煤基芳烴項(xiàng)目中天然氣轉(zhuǎn)化工藝流程比選分析

(中國(guó)天辰工程有限公司，天津 300400)

煤基芳烴項(xiàng)目工藝裝置分為煤制甲醇和甲醇制芳烴兩大部分，其中，甲醇制芳烴各裝置副產(chǎn)包含大量富甲烷氣、富乙烷氣和氫氣的燃料氣，該燃料氣除了作為燃料供全廠(chǎng)用戶(hù)使用外，大部分需要作為原料氣送入轉(zhuǎn)化裝置，將原料氣中的甲烷和乙烷轉(zhuǎn)化為甲醇合成所需CO和H2；由于不同的天然氣轉(zhuǎn)化工藝所副產(chǎn)的轉(zhuǎn)化氣的組成差別很大，因此，不同的轉(zhuǎn)化工藝選擇對(duì)甲醇合成和全廠(chǎng)燃料氣平衡都有很大影響，所以，對(duì)煤基芳烴項(xiàng)目進(jìn)行天然氣轉(zhuǎn)化工藝的比選是非常必要的。

1 天然氣轉(zhuǎn)化工藝

目前，世界天然氣探明儲(chǔ)量快速增長(zhǎng)，尤其是美國(guó)、中東和非洲地區(qū)，天然氣儲(chǔ)量豐富，預(yù)計(jì)未來(lái)天然氣化工的發(fā)展前景將十分廣闊。天然氣轉(zhuǎn)化是天然氣化工流程的重要環(huán)節(jié)，目前，天然氣轉(zhuǎn)化工藝主要有3種流程：純一段蒸汽轉(zhuǎn)化工藝、ATR純氧轉(zhuǎn)化工藝和一段蒸汽轉(zhuǎn)化結(jié)合ATR純氧工藝。

1.1 純一段蒸汽轉(zhuǎn)化工藝

純一段蒸汽轉(zhuǎn)化工藝又叫天然氣蒸汽重整工藝，其基本反應(yīng)方程式為：

(1)

CO+3H2←→CH4+H2O

(2)

CO+H2O←→CO2+H2

(3)

從上列轉(zhuǎn)化反應(yīng)式可看出，采用純一段蒸汽轉(zhuǎn)化，理論上可取得CO+3H2，1個(gè)體積的甲烷可以轉(zhuǎn)化成4個(gè)體積的CO+3H2，實(shí)際轉(zhuǎn)化過(guò)程的平衡還取決于變換反應(yīng)過(guò)程，即第3個(gè)反應(yīng)式，最終的蒸汽轉(zhuǎn)化氣組分為CO/H2/CO2的混合氣，組分中的CO還可以進(jìn)一步變換成H2，因此，這種轉(zhuǎn)化工藝是制取純氫氣和進(jìn)行合成氨最理想、最經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)化方法。目前，世界上大多數(shù)天然氣制氫流程都采用一段蒸汽轉(zhuǎn)化工藝。但該轉(zhuǎn)化工藝由于受到蒸汽轉(zhuǎn)化爐出口溫度的限制，轉(zhuǎn)化氣中CH4的含量較高，同時(shí)純一段轉(zhuǎn)化會(huì)有大量煙氣排放。

1.2 ATR純氧轉(zhuǎn)化工藝

甲烷自熱式轉(zhuǎn)化工藝是將非催化部分氧化與絕熱蒸汽轉(zhuǎn)化相結(jié)合，簡(jiǎn)稱(chēng)ATR工藝。在轉(zhuǎn)化爐內(nèi)，以烴類(lèi)、氧氣和少量水蒸氣為原料，首先在反應(yīng)器頂部混合并發(fā)生部分氧化反應(yīng)，高溫混合氣再與轉(zhuǎn)化爐中的催化劑接觸發(fā)生蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)，生成合成氣，其水蒸氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)所需的熱量由部分氧化反應(yīng)放出的熱量提供，無(wú)需外部加熱，因而，能夠降低操作費(fèi)用和節(jié)約燃料。該工藝為固定床催化工藝，具有投資少、反應(yīng)技術(shù)簡(jiǎn)單、操作彈性大等優(yōu)點(diǎn)。該轉(zhuǎn)化工藝的主要缺點(diǎn)是需要配套空分裝置、轉(zhuǎn)化氣中的氫氣含量較低等。

1.3 一段蒸汽轉(zhuǎn)化結(jié)合ATR純氧工藝

該轉(zhuǎn)化工藝是將上述介紹的純一段蒸汽轉(zhuǎn)化工藝和ATR純氧轉(zhuǎn)化工藝相結(jié)合，先經(jīng)過(guò)一段蒸汽重整反應(yīng)轉(zhuǎn)化天然氣中的部分甲烷，隨后甲烷、氫氣和一氧化碳的混合氣進(jìn)入ATR純氧轉(zhuǎn)化爐內(nèi)發(fā)生進(jìn)一步轉(zhuǎn)化反應(yīng)，該工藝可有效降低一段爐出口的溫度和轉(zhuǎn)化反應(yīng)的水碳比，使一段轉(zhuǎn)化爐的操作條件更加溫和，同時(shí)降低煙氣排放。但該轉(zhuǎn)化工藝也有缺點(diǎn)，比如和純ATR轉(zhuǎn)化工藝一樣需要配套空分裝置，同時(shí)由于既有一段蒸汽轉(zhuǎn)化又有ATR轉(zhuǎn)化爐，使整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜性增加。

2 煤基芳烴項(xiàng)目中轉(zhuǎn)化工藝的比選分析

2.1 轉(zhuǎn)化工藝比選背景

陜西華電煤基芳烴項(xiàng)目甲醇裝置規(guī)模為300萬(wàn)t/a的MTA級(jí)甲醇，同時(shí)外購(gòu)60萬(wàn)t/a甲醇，形成360萬(wàn)t/a甲醇規(guī)模送入甲醇制芳烴裝置，生產(chǎn)混合芳烴120萬(wàn)t/a，全部作為產(chǎn)品外賣(mài)。煤制甲醇的全廠(chǎng)物料流程見(jiàn)圖1。

圖1 全廠(chǎng)物料流程

原料煤經(jīng)煤氣化、變換及低溫甲醇洗裝置產(chǎn)生合成氣，同時(shí)，來(lái)自MTA裝置的甲烷氣和乙烷氣被送入轉(zhuǎn)化裝置，與來(lái)自煤基的合成氣一起被送入甲醇合成裝置，共計(jì)生產(chǎn)300萬(wàn)t/a的MTA級(jí)甲醇。其中，煤基甲醇270萬(wàn)t/a，燃料氣轉(zhuǎn)化裝置副產(chǎn)30萬(wàn)t/a甲醇。選擇不同的轉(zhuǎn)化工藝對(duì)全廠(chǎng)甲醇及燃料氣管網(wǎng)的影響主要有以下幾個(gè)方面。

(1)由于不同轉(zhuǎn)化工藝轉(zhuǎn)化氣中的H2、CO和CO2的組成比例不同，因此對(duì)甲醇合成入口處合成氣中的H2/CO比例產(chǎn)生影響。

(2)由于不同轉(zhuǎn)化工藝轉(zhuǎn)化氣的CH4含量不同，而甲烷在甲醇合成中是惰性氣，甲醇合成氣中甲烷含量的增加或降低與甲醇合成裝置弛放氣的量呈正比，因此，不同轉(zhuǎn)化工藝對(duì)全廠(chǎng)的燃料氣平衡會(huì)產(chǎn)生影響，同時(shí)，本項(xiàng)目轉(zhuǎn)化裝置的原料為全廠(chǎng)燃料氣平衡后的剩余燃料，所以，轉(zhuǎn)化工藝的選擇在對(duì)甲醇合成產(chǎn)生影響的同時(shí)又會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)化裝置產(chǎn)生影響。針對(duì)該問(wèn)題，本文將轉(zhuǎn)化裝置和甲醇合成裝置合并，建立PROII模擬分析模型。

(3)由于本項(xiàng)目的空分裝置規(guī)模已經(jīng)確定，若使用純ATR轉(zhuǎn)化工藝，氧氣消耗量太大，會(huì)影響空分裝置規(guī)模，因此結(jié)合本項(xiàng)目，本文僅對(duì)純一段蒸汽轉(zhuǎn)化工藝(轉(zhuǎn)化方案一)和一段+ATR轉(zhuǎn)化工藝(轉(zhuǎn)化方案二)進(jìn)行了PROII模擬對(duì)比和分析對(duì)比。

2.2 純一段蒸汽轉(zhuǎn)化工藝模擬及結(jié)果分析

轉(zhuǎn)化裝置結(jié)合甲醇裝置的工藝流程見(jiàn)圖2。從MTA來(lái)的燃料氣一部分作為一段爐反應(yīng)的燃料，為轉(zhuǎn)化反應(yīng)提供熱量；另一部分作為轉(zhuǎn)化反應(yīng)的原料氣送入一段爐，純一段轉(zhuǎn)化工藝的設(shè)計(jì)水碳比為3.0，一段爐的出口溫度850℃，轉(zhuǎn)化反應(yīng)壓力2.7MPa(g)，出轉(zhuǎn)化裝置的轉(zhuǎn)化氣與煤基合成氣混合后送入甲醇合成反應(yīng)器；由于純一段轉(zhuǎn)化工藝出口轉(zhuǎn)化氣中甲烷含量較高，因此，甲醇合成的弛放氣量較大，需要將多余的燃料氣返回到一段爐作為燃料，這樣就可以有更多的燃料作為原料參與轉(zhuǎn)化反應(yīng)。

圖2 純一段蒸汽轉(zhuǎn)化裝置結(jié)合甲醇裝置工藝流程

結(jié)合甲醇裝置工藝流程，通過(guò)PROII對(duì)轉(zhuǎn)化裝置進(jìn)行模擬，將PROII模擬結(jié)果匯總到表1中，流股號(hào)與工藝流程簡(jiǎn)圖相對(duì)應(yīng)。從表中可以看出，該操作條件下轉(zhuǎn)化裝置出口轉(zhuǎn)化氣中CH4含量為7.29%，有415.8kmol/h的弛放氣作為燃料從甲醇裝置返回轉(zhuǎn)化裝置，粗甲醇產(chǎn)品中甲醇為11 950.4kmol/h(約382.4t/h)。

表1 純一段蒸汽轉(zhuǎn)化工藝物料組成 (kmol/h)

2.3 一段+ATR轉(zhuǎn)化工藝模擬及結(jié)果分析

此方案中轉(zhuǎn)化裝置結(jié)合甲醇裝置的工藝流程見(jiàn)圖3，從MTA來(lái)的燃料氣，一部分作為一段爐反應(yīng)的燃料，為轉(zhuǎn)化反應(yīng)提供熱量，另一部分作為轉(zhuǎn)化反應(yīng)的原料氣送入一段爐，該方案的設(shè)計(jì)水碳比為1.8，一段爐的出口溫度為800℃，一段爐出口的工藝氣送入ATR轉(zhuǎn)化爐內(nèi)繼續(xù)發(fā)生轉(zhuǎn)化反應(yīng)，ATR轉(zhuǎn)化爐出口溫度為1 000℃，轉(zhuǎn)化反應(yīng)壓力為2.7MPa(g)，出轉(zhuǎn)化裝置的轉(zhuǎn)化氣與煤基合成氣混合送入甲醇合成反應(yīng)器；由于該方案下轉(zhuǎn)化工藝出口轉(zhuǎn)化氣中甲烷含量很低，因此甲醇合成的弛放氣全部送入燃料氣管網(wǎng)。

圖3 一段+ATR轉(zhuǎn)化裝置結(jié)合甲醇裝置工藝流程

同樣，結(jié)合甲醇裝置工藝流程，通過(guò)PROII對(duì)轉(zhuǎn)化裝置進(jìn)行模擬，將PROII模擬結(jié)果匯總到表2中，流股號(hào)與工藝流程簡(jiǎn)圖相對(duì)應(yīng)。從表中可以看出，該操作條件下轉(zhuǎn)化裝置出口轉(zhuǎn)化氣中CH4含量為1.19%，ATR轉(zhuǎn)化爐消耗氧氣322.9kmol/h，粗甲醇產(chǎn)品中甲醇12 022.2kmol/h(約384.7t/h)。

表2 一段+ATR轉(zhuǎn)化工藝物料組成 (kmol/h)

2.4 兩種轉(zhuǎn)化工藝對(duì)比分析

從以上的結(jié)果匯總表中可以看出，轉(zhuǎn)化方案一由于有弛放氣作為燃料補(bǔ)充，實(shí)際進(jìn)入轉(zhuǎn)化裝置的原料氣量更大，但純一段轉(zhuǎn)化工藝的甲烷轉(zhuǎn)化率低，因此，方案二的甲醇產(chǎn)量反而比方案一多2.3t/h；但是方案二相比于方案一需要多消耗氧氣322.9kmol/h，由于本項(xiàng)目為煤氣化裝置配套空分裝置，且與煤氣化裝置相比，轉(zhuǎn)化裝置的耗氧量要小很多，因此氧氣的成本可以忽略不計(jì)。

通過(guò)PROII模擬計(jì)算，將兩種轉(zhuǎn)化方案的公用工程副產(chǎn)和消耗參數(shù)匯總到表3中。

表3 兩種方案的公用工程匯總表 (kg/h)

注：“-”代表裝置消耗。

從表3中可以看出，純一段轉(zhuǎn)化工藝裝置內(nèi)副產(chǎn)的中壓蒸汽不夠，需要額外消耗13 535kg/h，而方案二副產(chǎn)的中壓蒸汽在自給自足的同時(shí)還可以外供11 507kg/h；而在低壓蒸汽方面，純一段轉(zhuǎn)化副產(chǎn)的蒸汽量要多于方案二；循環(huán)水消耗方面，一段+ATR轉(zhuǎn)化工藝也要優(yōu)于方案一；分析原因，純一段轉(zhuǎn)化水碳比高，并且進(jìn)入轉(zhuǎn)化裝置的原料氣量更大，導(dǎo)致整個(gè)裝置的能耗相比于方案二要高很多，同時(shí)純一段轉(zhuǎn)化工藝氣量大，存在的低位熱自然要多于一段+ATR轉(zhuǎn)化工藝。

4 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合甲醇裝置的工藝流程，利用PROII軟件對(duì)兩種轉(zhuǎn)化工藝進(jìn)行了模擬，并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，我們發(fā)現(xiàn)，對(duì)于煤基芳烴項(xiàng)目的轉(zhuǎn)化裝置來(lái)說(shuō)，由于全廠(chǎng)配套空分裝置，氧氣消耗可以忽略不計(jì)，一段+ATR轉(zhuǎn)化工藝具有更低能耗、甲醇產(chǎn)量更大的特點(diǎn)，因此，僅從工藝角度考慮，推薦煤基芳烴項(xiàng)目的轉(zhuǎn)化裝置選擇一段+ATR轉(zhuǎn)化工藝。但由于一段+ATR轉(zhuǎn)化工藝相比于純一段轉(zhuǎn)化工藝的裝置投資更大，并且一段轉(zhuǎn)化爐、ATR轉(zhuǎn)化爐及氧氣管線(xiàn)的控制系統(tǒng)更為復(fù)雜，因此，最終選擇哪種轉(zhuǎn)化方案還需項(xiàng)目結(jié)合自身情況進(jìn)行綜合分析選擇。