氣和煤生產(chǎn)乙二醇合成氣的原料路線(xiàn)選擇探討

013,23(1)周芳等氣和煤生產(chǎn)乙二醇合成氣的原料路線(xiàn)選擇探討設計多技術(shù)氣和煤生產(chǎn)乙二醇合成氣的原料路線(xiàn)選擇探討周芳·姜波中國成達工程有限公司成都610041摘要介紹天然氣轉化和氣煤聯(lián)產(chǎn)氫碳互補制乙二醇合成氣的工藝原理。對天然氣部分氧化和氣煤聯(lián)產(chǎn)乙二醇合成氣的工藝流程、原料消耗、CO2排放、動(dòng)力消耗、投資、經(jīng)濟性進(jìn)行比較。提出氣煤聯(lián)產(chǎn)和天然氣部分氧化都是可行的乙二醇合成氣生產(chǎn)路線(xiàn)。氣煤聯(lián)產(chǎn)有氫碳互補作用,水煤氣無(wú)需變換,天然氣消耗和氧耗低;天然氣部分氧化流程簡(jiǎn)單、投資省、CO2排放少。經(jīng)濟比較,兩種原料路線(xiàn)相差不大。關(guān)鍵詞氣煤聯(lián)產(chǎn)部分氧化乙二醇合成氣乙二醇合成氣為高純度的H2(99.9%,mol)CH4+202→CO2+2H2O和CO(99%,mol),且H2和CO的摩爾比約為由反應式可知,蒸汽轉化利用了水中的H2,95。以300kU/a乙二醇裝置為例,原料可選擇天氫碳比較高,用于生產(chǎn)乙二醇合成氣時(shí),H2過(guò)量。然氣和煤。因單純以天然氣為原料生產(chǎn)合成氣,自熱部分氧化反應在絕熱反應床中進(jìn)行,反應所即使是采用兩段轉化補碳工藝,轉化氣中H2:CO需的熱量由燃燒H2和少量天然氣提供,因此需加也高達307,氫氣明顯過(guò)剩,而部分氧化工藝,入氧氣,氧氣與氫燃燒提供反應所需的熱量。加可以滿(mǎn)足較寬范圍的H2:CO要求,但相對一段和1m3氧氣就燒掉2m3氫,生成2m水。部分氧兩段轉化,其消耗過(guò)高。單純以煤為原料制乙二醇合成氣,則存在碳過(guò)剩,需要大量變換及大量化所得到的氫較一段轉化少,減少的量是加入氧氣的兩倍,故制取的轉化氣中H2CO比單純的排放CO2的問(wèn)題。正如氣煤聯(lián)合生產(chǎn)甲醇無(wú)疑是一種較優(yōu)的甲醇合成路線(xiàn)一樣日,氣煤聯(lián)產(chǎn)同樣段轉化低得多,且可以取得較寬范圍的H2:CO,也是一種優(yōu)于單純以煤為原料生產(chǎn)乙二醇合成氣但部分氧化從理論上來(lái)說(shuō)是不經(jīng)濟的。而兩段轉的原料路線(xiàn)。本文從原理和工程兩方面分析探討化其實(shí)質(zhì)是一段轉化為蒸汽轉化,二段轉化為部以天然氣和氣煤結合兩種原料生產(chǎn)乙二醇合成氣分氧化,其過(guò)量H2較一段轉化少的路線(xiàn),介紹各自特點(diǎn),供類(lèi)似項目選擇原料路補碳也是一種提高合成氣中CO含量的工藝手線(xiàn)時(shí)參考。段,但補碳能力是有限的。表1給出了不同轉化(補碳)工藝的轉化氣組成和過(guò)剩氫(相對于H21生產(chǎn)乙二醇合成氣的理論分析Co=2)1.1天然氣制乙二醇合成氣表1不同轉化工藝的轉化氣組成和過(guò)剩氫(%)HcO1.1.1天然氣轉化的工藝原理CO2CH4過(guò)剩H2一段轉化71.3714.737.356.天然氣轉化工藝包括一段轉化、兩段轉化和段轉化補碳66.3917.739.815.5546.5自熱部分氧化(2。轉化工藝總的反應原理歸納為兩段轉化補碳66.2821.621.160.4334.8蒸汽轉化和部分氧化兩類(lèi)。部分氧化補碳59.26283511.540.84蒸汽轉化:CH4+H2O→CO+3H2由表1可得:一段轉化、一段轉化補碳、兩段CO+H2O→CO2+H2轉化補碳、部分氧化補碳的H2:CO分別為485、部分氧化3.74、3.07、2.09(可滿(mǎn)足較寬范圍)。CH4+1/202→CO+2H2根據表1,分析如下:2H2+O2→+2H2O(1)一段轉化工共的轉化氣中H2:CO最高,中國煤化工周芳:工程師,全國注冊化工工程師。2004年畢業(yè)于四川大學(xué)化學(xué)工程專(zhuān)業(yè)獲碩CNMHG煤化工工藝設計工作。聯(lián)系電話(huà):(028)65530912,E-ml:zhoufang@chengda.comCHEMICAL ENGINEERING DESIGN化工設計2013,23(1)過(guò)剩氫高達58.7%,補碳后,過(guò)剩氫有所下降,1.3氣煤聯(lián)產(chǎn)制乙二醇合成氣但作為單一的工藝無(wú)法滿(mǎn)足乙二醇合成氣的要求。1.3.1氣煤聯(lián)產(chǎn)乙二醇合成氣的工藝原理(2)兩段轉化(補碳)工藝的轉化氣中H2:CO采用單一的煤為原料生產(chǎn)合成氣是碳多氫少,有所降低,作為單一的工藝仍無(wú)法滿(mǎn)足乙二醇合必須用部分C0變換制H2來(lái)滿(mǎn)足H1:CO,而采用成氣的要求單一的天然氣為原料生產(chǎn)乙二醇合成氣時(shí),除了(3)部分氧化較一段轉化和兩段轉化,可以部分氧化工藝,都是氫多碳少。利用天然氣轉化取得較低的H2:CO,滿(mǎn)足乙二醇合成氣的要求。多余的氫和煤氣化多余的碳,可以實(shí)現氫碳互補,綜上,天然氣轉化工藝中,唯有部分氧化可在適當的氣煤規模配比下,可達到煤氣化生產(chǎn)的以滿(mǎn)足乙二醇合成氣的要求。粗煤氣不用變換和煤頭部分不用排放變換出的CO2112天然氣部分氧化(補碳)制乙二醇合成氣的雙重作用的工藝流程在轉化工藝的選擇上,同氣煤聯(lián)合生產(chǎn)甲醇天然氣部分氧化(補碳)制乙二醇合成氣的無(wú)疑是首先推薦天然氣一段蒸汽轉化工藝一樣1工藝流程見(jiàn)圖1。H2:CO最高的一段轉化也是氣煤聯(lián)產(chǎn)制乙二醇合成氣的最佳轉化方案。藝蒸汽,硫返寂x8“心收/趣碳提純o產(chǎn)51.3.2氣煤聯(lián)產(chǎn)制乙二醇合成氣的工藝流程轉化氣熱氣煤聯(lián)產(chǎn)生產(chǎn)乙二醇合成氣的工藝流程見(jiàn)圖圖1天然氣部分氧化(補碳)制乙二醇合成氣工藝流程脫硫返氫天然句天然氣經(jīng)部分氧化后,大部分甲烷等烷烴已轉化為H2和CO,轉化氣經(jīng)熱量回收和轉化水冷工藝蒸汽原料煤低溫甲深冷分戶(hù)品后,溫度降至40℃,脫除氣體中的二氧化碳,CO-“《代“氣熱同收一&碳版裝“離/提(產(chǎn)深冷分離和PSA提氫,得到所需要的H2和CO合ˉ會(huì )硫礦產(chǎn)品成氣,氣體分離的尾氣用作轉化系統的燃料。圖2氣煤聯(lián)產(chǎn)制乙二醇合成氣工藝流程1.2煤制乙二醇合成氣天然氣經(jīng)一段轉化和熱回收后,與氣化后并典型的煤氣化粗煤氣組成見(jiàn)表2。表2典型的煤氣化粗煤氣組成碳,凈化后的合成氣經(jīng)CO深冷分離和PSA提氫,組成HC(%)經(jīng)熱量回收的煤氣,一起進(jìn)行低溫甲醇洗脫硫脫CH得到所需要的H2和CO,氣體分離的尾氣用作為粗煤氣(水煤漿氣流床氣化)36.9343.6117.320.95天然氣轉化燃料。粗煤氣(加壓粉煤氣流床氣化)19.4170.093.460.04粗煤氣(常壓粉煤流化床氣化)383325332天然氣、氣煤聯(lián)產(chǎn)乙二醇合成氣的工程比較由表2可得:粗煤氣(水煤漿氣流床氣化)、粗煤氣(加壓粉煤氣流床氣化)、粗煤氣(常壓粉2.1比較的前提煤流化床氣化)的H2:CO分別為0.85(1)生產(chǎn)相同規格和相同量的H2和CO,作0.28、1.15。為300ka乙二醇裝置的原料。從表2可知,采用單一的煤氣化技術(shù),不管是(2)天然氣轉化的燃料氣先使用裝置內深冷選擇常用的干法氣流床、濕法氣流床還是常壓流分離/PSA尾氣,不足部分由天然氣補充化床氣化,其煤氣不經(jīng)變換均無(wú)法滿(mǎn)足乙二醇合(3)原料天然氣的壓力按1.0MPa(A)計。成氣要求。若作為單一的原料生產(chǎn)乙二醇合成氣,天然氣制乙二醇合成氣采用部分氧化補碳工藝,就需要大量變換,大量排放CO2,并存在投資高、氣煤聯(lián)產(chǎn)制中國煤化工用一段轉化能耗高、經(jīng)濟效益和社會(huì )效益差的問(wèn)題,故本文工藝。CNMHG不再對單獨的煤原料路線(xiàn)進(jìn)行選擇比較。(4)氣煤聯(lián)產(chǎn)時(shí),煤頭部分按4.0MPa水煤漿2013,23(1)周芳等氣和煤生產(chǎn)乙二醇合成氣的原料路線(xiàn)選擇探討氣化,按煤頭不設置變換來(lái)確定氣頭規模。表4天然氣部分氯化、氣煤聯(lián)產(chǎn)制乙二醇合成氣2.2綜合比較的CO2排放(Kg/h)基于2.1的比較前提,進(jìn)行了天然氣部分氧項目天然氣部分氧化氣煤聯(lián)產(chǎn)化、氣煤聯(lián)產(chǎn)制乙二醇合成氣的模擬計算和工程脫碳尾氣10500(氣頭)18783(煤頭)分析,其主要結果見(jiàn)表3爐子排放煙氣4表3天然氣部分氧化、氣煤聯(lián)產(chǎn)制乙二醇合成氣產(chǎn)蒸汽煤煙的計算結果比較總量1573158204原料天然氣氣煤聯(lián)產(chǎn)也比氣煤聯(lián)產(chǎn)一段轉化氣中的CO2含量高,但由H2產(chǎn)量,Nm3/h6187561875于脫碳排放的部分CO2補入了原料氣中,且氣煤Co產(chǎn)量,Nm3/h3187531875聯(lián)產(chǎn)中煤頭部分粗煤氣中CO2的含量高,就僅此原料煤,th項,天然氣部分氧氣的CO2排放就低了近20工藝天然氣,Nm3/h燃料天然氣,Nm3/h1233h;就爐子煙氣中的CO2排放,天然氣部分氧化采計天然氣,Nm3/1388896810用的是加熱爐,而氣煤聯(lián)產(chǎn)一段轉化熱負荷大,天然氣轉化壓力,MPa2.0采用蒸汽轉化爐,其煙氣中排放的CO2量更大;天然氣轉化溫度,℃就產(chǎn)蒸汽的煤煙中CO2排放,雖天然氣部分氧化天然氣轉化水碳比1.22工藝的氧氣消耗高,相應的空分蒸汽耗量大,但天然氣轉化氣CH4,%(干)0.65.5轉化部分所產(chǎn)蒸汽較多,故此項的CO2排放要煤氣化壓力,MPa低些。煤氣化溫度,℃綜上各項,天然氣部分氧化排放的CO2總量氧氣,Nm3h2241418200更低,較氣煤聯(lián)產(chǎn),每年可以減少339.78kt的煤氣CO變換量,%煤氣(干粗煤氣),Nm3/hCO2排放量,具有較好的社會(huì )效益。轉化氣,Nm3/h605182.4動(dòng)力消耗比較冷箱入口氣,Nm3/h100541101213甲醇裝置的主要動(dòng)力消耗為各壓縮機、泵綜合能耗,kge/1000NmCo1043.91122.2引風(fēng)機和鼓風(fēng)機,天然氣部分氧化和氣煤聯(lián)產(chǎn)的由表3分析可知:主要動(dòng)力消耗比較見(jiàn)表5。(1)從原料氣的消耗來(lái)看,天然氣部分氧化表5天然氣部分氧化、氣煤聯(lián)產(chǎn)乙二醇合成氣的天然氣消耗較高,對項目選擇地的天然氣資源的主要動(dòng)力消耗比較保障有較高的要求。項目天然氣部分氧化氣煤聯(lián)產(chǎn)(2)氣煤聯(lián)產(chǎn)制乙二醇合成氣無(wú)需變換,碳天然氣壓縮利用率高。煤氣化1455(3)從綜合能耗來(lái)看,相對于氣煤聯(lián)產(chǎn)制乙空分壓縮1741014490脫硫脫碳冰機/泵1380醇合成氣,天然氣部分氧化的能耗略低鼓風(fēng)機2.3CO2排放比較引風(fēng)機CO2排放主要有3個(gè)來(lái)源:①-段轉化爐或加CO2壓縮機熱爐煙氣中的CO2;②煤氣變換低溫甲醇洗脫硫脫深冷分離壓縮機14260碳的CO2或天然氣轉化后脫碳產(chǎn)生的CO2;③空分總計3704832885和工藝裝置配套的煤鍋爐煙氣中的CO2o從表5的動(dòng)力消耗來(lái)看,氣煤聯(lián)產(chǎn)路線(xiàn)多了煤基于2.1的比較前提,天然氣部分氧化、氣煤氣化和天然氣一段轉化鼓風(fēng)機和引風(fēng)機的動(dòng)力消聯(lián)產(chǎn)制乙二醇合成氣的CO2排放見(jiàn)表4耗,天然氣部分氧化路線(xiàn),因原料氣消耗和氧耗從表4的CO2排放來(lái)看,就脫碳尾氣中的CO2均較高,天排放,雖然天然氣部分氧化轉化氣的量比氣煤聯(lián)力更大引起產(chǎn)的轉化氣和粗煤氣總量大,其轉化氣中CO2含量增加CO2壓細機YHa中國煤仁冗套的空分能工藝還需要CNMH,蟻怎米講,天然氣部CHEMICAL ENGINEERING DESIGN化工設計2013,23(1)分氧化工藝的動(dòng)力消耗更高,高出氣煤聯(lián)從表7可知,按目前的原料價(jià)格和公用工程價(jià)產(chǎn)4163kW。格,若考慮CO2排放費,天然氣部分氧氣的運行3天然氣、氣媒聯(lián)產(chǎn)制乙二醇合成氣的投成本要低.3%,若不考慮CO排放費,氣煤聯(lián)產(chǎn)資估算的運行成本要低13%。各運行費用中,天然氣和煤所占比例最大,因原料路線(xiàn)不同,投資差別大。本文對天然因而原料價(jià)格的差異直接影響到不同原料路線(xiàn)的氣和氣煤聯(lián)產(chǎn)兩種原料路線(xiàn)的空分裝置和工藝生運行成本。若考慮CO2排放費用,煤價(jià)穩定在600產(chǎn)裝置進(jìn)行了投資的比較,其比較結果見(jiàn)表6。元/t,天然氣價(jià)格為1.655元/Nm3時(shí),兩種原料表6天然氣部分氧化、氣煤聯(lián)產(chǎn)制乙二醇路線(xiàn)具有相近的運行成本。故在原料路線(xiàn)的選擇合成氣的投資估算(萬(wàn)元)上,應根據項目建設的具體情況,既要充分了解工程費天然氣部分氧化氣煤聯(lián)產(chǎn)天然氣轉化工序原料價(jià)格,更要重視資源保障,天然氣供給緊張15500煤氣化工序的項目,氣煤結合不失為一種較好的制乙二醇合脫硫脫碳工序15800成氣的原料路線(xiàn)。硫回收工序深冷/PSA1710017105結語(yǔ)空分1750014000氣煤聯(lián)產(chǎn)和天然氣部分氧化都是可行的乙二4650089900醇合成氣生產(chǎn)的原料路線(xiàn),兩種路線(xiàn)各有優(yōu)勢通過(guò)表6的估算可知,較天然氣部分氧化路對于天然氣資源緊張的項目,氣煤結合不失為線(xiàn),氣煤聯(lián)產(chǎn)路線(xiàn)的投資高出近一倍。種較好的H2CO合成原料路線(xiàn)。建議具體項目需4天然氣、氣煤聯(lián)產(chǎn)制乙二醇合成氣的經(jīng)根據項目資源配置和原料價(jià)格來(lái)選擇合理的原料濟性比較路線(xiàn)。兩種原料路線(xiàn)各自的工藝特點(diǎn)如下:(1)氣煤聯(lián)產(chǎn)能起到很好的氫碳互補作用,對天然氣和氣煤聯(lián)產(chǎn)兩種原料路線(xiàn)的空分和水煤氣無(wú)需變換,天然氣消耗和氧氣均工藝生產(chǎn)裝置進(jìn)行了經(jīng)濟性比較,比較表見(jiàn)表7。(2)天然氣部分氧化流程簡(jiǎn)單,投資低,其表7天然氣部分氧化、氣煤聯(lián)產(chǎn)制乙二醇合成氣經(jīng)濟性比較次性投資可節省約4.34億元,但天然氣總量消項目?jì)r(jià)格天然氣部分氧化氣煤聯(lián)產(chǎn)耗高,每年需耗3.11×10°Nm3天然氣,而氣煤聯(lián)天然氣,Nm31.662222426896.0產(chǎn)路線(xiàn)僅需消耗1.35×103Nm3,部分氧化對項目原料煤,t18900.0冷卻水(△t=10℃),t0.3496.1所在地的天然氣資源保障提出了更高的要求。新鮮水,t1.028.0(3)天然氣部分氧化在CO2排放上具有明顯電,kWh8980.48485.4優(yōu)勢,每年可以減少339.78kt的CO2排放,但在脫鹽水,t動(dòng)力消耗上,氣煤聯(lián)產(chǎn)每年可以節約3.33×10中壓過(guò)熱蒸汽,t(98MPa540℃)11160.09000.0kWh的動(dòng)力消耗,折合標煤1.12×10′t壓過(guò)熱蒸汽,t9216.0(4)經(jīng)濟性上,兩種原料路線(xiàn)幾乎相當,優(yōu)-1049.4劣與原料價(jià)格密切相關(guān)。低壓蒸汽,t(0.5MPa)100600.03500.0硫磺,kg416.0考文獻cO2排放,t/h250.03932.814551.0投資,萬(wàn)元3875.07491.7周芳等.氣和煤合成甲醇的原料路線(xiàn)探討[J].化工設合計,元/h④85950.787103計,2011,21(5):3合計,元/h82017.972552.72曾紀龍、天然氣制甲醇補碳的探討[J].化工設計注:①以上為靜態(tài)成本,投資成本分攤到15年;②不包括催2004,14化劑的消耗、氣化部分工藝燒嘴維修和耐火磚更換等運行成本;3周芳等中國煤化工方案選擇[]③不包括人工費、財務(wù)費用、管理費、維修費、銷(xiāo)售費及其它制造費用等;④為考慮了CO2排放費用的運行成本;⑤為未考慮煤化工,CNMHGCO2排放費用的運行成本。(收稿日期2013-01-04