焦爐氣制LNG工藝技術優化研究

楊 璐

(中海油山東化學工程有限責任公司，山東 濟南 250101)

焦爐氣制LNG工藝技術優化研究

楊 璐

(中海油山東化學工程有限責任公司，山東 濟南 250101)

焦爐煤氣制LNG是焦化行業的熱點，其不僅可降低環境污染，還能帶動能源產業結構調整。本文介紹了當前主要的焦爐煤氣制LNG的工藝技術，并結合實際運行情況，從工藝流程及設備配置等方面對焦爐煤氣制LNG的工藝進行了優化分析。

焦爐煤氣； LNG；工藝流程；設備配置；優化

我國焦炭產量穩居世界第一，同時副產大量焦爐煤氣，據統計，近年來我國約有500多億m3的焦爐煤氣沒有被回收利用，而是直接燃燒后排放至大氣中，造成能源浪費的同時，也污染了大氣環境[1]。對焦爐氣的綜合利用成為國家發展低碳經濟產業的重要環節之一，焦爐煤氣制甲醇、焦爐煤氣制天然氣、焦爐煤氣提氫、焦爐氣發電等技術逐步發展并得以工業化生產[2]，其中尤以焦爐煤氣制甲醇的技術最為成熟。

然而目前我國甲醇產能過剩，而天然氣資源短缺，焦爐煤氣制天然氣不僅可降低環境污染，還能帶動能源產業結構調整及技術進步，是當前較為熱點的焦爐煤氣再利用方法，焦爐煤氣制天然氣的方法主要分為兩類：一類是將焦爐煤氣甲烷化，另一類是將CH4從焦爐煤氣中分離出來[3]；第二種方法流程較為簡單、投資少，但是無法充分利用焦爐煤氣中的CO2、CO等成分，因此本文主要對焦爐煤氣甲烷化的工藝進行分析研究。

1 焦爐氣制LNG工藝路線

1.1 技術原理

焦爐煤氣成分較為復雜，主要為H2、CH4、CO2、CO，另外還含有H2S、CS2、COS、NH3、HCN、焦油、苯、萘、噻吩、硫醇、硫醚等物質[4]。

焦爐煤氣甲烷化主要是其中的CO2、CO與H2在催化劑的作用下反應生成CH4，主反應式見公式(1)和(2)。

(2)

上述反應為強放熱反應，每1% CO、CO2轉化CH4可使溫度升高60～70℃[5]，反應過程中可使反應器的溫度升高至650℃以上。

1.2 工藝流程

目前主要有兩種焦爐煤氣制LNG的工藝，基本流程相似，因甲烷化反應溫升較高，其主要區別在于甲烷化工藝。一種是高溫甲烷化工藝，采用絕熱式反應器，往往設三級或四級反應，并且在每級反應出口利用換熱器或廢熱鍋爐移走部分反應熱；另一種是低溫甲烷化工藝，采用等溫反應器[6]，反應器溫度維持在450℃以下。

2 工藝技術優化

某焦爐煤氣制LNG工廠主要的工藝流程為：焦爐煤氣利用變溫吸附(TSA)脫除焦爐煤氣中的焦油、苯、萘等雜質，繼而利用脫硫槽及加氫反應脫除H2S和有機硫，凈化后焦爐煤氣在催化劑的作用下進行甲烷化反應，甲烷化后的天然氣經干燥、脫汞后利用混合冷劑進行深冷液化，液化時副產的馳放氣經脫氫、脫氮后得富甲烷氣和富氫氣，富甲烷氣回收利用，富氫氣送往火炬燃燒，液化后的LNG送入儲罐儲存，產生的BOG氣體回收利用，如圖1所示。

通過調研該工廠，發現焦爐煤氣制LNG的過程中出現產品苯含量偏高、催化劑失活過快、裝置能耗較高、生產不穩定等問題。針對實際運行的情況，從以下幾個方面對焦爐煤氣的工藝流程進行了優化。

圖1 焦爐煤氣制LNG工廠工藝流程

2.1 工藝流程優化

2.1.1 原料氣預脫硫

產品中苯含量較高是由于預處理階段脫苯的催化劑吸附不佳，未把苯脫除干凈導致的，而脫苯催化劑吸附效果與焦爐氣中硫含量密切相關。當焦爐煤氣中的硫含量較高時，其中的硫單質會吸附在脫苯催化劑和脫萘催化劑表面，導致催化劑吸附效果不佳，裝置脫除苯和萘的效果下降，從而導致苯含量超標。

因此，可在脫苯、脫萘開始前先進行預脫硫，通過設置氧化鐵脫硫槽，使焦爐煤氣中的H2S轉化為Fe2S3·H2O，從而將進入脫苯、脫萘裝置的焦爐煤氣中的硫含量維持在較低的水平，從而避免催化劑吸附效果下降、產品苯含量高的問題。

2.1.2 甲烷化工藝優化

甲烷化反應催化劑失活過快與甲烷化反應器內溫度偏高有關。甲烷化的反應溫度較高時會伴隨析碳反應的發生。析出的碳會沉積在催化劑的表面，從而導致催化劑的失活，另外，當溫度過高時，也會導致催化劑燒結失活，因此抑制甲烷化反應深度或及時移除反應熱，是甲烷化工藝的關鍵[4]。

可通過在焦爐煤氣中摻入較低溫度的水蒸氣來抑制甲烷化反應的深度[7]，同時，可設置多級甲烷化反應器，并且通過控制入口焦爐煤氣溫度使每級反應器的出口氣體溫度不高于450℃[8]，通過該優化，可有效降低甲烷化反應器溫度，保證催化劑的使用壽命，同時可以擴大反應器材質的選擇范圍。

在甲烷化反應過程中，為降低反應器溫度，一般將部分氣體換熱降溫后循環，近日，新開發了一種無須氣體循環，通過合理進行每級出口反應氣體換熱及補入水蒸氣的方法來控制反應器溫度，該工藝流程減少了氣體循環所用的動力設備，降低了設備故障率，有利于工廠的平穩運行。

2.1.3 馳放氣回收利用

液化工段副產的馳放氣經PSA裝置脫氫、脫氮處理后得富甲烷氣及富氫氣，富甲烷氣經風機增壓后返回系統，而一般情況下，富氫氣則直接放火炬燃燒，造成了資源的浪費。

經分析，可將富氫馳放氣作為TSA預處理工段脫苯塔、脫萘塔的再生氣，并最終返回焦化廠，使資源得到充分利用。原TSA預處理工段的再生氣為預處理后的焦爐氣，采用該優化工藝后，降低了能量的損耗。

優化的工藝流程見圖2所示。

圖2 工藝流程優化

2.2 設備配置優化

焦爐煤氣制LNG項目主要的動力設備為壓縮機，壓縮機的正確選型及配置是生產平穩運行的關鍵。目前用于焦爐煤氣再利用行業的壓縮機為往復式壓縮機、螺桿式壓縮機及離心式壓縮機。

2.2.1 焦爐氣壓縮機

焦爐煤氣含有焦油、苯、萘、H2S等雜質，極易造成往復式壓縮機冷卻器、閥門片等部件堵塞，也易對離心壓縮機葉輪造成致命損傷，而螺桿壓縮機運行中可采用噴水工藝[9-10]，可在很大程度上避免了焦爐煤氣雜質堵塞壓縮機的現象，因此需在焦爐煤氣凈化前增壓時，推薦使用螺桿式壓縮機。

螺桿式壓縮機本身無易損件，一般認為其可長周期運轉，很多情況下不設置備機，然而應盡量避免單臺螺桿壓縮機打氣量過大的情況。根據實際運行情況，當打氣量過大時可能會出現軸故障、壓縮機振動劇烈的情況，因此考慮增設備用壓縮機，氣量較大時開啟備用壓縮機，或者正常操作時設置兩臺壓縮機各50%負荷運行。

2.2.2 冷劑壓縮機

在天然氣液化時，需要通過壓縮機對混合冷劑增壓，理論上往復式壓縮機及離心式壓縮機均可滿足工藝要求，氣量較大時，可考慮多臺往復式壓縮機并聯運行。兩類壓縮機的主要特點如表1所示。

表1 往復式壓縮機及離心式壓縮機對比

雖然往復式壓縮機技術比較成熟，但實際運行中，往復式壓縮機氣閥、活塞環等易損件多，每隔一段時間就要進行維護，影響工廠的平穩生產，另外，往復式壓縮機泄漏量較大，在運行中需不斷補充混合冷劑，而離心式壓縮機日常維護量小，且通過干氣密封可大大減小泄漏量，另外，離心壓縮機內部無需潤滑，可對介質進行無油壓縮，避免了介質帶油的缺點。因此冷劑壓縮機建議采用離心式壓縮機，并根據工廠情況考慮設置備機。

3 結論

隨著天然氣需求的增長以及對焦化產業環保要求的提高，焦爐煤氣制LNG日益引起人們的關注，而在焦爐煤氣制LNG工廠實際運行中，可能出現產品苯含量偏高、催化劑失活過快、裝置能耗較高、生產不穩定等問題，因此，本文從焦爐煤氣預脫硫、甲烷化工藝、焦爐煤氣脫氮及馳放氣回收等方面對焦爐煤氣制LNG的工藝流程進行了優化分析，并且結合運行情況，提出了焦爐煤氣壓縮機及混合冷劑壓縮機的選型建議。

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(本文文獻格式：楊 璐.焦爐氣制LNG工藝技術優化研究[J].山東化工，2016，45(24)：93-95.)

Study on Process Optimization of Coke Oven Gas to Liquefied Natural Gas

Yang Lu

(CNOOC Shandong Chemical Engineering Co., Ltd., Jinan 250101，China)

Coke oven gas to liquefied natural gas become hotspot of coke industry, which not only can reduce the environmental pollution,but aslo can promote to adjust the energy structure. This paper describes main production processes of coke oven gas to natural gas, besides, on the basis of studying practical operating condition, proposes optimization of coke oven gas to liquefied natural gas from the aspects of process and equipment configuration.

coke oven gas; LNG; process; equipment configuration; optimization

2016-12-08

楊 璐(1990—)，女，山東濱州人，從事石油化工設計工作。

TQ522.6

A

1008-021X(2016)24-0093-03