煤制天然氣項目裝置系列數對工藝管道系統壓降的影響分析

盧文新，張大洲，嚴義剛，孔秋生，晏雙華

(中國五環工程有限公司，湖北 武漢 430223)

設 計 技 術

煤制天然氣項目裝置系列數對工藝管道系統壓降的影響分析

盧文新，張大洲，嚴義剛，孔秋生，晏雙華

(中國五環工程有限公司，湖北 武漢 430223)

工藝管道系統壓降是煤制天然氣項目設計考慮的一個重要參數，針對40億Nm3/a的天然氣項目，分析了采用5系列和6系列時變換、酸脫和甲烷化裝置管道的系統壓降。研究表明，5系列比6系列的工藝管路系統總壓降高約27kPa，天然氣增壓機的功耗高約301 kW，年運行費用增加約113.2萬元。

煤制天然氣；裝置系列數；變換；酸脫；甲烷化；系統壓降

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2017.04.004

隨著中國經濟的快速發展，天然氣需求量逐年提升，而天然氣資源的短缺將嚴重影響我國的社會建設、經濟發展和能源安全。我國煤炭資源儲量相對豐富，將其轉化為高熱值的天然氣資源是煤潔凈利用的有效方式之一。目前已開發的煤制天然氣工藝包括直接合成和煤氣化甲烷化合成兩種方式，其中，直接合成天然氣技術是將煤氣化和甲烷化合為一個反應單元后直接產生富甲烷的產品氣，典型的工藝有加氫氣化法和催化氣化法。加氫氣化一般是在700～1 000℃和3～7MPa反應條件下，粉煤與氫氣直接發生反應生成富含甲烷的產品氣，早在20世紀80年代，英國煤氣公司與日本大阪煤氣所曾聯合開發了BG-OG煤加氫氣化甲烷化工藝，其核心裝置是具有內部氣熱循環的夾帶流反應器，雖然該工藝流程簡單，設備投資少，但碳轉化率較低，且需要氫氣發生裝置和分離裝置。催化氣化工藝是在氣化爐內加入多功能的催化劑，通入水蒸氣，同時發生氣化、變換和甲烷化反應，即將放熱反應和吸熱反應結合起來，提高系統能耗。美國巨點能源公司(GreatPoint Energy)宣稱擁有世界上最先進的一步法煤制天然氣(甲烷)技術—Hydromethanation(“藍氣技術”)，2016年1月，大唐集團公司與美國巨點能源公司就“藍氣技術”簽署合作框架協議，雙方將在“藍氣技術”商業化示范裝置建設的有關領域加強合作，但未見后續報道。

與直接合成天然氣技術相比，煤氣化甲烷化技術需要較多反應設備，投資較高，但技術非常成熟，且碳轉化率高，技術復雜性略低，國內已經投產的大唐克旗、內蒙古匯能、新疆慶華均采用煤氣化甲烷化法生產天然氣。該煤制天然氣項目工藝路線較長，簡要流程見圖1，主要工藝裝置有煤氣化裝置、變換裝置、酸性氣體脫除裝置(以下簡稱酸脫裝置)和甲烷化裝置。

圖1 煤制天然氣工藝流程

煤制天然氣項目本身具有投資高、規模大的特點，在目前國內已建成、在建或正在設計的煤制天然氣項目中，大部分規模為40億Nm3/a SNG，考慮到工程的可實施性和經濟性，項目通常需要將工藝裝置分若干系列建設。

各工藝裝置單系列的經濟規模是分期建設的重要影響因素。單系列規模太小，則總的系列數需要增加，造成總投資的增加。單系列裝置過大，則可能導致其管道、設備儀表閥門等超過常規的加工制造能力，不具備可實施性。另外，單系列規模也直接影響工藝管道系統壓降，系統壓降是工藝流程中的一個重要參數，直接影響著項目的經濟性。煤氣化裝置作為影響項目經濟性的核心裝置[1-2]，已被討論得很充分。因此，本文主要分析了在采用典型粉煤氣流床氣化方案時，后續變換、酸脫和甲烷化裝置分別采用5系列和6系列方案后，對工藝管道系統壓降的影響。

1 工藝管道系統壓降分析基準

(1)工藝氣體經濟流速統一按照15m/s執行。

(2)在采用經濟流速時，對于5系列和6系列方案下公稱直徑均小于800mm的管道，認為其壓降大小在不同系列數下保持不變，因為可以通過調節管徑大小讓其壓降保持一致。因此，不同系列數時裝置壓降的區別主要由大于經濟流速15m/s的管道引起。

(3)壓降計算公式

(1)

其中，λ為管道摩擦系數；l為管道長度；d為管道直徑；u為介質流速。

(4)假定采用5系列和6系列，根據通過的氣量調整設備尺寸，設備產生的壓降相同。

2 裝置系列數對工藝管道系統壓降的影響

2.1 變換裝置系列數對工藝管道系統壓降的影響

變換裝置流程見圖2，氣化來的粗煤氣經S801原料分離罐、原料氣過濾器S802后分成4股。第1股經預熱后進入第一變換爐R801，反應后的氣體經粗冷過濾器S803處理后與第2股原料氣混合進入第二變換爐R802，出變換爐的反應后氣體與原料氣換熱、逐級冷卻后與第3股原料氣混合進入第三變換爐R803發生深度變換反應，深度變換產品氣與少量的第4股非變換原料氣混合，經換熱、1#變換氣分離器S804、3#變換氣分離器S805、4#變換氣分離器S806后得到一定氫碳比的變換氣。

圖2 變換裝置流程示意注：S801-原料分離罐；S802-原料氣過濾器；S803-淬冷過濾器；S804-1#變換氣分離器；S805-3#變換氣分離器；S806-4#變換氣分離器；R801-第一變換爐；R802-第二變換爐；R803-第三變換爐

圖2中粗線部分為大管徑管道，當管徑大于DN800時，管道布置及應力計算困難，且管道和閥門價格要高出數倍，投資上不經濟。因此，圖中粗線大管道在5系列和6系列情況下管徑均保持在DN800(這是目前工業制造能力最大的無縫鋼管)。分別計算不同系列數時大管徑管件及其介質參數，變換裝置5系列的平均流速為18.4m/s，6系列平均流速為15.9m/s。根據以往項目經驗，變換裝置在經濟流速下的總壓降在0.45MPa左右，其中，管道壓降占整個裝置的25%左右。根據以上信息，經計算得出在5系列和6系列中，管線的壓降分別為～85kPa和～63kPa，即5系列變換裝置的壓降比6系列大了約22kPa。

2.2 酸脫裝置系列數對工藝管道系統壓降的影響

酸脫裝置的目的是脫除變換氣中的二氧化碳和少量的硫化氫、羰基硫等硫化物，避免后續甲烷化裝置鎳基催化劑的中毒，主流程示意見圖3。變換氣經一系列換熱器冷卻后進入酸性氣體脫除單元，經原料氣/凈化氣換熱器和凈化氣換熱，由原料氣深冷器換熱冷卻至一定溫度，然后進入氨洗滌塔，采用鍋爐給水BFW洗滌原料氣。來自界區外的鍋爐給水首先經鍋爐給水冷卻器冷卻至常溫后再進入氨洗滌塔，經洗滌后原料氣中的NH3和HCN含量降低，洗滌水排出界外。原料氣出氨洗滌塔塔頂時，噴入一小股甲醇防止低溫下水結冰，最后，原料氣經終冷換熱器和冷的凈化氣換熱，再進一步冷卻后進入吸收塔。

圖3 酸脫裝置流程示意

圖中的粗線表示主工藝管道，可以看出，酸脫工序的主工藝流程較短。根據以往項目工程經驗，整個酸脫裝置的壓降在0.2～0.3MPa。計算表明，無論是5系列還是6系列，酸脫裝置的主工藝管線中均沒有超過DN800的管道。因此，在5系列和6系列之間選擇時，系列數對酸脫裝置的壓降基本沒有影響。

2.3 甲烷化裝置系列數對壓降的影響

甲烷化裝置是煤制天然氣核心裝置，主流程示意見圖4。凈化氣經換熱后與一定量的中壓蒸汽混合，經氣液分離罐進入脫硫槽R1005，使硫含量降至一定含量，原料氣經換熱升溫后分成兩股。第1股原料氣與循環氣混合后進入第一高溫甲烷化反應器R1001，產品氣經蒸汽過熱器、廢熱鍋爐降溫后與第2股原料氣混合，并進入第二高溫甲烷化反應器R1002，產品氣經蒸汽過熱器、循環氣換熱器降溫后再分成兩股，其中一股產品氣經冷卻、分離、換熱后作為原料稀釋氣繼續參與反應，另一股產品氣直接進入第一低溫甲烷化反應器R1003發生甲烷化反應提高產品氣中甲烷化含量，隨后經過冷卻、分離、換熱后進入第二低溫甲烷化反應器R1004發生深度甲烷化反應，最后經過一系列換熱、氣液分離得到符合要求的天然氣產品。

根據計算發現，2號主甲烷化反應器(R1002)出口有一股物流循環回1號主甲烷化反應器(R1001)，且此股物流流量較大(廢鍋及過熱器旁2路調節設置在廢鍋和過熱器內部，故不在此考慮)。這導致了甲烷化裝置的大管徑管道主要集中在此循環圈內。圖中粗線所示的管線即為大管徑管道。

圖4 甲烷化裝置流程示意注：R1001—第1高溫甲烷化反應器；R1002—第2高溫甲烷化反應器；R1003—第1高溫甲烷化反應器；R1004—第2高溫甲烷化反應器；R1005—脫硫槽；K1001—循環氣壓縮機；S1001—循環氣分離器；S1002—第1低溫甲烷化反應氣分離罐；S1003—SNG產品分離罐

根據設計經驗，5系列時甲烷化裝置的壓降為0.9MPa。隨后根據不同布置條件下的計算表明，5系列大管徑管道的壓降為12.9kPa，6系列時大管徑管道的壓降為8.0kPa，即5系列時的壓降比6系列僅大了4.9kPa。

3 結語

綜合以上對比結果可知，從變換、酸脫到甲烷化裝置，5系列比6系列工藝管路系統總壓降約高27kPa，差別不大，壓降變化主要集中在變換裝置區。通過模擬計算，在單純考慮工藝系統管道壓降變化時，5系列方案中天然氣增壓機的功耗比6系列高301kW。若電價按照0.47元/(kW·h)計算，則年運行費用增加約113.2萬元。

[1]肖曉愚.關于煤制天然氣項目技術指標的探討與建議[J].化肥設計，2014，52(6)：1-4.

[2]晏雙華，雙建永，李繁榮，胡四斌，裴林，趙波濤.煤氣化技術方案的選擇對煤制天然氣項目中甲烷化裝置的影響[J].化肥設計，2012，50(6)：27-28.

修改稿日期：2017-06-03

Study on the Influence of Train Units on Pressure Drop of Process Pipe in Coal-to-SNG Projects

LU Wen-xin，ZHANG Da-zhou，YAN Yi-gang，KONG Qiu-sheng，YAN Shuang-hua

(Wuhuan Engineering Co.，Ltd.，Wuhan Hubei 430223，China)

Pressure drop of the process pipes is an important parameter in Coal-to-SNG Projects.This essay analyzes the pipe pressure drop of the shift reaction，rectisol and methanation lines when adopting five trains and six trains.According to the research，the total pressure drops of the pipeline system when adopting five trains are higher than the pressure drops of adopting six trains for about 27kPa and the power consumption of natural gas compressor is also higher for about 301 kW with more annual operation cost for about 1.132 million CNY.

Coal-to-SNG；train units；shift reaction；rectisol；methanation；pipeline pressure drop

盧文新(1982年—)，男，山東魚臺人，2010年畢業于華東理工大學化學工程專業，博士，高級工程師，現主要從事技術創新和管理工作。

10.3969/j.issn.1004-8901.2017.04.004

TQ545

B

1004-8901(2017)04-0011-03