煤制天然氣調(diào)峰方案可行性分析

裴 林

(遼寧大唐國際阜新煤制天然氣有限責(zé)任公司,遼寧 阜新 123005)

我國是一個富煤、貧油、少氣的國家，其中,天然氣作為國家重要的戰(zhàn)略能源，具有不可代替性。目前，我國天然氣對外依存度近44%,煤制天然氣項(xiàng)目對于調(diào)整國家能源結(jié)構(gòu)具有重要意義。國內(nèi)一些企業(yè)也順應(yīng)局勢承擔(dān)起了煤制天然氣項(xiàng)目的建設(shè)，已投產(chǎn)的包括大唐克旗、新疆廣匯等大型煤制天然氣裝置,總體運(yùn)行穩(wěn)定，產(chǎn)品達(dá)標(biāo)。但由于國家在政策層面的支持力度不夠，煤制天然氣項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益不佳。本文提出在某煤制天然氣工廠引入調(diào)峰裝置，優(yōu)化工藝，將無效廢氣CO2送回生產(chǎn)裝置，生產(chǎn)乙二醇,同時提高聯(lián)產(chǎn)甲醇產(chǎn)量。通過調(diào)峰,一是將原料充分利用，使用物理分離將粗煤氣中一次合成的甲烷分離,作為天然氣產(chǎn)品，經(jīng)壓縮機(jī)加壓送至管網(wǎng)。剩余的粗煤氣經(jīng)過分離提純出純凈的CO、H2制備乙二醇產(chǎn)品，分離、提純過程中產(chǎn)生的尾氣用于合成甲醇產(chǎn)品。甲醇具有產(chǎn)業(yè)鏈長、應(yīng)用廣泛等特點(diǎn),在化工領(lǐng)域具有重要的基礎(chǔ)性地位，主要用于制造烯烴、芳烴、汽油、醋酸、甲醛、甲胺、甲烷氯化物等一系列有機(jī)產(chǎn)品。調(diào)峰投產(chǎn)后也可根據(jù)化工市場的需求，向下游繼續(xù)延伸，從而為企業(yè)注入發(fā)展的活力;二是將部分低溫甲醇洗排放的CO2引入甲醇合成裝置，在增加甲醇產(chǎn)量的同時又降低了溫室氣體CO2的排放;三是通過調(diào)峰裝置的配置，使原本單一的產(chǎn)品多元化，增加乙二醇、甲醇等高附加值產(chǎn)品，增強(qiáng)企業(yè)抗風(fēng)險能力及行業(yè)競爭力。

1 工藝流程及理論分析

1.1 某煤制天然氣工廠工藝流程

本文提到的煤制天然氣項(xiàng)目采用碎煤加壓氣化技術(shù)，原料煤與空分產(chǎn)出的氧氣、蒸汽系統(tǒng)來的蒸汽進(jìn)入氣化爐，生成富含CO、H2、CH4的粗煤氣，產(chǎn)生的粗煤氣通過變換冷卻單元完成氫碳比例調(diào)節(jié)，再經(jīng)低溫甲醇洗脫硫、脫碳進(jìn)入甲烷化單元，在鎳基催化劑的作用下生成甲烷，產(chǎn)出符合國標(biāo)GB/T 33445—2016《煤制合成天然氣》中一類氣標(biāo)準(zhǔn)的合成天然氣產(chǎn)品。工藝流程見圖1。

圖1 煤制天然氣工藝流程

由于該項(xiàng)目采用固定床碎煤加壓氣化技術(shù)，氣化爐出口粗煤氣中φ(甲烷)含量高達(dá)9.3%，經(jīng)低溫甲醇洗脫碳脫硫后,作為一次合成的φ(甲烷)產(chǎn)品占總產(chǎn)品的49%。粗煤氣中的CO、H2經(jīng)變換、甲烷化等工序合成的φ(甲烷)占總產(chǎn)品的51%。

1.2 引入調(diào)峰裝置后工藝優(yōu)化

根據(jù)原工藝流程特點(diǎn)，氣化爐出口粗煤氣甲烷含量高，粗煤氣不變換直接進(jìn)入低溫甲醇洗裝置進(jìn)行脫硫、脫碳,得到凈化氣。凈化氣(有效組分為CO和H2)首先送入深冷分離單元，在深冷分離單元中，通過深度冷卻將凈化氣液化，然后根據(jù)各組分的沸點(diǎn)差異,經(jīng)精餾分離出純度達(dá)標(biāo)的天然氣,送入天然氣管網(wǎng)，另一股純度較高的CO產(chǎn)品氣則送入乙二醇合成單元作為乙二醇合成的原料氣；其中產(chǎn)生的富氫氣,一部分送至變壓吸附(PSA)單元進(jìn)一步提純，得到滿足乙二醇合成裝置需要的高純氫氣后,輸送至乙二醇合成單元，剩余部分富氫氣送至甲醇合成裝置使用；深冷分離單元產(chǎn)生的閃蒸氣、乙二醇合成單元產(chǎn)生的弛放氣以及PSA單元產(chǎn)生的提氫解析氣,經(jīng)尾氣壓縮機(jī)加壓后送入甲醇合成裝置,作為甲醇合成的原料氣。配置調(diào)峰裝置后工藝流程見圖2。

1.3 優(yōu)化后的調(diào)峰工藝流程

根據(jù)某在建乙二醇聯(lián)產(chǎn)甲醇項(xiàng)目提供的數(shù)據(jù)，甲醇合成裝置原料氣由乙二醇合成弛放氣、深冷分離閃蒸氣、PSA提氫解析氣和深冷分離富氫氣組成，其中，甲醇合成原料氣中氫碳比已達(dá)到了3.9，極大地影響了甲醇合成反應(yīng)的產(chǎn)率。而且，過多H2富余也造成了合成反應(yīng)不完全、循環(huán)氣量大和壓縮機(jī)功率高的問題。

氫碳比3.9，氫大量過剩，為了消耗過剩的氫氣，需要更多的CO，原有的各裝置已無法滿足要求。以下是甲醇合成反應(yīng)式：

2H2+CO=CH3OH+90.73 kJ/mol

3H2+CO2=CH3OH+H2O+48.02 kJ/mol

從甲醇合成的主反應(yīng)式可以看出，除CO可與H2反應(yīng)生成甲醇，CO2同樣可以與H2反應(yīng)生成甲醇和水。原煤制天然氣裝置粗煤氣脫硫脫碳采用的是低溫甲醇洗工藝技術(shù)，脫除的CO2經(jīng)排放塔排放，每年有大量的溫室氣體CO2排出[2]。根據(jù)國家對揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)的排放要求，在排放時需要對VOC進(jìn)行脫除，增加了裝置運(yùn)行成本，可考慮將一部分CO2從低溫甲醇洗單元引至甲醇合成單元。將甲醇合成原料氣氫碳比調(diào)至2.0～2.15，滿足甲醇合成單元對原料氣的要求。優(yōu)化后的流程見圖3。

圖3 優(yōu)化后調(diào)峰工藝流程

2 調(diào)峰可行性分析

2.1 原生產(chǎn)裝置運(yùn)行情況及適應(yīng)性改造2.1.1 公用工程

由于引入調(diào)峰裝置，相應(yīng)的循環(huán)水、電等公用工程需要重新核算水平衡及用電負(fù)荷?？紤]到原裝置在設(shè)計(jì)階段留有一些余量，可優(yōu)先使用，如仍有缺口，可相應(yīng)增加設(shè)備設(shè)施以滿足調(diào)峰裝置的生產(chǎn)要求。

2.1.2動力單元

動力單元的設(shè)置是為化工區(qū)生產(chǎn)提供必要的蒸汽及除鹽水等公用物料。考慮到引入調(diào)峰裝置后，增加了深冷分離、甲醇、乙二醇單元，相應(yīng)增加的壓縮機(jī)設(shè)備需要大量蒸汽，可進(jìn)一步核算全廠蒸汽平衡，若原有動力站能力無法滿足調(diào)峰需求，可考慮增加鍋爐，或采用電驅(qū)壓縮機(jī)等措施解決蒸汽不足的問題。

2.1.3空分單元

原空分單元主要為化工區(qū)生產(chǎn)提供氧氣、氮?dú)饧皟x表空氣等，引入調(diào)峰裝置后,由于乙二醇裝置也需要高純度的氧氣，同時調(diào)峰各單元均需要新增氮?dú)饧皟x表空氣用量，需進(jìn)一步核算氧、氮及儀表空氣平衡，保證調(diào)峰裝置正常運(yùn)行。

2.1.4煤氣化單元

原煤氣化采用碎煤加壓氣化技術(shù)，配套煤氣水分離及酚氨回收等后續(xù)處理單元。引入調(diào)峰裝置后，原設(shè)計(jì)煤氣化單元投煤量及煤氣水處理量均不變，焦油、石腦油、中油等副產(chǎn)品產(chǎn)量亦不變。

2.1.5變換冷卻單元

原變換冷卻裝置是為了將原料氣中的氫碳比調(diào)節(jié)為3∶1，以滿足下游甲烷化裝置對原料氣的要求。引入調(diào)峰裝置后，CH4從深冷分離裝置得到分離，再利用低溫甲醇洗產(chǎn)出的CO2調(diào)節(jié)甲醇合成所需的氫碳比，因此，不需要再進(jìn)行變換，調(diào)峰裝置運(yùn)行后，變換冷卻單元停運(yùn)。

2.1.6低溫甲醇洗單元

引入調(diào)峰裝置后，原有的低溫甲醇洗單元基本不變，只在CO2排放系統(tǒng)引出一根管線,送至調(diào)峰裝置甲醇合成單元即可。

2.1.7甲烷化單元

引入調(diào)峰裝置后，CH4從深冷分離裝置分離出來，后續(xù)不再進(jìn)行CH4合成，甲烷化單元停運(yùn)。

2.2 新增調(diào)峰裝置情況2.2.1 深冷分離單元

新增深冷分離單元，由分子篩純化系統(tǒng)、冷箱、CH4產(chǎn)品氣壓縮及制冷劑壓縮等系統(tǒng)組成,主要用于將來自低溫甲醇洗的凈化氣深度冷卻后進(jìn)行分離，得到甲烷產(chǎn)品氣、一氧化碳產(chǎn)品氣、深冷分離富氫氣和深冷分離閃蒸氣等。

2.2.2提氫系統(tǒng)

由于乙二醇合成需要高純度的H2，因此,需新增提氫裝置,將深冷分離單元產(chǎn)出的富氫氣進(jìn)一步提純。主要的提純方式可考慮膜分離、深冷分離以及PSA變壓吸附等工藝。考慮到投資及運(yùn)行穩(wěn)定性等，推薦使用PSA變壓吸附提H2。

2.2.3乙二醇合成及精餾單元

新增乙二醇合成及精餾單元，將深冷分離單元產(chǎn)出的CO、PSA單元產(chǎn)出的高純度H2,以及空分產(chǎn)出的O2合成粗乙二醇，再通過乙二醇精餾產(chǎn)出乙二醇產(chǎn)品，滿足GB/T 4649—2008《工業(yè)用乙二醇》中優(yōu)等品的質(zhì)量要求。

乙二醇合成及精餾單元包括DMO合成及精餾、CO循環(huán)氣壓縮、乙二醇合成及精餾、H2循環(huán)氣壓縮等工序[1]。

2.2.4甲醇合成及精餾單元

新增甲醇合成及精餾單元，將深冷分離單元產(chǎn)出的部分富氫氣和全部閃蒸氣、PSA提氫單元產(chǎn)出的解析氣、乙二醇合成單元產(chǎn)出的弛放氣，以及低溫甲醇洗產(chǎn)出的CO2氣通過甲醇合成裝置合成粗甲醇，再通過甲醇精餾產(chǎn)出甲醇產(chǎn)品，滿足GB 338—2011《工業(yè)用甲醇》中優(yōu)等品及美國O-M-232L中AA級甲醇的要求。

甲醇合成及精餾單元包括脫硫、壓縮、甲醇合成、膜分離回收氫、甲醇精餾、罐區(qū)等工序。

2.3 增加調(diào)峰裝置后原料及產(chǎn)品變化

以年產(chǎn)13.3億Nm3煤制天然氣項(xiàng)目為例，通過物料衡算，可配套生產(chǎn)甲醇80萬t/a、乙二醇40萬t/a調(diào)峰裝置，調(diào)峰裝置投產(chǎn)前后的原料及產(chǎn)品變化見表1。

表1 調(diào)峰前后原料及產(chǎn)品對比

通過上表可知，調(diào)峰前后原料煤消耗量沒有變化，調(diào)峰后天然氣產(chǎn)品減少一半，焦油、混合苯、粗酚等副產(chǎn)品產(chǎn)量不變，同時增加了雜醇油、二醇、碳酸二甲酯等副產(chǎn)品。

3 結(jié)語

綜上所述，本文針對煤制天然氣項(xiàng)目產(chǎn)品(CH4)價格低、受原材料(煤)價格波動影響大、煤制天然氣企業(yè)等問題,提出了依托原有煤制天然氣工廠、新建乙二醇聯(lián)產(chǎn)甲醇的調(diào)峰工藝路線的建議。經(jīng)實(shí)踐證明,實(shí)施該建議可增加乙二醇、甲醇等高附加值產(chǎn)品，同時減少CO2溫室氣體的排放，大大提高了生產(chǎn)企業(yè)的市場競爭力。