煤制天然氣甲烷化工序換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計（生物化工）
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煤制天然氣甲烷化工序換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(shù)研發(fā)中心，北京100007）
摘要：煤制天然氣甲烷化工序的換熱網(wǎng)絡(luò)常用軟件模擬法和夾點技術(shù)法進行設(shè)計。對2種方法對比分析顯示各有優(yōu)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(shè)計形象，但對設(shè)計者的設(shè)計經(jīng)驗和素質(zhì)要求較高，通過大量調(diào)整才能達到最優(yōu)化設(shè)計方案；夾點技術(shù)法依靠熱力學(xué)和數(shù)學(xué)規(guī)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(wǎng)絡(luò)，權(quán)衡經(jīng)濟性后再進行優(yōu)化調(diào)整，得到最優(yōu)化的換熱網(wǎng)絡(luò)，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(shè)計偏離最優(yōu)解。把兩2方法結(jié)合，相互借鑒并互為校驗?zāi)軌蛱岣咴O(shè)計效率和可靠性。
關(guān)鍵詞：煤制天然氣；SNG;甲烷化；換熱網(wǎng)絡(luò)；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(shù)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(yīng)。每1% CO轉(zhuǎn)化為甲烷，氣體的絕熱溫升達72C ,1% CO2轉(zhuǎn)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(shù)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(yīng)，氣體的絕熱溫升可達1200～1600℃。煤制天然氣甲烷化技術(shù)普遍采用絕熱多段固定床工藝和鎳基催化劑，綜合反應(yīng)器與換熱器等設(shè)備和管道的材料與加工制造、催化劑高溫燒結(jié)失活、換熱設(shè)計受限等因素，各級反應(yīng)溫度一般控制在700℃以下。根據(jù)經(jīng)驗，合成氣的能量經(jīng)過甲烷化反應(yīng)過程，約80%儲存在CH4產(chǎn)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(jīng)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(shè)備實現(xiàn)熱工藝氣的冷卻并移走甲烷化反應(yīng)熱，是包括托普索公司、Davy公司和國內(nèi)煤制天然氣甲烷化技術(shù)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(shè)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(yīng)器承擔的反應(yīng)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(chǎn)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(yīng)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(shè)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(shè)計為例，見圖1。圖1中前3個甲烷化反應(yīng)器出口的高溫工藝氣經(jīng)過廢熱鍋爐換熱，熱量通過汽包生產(chǎn)飽和蒸汽，飽和蒸汽經(jīng)過兩級過熱以生產(chǎn)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(chǎn)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(shè)計采用碎煤氣化+粉煤氣化的組合氣化方案，對應(yīng)分別配套碎煤甲烷化和粉煤甲烷化。其中碎煤甲烷化生產(chǎn)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(chǎn)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(qū)動透平和壓縮機等。主甲烷化的熱量主要用于副產(chǎn)蒸汽，輔助甲烷化反應(yīng)器相對反應(yīng)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(jīng)過加熱后離開甲烷化界區(qū)去除氧器，鍋爐水經(jīng)過加熱后去汽包用于生產(chǎn)蒸汽。
煤制氣甲烷化單元能量利用的設(shè)計中，首先需要明確系統(tǒng)內(nèi)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(tǒng)一進行考慮。甲烷化單元可作為熱源的物料包括各級反應(yīng)器出口的高溫工藝氣、循環(huán)氣壓縮機人口的高溫循環(huán)氣等。受熱源包括超精凈化器和各反應(yīng)器入口物料（實際設(shè)計中通常僅有第一反應(yīng)器和最后一級反應(yīng)器人口物料需要加熱）、蒸汽系統(tǒng).鍋爐.脫鹽水等。正常運行狀態(tài)下甲烷化界區(qū)的能量平衡見圖2。
2煤制天然氣甲烷化工序換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方法及設(shè)計示例
煤制天然氣甲烷化換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方法包括軟件模擬法、夾點技術(shù)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(tǒng)進行模擬。以AspenPlus為例，采用RGibbs反應(yīng)器模擬絕熱固定床甲烷化反應(yīng)器，使用HeatX或Heater模擬換熱器，反應(yīng)熱主要用于副產(chǎn)蒸汽、預(yù)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(shù)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(shù)的熱量回收設(shè)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(wǎng)絡(luò)進行了對比分析，其中DAVY工藝的換熱系統(tǒng)更為復(fù)雜。
不同的工藝和催化劑的設(shè)計的溫度、壓力、循環(huán)氣分配、水蒸汽加入量等存在差異，對應(yīng)配套主流程的換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(yīng)器出口熱量品位高，用于副產(chǎn)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(yù)熱。甲烷化換熱設(shè)計的主要思路見圖3，根據(jù)目標熱量的主要需求，利用軟件模擬進行換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，高、低品位熱量可以實現(xiàn)能量的分布可調(diào)，副產(chǎn)品可以實現(xiàn)換熱目標的靈活調(diào)整。換熱設(shè)計經(jīng)驗在軟件模擬法中能發(fā)揮重要作用，對設(shè)計值的素質(zhì)要求也相對高。
2.2夾點技術(shù)
夾點技術(shù)的理論依據(jù)是熱力學(xué)第二定律，立足于嚴格的熱力學(xué)和數(shù)學(xué)規(guī)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(wǎng)絡(luò)，權(quán)衡經(jīng)濟性后再進行優(yōu)化調(diào)整，得到最優(yōu)化的換熱網(wǎng)絡(luò)。夾點處是設(shè)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(yīng)避免引入公用工程冷卻物流；夾點之下為熱源，應(yīng)避免引入公用工程加熱物流；應(yīng)避免熱量穿過夾點。Aspen Plus軟件中已經(jīng)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(wǎng)絡(luò)進行計算，繪制出換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計圖和溫焓圖。
以圖1煤制天然氣工程的甲烷化生產(chǎn)線為例，流程包括1臺超精凈化反應(yīng)器用于精脫除硫、5臺甲烷化反應(yīng)器，其中前3臺為主甲烷化反應(yīng)器，后2臺為輔助甲烷化反應(yīng)器；通過1臺壓縮機把第三反應(yīng)器出口的一部分工藝氣通過循環(huán)氣壓縮機加壓循環(huán)至第一反應(yīng)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(shù)對該項目甲烷化工序換熱網(wǎng)絡(luò)進行設(shè)計過程如下。
(1)建立換熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)
根據(jù)工藝流程及各級反應(yīng)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(jù)計算出各物流的熱負荷，建立換熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，研究其熱平衡情況。
(2)劃分溫度區(qū)間
假設(shè)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(qū)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)的重心，為盡量少地利用冷卻公用工程，應(yīng)把1800C之上的熱物流盡量用于加熱或預(yù)熱。
(4)換熱網(wǎng)絡(luò)調(diào)整優(yōu)化
最后，站在全廠角度，以最小公用工程消耗、換熱器經(jīng)濟性最優(yōu)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(xiàn)換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計優(yōu)化。
2.3 2種方法的優(yōu)缺點對比
總結(jié)2種方法的優(yōu)缺點，見表2。
實際應(yīng)用中，軟件模擬法、夾點技術(shù)2種方法常結(jié)合使用，一般常用夾點技術(shù)法作為軟件模擬設(shè)計結(jié)果的驗證和校對。以上設(shè)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(wǎng)絡(luò)的設(shè)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(jié)
煤制天然氣甲烷化工序的工程設(shè)計中最關(guān)鍵的任務(wù)之一即為換熱網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計，設(shè)計的優(yōu)劣關(guān)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(shè)計者的換熱構(gòu)思形象化搭建，通過模型運行后的模擬結(jié)果實現(xiàn)對換熱負荷和熱量利用的平衡優(yōu)化，需要設(shè)計者有一定的設(shè)計經(jīng)驗。應(yīng)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(chǎn)某一等級品質(zhì)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(dǎo)致粉化，應(yīng)避免進入甲烷化反應(yīng)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(yīng)關(guān)注換熱面積和換熱器制造可行性、經(jīng)濟性因素；⑤設(shè)計者的經(jīng)驗對設(shè)計結(jié)果影響很大，建議對設(shè)計結(jié)果采用夾點技術(shù)進行校核。夾點技術(shù)法用嚴格的熱力學(xué)和數(shù)學(xué)計算把換熱網(wǎng)絡(luò)分塊設(shè)計，簡化了設(shè)計的復(fù)雜度，是實際工程設(shè)計中常用于校核換熱設(shè)計的科學(xué)工具。應(yīng)用中需要注意：①結(jié)合換熱器廠商的能力選擇適當?shù)膴A點溫差；②對可能有相變的物流進行模擬或調(diào)整其熱量利用的溫度紅線；③夾點技術(shù)把換熱網(wǎng)絡(luò)整體性打破為一個個孤立子系統(tǒng)，應(yīng)關(guān)注各子網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)，使組合起來的整體網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)化。
