富氫原料氣綜合減碳應(yīng)用研究

肖敦峰,皮金林,夏炎華,金 鑫

(中國五環(huán)工程有限公司,湖北 武漢 430223)

2021年12月8日至10日的中央經(jīng)濟(jì)工作會議上提出:要正確認(rèn)識和把握“碳達(dá)峰”、“碳中和”,傳統(tǒng)能源逐步退出要建立在新能源安全可靠的替代基礎(chǔ)上,要立足以煤為主的基本國情,抓好煤炭清潔高效利用,增加新能源消納能力,推動煤炭和新能源優(yōu)化組合。要狠抓綠色低碳技術(shù)攻關(guān)。要科學(xué)考核,新增可再生能源和原料用能不納入能源消費總量控制,創(chuàng)造條件盡早實現(xiàn)能耗“雙控”向碳排放總量和強度“雙控”轉(zhuǎn)變[1]。

如何在發(fā)展煤化工的同時實現(xiàn)低碳或減碳發(fā)展,筆者結(jié)合多年的從業(yè)經(jīng)歷,從各類能源、各類合成氣的組合搭配上提出了一些減碳思路,供讀者參考。

1 方案簡述

現(xiàn)有各種原料或能源利用所產(chǎn)粗煤氣、蘭炭氣、焦?fàn)t氣、電石尾氣、天然氣轉(zhuǎn)化氣等中的H2/CO比值差異巨大,而合成甲醇、乙醇、乙二醇、丁辛醇、多碳醇及油品等時,所需要的H2/CO均在2左右,為了確保化工產(chǎn)品生產(chǎn)環(huán)節(jié)少排放CO2,可通過不同氣體的合理配比,實現(xiàn)所需的H2/CO比值,從而實現(xiàn)碳減排。

表1列出了不同粗合成氣的典型組分,為了實現(xiàn)所需要的氫碳比,可通過不同的合成氣組合,實現(xiàn)少排碳。

表1 常見粗合成氣組分

沿海地區(qū)大量建設(shè)丙烷脫氫(PDH)或乙烷裂解項目,其副產(chǎn)大量的氫氣。由于氫能產(chǎn)業(yè)還處于發(fā)展起步階段,富余氫氣無法完全消納,而僅僅作為燃料。為了將氫氣作為原料使用,提高其附加值,可通過干煤粉氣化與副產(chǎn)氫氣結(jié)合,調(diào)配出符合甲醇、乙醇、乙二醇等產(chǎn)品生產(chǎn)所需的H2/CO摩爾比為2的合成氣。

約50 000 Nm3/h的粗煤氣(含CO2)與丙烷脫氫或乙烷裂解副產(chǎn)60 000 Nm3/h氫氣結(jié)合,可以生產(chǎn)約40萬 t/a甲醇或35萬 t/a乙二醇。若全部采用干煤粉氣化制甲醇,在工藝過程中CO2排放量為90萬 t/a,若采用組合一,組分見表2,工藝過程中CO2排放量僅為7.3萬 t/a,CO2減排90%以上。

表2 組合一:沿海干煤粉氣化與PDH副產(chǎn)氫氣結(jié)合

在西北地區(qū),可通過水煤漿氣化與天然氣轉(zhuǎn)化的組合,獲得H2/CO摩爾比為2的合成氣。約50 000 Nm3/h的粗煤氣(含CO2)與約12 0000 Nm3/h轉(zhuǎn)化氣(含CO2)結(jié)合,可以生產(chǎn)約56萬 t/a甲醇或50萬 t/a乙二醇。若全部采用水煤漿氣化制甲醇,工藝過程CO2排放量為98萬 t/a,若采用組合二,組分見表3,工藝過程中CO2排放量為25萬 t/a,CO2減排70%以上。

表3 組合二:西北水煤漿氣化與天然氣二段轉(zhuǎn)化結(jié)合

在西北地區(qū),還可通過水煤漿氣化與焦?fàn)t氣(甲烷提取出來做LNG)的組合,獲得H2/CO摩爾為2的合成氣。約70 000 Nm3/h的焦?fàn)t煤氣(含CO2)與約50 000 Nm3/h水煤漿煤氣(含CO2)結(jié)合,可以生產(chǎn)約33萬 t/a甲醇或29萬 t/a乙二醇。若全部采用水煤漿氣化制甲醇,工藝過程CO2排放為58萬 t/a;若采用組合三,組分見表4,工藝過程中CO2排放量為14.6萬 t/a,CO2減排75%以上。

表4 組合三:西北水煤漿氣化與焦?fàn)t氣結(jié)合

在西北地區(qū),還可通過焦?fàn)t氣(甲烷提取出來做LNG)與電石尾氣的組合,獲得H2/CO為2的合成氣。約130 000 Nm3/h的焦?fàn)t煤氣(含CO2)與約40 000 Nm3/h電石氣(含CO2)結(jié)合,可以生產(chǎn)約43萬 t/a甲醇或39萬 t/a乙二醇。若全部采用水煤漿氣化制甲醇,工藝過程中CO2排放量為78萬 t/a;若采用組合四,組分見表5,工藝過程中CO2排放量為10萬 t/a,CO2減排87%。

表5 組合四:西北焦?fàn)t氣與電石尾氣結(jié)合

在綠電資源比較豐富的地方,可將電解出的氫氣和氧氣與煤氣化合成氣結(jié)合,減少甚至取消空分、變換,不需脫碳,粗煤氣經(jīng)冷卻和脫硫后直接去合成圈。若水煤漿氣化與電解氫氣結(jié)合,其組分見表6。若全部采用水煤漿氣化制甲醇,工藝過程中CO2排放量為222萬 t/a;若采用組合五,工藝過程中CO2排放量為0 t/a,工藝過程中CO2減排100%。

表6 組合五:水煤漿氣化與電解氫氣結(jié)合

與原有煤制甲醇的流程相比,投資和消耗將會明顯降低,變化見圖1。

圖1 組合五:水煤漿氣化與電解氫氣結(jié)合流程

2 減碳效果分析

為簡單說明不同氣體組合后的減排效果,表7將不同技術(shù)路線生產(chǎn)甲醇工藝過程的CO2排放進(jìn)行了對比。通過比較不同氣體中碳?xì)淠柋?研究通過不同流量氣體配比獲得所需的氫碳摩爾比,從而取消或縮小空分、變換、脫碳等規(guī)模,降低裝置投資和消耗,有效減少化工品合成工藝環(huán)節(jié)的CO2排放。

表7 不同技術(shù)路線噸甲醇工藝過程CO2排放

3 不同產(chǎn)品的減碳效果分析

各類化學(xué)產(chǎn)品中碳含量差異較大,煤炭中以碳為主,石油中氫碳比為2∶1,天然氣中氫碳比為4∶1,而聚烯烴類產(chǎn)品中氫碳比為2∶1,尿素和甲醇中氫碳比為4∶1,從原子組成角度來說,石油路線制聚烯烴、天然氣路線制氨、尿素和甲醇是減碳最好的路徑,工藝過程環(huán)節(jié)不排放CO2,僅能源提供環(huán)節(jié)排放少量CO2。但中國“富煤、貧油、少氣”的能源結(jié)構(gòu)導(dǎo)致國內(nèi)幾乎全部的液氨、尿素和甲醇生產(chǎn)都采用煤炭,因此,CO2排放量較大(見表8)。如果能將液氨和尿素產(chǎn)品從以煤炭為主逐步轉(zhuǎn)換為以煤炭、焦?fàn)t氣、輕烴裂解氣、天然氣等多種氣體有機耦合和共存為主,將對化工行業(yè)CO2減排貢獻(xiàn)巨大。

表8 不同技術(shù)路線的噸產(chǎn)品工藝過程CO2排放

另外,現(xiàn)有煤化工項目基本都配置了CO變換裝置。為了減少CO2的排放,可以不變換或少變換,后續(xù)可考慮多配置需要利用CO來羰基化的產(chǎn)品,如羰基化生產(chǎn)醋酸、碳酸二甲酯、丁辛醇、甲酸甲酯、甲酰胺、丁二烯雙羰基化生產(chǎn)己二酸等。

以上研究主要從原子經(jīng)濟(jì)和減碳角度來分析,未考慮各種能源及產(chǎn)品的價格以及各種不同原料配比下項目的盈利性和競爭力。

4 結(jié)語

在東部沿海地區(qū)大力發(fā)展輕烴化工,副產(chǎn)大量氫氣,但由于政策不允許用煤,因此,沿海地區(qū)氫氣只能用于生產(chǎn)液氨或作為燃料。為了充分地利用氫氣生產(chǎn)多碳醇類產(chǎn)品,建議根據(jù)副產(chǎn)氫氣量適度審批少量煤氣化項目,實現(xiàn)碳?xì)淦胶狻?/p>

在西北地區(qū)有大量的電石尾氣和焦?fàn)t氣資源,要鼓勵不同企業(yè)間進(jìn)行電石氣、焦?fàn)t氣互換耦合,實現(xiàn)所需的碳?xì)淦胶?或通過少量煤氣化項目,與焦?fàn)t氣的富氫進(jìn)行配比,生產(chǎn)多碳醇等化工產(chǎn)品。

在新疆、重慶天然氣資源富裕的地方可建設(shè)部分天然氣與煤氣化耦合的項目,實現(xiàn)碳?xì)涞钠胶狻?/p>

西北現(xiàn)有煤化工企業(yè)要實現(xiàn)與綠電制氫的耦合調(diào)節(jié)氫碳比,取消空分、變換,同時盡量生產(chǎn)多消耗CO的化學(xué)品,如醋酸、碳酸二甲酯、丁辛醇、甲酸甲酯、甲酰胺等。