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摘要：本文分析了某合成氨厂的天然气制合成气的工艺流程及生产状况。根据能源存在形式和存量情况，就其中的天然气制气和脱碳MDEA工艺进行分析，结合实际现场的用能情况，对天然气压差能发电和空调冷冻制冷水、脱碳MDEA溶液水力压差能回收利用，以及余热蒸汽复温天然气提高热值等利用方式进行了设计计算，以实现生产的节能与高效。
关键词：天然气；合成气；压差；膨胀
1天然气制合成气工艺
1.1合成气原料
合成气主要组分为CO和H2，在化学工业中具有极为重要的地位。合成气可以生产一系列的化学品，如氨、甲醇、费托合成产品等。合成气的原料范围很广，可由煤或焦炭等固体燃料气化产生，也可由天然气和石脑油等轻质烃类制取，还可由重油经部分氧化法生产。随着天然气蒸汽化制取合成气工艺稳定性、投资、环保等方面的优势，成为制取合成气的主要技术路线。
1.2天然气蒸汽转化制气及净化工艺
天然气蒸汽转化法的基本原理是，甲烷与水蒸汽在催化剂及高温条件下，反应生成CO、CO2、H2，或少量CH4等。目前，出CO2在合成氨中是一个比较重要的工艺环节，其能耗约占总能耗的10%左右，因此，脱出CO2工艺的能耗高低，对氨厂总能耗的影响很大。脱除二氧化碳的常用的方法有低温甲醇法、改良热钾碱法、活性MDEA法、变压吸附（PSA）法等。因活性MDEA溶液脱碳具有较好的稳定性，不易降解，挥发少，同时在吸收CO2同时对于硫化氢等酸性气体的吸收功效，以及对于非极性气体H2、N2等气体的溶解度低，因此净化气损失小，而且基本对碳钢设备无腐蚀，目前已成为工业化脱碳的主流工艺。
2某天然气制氨厂生产情况
2.1生产流程
某厂采用天然气为原料年产40万t合成氨生产装置。其工艺流程是将水碳摩尔比为3.5，510℃的天然气与水蒸气混合物在镍催化剂作用下，于管式固定床反应器中完成转化反应（一段转化）制取合成气。为降低一段转化炉出口气中的CH4含量及向合成气中补氮，在进行转换反应的同时采用以空气为原料，在固定床绝热催化剂反应器中进行耦合氧化反应（二段转化），使出口气中CH4含量进一步降低至0.2%，然后经高温串低温变换，MDEA法脱碳和甲烷化净化得到38℃、2.5MPa新鲜原料气，经原料气压缩机压缩至6.3MPa（172℃），再与脱碳后气体换热、水冷、氨冷降温至8℃进入高压缸压缩机并与循环气在最后一级别叶轮处混合，出高压缸14.8MPa、68℃气体依次经过水冷、三级氨冷、分氨，与出塔气换热至141℃进入合成塔，制得产品氨。
2.2厂区原料气供应及动力工程
厂区生产所用天然气由主管网天然气管道直接输送至厂界，其中天然气一部分输送至工艺区作为生产原料，一部分用作锅炉燃料，以生产高温高压透平蒸汽，用以驱动高压透平离心压缩机，同时富产蒸汽用于工艺生产需要。原料天然气管网压力为4.2MPa（G），用作锅炉燃料的天然气须经过减压阀减压至0.7MPa（G），供锅炉安全稳定燃烧，用作燃料的天然气使用量为2.4万Nm3/h。厂区自建蒸汽站供应饱和水蒸汽用于原料供应和生产需要。
3合成气工艺储能及节能技术研究
3.1天然气压差能及回收利用技术
该厂管道天然气由管网4.2MPa（G），节流至0.7MPa（G），具有较大压差，且流量达2.4万Nm3/h。生产中对于天然气超过工艺要求压力，其实际处置措施仅用减压器进行压力调节，造成天然气压差能极大浪费。同时因减压阀减压后，天然气温度降温，将造成管道及阀门结霜，还需用额外用热水复温，造成额外能源消耗。在天然气膨胀对外做功的同时会因内能的降低造成工质降温，由此产生低温的冷量可供使用。为避免膨胀过程中避免形成凝液，保证膨胀机的稳定正常运行，需要对膨胀比和天然气进出入口温度进行合理设计，保证膨胀后出口温度高于0℃。
3.2脱碳MDEA溶液水力能及回收利用技术
合成气经低温变换炉出口气经低变气废锅、低变气再沸器，低变气/脱盐水预热器回收热量后，温度降低到约75℃。合成气经变换后，进入CO2吸收塔，在吸收塔中与MDEA溶液逆流接触，分两段完成CO2吸收。CO2吸收塔顶气体经水冷器冷却、分离冷凝后去甲烷化。吸收CO2后的MDEA溶液（富液）具有较高的压头，经减压阀后，进入富液闪蒸洗涤塔，阀前压力为2.0～2.8MPa，阀后压力为0.5～0.8MPa，MDEA富液循环流量为700～850m3/h。对于MDEA溶液富液的操作条件，阀前压力为2.0～2.8MPa，阀后压力为0.5～0.8MPa，MDEA富液循环流量为700～850m3/h。其MDEA富液自塔顶与CO2逆向交换后含有较大压头能量，对于液体压头能量的利用一般通过水力透平对工艺流程中产生的高压液体进行再利用，一般采用逆运行泵来充当透平回收液体能量。
4节能工艺设计及计算
4.1天然气压差发电及冷能利用设计
（1）利用流程设计
为提高其入口端天然气温度和焓值，以便提高膨胀对外做功，同时保证燃料天然气在膨胀后温度不过低。对经膨胀后低温天然气与空调冷冻水进行换热，空调冷冻水温度被降低，天然气经空调冷冻水复温后再经富裕蒸汽复温至80℃后进入锅炉燃烧。
(2)设计条件
天然气额定流量24000Nm3/h，初始压力为4.2MPa（G），减压后为0.7MPa（G），天然气质量气体质量符合GB17820-1999中二类气要求，主要组分为CH497%，CO21.5%，N21.5%，天然气温度为室温，按照年均温度18℃。空调冷冻水回水温度20℃，压力0.6MPa。余热蒸汽温度150℃，压力0.4MPa。对主要办公区的冷负荷调研，按照120～150W/m2的制冷量标准，办公区1300m2的需要，制冷量约需156000W。
（3）设计及计算
透平膨胀机采用油轴承膨胀机，发电装置配套主要设备基础参数按照修正轴功900kW为基础进行核算和选型。配套管壳式预热器、发电机、PLC超速及电气保护系统。核算变速器、发电机等中间能量传递装置运行效率等因素，利用天然气压差能每小时将产生810kWh的电量，所发电量直接供厂区设备使用。同时天然气内能使温度降至约5℃，通过和冷冻水的热交换，使得空调冷冻水降至10℃。低温冷冻水经泵送至办公区各风机盘管处。经计算通过天然气膨胀制冷产生冷量143500W，可基本满足办公区制冷需求。天然气被空调冷冻水复温至约18℃，再经余热蒸汽复温至约80℃，然后直接进入锅炉燃烧，实现燃气高温燃烧。
4.2MDEA富液水力能回收
（1）利用方式设计
因在脱碳工艺中，用作MDEA富液的调节阀前后压差大，且循环的溶液量较大，拟采用水力透平来取代富液减压阀，利用溶液压力差驱动水力透平机转动带动半贫液泵运转。
（2）设计条件
塔底富液压力约2.8MPa，减压后压力0.7MPa，在操作温度95℃下贫液密度约1230kg/m3，富液流量700～850m3/h。
（3）设计及计算
选用水力透平机和半贫液泵直接连接，水力透平泵采用卧式悬臂轴泵，在750m3/h的设计流量下，进口压力2.8MPa，出口压力0.8MPa，转速3680r/min，经计算可输出轴功可达330kW，具备回收价值，用以直接驱动半贫液泵。
5结语
天然气蒸汽转化制取合成气工艺中，均会设计脱碳、燃气减压燃烧等环节，充分利用天然气压差及余热蒸汽发电、膨胀制冷并建设蓄冷水池供办公厂区风机盘管制冷，联合脱碳MDEA富液水利能驱动半贫液泵，充分实现生产节能，具有极高的能源利用效率和良好的经济性，是实现天然气制气高效生产、节能减排的有效途径。
参考文献
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作者:王勇 单位:中科瑞奥能源科技(重庆)有限公司
