煤制合成天然氣工廠聯(lián)產(chǎn)化學品方式探討

張 旻

(賽鼎工程有限公司，山西 太原 030032)

1 問題的提出

鑒于我國能源資源“富煤、貧油、少氣”的特點，近十年來，煤制合成天然氣(SNG)作為國家能源保障和技術示范得到了極大重視。

目前已建成運營的煤制合成天然氣項目有內(nèi)蒙古大唐國際克什克騰煤制天然氣有限責任公司(大唐克旗，投產(chǎn)一期)、內(nèi)蒙古匯能煤化工有限公司(匯能煤化工，投產(chǎn)一期)、新疆慶華能源集團有限公司(新疆慶華，投產(chǎn)一期)、伊犁新天煤化工有限責任公司(新天煤化工)4家。這4個煤制合成天然氣項目均已投入商業(yè)化運營，并實現(xiàn)了長周期穩(wěn)定達產(chǎn)運行。在建的遼寧大唐國際阜新煤制天然氣有限責任公司(大唐阜新，在建一期)預計于2020年7月底投產(chǎn)。

目前運營的管輸煤制合成天然氣項目受氣價較低、下游市場接納有限等因素影響，經(jīng)濟效益與預計偏差較大。這些問題短期內(nèi)改善的可能性不大，相關企業(yè)有著聯(lián)產(chǎn)其他化學品以適應市場和提高企業(yè)經(jīng)濟效益的迫切需求。

2 煤制合成天然氣裝置特點

煤制合成天然氣工廠原料氣的生產(chǎn)方式和組成影響著聯(lián)產(chǎn)方式和化學品種類的選擇，已建成運營的合成天然氣工廠簡況如表1所示。

煤制氣工廠多以固定床碎煤加壓氣化工藝制備原料氣，這是由于，該工藝原料氣中含有約10%的甲烷，可以減小下游合成天然氣的設備規(guī)模和投資。其流程除配套公用工程外，典型配置為碎煤加壓氣化、變換冷卻、低溫甲醇洗、甲烷化合成等[1]。

表2是某單期(一個單元)年產(chǎn)13.3×108m3煤制合成天然氣裝置的原料氣典型數(shù)據(jù)。

表1 已運營煤制氣工廠統(tǒng)計

表2 13.3×108 m3/a裝置原料氣典型數(shù)據(jù)

煤制合成天然氣裝置主要以固定床碎煤氣化工藝制備原料氣，裝置流程和原料氣組成相似，分期建設，因此本文涉及到聯(lián)產(chǎn)化學品分析時，以一個單元(13.3×108m3/a)天然氣裝置的原料氣有效組分(CO和H2)和以對含量較少的CO的最大利用為計算基礎，基于對現(xiàn)有裝置流程的最小改變分析聯(lián)產(chǎn)碳氫化合物和含氧化學品。

3 聯(lián)產(chǎn)化學品選擇方案

3.1 聯(lián)產(chǎn)乙二醇及產(chǎn)品鏈

3.1.1 國內(nèi)乙二醇的發(fā)展及應用

近年來，隨著國內(nèi)聚酯、化纖產(chǎn)品市場的快速發(fā)展，帶動了乙二醇需求量的持續(xù)快速增長。2018年我國乙二醇表觀消費量為1 697.5萬t，國內(nèi)產(chǎn)量為718萬t，其中煤制乙二醇占比約40%。

國內(nèi)乙二醇的煤基合成氣路線主要是以合成氣的有效成分一氧化碳和氫氣經(jīng)草酸二甲酯合成的加氫工藝，具有較好的技術先進性和成本優(yōu)勢，有多套安全運行業(yè)績。

在乙二醇下游領域聚酯產(chǎn)業(yè)，對GB/T 4649-2018《工業(yè)用乙二醇》標準規(guī)定的微量雜質(zhì)、紫外透過率等受限指標存在差異，擔心煤基乙二醇對產(chǎn)品性能有所影響，應用煤基乙二醇時主要與石油基乙二醇混摻使用，一般混摻比例只有20%～30%，因此煤基乙二醇尚無法完全替代石油基乙二醇，應用量有限。

目前國內(nèi)新增煤基乙二醇項目立項產(chǎn)能達1 700萬t，預計2020年，我國乙二醇需求量1 750萬t，即使煤基乙二醇摻混比達到40%，最多需煤基乙二醇700萬t左右，屆時國內(nèi)煤基乙二醇仍將出現(xiàn)市場過剩風險。

3.1.2 乙二醇的主要物耗與配置

參照國內(nèi)應用較廣泛的某煤基乙二醇工藝的設計消耗、以表2中一氧化碳(87 342.4 m3/h)為基準物料計算，需氫氣169 293.20 m3/h，可生產(chǎn)乙二醇102.36 t/h。即，年產(chǎn)乙二醇82萬t，但氫氣富裕80 473 m3/h。

某煤基乙二醇工藝的典型配置是單系列乙二醇產(chǎn)能為20×104 t/a(8 000 h，產(chǎn)量25 t/h)，產(chǎn)能增加時由多系列組合。以上計算表明聯(lián)產(chǎn)乙二醇的配置為兩個系列較佳。

3.2 聯(lián)產(chǎn)甲醇及產(chǎn)品鏈

3.2.1 甲醇應用的擴展和自有技術的支持

甲醇是用途非常重要的基本有機原料、化工中間體和清潔能源，生產(chǎn)中采用一氧化碳、二氧化碳加壓催化加氫的氣相合成法。國內(nèi)生產(chǎn)以煤基為主，有多套成功運營的大中型工廠，技術成熟度高、運行管理先進、物耗能耗指標居于國際領先水平。

近年我國以煤制烯烴為代表的新型甲醇下游產(chǎn)品消費比例逐年提升，對甲醇的需求形成了強力支撐。以大連化學物理研究所為代表，所擁有的甲醇制烯烴(DMTO)、甲醇制乙醇(DMTE)等自有技術處于世界領先水平，其DMTO-Ⅲ技術指標甲醇轉(zhuǎn)化率約為9%、噸烯烴甲醇單耗降至2.6 t～2.7 t、單套甲醇處理規(guī)模為300萬t/a，DMTE也有多套技術許可和運行業(yè)績。

2018年我國甲醇消費總量近6 000萬t，年度新增產(chǎn)能中，煤基甲醇產(chǎn)能占比達77.4%，行業(yè)利潤率相對可觀。

乙醇汽油的推廣、烯烴生產(chǎn)的持續(xù)增大，都為煤基甲醇應用拓展了增長空間。

3.2.2 甲醇的主要物耗與配置

在甲醇合成反應中，一氧化碳是主要成分，一定量二氧化碳的存在，有保護和穩(wěn)定銅基催化劑、抑制脫水反應生成二甲醚、防止床層超溫的作用。研究表明，原料氣中二氧化碳含量為3%～6%，最大不超過12%時，單價體積催化劑可生成最大量的甲醇[2]。

結合表2的原料氣組成，參考某甲醇工藝技術物料消耗計算，基于一氧化碳和氫氣的完全消耗并補入二氧化碳，甲醇產(chǎn)量為152.2 t/h，即年產(chǎn)量為121.76萬t。二氧化碳的補入量為24 950 m3/h，占原料氣的體積比為6.89%。聯(lián)產(chǎn)甲醇的各組分消耗為一氧化碳8 342.4 m3/h、氫氣249 766.4 m3/h、補入二氧化碳24 950 m3/h。

3.3 聯(lián)產(chǎn)化學品路徑討論

聯(lián)產(chǎn)化學品時，無論是合成甲醇還是乙二醇都要將原料氣中的酸性氣體予以脫除，因此合成氣應從低溫甲醇洗之后取出，考慮到合成反應過程和功耗，采用深冷工藝分離出合成氣中的有效給分氫氣、一氧化碳，所需的純凈二氧化碳可從低溫甲醇洗解吸氣中制取。由此可見，聯(lián)產(chǎn)化學品裝置與原有甲烷化裝置是并聯(lián)的關系。

年產(chǎn)13.3×108 m3合成天然氣聯(lián)產(chǎn)甲醇時的最大產(chǎn)能為1.2×106 t/a，此時原料氣中的有效成分氫氣和一氧化碳利用達到最優(yōu)，利用并減排了部分二氧化碳，并可進一步延伸制取烯烴或乙醇等高附加值產(chǎn)品。而聯(lián)產(chǎn)乙二醇時，氫氣不能完全利用，富裕氫氣相當于年產(chǎn)30萬t合成氨的產(chǎn)能。

4 結語

1)基于煤制天然氣工廠現(xiàn)有流程選擇的聯(lián)產(chǎn)方式是成熟可靠的，聯(lián)產(chǎn)的化學品符合市場需要，具有良好的競爭性，有利于煤制天然氣行業(yè)的持續(xù)發(fā)展。

2)聯(lián)產(chǎn)甲醇或乙二醇時，與現(xiàn)有裝置形成并聯(lián)

關系，不改變現(xiàn)有裝置組成、易于調(diào)整聯(lián)產(chǎn)產(chǎn)品和產(chǎn)能分配。聯(lián)產(chǎn)時建議優(yōu)先考慮生產(chǎn)甲醇及產(chǎn)品鏈延伸，可先行建設單個甲醇裝置，也可同時建設配套烯烴、乙醇裝置。聯(lián)產(chǎn)乙二醇時應注重產(chǎn)能規(guī)模和其他物料的平衡，聯(lián)產(chǎn)兩個以上化學品時應充分考慮物料平衡和組成優(yōu)化。