典型甲烷化工艺技术的综合能耗分析

典型甲烷化工艺技术的综合能耗分析
摘要：我国是一个富煤、贫油、少气的国家，随着经济发展和城市化的推进，我国天然气消费量将迎来快速增长期；适度发展煤制天然气，可以有效增加国内
天然气供给，降低对外依存度，提高国家能源安全。

甲烷合成装置是煤制天然气
工厂的核心装置，要提高煤制天然气工厂的经济效益，需要对甲烷合成装置的工
艺技术进行不断的创新和改进，降低装置投资和运行消耗。

基于此，本文主要对
典型甲烷化工艺技术的综合能耗进行分析探讨。

关键词：典型甲烷化；工艺技术；综合能耗
前言
随着近几年国内天然气的需求与日俱增，政府一方面积极从国外进口天然气，一方面根据我国“缺油、少气、富煤”的能源结构，积极发展煤制天然气（ＳＮＧ）工业，实现煤的就地转化，减少运输成本，同时作为战略技术储备来确保我
国的能源安全。

甲烷化作为煤制天然气流程中最重要的甲烷合成工段，工艺技术
的选取是煤制天然气项目的重点工作之一。

本文选用当前国际上比较流行的、已
商业化运行的托普索ＴＲＥＭＰＴＭ甲烷化技术和戴维ＣＲＧ甲烷化技术进行对比，对两种甲烷化技术的余热回收以及综合能耗进行了综合计算比较，供同行参考。

1、甲烷化工艺原理
甲烷化是将原料气中的ＣＯ及ＣＯ２与Ｈ２通过甲烷化反应生成合成甲烷，
甲烷化反应原理如下：
ＣＯ＋３Ｈ
２ＣＨ
４
＋Ｈ
２
ＯΔＨ０＝－２０６ＫＪ／ｍｏｌ
ＣＯ
２＋４Ｈ
２
ＣＨ
４
＋２Ｈ
２
ＯΔＨ０＝－１６５ＫＪ／ｍｏｌ
2、甲烷化技术概况
甲烷化反应是在催化剂作用下的强放热、体积缩小的反应。

反应放热量取决
于反应原料气中的ＣＯ含量，每１％的ＣＯ转化成ＣＨ
，气体绝热升温可达６
４
０℃～７０℃。

大量的放热不仅使反应床层温度过高，容易造成催化剂热失活，
同时过高的反应床层温升还使得甲烷化反应易于受到热力学平衡限制而降低反应
转化率。

因此在以生产ＳＮＧ为目的的合成气完全甲烷化工艺中，反应床层温度
的控制是该工艺最关键的问题。

目前各种商业化运行的完全甲烷化工艺的不同之
处也正是如何实现反应床层温度的控制。

气体循环工艺是最常用的反应床层温度
控制手段。

通过循环部分反应器出口的合成气至反应器的入口，稀释反应器入口
原料气中ＣＯ浓度，从而使得甲烷化反应的温升得到有效控制。

同时为减少大量
气体循环导致的庞大设备投资及运行费用，循环系统又可以通过气体分流来加以
改进优化。

典型的甲烷化工艺流程见图１。

图１甲烷化工艺流程
甲烷化工艺流程主要包括三部分，气体净化段、主甲烷化段及补充甲烷化段，各阶段的功能：
（１）气体净化段：在气体净化段，主要功能将硫等对甲烷化催化剂有毒的
杂质移除。

（２）主甲烷化段：超过９０％的ＣＯ和Ｈ２被转化为ＣＨ４和水。

由于甲
烷化反应是一个强烈放热的过程，通过循环部分反应器出口合成气至反应器入口
来保证甲烷化放热反应不会飞温。

（３）补充甲烷化段：根据原料气的规格及产品要求，通过降低反应温度及
反应气中的含水量，其目的使反应向有利于生成物的方向进行，来获得含有高浓
度ＣＨ４的ＳＮＧ产品。

2.1托普索TREMPTM甲烷化
托普索公司开发甲烷化工艺技术采用托普索专利甲烷化催化剂ＭＣＲ－２Ｘ，该催化剂可在宽温区（２５０～７００℃）范围内保持稳定的活性，整个甲烷化
装置设置４或５段（根据出口ＣＯ浓度要求，可调整反应器数量）甲烷化绝热反
应器，主反应器出口设置中压废锅或高压废锅，并利用过热器将蒸汽过热后送全
厂蒸汽管网，利用部分气体循环控制反应器温度。

利用其催化剂可在高温下进行
反应的性能，也可以降低循环气量，减少压缩能耗。

托普索ＴＲＥＭＰＴＭ甲烷
化工艺流程见图２。

图２托普索ＴＲＥＭＰＴＭ甲烷化工艺
2.2戴维CRG甲烷化工艺
ＣＲＧ技术最初是由英国燃气公司（ＢＧ公司）在６０年代末期和７０年代
初开发的，是将容易获取的液体馏分作为原料来生产低热值城市煤气的工艺流程
中的一部分戴维ＣＲＧ甲烷化工艺流程见图３。

图３戴维ＣＲＧ甲烷化工艺
3、甲烷化工艺比较分析
为统一比较基准，典型粉煤气化进甲烷化装置的原料气规格见表１。

表１原料气规格
处理气量：２３８３９２Ｎｍ３／ｈ；温度：３０℃；压力：３.０５ＭＰ
ａ（Ａ）。

3.1两种工艺流程比较
两种甲烷化工艺流程主要区别：
（１）托普索ＴＲＥＭＰＴＭ甲烷化工艺在主甲烷化反应器之前增加了一台
ＧＣＣ调节反应器，原料气在ＧＣＣ调节反应器中通过ＣＯ变换反应一方面降低
了进主甲烷化反应器原料气中的ＣＯ含量，从而避免了主甲烷化反应器的超温，
同时降低了循环气量，减少了循环气压缩机的功耗，另一方面在ＧＣＣ反应器中
通过ＣＯ变换反应的反应热将原料气提温至３２０℃来满足甲烷化反应的起活温度。

（２）托普索ＴＲＥＭＰＴＭ甲烷化工艺主甲烷化反应器出口温度６７５℃，高于戴维ＣＲＧ甲烷化反应器６２０℃的出口温度，高的出口温度在一定程度降
低了循环气压缩机的功耗。

3.2装置余热回收工艺比较
３.２.１托普索ＴＲＥＭＰＴＭ甲烷化技术余热回收工艺
托普索ＴＲＥＭＰＴＭ甲烷化技术采用废锅、过热器及汽包产中压过热蒸汽
的热回收系统见图４。

来自１＃主甲烷化反应器的６７５℃的高温合成气进１＃
废锅的换热管与锅炉给水进行换热，产生中压饱和蒸汽经汽包上升管进汽包后，
未蒸发的水再经下降管回到废热锅炉，形成自然循环。

来自２＃主甲烷化反应器
的５８０℃高温合成气分为两股，一股进２＃废锅产中压饱和蒸汽，另外一股过热来自汽包的中压饱和蒸汽至４００℃后送往全厂蒸汽管网。

图４托普索ＴＲＥＭＰＴＭ甲烷化技术产中压过热蒸汽的余热回收系统
３.２.２戴维ＣＲＧ甲烷化技术余热回收工艺
戴维ＣＲＧ甲烷化技术采用废锅、过热器及汽包产中压过热蒸汽的热回收系统见图５。

来自１＃主甲烷化反应器的６２０℃的高温合成气进１＃废锅的换热管与锅炉给水进行换热，产生中压饱和蒸汽后工艺气温度降至４３９℃。

接着进过热器过热来自汽包的中压饱和蒸汽至４００℃后送全厂蒸汽管网。

来自２＃主甲烷化反应器的６２０℃高温合成气全部进２＃废锅产中压饱和蒸汽。

图５戴维ＣＲＧ甲烷化技术产中压过热蒸汽的余热回收系统
两种甲烷化技术的工艺热量回收利用状况见表２，由于托普索ＴＲＥＭＰＴＭ甲烷化技术送出界区的工艺冷凝液为７６℃，戴维ＣＲＧ甲烷化技术送出的工艺冷凝液为１１８℃，为了统一两种技术的余热比较基准，将戴维工艺送出界区的工艺冷凝液划分为两部分，第一部分为１１８℃到７６℃按利用预热脱盐水考虑，第二部分７６℃到４０℃按未利用考虑。

根据表２，除去压缩机输入热量，托普索ＴＲＥＭＰＴＭ甲烷化技术反应释放的总热量为６４７.２５ＧＪ／ｈ，未利用热量为１３.４６ＧＪ／ｈ，总热量利用率为９８.９６％，其中８４.８２％的热量用于副产中压过热蒸汽得以回收，１４.１４％的以预热除盐水的形式得以回收。

对于戴维ＣＲＧ甲烷化技术反应释放的总热量为６４７.１９ＧＪ
／ｈ，未利用热量为１３.３６ＧＪ／ｈ，热量利用率为９９.２２％，其中８４.７３％的热量用于副产中压过热蒸汽得以回收，１４.４９％的以预热除盐水的
形式得以回收。

3.3综合能耗
为统一比较标准，在计算综合能耗时，不考虑原料气的输入和产品的输出，两种甲烷化技术的公用工程消耗和综合能耗指标见表2。

从表2可见，托普索甲烷化技术，每生产１０００Ｎｍ３的ＳＮＧ，可以输出１２.０２ＧＪ的能量；戴维甲烷化技术，每生产１０００Ｎｍ３的ＳＮＧ，
可以输出１２ＧＪ的能量。

4、结语
综上所述，两种甲烷化技术并无根本性的区别，公用工程消耗、余热的回收利用及装置能耗都比较接近，同时两种甲烷化技术都已经在商业化运行的大型煤
制ＳＮＧ装置中得到了验证，在具体项目执行的过程中还应该考虑装置投资、催
化剂消耗、装置的适应性等方面进一步比较分析。

参考文献
[1]刘光启、马连湘、项曙光．化学化工物性数据手册·无机卷［M］．化学
工业出版社，2013.1
[2]周明灿．变换甲烷化一体化煤制天然气工艺探讨［J］．化工设计，2016，(2)．。