當(dāng)前天然氣制甲醇裝置能耗問題分析

司穩(wěn)琴(甘肅能源化工職業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000)

0 引言

隨著石油的衍生品出現(xiàn)在人們生活的方方面面，對人們的生活習(xí)慣和生活方式造成了巨大的影響。石油的發(fā)現(xiàn)與使用改變了人類社會的能源結(jié)構(gòu)，直到現(xiàn)在，石油依然是人類社會最重要的能源之一，但是對于現(xiàn)在的人類社會來說，石油還屬于不可再生資源，其開采和使用的過程不可逆轉(zhuǎn)，具有一次性的特性。全球石油資源儲量的有限性使得其在人們長久的開采利用之后正在逐漸枯竭，而天然氣由于其無污染和儲量豐富的特性，在當(dāng)今社會中廣泛的運(yùn)用于各種場景。自天然氣制甲醇工藝實(shí)現(xiàn)以來，我國便積極地對其展開了研究，但是始終與國外有著差距，因此想辦法提升天然氣制甲醇的工藝，關(guān)系到我國的化工實(shí)力。

1 甲醇的運(yùn)用環(huán)境和需求現(xiàn)狀

作為天然氣化工的主要生成物之一的甲醇，用途廣泛，不但可以作為一種燃料，且更是一種基礎(chǔ)的化工原料。當(dāng)將甲醇作為燃料時，通過與汽油混合，可以生產(chǎn)出M15、M30 等多種車輛使用燃料，也可以用作船舶和鍋爐的燃料。當(dāng)將甲醇作為基礎(chǔ)的化工原料時，不但可以用來生產(chǎn)甲醛、二甲醚等傳統(tǒng)的生成物，還可以通過裂解工藝生產(chǎn)烯烴。目前甲醇的合成工藝已經(jīng)較為成熟，將天然氣制成甲醇，在提高甲醇產(chǎn)量的同時，還能夠提升天然氣資源的價值。與用煤炭制作甲醇相比，天然氣制甲醇的能耗更低，污染更小，因此在世界上被廣泛的運(yùn)用。中國是甲醇的重要消耗國。自2009 年起，隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，除了對甲醇傳統(tǒng)生成物的需求在持續(xù)增長以外，由于甲醇作為燃料被添加到汽油中，并隨著甲醇汽油種類的增加和甲醇汽油的廣泛使用，中國對甲醇的需求正在逐年增長。由于甲醇在醫(yī)藥，農(nóng)藥等行業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，特別是醫(yī)藥中間體對甲醇的需求量極大，在天然氣制甲醇工藝出現(xiàn)之后，我國便積極開展了對天然氣制甲醇的技術(shù)研究，并取得了不小的突破，但是由于其發(fā)展時間和研究理念的限制性，始終與國外的技術(shù)有著差距，降低了產(chǎn)品競爭力，這種差距產(chǎn)生的競爭力影響妨礙了我國化工行業(yè)的發(fā)展。

2 天然氣制甲醛能耗來源分析

天然氣制甲醇的過程中需要消耗大量的能源，能量主要是來自天然氣、水電和蒸汽等，主要消耗的是天然氣所產(chǎn)生的能量。當(dāng)前天然氣制甲醇的工藝已經(jīng)能夠保障較高的甲烷轉(zhuǎn)化效率，想要對天然氣制甲醇的工藝進(jìn)行提升，其難度較高，意義也不大，因此，降低天然氣制甲醇的成本只能夠從減少能耗上著手。

為了減少天然氣制甲醇的能量損耗，需要降低裝置對于燃料的消耗，提高甲醇的產(chǎn)量和質(zhì)量。根據(jù)某個團(tuán)隊(duì)對天然氣制甲醇工藝流程過程中各項(xiàng)資源的能耗計算結(jié)果來看，在天然氣制甲醇的過程中，作為燃料使用的天然氣占據(jù)了總用量的三分之一，在總共使用了8200 萬Nm3天然氣的情況下，作為燃料使用的天然氣便達(dá)到了3400 萬Nm3，在天然氣使用量中排第二。天然氣制甲醇的過程中還需要使用非常多的冷卻水，其冷取水的用量每年能達(dá)到13000 萬m3，除此之外，每年還需要使用大量的空氣資源。在整個天然氣制甲醇的過程中，燃料的消耗對其運(yùn)行有著極大的意義，通過對天然氣進(jìn)行燃燒產(chǎn)生的熱量，推動了整個流程的進(jìn)行。

3 天然氣制甲醇主要工藝流程

天然氣制甲醇裝置主要分為幾個部分，即：天然氣原料的脫硫裝置、合成氣的生成裝置、轉(zhuǎn)化為甲醇的裝置、轉(zhuǎn)化為甲醇后的精餾裝置、蒸汽系統(tǒng)、中間交流罐區(qū)、火炬系統(tǒng)。

3.1 天然氣原料的脫硫裝置

天然氣在進(jìn)入進(jìn)界區(qū)之后，通過使用壓力調(diào)節(jié)的方式，使得天然氣在入口分離器的作用下，實(shí)現(xiàn)油水和提純天然氣的分離，最后在提純后的天然氣中加入符合流量的PSA 單元的氫氣。

首先將脫硫中間轉(zhuǎn)換器預(yù)熱到需要的溫度，再將加完氫氣的提純天然氣導(dǎo)入其中使得其提高到指定溫度，最后將加熱后的氣體導(dǎo)入到脫硫預(yù)熱管盤，實(shí)現(xiàn)天然氣原料的脫硫處理。在天然氣原料中，往往含有著較為微量的有機(jī)物，對于這些微量的有機(jī)物，我們需要將其進(jìn)行氫化反應(yīng)以使其氫化，因此，在天然氣制甲醇工藝中，首先要進(jìn)行的便是將天然氣原料導(dǎo)入到加氫反應(yīng)器，在Ni-Mo 加氫催化劑的催化作用下，實(shí)現(xiàn)有機(jī)物的氫化處理。

在加氫反應(yīng)器中完成氫化處理后的氣體，需要導(dǎo)入氧化鋅脫硫槽進(jìn)行脫硫反應(yīng)，去除天然氣原料在氫化反應(yīng)后中被氫化的硫元素。而想要提高工藝流程的整個裝置的運(yùn)行可靠性，可以將兩個氧化鋅脫硫槽進(jìn)行串聯(lián)，這種操作主要是可以實(shí)現(xiàn)脫硫劑的在線更換，在串聯(lián)中某一個氧化鋅脫硫槽于脫硫反應(yīng)中達(dá)到飽和時，可以將該副線與主流程進(jìn)行裝置進(jìn)行暫時性的隔離，在不中斷整個工藝流程進(jìn)行的前提下，實(shí)現(xiàn)脫硫劑的更換。而在預(yù)轉(zhuǎn)化的過程中，想要使得脫硫效果達(dá)到預(yù)期，還需要在氧化鋅脫硫槽后面加上超精脫硫槽，在將其串聯(lián)之后，使得天然氣原料中所含有的硫元素含量降低到CRG 轉(zhuǎn)化率能夠接受的程度，以保障整個流程的進(jìn)行和整個裝置運(yùn)行的可靠性。

3.2 對于合成氣的制備流程

在將天然氣原料進(jìn)行脫硫處理之后，將脫硫氣體導(dǎo)入到脫硫中間換熱器中，實(shí)現(xiàn)脫硫前后氣體的熱交換，實(shí)現(xiàn)熱量的短循環(huán)，然后將其導(dǎo)入到反應(yīng)流程裝置的飽和塔之中，使得換熱后的氣體直接與工藝含醇水和工藝?yán)淠合嘟佑|，提高換熱后的天然氣原料處理氣體的蒸汽飽和度，在這個過程中，通過精餾處理后得到的雜醇油也重新返回到飽和塔之中，使其與換熱后的天然氣原料處理氣體相交雜。在飽和塔的地步，存在著大量的未經(jīng)融入的含醇水和工藝?yán)淠海鵀榱颂岣咂涫褂眯Ч?，通常這些未經(jīng)融入的含醇水和工藝?yán)淠簳?jīng)由飽和塔的循環(huán)水泵進(jìn)行加壓，并在循環(huán)水加熱器用蒸汽加熱的情況下，再次進(jìn)入飽和塔以提升換熱后的天然氣原料處理氣體的蒸汽飽和度。而少量的未經(jīng)融入的含醇水和工藝?yán)淠河捎谂c鍋爐排污水相混合，損失了其可利用能力，只能在排污冷卻器進(jìn)行脫熱處理后導(dǎo)入污水處理的裝置。

在經(jīng)由飽和塔內(nèi)提升蒸汽飽和度之后，在其氣體出口也加入了一定量的水蒸氣使其融入其中，然后在將提升了蒸汽飽和度的氣體導(dǎo)入加熱盤進(jìn)行再次加熱后，導(dǎo)入預(yù)轉(zhuǎn)化爐中對其所含有的高級烴和甲烷進(jìn)行對應(yīng)的轉(zhuǎn)化反應(yīng)，以降低轉(zhuǎn)化爐的壓力，從而使得轉(zhuǎn)化爐的規(guī)模大大降低，節(jié)省不必要的支出。

在預(yù)轉(zhuǎn)化爐進(jìn)行相關(guān)的反應(yīng)之后，剩余的氣體在預(yù)轉(zhuǎn)化爐的出口加入工藝蒸汽，以達(dá)到2.71 的水碳比，最后將添加了工藝蒸汽的氣體導(dǎo)入到預(yù)轉(zhuǎn)化器預(yù)熱盤管中將其溫度加熱到指定的溫度后，導(dǎo)入到蒸汽轉(zhuǎn)化爐內(nèi)?，F(xiàn)有的蒸汽轉(zhuǎn)化爐主要是頂燒式方箱爐，其內(nèi)部的轉(zhuǎn)化管以豎向排列的方式進(jìn)行放置，并在管內(nèi)加入催化劑，在保證其轉(zhuǎn)化反應(yīng)的能量問題后，使得天然氣與蒸汽進(jìn)行反應(yīng)，并得到相關(guān)的產(chǎn)物。

4 天然氣制甲醛降低能耗的方式

4.1 提升裝置運(yùn)行效率

天然氣制甲醇裝置中的變壓吸附裝置，其是否正常運(yùn)行對甲醇的產(chǎn)量和質(zhì)量都有著較大的影響。該裝置主要是用于天然氣的除雜，通過對原料中含有的甲醇、一氧化碳、氮?dú)獾鹊娜コ蜌錃獾幕厥?，提升天然氣的純度，從而提高轉(zhuǎn)化的效率。一般來說天然氣中甲醇的含量十分低，如果不對天然氣原料中的雜質(zhì)進(jìn)行去除，會影響裝置中氣體的氫碳含量，而對天然氣原料中的氫氣進(jìn)行回收有利于降低生產(chǎn)成本，在提高天然氣原料的利用率的同時，提升甲醇的產(chǎn)量和質(zhì)量。因此，想要保障生產(chǎn)出的甲醇的產(chǎn)量和質(zhì)量，需要保證變壓吸附裝置的正常運(yùn)行，從而保障整個工藝流程的進(jìn)行，只有在保證變壓吸附裝置正常運(yùn)行的情況下，才能夠保障和提升天然氣制甲醇裝置的工作效率，以使得裝置的使用能夠獲得最大的利益。變壓吸附裝置的有效運(yùn)行，能夠間接的降低能源消耗，減少制甲醇過程中對環(huán)境的污染。

4.2 提升轉(zhuǎn)化爐的熱效率

天然氣制甲醇裝置中，蒸汽轉(zhuǎn)化爐十分重要，在整個天然氣制甲醇的流程中，其對于能量的消耗是最大的。在對轉(zhuǎn)化率是否先進(jìn)的評判中，熱效率是最重要的參考，與能源消耗量息息相關(guān)，因此，想要減少天然氣制甲醇工藝流程中對于能源的消耗，節(jié)約天然氣制甲醇的生產(chǎn)成本，提升轉(zhuǎn)化爐的熱效率就顯得尤為關(guān)鍵。而想要提升轉(zhuǎn)化爐的熱效率，最為重要的措施便是平衡管排溫差，并按照一定的時間規(guī)律對裝置的窺視孔進(jìn)行檢查，看是否已經(jīng)對齊關(guān)嚴(yán)窺視孔，防止其出現(xiàn)沒有關(guān)嚴(yán)降低轉(zhuǎn)化爐熱效率的現(xiàn)象，同時還需要提高氣燃?xì)夂偷蜌馊細(xì)獾目伎碎y，并保證風(fēng)門擋板處在合適的位置。熱效率還會影響管排溫差，降低對蒸汽管網(wǎng)管路的平衡控制，因此，想要減少資源消耗，降低甲醇的生產(chǎn)成本，需要控制蒸汽管網(wǎng)管路內(nèi)的溫差平衡，提高裝置效率，并降低資源的消耗，從而提升整個工藝的經(jīng)濟(jì)效益。

4.3 提高蒸汽利用率

蒸汽的供應(yīng)問題在工業(yè)生產(chǎn)過程中十分常見，其是否正常運(yùn)行，對于整個工藝流程的運(yùn)作有著極大的影響。天然氣制甲醇裝置在運(yùn)作過程中，如果蒸汽的供應(yīng)出現(xiàn)了問題，那么就算蒸汽管網(wǎng)依然可以正常的運(yùn)行，也會使得整個工藝流程出現(xiàn)癱瘓狀態(tài)。想要提高蒸汽的利用率，避免或減少蒸汽的供應(yīng)問題，需要提高蒸汽管網(wǎng)管路的承壓能力，并根據(jù)實(shí)際情況合理的減少蒸汽管網(wǎng)管路中流體的壓力，從而有效地減少被壓，緩解壓力流失問題。另外，相關(guān)研究的結(jié)果表明，在天然氣制甲醇裝置中減少對中壓蒸汽的使用量，不但可以減少對蒸汽資源的消耗，并且在逐漸升溫的過程中，其蒸汽的能耗也逐漸降低，因此，想要降低蒸汽的能耗，提高蒸汽利用率，需要適當(dāng)?shù)奶岣哒羝臏囟?。另外，在天然氣制甲醇裝置的運(yùn)行過程中，適當(dāng)降低蒸氣渦輪的轉(zhuǎn)速，可以提高整個裝置的安全性和使用可靠性。

5 結(jié)語

從改革開放到現(xiàn)在，我國的經(jīng)濟(jì)始終保持著增長態(tài)勢，經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展促進(jìn)了人們生活水平的提高，從而使得人們對于化工產(chǎn)品的需求逐漸增加。為了更好滿足人們?nèi)粘Ｉ詈蜕鐣l(fā)展的需求，提升和改進(jìn)現(xiàn)有的化工工藝十分關(guān)鍵。而天然氣作為繼煤炭、石油后的又一種化石能源，相較于其他能源，有著清潔無污染的特性，到目前為止，對天然氣的利用時間尚短，雖然其有著巨大的儲量，但為了提高使用效率，有效地進(jìn)行資源的利用，減少浪費(fèi)，提升天然氣資源的價值，對降低天然氣制甲醇能耗的分析便有著巨大的意義，而想要降低天然氣制甲醇的能耗，便需要提升天然氣制甲醇裝置的運(yùn)行效率和提高轉(zhuǎn)化爐的熱效率，并對提高蒸汽的利用率，從而降低天然氣制甲醇裝置的使用成本，節(jié)約能源的同時，提升競爭力。