佳华煤气综合利用方案的选择.doc

唐山佳华煤化工有限公司剩余焦炉煤气利用工艺方案选择和比较（2010年1月）编制人：焦 鹏审核人：徐志全批准人：张之达目 录 一、唐山佳华剩余焦炉煤气处理现状1二、剩余焦炉煤气利用方案选择12.1焦炉气及二甲醚（DME）作民用燃气22.2焦炉气发电22.3焦炉气提氢32.4焦炉气生产海锦铁（DRI）（作还原剂）32.5焦炉气生产化肥（合成氨）32.6焦炉气生产甲醇32.7 LNG联产甲醇（甲醇项目的改进和突破）5三、甲醇和LNG联产甲醇工艺方案比较63.1甲醇方案63.1.1装置规模与产品方案63.1.2工艺流程方案63.1.3投资估算及技术经济指标73.2 LNG联产甲醇方案73.2.1装置规模与产品方案73.2.2工艺流程方案93.2.3 投资估算技术经济指标10四、结论104.1走LNG联产甲醇的路线104.2选择低温甲醇洗的煤气净化方案11一、唐山佳华剩余焦炉煤气处理现状唐山佳华现有焦炭产能330万吨/年，已投产2座6m顶装和2座6.25m捣固焦炉，后续2座6.25m捣固焦炉计划于2010上半年投产。届时，若6座焦炉全部满负荷生产，可产气16.92万m3/h，其中42回炉，外送9.81万m3/h，除去焦炉外消耗，剩余5.96万m3/h需放散或另寻出路。焦炉外用户煤气消耗统计序号焦炉外用户单位数量1一、二期锅炉（1台75t+1台35t）万m3/h1.02一、二期粗苯管式炉万m3/h0.43二期制冷站万m3/h0.24中厚板、唐山及港口合计万m3/h1.25512MW发电机组万m3/h1.0合计万m3/h3.85由此可知，唐山佳华未来将剩余焦炉煤气约6万m3/h，由于没有配套焦炉煤气利用项目，因此只能通过火炬系统燃放，若按焦炉煤气外销唐山市价格0.46元/ m3计算，将造成直接经济损失66.24万元/天，即2.42亿元/年。因此，形势刻不容缓，必须尽快选择合适的工艺方案对剩余焦炉煤气进行合理利用，否则将给公司造成重大经济损失。二、剩余焦炉煤气利用方案选择经过多方调研、咨询和查阅大量资料后我们得知，目前全世界范围内焦炉煤气利用途径主要有以下几种，通过与赛鼎公司（化二院）交流得知，目前最新的焦炉煤气利用技术是在原焦炉煤气制甲醇工艺路线基础上进行的改进和突破，即LNG（液化天然气）联产甲醇工艺路线，目前该项目已经在陕西韩城黑猫焦化有限责任公司开工建设。下面我们就将已知的焦炉煤气利用方案依次加以分析，并将可行性最大、效益较好、投资适中的焦炉煤气制甲醇工艺路线和LNG（液化天然气）联产甲醇工艺路线加以简单比较。2.1焦炉气及二甲醚（DME）作民用燃气焦炉气是一种最适合作民用燃气的能源，他的热值较高4600千卡/m3，而CO含量仅6%，而其他气化办法得的气体CO含量都很高，如发生炉为29%，水煤气炉40%，鲁奇炉20%，德士古炉54%，谢尔69%，都超过城市燃气标准CO10%的要求，所以传统上是以焦炉气作为城市民用煤气。在有条件的城镇仍应以焦炉气作为城市煤气。焦炉气制甲醇后，还可继续加工成二甲醚（DME），二甲醚完全可以代替液化石油气（LPG）。唐山佳华目前向唐山市及周边用户输送燃料焦炉煤气约80万m3/天，用量已经接近饱和，剩余部分无法外供；二甲醚主要作为农村生活燃料、价格低廉，并且其市场极为有限，因此该项目不可行。2.2焦炉气发电 唐山佳华目前已有一套12MW发电机组，加之自发电上网难等问题，该项目不可行。2.3焦炉气提氢焦炉气内含H256%，用变压吸附（PSA）的办法可以制得高纯度氢，西南化工研究设计院在这方面做了大量有成效的工作，目前正建成多套装置，氢纯度达99.999%。但纯氢市场极为有限，压缩、运输均受多种因素限制，且危险性较大，因此该项目不可行。2.4焦炉气生产海锦铁（DRI）（作还原剂）将焦炉气热解，使CH4裂介成H2和CO，最终获得H27374%，CO2225%的还原性气体，可以直接还原含杂质较少的高品位铁矿石块式球团矿，以生产海棉铁。而一座年产120万吨焦炭的焦化厂，焦炉气裂解后可得2.9亿立方米还原气，可生产11.6万吨海棉铁（按2500立方米还原气生产1吨海棉铁计），总投资9300万元，所增利润2320万元。由于唐山佳华自身及周边无配套海绵铁生产装置，产品没市场，因此该项目不可行。2.5焦炉气生产化肥（合成氨）用焦炉气生产合成氨气是成熟工艺，已有30年经验，国内也有不少焦化厂已生产化肥多年，如山西焦化等，但其合成氨成本为1400元/吨，与市场价格持平。加之，合成氨装置投资很大，在现有市场环境下，该项目不可行。2.6焦炉气生产甲醇合成甲醇的反应式CO+2H2=CH3OH+QCO2+3H2=CH3OH+H2O+Q并可发生一些副反应。如CO2+3H2=CH4+H2O，反应是放热反应，所以应该在低温高压下才能得到甲醇的高效率，如果要在低压下提高效率，则应研制在低温下具有高活性，高选择性的催化剂。用于生产甲醇的合成气之要求生产甲醇，先要生产合成气，对合成气有两个基本要求：（H2-CO2）/ CO+CO2=2.05-2.1（理想状态）国内外以天然气为原料的甲醇装置，用蒸气转化法得到的合成气，其（H2-CO2）/ CO+CO2=2.92.95；合成气含S量0.1ppm，以防止催化剂中毒。焦炉煤气转变为生产甲醇的合成气焦炉煤气成分组分H2CH4CON2CO2CnHmO2含量%54-5924-285.5-73-51-32-30.3-0.7焦炉煤气含氢高含CO低，（H2-CO2）/（CO+CO2）达到6左右，用这样的气体是不能直接合成甲醇的，必需先将焦炉煤气中的甲烷转化成CO和H2。CH4+ H2O= CO+3H2转化后的合成气成分组分COCO2H2NCH4含量%149.5742.80.11（H2-CO2）/（CO+CO2）=74-9.5/14+9.5=2.7用天然气制甲醇时，由于天然气含甲烷高达80-90%，需要转化成CO+ H2转化后（H2-CO2）/（CO+CO2）=2.92.95。而焦炉气转化后，（H2-CO2）/（CO+CO2）=2.7，比天然气还接近理想状态。焦炉气生产甲醇优势：甲醇市场好，下游产品多。甲醇易于运输、安全，万一泄漏后，降解快。设备投资省，生产1吨甲醇投资约2000元。规模可大可小，便于布局，每年产量可从几万吨到几十万吨（大约100万吨焦化厂可生产10万吨甲醇）。易于作为替代燃料配入汽油。汽车燃料加注站投资低。制造成本低，约1000元/吨，每吨耗煤2吨或焦炉气21002500m3。钢铁厂焦炉气，可配合转炉气、高炉气三气混合，生产甲醇，变废为宝。操作方便，技术易掌握、易普及。因此，该项目可行。2.7 LNG联产甲醇（甲醇项目的改进和突破）焦炉煤气中含有2428%的CH4，而天然气成分中主要为甲烷，其含量达到90%以上。典型的天然气组分如下： 天然气成分组分甲烷CH4乙烷C2H6丙烷C3H8正丁烷n-C4H10异丁烷i-C4H10异戊烷i-C5H12氮气N2含量%91.464.742.590.540.570.010.09该方案可采用深冷分离技术或PSA变压吸附技术从焦炉煤气中提取甲烷生产液化天然气（LNG）或压缩天然气（CNG），剩余气体用于甲醇合成。唐山佳华目前仅仅按剩余焦炉煤气60000 Nm3/h计，就可提取7.67万吨/年（1.02亿Nm3/年）甲烷生产液化天然气（LNG），并配套生产6.16万吨/年甲醇产品。并且，根据佳华公司现有设备条件以及该工艺路线特点，我们可将更多的焦炉煤气进行联产处理，后面将对此进行详细计算。目前，天然气资源紧缺，其市场巨大，加之天然气价格不断暴涨，利用焦炉煤气提取甲烷生产天然气必定有很大的利润空间，另外还可生产甲醇产品，一举两得，即合理利用了剩余焦炉煤气，又为公司拓宽了产品链。因此，在现有资源和市场环境下该项目可行性最大。三、甲醇和LNG联产甲醇工艺方案比较3.1甲醇方案3.1.1装置规模与产品方案20万吨/年焦炉煤气制甲醇项目，处理焦炉煤气量按54000Nm3/h计，生产甲醇20.8万吨/年、副产杂醇1560吨/年、弛放气13782Nm3/h 。 3.1.2工艺流程方案从煤气净化装置二脱硫系统后来的焦炉煤气入焦炉煤气压缩机，升压至2.5MPa，冷却到40后送焦炉煤气精脱硫装置，滤去油雾后经氧化铁脱硫、两级铁钼加氢转化和中温氧化铁、氧化锌脱硫，使气体中的总硫脱至0.1ppm。出精脱硫装置的气体压力约2.3MPa,温度约380，预热到660后，送往转化装置，在转化炉中与来自空分装置的纯氧混合，在催化剂的作用下，将甲烷及少数多碳烃转化为一氧化碳和氢。转化气压力约2.0MPa，温度40，进入合成气压缩机增压至6.0MPa，送往甲醇合成装置。出合成装置的粗甲醇经过三塔精馏后得到精甲醇及少量杂醇。其中，合成气压缩机采用蒸汽透平驱动。来自锅炉房的动力蒸汽，温度435，压力3.43MPa(G)，经主汽阀、调节阀进入汽轮机，汽轮机排汽经冷却水冷凝冷却后，冷凝液用冷凝液泵送入回锅炉房。转化装置需纯氧10597Nm3/h，为此需设置空分装置。为了满足企业实际需要，应考虑处理气量在50%110%下都能正常生产。3.1.3投资估算及技术经济指标该项目总投资69639.61万元。甲醇项目主要技术经济指标 产 品单位数量甲 醇万吨/年20.8杂 醇万吨/年0.16弛放气Nm3/h13782成本和利润年均销售收入万元/年48989.57年均总成本万元/年40055.87年均利润总额（税后）万元/年6362.123.2 LNG联产甲醇方案3.2.1装置规模与产品方案根据化二院提供的资料得知：陕西韩城黑猫焦化有限责任公司的LNG联产甲醇装置所处理焦炉煤气量按19万 Nm3/h计，可提取24.3万吨/年（3.24亿Nm3/年）甲烷生产液化天然气（LNG），并配套生产19.5万吨/年甲醇产品。按系统碳/氢平衡尚有75000Nm3/h，纯度94%，热值2420kcal/ Nm3氢气过剩，加之副产弛放气、闪蒸气15660Nm3/h，热值3975kcal/ Nm3，目前暂考虑作为返焦炉燃料气。唐山佳华6座焦炉共产气16.92万m3/h，假设其中有x万m3/h焦炉煤气可进入联产装置，那么根据资料中相关比例数据可知：有x1975000Nm3/h，纯度94%，热值2420kcal/ Nm3氢气过剩;副产弛放气、闪蒸汽x1915660Nm3/h。在保证焦炉加热耗热量的情况下，应尽可能多的利用焦炉煤气进行LNG联产甲醇生产，剩余氢气作为回炉燃料气使用，即可利用剩余氢气替代一部分回炉煤气，因此，就可以将更多的焦炉煤气送入联产装置处理。但是，氢气、弛放气、闪蒸汽的热值远低于焦炉煤气热值。因此，不可能用氢气、弛放气、闪蒸汽完全代替焦炉煤气回炉，因此，我们利用以上资料，做一简单热量平衡，如下：焦炉加热所需热量为：a=16.9210442%4600=3.27108 kcal/ h 回炉氢气发热量为：b=x19750002420 kcal/ h 回炉弛放气、闪蒸汽发热量为：c=x19156603975 kcal/ h 回炉焦炉煤气发热量为：d=（16.92x）1044600 kcal/ h 可知，a=b+c+d 将、代入可得到：x=13.6万m3/h.即最多可将13.6万m3/h的焦炉煤气送入联产装置处理，若超过此量则无法满足焦炉加热所需热量。因此，若联产装置所处理焦炉煤气量按13.6万 Nm3/h计，则可提取17.4万吨/年（2.32亿Nm3/年）甲烷生产液化天然气（LNG），并配套生产13.95万吨/年甲醇产品。按系统碳/氢平衡尚有52682Nm3/h，纯度94%，热值2420kcal/ Nm3氢气过剩，加之副产弛放气、闪蒸气11209Nm3/h，热值3975kcal/ Nm3，目前暂考虑作为返焦炉燃料气。但由于受现有焦化装置煤气管径限制，无法将13.6万m3/h的焦炉煤气送入联产装置，若按照最大15m/s气体流速计算，则需要管径为1.8m。目前，已有甲醇装置预留原料气DN1400管线，该管线在15m/s气体流速下，最大输气能力约为8.3万m3/h。因此，若联产装置所处理焦炉煤气量按8.3万 Nm3/h计，则可提取10.61万吨/年（1.42亿Nm3/年）甲烷生产液化天然气（LNG），并配套生产8.51万吨/年甲醇产品。按系统碳/氢平衡尚有32733Nm3/h，纯度94%，热值2420kcal/ Nm3氢气过剩，加之副产弛放气、闪蒸气6835Nm3/h，热值3975kcal/ Nm3，目前暂考虑作为返焦炉燃料气。为了满足企业实际需要，应考虑处理气量在50%110%下都能正常生产。3.2.2工艺流程方案焦炉气增压到2.53.0MPa后采用加氢脱氧多功能催化剂进行脱氧预处理。工艺气进入低温甲醇洗装置脱除气体中硫化物、二氧化碳及焦油等杂质。净化气在小于163下进行深冷分离:液相部分（含有CO/H2的液态CH4）进入精馏塔，塔底得到LNG产品，塔顶出来的CO/H2混合气压缩后进入甲醇合成系统。气相部分为富氢气，经冷量回收后分两股，一股减压后回焦炉，另一股（含部分氮气）进入甲醇合成系统将来自酸性闪蒸气中净化过的CO2气体和精馏塔顶出来的混合气配至适合的C/H比并提压到6.5MPa进行甲醇合成，经精馏得到精甲醇。冷冻站的设置为低温甲醇洗提供补充冷量，拟采用压缩制冷工艺。3.2.3 投资估算技术经济指标项目总投资 待定 万元（不含锅炉、循环水装置）LNG联产甲醇项目主要技术经济指标产 品单位数量LNG万吨/年10.61甲 醇万吨/年8.51成本和利润年均销售收入万元/年52587.7年均总成本万元/年39400.2年均利润总额（税后）万元/年13188.7四、结论4.1走LNG联产甲醇的路线 年产10.61万吨LNG联产8.51万吨甲醇的产品路线与原规划的年产20万吨甲醇方案相比较如下表（万元，据今年一季度市场价格计算）：方案投资销售总额利润占地（亩）联产方案待定52587.713188.7120甲醇方案69639.648989.66362282另外，与20万吨甲醇方案相比，联产方案还有三大优点:没有甲烷转化和空分工艺，故障率低、运行安全。由于设置在煤气鼓风机前的AS脱硫使煤气含硫小于500mg/ Nm3就能进低温甲醇洗装置；由于低温甲醇洗出来的酸性气体可以进硫酸装置，减少了设置在粗苯后的焦炉煤气二次脱硫流程，没有了硫磺产品的污染和销售问题。对于唐山佳华工艺现状，即可直接利用二期吸气机后煤气，并且已有现成DN1400管线接至装置区规划用地附近。LNG和甲醇两种产品多元化生产，拓展产品链，提高市场竞争力。天然气价格高、成本低，项目整体效益好。大量节省项目用地。4.2选择低温甲醇洗的煤气净化方案液化分离获取LNG，煤气净化很重要，不管采用何种方式都必须满足液化的要求。低温甲醇洗净化焦炉煤气主要优势如下：.可在煤气H2S含量任意波动的前提下轻松的将总硫脱至0.1ppm；. 深冷过程中容易堵塞设备管道的水和CO2（脱至小于20ppm）被很好的脱除；占地面积小、流程短、管理方便，并取消了一个设在粗苯后的二级湿法脱硫流程。所以，建议选择低温甲醇洗煤气净化工艺。低温甲醇洗有一定的可靠性。煤制气的“低温甲醇洗”工艺是鲁奇炉煤气净化的传统工