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焦化廠焦?fàn)t煤氣制合成氨聯(lián)產(chǎn)甲醇是節(jié)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)變?yōu)槭�油進(jìn)口國，到2008年我國對進(jìn)口石油的依存度達(dá)到了50%以上。而且工業(yè)發(fā)展對石油的需求每年都有大幅度的增加，經(jīng)濟(jì)發(fā)展與資源貧乏的矛盾已非常突出。積極尋找替代能源，發(fā)展煤化工已成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。研發(fā)煤化工新技術(shù)、新工藝?yán)�用焦化廠焦?fàn)t煤氣制甲醇聯(lián)產(chǎn)合成氨是近代煤化工節(jié)能減排、非常經(jīng)濟(jì)、非常有效的途徑。

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速發(fā)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(chǎn)量大幅提升，我國是目前世界上鋼鐵、焦炭最大的生產(chǎn)國和出口國，在國民經(jīng)濟(jì)中有著舉足輕重的作用。但焦化行業(yè)的發(fā)展，焦炭產(chǎn)量的提高，同時(shí)會產(chǎn)生大量富余的焦?fàn)t煤氣，過去接近城市的焦化廠聯(lián)建煤氣公司，將焦?fàn)t煤氣稍作處理作為居民生活煤氣予以利用。遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)的地方焦化廠，只能將煉焦煤氣排放到空氣中，不僅對環(huán)境造成嚴(yán)重污染，而且也是資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。且目前在許多城市因天然氣的清潔環(huán)保而替代原來的城市煤氣（含焦?fàn)t煤氣）。也促使我們?nèi)绾伍_發(fā)和利用好焦?fàn)t煤氣。

所以，如何合理利用焦?fàn)t煤氣，促進(jìn)節(jié)能減排是擺在各級政府和企業(yè)、科研單位面前的一項(xiàng)重要課題。

利用焦?fàn)t煤氣制甲醇技術(shù)雖已問世多年，但甲醇生產(chǎn)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(tǒng)的做法將很珍貴的化工原料氣體送煉焦廠作為燃?xì)馊紵�，很不�?jīng)濟(jì)。而且還有部分不燃?xì)怏w隨煙氣放入大氣污染環(huán)境。

韓城黑貓能源利用有限責(zé)任公司焦?fàn)t氣、甲醇馳放氣綜合利用項(xiàng)目采用寶雞市泰和化工科技有限公司研發(fā)、設(shè)計(jì)用焦?fàn)t煤氣及甲醇馳放氣制合成氨聯(lián)產(chǎn)甲醇的新工藝，于2008年6月開始設(shè)計(jì)，2008年底開工建設(shè)，2009年底建成投產(chǎn)投產(chǎn)。一次開車成功。我們有必要來看看它的現(xiàn)狀并為它的未來做一些有益的工作，使其能為國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

該裝置的建成，成功的解決了富裕焦?fàn)t煤氣、甲醇裝置馳放氣、合成氨馳放氣放空污染環(huán)境的問題，實(shí)現(xiàn)了資源的綜合利用，為企業(yè)創(chuàng)造了一定的經(jīng)濟(jì)效益。

本項(xiàng)目利用剩余和置換出來的焦?fàn)t氣，建設(shè)15萬噸/年氨醇裝置，通過變壓吸附提氫、聯(lián)產(chǎn)甲醇，最終生產(chǎn)當(dāng)?shù)匦枨筝^好的液氨。其中，對焦?fàn)t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?fàn)t煤氣可以用來發(fā)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(jīng)濟(jì)效益方面以及現(xiàn)在的市場和社會環(huán)境來看，生產(chǎn)甲醇和合成氨才是經(jīng)濟(jì)效益和社會效益較好的方案，過去由于焦?fàn)t煤氣制合成氨要進(jìn)行催化轉(zhuǎn)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(fā)的新工藝完全可以和制甲醇相媲美，這是焦?fàn)t氣制合成氨的一次重大革新。同時(shí)焦?fàn)t氣制甲醇和合成氨遠(yuǎn)較其它原料制甲醇的成本要低400~800元/噸.氨.醇，因此從這兩個(gè)主要方面的因素來看是目前較好的選擇。

生產(chǎn)技術(shù)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(fā)設(shè)計(jì)的工藝流量簡圖

 

工藝流程簡述：

經(jīng)焦化廠化工產(chǎn)品回收，脫硫后的焦?fàn)t氣，進(jìn)入本裝置介區(qū)后，首先進(jìn)入氣柜，經(jīng)始降、緩沖、穩(wěn)壓后，經(jīng)羅茨風(fēng)機(jī)加壓至0.03MPa，送到粗脫硫工段進(jìn)行預(yù)處理，然后經(jīng)精濾氣分兩路，一路送至老甲醇系統(tǒng)，送至壓縮機(jī)一入。 另一路預(yù)處理氣經(jīng)壓縮機(jī)一、二段壓縮后至0.8MPa，再與老甲醇系統(tǒng)放空氣及會合。在混合穩(wěn)壓罐內(nèi)混合后送至變溫、變壓吸附工段的吸附塔內(nèi)，利用加壓狀態(tài)下，在不同的吸附劑中（固態(tài)）選擇性的將CH₄+Ar及CO₂吸附，而H₂及CO、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(jīng)抽真空將其吸附的CH₄+Ar及CO₂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?fàn)t氣高4%）作為燃料氣配燒焦炭。

原料氣經(jīng)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?dú)猓ê?/SPAN>N₂ 99.99%）經(jīng)過DCS后調(diào)裝置按比例配用N₂氣在均壓混合罐內(nèi)混合后，送至氫、氮?dú)鈮嚎s機(jī)三入；經(jīng)壓縮機(jī)三、四、五段（段間設(shè)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(jīng)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(huán)機(jī)來的循環(huán)氣混合后進(jìn)入油分，分離掉油和水，由塔頂進(jìn)入塔內(nèi)外體環(huán)隙，然手由塔底部進(jìn)入塔底換熱器與反應(yīng)后出塔熱氣換熱，再經(jīng)觸媒層冷管換至220℃左右由中心管進(jìn)入甲醇觸媒層。在觸媒的作用下 2H₂+CO=CH₃OH 3H₂+CO₂=CH₃OH+H₂O 反應(yīng)后的氣體經(jīng)塔底換熱器出塔依次進(jìn)入脫鹽水加熱器、水冷器將溫度降至25～35℃進(jìn)入醇分，分離掉其中的甲醇（粗醇），甲醇經(jīng)液位自控系統(tǒng)調(diào)節(jié)放入中間槽后送至甲醇罐區(qū)。閃蒸汽回壓縮三入。有醇分出來的氣體、一路經(jīng)循環(huán)機(jī)加壓后與壓縮五出來氣混合后進(jìn)入油分循環(huán)，另一路進(jìn)入甲醇洗塔，塔洗掉夾帶的甲醇后，氣送壓縮機(jī)六入。洗醇水濃度達(dá)到45～50℃后送中間槽。

由醇化工段來的氣體，H₂、N₂（其中CO+CO₂≤0.5%）經(jīng)壓縮機(jī)六段加壓至22～31.4MPa，送甲烷化凈化段，首先進(jìn)入循環(huán)機(jī)油分（循環(huán)機(jī)主要是在觸媒升溫，還原時(shí)使用，正常生產(chǎn)時(shí)不開啟循環(huán)機(jī)），然后進(jìn)入塔底預(yù)熱器與甲醇化出塔氣換熱，然后進(jìn)入甲烷化塔底部換熱器與出觸媒層氣換熱，進(jìn)入中心管。通過電爐加熱至260℃后由觸媒層頂部進(jìn)入，CO、CO₂與H₂在觸媒作用下生成CH₄及H₂O和部分高級醇，使CO+CO₂及其它對氨觸媒有害物質(zhì)降至25ppm以下，達(dá)到凈化的目的。反應(yīng)后的氣體依次進(jìn)入塔底換熱器、出塔后進(jìn)入塔前分熱器與進(jìn)塔氣換熱，并使自身溫度降至70℃，依次進(jìn)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(tǒng)。（另有一條管路送循環(huán)機(jī)經(jīng)循環(huán)機(jī)加壓循環(huán)，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+CO₂≤25ppm，CH₄+Ar～0.8%）首先進(jìn)入合成一氨冷與冷交來循環(huán)氣混合，然后進(jìn)入二氨冷將溫度降至 -15～-20℃，再進(jìn)入冷交下部分離段、分離掉其中的液氨，再進(jìn)入上部的換冷段、與循環(huán)機(jī)油分來的氣體換冷回收冷量，出冷交的氣體經(jīng)進(jìn)合成塔的主，副閥及冷激閥控制，依次進(jìn)入合成塔的內(nèi)外件環(huán)隙及塔前預(yù)熱器、塔離換器、觸媒層冷管，進(jìn)入中心管，溫度被提升至385℃，進(jìn)入觸媒層。在觸媒的作用下，3H₂+N₂=2NH₃+Q，反應(yīng)區(qū)分四段，沒軸徑向流程以降低后流阻力，段間溫度設(shè)冷激、結(jié)合冷管、調(diào)節(jié)溫度，使其保證在最佳溫度范圍和較高出塔氨含量。反應(yīng)后的氣體，依次進(jìn)入塔底換熱器，出塔后（出塔氣氨含量17%）進(jìn)入廢熱鍋爐（副產(chǎn)1.3MPa蒸汽、0.6T/每噸氨）然后今日塔前預(yù)熱器、水加熱器及水冷器，將其溫度降至≤35℃后進(jìn)入一氨分，分離掉部分冷凝液氨，然后進(jìn)入循環(huán)氣加壓，經(jīng)油分分離掉油水后，出來反應(yīng)完的循環(huán)氣與壓縮機(jī)六段來新鮮氣混合進(jìn)入一氨冷循環(huán)生產(chǎn)合成氨。由冷交及氨分分離掉的液氨通過液位自控系統(tǒng)送至液氨貯罐，經(jīng)液氨充裝站充裝槽車計(jì)量出售。

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

分工段流程敘述

對焦?fàn)t氣采用變壓吸附提氫是近幾年興起的新工藝。其主要優(yōu)點(diǎn)是操作方便、能耗較低。具體特點(diǎn)如下:

韓城黑貓集團(tuán)工藝的主要特點(diǎn)

1、率先在國內(nèi)采用工業(yè)化變溫、變壓吸附提H₂，脫除CH₄及CO₂技術(shù)，使其成分達(dá)到合成氨聯(lián)產(chǎn)甲醇的配比要求；同時(shí)輔產(chǎn)的解析氣將CH₄含量由20%濃縮至63%，此氣熱值比焦?fàn)t氣高35% ，并為后續(xù)新產(chǎn)品液化甲烷（CH₄）創(chuàng)造了良好的條件。本工藝相對比傳統(tǒng)的部分氧化、催化轉(zhuǎn)化工藝投資節(jié)省20%，且流程短、產(chǎn)品消耗低。一次性總投資和單位產(chǎn)品投資低，施工周期短，運(yùn)行費(fèi)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(xué)方法提氫脫碳（CH₄、CO₂）所以不需要特殊的設(shè)備和材料以及高溫下運(yùn)行的貴金屬觸媒。該工藝應(yīng)用的吸附劑可用15年以上。

2、該工藝采用目前先進(jìn)的雙甲（甲醇、甲烷化）工藝，對合成氨原料氣進(jìn)行凈化，副產(chǎn)部分甲醇（根據(jù)實(shí)際需求可適應(yīng)調(diào)節(jié)甲醇產(chǎn)量）使氣體不但得到了凈化達(dá)到CO+CO₂≤25ppm的合成氨氣要求，同時(shí)得到了產(chǎn)品甲醇。與傳統(tǒng)的冷機(jī)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(yùn)行費(fèi)用低、無污染及廢氣廢液排放及有效氣利用率高的特點(diǎn)，是該裝置的一大亮點(diǎn)。

3、該工藝采用空分來的氮?dú)馀c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(huán)氣成分，采用自主研發(fā)的DCS控制系統(tǒng)，及時(shí)合理的調(diào)節(jié)H₂/N₂，確保氨合成系統(tǒng)成分穩(wěn)定、高產(chǎn)、低耗、運(yùn)行平穩(wěn)。

4、采用焦?fàn)t煤氣、提氫氣與氨氣在壓縮機(jī)三入混合（即 二合一機(jī)組）省去了氮?dú)鈮嚎s機(jī)、做到了H₂、N₂氣同加同減，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)節(jié)省了投資、減少了壓縮機(jī)總功耗及運(yùn)行費(fèi)用（中、小維修費(fèi)及輔材消耗）

技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析

以年產(chǎn)10萬噸甲醇+液氨或甲醇計(jì)算，投資、成本及經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)

（1）總投資

表1     焦?fàn)t氣制10萬噸液氨5萬噸甲醇

工程項(xiàng)目	費(fèi)用/萬元
①投資建設(shè)
			15455
固定資產(chǎn)投資			13302
遞延資產(chǎn)			60
預(yù)備案			2093
②建設(shè)期貨款利息			443.5
③流動資金			1680

 

（2）消耗

氨聯(lián)產(chǎn)醇：~2816 M³/噸甲醇

表2     單位成本（以1噸甲醇或液氨為一個(gè)單位）

項(xiàng)目名稱	年耗	單價(jià)	費(fèi)用	備注
原材料（m3）	2816M3/T NH3	0.3元/m3	844.8	焦?fàn)t氣價(jià)格按0.3元/m3計(jì)
電耗（Kwh）	810	0.4元/Kwh	324
工資及附加費(fèi)	205×40	10	82
折舊費(fèi)			133
維修費(fèi)及輔材			79.8
財(cái)務(wù)費(fèi)用			38
管理費(fèi)			29
合計(jì)			1530.60

 

注：1、目前甲醇市場售價(jià)（出廠價(jià)）2000~2700元/T  

液氨售價(jià)（出廠價(jià)）2500~3000元/T

2、定員按生產(chǎn)崗位205人，每人每年40000元計(jì)工資及附加。

3、固定資產(chǎn)按13302萬元計(jì)，其中折舊按每年10%計(jì)，維修費(fèi)及輔材消耗按6%計(jì)。

4、年產(chǎn)量按氨 醇 總量10萬噸計(jì)

年利稅總額： 以最低出廠價(jià)2500元/T NH₃計(jì)

（2500-1530.6）×10⁵ = 9.694×10⁷元

利潤總額：按銷一進(jìn)項(xiàng) ≈12%計(jì)

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

每年折舊費(fèi)總額為133×10⁵ = 1.33×10⁷

投資回報(bào)期為（15455+443.5）×10⁴÷{（6.894+1.33）×10⁷ }≈1.93年