煤层气组成对模块化生产过程的影响分析.pdf
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1、文章编号:1006-3080(2023)04-0481-08DOI:10.14135/ki.1006-3080.20220916001煤层气组成对模块化生产过程的影响分析周全国,杨敏博,冯霄(西安交通大学化学工程与技术学院,西安710049)(nH2nCO2)/(nCO+nCO2)摘要:基于 5 组典型的煤层气(CBM)组成,建立了煤层气液化过程和煤层气制甲醇过程的模拟模型,同时调整 CO2含量至适合甲醇合成的氢碳比();进行了质量平衡、能耗和经济分析,并探究关键组分 N2、CO2、CH4对煤层气液化和煤层气制甲醇过程的影响规律。质量平衡与能耗分析结果表明:CO2可以改善制甲醇过程中合成气的氢
2、碳比,但是会增大液化过程中的脱碳能耗;N2的存在会导致甲烷更难液化,也会增大合成气的循环量及相应的能耗,是煤层气加工的不利因素。经济分析结果表明:高纯度的煤层气液化收益更高;含CO2的煤层气更适宜制甲醇,且制甲醇过程对煤层气组成的适应范围更广;N2含量过高会导致两种加工方式都失去经济吸引力。关键词:模块化生产;煤层气液化;煤层气制甲醇;能耗分析;经济分析中图分类号:TQ021.8文献标志码:A煤层气(CBM)是与煤伴生、共生的气体资源,比煤炭更清洁,我国的煤层气储量巨大,煤层气等非常规天然气资源的开发和利用尤为重要1。但是,煤层气在煤矿开采中是一种有害气体,在生产能源的同时应提高采矿作业的安全
3、性2。而且,我国各种类型难以回收的煤层气资源所占比例较高3,煤层气燃烧排放会造成资源浪费,同时也与我国的“双碳”目标背道而驰。因此,小偏散煤层气的开发和利用成为一个难题。模块化(也称撬装式)装置的出现为更经济地利用此种煤层气提供了新出路。模块化设备具有规模小、运输方便、产能灵活、可重复使用等特点4;它由多个工作单元固定在一起,方便在多个气田之间运输,降低了开采和运输成本5。煤层气制液化天然气和制甲醇可以成为更经济的选择。目前,模块化装置在制液化天然气方面已有较多进展。公茂琼等6总结了适宜小型化的天然气液化技术,指出混合制冷剂循环液化是小型天然气液化过程的一种最佳选择;采取制冷空调领域的成熟设备
4、,在降低成本的同时可保持较高的可靠性。Wang等7基于模块化天然气液化装置,提出一种丙烷-异丁烷预冷混合制冷剂液化工艺,该工艺在不铺设管道的条件下回收天然气,并表现出良好的性能。可见,模块化的液化装置是煤层气加工利用和小偏散气田的经济性选择。甲醇在现代工业中占有重要地位,可作燃料和燃料添加剂,甲醇还是生产重要化学产品的中间体8,因此将煤层气用于制甲醇也是很好的选择。模块化的甲醇生产装置中采用甲烷蒸汽重整(SMR)(8001000)和水煤气变换来生产合成气,然后在较低温度(240260)下合成甲醇9。Huang 等10对可再生能源驱动甲醇合成系统进行模块化设计,发现模块化甲醇合成在传统甲醇合成中
5、具有更大的操作灵活性和更好的经济性。因此,模块化制甲醇装置对于小偏散煤层气的加工也具有重要意义。煤层气的组成多变,对生产过程有不同程度的影响。与传统天然气不同,煤层气可能含有较多的N2、CO2等杂质。Lin 等11在煤层气含氮量为 70%(摩尔分数)以下时,对 4 种液化制冷换热器的不可逆收稿日期:2022-09-16基金项目:国家自然科学基金(21908173)作者简介:周全国(1997),男,河南信阳人,硕士生,研究方向为系统工程。E-mail:通信联系人:杨敏博,E-mail:引用本文:周全国,杨敏博,冯霄.煤层气组成对模块化生产过程的影响分析 J.华东理工大学学报(自然科学版),202
6、3,49(4):481-488.Citation:ZHOUQuanguo,YANGMinbo,FENGXiao.EffectsofCoalbedMethaneCompositiononModularManufacturingProcessJ.JournalofEastChinaUniversityofScienceandTechnology,2023,49(4):481-488.Vol.49No.4华东理工大学学报(自然科学版)2023-08JournalofEastChinaUniversityofScienceandTechnology481性进行了比较,表明换热器系统的不可逆性随含氮量的
7、增加而降低。何婷等12基于天然气液化系统探究 CO2含量在脱碳过程中的影响,发现当 CO2含量在 10%(摩尔分数)以下时,吸收剂脱碳再生热负荷可全部由烟气余热提供;当 CO2含量为 30%(摩尔分数)时,烟气余热仅可提供接近 50%的再生热负荷。煤层气组成对制甲醇过程也有影响。Hernandez-Perez 等13考虑页岩/天然气原料的组成变化,通过改进进料流量及进料在每个过程中的相对分配情况,以经济和环境为目标函数,研究了不同组成的原料气流向不同工艺生产氨和甲醇的最佳分配。Borgogna等14基于合成气原料组成的变化,系统分析了每种成分对制甲醇过程的影响,确定低热值是影响甲醇合成的主要参
8、数,并评估了合成气组成变化对甲醇产量、工艺消耗和排放的影响。然而,小规模煤层气在不同组成的情况下适用于液化还是制化学品,以及这两种加工方式受到煤层气哪些组成的影响鲜见详细报道。为探究煤层气组成对小型煤层气加工过程的影响,本文选取了 5 种具有代表性的煤层气气源15,分别对模块化的煤层气液化过程16和模块化的煤层气制甲醇过程17这 10 种情形进行全流程模拟。基于此,针对这 10 种情形进行了能耗分析和经济分析,旨在探究煤层气组成对液化天然气和甲醇产率、能耗以及经济性能的影响,进而为选择更为盈利的加工方案提供理论依据。1流程介绍图 1 示出了模块化煤层气液化过程的流程图。煤层气首先进入酸气脱除单
9、元(a),在分离器(V-100)脱除液体杂质后,在脱碳塔(T-100)与甲基二乙醇胺(MDEA)和二乙醇胺(DEA)的混合溶液进行化学吸收,脱除其中的 CO2、H2S 等酸性气体,使煤层气中CO2的含量低于 98.21mg/m3(标准状态下,下同)。吸收液经过减压闪蒸,与再生塔塔釜流股换热后,进入溶剂再生塔(T-101)中再生。脱碳后的煤层气进入煤层气干燥单元(b),在干燥系统(X-100)中进行深度脱水至 1.43mg/m3。少量再生气用电加热器(E-102)加热后,对干燥剂进行吹扫再生,回收其中的 CH4。干燥后的煤层气接着进入煤层气液化单元(c),通过混合制冷剂在液化天然气(LNG)冷箱
10、(LNG-100、LNG-101 和 LNG-102)中深冷液化。液化后经过分离器(V-104)产出 LNG 和闪蒸气(BOG)。若深冷液化产生的 LNG 不满足标准(N2含量小于 1%(摩尔分数),煤层气还需进入气提脱氮单元(d),部分LNG 液体经减温、减压、气化,与另一部分 LNG 液体在气提塔(T-102)逆流接触,脱除其中的 N2。(nH2O/(nCO+nCO2)模块化煤层气制甲醇过程的流程如图 2 所示。在蒸汽重整单元(a),用离心泵(P-200)调节水的用量,使混合进料的水碳比为 2.5。煤层气、CO2和水的共同进料经过加热器(E-200)加热后进行 CH4、CO2重整反应。重整
11、反应器(PFR-200)与甲醇合成反应器(PFR-201)均使用平推流反应器T-100VLV-100V-100V-101E-100T-101Q-100CO2Q-101H2OMIX-100Q-102E-101P-100Q-103X-100MIX-101TEE-100Q-104E-102LNG-100LNG-101LNG-102VLV-101VLV-102VLV-103VLV-104V-102V-103V-104LNGMIX-102MIX-103K-100Q-105NaturalgasPurgegas(a)T-102Q-107Q-106E-103(b)(c)VLV-105BOG-2Fuel gas
12、BOG-1(d)aAcidgasremovalunit;bDehydrationunit;cLiquefactionunit;dNitrogenremovalunit图1模块化煤层气液化过程的流程图Fig.1FlowsheetofmodularCBMliquefactionprocess482华东理工大学学报(自然科学版)第49卷进行模拟。重整反应器的热量由部分煤层气燃烧提供。反应产生的合成气经过换热后进一步冷却分离,随后进入甲醇合成单元(b)。脱水后的合成气经过二级压缩后与循环气混合,进行合成气制甲醇反应。合成气的组成一般用式(1)给出的化学计量数(s)表示。通过调节 CO2原料输入流量,使
13、 s 接近甲醇合成的理想化学计量数 2。最后,反应得到的粗甲醇进入粗甲醇提纯单元(c),粗甲醇经过节流后进入精馏塔(T-200)得到高纯度的甲醇。s=FH2FCO2FCO+FCO2(1)FH2FCO2FCO式中:、和分别为 H2、CO2和 CO 的流量。2过程模拟与经济分析计算 2.1 过程模拟为了探究关键组分 N2、CO2和 CH4分别对煤层气液化流程和煤层气制甲醇流程的影响,本文选取5 种具有代表性的煤层气气源15,如表 1 所示。气源1、气源 2 和气源 4 分别是 5 种气源中 CO2、N2和CH4含量最多的气源,气源 3 和气源 5 的 CH4含量相近,且符合一般煤层气气源中 CH4
14、的含量大于 80%(摩尔分数)的情况。同时,气源 3 中含较多 N2,气源5 中含较多 CO2。假设煤层气处理量均为 30000m3/d。5 种代表性煤层气气源分别对模块化的煤层气液化过程和煤层气制甲醇过程这 10 种情形采用 AspenHYSYSV12.1 软件进行全流程模拟。液化过程中,假设循环吸收剂和制冷剂无需额外补充,除脱碳单元采用酸性溶剂物性包外,其余单元均采用 Peng-Robinson 物性包。制甲醇过程全流程采用 Peng-Robinson 物性包。蒸汽重整单元和甲醇合成单元的反应动力学数据分别参考文献 18 和文献 19。2.2 经济分析计算经济分析计算包括总投资费用(CTC
15、I)、年度总生产费用(C)和净现值(NPV)。CTCI主要由总设备基本投资(CTBM)、选址费(Csite)、应急费(Ccont)、场地费(Cland)、版权费(Croyal)、工厂启动成本(Cstarup)和营运资本(CWC)构成。本文使用 AspenProcessEconomicAnalyzerV12.1 软件估算设备的购买费(Cp,i)。CTBM由式(2)进行计算,其他费用由 Seider 等20提出的经济评估公式(式(3)式(12)进行计算。CTBM=iCp,i fBM,i(2)Csite=4%CTBM(3)CDPI=CTBM+Csite(4)Ccont=18%CDPI(5)CTDC=
16、CDPI+Ccont(6)Cland=2%CTDC(7)H2OP-200Q-200CO2CBMPFR-200Q-201Q-202E-201E-200MIX-200E-202Q-203K-200Q-204V-200E-203Q-205K-201Q-206E-204Q-207MIX-201E-205E-206Q-208PFR-201Q-209Q-210E-207V-201TEE-200K-202Q-211Flue-1VLV-200V-202T-200Q-213Q-212Flue-3Flue-2Methanol(c)(b)(a)aSteamreformingunit;bMethanolsynthes
17、isunit;cMethanolpurificationunit图2模块化煤层气制甲醇过程的流程图Fig.2FlowsheetofmodularCBMtomethanolprocess表15 种煤层气气源的成分Table1CompositionoffiveCBMsourcesSourceMolefraction/%N2CO2CH4C2H6129.869.40.777243.56.150.40.01538.02.889.20.01040.799.30.01950.29.290.60.016第4期周全国,等:煤层气组成对模块化生产过程的影响分析483Croyal=2%CTDC(8)Cstartup
18、=10%CTDC(9)CTPI=CTDC+Cland+Croyal+Cstartup(10)CWC=15%CTPI(11)CTCI=CTPI+CWC(12)其中:fBM,i是设备 i 的模块因子;CDPI是直接长期投资额;CTDC是可折旧资本总额;CTPI是总固定投资。年度总生产费用由原料费、公用工程费、财产税及保险(CTAI)、折旧费(CD)、操作费(CO)、维修费(CM)以及总基本开支(CGE)构成。10 种情形下煤层气消耗量相同,本文重点关注小偏散煤层气组成对加工过程的影响,因此不考虑煤层气的原料费。公用工程费参考某化工企业,其中电费 0.76CNY/(kWh),循环水费用 0.16CN
19、Y/m3,低压蒸汽费用 229.36CNY/t,中压蒸汽费用 289.91CNY/t。年度销售费用(CS)用中国市场的平均价格计算。其他费用参考 Seider 等20提出的年度总生产费用表进行计算(其中操作费CO按每工时 7.8USD 来计算),如式(13)式(16)所示。本文采用 3 个操作员轮流工作制,每人的年工作量为 2080h20。CTAI=2%CTDC(13)CD=8%CTDC(14)CM=3.5%CTDC(15)CGE=9.55%CS(16)NPV 是以现金流折现的方式来衡量过程经济的一种指标。NPV 计算公式如式(17)所示。年度收益(Re)用式(18)进行估算。NPV=CTCI
20、+(1r)(CSC)+CDTt=11(1+i)t(17)Re=CSC(18)其中:r 为税率,在化工厂中一般取 40%20;i 为年折现率,一般估算为 10%21;t 为工厂运作时间;T 为工厂寿命,取 20a。3结果与讨论 3.1 质量平衡和能耗分析通过模拟 10 种情形,获得煤层气液化过程的物料平衡和能耗分别如表 2、表 3 所示。气源 2 和气源 3 中 N2含量较高,液化过程需进行气提脱氮,与其他气源相比,额外增加了部分导热油用量,同时产生如表 2 所示燃料气。对比分析气源 1、气源 4 和气源 5,随着煤层气中 CO2含量升高,脱碳单元的操作负荷增大,导致脱碳单元的循环冷却水能耗和导
21、热油能耗增大,如表 3 所示。对比分析气源 3 和气源5,在 CH4含量相近的情况下,N2含量高的煤层气液化会消耗更多公用工程用量(电力能耗)。这是因为脱碳后 N2含量越高,进入液化单元的总流量就越大,增大了制冷负荷;结合分析气源 2 和气源 3,二者气提脱氮产生大量燃料废气,造成甲烷损失。从气源3 到气源 2,随着 N2含量升高,液化过程的总能耗降低了 21%,但液化天然气产量显著减少了约 46.4%,同时气提产生的燃料气量显著增加了 159%,说明N2组分是煤层气液化极为不利的因素。比较气源2 和气源 5,二者脱碳后总流量相近,气源 2 在液化单元能耗较低,这是因为 N2沸点较低(196)
22、,在此单元中不液化从而降低了能耗。煤层气制甲醇过程的物料平衡和能耗分别如表 4和表 5 所示,气源 1 的 CO2含量较高,无需额外补充表2煤层气液化过程的物料平衡Table2MaterialbalanceofCBMliquefactionprocessSourceOutput/(kmolh1)CO2LNGPurgegasFuelgasBOG116.7728.873.8206.0623.6319.005.1526.461.4831.6835.435.3010.222.7640.4340.915.4608.6755.4737.264.9708.00表3煤层气液化过程的能耗Table3Energy
23、consumptionofCBMliquefactionprocessSourceEnergy/kWCoolingwaterHotoilElectricity12517.11361.801066.922025.0778.701145.632570.21002.601428.242052.4347.321551.852182.8682.631366.6表4煤层气制甲醇过程的物料平衡Table4MaterialbalanceofCBMtomethanolprocessSourceInput/(kmolh1)Output/(kmolh1)CBMH2OCO2H2OMethanolFluegas155.
24、77138.310113.5143.3422.46255.7788.764.068.0228.4847.73355.77159.2613.0126.5652.8730.20455.77186.9019.0151.0060.3526.74555.77172.8710.7139.0255.8423.77484华东理工大学学报(自然科学版)第49卷(nH2nCO2)/(nCO+nCO2)CO2,化学计量数即可达到 2 以下。对比分析气源4 和气源 5,随着 CH4含量的升高,甲醇产量随之升高的同时总能耗也就越大,尤其是冷却水能耗和再沸器导热油能耗。对比分析气源 1、气源 3 和气源5,CO2含量越高
25、的煤层气需补充 CO2量就越少,除燃料用量外其他公用工程能耗(电力能耗)随之减小;比较气源 1 和气源 5,CO2含量过高会产生更多燃料废气,导致甲醇产量降低。CO2含量较高的煤层气若要达到合适的氢碳比()还需进行额外的脱碳操作,此操作会进一步增大能耗,这说明适宜的 CO2含量才有利于制甲醇。比较气源 3 和气源 5,在甲醇产量相近的情况下,N2含量高会降低 5.6%的燃料用量,但其他能耗均增加,这是因为 N2不参与反应且升温较快。再结合分析气源 2,随着 N2含量升高,在合成气制甲醇单元会消耗更多中压蒸汽(MPsteam),这是因为加压降温后N2含量越高的合成气达到合适的反应温度(24026
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