周明燦

重慶化工設(shè)計研究院　重慶　400039

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設(shè)計

變換甲烷化一體化煤制天然氣工藝探討

周明燦*

重慶化工設(shè)計研究院重慶400039

摘要介紹我國能源資源結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、天然氣利用現(xiàn)狀和趨勢、現(xiàn)有煤制天然氣工藝；提出變換甲烷化一體化的煤制天然氣工藝路線，并與現(xiàn)有煤制天然氣工藝在全廠設(shè)置、運(yùn)行成本方面進(jìn)行比較，分析變換甲烷化一體化工藝的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞變換一體化煤制天然氣工藝

我國是一個富煤、貧油、少氣的國家。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化的推進(jìn)，天然氣消費(fèi)量已迎來快速增長期。適度發(fā)展煤制天然氣，可以有效增加國內(nèi)天然氣供給，降低對外依存度，提高國家能源安全保障。目前，已建成的大型煤制天然氣項(xiàng)目建設(shè)投資較高，裝置運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性較差；要提高煤制天然氣裝置的經(jīng)濟(jì)效益，需要對工藝路線進(jìn)行不斷的創(chuàng)新和改進(jìn)，以降低裝置投資和運(yùn)行消耗。

1國內(nèi)煤、油、氣資源現(xiàn)狀

我國化石能源總量中絕大部分為煤炭資源，石油和天然氣所占比例低，石油、天然氣儲量與國土面積及人口基數(shù)極度不匹配；截止2012年底，我國天然氣、石油、煤炭能源探明儲量分別為3.1萬億立方米、2.4億噸、1145億噸，占全球的比例分別為1.66%、1.02%、13.3%[1]。

天然氣是一種優(yōu)質(zhì)、高效、清潔的低碳能源，加快天然氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展，提高天然氣在能源消費(fèi)中的比重，對我國調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、改善環(huán)境空氣質(zhì)量具有重要意義。經(jīng)過近幾年國家的規(guī)劃與發(fā)展，全國天然氣基干管網(wǎng)架構(gòu)逐步形成，基本構(gòu)建了“西氣東輸、北氣南下、海氣登陸”的天然氣供氣格局。經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展、城鎮(zhèn)化的推進(jìn)以及能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的調(diào)整使燃?xì)庀M(fèi)量逐年增加，自2013年以來，我國已成為世界第三大天然氣消費(fèi)國。據(jù)統(tǒng)計，2013年我國天然氣表觀消費(fèi)達(dá)到1676億立方米，2014年達(dá)到1830億立方米，天然氣的對外依存度超過了30%。為達(dá)到通過價格刺激天然氣的生產(chǎn)和供應(yīng)的目的，還原天然氣的商品屬性，2013年7月，天然氣價格改革在全國范圍內(nèi)推廣，價格出現(xiàn)了較大幅度上漲。為保證天然氣的供應(yīng)，國家加大了天然氣的開采和供應(yīng)力度，同時在全球加強(qiáng)能源合作，以增加油氣資源供應(yīng)，但天然氣供應(yīng)不足的現(xiàn)狀無法在短時間內(nèi)得到根本改變，為緩解天然氣的供需矛盾，在煤炭資源豐富地區(qū)，適度發(fā)展煤制天然氣符合我國能源結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)調(diào)整的需要。

2現(xiàn)有煤制天然氣工藝路線

現(xiàn)有煤制天然氣全廠工藝流程見圖1，主要工藝裝置包含煤造氣、CO變換、酸性氣體脫除、甲烷合成、天然氣壓縮及天然氣干燥。

圖1　現(xiàn)有煤制天然氣全廠工藝流程框圖

煤造氣裝置的工藝目的是將原料煤在氣化劑的作用下進(jìn)行氣化處理生產(chǎn)富含CO、H2的粗合成氣，煤造氣裝置可以根據(jù)原料煤的特性等因素選擇多種氣化工藝；CO變換裝置的工藝目的是通過CO變換反應(yīng)調(diào)節(jié)粗合成氣中H2與CO的比例，使其滿足甲烷合成對H2與CO比例的要求，通常采用耐硫?qū)挏刈儞Q工藝；酸性氣體脫除裝置的工藝目的是脫除變換氣中的H2S、COS、多余的CO2等雜質(zhì)，對變換氣進(jìn)行凈化處理，滿足甲烷合成的要求，通常采用低溫甲醇洗工藝；甲烷合成裝置是將凈化合成氣中的CO以及少量的CO2與H2反應(yīng)生成CH4，是天然氣的反應(yīng)生成裝置，一般使用鎳基催化劑，采用部分氣體循環(huán)的多段絕熱反應(yīng)工藝；天然氣壓縮及天然氣干燥是將甲烷合成單元生成的甲烷氣體進(jìn)行壓縮及干燥處理，以滿足天然氣輸送的要求，一般采用多級離心壓縮，干燥采用三甘醇脫水工藝。

粗煤氣經(jīng)過CO變換處理高溫變換氣冷卻至低溫后進(jìn)行酸性氣體脫除處理，脫除酸性氣體的低溫凈化氣又加熱至高溫后進(jìn)行甲烷化反應(yīng)，甲烷化反應(yīng)生成的高溫天然氣再冷卻進(jìn)行壓縮及干燥處理，整個工藝流程存在“冷熱病”問題，導(dǎo)致全流程換熱設(shè)備增多，運(yùn)行能耗增加。粗煤氣的CO變換反應(yīng)需要消耗水蒸氣，且用于推動反應(yīng)平衡的大量水蒸氣最終通過冷凝處理以工藝?yán)淠旱男问脚懦觯淄楹铣煞磻?yīng)生成的大量氣態(tài)水也只能通過冷凝處理以工藝?yán)淠旱男问脚懦?，全廠工藝?yán)淠号欧帕看螅淠O(shè)備投資大。雖然工藝?yán)淠嚎梢越?jīng)過汽提處理后返回系統(tǒng)循環(huán)使用，但處理大量工藝?yán)淠簩⒃黾友b置建設(shè)投資及運(yùn)行成本。

3變換甲烷化一體化的煤制天然氣工藝路線

為降低煤制天然氣的建設(shè)投資及運(yùn)行能耗，提高裝置的經(jīng)濟(jì)性，現(xiàn)提出一種變換甲烷化一體化煤制天然氣的工藝路線，其流程見圖2。主要工藝裝置僅需要煤造氣、變換甲烷化、酸性氣體脫除、天然氣壓縮，比現(xiàn)有工藝路線的流程簡化。

圖2　變換甲烷化一體化煤制天然氣全廠工藝流程框圖

變換甲烷化一體化煤制天然氣工藝路線的煤造氣裝置與現(xiàn)有煤制天然氣工藝路線完全一致，但后續(xù)裝置有所不同。變換甲烷化裝置需要進(jìn)行CO變換反應(yīng)和甲烷合成反應(yīng)；酸性氣體脫除裝置雖然同樣是脫除工藝氣中的酸性氣體，也采用低溫甲醇洗工藝，但處理的工藝氣氣量及組成發(fā)生了變化；天然氣壓縮單元的進(jìn)氣條件也發(fā)生了變化。

從全廠分區(qū)及換熱分析來看，變換甲烷化一體化煤制天然氣工藝路線的功能分區(qū)和溫度分區(qū)非常清晰，不存在“冷熱病”問題。煤造氣及變換甲烷化裝置為化學(xué)反應(yīng)區(qū)、高溫區(qū)，酸性氣體脫除及天然氣壓縮為物理處理區(qū)、低溫區(qū)。整個工藝路線呈現(xiàn)流程簡單，結(jié)構(gòu)清晰的特點(diǎn)，換熱設(shè)備投資及裝置運(yùn)行能耗也大幅降低。

從化學(xué)反應(yīng)物料平衡及反應(yīng)熱力學(xué)平衡來看，將CO變換反應(yīng)與甲烷合成反應(yīng)進(jìn)行耦合，既可以降低裝置蒸汽消耗，又減少工藝?yán)淠旱男纬?，也有利于推動甲烷合成反?yīng)平衡。甲烷合成反應(yīng)生成的H2O可以直接用于CO變換反應(yīng)，減少了CO變換反應(yīng)的外供蒸汽消耗；CO變換反應(yīng)消耗甲烷合成反應(yīng)生成的H2O又有利于推動甲烷合成的反應(yīng)平衡；甲烷化反應(yīng)消耗CO變換反應(yīng)的產(chǎn)物H2，有利于推動CO變換的反應(yīng)平衡，降低推動CO變換反應(yīng)平衡的蒸汽消耗。

由于甲烷合成是一個氣體摩爾數(shù)減少的反應(yīng)，對于同樣的天然氣產(chǎn)量規(guī)模，變換甲烷化一體化工藝路線進(jìn)酸性氣體脫除裝置的總氣量和酸性氣體脫除裝置的建設(shè)投資將大幅降低。進(jìn)酸性氣體脫除裝置的總硫和CO2絕對含量與現(xiàn)有工藝相同，由于總氣量減小，故其酸性氣體的濃度升高，CO2濃度達(dá)到近70%。低溫甲醇洗脫硫脫碳工藝為純物理吸收法酸脫工藝，低溫甲醇的H2S、COS、CO2平衡溶解度極大，溶劑甲醇的循環(huán)量主要與進(jìn)氣總量和壓力相關(guān)，而與處理氣體中的酸性氣含量關(guān)聯(lián)度較低。采用變換甲烷化一體化工藝的酸洗氣體脫除裝置入口總氣量較現(xiàn)有工藝也大幅降低，故其甲醇循環(huán)量減小，裝置運(yùn)行的水、電、汽消耗低。在低溫甲醇洗工藝中，CO2氣體是需要脫除的酸性氣體，且溶解吸收時會放熱，同時CO2在低溫甲醇洗工藝中又扮演著減壓解析制冷的角色，為裝置獲得低溫，且入口氣體CO2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。

從酸性氣體脫除裝置送出的天然氣的溫度比現(xiàn)有煤制天然氣工藝甲烷合成裝置送出的天然氣的溫度低約10℃，不含水；且前端工藝流程減少一個工藝裝置，系統(tǒng)阻力降減小約0.4MPa，即變換甲烷化一體化工藝的天然氣壓縮裝置入口壓力比現(xiàn)有工藝高約0.4MPa。變換甲烷化一體化工藝天然氣壓縮裝置送出的天然氣無需再進(jìn)行脫水處理，故其出口壓力可以比現(xiàn)有工藝天然氣壓縮裝置的出口壓力低0.15MPa。

4變換甲烷化一體化工藝與現(xiàn)有煤制天然氣工藝的比較

4.1比較基礎(chǔ)

兩種工藝的煤造氣單元完全一致，差異比較主要為煤造氣的下游單元，為方便兩種工藝的比較，首先確定裝置的比較基礎(chǔ)：

(1)裝置規(guī)模為4.0×107Nm3/a煤制天然氣，年操作時間為8000h。

(2)所生產(chǎn)的天然氣滿足天然氣國家標(biāo)準(zhǔn)GB 17820-2012中一類天然氣的技術(shù)指標(biāo)，高位發(fā)熱量≥36MJ/m3(101.325kPa，20℃)，總硫(以硫計)≤60mg/m3(101.325kPa，20℃)，硫化氫≤6mg/m3(101.325kPa，20℃)，二氧化碳體積含量≤2.0%。

(3)出裝置的天然氣壓力為10.0MPa(G)。

(4)煤造氣單元采用某粉煤加壓氣化廢鍋流程技術(shù)，其生產(chǎn)的粗合成氣主要組分干基摩爾含量見表1，粗煤氣溫度165℃，壓力3.8MPa(A)，含飽和水。

表1　煤氣組分及含量　(mol%)

(5)主要公用工程包含水、電、汽等的關(guān)鍵參數(shù)及價格見表2。

表2　主要公用工程的規(guī)格及價格

4.2工藝物料

根據(jù)裝置規(guī)模及粗煤氣組成，按照各工藝單元的特點(diǎn)，得到兩種工藝下的全廠工藝物料表，分別見表3和表4。

表3　現(xiàn)有煤制天然氣全廠工藝物料表

表4　變換/甲烷化一體化煤制天然氣全廠工藝物料表

4.3工藝裝置的配置差別

現(xiàn)有煤制天然氣工藝路線全廠包含煤造氣、CO變換、酸性氣體脫除、甲烷合成、天然氣壓縮、天然氣干燥6個工藝裝置。變換甲烷化一體化工藝路線全廠包含煤造氣、耐硫變換甲烷化、酸性氣體脫除、天然氣壓縮4個工藝裝置。兩種工藝路線的煤造氣裝置完全一致，天然氣壓縮裝置的差別較小。

兩種工藝路線相比，有差別的工藝裝置中，現(xiàn)有煤制天然氣工藝路線的CO變換裝置采用耐硫變換工藝，酸性氣體脫除采用低溫甲醇洗工藝，甲烷合成采用HALDOR TOPSOE甲烷合成工藝，天然氣干燥采用三甘醇脫水工藝。根據(jù)裝置處理工藝氣量及操作條件，綜合目前設(shè)備制造能力、大件運(yùn)輸限制及工程配套水平，CO變換裝置需要設(shè)置4套等規(guī)模系統(tǒng)，每套系統(tǒng)內(nèi)的主要工藝設(shè)備需要并聯(lián)設(shè)置以減小設(shè)備尺寸；酸性氣體脫除裝置需要4套等規(guī)模系統(tǒng)，每套系統(tǒng)中并聯(lián)設(shè)置2套吸收系統(tǒng)，共用甲醇閃蒸及再生系統(tǒng)；甲烷合成裝置設(shè)置4套等規(guī)模系統(tǒng)，每套系統(tǒng)內(nèi)的主要工藝設(shè)備需要并聯(lián)設(shè)置以減小設(shè)備尺寸；甲烷干燥裝置設(shè)置2套等規(guī)模系統(tǒng)。

變換甲烷化一體化工藝路線變換甲烷化裝置需要使用耐硫甲烷化催化劑，目前還沒有此種催化劑在類似工況中工業(yè)運(yùn)用；酸性氣體脫除裝置依然采用低溫甲醇洗工藝。根據(jù)裝置處理工藝氣量及操作條件，變換甲烷化裝置需要設(shè)置4套等規(guī)模系統(tǒng)，每套系統(tǒng)內(nèi)的主要工藝設(shè)備需要并聯(lián)設(shè)置以減小設(shè)備尺寸；酸性氣體脫除裝置處理氣量只有現(xiàn)有煤制天然氣工藝路線酸性氣體脫除裝置處理氣量的53.8%，酸性氣體脫除裝置只需設(shè)置2套等規(guī)模系統(tǒng)即可，每套系統(tǒng)中并聯(lián)設(shè)置2套吸收系統(tǒng)，共用甲醇閃蒸及再生系統(tǒng)，酸性氣體脫除裝置負(fù)荷降低也可以減小配套冷凍裝置的規(guī)模。

采用變換甲烷化一體化工藝，工藝流程簡單，全廠裝置建設(shè)投資將比現(xiàn)有煤制天然氣工藝的建設(shè)投資大幅降低。

4.4工藝裝置的運(yùn)行成本差別

兩種工藝路線的煤造氣裝置完全一致，無需比較?，F(xiàn)有煤制天然氣工藝煤造氣下游主要工藝裝置包含CO變換裝置、酸性氣體脫除裝置、甲烷合成裝置、天然氣壓縮裝置、天然氣干燥裝置，各裝置的主要公用工程消耗見表5。

表5　公用工程消耗　(元/h)

現(xiàn)有煤制天然氣工藝的CO變換、酸性氣體脫除、甲烷合成、天然氣壓縮及干燥裝置主要公用工程運(yùn)行成本折合-126948元/h。

變換甲烷化一體化工藝，其變換甲烷化裝置和酸性氣體脫除裝置的公用工程消耗見表6。

表6　公用工程消耗　(元/h)

變換甲烷化一體化煤制天然氣工藝的變換甲烷化、酸性氣體脫除及天然氣壓縮裝置主要公用工程運(yùn)行成本折合-203358元/h。

對比兩種工藝路線的運(yùn)行成本，變換甲烷化一體化工藝路線的運(yùn)行成本低76410元/h，即對于一個40億Nm3/a的煤制天然氣項(xiàng)目而言，如果采用變換甲烷化一體化工藝路線，則每年可以節(jié)約運(yùn)行成本61128萬元，折合單位產(chǎn)品天然氣成本低約0.153元/Nm3。

5變換甲烷化一體化工藝的優(yōu)點(diǎn)

與現(xiàn)有煤制天然氣工藝路線相比，變換甲烷化一體化煤制天然氣工藝路線主要優(yōu)點(diǎn)：

(1)工藝流程簡單，裝置數(shù)量減少，建設(shè)投資降低。

(2)冷熱分區(qū)清晰，系統(tǒng)換熱減少，能耗降低。

(3)CO變換反應(yīng)與甲烷合成反應(yīng)耦合，蒸汽消耗降低，工藝?yán)淠簻p少。

(4)酸性氣體脫除裝置處理氣量接近減半，酸性氣體脫除裝置及配套冷凍裝置規(guī)模減小。

(5)公用工程消耗減少，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)。

6結(jié)語與展望

適度發(fā)展煤制天然氣對保障國家能源安全、改善環(huán)境空氣質(zhì)量有積極作用，但中國煤制天然氣的發(fā)展歷程較短，相關(guān)技術(shù)積累還不足，技術(shù)研發(fā)也滯后。國內(nèi)已建成的煤制天然氣項(xiàng)目建設(shè)投資及運(yùn)行成本仍偏高，項(xiàng)目運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性普遍較差。截止目前，耐硫甲烷化催化劑沒有類似工況的工業(yè)化運(yùn)用，若能攻關(guān)耐硫甲烷化催化劑，則煤制天然氣項(xiàng)目的建設(shè)投資將大幅降低，煤制天然氣產(chǎn)業(yè)將迎來新的發(fā)展空間。

目前國家對于新型煤化工包括煤制天然氣的產(chǎn)業(yè)政策是加強(qiáng)升級示范，進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)備的攻關(guān)，依靠技術(shù)創(chuàng)新驅(qū)動，走出一條資源消耗少、技術(shù)含量高、質(zhì)量效益好、綠色可持續(xù)發(fā)展的新路子。中國的部分煤化工技術(shù)已經(jīng)走在世界前列，隨著市場的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，筆者相信耐硫甲烷化催化劑和變換甲烷化一體化煤制天然氣技術(shù)將成功進(jìn)行工業(yè)化運(yùn)用。

參考文獻(xiàn)

1BP世界能源統(tǒng)計年鑒2013.

(收稿日期2015-10-30)

技術(shù)

*周明燦：工程師。2006年6月畢業(yè)于南京工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程與工藝專業(yè)。從事化工項(xiàng)目的咨詢、設(shè)計和項(xiàng)目管理工作。

聯(lián)系電話：13883079926，E-mail:zhoumc2000@qq.com。