煤制天然氣調峰方案可行性分析

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%,煤制天然氣項目對于調整國家能源結構具有重要意義。國內一些企業也順應局勢承擔起了煤制天然氣項目的建設，已投產的包括大唐克旗、新疆廣匯等大型煤制天然氣裝置,總體運行穩定，產品達標。但由于國家在政策層面的支持力度不夠，煤制天然氣項目經濟效益不佳。本文提出在某煤制天然氣工廠引入調峰裝置，優化工藝，將無效廢氣CO2送回生產裝置，生產乙二醇,同時提高聯產甲醇產量。通過調峰,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,作為天然氣產品，經壓縮機加壓送至管網。剩余的粗煤氣經過分離提純出純凈的CO、H2制備乙二醇產品，分離、提純過程中產生的尾氣用于合成甲醇產品。甲醇具有產業鏈長、應用廣泛等特點,在化工領域具有重要的基礎性地位，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產品。調峰投產后也可根據化工市場的需求，向下游繼續延伸，從而為企業注入發展的活力;二是將部分低溫甲醇洗排放的CO2引入甲醇合成裝置，在增加甲醇產量的同時又降低了溫室氣體CO2的排放;三是通過調峰裝置的配置，使原本單一的產品多元化，增加乙二醇、甲醇等高附加值產品，增強企業抗風險能力及行業競爭力。

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目采用碎煤加壓氣化技術，原料煤與空分產出的氧氣、蒸汽系統來的蒸汽進入氣化爐，生成富含CO、H2、CH4的粗煤氣，產生的粗煤氣通過變換冷卻單元完成氫碳比例調節，再經低溫甲醇洗脫硫、脫碳進入甲烷化單元，在鎳基催化劑的作用下生成甲烷，產出符合國標GB/T 33445—2016《煤制合成天然氣》中一類氣標準的合成天然氣產品。工藝流程見圖1。

圖1 煤制天然氣工藝流程

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

1.2 引入調峰裝置后工藝優化

根據原工藝流程特點，氣化爐出口粗煤氣甲烷含量高，粗煤氣不變換直接進入低溫甲醇洗裝置進行脫硫、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，然后根據各組分的沸點差異,經精餾分離出純度達標的天然氣,送入天然氣管網，另一股純度較高的CO產品氣則送入乙二醇合成單元作為乙二醇合成的原料氣；其中產生的富氫氣,一部分送至變壓吸附(PSA)單元進一步提純，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；深冷分離單元產生的閃蒸氣、乙二醇合成單元產生的弛放氣以及PSA單元產生的提氫解析氣,經尾氣壓縮機加壓后送入甲醇合成裝置,作為甲醇合成的原料氣。配置調峰裝置后工藝流程見圖2。

1.3 優化后的調峰工藝流程

根據某在建乙二醇聯產甲醇項目提供的數據，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到了3.9，極大地影響了甲醇合成反應的產率。而且，過多H2富余也造成了合成反應不完全、循環氣量大和壓縮機功率高的問題。

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式可以看出，除CO可與H2反應生成甲醇，CO2同樣可以與H2反應生成甲醇和水。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，脫除的CO2經排放塔排放，每年有大量的溫室氣體CO2排出[2]。根據國家對揮發性有機化合物(VOC)的排放要求，在排放時需要對VOC進行脫除，增加了裝置運行成本，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至2.0～2.15，滿足甲醇合成單元對原料氣的要求。優化后的流程見圖3。

圖3 優化后調峰工藝流程

2 調峰可行性分析

2.1 原生產裝置運行情況及適應性改造2.1.1 公用工程

由于引入調峰裝置，相應的循環水、電等公用工程需要重新核算水平衡及用電負荷。考慮到原裝置在設計階段留有一些余量，可優先使用，如仍有缺口，可相應增加設備設施以滿足調峰裝置的生產要求。

2.1.2動力單元

動力單元的設置是為化工區生產提供必要的蒸汽及除鹽水等公用物料。考慮到引入調峰裝置后，增加了深冷分離、甲醇、乙二醇單元，相應增加的壓縮機設備需要大量蒸汽，可進一步核算全廠蒸汽平衡，若原有動力站能力無法滿足調峰需求，可考慮增加鍋爐，或采用電驅壓縮機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生產提供氧氣、氮氣及儀表空氣等，引入調峰裝置后,由于乙二醇裝置也需要高純度的氧氣，同時調峰各單元均需要新增氮氣及儀表空氣用量，需進一步核算氧、氮及儀表空氣平衡，保證調峰裝置正常運行。

2.1.4煤氣化單元

原煤氣化采用碎煤加壓氣化技術，配套煤氣水分離及酚氨回收等后續處理單元。引入調峰裝置后，原設計煤氣化單元投煤量及煤氣水處理量均不變，焦油、石腦油、中油等副產品產量亦不變。

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節為3∶1，以滿足下游甲烷化裝置對原料氣的要求。引入調峰裝置后，CH4從深冷分離裝置得到分離，再利用低溫甲醇洗產出的CO2調節甲醇合成所需的氫碳比，因此，不需要再進行變換，調峰裝置運行后，變換冷卻單元停運。

2.1.6低溫甲醇洗單元

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

2.1.7甲烷化單元

引入調峰裝置后，CH4從深冷分離裝置分離出來，后續不再進行CH4合成，甲烷化單元停運。

2.2 新增調峰裝置情況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、冷箱、CH4產品氣壓縮及制冷劑壓縮等系統組成,主要用于將來自低溫甲醇洗的凈化氣深度冷卻后進行分離，得到甲烷產品氣、一氧化碳產品氣、深冷分離富氫氣和深冷分離閃蒸氣等。

2.2.2提氫系統

由于乙二醇合成需要高純度的H2，因此,需新增提氫裝置,將深冷分離單元產出的富氫氣進一步提純。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。考慮到投資及運行穩定性等，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，將深冷分離單元產出的CO、PSA單元產出的高純度H2,以及空分產出的O2合成粗乙二醇，再通過乙二醇精餾產出乙二醇產品，滿足GB/T 4649—2008《工業用乙二醇》中優等品的質量要求。

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

2.2.4甲醇合成及精餾單元

新增甲醇合成及精餾單元，將深冷分離單元產出的部分富氫氣和全部閃蒸氣、PSA提氫單元產出的解析氣、乙二醇合成單元產出的弛放氣，以及低溫甲醇洗產出的CO2氣通過甲醇合成裝置合成粗甲醇，再通過甲醇精餾產出甲醇產品，滿足GB 338—2011《工業用甲醇》中優等品及美國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、罐區等工序。

2.3 增加調峰裝置后原料及產品變化

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

表1 調峰前后原料及產品對比

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

3 結語

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