2020年10月22日 星期四
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工程技術
焦化廠焦爐煤氣制合成氨聯產甲醇是節能減排的有效途徑

朱炳利   王萬和

(寶雞市泰和化工科技有限公司  陜西 寶雞)

在我國的能源結構中,貧油少氣、煤炭儲量相對豐富。從1994年起我國已從石油小量的出口國轉變為石油進口國,到2008年我國對進口石油的依存度達到了50%以上。而且工業發展對石油的需求每年都有大幅度的增加,經濟發展與資源貧乏的矛盾已非常突出。積極尋找替代能源,發展煤化工已成為人們關注的熱點。研發煤化工新技術、新工藝利用焦化廠焦爐煤氣制甲醇聯產合成氨是近代煤化工節能減排、非常經濟、非常有效的途徑。

隨著我國國民經濟建設的高速發展,對鋼鐵的需求與日俱增,所以鋼鐵冶煉所需的主要原料焦炭產量大幅提升,我國是目前世界上鋼鐵、焦炭最大的生產國和出口國,在國民經濟中有著舉足輕重的作用。但焦化行業的發展,焦炭產量的提高,同時會產生大量富余的焦爐煤氣,過去接近城市的焦化廠聯建煤氣公司,將焦爐煤氣稍作處理作為居民生活煤氣予以利用。遠離城鎮的地方焦化廠,只能將煉焦煤氣排放到空氣中,不僅對環境造成嚴重污染,而且也是資源的嚴重浪費。且目前在許多城市因天然氣的清潔環保而替代原來的城市煤氣(含焦爐煤氣)。也促使我們如何開發和利用好焦爐煤氣。

所以,如何合理利用焦爐煤氣,促進節能減排是擺在各級政府和企業、科研單位面前的一項重要課題。

利用焦爐煤氣制甲醇技術雖已問世多年,但甲醇生產中有大量的馳放氣,其中主要成分為H279.4% 、CO3.8%、CO23.2% 、N2 10.8%。傳統的做法將很珍貴的化工原料氣體送煉焦廠作為燃氣燃燒,很不經濟。而且還有部分不燃氣體隨煙氣放入大氣污染環境。

韓城黑貓能源利用有限責任公司焦爐氣、甲醇馳放氣綜合利用項目采用寶雞市泰和化工科技有限公司研發、設計用焦爐煤氣及甲醇馳放氣制合成氨聯產甲醇的新工藝,于20086月開始設計,2008年底開工建設,2009年底建成投產投產。一次開車成功。我們有必要來看看它的現狀并為它的未來做一些有益的工作,使其能為國民經濟的可持續發展做出應有的貢獻。

該裝置的建成,成功的解決了富裕焦爐煤氣、甲醇裝置馳放氣、合成氨馳放氣放空污染環境的問題,實現了資源的綜合利用,為企業創造了一定的經濟效益。

本項目利用剩余和置換出來的焦爐氣,建設15萬噸/年氨醇裝置,通過變壓吸附提氫、聯產甲醇,最終生產當地需求較好的液氨。其中,對焦爐氣采用變壓吸附提氫是原料氣前段處理的一條新工藝。

總的來說,焦爐煤氣可以用來發電、作燃料、制氫氣和液化甲烷、合成天然氣、制取甲醇或合成氨。但就從投資和經濟效益方面以及現在的市場和社會環境來看,生產甲醇和合成氨才是經濟效益和社會效益較好的方案,過去由于焦爐煤氣制合成氨要進行催化轉化、變換,銅洗或甲烷化等操作工序,流程較長、投資和消耗都比較高,而目前由寶雞市泰和化工科技有限公司研發的新工藝完全可以和制甲醇相媲美,這是焦爐氣制合成氨的一次重大革新。同時焦爐氣制甲醇和合成氨遠較其它原料制甲醇的成本要低400~800/..醇,因此從這兩個主要方面的因素來看是目前較好的選擇。

生產技術及工藝路線

寶雞市泰和化工科技有限公司為韓城市黑貓能源利用有限公司研發設計的工藝流量簡圖

 

工藝流程簡述:

經焦化廠化工產品回收,脫硫后的焦爐氣,進入本裝置介區后,首先進入氣柜,經始降、緩沖、穩壓后,經羅茨風機加壓至0.03MPa,送到粗脫硫工段進行預處理,然后經精濾氣分兩路,一路送至老甲醇系統,送至壓縮機一入。 另一路預處理氣經壓縮機一、二段壓縮后至0.8MPa,再與老甲醇系統放空氣及會合。在混合穩壓罐內混合后送至變溫、變壓吸附工段的吸附塔內,利用加壓狀態下,在不同的吸附劑中(固態)選擇性的將CH4+ArCO2吸附,而H2CO、N2穿過吸附劑床層成為制甲醇和合成氨的原料氣送入下一工序,通過多次均壓降壓、回收部分有效成分后,吸附塔最后經抽真空將其吸附的CH4+ArCO2解析出來送至焦化廠(該氣主要成分為O2 0.14%,N2 4.94%,CO 14.47%,CH4 43.03%,CO2 12.12%,CnHm 2.13%,H2 23.47%,熱值約為21297.02kJ/Nm3較焦爐氣高4%)作為燃料氣配燒焦炭。

原料氣經精脫硫變溫變壓工序后,氣體主要成分為H2 89.72 % ,N25.05%,CO4.29%,CO20.12%,CH4+Ar0.79%,與空分裝置來的氮氣(含N2 99.99%)經過DCS后調裝置按比例配用N2氣在均壓混合罐內混合后,送至氫、氮氣壓縮機三入;經壓縮機三、四、五段(段間設有冷卻分離裝置)壓縮至12Mpa,送至醇化工段。

在醇化工段,首先經洗氨塔用脫鹽水將氣體中的氨脫除至20ppm以下,然后與甲醇循環機來的循環氣混合后進入油分,分離掉油和水,由塔頂進入塔內外體環隙,然手由塔底部進入塔底換熱器與反應后出塔熱氣換熱,再經觸媒層冷管換至220℃左右由中心管進入甲醇觸媒層。在觸媒的作用下 2H2+CO=CH3OH 3H2+CO2=CH3OH+H2O 反應后的氣體經塔底換熱器出塔依次進入脫鹽水加熱器、水冷器將溫度降至2535℃進入醇分,分離掉其中的甲醇(粗醇),甲醇經液位自控系統調節放入中間槽后送至甲醇罐區。閃蒸汽回壓縮三入。有醇分出來的氣體、一路經循環機加壓后與壓縮五出來氣混合后進入油分循環,另一路進入甲醇洗塔,塔洗掉夾帶的甲醇后,氣送壓縮機六入。洗醇水濃度達到4550℃后送中間槽。

由醇化工段來的氣體,H2、N2(其中CO+CO20.5%)經壓縮機六段加壓至2231.4MPa,送甲烷化凈化段,首先進入循環機油分(循環機主要是在觸媒升溫,還原時使用,正常生產時不開啟循環機),然后進入塔底預熱器與甲醇化出塔氣換熱,然后進入甲烷化塔底部換熱器與出觸媒層氣換熱,進入中心管。通過電爐加熱至260℃后由觸媒層頂部進入,CO、CO2H2在觸媒作用下生成CH4H2O和部分高級醇,使CO+CO2及其它對氨觸媒有害物質降至25ppm以下,達到凈化的目的。反應后的氣體依次進入塔底換熱器、出塔后進入塔前分熱器與進塔氣換熱,并使自身溫度降至70℃,依次進入水冷器、水分離器、氨冷器、分離器,分離掉其中的水及高級醇后,送氨合成系統。(另有一條管路送循環機經循環機加壓循環,用于觸媒的升溫還原)。

送合成工段的新鮮氣(其中H2 74 % ,N2 25% ,CO+CO225ppm,CH4+Ar0.8%)首先進入合成一氨冷與冷交來循環氣混合,然后進入二氨冷將溫度降至 -15-20℃,再進入冷交下部分離段、分離掉其中的液氨,再進入上部的換冷段、與循環機油分來的氣體換冷回收冷量,出冷交的氣體經進合成塔的主,副閥及冷激閥控制,依次進入合成塔的內外件環隙及塔前預熱器、塔離換器、觸媒層冷管,進入中心管,溫度被提升至385℃,進入觸媒層。在觸媒的作用下,3H2+N2=2NH3+Q,反應區分四段,沒軸徑向流程以降低后流阻力,段間溫度設冷激、結合冷管、調節溫度,使其保證在最佳溫度范圍和較高出塔氨含量。反應后的氣體,依次進入塔底換熱器,出塔后(出塔氣氨含量17%)進入廢熱鍋爐(副產1.3MPa蒸汽、0.6T/每噸氨)然后今日塔前預熱器、水加熱器及水冷器,將其溫度降至35℃后進入一氨分,分離掉部分冷凝液氨,然后進入循環氣加壓,經油分分離掉油水后,出來反應完的循環氣與壓縮機六段來新鮮氣混合進入一氨冷循環生產合成氨。由冷交及氨分分離掉的液氨通過液位自控系統送至液氨貯罐,經液氨充裝站充裝槽車計量出售。

冷凍系統:由氨槽來的液氨分別加至一、二級氨冷器殼程,循環氣為溫度將液氨氣化,氣化產生的冷量被循環氣吸收,氨自身氣化,溫度升高。由冰機將氣氨加壓至1.6MPa,通過蒸發式冷凝器將其降溫至35℃,使其液化成液氨(1.58MPa 40 時氣氨就可液化為液氨) 然后送至氨槽循環使用。

分工段流程敘述

對焦爐氣采用變壓吸附提氫是近幾年興起的新工藝。其主要優點是操作方便、能耗較低。具體特點如下:

韓城黑貓集團工藝的主要特點

1、率先在國內采用工業化變溫、變壓吸附提H2,脫除CH4CO2技術,使其成分達到合成氨聯產甲醇的配比要求;同時輔產的解析氣將CH4含量由20%濃縮63%,此氣熱值比焦爐氣高35% ,并為后續新產品液化甲烷(CH4)創造了良好的條件。本工藝相對比傳統的部分氧化、催化轉化工藝投資節省20%,且流程短、產品消耗低。一次性總投資和單位產品投資低,施工周期短,運行費用低,工藝控制自動化程度高,安全性高,主要是采用物理方法和非化學方法提氫脫碳(CH4、CO2)所以不需要特殊的設備和材料以及高溫下運行的貴金屬觸媒。該工藝應用的吸附劑可用15年以上。

2、該工藝采用目前先進的雙甲(甲醇、甲烷化)工藝,對合成氨原料氣進行凈化,副產部分甲醇(根據實際需求可適應調節甲醇產量)使氣體不但得到了凈化達到CO+CO225ppm的合成氨氣要求,同時得到了產品甲醇。與傳統的冷機脫碳、醋酸銅氨化銅洗、或低溫甲醇洗、液氨洗工藝相比,有投資省、工藝路線短、運行費用低、無污染及廢氣廢液排放及有效氣利用率高的特點,是該裝置的一大亮點。

3、該工藝采用空分來的氮氣與提氫脫碳來的氣體,通過上述兩種氣體流量及雙甲后氣體成分及氨合成循環氣成分,采用自主研發的DCS控制系統,及時合理的調節H2/N2,確保氨合成系統成分穩定、高產、低耗、運行平穩。

4、采用焦爐煤氣、提氫氣與氨氣在壓縮機三入混合(即 二合一機組)省去了氮氣壓縮機、做到了H2、N2氣同加同減,確保系統的穩定運行。同時節省了投資、減少了壓縮機總功耗及運行費用(中、小維修費及輔材消耗)

技術經濟指標分析

以年產10萬噸甲醇+液氨或甲醇計算,投資、成本及經濟技術指標

1)總投資

1     焦爐氣制10萬噸液氨5萬噸甲醇

工程項目

費用/萬元

①投資建設

 

 

 

 

 

15455

固定資產投資

 

 

13302

遞延資產

 

 

60

預備案

 

 

2093

②建設期貨款利息

 

 

443.5

③流動資金

 

 

1680

 

2)消耗

氨聯產醇:~2816 M3/噸甲醇

2     單位成本(以1噸甲醇或液氨為一個單位)

項目名稱

年耗

單價

費用

備注

原材料(m3

2816M3/T NH3

0.3/m3

844.8

焦爐氣價格按0.3/m3

電耗(Kwh

810

0.4/Kwh

324

工資及附加費

205×40

10

82

折舊費

 

 

133

維修費及輔材

 

 

79.8

財務費用

 

 

38

管理費

 

 

29

合計

 

 

1530.60

 

 

注:1、目前甲醇市場售價(出廠價)2000~2700/T  

液氨售價(出廠價)2500~3000/T

2、定員按生產崗位205人,每人每年40000元計工資及附加。

3、固定資產按13302萬元計,其中折舊按每年10%計,維修費及輔材消耗按6%計。

4、年產量按氨 總量10萬噸計

年利稅總額: 以最低出廠價2500/T NH3

2500-1530.6)×105 = 9.694×107

利潤總額:按銷一進項 ≈12%

利潤總額為9.694×107 -(2500×12%)×105 = 6.894×107

每年折舊費總額為133×105 = 1.33×107

投資回報期為15455+443.5)×104÷{6.894+1.33)×107 }1.93

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