煤化工裝置燃料氣系統優化探討

廖家勢，趙慶雯

（大唐內蒙古多倫煤化工有限責任公司，內蒙古 錫林郭勒盟 027300）

大唐內蒙古多倫煤化工有限責任公司年產 46萬噸聚丙烯項目采用Lurgi“三合一”（合成氣凈化、甲醇合成和 MTP工藝）技術，將煤氣化裝置生產的粗煤氣轉化為丙烯、乙烯等聚烯烴單體。在合成氣制甲醇及甲醇制烯烴過程中，產生大量弛放氣和不凝氣，在目前的工藝狀況下，這些氣體大部分排放至火炬系統燃燒。但這部分氣體中含有50%以上的H2、CO、CH4、乙烷、乙烯、丙烯等可燃氣體，通過對這部分氣體進行研究，加以合理優化利用，不僅可減少企業資源浪費、降低經濟成本，實現資源利用效益最大化，同時降低企業廢氣排放，對環境保護亦十分有意義。

1 現有燃料氣系統簡介

燃料氣系統中燃料氣由甲醇裝置和 MTP裝置提供，主要用戶為凈化裝置、MTP裝置和動力裝置，見圖1。

燃料氣主要來源為甲醇裝置弛放氣，這些氣體一部分直接進入燃料氣系統，另一部分經PSA裝置回收其中大多數氫氣后進入燃料氣系統。其他燃料氣來源有甲醇裝置預塔進料閃蒸氣和塔頂閃蒸氣，以及MTP裝置氧化物閃蒸氣和不凝氣，這部分氣體流量較小，且氣體組成中含甲醇、乙烯、丙烯等氣體（表1、表2），會造成部分燃料氣用戶結炭[1]。

由于含有烯烴的燃料氣無法被用戶裝置使用，全部直接排放火炬。燃料氣管網中燃料氣均由甲醇弛放氣提供，不僅造成大量可燃氣直接排放，而且使燃料氣無法滿足下游用戶需求，需另向系統補充大量昂貴的LPG，運行成本較高。

2 優化方案

為有效利用系統產生的燃料氣，尤其是甲醇弛放氣，達到減少排放、降低能耗、經濟效益最大化的目的。對燃料氣系統提出兩種優化方案（圖2），回收燃料氣中的H2、CO等有效氣體進行再利用。

表1 甲醇裝置燃料氣流量和主要組分（體積分數）

表2 其他裝置燃料氣流量和主要組分（體積分數）

優化方案一中，對原燃料氣系統管網進行改造，將裝置產生的含烯烴、甲醇較多的燃料氣單獨引至動力裝置，作為風道加熱熱源。同時在維持現PSA裝置正常運行的前提下，增加一套尾氣回收裝置，回收燃料氣中的 CO、H2，使燃料氣系統達到物料平衡，達到節能減排的目的。

圖1 現有燃料氣系統流程

圖2 兩種燃料氣系統優化方案及流程

優化方案二中，同樣將含烯烴、甲醇較多的燃料氣單獨引至動力裝置，用于風道加熱。同時在原PSA氫回收裝置基礎上進行擴能改造[2]，使經回收后的燃料氣所能產生的總熱能與用戶所需總熱量匹配，以達到減少燃料氣排放、節省燃料氣用戶LPG用量的目的。

3 物料核算

在兩種優化方案中，涉及的有效物料包括甲醇、H2、CO、CH4、C2H6、C2H4、C3H8、C3H6、LPG和變換用中壓蒸汽。各種有效物料根據各自低位熱值與LPG有對應換算關系，見表3。

設將含烯烴、甲醇等氣體的燃料氣單獨引向動力裝置后，每小時可節省LPG量為QLPG，含烯烴、甲醇氣體燃料氣中各組分流量分別為 QH2、QCO、Q CH4、Q C2H4、Q C2H6、Q C3H6、Q C3H8、Q甲醇，則有：

表3 有效組分熱能與LPG折算

將含烯烴燃料氣單獨引向動力裝置后，原燃料氣系統中燃料氣來源僅甲醇弛放氣和經過弛放氣回收裝置處理后的尾氣。重新計算燃料氣系統物料平衡可得表4。

表4 燃料氣系統部分優化后燃料氣供需

從粗煤氣合成甲醇的主要反應過程如式（1）～式（3）。

實際生產中，甲醇合成氣中H2由CO產生，生成的CO2直接放空，造成碳損失。因此，氫氣的回收可增加甲醇合成量，同時可以減少因氫氣排放而產生額外的中壓蒸汽消耗量[3]。而 CO的回收增加了碳轉化率，同樣可提升甲醇合成量[4-5]。

根據回收量的不同，對甲醇弛放氣的回收可分為不回收（Q＝0）、部分回收（0≤Q≤32000m3/h）和完全回收（Q=32000m3/h）三種情況。以此為邊界條件建立甲醇合成變化量Δ甲醇、蒸汽消耗變化量Δ蒸汽、LPG消耗變化量ΔLPG與甲醇弛放氣回收量 Q的函數，并以不回收弛放氣（Q=0）時為計算基準，可得以下結果。

回收H2時，若回收弛放氣量為Q m3/h，由弛放氣中 H2含量可知回收 H2量為 0.66Q m3/h，即29.5Q mol/h，并假設H2回收率為100%。則

回收CO時，若回收弛放氣量為Q m3/h，由弛放氣中 CO含量可知回收 CO為 0.16Q m3/h，即7.15Q mol/h，并假設CO回收率為100%，以合成氣中H∶C=2.3計算，則

弛放氣中CO折合LPG約721.2m3/h，全部回收時，可調整PSA負荷以確保CO的回收對LPG不產生影響，則

此時H2回收對LPG的影響可修正為

4 效益核算

兩種優化方案中，各物料的變化量正值為增加產量或減少用量，負值為減少產量或增加用量。結合各物料單價（表5），可對各種工況下物料回收情況的經濟效益W進行如下核算。

表5 各物料單價

核算回收CO產生的效益時，CO引起的LPG流量波動可以通過調整H2回收量來進行補償，此時只需考慮回收CO時引起的甲醇產量增加和蒸汽耗量增加；核算回收H2產生的效益時，需要分別對只回收H2、同時回收H2和CO兩種情況進行核算，以確定最佳回收方案。結合物料核算，可做3種情況下經濟效益與回收量的函數圖，見圖3。

圖3 幾種工況下收益與回收量函數關系

由圖3可以看出，若僅回收H2，當回收量較低時，回收弛放氣不會引起LPG使用量增加，但可增加甲醇產量，降低變換中壓蒸汽使用量，此時經濟效益隨回收量增加而增加。當回收量達17833.8m3/h時（100%氫回收率），經濟效益達到最高值。之后，隨著回收量的增加，LPG用量同時增加，收益開始下降。實際運行過程中，PSA裝置氫回收裝置的氫回收率在75%左右，因此，這個最佳回收流量點修正為23778.4m3/h。

回收CO時，同時進行H2回收，回收CO的經濟效益與回收量成正比關系。此時氫回收量與效益的關系與單獨回收H2時相同，弛放氣用于氫回收的最佳回收量為8541.45m3/h。考慮到PSA裝置氫回收率，此值修正為11388.6m3/h。

比較效益可見，兩種優化方案中，對原PSA氫回收裝置進行改造，使其回收弛放氣量達到最佳流量點的方案比增加CO回收裝置的裝置具有更高的經濟效益。同時，CO較H2更難從其他氣體中分離，CO回收裝置一般采用三級分離，工藝流程復雜，安全性、穩定性相對較差，設備投資、運行維護成本比相同處理能力的氫回收裝置高出2～3倍。通過上述分析可見，方案二與方案一比較，在效益回收、成本投資以及可行性等方面更具優勢。

5 結 論

（1）在現有燃料氣管網基礎上進行改造，將含烯烴、甲醇較多的燃料氣直接引向動力裝置作為熱源，可有效降低動力裝置LPG使用量。

（2）僅回收H2，弛放氣回收量為23778.4m3/h時，相對于弛放氣全部放空可以產生最大經濟效益，當大于這個回收量時，將造成收益降低。

（3）當CO和H2同時回收時，相對于弛放氣全部放空可以產生一定的經濟效益，此時弛放氣中的 CO全部回收，用于 H2回收的弛放氣量為11388.6m3/h時為最佳操作點，當氫氣回收量超過此值時，收益開始降低。

（4）結合回收CO收益和回收H2收益看，同時回收 PSA裝置負荷，使之達到最佳操作點的方案，比增加回收CO裝置的方案更為理想。

[1] 劉清華，劉東方.克勞斯硫回收裝置的分析應用[J].化肥工業，2008，35（1）：69-70.

[2] 許慶本，高健康.變壓吸附提純氫氣及其影響因素[J].甘肅科技，2008，24（12）：7-33.

[3] 史克昕，任畢龍.影響一氧化碳變換率因素的淺析[J].小氮肥設計技術，2006，27（3）：43-44.

[4] 裴學國，亓棟，唐海濤.影響甲醇合成氣體單程轉化率的因素[J].中氮肥，2007（1）：29-30.

[5] 張春芳.影響甲醇合成產率的因素分析研究[J].重慶職業技術學院學報，2006，15（2）：127-128.