焦?fàn)t煤氣制合成氨聯(lián)產(chǎn)LNG項(xiàng)目工藝方案設(shè)計(jì)探討

李 響

（陜西啟創(chuàng)能源化工科技有限公司，陜西西安 048400）

0 引 言

焦化行業(yè)屬于傳統(tǒng)化工行業(yè)，技術(shù)和資金壁壘不高，近年來(lái)焦化行業(yè)一直面臨產(chǎn)能過(guò)剩和高耗能、高污染等問(wèn)題，供給側(cè)改革以來(lái)，一系列“去產(chǎn)能”政策出臺(tái)，違規(guī)產(chǎn)能和不環(huán)保產(chǎn)能被淘汰，國(guó)內(nèi)幾乎已將4.3m以下焦?fàn)t全部淘汰，新上焦化裝置焦?fàn)t都在6m以上。近年來(lái)，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整加快、 “關(guān)小上大”，焦化行業(yè)通過(guò)聯(lián)產(chǎn)解決環(huán)保問(wèn)題，同時(shí)增加企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。數(shù)據(jù)顯示，2019年全國(guó)焦炭產(chǎn)量為4.72×108t，表觀消費(fèi)量為4.65×108t。

焦?fàn)t煤氣是焦化行業(yè)重要的副產(chǎn)品，焦?fàn)t煤氣中含有近60%的H2、約23%的CH4和8%的CO，是較好的化工原料，近年來(lái)焦?fàn)t煤氣制甲醇、液化天然氣（LNG）、合成氨、尿素、乙二醇、乙醇項(xiàng)目成為熱點(diǎn)，基本上已經(jīng)取代了焦?fàn)t煤氣直接發(fā)電項(xiàng)目。當(dāng)焦?fàn)t煤氣量為30000m3／h左右時(shí)，建議投建甲醇、液化天然氣 （LNG）項(xiàng)目；當(dāng)焦?fàn)t煤氣量超過(guò)40000m3／h時(shí)，建議投建甲醇聯(lián)產(chǎn)合成氨或者合成氨聯(lián)產(chǎn)LNG項(xiàng)目。近年由于甲醇市場(chǎng)比較疲軟，同時(shí)市場(chǎng)對(duì)LNG的需求增大，合成氨聯(lián)產(chǎn)LNG項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益較好。目前，已投運(yùn)的焦?fàn)t煤氣制合成氨聯(lián)產(chǎn)LNG項(xiàng)目采用的工藝路線有2條，最主要的區(qū)別在于是否設(shè)置CO變換工段。以下筆者就焦?fàn)t煤氣制合成氨聯(lián)產(chǎn)LNG項(xiàng)目是否設(shè)置CO變換工段談一點(diǎn)認(rèn)識(shí)，供業(yè)內(nèi)參考。

1 焦?fàn)t煤氣制合成氨聯(lián)產(chǎn)LNG項(xiàng)目工藝方案

據(jù)目前國(guó)家的有關(guān)批復(fù)情況，2800kt／a焦化項(xiàng)目副產(chǎn)的焦?fàn)t煤氣量約為80000m3／h（干基），以此為基礎(chǔ)建設(shè)焦?fàn)t煤氣制合成氨聯(lián)產(chǎn)LNG項(xiàng)目，以及其焦?fàn)t煤氣的典型組分（見(jiàn)表1）為基準(zhǔn)進(jìn)行的工藝設(shè)計(jì)及探討如下。

表1 2800kt／a焦化項(xiàng)目副產(chǎn)焦?fàn)t煤氣典型組分

1.1 工藝方案一——不設(shè)置變換工段

焦化裝置送來(lái)的焦?fàn)t煤氣進(jìn)入氣柜緩沖穩(wěn)壓，經(jīng)一次增壓后進(jìn)入變溫吸附（TSA）凈化系統(tǒng)，除去焦油、萘、苯后進(jìn)行二次增壓，增壓后進(jìn)入鐵鉬加氫精脫硫系統(tǒng)，將氣體中的總硫脫至0.1×10-6以下；脫硫后的凈化氣經(jīng)MDEA脫碳后，采用液氮洗／深冷分離工藝將氣體中的甲烷及少量多碳烴分離出來(lái)作為L(zhǎng)NG產(chǎn)品，同時(shí)在冷箱內(nèi)進(jìn)行洗滌配氮，達(dá)到配比要求后的氫氮?dú)馑屯焙铣上到y(tǒng)生產(chǎn)液氨。

1.2 工藝方案二——設(shè)置變換工段

焦化裝置送來(lái)的焦?fàn)t煤氣進(jìn)入氣柜緩沖穩(wěn)壓，經(jīng)一次增壓后進(jìn)入TSA凈化系統(tǒng)，除去焦油、萘、苯后進(jìn)行二次增壓，增壓后進(jìn)入變換工段，通過(guò)變換反應(yīng)將氣體中的CO含量降至1.2%以下；變換氣經(jīng)濕法脫硫、MDEA脫碳和活性炭精脫硫后，采用液氮洗／深冷分離工藝將氣體中的甲烷及少量多碳烴分離出來(lái)作為L(zhǎng)NG產(chǎn)品，同時(shí)在冷箱內(nèi)進(jìn)行洗滌配氮，達(dá)到配比要求后的氫氮?dú)馑屯焙铣上到y(tǒng)生產(chǎn)液氨。當(dāng)然，工藝方案二也可以設(shè)計(jì)為在工藝方案一的精脫硫系統(tǒng)與MDEA脫碳系統(tǒng)中間設(shè)置變換工段，但如此一來(lái)項(xiàng)目的投資及運(yùn)行能耗較高。

2 2種工藝方案的比較

2.1 產(chǎn)品產(chǎn)量比較

采用上述2種工藝方案，除變換工段的設(shè)置會(huì)影響液氨和LNG的產(chǎn)量外，2種工藝方案深冷分離出來(lái)的富CO氣量也不同（富CO氣返回焦?fàn)t燃燒置換出部分焦?fàn)t煤氣供化工生產(chǎn)使用）。2種工藝方案之液氨和LNG產(chǎn)量的對(duì)比見(jiàn)表2?？梢钥闯觯悍桨敢换貭t氣量較大，而富CO氣的熱值較高，所以方案一置換出的焦?fàn)t煤氣量較大，由于不設(shè)置變換工段，置換出的較大焦?fàn)t煤氣量相應(yīng)地會(huì)提高LNG的產(chǎn)量；方案二因?yàn)樵O(shè)置有變換工段，焦?fàn)t煤氣中的CO與水蒸氣經(jīng)變換反應(yīng)轉(zhuǎn)化成了CO2和H2，相應(yīng)地會(huì)增加液氨的產(chǎn)量。簡(jiǎn)言之，方案二（設(shè)置變換工段）比方案一（不設(shè)置變換工段）液氨產(chǎn)量高15.3kt／a而LNG產(chǎn)量少12.0kt／a。

表2 2種工藝方案之液氨和LNG產(chǎn)量對(duì)比

2.2 公用工程消耗比較

由于方案一與方案二返爐富CO氣量的不同，使得不同的工藝方案下裝置的實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷不同，因而公用工程的消耗也有較大區(qū)別。不過(guò)，2種方案均需在液氮洗／深冷分離工序之前將氣體中的總硫脫除至0.1×10-6以下，只是采用的脫硫工藝不同而已（為便于直觀地比較，脫硫系統(tǒng)稱(chēng)為精脫硫，下同）。2種工藝方案各工序公用工程消耗的對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 2種工藝方案各工序公用工程消耗對(duì)比

由表3可以看出：方案二設(shè)置了CO變換系統(tǒng)，需外界提供4.0MPa高壓過(guò)熱蒸汽，變換后H2產(chǎn)量增加并生成大量的CO2，導(dǎo)致方案二較之于方案一MDEA脫碳系統(tǒng)能耗增加；方案一的水耗（0.45MPa循環(huán)水）為7798t／h、電耗（10kV）為42420（kW·h）／h、4.0MPa過(guò)熱蒸汽耗為0t／h、3.4MPa飽和蒸汽耗為2.5t／h、副產(chǎn)的0.5MPa飽和蒸汽10t／h，方案二的水耗（0.45MPa循環(huán)水）為8620t／h、電耗（10kV）為42834（kW·h）／h、4.0MPa過(guò)熱蒸汽耗為14.5t／h、3.4MPa飽和蒸汽耗為2.5t／h、副產(chǎn)的0.5MPa飽和蒸汽25t／h，綜合來(lái)看，方案二的公用工程消耗——水耗、電耗、蒸汽耗均比方案一的高。

2.3 項(xiàng)目投資比較

2種工藝方案的投資對(duì)比見(jiàn)表4?？梢钥闯觯阂蚍桨付O(shè)置了CO變換系統(tǒng)，同時(shí)工藝氣中CO2含量大幅增加，導(dǎo)致方案二相較于方案一來(lái)說(shuō)MDEA脫碳系統(tǒng)的投資翻倍，且由于2種工藝方案采用的脫硫方式不同，投資差距較大，整體而言，方案二比方案一的投資要高出2630萬(wàn)元。此外，若要滿足方案二中高壓（4.0MPa）過(guò)熱蒸汽的使用要求，還需增設(shè)1臺(tái)鍋爐，整體投資還要增加約1000萬(wàn)元。

表4 2種工藝方案的投資對(duì)比萬(wàn)元

2.4 綜合經(jīng)濟(jì)效益比較

由表3可以得出，方案二較方案一多耗循環(huán)水822t／h、電414（kW·h）／h、（副產(chǎn)的）低壓蒸汽15t／h、高壓蒸汽14.5t／h，以方案一的各項(xiàng)現(xiàn)有數(shù)據(jù)作為比較基準(zhǔn)，裝置年運(yùn)行時(shí)間按8000h計(jì)，可計(jì)算出方案二因多耗循環(huán)水、電、低壓蒸汽、高壓蒸汽而增加的成本，再將方案二增加的投資以15a折舊分配到年增成本中，可測(cè)算出方案二較方案一增加的成本（亦即減少的效益），具體見(jiàn)表5?？梢钥闯觯悍桨付哪晷б鏁?huì)比方案一低約2310.01萬(wàn)元。

表5 方案二較方案一增加的成本（亦即減少的效益）

3 分析與結(jié)論

3.1 產(chǎn)量與產(chǎn)品市場(chǎng)

2種工藝方案在焦?fàn)t煤氣初壓、TSA凈化、焦?fàn)t煤氣增壓、液氮洗／深冷分離、氨合成幾個(gè)工段的數(shù)據(jù)相差不大，其區(qū)別主要在于是否設(shè)置變換工段以利用焦?fàn)t煤氣中的CO提高H2含量，而液氨和LNG的產(chǎn)量會(huì)因氣體組分中的H2、CH4、CO含量不同而有區(qū)別：方案一返回焦?fàn)t的富CO氣量較大，可以置換出更多的焦?fàn)t煤氣，故其LNG產(chǎn)量比方案二高；方案二設(shè)置變換工段，利用焦?fàn)t煤氣中CO的變換反應(yīng)產(chǎn)生了更多的H2，故其液氨產(chǎn)量比方案一高。

方案二雖然通過(guò)設(shè)置變換工段利用了焦?fàn)t煤氣中的CO提高H2含量，進(jìn)而增加了液氨產(chǎn)量，但由于置換出的焦?fàn)t煤氣量較方案一少，因而其LNG產(chǎn)量較方案一少；雖然2種產(chǎn)品的總產(chǎn)量方案二較方案一高，但由于LNG的市場(chǎng)價(jià)格總體上高于液氨的市場(chǎng)價(jià)格，且其市場(chǎng)前景看好，加之方案二的綜合投資高于方案一，因此從產(chǎn)品產(chǎn)量、市場(chǎng)價(jià)格方面來(lái)說(shuō)，方案一更具優(yōu)勢(shì)。

3.2 運(yùn)行成本與運(yùn)行穩(wěn)定性

（1）方案二增產(chǎn)了液氨，但同時(shí)增加了中壓氮?dú)馐褂昧亢碗姾模液铣蓺鈮嚎s機(jī)和氨冰機(jī)消耗的增加比方案一深冷分離消耗的增加要多，因而方案二的公用工程消耗總體較方案一高。

（2）方案二返回焦?fàn)t的富CO氣量較方案一少，需有較多凈化后的焦?fàn)t煤氣返回用于TSA系統(tǒng)的再生，從而會(huì)增加焦?fàn)t煤氣初壓和TSA系統(tǒng)的操作負(fù)荷，造成運(yùn)行不經(jīng)濟(jì)。

（3）方案二比方案一排放的CO2尾氣增加約5460m3／h，會(huì)對(duì)火炬及環(huán)保造成一定的影響。

（4）方案一比方案二少一個(gè)運(yùn)行工段，且其MDEA脫碳系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，人員配置少，檢修量也相應(yīng)少一些，生產(chǎn)的穩(wěn)定性相對(duì)高一些。

綜上所述，焦?fàn)t煤氣制合成氨聯(lián)產(chǎn)LNG項(xiàng)目所采用的2條工藝路線——設(shè)置變換工段和不設(shè)置變換工段，設(shè)置變換工段雖可提高液氨產(chǎn)量，但其投資高、能耗高，加上產(chǎn)品市場(chǎng)價(jià)格方面的因素，其綜合經(jīng)濟(jì)效益并不好，沒(méi)有優(yōu)勢(shì)。因此，筆者認(rèn)為，焦?fàn)t煤氣制合成氨聯(lián)產(chǎn)LNG項(xiàng)目采用不設(shè)置變換工段的工藝方案更為合理。