文對(duì)煤制天然氣優(yōu)化流程和傳統(tǒng)流程中有差異的系統(tǒng)進(jìn)行了投資差異的比較，結(jié)果見表4。

表4　煤制天然氣傳統(tǒng)流程和優(yōu)化流程的投資差異估算

通過表4的估算可知，基于以上的分析，初估煤制天然氣的傳統(tǒng)流程較優(yōu)化流程高出2.78億元的建設(shè)投資。

4經(jīng)濟(jì)性比較

對(duì)煤制天然氣裝置的傳統(tǒng)流程和優(yōu)化流程進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性比較，結(jié)果見表5。

表5　煤制天然氣傳統(tǒng)流程和優(yōu)化流程的經(jīng)濟(jì)性比較

注：(1)以上為靜態(tài)成本，投資成本分?jǐn)偟?5年。

(2)以上成本不包括催化劑的消耗等運(yùn)行成本。

(3)以上成本不包括人工費(fèi)、財(cái)務(wù)費(fèi)用、管理費(fèi)、維修費(fèi)、銷售費(fèi)及其它制造費(fèi)用等。

從表5的運(yùn)行成本可以看出，對(duì)于年產(chǎn)10億m3的煤制天然氣裝置，優(yōu)化流程較傳統(tǒng)流程每小時(shí)可減少16000元的運(yùn)行費(fèi)用，每年可節(jié)省1.28億元的成本，折合每方天然氣將降低0.13元的成本，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。

5結(jié)語(yǔ)

綜上所述，直接甲烷化是一種較優(yōu)的煤制天然氣路線，較傳統(tǒng)流程有如下優(yōu)勢(shì)：

(1)可以節(jié)省變換系統(tǒng)和天然氣干燥系統(tǒng)。

(2)系統(tǒng)的阻力降可以低約0.6MPa。

(3)需要的低溫甲醇洗脫硫脫碳系統(tǒng)的能力更小。

(4)煤制氣裝置總投資可節(jié)省近3億元。

(5)主要?jiǎng)恿ο目梢怨?jié)省約10000kW功率。

(6)每方天然氣將降低0.13元的成本，對(duì)于年產(chǎn)20億m3準(zhǔn)入規(guī)模的煤制天然氣裝置，每年可節(jié)省2.56億元的成本，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。

需要說明的是，若開發(fā)出了耐硫直接甲烷化催化劑，煤制天然氣的流程將會(huì)更加優(yōu)化。

(收稿日期2016-01-14)

*周芳：高級(jí)工程師，全國(guó)注冊(cè)化工工程師。2004年畢業(yè)于四川大學(xué)化學(xué)工程專業(yè)獲碩士學(xué)位。主要從事天然氣化工和煤化工工藝設(shè)計(jì)工作。聯(lián)系電話：(028)65530912，E-mail：zhoufang@chengda.com.