均温甲烷化技术用于煤制天然气探讨.pdf

4 2 天然气化工 c 化学与化工 2 0 1 3年第 3 8卷 溉 谴 簿 奠 均温甲烷化技术用于煤制天然气探讨 楼韧 ， 任筱娴 ， 钟永芳 1 ． 杭州林达化工技术工程有限公司， 浙江 杭州3 1 0 0 1 2 ； 2 ． 林德工程 杭州 有限公司， 浙江杭州 3 1 0 0 1 2 摘要 在成功进行了采用水冷换 热 甲烷化 反应 器的焦炉煤气均温甲烷化技术制合成天然气的工业试验的基础上 ， 讨论 了 该技术用于煤制合成 天然气的可行性。结果表明 ， 该技术具有能量效率高 6 O ％ ， C O、 C O 转 化率高 ， 催化剂寿命 长、 价格低 ， 流程短 、 设备少和投资省等优势 具有较高 的吸引力 。 关键词 水冷换热； 均温甲烷化； 煤制天然气 C T G ； 合成天然气 s N G 中图分类号 T Q 2 2 1 ． 1 1 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 9 2 1 9 2 0 1 3 0 6 4 2 - 0 4 1 背景技术 煤制天然气是我国现代煤化 工发展的重要方 向， 已成为继煤制油之后该领域的投资热点【 】 1 。国外 合成天然气 S N G 技术主要有英 国 D A V Y公司 、 丹 麦托普索公司和德国鲁奇公司的技术 。目前 国内建 成的内蒙 克旗煤制天然气采用 D A V Y 的高温 甲烷 化工艺 ， 主要特点是用绝热 甲烷化反应器 ， 多 台串 联 ， 采用 D A V Y高温耐热 甲烷化催化 剂 ， 并设置热 气循环机以降低前几台反应器 的反应热 ， 具体流程 见 图 1 s y n g a s 图 1 DAVY 煤 制 天然 气 鬲 温 甲烷 化 工 艺 托普索工艺 T R E MP T M [ 2 强 丹麦托普索公司专 有的 S NG 生产工艺．与 D A V Y甲烷化工艺类似 ． 同 样采用多段绝热 甲烷化反应器，为了控制反应器温 度 ， 采片 j 了人口补人蒸汽和设置气体循环的操作。 美国大平原厂是此前世界上唯一 的规模 化煤 制天然气的工厂 ，技 术成熟可靠 ，但有 关专著评 收稿 日期 2 0 1 3 0 7 0 7 ； 作者简 介 楼 韧f 1 9 7 5 一 ． 男 ． 高级 E程 师 ． 电 } 舌 l 3 9 0 6 5 2 3 4 0 0 ． 电邮 l i n d a l i n d a t ’． n e t 论13 ] “ 美 国大平原厂采用 的是 L u 气化 绝热循环 稀释甲烷化技术 ， 在能量利用上不是最经济的。除 了 L u r g i 气化的效率不高以外 ，绝热循环稀释要消 耗大量能量 ， 相 当于甲烷化反应产生的能量有一半 被消耗掉 ， 不能做到 自身的能量平衡 ， 提高了产品 甲烷 的煤耗量” ． “ 目前我 国正在建设的煤制甲烷的 工厂 ，基本是照套 2 0世纪 8 O年代的大平原工艺 ， 没有创新 。从长远来看 ， 不创新是没有出路的， 如果 能够采用新 的煤气化技术甲烷化等温反应器 ， 有 希望降低煤制甲烷的能耗” 。 2 均温型 甲烷化在焦炉煤气 甲烷化 上 的成功试验 换热式 甲烷化国内外均进行过开发研究 。 并有 产业化 。 例如贵州某厂装置用熔盐换热介质【 4 ] 。 采用 管壳式 甲烷化塔反应 ，但该装置不能副产蒸汽 ， 且 需要采用外部供热 ， 增加能耗。 林达均温型甲烷化在与太原理工大学等 四单位 合作 的中低温 甲烷 化技术在 山西 同世达成功用 于 焦炉煤气 甲烷化 ， 工艺流程如图 2所示 。 主要设备 见表 l 。 来 自焦化分厂的焦炉煤气 ， 其压力为 0 ． 0 5 MP a 一 0 ． 1 4 M P a 、 温度 4 O c C， 依次通过 T G ． F脱焦脱萘罐 V． 1 、 粗脱硫罐 v ． 2 ， 除去焦油 、 萘和大部分硫 。 然后经 煤气压缩机 C ． 1 提压至 0 ． 4 MP a ～ 0 ． 8 MP a ．再经精脱 硫罐 V 一 3使总硫质量分数降至 l 0 以下． 合格原料 气 经 『 乜加热 器 E ． 1加热 至～ 2 5 0 C 送 甲烷 反 应 器 R 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 楼 韧 等 均 温 甲烷化 技 术 用于煤 制天 然 气探 讨 4 3 “ L t- f 图 2 焦炉煤气 中低温甲烷化技 术工艺流程 表 1 主要设备一览表 1 ．气体进塔温度 的高低通过 E ． 1的调压器调节电 炉功率来控制。在工程化设计 中用进出塔换热器取 代原料气 电加热器 。 反应器 R 一 1为水 冷式 。 催化剂装在 管内 ， 气体 在管 内催化剂层进行 甲烷化反应 ， 反应热被传至管 间的水侧 ， 催化剂床层温度可以通过汽包 V一 4压力 进行调节。反应后气体经冷却器 E ． 2冷却 至 4 0 ℃， 再经气液分离器 V ． 6分离出冷凝水 ， 分离后部分气 体经减 压 阀减 至 0 ． 2 MP a作 为煤 气送 回炉煤 气管 网。根据进 口C O、 C O 含量波动幅度和废锅的蒸汽 压力 ， 必要 时部分气体 回到压缩机 C ． 1 进 口， 稀 释 原料气 中 C 0浓度后再去进行合成 。 脱盐水送至脱盐水槽 V 一 5 ，经脱盐水泵 P ． 1 提 压至后 送 至汽 包 V ． 4再 自流 入反应 器 R ． 1 ，汽包 液 位通过 V ． 4液位调节阀控制。反应器 R ． 1 管 问产生 蒸汽使锅炉水在 V ． 4和 R ． 1 之间 自然循环 ， 从而使 反应热能及时移 出， 保持催化剂层温度稳定在一定 范嗣 ． 蒸汽压力通过压力调节 阀进行控制 ， 副产蒸 汽减压后 ， 再进行冷凝 ， 冷凝水进水池。 恢项 目于于 2 0 1 1 年 1月 至 7月进 行 r工 、 l 试 验。 表 2 、 表 3分别列 出了两种工况下反应器内催化 剂床层温度 、 汽包压力和出 口的气体组分。表 4是 以表 2、 表 3数据为基础计算的 C O、 C O 转化率。 工况 1为不循环 ， 不加蒸汽 ， 焦 炉煤气全通过 反应器 ， 共进行 5 8 h ； 工况 2为循环气和反应器进 口 气的循环 比为 0 ． 2 ，不加蒸汽 ，通过反应器共运行 1 4 h 。 由表 4中可以看出，本项 目C O已完全转化为 甲烷 ， C O 2 转化率一 9 9 ％。 本项 目于 2 0 1 1年 1 1月通过有多位 中国工程 院院士参加的鉴定委员会科技鉴定 ， 鉴定意见认为 其有如下特点和创新之处 。 达国际先进水平 1 甲烷化反应在反应进行的同时实现换热 ， 不 需要 向原料气 中补加蒸汽 ， 增加循环 回路 ， 从而缩 表 2 工况 1的反应器 出口气体组成 表 3工况 2的反应器出口气体组成 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 天然气化工 C 化学与化工 2 0 1 3年第 3 8卷 表 4 反应器触媒床层进 出口气体组分和工艺 条件 丁况 l 不循环，不加蒸汽 况2 循环比0 ． 2 ．不加蒸汽 项 日 入口 小口 入口 I 1 I 口 合成塔 i 力 ， M P a 0 ． 4 8 6 0 ．4 7 9 0 ． 3 9 7 0 ．3 9 5 汽也压 ／ MP a 3 l3 2 ．4 触媒层热点温度／ ℃ 4 5 8 3 7 5 进塔温度， ℃ 2 6 1 2 3 2 l { I 塔温度／ C 2 4 3 2 2 9 入塔气量Q ,,／ m I1 1 6 4 1 5 6 r C O 8 ．8 O 0 5 ． 8 O O C 0 2 ．8 0 o ．0 3 2 ．5 0 O ． O 6 备 组 H 5 8 ． 1 9 3 0 ．5 2 5 2 ．9 l 3 0 ． 7 6 分 体 C H 4 2 3 ．4 5 6 2 ．4 2 3 1 ． 2 8 6 1 ． 8 6 秘 分 N ， 4 - 3 7 6 ． 7 4 4 ．8 O 6 ． 8 3 数 O 2 0 ．4 4 0 ． 0 7 0 ．4 2 0 ． 1 0 C 1 ． 5 9 O 】 ．7 8 0 C2 H6 0 _ 3 6 0 ． 2 2 O ．5 l 0 ．3 9 C O转化率， ％ j o 0 0 C O 转化率， ％ ～ 9 9 9 9 短了流程 ． 提高了转化率和能效。 2 换热式反应器可保证反应器 的热点 温度 在 ≤4 5 0 ℃， 反应器 出 口的气体温度在 2 5 0 ℃ ， 移 出 的热量可副产 中压蒸汽。 C O转化率达到 1 0 0 ％， C O 转化 率 ≥9 9 ％。 3 均温甲烷化用于煤制天然气探讨 3 ． 1 换热均温 甲烷化基本流程 换热均温 甲烷化主要在绕管水 冷甲烷 化反应 器 中进行 ， 甲烷化反应热用于副产蒸汽 ， 杭 州林 达 公司的绕管反应器已在甲醇合成塔上成功应用 ， 绕 l 一 水加热器 2 一 换热器 ； 3 一 绕管反应器 ； 4 一 水冷器 5 - 分离器 ；6 - 汽包 图 3换热 均温 甲烷 化 管反应器具有换热面积大 、换热效果好的特点 ， 在 温度波动下不会因热应力而损坏 ， 成功解决 甲烷化 强放热反应器的苛刻要求 。流程见图 3 。 3 ． 2 技 术优 势与 经济 效益 3 ． 2 ． 1 技术优势 换热式 甲烷化具有合 成气 转化率和能量转化 率高的优势。 国外 引进 的绝热 甲烷 化 技术 的各项指 标见 表 5 表 5国外引进的绝热 甲烷化技术的指标 刘永健等[5 1 在国家重点基础研究发展计划项 目 中对我国一个 国外引进 的典型煤制 S N G装置进行 了能耗分析 。 该项 目的能量利用效率为 5 4 ． 5 ％． S N G 的标煤耗为 2 ． 5 9 k g ／ m 。 。 从表 5数据看 ， 绝热甲烷化技术 C 0 2 转化率较 低 ， 这是因为其末段 出塔 温度较高 3 3 0 ℃ ， 平衡 转化率受温度影响 ， 均温甲烷化技术出塔温度只有 2 4 0 ℃左右 ．在其他条件相同的情 况下可获得较高 的 C O 转化率 。 根据 目前引进的煤制 S N G项 目的条件 ． 对采用 水冷换热式 甲烷化反应 器进行 中低温 甲烷化进行 了项 目能量消耗和能量效率计算 。 能量转化率高达 6 6 ％ 表 6 ， 其远高于煤制油 3 8 ％ ， 也高于绝热甲 烷化煤制 S N G 5 4 ． 5 ％ 、 煤制 甲醇 5 4 ％ 、 煤制二 甲 醚 4 6 ％ 和煤化工一 电力联产 5 7 ％ 。 3 ． 2 ． 2 经济效益 换热式均温 甲烷化技术用于煤制天然气 与目 前国外引进技术比较 ， 设备少 、 投资低 ， 全部技术和 设备都由国内 自主知识产权独立解决 南表 7可见， 林达技术具有以 下优点 I 采j } { 均温换热式 } f j 烷 化塔 ， 出困外引进技 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 楼 韧等 均温甲烷化技 术用于煤制 天然气探讨 4 5 表 6 均温甲烷化煤制天然气项 目能量平衡表 表 7 换热均温 甲烷化与国外引进 技术设备 比较 术 3 ～ 4台减少到 I台 2 不需要 引进 国外多 台高压废锅 ， 而由甲烷 化塔直接副产蒸汽。 3 中低温均温 甲烷化代替高温绝热 甲烷化 ， 不需要进 E l 高价 国外高温 甲烷化催化剂 。 催化剂价 格降低 ， 寿命大幅延长 ， 可显著降低催化剂费用 ， 且 可提高平衡转化率。 4 优化流程减少设备 ， 减少热损失 ， 提高蒸汽 产量 ， 可供煤气化空分压缩透平动力用气和低压工 艺用汽。 5 减少循环 ， 大幅节省电耗。 6 与高中温绝热式 工艺相 比， 同规模投资可 减少 1 ／ 4 ， 减少反应器和换热器数量 。 反应器 和换热 器为一体 ， 流程短 ， 节省管道。 综上所述 ，移植 甲醇合成和焦炉煤气生产 S N G 的成功经验 ， 采用我国 自主技术 ， 利用换 热均温型 甲烷化进行煤 制 S N G， 可达到减少投资 ， 提高能量 转化率和降低生产成本的 良好效果。 参考 文 献 [ 1 】 汪家铭， 蔡沽． 煤 制天然气技术 发展概况 与市 场前景[ ．『 ] ． 天然气化工 C 1 化学与化工 ， 2 0 1 0 ， 3 5 1 6 4 ． 7 0 ． [ 2 ] 托普索公司． 煤 制替代性 天然气高温 甲烷 化工 艺【 C 】 ， ／ 第 十六届 全国化肥一 甲醇技术 年会论文集． 南京 全 国化 肥工业信息总站． 2 0 0 7 7 0 4 7 2 ． [ 3 】 唐宏青． 现 代煤化工新技术【 M ] ． 北京 化学 工业 出版社 ， 2 0 0 9 ． [ 4 】 徐绍英， 胡勇， 杨健 ， 等． 1 氐压耐硫 水煤气 甲烷化的生产工 艺及其生产设备【 P ] ． C N2 0 0 5 1 0 2 0 0 2 1 4 ． 4 ， 2 0 0 5 ． 【 5 】 刘 永健， 何畅， 冯宵， 等． 煤制合成 天然气装置能耗分析与 节 能途径探讨【 J ] ． 化工进 展， 2 0 1 3 ， 3 2 1 4 8 - 5 3 ． A d i s c u s s o n a p p l i c a t i o n o f i s o t h e r ma l me t h a n a t i o n t e c h n o l o g y i n c o a l t o g a s L O UR e n 1, R E NX i a o x i a n I, Z HO N G Y o n g -f a n f 1 ．H a n g z h o u L i n d a C h e mi c a l T e c h n o l o g y E n g i n e e ri n g C o ． ， L t d ． ， H a n g z h o u 3 1 0 0 1 2 ， C h i n a ； 2 ． L i n d e E n g i n e e r i n g H a n g z h o u C o ． ， L t d ． ， H a n g z h o u 3 1 0 0 1 2 ， C h i n a Ab s t r a c t B a s e d o n t h e s u c c e s s f u l i n d u s t r i a l d e mo n s t r a t i o n o f t h e i s o t h e r ma l r n e t h a n a t i o n t e c h n o l o g y u s i n g t h e w a t e r c o o l e d r e a c t o r i n c o k e o v e n g a s t o s y n t h e t i c n a t u r a l g a s S N G ， t h e f e a s i b i l i t y o f t h e t e c h n o l o g y i n c o a l t o S N G w a s d i s c u s s e d ． T h e r e s u h s s h o w e d t h a t i t w a s p romi s e d f o r t h e h i g h e n e r g y e f fi c i e n c y o f a b o v e 6 0 ％， t h e h i g h C O a n d CO c o n v e i o n 。 t h e l o n g l i f e a n d l o w c o s t o f the c a t a l y s t ， t h e s h o r t p r o c e s s fl o w w i t h f e w e r e q u i p me n t s a n d t h e l o w e o s I o f c a p i t a1 ． Ke y w o r d s w a t e r - c o o l e d r e a c t o r ； i s o t h e ml al me t h a n a t i o n ； c o a l t o g a s C T G ； s y n t h e t i c n a t u r a l g a s S N G 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m