煤制天然氣甲烷化爐設(shè)計(jì)

煤制天然氣甲烷化爐設(shè)計(jì)摘要：甲烷化爐為煤制天然氣生產(chǎn)中的重要設(shè)備之一。針對(duì)爐內(nèi)的反應(yīng)、介質(zhì)特性，對(duì)甲烷化爐的選材及結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，并對(duì)設(shè)備制造的難點(diǎn)進(jìn)行了分析，提出了可行的方案。關(guān)鍵詞：甲烷化；甲烷化爐；選材；結(jié)構(gòu)DesignofmethanationfurnaceinsubstitutednaturalgasproductionfromcoalAbstract：Methanationfurnaceisoneofthemostimportantproductionequipmentincoaltonaturalgas.Forthereactioninthefurnaceandthedielectriccharacteristics,thematerialsselectionandstructureofmethanationfurnaceareanalysised,soequipmentmanufacturingdifficulties.Thepapergivesfeasiblesolution.Keywords：Methanation;methanationfurnace;materialsselection;structure前言煤通過(guò)氣化可制得合成氣，也可通過(guò)熱解轉(zhuǎn)化為熱解氣、焦油和半焦，同時(shí)我國(guó)的煉焦行業(yè)也副產(chǎn)大量焦?fàn)t煤氣，這些合成氣、熱解氣和焦?fàn)t氣中均含有大量CO和H2，可通過(guò)凈化、調(diào)節(jié)氫碳比后進(jìn)行甲烷化反應(yīng)制備甲烷燃?xì)?，即代用天然氣。煤制甲烷具有較高的熱能有效利用率(53%)，不僅對(duì)煤炭的高效潔凈綜合利用具有十分重要的意義，也為我國(guó)天然氣缺口的填補(bǔ)提供了一條切實(shí)可行的途徑[1]。國(guó)外煤氣甲烷化技術(shù)研究始于20世紀(jì)40年代，而真正發(fā)展是在70年代，由于能源危機(jī)，加快了研究步伐，開(kāi)發(fā)了一系列以煤和石腦油為原料制天然氣的工藝過(guò)程，并開(kāi)始工業(yè)化應(yīng)用。據(jù)報(bào)道，目前我國(guó)在建及計(jì)劃籌建的煤制天然氣項(xiàng)目近30個(gè)[2]。但煤制天然氣的關(guān)鍵技術(shù)仍然主要依靠進(jìn)口，尤其是甲烷化催化劑及大型高效甲烷化爐。因此，研制具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的甲烷化爐，有助于推動(dòng)煤制甲烷的工業(yè)化進(jìn)程。1甲烷化工藝煤制天然氣是指煤經(jīng)過(guò)氣化產(chǎn)生合成氣，在經(jīng)過(guò)甲烷化處理，生產(chǎn)代用天然氣（SNG）。由于氣化得到的合成氣達(dá)不到甲烷化的要求，要經(jīng)過(guò)氣體轉(zhuǎn)換單元提高H2/CO比再進(jìn)行甲烷化（有些工藝將氣體轉(zhuǎn)換單元和甲烷化單元合并為一個(gè)部分進(jìn)行）[3]。1.1甲烷化反應(yīng)甲烷化反應(yīng)應(yīng)用廣泛，不僅應(yīng)用于煤熱解氣和焦?fàn)t氣、生物質(zhì)熱解氣及CO2的甲烷化反應(yīng)，同時(shí)也用于合成氨和燃料電池等工業(yè)，用于去除富H2體系中少量的CO以防止催化劑中毒。煤制天然氣的甲烷化過(guò)程中伴隨很多副反應(yīng)，所有可能存在的反應(yīng)如表1所示。從熱力學(xué)角度來(lái)看，CO及CO2的甲烷化反應(yīng)都是可行的。甲烷化反應(yīng)是在催化劑作用下的強(qiáng)放熱反應(yīng)。甲烷化的反應(yīng)熱是甲醇合成反應(yīng)熱的2倍。在通常的氣體組分中，每1個(gè)百分點(diǎn)的CO甲烷化可產(chǎn)生74℃的絕熱溫升；每1個(gè)百分點(diǎn)的CO2甲烷化可產(chǎn)生60℃的絕熱溫升[4]。對(duì)于高濃度的CO/CO2氣體組分，如此強(qiáng)烈的放熱反應(yīng)對(duì)于反應(yīng)器的材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有著嚴(yán)格的要求。表1.甲烷化過(guò)程中可能發(fā)生的反應(yīng)序號(hào)反應(yīng)式焓變（?H（1）CO-206.1（2）CO-165.0（3）2CO-247.3（4）CO-172.4（5）2CO?C+-41.2（6）CH+74.8（7）CO-131.3（8）CO-90.11.2甲烷化流程甲烷化過(guò)程中必須將脫碳的氣體加熱到甲烷化反應(yīng)所要求的溫度（280℃以上），反應(yīng)后的熱氣體必須使其冷卻到30～40℃才可送到合成壓縮機(jī)入口。根據(jù)計(jì)算，原料氣中碳氧化物只需達(dá)到0.5%～0.7%，甲烷化反應(yīng)放出的熱就可將氣體預(yù)熱到所需的反應(yīng)溫度，但考慮到催化劑的升溫還原以及原料氣中碳氧化物含量波動(dòng)，尚需補(bǔ)充熱源，流程如圖1所示。圖1.圖1.煤制天然氣工藝流程甲烷化反應(yīng)為放熱反應(yīng)，因此從平衡觀點(diǎn)看，溫度低對(duì)化學(xué)平衡有利，但溫度太低，會(huì)使催化劑失去活性，溫度低反應(yīng)速率也會(huì)變慢；溫度太高反應(yīng)速率快，但會(huì)使催化劑活性衰老加快。在生產(chǎn)中一般選擇280～400℃為反應(yīng)溫度。甲烷化反應(yīng)為體積縮小的反應(yīng)，生產(chǎn)物的體積僅為反應(yīng)為的一半，因此提高壓力有利于甲烷化反應(yīng)。但實(shí)際生產(chǎn)中，CO與CO2的體積分?jǐn)?shù)并不會(huì)太高，往往低于1%[5]，以防反應(yīng)太劇烈，高溫造成催化劑失活及其它事故。所以一般選用2～6MPa的壓力。2材料的選擇由于甲烷化反應(yīng)的高溫、強(qiáng)放熱和多氫性質(zhì)，對(duì)于甲烷化爐的設(shè)計(jì)，材料選擇的正確與否關(guān)系到整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程能否正常運(yùn)行。低碳鋼在較高溫度以上長(zhǎng)期使用將會(huì)逐步發(fā)生石墨化轉(zhuǎn)變，從而使鋼的強(qiáng)度下降，塑性和韌性降低，引起鋼材的脆斷。鉻鉬鋼因含有強(qiáng)碳化物形成元素Cr、Mo，具有良好的熱定性，其高溫持久強(qiáng)度極限和蠕變極限較高，因此常用作高溫情況下的耐熱鋼。當(dāng)奧氏體不銹鋼在高于530℃的環(huán)境中使用時(shí)，考慮到其耐熱性、熱強(qiáng)性以及耐腐蝕性，應(yīng)該選擇碳含量大于0.04%的不銹鋼?？箽涓g的壓力容器常用鉻鉬鋼，工程設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)容器的操作溫度(另加28℃)和氫分從納壓爾遜曲線(美國(guó)APIRP947《鋼在氫環(huán)境中的操作極限》)中查取相應(yīng)鋼的類(lèi)型。2.1甲烷化爐主體材料的選擇根據(jù)氫分壓和設(shè)計(jì)溫度查納爾遜曲線，確定變換爐筒體和封頭材料為13-MnV鋼，接管材料為13-MnV鍛件。針對(duì)強(qiáng)氫腐蝕環(huán)境，取材料的腐蝕余量1mm。2.2甲烷化爐內(nèi)件的選材甲烷化爐的內(nèi)件主要包括進(jìn)口氣體分布器，出口集氣器、填料壓柵絲網(wǎng)等。由于內(nèi)件完全暴露于于介質(zhì)中，腐蝕較殼體嚴(yán)重，選擇耐氫腐蝕能力強(qiáng)的奧氏體不銹鋼06-Cr18Ni11Ti。3甲烷化爐的結(jié)構(gòu)選擇現(xiàn)結(jié)合某公司煤制代天然氣的甲烷化爐設(shè)計(jì)，對(duì)甲烷化爐的結(jié)構(gòu)選擇做下介紹，甲烷化爐簡(jiǎn)圖如圖2所示（實(shí)際生產(chǎn)中為立式爐）。圖2.甲烷化爐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖此甲烷化爐的主體為筒體和橢圓封頭，其厚度均為22mm，筒身直徑為1200mm，筒體長(zhǎng)度為4100mm，爐體總長(zhǎng)度為6147mm。設(shè)計(jì)制造主要要求如下：爐體受壓元件為筒體和橢圓封頭，材質(zhì)為13-MnV鋼；容器全容積為5.14m3；吊裝重量為4600kg；容器工作溫度為350℃，設(shè)計(jì)工作溫度為450℃；容器工作壓力為3.1MPa，設(shè)計(jì)壓力為3.4MPa；介質(zhì)為H2或N2；腐蝕裕度為1mm；焊縫系數(shù)為1；容器類(lèi)別為Ⅲ類(lèi)。甲烷化過(guò)程對(duì)于保溫襯里的要求是嚴(yán)格的，如果襯里發(fā)生裂紋，就會(huì)因氣體短路而使出口氣體中的CO和CO2增高。解決的辦法就是在保溫層內(nèi)壁設(shè)置鋼襯；催化劑層上下都有氧化鋁球?qū)雍弯摻z網(wǎng)，以免氣體將催化劑層吹翻和利于氣體分布。3.1制造難點(diǎn)該產(chǎn)品制造難點(diǎn)主要體現(xiàn)在下面兩個(gè)方面：首先，筒體及橢圓封頭的組對(duì)、裝配方面，如果組對(duì)、裝配不合理，很容易使得爐體內(nèi)殘留大量的裝配應(yīng)力，在產(chǎn)品的正常運(yùn)行后容易引起應(yīng)力腐蝕裂紋，導(dǎo)致災(zāi)難性后果；其次，13-MnV鋼本身的焊接性較差，焊接方法選擇不當(dāng)，參數(shù)選擇不合理往往會(huì)引起焊接缺陷。且筒體與加厚接管之間屬于異種材料的焊接，該兩種異種材料在化學(xué)成分、力學(xué)性能、物理性能及金相組織等方面有較大的差異，且材料厚度不同，焊接難度較大。因此，要達(dá)到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造要求，除正確合理的組對(duì)、裝配筒體及橢圓封頭外，還需嚴(yán)格控制甲烷化爐中每一條焊縫質(zhì)量，因此在焊接前后必須采取相應(yīng)措施，以保證焊接質(zhì)量滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。3.2焊接工藝針對(duì)甲烷化爐的設(shè)計(jì)，對(duì)筒體間縱、環(huán)焊縫以及筒體和封頭間的環(huán)焊縫，打底焊采用手工電弧焊的焊接方法，焊接材料選擇堿性低氫耐熱鋼焊條R307，焊條直徑為5.0mm；填充蓋面采用埋弧自動(dòng)焊工藝，焊接材料選用H13CrMoA焊絲，焊絲直徑為4.0mm，焊劑采用HJ250G；甲烷化爐主體與加厚接管間的焊接需要選用熔合比較小的焊接方法，考慮到兩側(cè)材料的厚度差異，選用TIG焊打底和手工電弧焊填充蓋面的焊接方法，TIG焊選用H1Cr24Ni13焊絲，手工電弧焊選用A302焊條。對(duì)于筒體的對(duì)接焊縫、筒體與筒體的環(huán)焊縫筒體與橢圓封頭的環(huán)焊縫，設(shè)計(jì)的坡口如圖3。圖3.甲烷化爐主體焊縫坡口示意圖圖4.加厚接管與筒體的坡口形式根據(jù)板厚狀況、焊接方法特點(diǎn)和要求，13-MnV鋼與0Cr18Ni9環(huán)的焊縫坡口設(shè)計(jì)為單邊K型坡口，由于筒體的一側(cè)較厚，為減小拘束應(yīng)力，應(yīng)在筒體壁厚方向上兩側(cè)開(kāi)較大角度的坡口。具體的坡口參數(shù)設(shè)計(jì)如圖4所示。所有坡口采用氧乙炔中性焰切割，然后使用磨光機(jī)平整坡口60mm范圍內(nèi)的表面。焊前把焊接坡口兩側(cè)30mm范圍內(nèi)水、銹、油污等雜質(zhì)清除。3.3甲烷化爐的使用注意事項(xiàng)甲烷化反應(yīng)器超過(guò)一定溫度后，催化劑會(huì)受損而不能使用，對(duì)進(jìn)氣量及比例一定要嚴(yán)格控制；催化劑Ni在一定溫度下可以CO反應(yīng)生成劇毒的羰基鎳NiCO4，不但會(huì)使催化劑失活，而且亦使卸催化劑的人員中毒，還污染下層產(chǎn)品，因此，反應(yīng)器的入口溫度一定要在2044結(jié)束語(yǔ)甲烷化爐的設(shè)計(jì)中材料的選擇是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)也是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，錳鎢鋼是較好的抗氫腐蝕的鋼種，具有耐高溫的性能，必要時(shí)采用鉻鉬鋼堆焊奧氏體不銹鋼的方式可同時(shí)解決抗氫腐蝕的問(wèn)題；對(duì)于爐體不同部分采用不同的焊接工藝，保證了甲烷化爐焊縫的質(zhì)量要求，可以滿足使用要求和安全運(yùn)行。參考文獻(xiàn)[1]晏雙華,雙健永,胡思斌.煤制合成天然氣工藝中甲烷化合成技術(shù)[J].化肥設(shè)計(jì),2010,48(2):19-20.[2]胡大成,高加