煤氣化輸煤CO2壓縮工藝方案研究

張 釗

（北京石油化工工程有限公司西安分公司，陜西西安 710075）

氣流床粉煤加壓氣化技術是當前國際上最先進的煤氣化工藝之一，其典型的工藝國外有GSP粉煤氣化工藝、CCG（科林）粉煤氣化工藝、Shell粉煤氣化工藝，國內有航天爐（HT-L）煤氣化技術等，其工藝流程是先經磨煤粉碎、干燥，然后用高壓氣體加壓，將煤粉輸送到氣化爐與氧氣、蒸汽進行氣化反應，反應產物為粗合成氣（主要成分CO、H2），經凈化后送往下游裝置進一步加工[1]。其中主要反應中有如下兩個：

目前粉煤的輸送有采用氮氣的，也有采用二氧化碳的，從上述反應可以看出，二氧化碳的存在有利于主反應的進行，提高碳轉化率，加快反應速率，提高有效氣成分，采用CO2輸煤對煤氣化相對有利。從氣化裝置下游低溫甲醇洗裝置可以獲得純度很高的CO2，但其壓力較低且含有微量甲醇，根據GB31571—2015《石油化學工業污染物排放標準》要求，排放廢氣中甲醇含量不能超過50mg/m3，因此必須對CO2中甲醇進行脫除以達到環保要求。

本文以某煤制乙醇項目為研究對象，通過對比分析探討CO2中甲醇脫除方案的選擇及CO2壓縮機的選型。

1 甲醇脫除方案選擇

1.1 CO2氣組成及環保排放要求

某煤制乙醇項目低溫甲醇洗產生的CO2產品氣組成如表1所示。

表1 CO2產品氣組成

由于氣化單元要求CO2氣量為32 000m3（標）/h，將表中甲醇含量折算質量濃度后為378mg/m3，可以看出其值遠遠大于環保要求的50mg/m3，必須經處理后才能排放。

1.2 甲醇脫除方法

目前常用的甲醇脫除方法可以分為兩大類，一類是物理法，另一類是化學法。物理法主要依靠物理原理除去CO2中的甲醇，其中有水洗法、吸附法以及膜分離法等[2]；而化學法是依靠化學原理從而除去CO2中的甲醇，最常用的方法就是催化燃燒法[3-4]。

水洗法是通過脫鹽水以填料塔或板式塔對CO2進行洗滌，利用水吸收甲醇。該方法工藝流程簡單，投資相對較低，但存在水洗后CO2帶飽和水的問題，同時根據氣化要求需對水洗后CO2過熱，能耗較大。

吸附法即以分子篩對氣相中的雜質進行吸附脫除，常用方法有變壓吸附（PSA）、變溫吸附（TSA）等。該技術成熟可靠，適用范圍廣、產品回收率高，但對于CO2中脫甲醇來說，前期投資高、占地大。

膜分離法是在處理大氣量時存在一定限制，因此針對該項目32 000m3（標）/h的CO2，且甲醇含量較低的情況不太適用。

催化燃燒法是采用貴金屬催化劑將CO2中微量的碳氫化合物及H2、CO等可燃組分催化氧化生成CO2和H2O。該技術在食品級CO2領域中得到廣泛應用，特別適用于大氣量的尾氣治理，流程短、操作方便，過程能耗低，但前期投資高，尤其是貴金屬催化劑需定期更換。

1.3 水洗方案選擇

綜合考慮甲醇脫除的各項技術，結合項目投資偏緊的情況，本項目選擇水洗法脫除甲醇。水洗法中水洗塔的位置可選擇在壓縮機前、壓縮機級間、壓縮之后以及氣化單元之后，其位置選擇對方案影響較大。

在壓縮之前水洗，一方面CO2壓力較低，需嚴格控制壓力降，同時水洗塔設備尺寸較大；另一方面，水洗后的CO2氣體含飽和態的水，必須經過干燥后才能進壓縮機，項目投資將會增大。在壓縮機級間水洗，同樣面臨氣相帶水問題，同時氣相含水量的增加對壓縮機動平衡的影響較大，不利于壓縮機平穩運行。部分項目采用在氣化輸煤后，通過小布袋收集廢氣后送至低溫甲醇洗尾氣水洗塔水洗，經考察后發現運行并不穩定，由于氣化后氣相帶灰，帶入低溫甲醇洗后勢必將影響系統穩定。

采用壓縮機后設置水洗塔是一種相對較好的選擇。具體流程為來自低溫甲醇洗的低壓CO2經壓縮機增壓，水冷器冷卻，水洗塔脫甲醇，最后復熱至氣化單元指定溫度100℃后送出界區。

以PROII軟件對流程模擬計算，水洗后CO2中甲醇含量降至0.5mg/m3以下滿足環保要求；同時100℃下氣相露點為41℃，滿足氣化單元對CO2氣露點≤60℃的要求。

2 CO2壓縮機選型

2.1 氣化單元CO2要求

氣化單元要求CO2氣量為32 000/m3（標）h，其中CO2輸煤氣量為22 000m3（標）/h（壓力5.5MPaG，溫度100℃左右，用于輸煤及氣化爐環形腔保護氣），CO2鎖斗氣量為10 000m3（標）/h（壓力7.4MPaG，溫度100℃左右，用作鎖斗充壓）。

2.2 CO2壓縮機選型方案

來自低溫甲醇洗單元的CO2產品氣壓力較低，需經過壓縮機壓縮后，才能送至氣化單元輸煤。因此，CO2壓縮機的選擇顯得尤為重要，在運行中一旦出現故障停機，將直接影響氣化爐的運行，甚至整個裝置都將停產，因此需選用可靠性大、穩定性高的CO2壓縮機。經研究后提出以下三種方案進行分析，以尋求合理的壓縮機方案。

方案一：32 000m3（標）/h CO2氣體通過一臺單軸式離心壓縮機組（單缸）壓縮至5.5MPaG，經水洗脫甲醇后，其中22 000m3（標）/h復熱至100℃作為輸煤氣送往氣化單元；10 000/m3（標）h氣體送至一臺往復機（1開1備）壓縮至7.4MPaG后作為鎖斗氣送往氣化單元，流程圖見圖1。

圖1 方案一壓縮工藝流程圖

方案二：采用一臺單軸式離心壓縮機組（雙缸），級間抽出22 000m3（標）/h、5.5MPaG CO2經水洗脫甲醇后，復熱至100℃作為輸煤氣送往氣化單元；壓縮機末極10 000m3（標）/h氣體壓縮至7.4MPaG經水洗脫甲醇后，復熱至100℃作為鎖斗氣送往氣化單元，流程圖見圖2。

圖2 方案二、三壓縮工藝流程圖

方案三：采用一臺多軸式離心壓縮機組，壓縮流程同方案二。

通過前期與壓縮機廠家交流、詢價，以及模擬計算，三種方案的能耗及投資對比見表2。

2.3 方案優劣勢分析

方案一采用一臺離心壓縮機（單缸）+兩臺往復機，工藝設備少、占地少，投資相對較低，但往復式壓縮機結構復雜，由于承受交變載荷作用，運行過程中出現故障的頻率比較高，影響到壓縮機的正常運行，同時壓縮機后期維護成本較高[5]。

表2 三種方案能耗及投資對比

方案二與方案三采用一臺離心壓縮機，區別在于單軸壓縮與多軸壓縮。從表2可以看出，多軸壓縮機相比單軸壓縮機能節能，原因是多軸壓縮采用逐級冷卻，接近等溫壓縮，能耗降低，單軸壓縮軸系長，難于做到等溫壓縮；多軸式壓縮機采用進口導葉調節，阻損小；同時多軸式壓縮機結構緊湊，占地面積小[6]。方案二與方案三相對方案一設備數量增加相應投資亦有增大，且方案三壓縮機投資在三種方案中最大，因此如何選擇還需結合項目的投資預算綜合考慮。

3 結論

通過上述分析，若是不考慮投資，從運行安全可靠性、能耗、投資、后期維護等方面看，CO2脫除甲醇可選擇分子篩吸附法或者催化燃燒法，CO2壓縮機可選擇一臺多軸式離心壓縮機；但若投資預算不足，CO2氣脫甲醇技術可選擇水洗法，CO2壓縮機可選擇一臺離心壓縮機（單缸）+兩臺往復機。