优化出厂煤气热值控制的途径

上海石洞口煤气制气有限公司 姚良琮

上海石洞口煤气制气有限公司(以下简称石煤公司)有3条制气生产线，由英国巴布考克(Babcock)公司设计，原来以石脑油为原料生产城市煤气。随着上海市天然气供气量的不断增加，城市燃气结构发生重大调整，石煤公司于 2009年实施了油改气项目，把制气原料由石脑油改为天然气。如何根据上海市城市煤气的实际需要，合理调节生产负荷、同时控制好出厂煤气热值，做到节能降耗、降低生产成本，是我们面临的一大课题。

1 工艺流程介绍

石煤公司出厂煤气由变换气、天然气和富氮气三股气体在掺混器中混合生成。天然气制气工艺(如图 1所示)是天然气在较低温度和较高压力条件下与蒸汽进行转化反应，生成变换气。变换气经减压，与天然气及富氮气混兑为符合质量要求的城市煤气，送入管网。

图1 天然气制气工艺流程示意

1.1 变换气系统

天然气经过脱硫后与高压饱和蒸汽混合进入预转化器，在较低温度和较高压力条件下进行预转化，得到的预转化气热值较高，先将部分预转化气在高温下与蒸汽在装有改质催化剂的一段转化炉内进一步进行转化反应，生成的转化气(较低热值)再和剩余预转化气掺混，然后再在装有变换催化剂的高温变换器中与蒸汽发生变换反应，将CO调整到变换气允许值。生成的一部分变换气(返氢气)循环分流用于原料天然气脱硫，另一部分变换气(合成气)经减压，与天然气及富氮气混兑为符合质量要求的城市煤气,送入管网。

1.2 制氮系统

制氮系统由空气压缩机组、压缩净化干燥和变压吸附制氮三部分组成(如图2所示)。空气压缩机组由3台空气压缩机组成，压缩净化干燥包括水分离器，2组过滤器，干燥系统，变压吸附制氮包括4台吸附塔，产品氮气缓冲罐。

由空气压缩机生产的压缩空气，经过压缩净化干燥，再到变压吸附装置吸附部分氧气，最后生成含氮气量较高的富氮气。

图2 制氮系统工艺流程示意

1.3 天然气

掺混用的天然气由天然气管网公司石洞口门站直接提供。

1.4 煤气掺混

变换气、富氮气和掺混天然气按一定的比例，在煤气掺混器中均匀混合，获得符合质量要求的城市煤气，最后经加臭、计量后，送入出厂煤气管网。

2 天然气制气工艺下的热值控制途径

天然气制气工艺下，每条生产线的煤气制气能力在35~60万m3/d。

影响煤气热值的因素有很多，下面就从主要的几个方面来进行讨论和分析如何在实际生产过程中，通过合适的途径控制好在不同的生产负荷下出厂煤气的热值。

2.1 变换气的热值控制

变换气在整个出厂煤气中的掺混量在70%~85%(体积百分比)之间，要保证煤气质量，控制变换气热值显得尤为重要。影响变换气热值的因素主要有预转化炉水烃比、进入一段转化炉的富甲烷气比例、一段转化炉水烃比、和一段转化炉出口温度。

2.1.1 预转化炉水烃比

经过脱硫后的天然气与过热蒸汽混合后，在500 ℃温度下进入预转化炉进行甲烷转化反应：

CH4+H2O+Q ↔ CO+3H2

过热蒸汽的流量和天然气的流量之比称之为预转化炉水烃比，一般控制在 1.90~2.10以内。过量的过热蒸汽，推动甲烷转化反应充分向右进行，同时使CO浓度降低到析碳反应2CO ↔ CO2+C可发生的浓度以下，阻止了催化剂积碳的发生。但是如果水烃比太大，会使预转化催化剂的床层温差缩小，影响预转化催化剂的使用寿命，因此一般水烃比的调节范围不超过 0.1，而且要注意保持预转化温差在58~70 ℃(具体视催化剂使用情况而定)。过热蒸汽的流量调节幅度控制在上下100 kg/h，可以使变换气热值波动幅度在上下0.05 MJ/m3以内。

2.1.2 进入一段转化炉的富甲烷气比例

进入一段转化炉的富甲烷气占总的富甲烷气流量比例称之为进入一段转化炉的富甲烷气比例。富甲烷气比例是最主要的影响变换气热值的因素。通过调整富甲烷气比例，使进入一段转化炉的富甲烷气的流量发生变化，在一段转化炉内，富甲烷气与过热蒸汽发生甲烷裂解反应，生成低热值的贫煤气，然后与通过一段转化炉旁路的富甲烷气混合以达到降低变换气热值的效果。因此，进入一段转化炉的富甲烷气的流量大小，最大程度上决定了最终变换气的热值。

在实际生产中，富甲烷气流量比例一般控制在0.720左右，我们可以根据变换气最终热值来调节富甲烷气流量比例。一般情况下，富甲烷气流量比例的上下调整 0.005，可以使最终变换气热值产生上下0.03 MJ/m3的波动。但是也不可以无限制地升高富甲烷气流量的比例，因为这将提高一段转化炉的热负荷，如果一段转化炉气枪不能提供转化所需的相应热量，那么再提高富甲烷气流量的比例也无济于事。同时也不可以过分降低富甲烷气流量的比例来提高热值，因为如果富甲烷气流量的比例降得太低，大量的富甲烷气通过一段转化炉旁通走，将会使一段转化炉系统的压差变小，没有足够的富甲烷气进入一段转化炉，就无法带走气枪燃烧所产生的热量，会引起一段转化炉炉管变形﹑产生亮斑等严重的后果。因此，我们在实际生产中一般的富甲烷气流量比例调节范围是0.680~0.760之间。

2.1.3 一段转化炉的水烃比

进入一段转化炉的富甲烷气和过热蒸汽发生如下反应：

进入一段转化炉的过热蒸汽流量和富甲烷气的流量之比称之为一段转化炉水烃比，从反应式中可以看出，过热蒸汽的多少也可以影响到热值，但是如果蒸汽量过多，一段转化炉气枪将无法提供相应的热量，如果太少则容易引起积碳，影响催化剂的使用寿命。因此实际生产过程中一段转化炉水烃比调节幅度不大，一般只在生产负荷有所变化时才做相应调整，范围在0.390~0.400之间。

2.1.4 一段转化炉的出口温度

从一段转化炉中反应式可以看出，要使热值降低，就是要降低甲烷的含量，就要使反应充分向右进行，反之亦然。要使反应向右进行，无非通过两种方法，一是减小压力，二是增加温度。减压在实际生产过程中很难做到，不予讨论，而加温却很容易实现，因此是在生产中经常用到的调节热值的手段。一段转化炉的出口温度在实际生产中一般根据生产负荷不同控制在730~750 ℃，调节1℃，可以使最终热值产生上下0.05 MJ/m3左右的变化。但是温度也不能太高，因为那会影响到炉管的使用寿命。

2.2 富氮气掺混流量控制

由于变换气比重较小，应掺入比重较大的富氮气。一般采取同时使用两台或两台以上空气压缩机的操作方式，为变压吸附装置运行稳定提供足够的压缩空气。最后生成的富氮气，部分用于煤气掺混，其余转向放散。

富氮气掺混流量的稳定控制保证了煤气质量。为达到城市煤气氧含量小于1%的要求，根据煤气生产负荷的高低及时调整变压吸附装置的吸附时间等工艺操作指标，操作中富氮气氧含量控制在 10%以内。

2.3 掺混天然气流量控制

为保证最终出厂煤气热值达到要求，使用流量调节阀控制来自天然气管网公司石洞口门站的掺混用天然气流量。

2.4 掺混比例的控制

在煤气掺混器中变换气、富氮气和掺混天然气按一定的比例均匀混合，获得热值15.910 MJ/m3的城市煤气，经加臭、计量后，最终送入出厂煤气管网。

富氮气流量和天然气的热值在一定的范围内变化，采用前馈式控制，由中控系统根据设定的掺混比例控制调节阀，可以对变压吸附制氮系统出来的富氮气的流量变化作出即时的反应，从而维持稳定的掺混比例。有时采用前馈式控制还是不能确保准确地控制煤气的热值，在煤气掺混器出口配置一台高速在线热值仪，将化验室人工热值分析报告与其比对，一旦热值仪与人工分析值出现偏差，根据现场生产的实际情况将工艺参数加以适当调整并进一步完善，使出厂煤气热值控制在出厂标准范围内。

表1 天然气制气工艺中过程气体的组分分析单位：V%

表2 不同负荷下3种气源的掺混比例单位：V%

3 结论

在天然气制气的实际生产过程中，主要通过保持3种掺混气源的质量和控制各种气源的掺混比例等途径对煤气的热值加以调整和控制。

不同生产负荷下，变换气热值可以通过适时调节好预转化炉水烃比、进入一段转化炉的富甲烷气比例、一段转化炉水烃比、和一段转化炉出口温度等办法加以控制；富氮气质量可以通过合理使用空气压缩机组和优化变压吸附装置操作以及出口富氮气流量控制来实现。

根据煤气掺混装置启动时间短、提升负荷快的特点，随着生产负荷的变化，及时调节3种气源的掺混比例，使出厂煤气热值相对较容易地控制在15.910 MJ/m3的标准范围内。以保持煤气热值稳定、同时控制好煤气燃烧势和华白指数、优化煤气的燃烧品质，从而大大降低了生产成本，满足了石煤公司作为城市煤气季节性调峰补充的要求。