合成气高温甲烷化绝热固定床工艺数值模拟

发布时间：2020-07-01 02:56

【摘要】：经济高速发展与环保政策的双重作用导致我国对天然气这一优质能源的需求量持续增长,而我国属于“贫气、富煤”的资源分布,将煤炭转化为天然气不但能缓解国内天然气需求量,也利于优化现有能源结构。煤制合成天然气(简称煤制气)技术使煤炭通过煤气化反应得到合成气,再将合成气经甲烷化反应生产合成天然气,对实现上述的构想具有重要意义。甲烷化是煤制气的核心单元,其技术难点在于耐高温催化剂的研究开发、与催化剂相适应的反应器及相关流程设计。某公司基于其煤制气项目与本课题组合作,开展甲烷化关键技术的相关研究,本文在课题组已研制出的AM-830催化剂的基础上,为其设计合适的甲烷化工艺流程。经调研从现有技术中设计了三个代表性的绝热固定床工艺方案,即基于Davy工艺流程的方案一、基于Tops(?)e工艺一反循环流程的方案二与基于Tops(?)e工艺二反循环流程的方案三。针对AM-830催化剂设计的三种工艺方案,首先建立甲烷化流程的数学模型,包括反应器模型、流程中流股混合模型与压缩机模型和物性参数的计算,并使用模型验证了实际工厂甲烷化装置的生产数据。然后利用MATLAB软件平台对三个方案的工艺流程进行模拟,其中每个方案均考虑两种不同进料条件。在模拟的基础上对工艺流程的压缩功耗进行优化,以主反出口温度为约束条件,在保证主反温控的条件下寻求工艺流程的最优分流比使循环比处于最低值,从而使各方案在其最优的节能性能下进行计算,考察主反出口温度处于610℃、620℃...700℃共10个温度点时工艺的压缩功耗、催化剂费用、甲烷收益与蒸气收益(发电)。模拟计算结果表明:(1)合理地控制分流比与循环比,能有效实现主反出口温度的控制并降低压缩功耗;(2)主反温度适当提高、合适的进料条件对甲烷化工艺的收益有利;(3)方案一以其先分流,一反分流进料与二反产品气循环混合的循环、分流方式极大地减小了压缩功费用,从压缩功耗方面来评价方案一的设计最佳,但从整体收益方面分析,方案三最合适;(4)循环比对压缩功耗与蒸气收益的影响是对立的;(5)在各方案的压缩功耗与蒸气收益中,压缩功消耗的费用远不及蒸气发电产生的效益,在模拟甲烷化工艺时需注意对蒸气收益的优化。
【学位授予单位】：厦门大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TE665.3
【图文】：

国内天然气,消费量

１．１煤制合成天然气逡逑我国正处于现代化和城市化的快速发展阶段，对天然气这一优质能源的需求逡逑愈发突出［１］。从图１．１可以看出国内总的天然气消费量不断增长，而消费增长率逡逑有所起伏，虽然在２０１５受全球经济影响煤炭和石油价格大幅下降，天然气也紧逡逑随其后，使当年消费增长率处于最低。但受宏观经济、环保方面的政策的推动，逡逑２０１６至２０１７年天然气消费的增长率又大幅提升。为了缓解国内天然气需求，国逡逑家除了扩大天然气进口，在“十二五”期间便开展“西气东输”、“川气东送”逡逑等工程［２］，但天然气进口有国际因素制约，而我国“富煤少气”的格局更限制了逡逑输送工程的作用。结合我国现有的能源结构，将丰富的煤炭转化为天然气正符合逡逑国家战略要求，而实现这一转变的关键则是煤制天然气（ＣＳＮＧ）技术。逡逑？２５００逦２５逡逑裳邋２００。＊＼逦２０逡逑３１５00逦＼逦／逦１５＾逡逑＿丨000逦＼邋ｇ邋／邋１0邋半逡逑｜５0０逦：：５邋＾逡逑0邋0逦—逦Ｍ逦＾寸丨ｎ逦0卜0逡逑00000000逡逑ｒ＾ｌ逦ＣＮ逦ＣＮ逦ｆＮ逦ｒｖ｜逡逑年份逡逑消费ｓ逦—＊一增长率逡逑图１．１邋２０１０－２０１７年国内天然气消费量［３］逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｄｏｍｅｓｔｉｃ邋ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｎａｔｕｒａｌ邋ｇａｓ邋ｆｒｏｍ邋２０１０邋ｔｏ邋２０１７逡逑从２００９年国家在煤化工的相关政策［４］中提出要开展关于煤制气的示范工作逡逑后

标准平衡常数,甲烷化,体系,甲烷化催化剂

积碳反应会使催化剂失活，故原料气中一般会存在一定量水蒸气以避免（Ｒｅ．４）逡逑与（Ｒｅ．５）发生。则在甲烷化体系中主要考虑甲烷化和水煤气变换反应（Ｒｅ．ｌ）逡逑至（Ｒｅ．３），从图１．３可知温度升高将会使（Ｒｅ．ｌ）和（Ｒｅ．２）的平衡常数降低，逡逑但相对而言温度对（Ｒｅ．３）的影响较低，对（Ｒｅ．ｌ）和（Ｒｅ．２）的影响则比较显逡逑著，在温度接近６００°Ｃ时，受热力学限制甲烷化反应将无法进行，可见温度过高逡逑在热力学上不利于甲烷化反应。逡逑４０－，逦逦逡逑逦Ｒｅ．ｌ逡逑逦Ｒｅ．２逡逑３０邋－逦逦Ｒｅ．３逡逑２０＇＼逡逑Ｖ、、逦逡逑暑逡逑－２０－１逦．逦．逦．逦，逦逡逑２００逦４００逦６００逦８００逦１０００逦１２００逡逑Ｔ／邋°Ｃ逡逑图１．３甲烷化体系各反应标准平衡常数－温度变化情况逡逑Ｆｉｇ．邋１．３邋Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ邋ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ邋ｏｆ邋ｓｔａｎｄａｒｄ邋ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ邋ｃｏｎｓｔａｎｔ逡逑ｆｏｒ邋（Ｒｅ．ｌ），邋（Ｒｅ．２）邋ａｎｄ邋（Ｒｅ．３）逡逑１．２．２甲烷化催化剂逡逑甲烷化催化剂一般是氧化物负载型催化剂，其活性组分主要为周期表中珊族逡逑的元素，还包括Ｍｏ与Ａｇ，各按其活性从大至小［１３］排列：Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｎｉ．、Ｃｏ、逡逑Ｏｓ、Ｐｔ、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ａｇ。在这些组分中催化活性比较好且稳定的有Ｒｕ、Ｐｄ逡逑一类的贵金属

【参考文献】