天然气的无害化利用技术

天然气化工2003年第28卷工艺介绍天然气的无害化利用技术蔺跃武刘典明尚鹏举(胜利油田兴达股份有限公司山东东营257068)摘要介绍了无害化天然气利用新工艺的发展重点介绍了蒸汽重整与CO分离工艺和等离子高温裂解工艺的特点与实用工艺流程分析了其可行性与经济性。关键词天然气无害化利用落汽重整等离子裂解中图分类号:IQ21文献标识码3文章编号:1001-9219200306-58030前言例如采用铂银合金膜3和陶瓷膜4会有很高的分离效率我国具有较丰富的天然气资源尤其是西气东从蒸汽重整和转化工艺过程中分离出CO,要输″工程的实施对天然气的综合利用提出了迫切要比在烟道气中分离(O2易于实现,且比较经济。据求。虽然与其他矿物燃料相比,天然气清洁且有较 Holloway报道5],个燃气火力发电厂对烟道气进低碳比对环境的影响最小。然而天然气利用的一行脱CO2处理的成本约为80美元/t而根据Aud个不容忽视的问题是所释放的CO2会加剧温室效的估算6蒸汽重整和转化工艺过程中脱除(O2的应因此寻求无OO2排放的天然气转化新工艺便成本仅为20美元/。Aud16报道了一个蒸汽重整成为人们普遍关注的问题,一种可行的途径是将天与CO2分离制氢工艺实例见图1)该工艺天然气然气转化为氢气或含氢燃料。这种途径可由两种工的处理量为2.45×10Nm3/dH2的产量为6.75艺实现:是通过蒸汽重整与CO2分离来生产氢10Nm3/d膜分离工艺分离出的5kt/dCO,经压是利用高温裂解将其转化为氢和炭黑。缩后注入地下处置。1蒸汽重整与CO分离工艺纯H输送对管路有特殊要求会使输送成本大为增加因此采用了H3与天然气混输的方法。用含蒸汽重整是利用天然气制氬的一种有效工艺H为15%体积分数的混合气外输就可以采用普其经过多年的改进正逐步从过去的设备笨重、操作通输气管线,输送成本会接近天然气输送。按照温度高、传热效果差、OO2和NO排放量大向更加Olney的核算7.天然气输送成本为3美元/(iJH2紧凑、高效的换热型重整设备发展。采用更为优越为7美元/G而15%H2的混合气为3.2美元/Gl。的二级重整首先加入O2进行自热式重整不仅可混合气输送在欧洲比较流行混合气可用作汽车燃使重整装置很紧凑(使装置区面积减少25%~料如需纯H则采用分离工芸如膜分离进行分30%)而且可以降低(O2排放量。装置的操作费离在蒸汽重整和转化反应器中采用吸收剂有途0用图1所示工艺CO的排放量可以减少5×用也会有较大的下降1中国煤化工CNMHG是许多化工产品(如甲择地去掉产品中的某一组分H2或CO2)会对工艺醇氨、过氧化氢)等的重要原料。采用氢-化工产过程创造更有利的热力学条件使平衡向有利于产品一电联产的天然气综合利用集成工艺优越性更品生成的方向移动降低操作温度2另一种方为突出。图2为这种工艺的一个实例。本工艺天然是采用分离横将事品气中的H2及时地分离出来。气的处理量为5×109Nm/d(为图1所示工艺2第6期蔺跃武等天然气的无害化利用技术倍)其中甲醇装置与尿素装置均已达到相当规模,约为100MW故有250MW电能可供外输。该工艺火力发电厂输岀电能达350MW空分和氬气液化消的甲醇和液氢可用作高效汽车燃料用其代替燃油耗电能分别约为55MW和1lMW,该工艺总耗电能后CO的排放量可以减少7.36kt/dH O天然气地下处置训重整转化分离压缩245×10 PNmld5×10Nm3/d5×10Nm3dH2675×10Nmyd天然气外输混合气38.25×10Nm'd45×10Nm3/d图1天然气蒸汽重整制H2与OO2处置工艺流程工艺每生产1Nm3的H2需耗电1kWhH的纯度45k可达99.7%,原料利用率接近100%,可真正实现CO2的零排放11CHOH制转化I 5d→压缩◆用户N2用户变压器换热器包驶→用户图3天然气等离子高温裂解生产氫和buD叫液化7难炭黑工艺流程示意图图2天然气综合利用集成工艺H的生产成本取决于炭黑、天然气和电的价格。图4表示它们之间的关系图中的分散带表示天然气2天然气高温裂解工艺在高温下,碳氢化合物可裂解成碳和氢。传统014国10MNm%a装置的工艺是在炭黑炉中以重油为原料进行高温裂解0MNm%装置生产炭黑。这种工艺的缺点是原料利用率低,CO释放量大以及产生大量低值气相副产品。近年来高温裂解工艺得到了很大改进其重要标志是气相中国煤化工副产品为高价值的H。用天然气为原料进行高温CNMH裂解的实用工艺之一是等离子高温裂解。有关等离子高温裂解在20世纪90年代中期苏联δ和法厨叨等国家就有研究挪威的 Kvarner公碳黑价格,Usr司将其推嫩用图3为工艺流程0采用该图4H2生产成本与炭黑、天然气和电价格间的关系天然气化工2003年第28卷和电价的波动范围。例如,对于较大规模(50062A]. National Petroleum Refiners Association Annu10Nm3/y的装置天然气和电的价格取高限若炭Meeting[ C ] San Antonio, Texas, 1996黑的价格为140美元/t则H2的生产成本为0.075[2 Anand M, Hufton J R, Mayorga S,eal. Sorption美元/Nm3。可见该工艺具有很好的经济性Enhanced Reaction Process( serP )for the Production of将等离子高温裂解与其他以氢和炭黑为原料的Hydroger[ C ] USDOE Hydrogen Program Review, Miami Florida 1996工艺过程相结合可以使工艺系统更有效CO2的排[3] Lagsgaard J S, h jlund N P E, LehrmannP Steam re放量大大减少。图5是将等离子高温裂解与火力发forming of methane in a membrane reactof J ] Catal To-电以及冶金过程相结合的一个实例。[4] Aihara M, Ohashi H, Semonova S, et al. High temperture corrsion-resistant separation membranes for thermo天然气燃气火力冶金工艺chemical processes[ A ] Proc of 1lth World Hydrogen发电厂Eenergy Conferenc WHEC ) 1996.861-866[5] Holloway S. The Underground Disposal of Carbon Dioxide.[R ]. Final Report of JOULE II Project 1996氢[6] Audus H, Karstad O Kowal M. Decarbonisation of FossilFuels: Hydrogen as an Energy Carrier[ A ] Proc 1lth等离子高炭黑WHEC,996.525-534温裂解[7] Oeney Fpipeline transportation of hydrogen and natural gas mix图5等离子高温裂解与其它工艺过程的组合turedJ ] Int Journal of Hydrogen Energy, 1994, 19(10)813-816[8] Parmon VN, Kuvshinov GG Sobyanin VA. Innovative3结语Processes for Hydrogen Production from Natural Gas and以天然气为原料生产H2而无(O2排放是无other Hydrocarbons[ A ] Proc 11th WHEC, 1996.2439害化天然气利用的有效途径不仅环境友好而且有[9] Fulcheri L, Schwob Y. From methane to hydrogen car优越的经济性。目前有两种工艺得到了较大发展bon black and watet J]. Int Joural of Hydrogen Energy水蒸汽重整与CO分离和等离子高温裂解工艺199520(3):197-202.这两种工艺与其他工艺过程综合集成可形成更为[101LymS, Hugdahl J Hildrum R. The Kvarner cb&H紧凑、更为有效的天然气综合利用新工艺。process. Carbon Black World, Nice. 199611] Gaudernack B, Lynum S. Hydrogen from Natural Gas参考文献without Release of CO to the Atmosphere a]. proc1] Abbishaw J Cromarty B. NPRA Paper number AM-9611wHEC1995511-523动态·简讯主U/κ石油当量)同时认为到2005年全球能源市场对天然气2025年天然气将居全球能源消费第的需中国煤化工球最大的能源消费品。中壳牌天然气及电力公司负责人 Charles wat最近在迪国和CNMHG长最为迅速的国家但在拜召开的中东天然气及液化天然气LNG坛上称由于全未来4y二八人需求地区欧洲、亚洲主要球能源市场对天然气的需求增长速度已超过了石油的增长是日本和韩国)和北美仍将占据全球天然气需求增量的速度到2030年全球的LNG贸易将是目前的5倍达5亿60