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    气和煤生产乙二醇合成气的原料路线选择探讨.pdf

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    气和煤生产乙二醇合成气的原料路线选择探讨.pdf

    周 芳等 气和煤生产乙二醇合成气的原料路线选择探讨 9 气和煤生产乙二醇合成气的原料路线选择探讨 周芳 姜波中国成达工程有限公司成都610041 摘要 介绍天然气转化和气煤联产氢碳互补制L--醇合成气的工艺原理。对天然气部分氧化和气煤联产 乙二醇合成气的工艺流程、原料消耗、CO 排放、动力消耗、投资、经济性进行比较。提出气煤联产和天然气 部分氧化都是可行的乙二醇合成气生产路线。气煤联产有氢碳互补作用,水煤气无需变换,天然气消耗和氧耗 低;天然气部分氧化流程简单、投资省、CO 排放少。经济比较,两种原料路线相差不大。 关键词 气煤联产部分氧化乙二醇合成气 乙二醇合成气为高纯度的H299.9%,mo1 和CO99%,mo1,且H 和CO的摩尔比约为 1.95。以300kt/a乙二醇装置为例,原料可选择天 然气和煤。因单纯以天然气为原料生产合成气, 即使是采用两段转化补碳工艺,转化气中HCO 也高达3.07,氢气明显过剩,而部分氧化工艺, 可以满足较宽范围的H CO要求,但相对一段和 两段转化,其消耗过高。单纯以煤为原料制乙二 醇合成气,则存在碳过剩,需要大量变换及大量 排放CO的问题。正如气煤联合生产甲醇无疑是 一种较优的甲醇合成路线一样L1],气煤联产同样 也是一种优于单纯以煤为原料生产乙二醇合成气 的原料路线。本文从原理和工程两方面分析探讨 以天然气和气煤结合两种原料生产乙二醇合成气 的路线,介绍各自特点,供类似项目选择原料路 线时参考。 1 生产乙二醇合成气的理论分析 1.1天然气制乙二醇合成气 1.1.1天然气转化的工艺原理 天然气转化工艺包括一段转化、两段转化和 自热部分氧化 ]。转化工艺总的反应原理归纳为 蒸汽转化和部分氧化两类。 蒸汽转化 CH4H2O-CO3H2 COH2O CO2H2 部分氧化 CH41/202-CO2H2 2H202 H20 CH4202---C022H2 0 由反应式可知,蒸汽转化利用了水中的H , 氢碳比较高,用于生产乙二醇合成气时,H 过量。 自热部分氧化反应在绝热反应床中进行,反应所 需的热量由燃烧H和少量天然气提供,因此需加 入氧气,氧气与氢燃烧提供反应所需的热量。加 入1m 氧气就烧掉2m 氢,生成2m。水。部分氧 化所得到的氢较一段转化少,减少的量是加入氧 气的两倍,故制取的转化气中HCO比单纯的一 段转化低得多,且可以取得较宽范围的H CO, 但部分氧化从理论上来说是不经济的。而两段转 化其实质是一段转化为蒸汽转化,二段转化为部 分氧化,其过量H 较一段转化少。 补碳也是一种提高合成气中CO含量的工艺手 段,但补碳能力是有限的。表1给出了不同转化 补碳工艺的转化气组成和过剩氢相对于H CO2。 表1不同转化工艺的转化气组成和过剩氢 % H2 CO CO2 CH4 过剩H2 一段转化 71.37 一段转化补碳 66.39 两段转化补碳 66.28 部分氧化补碳 59.26 14.73 17.73 21.62 28.35 7.35 9.81 11.16 11.54 6.o3 5.55 0.43 0.84 58.7 46.5 34.8 由表1可得一段转化、一段转化补碳、两段 转化补碳、部分氧化补碳的HCO分别为4.85、 3.74、3.07、2.09可满足较宽范围。 根据表1,分析如下 1一段转化工艺的转化气中HCO最高, 周芳工程师,全国注册化工工程师。2004年毕业于四川大学化学工程专业获硕士学位。主要从事天然气化工和煤化工工艺设计 工作。联系电话02865530912,Emailzhoufangchengda.tom。 啼 术一 一设技~ N , , lO CHENⅡCAL ENGINEERING DESIGN 过剩氢高达58.7%,补碳后,过剩氢有所下降, 但作为单一的工艺无法满足乙二醇合成气的要求。 2两段转化补碳工艺的转化气中HCO 有所降低,作为单一的工艺仍无法满足乙二醇合 成气的要求。 3部分氧化较一段转化和两段转化,可以 取得较低的HCO,满足乙二醇合成气的要求。 综上,天然气转化工艺中,唯有部分氧化可 以满足乙二醇合成气的要求。 1.1.2天然气部分氧化补碳制乙二醇合成气 的工艺流程 天然气部分氧化补碳制乙二醇合成气的 工艺流程见图1。 图1 天然气部分氧化补碳制乙二醇合成气工艺流程 天然气经部分氧化后,大部分甲烷等烷烃已 转化为H 和CO,转化气经热量回收和转化水冷 后,温度降至4O℃,脱除气体中的二氧化碳,CO 深冷分离和PSA提氢,得到所需要的H 和CO合 成气,气体分离的尾气用作转化系统的燃料。 1.2煤制乙二醇合成气 典型的煤气化粗煤气组成见表2。 表2典型的煤气化粗煤气组成 % 由表2可得粗煤气水煤浆气流床气化、 粗煤气加压粉煤气流床气化、粗煤气常压粉 煤流化床气化的HCO分别为0.85、 0.28、1.15。 从表2可知,采用单一的煤气化技术,不管是 选择常用的干法气流床、湿法气流床还是常压流 化床气化,其煤气不经变换均无法满足乙二醇合 成气要求。若作为单一的原料生产乙二醇合成气, 就需要大量变换,大量排放CO ,并存在投资高、 能耗高、经济效益和社会效益差的问题,故本文 不再对单独的煤原料路线进行选择比较。 1.3气煤联产制乙二醇合成气 1.3.1 气煤联产乙二醇合成气的工艺原理 采用单一的煤为原料生产合成气是碳多氢少, 必须用部分CO变换制H 来满足H CO,而采用 单一的天然气为原料生产乙二醇合成气时,除了 部分氧化工艺,都是氢多碳少。利用天然气转化 多余的氢和煤气化多余的碳,可以实现氢碳互补, 在适当的气煤规模配比下,可达到煤气化生产的 粗煤气不用变换和煤头部分不用排放变换出的CO, 的双重作用。 在转化工艺的选择上,同气煤联合生产甲醇 无疑是首先推荐天然气一段蒸汽转化工艺一样_3 J, H CO最高的一段转化也是气煤联产制乙二醇合 成气的最佳转化方案。 1.3.2气煤联产制乙二醇合成气的工艺流程 气煤联产生产乙二醇合成气的工艺流程见 图2。 磊 1 蒜 畿 原料煤一 一L一低温 醇洗l 】深冷分 煤,‘化H煤气热量同收H脱碳脱硫l 1离/提纯I Q兰曼 一由 co L 碍 夺分J ’ 一 图2气煤联产制乙二醇合成气工艺流程 天然气经一段转化和热回收后,与气化后并 经热量回收的煤气,一起进行低温甲醇洗脱硫脱 碳,净化后的合成气经cO深冷分离和PSA提氢, 得到所需要的H和CO,气体分离的尾气用作为 天然气转化燃料。 2天然气、气煤联产乙二醇合成气的工程 比较 2.1比较的前提 1生产相同规格和相同量的H和CO,作 为300kt/a乙二醇装置的原料。 2天然气转化的燃料气先使用装置内深冷 分离/PSA尾气,不足部分由天然气补充。 3原料天然气的压力按1.0MPaA计。 天然气制乙二醇合成气采用部分氧化补碳工艺, 气煤联产制H /CO的天然气转化采用一段转化 工艺。 4气煤联产时,煤头部分按4.0MPa水煤浆 周 芳等 气和煤生产乙二醇合成气的原料路线选择探讨 1 1 气化,按煤头不设置变换来确定气头规模。 2.2综合比较 基于2.1的比较前提,进行了天然气部分氧 化、气煤联产制乙二醇合成气的模拟计算和工程 分析,其主要结果见表3。 表3 天然气部分氧化、气煤联产制乙二醇合成气 的计算结果比较 由表3分析可知 1从原料气的消耗来看,天然气部分氧化 的天然气消耗较高,对项目选择地的天然气资源 保障有较高的要求。 2气煤联产制乙二醇合成气无需变换,碳 利用率高。 3从综合能耗来看,相对于气煤联产制乙 二醇合成气,天然气部分氧化的能耗略低。 2.3 CO,排放比较 CO 排放主要有3个来源①一段转化炉或加 热炉烟气中的CO ;②煤气变换低温甲醇洗脱硫脱 碳的CO或天然气转化后脱碳产生的CO;③空分 和工艺装置配套的煤锅炉烟气中的CO 。 基于2.1的比较前提,天然气部分氧化、气煤 联产制乙二醇合成气的CO 排放见表4。 从表4的CO排放来看,就脱碳尾气中的CO 排放,虽然天然气部分氧化转化气的量比气煤联 产的转化气和粗煤气总量大,其转化气中CO 含量 表4天然气部分氧化、气煤联产制乙二醇合成气 的CO2排放Kg/h 也比气煤联产一段转化气中的CO含量高,但由 于脱碳排放的部分CO 补人了原料气中,且气煤 联产中煤头部分粗煤气中CO 的含量高,就仅此 一项,天然气部分氧气的CO 排放就低了近20t/ h;就炉子烟气中的CO排放,天然气部分氧化采 用的是加热炉,而气煤联产一段转化热负荷大, 采用蒸汽转化炉,其烟气中排放的CO 量更大; 就产蒸汽的煤烟中CO排放,虽天然气部分氧化 工艺的氧气消耗高,相应的空分蒸汽耗量大,但 转化部分所产蒸汽较多,故此项的CO 排放要 低些。 综上各项,天然气部分氧化排放的CO 总量 更低,较气煤联产,每年可以减少339.78kt的 CO 排放量,具有较好的社会效益。 2.4动力消耗比较 甲醇装置的主要动力消耗为各压缩机、泵、 引风机和鼓风机,天然气部分氧化和气煤联产的 主要动力消耗比较见表5。 表5 天然气部分氧化、气煤联产乙二醇合成气 的主要动力消耗比较 kW 从表5的动力消耗来看,气煤联产路线多了煤 气化和天然气一段转化鼓风机和引风机的动力消 耗,天然气部分氧化路线,因原料气消耗和氧耗 均较高,天然气压缩功耗大,需要配套的空分能 力更大引起的动力消耗更高,且补碳工艺还需要 增加CO,压缩机的功耗,故总的来讲,天然气部 12 CHEMICAL ENGINEERD G DESIGN 分氧化工艺的动力消耗更高,高出气煤联 产4163kW。 3天然气、气煤联产制乙二醇合成气的投 资估算 因原料路线不同,投资差别大。本文对天然 气和气煤联产两种原料路线的空分装置和工艺生 产装置进行了投资的比较,其比较结果见表6。 表6天然气部分氧化、气煤联产制乙二醇 合成气的投资估算 万元 通过表6的估算可知,较天然气部分氧化路 线,气煤联产路线的投资高出近一倍。 4天然气、气煤联产制乙二醇合成气的经 济性比较 对天然气和气煤联产两种原料路线的空分和 工艺生产装置进行了经济陛比较,比较表见表7。 表7天然气部分氧化、气煤联产制乙二醇合成气经济性比较 注①1,51-为静态成本,投资成本分摊到15年;②不包括催 化剂的消耗、气化部分工艺烧嘴维修和耐火砖更换等运行成本; ③不包括人工费、财务费用、管理费、维修费、销售费及其它制 造费用等;④为考虑了c0 排放费用的运行成本;⑤为未考虑 co2排放费用的运行成本。 从表7可知,按目前的原料价格和公用工程价 格,若考虑CO 排放费,天然气部分氧气的运行 成本要低1.3%,若不考虑CO 排放费,气煤联产 的运行成本要低13%。 各运行费用中,天然气和煤所占比例最大, 因而原料价格的差异直接影响到不同原料路线的 运行成本。若考虑CO排放费用,煤价稳定在600 Yr_/t,天然气价格为1.655 7t_/Nm 时,两种原料 路线具有相近的运行成本。故在原料路线的选择 上,应根据项目建设的具体情况,既要充分了解 原料价格,更要重视资源保障,天然气供给紧张 的项目,气煤结合不失为一种较好的制乙二醇合 成气的原料路线。 5 结语 气煤联产和天然气部分氧化都是可行的乙二 醇合成气生产的原料路线,两种路线各有优势, 对于天然气资源紧张的项目,气煤结合不失为一 种较好的H/CO合成原料路线。建议具体项目需 根据项目资源配置和原料价格来选择合理的原料 路线。两种原料路线各自的工艺特点如下 1气煤联产能起到很好的氢碳互补作用, 水煤气无需变换,天然气消耗和氧气均较低。 2天然气部分氧化流程简单,投资低,其 一次性投资可节省约4.34亿元,但天然气总量消 耗高,每年需耗3.1110 Nm 天然气,而气煤联 产路线仅需消耗1.3510。Nm ,部分氧化对项目 所在地的天然气资源保障提出了更高的要求。 3天然气部分氧化在CO 排放上具有明显 优势,每年可以减少339.78kt的CO 排放,但在 动力消耗上,气煤联产每年可以节约3.33 X 10 kWh的动力消耗,折合标煤1.1210 t。 4经济性上,两种原料路线几乎相当,优 劣与原料价格密切相关。 参考文献 1 周芳等.气和煤合成甲醇的原料路线探讨[J].化工设 计,2Ol1,2153, 2曾纪龙.天然气制甲醇补碳的探讨[J].化工设计, 2004,1444243. 3周芳等.气煤联产甲醇天然气转化工艺方案选择[J]. 煤化工,2011,43917. 收稿日期20130104

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