无循环甲烷化:助力中国煤制天然气逆袭?

煤制天然气产业除了面对环保、资源、资本等问题之外,技术、装备国产化是产业发展、项目示范的重中之重。关键技术国产化替代、项目投资大幅下降的好戏已经在煤制油煤制烯烃等领域屡屡上演。而这次即将为煤制天然气产业带来“颠覆式“革新的是一项新型甲烷化技术——无循环甲烷化工艺技术(NRMT,Non-recycle Methanation Technology)。在近日中国石油和化工工业联合会组织,由金涌院士任专家组长的科技成果鉴定会中,鉴定委员会一致认为由北京华福、大连瑞克、中煤龙化联合开发的无循环甲烷化新技术“综合水平达到国际先进水平”,实现甲烷化技术国产化,打破国外技术的垄断。

颠覆在哪里

目前工业化的甲烷化技术主要有英国Davy甲烷化技术、丹麦Topsoe甲烷化技术和德国Lurgi甲烷化技术。截至目前,我国已开车和在建的4套煤制天然气项目全部引进国外甲烷化技术。煤制天然气甲烷化技术的国产化迫在眉睫。

现有甲烷化技术都设有循环气压缩机,通过循环气的稀释来调节反应温度,均为循环甲烷化工艺,也就带来能耗高。与该类技术相比,“无循环甲烷化工艺技术“具有如下优点:

(1) 投资降低,取消了循环气压缩机系统,节省投资20%以上;

(2) 系统节能,与循环工艺相比,运行能耗降低25%以上;以13亿方煤制天然气装置为例,仅节能就节省成本达2000万—3000万元/年;

(3) 通过氢碳比分级调节,系统飞温的可能性降低,运行更加平稳、安全,产品质量更趋稳定。

无循环甲烷化工艺(NRMT,Non-recycle Methanation Technology)由北京华福、大连瑞克、中煤龙化合作开发。在以上方面取得的重大突破意味着甲烷化技术国产化时代已经来临!现有甲烷化技术国外垄断的局面真正被打破。这是国产化甲烷化技术的一次完美“逆袭”,也将助力中国煤制天然气竞争力进一步提升,大幅提振中国煤制天然气产业信心!

奇迹的发生看似偶然,其实其中往往蕴含必然。

北京华福工程有限公司在煤化工、石油化工、炼油领域深耕多年,在能源化工领域业绩卓著——华福EPC+M总承包的乌兰大化肥项目,产能达135万吨/年合成氨、240万吨/年尿素;华福参与联合项目管理(IPMT)的神华宁煤400万吨/年煤炭间接液化项目是国内最大的煤化工项目;同时华福工程拥有数十个煤制甲醇、煤制合成氨、尿素以及煤炭清洁利用项目。

另外,华福承接的翔鹭石化450万吨/年PTA项目,为世界规模最大的PTA生产线,已列入国家石化产业调整振兴规划;华福设计的山东京博25万吨/年混合烷烃脱氢项目,以液化气为原料,生产环氧基丙烯和化工级MTBE,为国内第一套、世界第二套C3/C4混合烷烃脱氢项目;华福采用“浮式LNG液化再气化储存装置管线柔性设计技术”设计的美国BV公司船用LNG装置为世界首套浮式LNG装置。

技术研发历程回顾

无循环甲烷化工艺技术的完美“孕育”,背后是北京华福研发团队研发团队还长达数年智慧和心血的潜心投入。以下是无循环甲烷化工艺技术研发历程首次公开全“剧透”。

一、研发里程碑节点

2008年9月,项目研发启动;

2009年10月,催化剂研制成功;

2011年10月,实验室小试完成;

2013年4月,中试设计启动;

2014年2月,中试装置建成;

2014年10月,中试装置单级反应器投料;

2014年11月,中试装置全流程打通;

2015年10月,中试装置连续稳定运行并标定;

二、投料试车

中试装置建设于中煤龙化公司厂区内,依托厂区原料气、中压蒸汽、中压氮气、低压氮气、锅炉水、循环水以及电力等公用设施。

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原料气有两种,一种为甲醇系统的膜分离富H2气,另一种为低温甲醇洗后的净化煤气即富CO气。

装置规模:原料气处理量1000Nm3/h,产品合成天然气产量333 Nm3/h。

产品规格:CH4>95%,H2<2%,CO<0.01%,CO2<1%。

1、全流程打通(第一阶段工作)

2014年11月14日-12月5日(在-30℃的情况下)进行了系统第一次投料试运行,各方面运行数据正常、平稳, 全流程打通,连续运行20天。

2、装置测试(第二阶段工作)

2015年6月13日至2015年6月16日进行了为期3天的装置测试, 产出了合格产品。

3、连续稳定运行(第三阶段工作)

2015年10月17日1:40装置第二次投料,8:30产品气甲烷含量达到了95.89%,中午11:30左右开启了产品气回收系统,至此产品气正式并入了产品天然气管网。

10月17日至10月23日(现场标定前)部分运行数据:

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由图可以看出,自装置投料后,短时间内实现了稳定运行,产品质量达标,装置运行期间整体稳定,原料气供气量约为1000Nm³/h。产品CH4含量在95%以上,最高达到了97.79%,CO未检出,CO2含量<1%,H2含量<2%。产品合成天然气最高产量达到了650Nm3/h,系统压降在0.2MPa左右。运行期间各个反应器入口温度控制在220-250℃,1、2、3级反应器热点温度控制在670-690℃。4级反应器控制热点温度为450-500℃,5级反应器控制出口温度为220-250℃。各项指标达到了设计要求。

三、装置72小时标定

2015年10月17日,北京华福向中国石油和化学工业联合会(简称“石化联合会”)提出“无循环甲烷化技术”鉴定申请,石化联合会组织专家对“无循环甲烷化中试装置”进行72小时现场标定。

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标定结论:

  • 中试装置标定时间内连续稳定运行,计量、分析化验准确,符合标定要求;
  • 中试装置集成了“无循环甲烷化工艺”、“氢碳比分级调节”、“耐高温型甲烷化催化剂”和“内置废热锅炉甲烷化反应器”等创新技术,并于中试装置标定运行中得到了验证 ;
  • 运行参数达到了设计要求。

四、高负荷运行试验

2015年10月29日9时至17时中试装置进行了高负荷测试试验,测试过程中,装置最大原料气处理量为1751Nm3/h,最大产品量为585Nm3/h,产品质量达标,CH4含量达到97.78%。

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技术鉴定:国际先进!

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2015年11月23日,中国石油和化工工业联合会在北京组织召开了“无循环甲烷化工艺技术”鉴定会。由金涌院士任专家组长的鉴定委员会在听取了技术研究报告、考核报告、查新报告等汇报,审查了相关技术资料,经质询、讨论之后,形成最终鉴定意见:

1、提供的鉴定资料规范齐全,数据详实,符合鉴定要求。

2、开发了新型无循环甲烷化工艺技术,主要创新点如下

(1)开发的新型无循环甲烷化工艺,采用了五级串联反应器,通过富H2气和富CO气按比例逐级加入,控制H/C比及反应温度,无需循环气压缩机,节能效果明显。

 

(2)开发的H/C比分级调节技术,通过富CO气逐级加入控制反应器入口H/C比,进而控制反应温度,控制手段灵活方便。

 

(3)使用了自主研发的新型耐高温型甲烷催化剂。

 

(4)开发的新型甲烷化反应器,采用轴向结构,内置废热锅炉,利用气冷壁技术,无需耐火砖,简化了结构。

3、采用该技术在中煤能源黑龙江煤化工有限公司建成工业侧线中试装置,进气量为1000Nm3/h,通过现场72h连续运行考核,结果表明:CO转化率>99.9%,CH4含量>95%,H2含量<2%,CO2<1%,N2~2%,系统压降<0.2MPa。

鉴定委员会认为,该成果开发了新型无循环甲烷化工艺,创新性强,具有自主知识产权。该工艺节省了循环压缩机的投资和相应能耗,节能效果明显,具有较好的应用前景,综合技术水平达到国际先进水平。

产业化前景可期

一致看好的鉴定意见让华福团队倍感欣慰,同时也为未来产业化应用确立了高起点。目前实施中的工程示范项目有:

  • 内蒙古港原化工有限公司年产1亿Nm3 LNG项目
  • 新疆胜沃能源开发有限公司年产3亿Nm3LNG项目
  • 贵州六盘水年产4亿Nm3煤制天然气项目 (城市燃气 )
  • 山西襄矿集团年产1亿Nm3LNG项目

中国煤制天然气产业在有条不紊的推进中,面对这样那样的问题和质疑,产业健康发展最需要的是切实去解决问题,加大创新突破。随着不断涌现的诸如无循环甲烷化工艺技术等国产化工艺技术创新突破,我们有理由相信中国煤制天然气产业发展将不断得到优化提升,未来产业前景值得期待!

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