典型甲烷化工藝技術(shù)的綜合能耗分析

路廷 郭波

摘要：文章針對(duì)當(dāng)前主流的甲烷化技術(shù)進(jìn)行介紹，對(duì)兩種技術(shù)在余熱回收、綜合性能耗等方面對(duì)比分析。甲烷化是煤制天然氣流程中最主要的環(huán)節(jié)，工藝技術(shù)的選擇是煤制天然氣項(xiàng)目建設(shè)的重點(diǎn)。目前國(guó)際上流行且被商業(yè)化的托普索TREMP、戴維CRG甲烷技術(shù)，文章對(duì)這兩種技術(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，綜合計(jì)算，對(duì)比能耗為甲烷化工藝技術(shù)的運(yùn)用提供借鑒參考。在當(dāng)前的背景下重視技術(shù)創(chuàng)新、能源節(jié)約已經(jīng)成為趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：甲烷化;余熱回收;綜合能耗;分析

天然氣是一種清潔能源，具備高效無(wú)污染的特征，并且在現(xiàn)代能源需求供應(yīng)不足的背景下受到重視，當(dāng)前各個(gè)地方政府正在積極推進(jìn)煤改氣工程，通過(guò)政府 引導(dǎo)以及政策響應(yīng)等方式來(lái)降低煤燃燒帶來(lái)的污染。最近幾年國(guó)內(nèi)對(duì)天然氣的需求與日俱增，因此我國(guó)還需要從國(guó)外引進(jìn)天然氣，過(guò)程復(fù)雜的同時(shí)很被動(dòng)。因此我國(guó)在積極根據(jù)“缺油、少氣、富煤”的現(xiàn)狀積極調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，發(fā)展煤制天然氣來(lái)實(shí)現(xiàn)煤的轉(zhuǎn)化，降低成本以及實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)略技術(shù)儲(chǔ)備。

1. 對(duì)甲烷化技術(shù)的認(rèn)識(shí)

甲烷化是將原料當(dāng)中的CO、CO2、H2等通過(guò)甲烷化反應(yīng)來(lái)生成甲烷。主要過(guò)程是甲烷在催化劑作用下放熱、體積縮小的一個(gè)過(guò)程。反應(yīng)放出熱量取決于原料氣內(nèi)含有的CO量，每當(dāng)有1% 的CO轉(zhuǎn)化為CH4， 氣體絕熱升溫就可以達(dá)到60～70℃左右。明顯的大量放熱現(xiàn)象不僅讓反應(yīng)床溫度快速升高，甚至?xí)霈F(xiàn)明顯的催化劑失活現(xiàn)象;在高溫作用下反應(yīng)床升溫快還會(huì)導(dǎo)致甲烷化反應(yīng)受到熱力學(xué)平衡限制，從而降低反應(yīng)轉(zhuǎn)化率。因此生產(chǎn)煤制天然氣的過(guò)程當(dāng)中控制反應(yīng)床溫度成為工藝技術(shù)難點(diǎn)。目前各種商業(yè)化運(yùn)行的完全甲烷化工藝的不同之處也在于不同研究人員致力于使用不同的方式來(lái)控制反應(yīng)床的溫度。其中最常見(jiàn)的工藝也是反應(yīng)床溫度控制手段，通過(guò)循環(huán)部分反應(yīng)器出口合成氣抵達(dá)反應(yīng)器入口之后，稀釋反應(yīng)器入口原料氣當(dāng)中的CO，被稀釋之后甲烷化反應(yīng)的升溫現(xiàn)象得到有效的控制，同時(shí)為了減少大量氣體循環(huán)對(duì)工藝造成影響，降低設(shè)備投資、設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用等。典型系統(tǒng)當(dāng)中又存在能夠通過(guò)氣體分流的技術(shù)，對(duì)經(jīng)典甲烷化工藝流程起到優(yōu)化作用。

甲烷化工藝流程主要包括三個(gè)部分，分別是凈化氣體、主甲烷化段、補(bǔ)充甲烷化段，不同部分功能與操作工藝都存在不同：①凈化氣體階段主要功能就是將對(duì)甲烷化催化劑有毒的物質(zhì)清除干凈，比如硫等;②主甲烷化段階段，在這個(gè)階段內(nèi)超過(guò)90%的CO與H2均會(huì)被轉(zhuǎn)化成為CH4與水。因?yàn)榧淄榛磻?yīng)的過(guò)程主要是強(qiáng)烈放熱，通過(guò)循環(huán)部分的反應(yīng)器出口合成氣到反應(yīng)器入口，該環(huán)節(jié)可以保證甲烷化反應(yīng)不會(huì)出現(xiàn)劇烈的溫度變化;③補(bǔ)充甲烷化段，根據(jù)原料氣的成分、生產(chǎn)產(chǎn)品的要求等，降低反應(yīng)溫度、反應(yīng)器中的含水量。主要的目的是幫助反應(yīng)向生成物快速生成，從而獲得更高濃度的CH4、煤制天然氣產(chǎn)品[1]。

2. 經(jīng)典甲烷化工藝

2.1 托普索TREMP甲烷化工藝

該公司開(kāi)發(fā)甲烷化工藝技術(shù)，使用專(zhuān)利催化劑，該催化劑的適用溫度范圍為250℃～700℃，在該范圍內(nèi)均可以保持活性，整個(gè)甲烷化裝置設(shè)置段數(shù)可以根據(jù)反應(yīng)需求來(lái)進(jìn)行具體調(diào)節(jié)，主反應(yīng)器出口設(shè)置中壓廢鍋、高壓廢鍋均可，通過(guò)過(guò)熱器將蒸汽進(jìn)行加熱，之后將其輸送到全廠(chǎng)的蒸汽管網(wǎng)當(dāng)中，利用部分氣體的循環(huán)來(lái)控制反應(yīng)器溫度。根據(jù)催化劑能夠在高溫狀態(tài)下發(fā)生反應(yīng)的性能來(lái)降低能耗，該催化劑也可以在高溫狀態(tài)下降低循環(huán)氣量。托普索TREMP甲烷化工藝使用的優(yōu)勢(shì)在于：①能夠產(chǎn)出高壓、中壓過(guò)熱蒸汽來(lái)驅(qū)動(dòng)大型壓縮機(jī)，能量利用率、消耗率都非常高;②熱回收率非常高，從理論上得到相關(guān)結(jié)論，該工藝的熱回收率可以達(dá)到84%，可通過(guò)副產(chǎn)品加熱、預(yù)熱鍋爐給水、預(yù)熱除鹽水等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)余熱的回收;③ 使用GCC調(diào)節(jié)來(lái)降低主甲烷化反應(yīng)器內(nèi)的CO含量，控制反應(yīng)器超溫的現(xiàn)象，將其系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)氣的流量，從而進(jìn)一步降低循環(huán)氣壓縮機(jī)的功耗;④生成產(chǎn)品的品質(zhì)優(yōu)良，其中甲烷含量高達(dá)94%～97%。高位熱值8900～9100kcal/Nm3，產(chǎn)品中僅含有部分其它組分。

2.2 戴維CRG甲烷化工藝

CRG技術(shù)最早由英國(guó)提出，英國(guó)BC公司在70年代初期開(kāi)發(fā)并且運(yùn)用，該技術(shù)是將容易獲取的液體餾分作為原料，生產(chǎn)低熱值城市煤氣的工藝。在20世紀(jì)70年代、80年代初期，BC公司將研發(fā)精力集中在煤氣化方面，同時(shí)研發(fā)出熔渣氣化爐，即BGL爐，在開(kāi)發(fā)當(dāng)中CRG催化劑工藝作為BGL爐的一部分被開(kāi)發(fā)與運(yùn)用，在運(yùn)用過(guò)程中將來(lái)自氣化爐的含有大量氫氣、一氧化碳的氣體來(lái)進(jìn)行大量甲烷化工藝。2008年我國(guó)大唐克旗煤制天然氣項(xiàng)目與戴維公司簽訂轉(zhuǎn)讓合同，該項(xiàng)目使用戴維的CRG甲烷化工藝生成煤制天然氣，總共分為三個(gè)規(guī)模系列，單系列生產(chǎn)煤制天然氣規(guī)模達(dá)到13.3億。

戴維CRG甲烷化工藝的特征：①可以副產(chǎn)高壓、中壓蒸汽，可以驅(qū)動(dòng)大型壓縮機(jī)，能量利用效率高;②熱回收效率高，從理論上分析約有84%的工藝余熱，在副產(chǎn)過(guò)熱蒸汽、預(yù)熱鍋爐給水、預(yù)熱除鹽水當(dāng)中呈現(xiàn)出來(lái);③回收天然氣品質(zhì)高，其中的甲烷回收量為94%～97%，產(chǎn)品當(dāng)中其他組分比較少[2]。

3. 甲烷化工藝比較分析

3.1 工藝流程比較

托普索TREMP甲烷化工藝生產(chǎn)中規(guī)增加了GCC調(diào)解反應(yīng)器，原料氣在GCC調(diào)解反應(yīng)器的作用下通過(guò)CO變化反應(yīng)降低了原氣當(dāng)中含有的CO量，該形式可以避免主甲烷化反應(yīng)器超溫，同時(shí)也可以降低循環(huán)氣量，減少系統(tǒng)內(nèi)壓縮機(jī)的功耗;另一方面GCC反應(yīng)器當(dāng)中通過(guò)CO變換反應(yīng)熱來(lái)實(shí)現(xiàn)氣體加熱，達(dá)到甲烷化反應(yīng)的起活溫度。

戴維CRG甲烷化工藝高與托普索TREMP甲烷化工藝相比溫度更高，高的出口溫度降低了循環(huán)氣壓縮機(jī)的功耗。

3.2 余熱回收比較

托普索TREMP甲烷化工藝使用廢鍋、過(guò)熱器等來(lái)組合成的熱回收系統(tǒng)。主甲烷化反應(yīng)器來(lái)的高溫合成氣進(jìn)入到廢鍋之后，與水進(jìn)行換熱，生產(chǎn)出中壓飽和蒸汽，進(jìn)入內(nèi)部部件之后未經(jīng)蒸發(fā)的水再經(jīng)過(guò)下降管回到廢熱鍋爐當(dāng)中，形成自然循環(huán)的狀態(tài)。同時(shí)來(lái)自另外一個(gè)的反應(yīng)器內(nèi)的高溫合成器分為兩股，一股進(jìn)入到廢鍋產(chǎn)中飽和蒸汽;另外一股送至蒸汽過(guò)熱器加熱中壓飽和蒸汽之后，過(guò)熱蒸汽送往全廠(chǎng)蒸汽管網(wǎng)[3]。

戴維CRG甲烷化工藝較前者相比，CRG送出的副產(chǎn)蒸汽溫度更高。在余熱回收方面，TREMP的甲烷化工藝小于CRG甲烷化工藝技術(shù)。

3.3 綜合能耗

甲烷化裝置當(dāng)中主要能耗是循環(huán)氣壓縮機(jī)，這是裝置運(yùn)行的最主要成本。托普索的TREMP甲烷化技術(shù)循環(huán)氣壓縮機(jī)消耗小于戴維CRG技術(shù)，同時(shí)托普索的TREMP增加了GCC調(diào)節(jié)反應(yīng)器。針對(duì)具體項(xiàng)目，應(yīng)綜合考慮消耗與投資。

結(jié)束語(yǔ)：

綜上，兩者在甲烷化技術(shù)工藝中并無(wú)根本性區(qū)別，在消耗、余熱回收、裝置能耗方面都比較接近，同時(shí)兩項(xiàng)技術(shù)均已商業(yè)化。在具體運(yùn)用過(guò)程中還應(yīng)該充分考慮投資、催化劑消耗等方面。

參考文獻(xiàn)：

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[2]楊言江. 一種新的煤制天然氣工藝能源轉(zhuǎn)化效率計(jì)算方法及應(yīng)用[J]. 化工管理， 2020， 000（015）：172-175.

[3]王賢聰， 江健榮， 馮霄，等. 不同凈化工藝下氧氣純度對(duì)合成氨流程能耗的影響[J]. 高?；瘜W(xué)工程學(xué)報(bào)， 2019， 033（006）：1465-1472.

作者簡(jiǎn)介：路廷（1989-07），性別：男，民族：漢族，籍貫：山西晉城，職稱(chēng)：初級(jí)助理工程師，學(xué)歷：大專(zhuān)，單位：河南晉煤天慶煤化工有限責(zé)任公司，單位所在省市郵編：河南沁陽(yáng)454550

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