典型甲烷化工藝技術的綜合能耗分析

路廷 郭波

摘要：文章針對當前主流的甲烷化技術進行介紹，對兩種技術在余熱回收、綜合性能耗等方面對比分析。甲烷化是煤制天然氣流程中最主要的環節，工藝技術的選擇是煤制天然氣項目建設的重點。目前國際上流行且被商業化的托普索TREMP、戴維CRG甲烷技術，文章對這兩種技術進行對比分析，綜合計算，對比能耗為甲烷化工藝技術的運用提供借鑒參考。在當前的背景下重視技術創新、能源節約已經成為趨勢。

關鍵詞：甲烷化;余熱回收;綜合能耗;分析

天然氣是一種清潔能源，具備高效無污染的特征，并且在現代能源需求供應不足的背景下受到重視，當前各個地方政府正在積極推進煤改氣工程，通過政府 引導以及政策響應等方式來降低煤燃燒帶來的污染。最近幾年國內對天然氣的需求與日俱增，因此我國還需要從國外引進天然氣，過程復雜的同時很被動。因此我國在積極根據“缺油、少氣、富煤”的現狀積極調整能源結構，發展煤制天然氣來實現煤的轉化，降低成本以及實現戰略技術儲備。

1. 對甲烷化技術的認識

甲烷化是將原料當中的CO、CO2、H2等通過甲烷化反應來生成甲烷。主要過程是甲烷在催化劑作用下放熱、體積縮小的一個過程。反應放出熱量取決于原料氣內含有的CO量，每當有1% 的CO轉化為CH4， 氣體絕熱升溫就可以達到60～70℃左右。明顯的大量放熱現象不僅讓反應床溫度快速升高，甚至會出現明顯的催化劑失活現象;在高溫作用下反應床升溫快還會導致甲烷化反應受到熱力學平衡限制，從而降低反應轉化率。因此生產煤制天然氣的過程當中控制反應床溫度成為工藝技術難點。目前各種商業化運行的完全甲烷化工藝的不同之處也在于不同研究人員致力于使用不同的方式來控制反應床的溫度。其中最常見的工藝也是反應床溫度控制手段，通過循環部分反應器出口合成氣抵達反應器入口之后，稀釋反應器入口原料氣當中的CO，被稀釋之后甲烷化反應的升溫現象得到有效的控制，同時為了減少大量氣體循環對工藝造成影響，降低設備投資、設備運行費用等。典型系統當中又存在能夠通過氣體分流的技術，對經典甲烷化工藝流程起到優化作用。

甲烷化工藝流程主要包括三個部分，分別是凈化氣體、主甲烷化段、補充甲烷化段，不同部分功能與操作工藝都存在不同：①凈化氣體階段主要功能就是將對甲烷化催化劑有毒的物質清除干凈，比如硫等;②主甲烷化段階段，在這個階段內超過90%的CO與H2均會被轉化成為CH4與水。因為甲烷化反應的過程主要是強烈放熱，通過循環部分的反應器出口合成氣到反應器入口，該環節可以保證甲烷化反應不會出現劇烈的溫度變化;③補充甲烷化段，根據原料氣的成分、生產產品的要求等，降低反應溫度、反應器中的含水量。主要的目的是幫助反應向生成物快速生成，從而獲得更高濃度的CH4、煤制天然氣產品[1]。

2. 經典甲烷化工藝

2.1 托普索TREMP甲烷化工藝

該公司開發甲烷化工藝技術，使用專利催化劑，該催化劑的適用溫度范圍為250℃～700℃，在該范圍內均可以保持活性，整個甲烷化裝置設置段數可以根據反應需求來進行具體調節，主反應器出口設置中壓廢鍋、高壓廢鍋均可，通過過熱器將蒸汽進行加熱，之后將其輸送到全廠的蒸汽管網當中，利用部分氣體的循環來控制反應器溫度。根據催化劑能夠在高溫狀態下發生反應的性能來降低能耗，該催化劑也可以在高溫狀態下降低循環氣量。托普索TREMP甲烷化工藝使用的優勢在于：①能夠產出高壓、中壓過熱蒸汽來驅動大型壓縮機，能量利用率、消耗率都非常高;②熱回收率非常高，從理論上得到相關結論，該工藝的熱回收率可以達到84%，可通過副產品加熱、預熱鍋爐給水、預熱除鹽水等方式來實現對余熱的回收;③ 使用GCC調節來降低主甲烷化反應器內的CO含量，控制反應器超溫的現象，將其系統內循環氣的流量，從而進一步降低循環氣壓縮機的功耗;④生成產品的品質優良，其中甲烷含量高達94%～97%。高位熱值8900～9100kcal/Nm3，產品中僅含有部分其它組分。

2.2 戴維CRG甲烷化工藝

CRG技術最早由英國提出，英國BC公司在70年代初期開發并且運用，該技術是將容易獲取的液體餾分作為原料，生產低熱值城市煤氣的工藝。在20世紀70年代、80年代初期，BC公司將研發精力集中在煤氣化方面，同時研發出熔渣氣化爐，即BGL爐，在開發當中CRG催化劑工藝作為BGL爐的一部分被開發與運用，在運用過程中將來自氣化爐的含有大量氫氣、一氧化碳的氣體來進行大量甲烷化工藝。2008年我國大唐克旗煤制天然氣項目與戴維公司簽訂轉讓合同，該項目使用戴維的CRG甲烷化工藝生成煤制天然氣，總共分為三個規模系列，單系列生產煤制天然氣規模達到13.3億。

戴維CRG甲烷化工藝的特征：①可以副產高壓、中壓蒸汽，可以驅動大型壓縮機，能量利用效率高;②熱回收效率高，從理論上分析約有84%的工藝余熱，在副產過熱蒸汽、預熱鍋爐給水、預熱除鹽水當中呈現出來;③回收天然氣品質高，其中的甲烷回收量為94%～97%，產品當中其他組分比較少[2]。

3. 甲烷化工藝比較分析

3.1 工藝流程比較

托普索TREMP甲烷化工藝生產中規增加了GCC調解反應器，原料氣在GCC調解反應器的作用下通過CO變化反應降低了原氣當中含有的CO量，該形式可以避免主甲烷化反應器超溫，同時也可以降低循環氣量，減少系統內壓縮機的功耗;另一方面GCC反應器當中通過CO變換反應熱來實現氣體加熱，達到甲烷化反應的起活溫度。

戴維CRG甲烷化工藝高與托普索TREMP甲烷化工藝相比溫度更高，高的出口溫度降低了循環氣壓縮機的功耗。

3.2 余熱回收比較

托普索TREMP甲烷化工藝使用廢鍋、過熱器等來組合成的熱回收系統。主甲烷化反應器來的高溫合成氣進入到廢鍋之后，與水進行換熱，生產出中壓飽和蒸汽，進入內部部件之后未經蒸發的水再經過下降管回到廢熱鍋爐當中，形成自然循環的狀態。同時來自另外一個的反應器內的高溫合成器分為兩股，一股進入到廢鍋產中飽和蒸汽;另外一股送至蒸汽過熱器加熱中壓飽和蒸汽之后，過熱蒸汽送往全廠蒸汽管網[3]。

戴維CRG甲烷化工藝較前者相比，CRG送出的副產蒸汽溫度更高。在余熱回收方面，TREMP的甲烷化工藝小于CRG甲烷化工藝技術。

3.3 綜合能耗

甲烷化裝置當中主要能耗是循環氣壓縮機，這是裝置運行的最主要成本。托普索的TREMP甲烷化技術循環氣壓縮機消耗小于戴維CRG技術，同時托普索的TREMP增加了GCC調節反應器。針對具體項目，應綜合考慮消耗與投資。

結束語：

綜上，兩者在甲烷化技術工藝中并無根本性區別，在消耗、余熱回收、裝置能耗方面都比較接近，同時兩項技術均已商業化。在具體運用過程中還應該充分考慮投資、催化劑消耗等方面。

參考文獻：

[1]王成碩. 焦爐尾氣甲烷化工藝對原料氣的適應性分析[J]. 中國石油和化工標準與質量， 2019， 039（012）：238-240.

[2]楊言江. 一種新的煤制天然氣工藝能源轉化效率計算方法及應用[J]. 化工管理， 2020， 000（015）：172-175.

[3]王賢聰， 江健榮， 馮霄，等. 不同凈化工藝下氧氣純度對合成氨流程能耗的影響[J]. 高校化學工程學報， 2019， 033（006）：1465-1472.

作者簡介：路廷（1989-07），性別：男，民族：漢族，籍貫：山西晉城，職稱：初級助理工程師，學歷：大專，單位：河南晉煤天慶煤化工有限責任公司，單位所在省市郵編：河南沁陽454550

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