煤制天然气甲烷化过程特性模拟、节能优化与稳定性分析

In this study, by using general process simulation software and special property packet, the special simulation software packages of the LTD with annual production capacity of 5.5 billion m3 SNG methanation process of Xinjiang Qinghua Energy Group Co will be built. From the point of thermodynamics and reaction engineering, full system reaction process and heat transfer characteristics will be studied by using chemical system engineering method. The technological process will be optinumed. The proper operation parameters will be confirmed and the operation flexibility will be strengthed. By building of full system energy-transform diagram and effective distribution profile, available energy loss and thermodynamics efficiency of each device will be studied. Using the evaluation of energy utilize, the system energy saving potential and direction as well as the specific energy saving measures will be investigated. By the mathematical model of methanation reactor, the relationship between the reactor stability of complex strong exothermic reaction , heat transfer law ,as well as the reactor structural will be researched. The specific change and relationship about the temperature and concentration in methanation reactor will be explored, the carbon mechanism and the influencing factors of reactor thermal stability will be researched .The reactor thermal stability prediction model will be built and the device's overall efficiency will be improved finally.An comprehensive evaluation model of SNG methanation process by yield stability,heat stable and equipment stability will be modeling. By this project, some scientific basis for Xinjiang SNG process and reasonable evaluation of energy saving will be provided, and solid foundation for the domestication exploitation and design of the methanation processes, devices and catalysts will be layed.

由于高温高压、强放热等特征，煤制天然气甲烷化过程中工艺优化、热量优化和设备稳定性研究一直是热点。本项目拟以通用流程模拟软件为平台，利用专用物性数据包构建新疆庆华能源集团有限公司年产55亿Nm3煤制天然气甲烷化过程的模拟计算软件包，从热力学和反应工程角度，利用系统工程方法研究全系统反应过程和热量传递特征，进行过程工艺流程优化，确定适宜操作参数，增强操作弹性；建立全系统能流结过程构图和有效能分布图，研究各装置有效能损失、热力学效率，对能量利用做出评价，研究系统节能潜力和方向以及具体节能措施；建立甲烷化反应器的数学模型，进行复杂强放热反应的反应器稳定性、传热规律及反应器结构关系的研究，探索确定甲烷化反应器温度和浓度的特异性变化与关系，研究催化剂积碳机理和影响因素，研究反应器热稳定性的影响因素。建立基于产率、热量和设备稳定的甲烷化过程稳定性综合预测评价模型，提高工艺和装置安全运行总效率。

本项目以新疆庆华年产 55亿 Nm 煤制天然气托普索甲烷化工艺为对象，以催化剂颗粒随机堆积床层为目标，建立了床层空隙率实验测试方法，搭建了测试装置，获得了孔隙率分布规律。运用多孔介质模型方法、PFC-CFD模型耦合方法及DEM-CFD模型耦合方法，在宏观和介观尺度建立了催化剂颗粒随机堆积床层模型，完成了固定床反应器高温高压多场耦合条件下甲烷化反应过程的准确模拟，获得了反应器内温度场、压力场、产率分布的特征规律。.借助化工流程模拟通用软件，采用基于统一热值的能量衡算法和基于龟山-吉田模型的有效能分析法，做出整个工段的物流能流图；考察了循环比、分配比、水气比和净化气进口温度对甲烷化工段用能的影响并对其进行了优化，实现了在不改变原有换热网络的基础上，通过调整锅炉给水传热温差，使甲烷化工艺有效能效率提高7.96%，能量利用率提高14.27%。提出关键参数对工艺的影响规律、控制策略、节能的方向。对甲烷化反应过程中的析碳热力学进行研究，作出了热力学析碳判别图；研究了原料合成气中CO2含量、氢碳比波动以及操作条件循环比、水气比等变化对甲烷化反应器析碳的影响。.针对具有不规则结构、强热效应的甲烷化反应器，建立了反应器内特征场分布于反应器结构的关联，提出了基于甲烷化反应温度分布最均、产率最大的结构优化方案。运用强度有限元分析方法，进行了甲烷化反应器的热-应力耦合分析和疲劳分析，确定了结构最危险位置和反应器安全运行寿命。运用蒙特卡洛随机有限元法得出反应器可靠度为0.96的结论。.本项目实现了托普索甲烷化工艺动态模拟，明确了原料合成气组成、工艺操作条件的波动对工艺的影响，可在一定范围内预测反应进程；操作参数的优化匹配、操作过程的调控策略、甲烷化反应器结构强度的研究，保证了工艺运行的稳定；对工艺能效评价与优化，可以实现能量的高效利用。建立的固定床随机堆积催化床层轴向流反应器、径向流反应器下气-固反应的准确、多尺度计算机模拟方法具有普适性。