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面向城镇用户的现代煤制天然气工厂概念设计研究

来源:李安学1,姜成旭1,刘永健1,施福富2,胡四斌3,王季秋1(1.辽宁大唐国际阜新煤制天然气有限责任公司,辽宁 阜新 123000;2.赛鼎工程有限公司,山西 太原 030032;3.中国五环工程有限公司,湖北 武汉 430223) 浏览次数: 日期:2013-08-17 18:33:10

  要:对“煤矿—煤制天然气工厂—城镇用户”供应链上各环节的特点进行了分析。为了保障城镇用户天然气安全稳定供应,针对其子系统—煤制天然气工厂,提出了面向城市用户的煤制天然气工厂设计应注意的问题:煤源要稳定以保证工厂需要;技术须可靠以保证稳定运性;装置多系列以降低停产影响;装备本地化以实现快速检修;系统储足气应对装置故障;符合时代性遵章守法。在此研究的基础上,给出了一个40×108m3a面向城镇用户的煤制天然气工厂的设计实例。研究结果对国内在建及拟建的煤制天然气工厂设计具有一定的借鉴作用。

    关键词:煤制天然气;城镇用户;概念设计

    中图分类号:F426.22    文献标识码:A    文章编号:02534320201212001105

 

A study on the concept deSign of modern coal-to-SNG plant for the city & town users

LI An-xue1JIANG Cheng-xu1LIU Yong-jian1SHI Fu-fu2HU Si-bin3WANG Ji-qiu1

1.Liaoning Datang International Fuxin Coal-To-SNG Co.Ltd.Fuxin 123000China2.SEDIN Engineering

Co.Ltd.Taiyuan 030032China3.China Wuhuan Engineering Co.Ltd.Wuhan 430223China

    AbstractThe paper analyzes the characteristic of the supply chainwhich involveCoal Mine-To-SNGsynergy natural gasPlant-To-Urban Users”,and summarizes the two important contradictions of the supply chainwhich contam the contradiction between the malconformation of gas consumption and the requirement of stable operation in coal chemical industrythe other contradiction between the unremittance of gas supply and the stable operation of equipment in coal chemical industry.In order to resolve the eontradictions and ensure the safety and stability of the natural gas supply for the urban usersthe problems which should be pay attention to are proposed when the Coal-To-SNG Plant is designedwhich include the stable coal resource to ensure the plants requirementreliable technology to ensun the operationserial equipments to reduce influence of suspend productionlocalizable equipment to ensure quick maintenancethe system with enough gas storage to deal with the failure of plantmatching the times to compliant lawabiding and keep advancements. Based on tbe study resultsthe author describes a design example of modern Coal-To-SNG plant for the city town userswhich can produce 40×108 Nm3 SNG per year. The resuh of the study can be used in other Coal-To-SNG Plants under construction or proposed in china.

Key wordsCoal-To-SNGurban userstechnology strategy

 

研究背景及目的

    我国“富煤、少油、缺气”的资源特点以及可持续发展的要求[1],使得高碳能源低碳化清洁利用已成为发展趋势[23]。目前国内已经形成了一股煤制天然气热潮,已核准项目4个,在建及拟建项目26[45],但目前除了《煤化工工程设计防火规范》(送审稿)外,其相关研究甚少。

    目前,我国全国性天然气管网主体框架已基本形成,但局部网络仍然存在。天然气一般有3个去向:一是直接供给工业用户;二是进入天然气管网,供应城镇用户;三是上述2种去向的结合。工业用户相对比较简单,主要是以天然气作为燃料或原料进行进一步生产,用户数量相对比较少且集中,可以将煤制天然气工厂与相关工业用户当作一个工厂(系统)考虑设计,即使中断天然气供应,所导致的也主要是经济损失。而城镇用户则相对复杂,包括居民生活、商业以及公共事业等,一旦天然气供应中断,所导致的不仅仅是经济损失,还可能发生社会事件。显然,作为管网的主气源的面向城镇用户的煤制天然气工厂的设计不仅要考虑企业经济效益,更要考虑如何保证为城镇用户安全稳定供气。

    世界唯一的一座在运行的煤制天然气工厂是1984年投产的美国大平原煤气化工厂[6],其产品天然气直接进入美国国家天然气管网,也没有直接面对城镇用户供气的运行经验。虽然我们设计时可以借鉴城市煤气工厂的运行经验,但相对城市煤气工厂,面向城镇用户煤制天然气工厂流程更长、装置更复杂。基于此,笔者对面向城镇用户的煤制天然气工厂进行了探讨,提出了在设计中需要重点考虑的6个问题。

研究对象的特点及存在的问题

    煤制天然气产业实现了煤炭资源的高效、清洁利用,是传统煤炭利用产业链的更新,具体供应链如图1所示。为使面向城镇用户的煤制天然气工厂满足整个产业的需求,针对原料、产品、用户以及煤化工装置特点进行了系统研究,以期为设计其子系统一面向城镇用户的煤制天然气工厂提供依据。

  

2.1  原料煤特点

    根据最新统计结果[7],我国煤炭保有储量达1万亿t以上,其中50%以上属于低阶煤。由于低阶煤存在水分高及灰分高等特点,使得其利用受到较大的限制。因此实现煤炭特别是低阶煤的高效、清洁利用对提高我国总体能源利用意义深远。

    我国煤炭资源的另一特点是资源分布与区域消耗不平衡,煤炭高效、经济利用存在一个合理的运输半径。目前,尽管我国铁路建设呈快速增长态势,但在未来几年,运输瓶颈仍然难以克服。利用偏远地区的煤炭生产天然气,再通过管网输送至终端市场,这种办法应为比较可行的方式之一。

2.2  天然气产品特点

    天然气的主要成分是甲烷,甲烷是无色、无味、无毒、易燃气体,常压沸点为-161.49℃,临界温度为-82.6℃,临界压力为4.59MPa,爆炸极限为5%~15%,密度比空气轻,是一种较为安全的燃气,具有绿色环保、安全可靠、热值较高(根据GB178202012要求作为民用燃料的天然气高位发热量一类需大于36MJNm3)、可压缩性大,便于天然气的长距离输送,但同时存在着不易大量储存且储存成本较高的特点。

2.3  城镇用户特点

    城市燃气是城市建设的基础设施,是现代城市的标志。由于各个城市发展水平不同,城镇燃气用户组成也各不相同,但主要由以下几种构成:居民、商业用户、工商企业用户、采暖和制冷用户、天然气汽车用户等[89]。虽然城镇用户的构成存在着差异,但通过对城镇用户的用气规律分析可以看出,城镇用户主要存在着用气需求连续性和用气不均衡性的特点。

    以北京市为例,城市燃气用户天然气消费受作息时间、气候变化、季节变化因素影响很大,不仅存在着季不均衡性,还存在着日和小时不均衡性。同时天然气作为城镇用户的生活必需品,还存在用气需求连续性的要求。

2.4  煤化工装置特点

    煤制天然气工厂由若干套化工装置组成,这些装置的特点也决定了整个工厂的特点。化工装置生产主要有以下几个特点:

    1)以“安、稳、长、满、优”为目标大批量连续生产。化工装置生产具有高温、高压、易燃、易爆的特点,潜伏着很大的危险性。在生产过程中,物流和能流都是连续、稳定的,装置之间、装置内部各工序间对各种物料配比都具有严格的要求,工序之间、设备之间、操作变量之间的耦合现象十分突出。因此,生产过程工艺参数尽量维持在最优操作工况,以保证实现安全、稳定、长周期、高负荷、高质量、低物耗、低能耗和小污染的目标。

    2)生产技术具有多种性、复杂性和综合性,装置调节难度较大。现代煤化工装置一般生产规模较大,分工细密,自动化程度高,通过管道把机、泵、塔、罐、反应器、换热器、加热炉等互相联结,是一个技术密集、多种技术交叉的综合体[8]。操作者受到设备、工艺、操作规程等一系列复杂生产技术的制约,还需要多工种的密切配合以及现代管理方法和手段的综合运用。装置之间、工序之间、设备之间联系比较紧密,牵一发而动全身;故障后的恢复需要时间较长,代价较大;装置的开车、停车程序十分复杂而且代价巨大。

    3)计划停工的必然性和非计划停工的可能性一直存在。尽管停工损失大,但为了确保装置安全,设备运行到一定的时间需要检修,催化剂使用了一定的时间需要更换,这种有计划的停工是不可避免的;同时,在生产过程中,设备运转发生故障必须停工处理,因此这种因故障而造成的非计划停工的可能性一直存在。

2.5  存在问题

    通过以上分析可以看出,煤制天然气供应链上存在2大矛盾:

    1)用户用气量的不均衡性与煤化工生产装置要求“安、稳、长、满、优”运行之间的矛盾。为了追求企业经济效益最大化,煤制天然气工厂要求生产装置长周期、满负荷、稳定运行,而城镇用户用气存在着明显的不均衡性,主要体现在季节的不均衡和每日不同时段的不均衡,这就形成了用户用气量的不均衡性与煤化工生产装置要求“安、稳、长、满、优”运行之间的矛盾。

    2)用户用气供应要求不可间断性与煤化工生产装置阶段性停产之间的矛盾。对于城镇用户来讲,天然气作为其生活的必需品,要求连续不间断的用气供应,而对于煤制天然气工厂不仅存在着计划停产,还存在着非计划停工的可能,这就形成了用户用气供应不间断性与煤化工生产装置阶段性停车之间的矛盾。

    由于天然气产品是气体,不易储存以及LNG经济供应半径等原因,不可能像甲醇厂、化肥厂等那样,简单的通过保持适当库存或通过现货市场“采购”来解决以上两对矛盾,这需要在煤制天然气工厂设计中妥善考虑。

设计中应注意的几个问题

    综合考虑煤制天然气供应链上各环节的特点可以看出,在满足国家有关法律法规的前提下,保障城镇用户安全稳定供气是工厂的首要任务。因此在工厂设计时应该注意以下6大问题。

3.1  煤源要稳定,满足工厂需要

    用煤量大、煤质要求稳定是煤制天然气工厂的特点。根据国内多家设计院对内蒙、新疆等地多个项目的可行性研究,一个年产40亿Nm3的煤制天然气工厂,其每年的用煤量高达2000多万t(含燃料煤,以低阶煤计),用煤成本占可变成本的70%。对用煤量巨大的煤制天然气工厂来讲,在现货市场很难采购[9-11],因此为了保证工厂连续、高效的稳定运行,在设计中首先应考虑相对固定的煤矿来提供足够的、可接受价格的煤炭资源,同时还要考虑煤炭的安全、稳定运输问题。

    从技术角度上讲,原料煤的性质决定了气化炉的选型与设计,当煤的粒度及有效成分波动较大时,将会影响气化炉的平稳运行,同时还将影响气化炉产物的成分,进一步影响后序处理单元的稳定运行。对每个工序来讲,各设备稳定运行是稳定操作的基本条件,对每个化工厂来讲,全厂稳定运行是实现其经济效益最大化的首要条件。因此,在设计过程中,还要考虑保证煤炭的质量稳定。

3.2  技术须可靠,保证稳定运行

    技术的可靠性直接影响装置的安全稳定运行。煤制天然气关键技术已经达到了相对成熟的阶段,在美国大平原已有20多年的成功运行经验,整个工艺路线已验证是可行的。近年来在相关技术上虽有所发展,但有些尚未经过工业化验证。因此在技术选择上,应谨慎使用发展中的新技术,可以关注新技术的发展,在其成熟时顺利采用。

3.3  装置多系列,降低停产影响

    装置停产必然影响天然气供应。在工厂规模确定的情况下,尽管大型化具有造价低、能耗低、占地面积小等诸多优点,但单系列大型装置在计划停工或非计划停工时,工厂必然全部停产进而完全失去对外供气能力,城镇用户的稳定用气安全将受到威胁。可独立停产的多系列设置是面向城镇用户煤制天然气工厂保证稳定供气的有效手段:一方面使得运行状态灵活,可以单系列停运交叉检修,进而保证下游用户基本不受单装置停产的影响,从而降低对下游用户用气供应的影响,提高工厂供气的安全性;另一方面从装备制造角度上讲,对于同类型装备,小型装备与大型装备相比,其制造难度会大幅下降,更容易实现配套装备的本地化。

    因此对于规模已定的面向城镇用户煤制天然气工厂,在设计时应合理设置可独立停产的多系列装置,降低单系列装置停产对天然气供应的影响,保障供气安全。而装置设计系列数以及每个系列的设计能力,应根据技术水平、系统所能承受的减少供气量和时间来确定。

3.4  装备本地化,实现快速检修

    设备故障意味着装置运行不正常,甚至会造成装置停产,进而会影响天然气的生产与供应。因而迅速排出故障,实现稳产、复产是装置维护与检修的主要目标。为实现这一目标,设计时应尽可能采用本地化装备,这样不仅可以降低项目投资,更主要的是实现配件易得,缩短维修时间,从而快速恢复正常生产,降低由于设备故障造成的影响。

3.5  系统储足气,应对装置故障

    若要实现装置(包括管道)故障情况下用户供气不会受到影响,系统就应该有其他气源承担非正常状态供气任务,因此在设计中应考虑有足够的备用气源来应对装置故障[12]。同时当系统具备充足的储气能力时,也就具有了灵活的调峰能力,可以同时缓解煤制天然气供应链上的两对矛盾。

    结合城镇燃气的调峰措施,面向城镇用户的煤制天然气工厂“储气”主要有以下3种途径:一是利用各燃气公司建设的储气或调峰设施;二是与系统相连的天然气管网补充供应[13-14];三是建设LNG生产装置,并储备足够的LNG[15-17],而系统的储气量与工厂中每一系列的产量以及检修所需的时间有关,笔者建议系统最低储气量应按一个系列15d的产量来考虑。

3.6  符合时代性,遵章守法先进

    煤制天然气工厂具有能耗高、高温、高压、易燃、易爆的特点,同时产生一定量的废气、废水和废渣。

因此设计要符合国家安全、环保等方面法律法规的要求,并将比较成熟的节能、节水、环保技术应用到设计中,同时要将现代控制、信息化等技术应用到设计中,体现出时代特点,提高工厂管控水平。

4  实例

国内某面向城镇用户的煤制天然气工厂流程简图如图2所示,该项目采用碎煤加压气化技术生产粗合成气,粗合成气经部分耐硫变换、低温甲醇洗净化、镍基催化剂甲烷化生产天然气。设计规模为公称能力1200Nm3d,分3期滚动建设,一、二、三期建设规模均为400Nm3d   

  

1)每期工程均设计为2个可独立运行的“生产线”,实现了装置多系列,在保证了城市用户安全用气的同时,实现项目大型压缩机组、甲烷化废锅等设备的本地化,可以对装置故障迅速作出反应。

    2)该项目工程实现了信息化与工程建设同步,充分利用信息技术优化经营业务流程。满足工程建设、生产准备和生产平稳运行3个阶段业务需求。

    3)该项目设置了NOxSO2脱除工艺,使该项目的废气在达标排放的基础上,最大效率的对废气进行回收利用;同时通过多级污水处理措施的应用,有效的减少了废水的排放,实现了煤制天然气工厂的清洁化生产。

    4LNG液化、存储及汽化配套设施的建立,保证了该项目满足下游用户季节不均衡性的需求,在进行季节调峰的同时也可以实现工厂的事故调峰,同时在管道用气低谷时,LNC的外销也将工厂的经济风险降低到最低值。

结语

    从煤制天然气供应链出发,以保障用户天然气安全稳定供应为目标,分析了该供应链上主要环节的特点,提出了面向城镇用户的现代煤制天然气工厂设计时应重点考虑的6个问题,其结论对面向其他用户的天然气工厂也有借鉴意义。

    由于目标市场的差异,原材料的差别,工艺路线的选择不同,煤制天然气工厂应根据实际情况采取不同的技术策略。因此,一些结论还不尽全面,有待进一步完善。

    致谢:本文是在辽宁大唐国际阜新煤制天然气有限责任公司与辽宁省煤制天然气工程研究中心共同课题研究基础上整理形成的,在研究过程中得了大唐国际发电股份有限公司、大唐能源化工有限责任公司、中国五环工程有限公司、赛鼎工程有限公司以及辽宁大唐国际阜新煤制天然气有限责任公司内部诸多领导与同事的大力帮助与支持,在此一并表示感谢。

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