煤制氣液化分離工藝技術(shù)研究

【摘要】煤制氣的組分不同于天然氣，主要成分為CO、H2和CH4，液化分離裝置的目的是要把CO、H2從煤制氣中分離出來，用于生產(chǎn)甲醇，甲烷液化后分離生成LNG產(chǎn)品。不同于常規(guī)LNG的液化工藝，本文介紹了煤制氣的液化分離工藝流程及其特點(diǎn)，以及列舉國內(nèi)首座煤制LNG工藝裝置運(yùn)行情況。

【關(guān)鍵詞】煤制氣；脫水；脫甲醇；液化；甲烷分離

引言

目前，國內(nèi)LNG產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，主要是針對常規(guī)天然氣的液化工藝研究，很少有針對煤制氣的液化分離技術(shù)的研究。煤制氣的氣質(zhì)組分不同于常規(guī)天然氣，含有較少的甲烷，較多的H2和CO，表1為典型的煤制氣的組分含量。液化分離的目的是要把CO、H2從原料氣中分離出來，用于下游甲醇合成裝置生產(chǎn)甲醇，把甲烷液化生成LNG產(chǎn)品銷售。

常規(guī)的天然氣液化工藝主要包括凈化（除去天然氣中的水分、酸性氣體、重?zé)N和汞等雜質(zhì)）和液化兩個部分。煤制氣的液化分離工藝除了凈化和液化工藝外，增加合成氣分餾工藝。液化部分將原料氣中的甲烷液化從而生成LNG副產(chǎn)品。

原料氣組份摩爾百分比（mol%）

CO24.95

H257.65

CH416.39

N2+Ar0.30

H2S+COS0.1ppm

O20.41

CO2<20 ppm

C20.30

總計(jì)100.00

1.煤制氣液化分離裝置

甲烷分離裝置原料氣經(jīng)脫水、脫甲醇、脫汞后，進(jìn)入液化分離單元，在冷箱內(nèi)冷卻至-162℃，再進(jìn)入分餾塔，利用CH4、CO、H2沸點(diǎn)不同，從而有效地把甲烷從原料氣中分離冷凝下來，得到產(chǎn)品LNG，LNG產(chǎn)品進(jìn)入LNG儲罐儲存，合成氣從分餾塔頂分出。另配有冷劑補(bǔ)充系統(tǒng)和BOG回收系統(tǒng)。

裝置合成氣產(chǎn)量約為：165，900kg/h，LNG產(chǎn)量約為51，510kg/h。此數(shù)據(jù)基于從界區(qū)外回收3，643kg/h BOG為前提。

1.1煤制氣凈化工藝及特點(diǎn)分析

在煤制氣液化之前，要把原料氣中的水，甲醇脫除掉，這些成分在低溫條件下會結(jié)冰，堵塞設(shè)備或降低換熱器的性能。采用分子篩過濾器/分離器捕獲可能從原料氣壓縮機(jī)冷卻器攜帶過來的工藝液體。

原料氣進(jìn)入到處于吸附狀態(tài)的分子篩（干燥劑采用UOP13X-HP分子篩）干燥器頂部，壓力為4.76MPa，溫度為35℃。當(dāng)原料氣經(jīng)過床層的時候，原料氣中的水和甲醇被吸附到床層上。一個床層吸附水和甲醇，另外一個床層處于再生狀態(tài)，整個脫水干燥循環(huán)為24小時，其中12小時為吸附，7.3小時是加熱狀態(tài)，3.7小時是冷卻，1.0小時為切換。

利用低壓氮?dú)庾髟偕橘|(zhì)，低壓氮?dú)馔ㄟ^再生氣加熱器被加熱到約232℃。再生時經(jīng)過分子篩去除飽和床吸附的水和甲醇，再生氣排放到大氣之中；在冷卻段，再生氣不再經(jīng)過加熱器加熱。

干燥的原料氣離開分子篩床層，經(jīng)過粉塵過濾器脫除吸附劑粉塵或分子篩床層沒有捕獲的固體雜質(zhì)。

汞含量超標(biāo)會對鋁制冷箱產(chǎn)生嚴(yán)重影響，使冷箱發(fā)生爆裂。原料氣干燥后進(jìn)入到脫汞床，脫汞劑采用浸硫活性炭。把原料氣中所含的汞脫除掉，再進(jìn)入到炭粉過濾器以過濾活性炭。除了更換其中一個脫汞床內(nèi)吸附劑的時候，兩個脫汞床在正常工況下串聯(lián)運(yùn)行。

煤制氣凈化工藝的特點(diǎn)：

1.不同于常規(guī)天然氣液化前的凈化工藝，該工藝不需要單獨(dú)配置CO2脫除裝置，因?yàn)槊褐茪庵蠧O2的含量為20ppm，而煤制氣液化工藝允許的CO2最大量為50ppm。

2.干燥系統(tǒng)吸附劑和切換閥門使用壽命長，系統(tǒng)切換損失小，有防止分子篩吹翻措施。吸附器切換再生采用恒流量控制方式，改善主塔工況的穩(wěn)定性[1]。

3.煤制氣中汞含量較高，脫汞床容積較大，采用兩床串聯(lián)運(yùn)行，如果其中一個脫汞床吸附飽和則更換吸附劑，另一個脫汞床可繼續(xù)吸附。脫汞吸附劑采用浸硫活性炭。

1.2煤制氣液化分離工藝及特點(diǎn)分析

煤制氣凈化后進(jìn)入液化分離裝置。液化分離裝置將BV公司開發(fā)的PRICO單混合冷劑單循環(huán)、氮冷劑循環(huán)以及分餾系統(tǒng)高度集成和一體化，既滿足對產(chǎn)品純度的嚴(yán)格要求，又具備高能效。原料氣和氮冷劑均在工藝核心PRICO主換熱器中進(jìn)行冷卻和冷凝[2]。

經(jīng)過預(yù)處理的原料氣進(jìn)入主冷劑換熱器，原料氣在主換熱器第一通道向下流動，預(yù)冷至-82℃，并在主換熱器的中間部位引出冷箱，氣體被用來加熱合成氣分餾塔的塔底。來自分餾塔再沸器的冷原料氣，其溫度為-113℃，壓力為4.65MPa，返回到主換熱器被進(jìn)一步冷卻至-151℃，壓力降至4.62MPa，然后在冷液分離器進(jìn)行分離。

從冷分離器出來的氣相物流進(jìn)入到膨脹/壓縮機(jī)組的膨脹端，在此由4.62MPa膨脹到約1.2MPa，然后進(jìn)入到合成氣分餾塔。從冷分離器底部出來的液相物流經(jīng)過節(jié)流閥減壓到分餾塔的操作壓力，然后進(jìn)入合成氣分餾塔的低段。

從分餾塔頂分出的合成氣產(chǎn)品的主要成分為CO、H2，分餾塔底分離出的是LNG。塔頂冷凝器把分餾塔頂?shù)臍怏w冷卻到-177.2℃，塔頂冷凝器的冷量由氮冷劑系統(tǒng)回路提供。塔頂冷凝器出口流體在回流罐中分離，回流液通過回流泵返回到合成氣分餾塔，從回流罐出來的氣體就是甲烷分離裝置生產(chǎn)的合成氣產(chǎn)品。

塔底物流就是LNG產(chǎn)品，溫度為-162℃，被送入LNG儲罐儲存。

煤制氣液化分離工藝的特點(diǎn)[3]：

1.液化所需冷量由混合冷劑循環(huán)系統(tǒng)提供，氮?dú)?、甲烷、乙烯、丙烷、異戊烷五種冷劑組成，在冷箱中以氣液混合的形式，經(jīng)J-T閥膨脹制冷。

2.為了更有效的將甲烷分離出來，在冷箱出口產(chǎn)品線上加了冷分離罐，先將已液化的甲烷分離出來，再將冷分離罐的氣相經(jīng)膨脹機(jī)制冷后液化，在分餾塔內(nèi)分離出來。

3.增加另一種冷源：液氮。用于降低來自的分流塔頂?shù)暮铣蓺獾臏囟?，再次分離出合成氣中夾帶的甲烷。液氮系統(tǒng)由低溫氮?dú)鈮嚎s機(jī)和進(jìn)出口分液罐組成，為閉式回路。

4.分餾塔是利用甲烷、CO、H2的沸點(diǎn)不同來實(shí)現(xiàn)甲烷分離，有效的利用能量。

5.依據(jù)分析結(jié)果，調(diào)整分餾塔再沸器和回流冷凝器的負(fù)荷。如合成產(chǎn)品氣中甲烷含量過高（超過0.5%），則應(yīng)增加回流量，如液化天然氣產(chǎn)品中的CO含量過高（超過0.5%），應(yīng)增加再沸器的負(fù)荷。

1.3 混合冷劑循環(huán)

煤制氣液化所需的冷量由PRICO冷劑系統(tǒng)提供，PRICO工藝是由美國BlackVeatch公司1950年開發(fā)并不斷改進(jìn)而成，采用了單循環(huán)混合制冷劑和單循環(huán)壓縮系統(tǒng)，冷箱采用板翅式換熱器[2]。

來自主換熱器頂部的低壓冷劑在冷劑壓縮機(jī)的一段被壓縮，一段入口溫度為27℃，壓力為0.163MPa，流量為94049m3/h，一段出口溫度為147.8℃，壓力為1.55MPa，然后進(jìn)入冷劑壓縮機(jī)的段間冷卻器冷卻到33.3℃。段間冷劑罐把氣相和液相物流分離開，氣相冷劑被導(dǎo)入到冷劑壓縮機(jī)的二段，二段入口溫度為33.3℃，壓力為1.49MPa，流量為14368m3/h，二段出口溫度為93.5℃，壓力為3.35MPa。壓縮機(jī)二段出來的高壓氣相冷劑與從段間冷劑罐通過段間冷劑泵打出的冷劑液體混合，然后在冷劑出口冷凝器中冷卻，部分冷凝下來的混合物在冷劑出口分離器中進(jìn)行分離。

冷劑循環(huán)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是：

1.采用單級制冷系統(tǒng)，流程簡單，操作控制可靠；

2.對冷劑組分的變化不敏感，對不同組份原料氣具有較強(qiáng)的彈性和適應(yīng)性；

3.開停車速度快，需要補(bǔ)充冷劑量少，具有較高的效率；

4.設(shè)備數(shù)量少，布置緊湊，造價和操作費(fèi)用低。

2. 煤制氣液化分離裝置運(yùn)行實(shí)踐

新疆廣匯甲烷深冷液化分離項(xiàng)目于2010年5月開始籌備建設(shè)， 2012年10月調(diào)試投產(chǎn)成功。該裝置的設(shè)計(jì)能力為452，472m3/h。合成氣的總生產(chǎn)能力為383，686m3/h，LNG作為生產(chǎn)速度大約為51，510kg/h（相當(dāng)于液體119.6m3/h，約45萬噸/年 ）。

2012年6月，裝置進(jìn)入全面調(diào)試階段：公用工程系統(tǒng)調(diào)試；原料氣管線置換；消防水系統(tǒng)調(diào)試；原料氣管線引天然氣；干燥器填裝瓷球、分子篩，脫汞吸附劑填裝活性炭；全部DCS聯(lián)校結(jié)束；干燥、汞脫除全部系統(tǒng)置換和檢漏，冷劑儲存、補(bǔ)充和卸料全部系統(tǒng)置換和檢漏，制冷和液化系統(tǒng)置換和檢漏。

2012年8月，液化系統(tǒng)和制冷劑回路干燥，冷劑儲存系統(tǒng)干燥。

2012年9月，壓縮機(jī)組聯(lián)動試運(yùn)，液態(tài)冷劑系統(tǒng)循環(huán)，冷劑單元開車，液化單元開車，LNG儲罐和灌裝站置換、干燥和預(yù)冷。

2012年10月20日甲烷分離裝置投產(chǎn)成功，逐步增加負(fù)荷至50%，產(chǎn)品合格后穩(wěn)定24小時；增加負(fù)荷至70%，產(chǎn)品合格后穩(wěn)定72小時；再增加負(fù)荷至85%，產(chǎn)品合格后穩(wěn)定72小時；最后增加負(fù)荷至100%，穩(wěn)定72小時。如果產(chǎn)品合格，裝置即進(jìn)入試生產(chǎn)期，試生產(chǎn)期時間為六個月。

2.1 冷箱積液及操作

原料氣從頂部進(jìn)入冷箱，并向底部流動，底部冷端溫度更低。低溫液體僅在冷劑換熱器底部產(chǎn)生。停車期間，這些液體因重力將會被隔離在冷箱底部，這些低溫液體不能進(jìn)入到設(shè)計(jì)不允許低溫進(jìn)入的工段。每個冷箱只有一個雙板束釬焊鋁芯換熱器，除此再沒有任何其它設(shè)備。

冷箱的溫度梯度自下而上，逐漸升高，低壓冷劑出冷箱為常溫。冷箱內(nèi)液相冷劑過多時，冷箱底部會出現(xiàn)積液，冷箱底部溫度會極具降低。此時，可以減小液相冷劑進(jìn)冷箱流量，同時增大氣相冷劑流量，將集聚在冷箱底部液體帶至冷箱中上部氣化，使得冷箱整體溫度梯度趨于正常。

2.2 產(chǎn)量控制

J-T閥控制液化裝置的總體生產(chǎn)能力，限制冷劑壓縮機(jī)負(fù)荷。J-T閥進(jìn)行微小調(diào)整，以改變生產(chǎn)能力或者增、減冷劑壓縮機(jī)的負(fù)荷。使用手動的“HIC”與采用J-T閥流量控制相比，可提供進(jìn)入冷劑壓縮機(jī)的穩(wěn)定流量，一般而言，增加進(jìn)入冷箱的冷劑流量，即增加了LNG生產(chǎn)能力，或在LNG流量不變情況下降低LNG的溫度。

2.3 冷劑補(bǔ)充與損失

對于冷劑補(bǔ)充，氮是由客戶（界區(qū)外）提供的。甲烷可以在運(yùn)行時從LNG產(chǎn)品中獲取?！凹淄檠a(bǔ)充罐”由用戶提供，它可以儲存LNG產(chǎn)品或由其它設(shè)備引入。由于原料氣中的氧氣在閃蒸氣中累積，因此，BOG不適合作甲烷補(bǔ)充。裝置原料氣中H2/CO含量高，同樣也不適合做甲烷補(bǔ)充的“補(bǔ)給源”。開車時，甲烷補(bǔ)充將用LNG槽車（用戶提供）代替。需要的乙烯、丙烷、異戊烷來自于專用的補(bǔ)充罐。所有冷劑組分均通過冷劑吸入罐的入口管線加載。

在裝置維修或冷劑液體過多時，可以在冷劑儲罐中存放冷劑。這些冷劑可以根據(jù)需要再次加入到系統(tǒng)中，從而可以最大程度地減少冷劑的損失。每列都有專用的補(bǔ)充罐。

對于PRICO工藝來說，當(dāng)制冷系統(tǒng)首次裝填冷劑后，只需要很少量的冷劑補(bǔ)充，因此，只要求最低量的冷劑儲備。

2.4 BOG回收

來自LNG儲罐的氣態(tài)甲烷，溫度-160℃，壓力0.006MPa，流量5096Nm3/h，首先經(jīng)入口過濾器，進(jìn)入BOG進(jìn)/出口換熱器換熱；加熱后的氣體進(jìn)入一級進(jìn)氣緩沖器，經(jīng)一級壓縮到0.23MPa，70℃，然后進(jìn)入一級出口緩沖器、一級水冷器冷卻到40℃；氣體進(jìn)入二級入口緩沖器，經(jīng)二級壓縮到0.89MPa，134℃，然后進(jìn)入二級出口緩沖器、二級水冷器冷卻到45℃；氣體進(jìn)入三級入口緩沖器，經(jīng)三級壓縮到2.7MPa，134℃，然后進(jìn)入三級出口緩沖器，并在進(jìn)/出口換熱器中與入口氣體換熱，最后在三級水冷器中冷卻到40℃，經(jīng)出口過濾器過濾后，回到入口凝聚過濾器。

2.5 控制系統(tǒng)

甲烷分離裝置的測量和控制采用DCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)；原料氣壓縮機(jī)和驅(qū)動汽輪機(jī)、冷劑壓縮機(jī)組等的緊急停車聯(lián)鎖（ESD）、防喘振控制和調(diào)速控制等采用獨(dú)立于DCS系統(tǒng)的專用“機(jī)組綜合控制系統(tǒng)”（ITCC）實(shí)現(xiàn)。ITCC的可用度要達(dá)到99.9%，應(yīng)采用經(jīng)過TUV AK6認(rèn)證的不低于三重冗余容錯結(jié)構(gòu)的硬件和軟件控制系統(tǒng)[4]。

設(shè)置緊急停車按鈕操作臺，實(shí)現(xiàn)對整個裝置和單機(jī)設(shè)備突發(fā)事故或計(jì)算機(jī)故障下的緊急停車，確保裝置的安全性。DCS停車信號與緊急停車信號分別由兩路獨(dú)立的停車信號送至停車回路，以保證停車回路的可靠性。

3.結(jié)束語

新疆廣匯甲烷深冷液化分離項(xiàng)目于2010年5月開始籌備建設(shè)， 2012年10月調(diào)試投產(chǎn)成功。

該裝置的設(shè)計(jì)能力為452，472m3/h。合成氣的總生產(chǎn)能力為 383，686m3/h，LNG作為生產(chǎn)速度大約為51，510kg/h（相當(dāng)于液體119.6 m3/h，約45萬噸/年），通過對甲烷深冷分離工藝的分析研究可知，煤制氣液化分離工藝技術(shù)、全套設(shè)備和設(shè)計(jì)參數(shù)是可靠先進(jìn)的，整套裝置是運(yùn)行可靠、技術(shù)成熟、流程先進(jìn)、操作方便、能耗低、安全性好、控制容易、連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)周期長[5]。

2012年10月20日投產(chǎn)運(yùn)行以來情況良好，已達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平。煤制氣液化分離項(xiàng)目的成功建設(shè)及連續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行，為煤制氣液化生產(chǎn)工藝開辟了道路，對國內(nèi)煤制氣液化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到積極的推動作用，在國內(nèi)液化氣工廠的建設(shè)史上樹立起一座里程碑。