煤制天然氣甲烷化工序換熱網絡設計（生物化工）

           宋鵬飛*，侯建國，王秀林，張瑜，高  振，姚輝超，穆翔宇

              （中海石油氣電集團技術研發中心，北京100007）

摘要：煤制天然氣甲烷化工序的換熱網絡常用軟件模擬法和夾點技術法進行設計。對2種方法對比分析顯示各有優點和局限性，其中軟件模擬法可以采用Aspen Plus或PRO -Ⅱ軟件，操作簡單、換熱設計形象，但對設計者的設計經驗和素質要求較高，通過大量調整才能達到最優化設計方案；夾點技術法依靠熱力學和數學規則，通過該組合溫焓曲線或問題表格找出能量回收極限值，建立最大限度能量回收的初始網絡，權衡經濟性后再進行優化調整，得到最優化的換熱網絡，但受夾點溫差的選擇影響大、換熱中存在相變時可能帶來設計偏離最優解。把兩2方法結合，相互借鑒并互為校驗能夠提高設計效率和可靠性。

關鍵詞：煤制天然氣；SNG;甲烷化；換熱網絡；夾點；熱量回收

中圖分類號：TQ426；TQ221. 11  文章編號：0253 - 4320（2016）06 - 0179 - 04

DOI:10. 16606/j. cnki. issn 0253 - 4320. 2016. 06. 044

    煤制天然氣是以煤為原料，采用氣化、凈化和甲烷化技術制取合成天然氣( SNG -substitute naturalgas)的過程。甲烷化是煤制天然氣的核心單元，是CO或CO₂在催化劑作用下加氫生成CH₄和H₂O的強放熱反應。每1% CO轉化為甲烷，氣體的絕熱溫升達72C ,1% CO₂轉化為甲烷，氣體的絕熱溫升達62℃。煤制天然氣甲烷化原料氣中CO+CO₂摩爾分數可達20%~25%，如果原料直接一次通過催化劑床層進行甲烷化反應，氣體的絕熱溫升可達1200～1600℃。煤制天然氣甲烷化技術普遍采用絕熱多段固定床工藝和鎳基催化劑，綜合反應器與換熱器等設備和管道的材料與加工制造、催化劑高溫燒結失活、換熱設計受限等因素，各級反應溫度一般控制在700℃以下。根據經驗，合成氣的能量經過甲烷化反應過程，約80%儲存在CH₄產品中，20%以熱量方式釋放。這些能量的綜合利用對全廠能耗、經濟性影響重大。在絕熱多段固定床工藝段間采用廢熱鍋爐、汽包、蒸汽過熱器、換熱器、冷卻器等系列設備實現熱工藝氣的冷卻并移走甲烷化反應熱，是包括托普索公司、Davy公司和國內煤制天然氣甲烷化技術提供商普遍采用的熱量回收方式。

 1  甲烷化工序的熱量回收

    甲烷化工序的熱量回收設計在保障甲烷化本工段級間工藝氣換熱的前提下，采用能量梯級利用、最大化利用的原則。甲烷化主反應器承擔的反應負荷大，出口工藝氣溫度可達600~680℃，釋放的大量高品位熱量通過廢熱鍋爐、過熱器、汽包用于生產蒸汽。不同的工藝流程進入廢熱鍋爐的工藝氣的溫度、壓力、流量、組分等存在一些差異，但煤制天然氣甲烷化的入口組成的相似性和反應平衡決定了一般進入廢熱鍋爐的工藝氣溫度為620~670℃，壓力為2.0~4.0 M Pa。不同工藝的熱量回收利用方式設計理念也不盡相同，以某典型的煤制天然氣甲烷化工段的熱量利用設計為例，見圖1。圖1中前3個甲烷化反應器出口的高溫工藝氣經過廢熱鍋爐換熱，熱量通過汽包生產飽和蒸汽，飽和蒸汽經過兩級過熱以生產過熱蒸汽。

    目前正在運行的煤制天然氣項目甲烷化工段生產的蒸汽一般為過熱蒸汽。以中海油大同煤制氣項目為例，該項目設計采用碎煤氣化+粉煤氣化的組合氣化方案，對應分別配套碎煤甲烷化和粉煤甲烷化。其中碎煤甲烷化生產6.0 M Pa、470℃過熱蒸汽，約占全廠6.0 M Pa過熱蒸汽需求量的80.3%；該品位的過熱蒸汽主要用于碎煤氣化單元作氣化劑。粉煤甲烷化生產9.8 M Pa、540℃的過熱蒸汽，約占全廠9.8 M Pa過熱蒸汽需求量的55.6%；該品位過熱蒸汽主要用于驅動透平和壓縮機等。主甲烷化的熱量主要用于副產蒸汽，輔助甲烷化反應器相對反應負荷小，出口工藝氣溫度400~550℃，熱量品位相對低，一般用于加熱脫鹽水、鍋爐水和工藝氣。其中脫鹽水經過加熱后離開甲烷化界區去除氧器，鍋爐水經過加熱后去汽包用于生產蒸汽。

    煤制氣甲烷化單元能量利用的設計中，首先需要明確系統內部熱源與需加熱的受熱源，明確能量的流動方向，對換熱量統一進行考慮。甲烷化單元可作為熱源的物料包括各級反應器出口的高溫工藝氣、循環氣壓縮機人口的高溫循環氣等。受熱源包括超精凈化器和各反應器入口物料（實際設計中通常僅有第一反應器和最后一級反應器人口物料需要加熱）、蒸汽系統.鍋爐.脫鹽水等。正常運行狀態下甲烷化界區的能量平衡見圖2。

2煤制天然氣甲烷化工序換熱網絡設計方法及設計示例

煤制天然氣甲烷化換熱網絡設計方法包括軟件模擬法、夾點技術等。

2.1軟件模擬法

    軟件模擬法一般采用Aspen Plus或PRO -Ⅱ軟件對甲烷化工藝及換熱系統進行模擬。以AspenPlus為例，采用RGibbs反應器模擬絕熱固定床甲烷化反應器，使用HeatX或Heater模擬換熱器，反應熱主要用于副產蒸汽、預熱原料氣、脫鹽水和鍋爐給水等。李國忠等以采用英國DAVY公司甲烷化技術的遼寧大唐國際阜新煤制天然氣的甲烷化工藝為例進行模擬研究，對該工程中DAVY甲烷化技術的熱量回收設計進行了模擬。張曉采用AspenPlus對水煤漿氣化和碎煤加壓氣化的甲烷合成工藝進行模擬，對托普索工藝、DAVY工藝、魯齊工藝及換熱網絡進行了對比分析，其中DAVY工藝的換熱系統更為復雜。

    不同的工藝和催化劑的設計的溫度、壓力、循環氣分配、水蒸汽加入量等存在差異，對應配套主流程的換熱網絡設計也不同，但基本都可分為主甲烷化和輔助甲烷化2部分，其中以主甲烷化反應器出口熱量品位高，用于副產過熱蒸汽；輔助甲烷化的熱量品位相對低，用于原料氣、脫鹽水和鍋爐給水等物料的預熱。甲烷化換熱設計的主要思路見圖3，根據目標熱量的主要需求，利用軟件模擬進行換熱網絡設計，高、低品位熱量可以實現能量的分布可調，副產品可以實現換熱目標的靈活調整。換熱設計經驗在軟件模擬法中能發揮重要作用，對設計值的素質要求也相對高。

2.2夾點技術

    夾點技術的理論依據是熱力學第二定律，立足于嚴格的熱力學和數學規則，通過該組合溫焓曲線或問題表格找出能量回收極限值，建立最大限度能量回收的初始網絡，權衡經濟性后再進行優化調整，得到最優化的換熱網絡。夾點處是設計工作中約束最多的地方，限制了能量的進一步回收；其中夾點之上為熱阱，應避免引入公用工程冷卻物流；夾點之下為熱源，應避免引入公用工程加熱物流；應避免熱量穿過夾點。Aspen Plus軟件中已經嵌入能量分析的模塊，由Aspen Energy Analyzer基于夾點理論對裝置的換熱網絡進行計算，繪制出換熱網絡設計圖和溫焓圖。

    以圖1煤制天然氣工程的甲烷化生產線為例，流程包括1臺超精凈化反應器用于精脫除硫、5臺甲烷化反應器，其中前3臺為主甲烷化反應器，后2臺為輔助甲烷化反應器；通過1臺壓縮機把第三反應器出口的一部分工藝氣通過循環氣壓縮機加壓循環至第一反應器人口。為避免積液，一般在飽和蒸汽溫度之上利用熱量，飽和溫度以下采用冷卻器降溫后至氣液分離器分離冷凝液。利用夾點技術對該項目甲烷化工序換熱網絡進行設計過程如下。

    (1)建立換熱網絡系統

    根據工藝流程及各級反應器、分離器的情況，整理作為熱源的熱物流和熱量去處的冷物流（見表1），并根據計算出各物流的熱負荷，建立換熱網絡系統，研究其熱平衡情況。

    (2)劃分溫度區間

    假設冷熱物流之間最小換熱溫差為10 ⁰C；熱物流端點溫度減去最小溫差后與冷物流端點溫度排列并劃分溫度區間。

    (3)尋找夾點，繪制溫焓曲線圖

    可以通過- Linnhoff-問題表方法或溫焓圖法找出換熱網絡中最小公用工程消耗及夾點。計算各溫度的最大允許熱流量，熱流量為零的點即為夾點，得到最小熱公用工程消耗和最小冷公用工程消耗。繪制的溫焓曲線圖為多股冷、熱物流的合并組合圖，2條曲線在橫軸上投影重疊的部分為冷熱物流間的換熱量，不重疊的部分為冷熱公用工程耗量，2曲線縱坐標最接近的位置即為夾點。

    由圖4中可以看出，夾點溫度為180⁰C，甲烷化工段整體基本不需要熱公用工程，這是由甲烷化工段強放熱的特點決定的，充分利用甲烷化釋放的大量熱量是整個換熱網絡的重心，為盡量少地利用冷卻公用工程，應把180⁰C之上的熱物流盡量用于加熱或預熱。

    (4)換熱網絡調整優化

    最后，站在全廠角度，以最小公用工程消耗、換熱器經濟性最優和熱量回收最大化為目標，盡量減少換熱單元，提高能量利用效率，實現換熱網絡設計優化。

2.3 2種方法的優缺點對比

總結2種方法的優缺點，見表2。

   實際應用中，軟件模擬法、夾點技術2種方法常結合使用，一般常用夾點技術法作為軟件模擬設計結果的驗證和校對。以上設計僅從甲烷化工序的熱量需求與輸出的角度考慮，實際工程中換熱網絡的設計需從全廠的角度綜合考慮熱量平衡，充分利用甲烷化工段的熱量。

3  總結

  煤制天然氣甲烷化工序的工程設計中最關鍵的任務之一即為換熱網絡的設計，設計的優劣關系到該工序甚至全廠的熱量利用效率。軟件模擬法采用Aspen Plus或PRO-Ⅱ軟件，把設計者的換熱構思形象化搭建，通過模型運行后的模擬結果實現對換熱負荷和熱量利用的平衡優化，需要設計者有一定的設計經驗。應用中需要注意以下幾個問題：①明確項目熱量利用的主要需求，即是盡量多地副產某一等級品質的飽和水蒸汽，還是需要把水蒸汽過熱到特定溫度；②注意換熱中可能的相變，工藝氣熱量外輸過程的冷凝液會對催化劑造成損害并可能導致粉化，應避免進入甲烷化反應器；③從全廠的熱量平衡角度綜合考慮；④考慮熱量利用最大化的同時應關注換熱面積和換熱器制造可行性、經濟性因素；⑤設計者的經驗對設計結果影響很大，建議對設計結果采用夾點技術進行校核。夾點技術法用嚴格的熱力學和數學計算把換熱網絡分塊設計，簡化了設計的復雜度，是實際工程設計中常用于校核換熱設計的科學工具。應用中需要注意：①結合換熱器廠商的能力選擇適當的夾點溫差；②對可能有相變的物流進行模擬或調整其熱量利用的溫度紅線；③夾點技術把換熱網絡整體性打破為一個個孤立子系統，應關注各子網絡的協調，使組合起來的整體網絡最優化。