趙國兵,李彥紅
摘要:山西焦化股份有限公司2008年6月建成投產(chǎn)的200 kt/a甲醇裝置與2013年6月建成投產(chǎn)的140 kt/a甲醇裝置原設(shè)計(jì)生產(chǎn)原料均為焦?fàn)t氣配水煤氣,2015年12 月,由于市場行情、環(huán)保等方面的原因,水煤氣系統(tǒng)停運(yùn),甲醇裝置原料氣僅有焦?fàn)t氣,甲醇合成氣之氫碳比嚴(yán)重失調(diào)。通過研究與考察,決定在焦?fàn)t氣中補(bǔ)碳(CO2) 以適當(dāng)優(yōu)化甲醇合成氣的氫碳比。通過對焦?fàn)t氣壓縮機(jī)入口補(bǔ)CO2、焦?fàn)t氣壓縮機(jī)出口補(bǔ)CO2、氣柜入口焦?fàn)t氣補(bǔ)CO2三種方案的對比分析,在對焦?fàn)t氣補(bǔ)CO2 安全性充分分析的前提下,確定采用氣柜入口焦?fàn)t氣補(bǔ)CO2的方案。焦?fàn)t氣補(bǔ)CO2項(xiàng)目無論是租賃設(shè)備還是正式安裝設(shè)備投入試運(yùn)行后,運(yùn)行狀況均良好。此舉優(yōu)化了系統(tǒng)生產(chǎn),降低了單位產(chǎn)品消耗,提高了甲醇產(chǎn)量,同時(shí)還形成了一種新的CO2資源化利用技術(shù),具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
關(guān)鍵詞:焦?fàn)t氣制甲醇裝置; 氫碳比失調(diào); 焦?fàn)t氣補(bǔ)CO2方案; 液體CO2汽化系統(tǒng); 項(xiàng)目實(shí)施; 運(yùn)行情況; 效益分析
1 概述
山西焦化股份有限公司(簡稱山西焦化)甲醇廠現(xiàn)有2套甲醇裝置: 2008年6 月建成投產(chǎn)的200 kt/a焦?fàn)t氣配水煤氣(采用固定床造氣爐制氣,水煤氣系統(tǒng)不設(shè)變換、精脫硫凈化單元) 制甲醇裝置(簡稱甲醇Ⅰ系統(tǒng)) ,2013年6月建成投產(chǎn)的140 kt/a焦?fàn)t氣配水煤氣制甲醇裝置(簡稱甲醇Ⅱ系統(tǒng)) ,2套甲醇裝置均包括濕法脫硫系統(tǒng)、精脫硫系統(tǒng)、甲烷轉(zhuǎn)化系統(tǒng)、壓縮系統(tǒng)、甲醇合成系統(tǒng)及空分裝置、公輔系統(tǒng),共用1套甲醇精餾系統(tǒng)及中央控制室,合計(jì)可處理63 000~6 5000 m3/h (標(biāo)況,下同) 焦?fàn)t氣。
以甲醇Ⅰ系統(tǒng)為例,僅用焦?fàn)t氣生產(chǎn)時(shí)系統(tǒng)工藝流程為: 來自山西焦化焦化廠的焦?fàn)t氣送至甲醇Ⅰ系統(tǒng)的30 000 m3焦?fàn)t氣氣柜,由煤氣鼓風(fēng)機(jī)加壓后進(jìn)入濕法脫硫系統(tǒng),粗脫硫氣經(jīng)電捕集除去雜質(zhì)、焦?fàn)t氣壓縮機(jī)加壓后,送至干法精脫硫系統(tǒng),再經(jīng)純氧轉(zhuǎn)化及精脫硫后,總硫<0.1×10-6、甲烷<0.8%的甲醇合成氣(凈化氣) 送合成氣壓縮機(jī),提壓至6.1 MPa后進(jìn)入甲醇合成系統(tǒng); 甲醇合成塔出塔氣經(jīng)降溫分離粗甲醇,粗甲醇經(jīng)精餾系統(tǒng)制得優(yōu)等品精甲醇,分離出的大部分循環(huán)氣返回合成氣壓縮機(jī)三段與新鮮氣一起加壓后送至甲醇合成系統(tǒng),排出少部分弛放氣以維持合成系統(tǒng)適宜的惰性氣含量。
2 甲醇裝置生產(chǎn)中存在的問題
對于焦?fàn)t氣制甲醇裝置而言,焦?fàn)t氣自身“氫多碳少”—H2含量約63%、總碳( CO+CO2+CH4+CnHm)含量約29.6%,經(jīng)甲烷轉(zhuǎn)化爐將焦?fàn)t氣中的甲烷轉(zhuǎn)化成CO 和H2。甲醇合成氣氫碳比[(H2-CO2 )/(CO+CO2),體積比]最佳為2.05~2.15,山西焦化甲醇裝置原始設(shè)計(jì)為焦?fàn)t氣配水煤氣合成甲醇工藝,焦?fàn)t氣通過水煤氣補(bǔ)碳(CO) 將甲醇合成氣成分調(diào)節(jié)至最佳水平。
2015年12月,由于市場行情、固定床制氣工藝落后及環(huán)保等方面的原因,山西焦化30 000m3/h水煤氣系統(tǒng)和甲醇合成弛放氣變壓吸附提氫系統(tǒng)停運(yùn)。此后,甲醇裝置原料氣僅有焦?fàn)t氣,甲醇合成氣之氫碳比達(dá)2.8 (最高約3.0),甲醇合成氣氫碳比失調(diào)—碳嚴(yán)重不足: 甲醇Ⅰ系統(tǒng)焦?fàn)t氣成分(2020年1-3月均值) 為H2 63.06%、CO 7.01%、CO2 2.74%、CH4 20.87%、N2 3.90%、O2 0.40%、CnHm 2.00%,轉(zhuǎn)化氣(新鮮氣)成分(2020年2月27日-3月17日均值) 為H2 72.33%、CO 17.00%、CO2 7.54%、CH4 0.72%、N2 2.41%。水煤氣系統(tǒng)及變壓吸附提氫系統(tǒng)停運(yùn)前,合成氣壓縮機(jī)入口氣為轉(zhuǎn)化氣與水煤氣系統(tǒng)凈化氣及氫氣(來自變壓吸附提氫系統(tǒng)) 的混合氣; 水煤氣系統(tǒng)及變壓吸附提氫系統(tǒng)停運(yùn)后,合成氣壓縮機(jī)入口氣為轉(zhuǎn)化氣(即甲醇合成新鮮氣) 。也就是說,水煤氣系統(tǒng)及變壓吸附提氫系統(tǒng)停運(yùn)后,甲醇合成入塔氣成分與之前有較大區(qū)別,過剩H2在系統(tǒng)內(nèi)做無用功,甲醇合成系統(tǒng)存在“大馬拉小車”現(xiàn)象,導(dǎo)致系統(tǒng)消耗偏高。
3 焦?fàn)t氣補(bǔ)CO2技術(shù)依據(jù)及方案比選
3.1 焦?fàn)t氣補(bǔ)CO2技術(shù)理論依據(jù)
從甲醇合成反應(yīng)式 (CO+2H2=CH3OH、CO2+3H2=CH3OH + H2O)來看,CO2也參與生成甲醇的反應(yīng),CO2合成甲醇要比同體積CO合成甲醇多耗H2,因此當(dāng)原料氣中H2含量較低時(shí),應(yīng)使更多的H2與CO反應(yīng)生成甲醇但CO2的足量存在,一定程度上可抑制二甲醚的生成(二甲醚是甲醇脫水反應(yīng)的產(chǎn)物,CO2與H2合成甲醇并副產(chǎn)H2O,而H2O的存在可抑制甲醇脫水反應(yīng)) ,不僅可阻止CO轉(zhuǎn)化成CO2,更有利于甲醇合成塔催化劑床層溫度的調(diào)節(jié)( 防止超溫) ,保護(hù)銅基甲醇合成催化劑的活性,延長催化劑的使用壽命并防止其結(jié)炭。因此,在焦?fàn)t氣中補(bǔ)碳(CO2) 以提高甲醇合成氣中的總碳,可使甲醇合成氣之氫碳比得以優(yōu)化。
3.2 焦?fàn)t氣補(bǔ)CO2技術(shù)調(diào)研依據(jù)
考察山西省焦炭集團(tuán)益達(dá)化工股份有限公司200 kt/a甲醇裝置焦?fàn)t氣配CO2前后有關(guān)生產(chǎn)數(shù)據(jù): 配入CO2后,轉(zhuǎn)化氣中CO含量增加18.40%-16.64%=1.76%,CO2含量增加7.84%-7.63% =0.21%,總碳增加1.97%; 提高焦?fàn)t氣中CO2含量,通過轉(zhuǎn)化爐轉(zhuǎn)化反應(yīng)碳平衡后,轉(zhuǎn)化氣中CO含量增幅大于CO2含量增幅,循環(huán)氣中總碳(CO+ CO2)增加(7.72%+7.97%)-(7.05%+7.30%)=1.34%。
通過考察與研究,在焦?fàn)t氣中補(bǔ)碳(CO2)以提高甲醇合成氣中的總碳,使甲醇合成氣之氫碳比得以優(yōu)化,此方法可行且實(shí)施比較簡單。為此,山西焦化計(jì)劃通過焦?fàn)t氣補(bǔ)CO2優(yōu)化甲醇合成氣之氫碳比,實(shí)現(xiàn)甲醇裝置的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。
3.3 補(bǔ)CO2方案比選
甲醇裝置擬補(bǔ)入CO2,就需選擇CO2補(bǔ)入路徑。同樣1個(gè)碳原子參與合成甲醇反應(yīng),CO反應(yīng)需2個(gè)H2、CO2反應(yīng)需3個(gè)H2,且CO2與H2合成甲醇時(shí)有H2O生成,會(huì)導(dǎo)致粗甲醇中水分增加,增大甲醇精餾系統(tǒng)負(fù)擔(dān),故在條件允許的情況下,焦?fàn)t氣中補(bǔ)碳時(shí)應(yīng)盡可能提高甲醇合成氣中的CO含量。另外,由于轉(zhuǎn)化氣中CO2與CO的含量受轉(zhuǎn)化爐中總碳平衡(CO+H2O=CO2+ H2)的影響,焦?fàn)t氣中CO2濃度增加的同時(shí),轉(zhuǎn)化氣中CO濃度也會(huì)相應(yīng)增加,甲醇合成新鮮氣之氫碳比隨之得以優(yōu)化,故焦?fàn)t氣補(bǔ)CO2的位置宜選擇在甲烷轉(zhuǎn)化爐之前。
以甲醇Ⅰ系統(tǒng)焦?fàn)t氣流量32 650 m3/h、補(bǔ)入800 m3/h的CO2計(jì)算,補(bǔ)入后原料氣中CO2含量理論上可由2.74%提高至5.07%; 以甲醇Ⅱ系統(tǒng)焦?fàn)t氣流量30 000 m3/h、補(bǔ)入700 m3/h的CO2計(jì)算,補(bǔ)入后原料氣中CO2含量理論上可由2.50%提高至4.78%。
為此,山西焦化擬新增2臺(tái)液體CO2貯罐(A/B)及汽化系統(tǒng),據(jù)當(dāng)前考察了解到的情況,可將液體CO2以低壓蒸汽為熱源在汽化器中汽化而獲得CO2,液體CO2采購較容易且成本較低。結(jié)合山西焦化生產(chǎn)現(xiàn)場實(shí)際情況及系統(tǒng)運(yùn)行成本,對3種焦?fàn)t氣補(bǔ)CO2方案進(jìn)行比較。
3.3.1 焦?fàn)t氣壓縮機(jī)入口補(bǔ)CO2
液體CO2汽化后在濕法脫硫后的焦?fàn)t氣壓縮機(jī)入口DN1200總管補(bǔ)入。汽化系統(tǒng)設(shè)置在濕法脫硫系統(tǒng)出口至焦?fàn)t氣壓縮機(jī)(低壓機(jī))之間,分別從凈化Ⅰ系統(tǒng)、凈化Ⅱ系統(tǒng)濕法脫硫單元出口新增補(bǔ)CO2管線; 或分別在甲醇Ⅰ系統(tǒng)、甲醇Ⅱ系統(tǒng)低壓機(jī)入口附近各配置1套液體CO2汽化系統(tǒng),在低壓機(jī)入口配管補(bǔ)入CO2,氣體在低壓機(jī)中壓縮時(shí)即可實(shí)現(xiàn)焦?fàn)t氣與CO2氣的均勻混合。
優(yōu)點(diǎn): 配入CO2后,焦?fàn)t氣中CO2含量的高低不會(huì)對濕法脫硫系統(tǒng)的運(yùn)行產(chǎn)生影響,不會(huì)因配入CO2引起脫硫溶液中NaHCO3含量升高,不存在碳酸鹽結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn); 不會(huì)受CO2補(bǔ)入量多少的影響。
缺點(diǎn): 液體CO2貯罐及汽化系統(tǒng)現(xiàn)場布置位置不好選,場地有局限性; 2套甲醇裝置若共用1套汽化系統(tǒng),配入甲醇Ⅰ系統(tǒng)管線較長,施工量大; 2套甲醇裝置若各用1套汽化系統(tǒng),除場地不好選外,設(shè)備投資費(fèi)用也高。
3.3.2 焦?fàn)t氣壓縮機(jī)出口補(bǔ)CO2
液體CO2汽化后在焦?fàn)t氣壓縮機(jī)( 低壓機(jī))出口補(bǔ)入。此種方案的優(yōu)點(diǎn)與“焦?fàn)t氣壓縮機(jī)入口補(bǔ)CO2”基本相同。主要存在以下兩方面的缺點(diǎn): 第一,現(xiàn)場安放位置具有局限性; 第二,低壓機(jī)后壓力一般均在2.0 MPa以上,汽化后的CO2壓力不能保證大于生產(chǎn)系統(tǒng)壓力,CO2需提壓后方可補(bǔ)入系統(tǒng),而CO2加壓困難或提壓過程運(yùn)行成本高,操作維護(hù)不便。因此,此方案不可取。
3.3.3 氣柜入口焦?fàn)t氣補(bǔ)CO2
液體CO2貯罐及汽化系統(tǒng)安裝在甲醇Ⅱ系統(tǒng)的2# 30 000 m3氣柜院內(nèi),液體CO2汽化為CO2氣,減壓至5~20 kPa后,通過新配2條管線將CO2氣分別并入甲醇Ⅰ系統(tǒng)、甲醇Ⅱ系統(tǒng)氣柜(即1# 30 000 m3氣柜、2# 30 000 m3氣柜)入口焦?fàn)t氣管線(即山西焦化化產(chǎn)品回收廠來焦?fàn)t氣入氣柜管線) 。
優(yōu)點(diǎn): 甲醇Ⅰ系統(tǒng)、甲醇Ⅱ系統(tǒng)共用1套液體CO2汽化系統(tǒng),汽化系統(tǒng)有合適的安放位置,且配管距離短,汽化后的CO2減壓后可直接補(bǔ)入主生產(chǎn)系統(tǒng)。
缺點(diǎn): 氣柜入口焦?fàn)t氣中配入CO2,焦?fàn)t氣中CO2含量理論上可由2.74%提至5.07% (以甲醇Ⅰ系統(tǒng)為例),但需考慮濕法脫硫溶液再生效果,實(shí)際上可能會(huì)低于理論配入量,還有可能影響濕法脫硫系統(tǒng)的運(yùn)行,可能使脫硫溶液中NaHCO3含量升高,存在碳酸鹽結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)。
4 焦?fàn)t氣補(bǔ)CO2的安全性分析
(1) 由于山西焦化2套甲醇裝置原始設(shè)計(jì)均為焦?fàn)t氣配水煤氣合成甲醇工藝,水煤氣中的CO2含量設(shè)計(jì)值為7.0%,而焦?fàn)t氣中的CO2含量僅約2.7%,故焦?fàn)t氣中配入少量CO2對甲醇合成系統(tǒng)的安全運(yùn)行沒有影響。
(2) 焦?fàn)t氣中含有約2.7%的CO2,CO2氣本身是一種阻燃?xì)怏w,甲醇裝置中補(bǔ)入少量CO2不會(huì)有本質(zhì)安全方面的隱患。
(3) 山西焦化甲醇廠單一原料—焦?fàn)t氣正常生產(chǎn)時(shí),轉(zhuǎn)化氣中的CO2含量約為7.6%,在焦?fàn)t氣中補(bǔ)入少量CO2,提高總碳含量,由于焦?fàn)t氣中甲烷含量一定,焦?fàn)t氣中CO2含量在甲醇合成反應(yīng)前在轉(zhuǎn)化爐內(nèi)受CO+H2O=CO2+H2反應(yīng)平衡的制約,且合成氣含適量CO2有益于甲醇合成反應(yīng),不存在安全隱患。
(4) 焦?fàn)t氣中補(bǔ)入少量CO2氣,只是提高了焦?fàn)t氣中的CO2含量,生產(chǎn)系統(tǒng)負(fù)荷與單一采用焦?fàn)t氣時(shí)相當(dāng),運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù)均在正常指標(biāo)范圍內(nèi),不會(huì)增加安全隱患。
5 焦?fàn)t氣補(bǔ)CO2項(xiàng)目實(shí)施情況
分析上述3種焦?fàn)t氣補(bǔ)CO2方案,綜合考慮項(xiàng)目占地面積、設(shè)備投資、運(yùn)行成本、技改實(shí)施難度、操作難度、對生產(chǎn)系統(tǒng)的影響等因素,氣柜入口焦?fàn)t氣補(bǔ)CO2的技改方案比較合理。
2020年7-8月,山西焦化租賃2臺(tái)液體CO2貯罐和1臺(tái)汽化器并安裝在甲醇Ⅱ系統(tǒng)即2# 30 000 m3氣柜院內(nèi),臨時(shí)配管至2臺(tái)30 000 m3氣柜焦?fàn)t氣入口管線。2020年10月18-20日試運(yùn)行期間,配入液體CO2消耗量39.37 t/d(液體CO2采購價(jià)580 元/t) ,增產(chǎn)甲醇27.75 t/d(甲醇銷售價(jià)約1 534元/t),效益明顯; 2020年試運(yùn)行期間,濕法脫硫系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)踐表明,脫硫溶液碳酸鹽結(jié)晶概率較小,對濕法脫硫系統(tǒng)運(yùn)行的不良影響可控或不明顯。
2021年8月,正式的液體CO2貯罐及汽化器安裝在了2# 30 000 m3氣柜院內(nèi),CO2氣配入甲醇Ⅰ、甲醇Ⅱ系統(tǒng)氣柜入口,焦?fàn)t氣補(bǔ)CO項(xiàng)目投入試運(yùn)行,運(yùn)行狀況良好。
6 補(bǔ)CO2前后甲醇裝置運(yùn)行情況
2020年7月17日,山西焦化甲醇廠開始將租賃的液體CO2汽化系統(tǒng)所產(chǎn)CO2氣在甲醇Ⅰ系統(tǒng)、甲醇Ⅱ系統(tǒng)氣柜入口配入焦?fàn)t氣中。試運(yùn)行情況表明: 補(bǔ)CO2后,對甲醇裝置的生產(chǎn)無明顯影響,濕法脫硫系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,脫硫溶液中碳酸鹽含量變化不大—以甲醇Ⅱ系統(tǒng)為例,補(bǔ)碳前的2020年6月22-25日脫硫溶液中Na2CO3 0.7425 g/L (均值,下同) 、NaHCO3 13.85 g/L,補(bǔ)碳后的2020年8月11-14日脫硫溶液中Na2CO3 0.6250 g/L、NaHCO3 13.95g/L; 甲醇合成氣之氫碳比得到適當(dāng)優(yōu)化,甲醇產(chǎn)量明顯提高。
山西焦化甲醇Ⅰ系統(tǒng)、甲醇Ⅱ系統(tǒng)補(bǔ)碳前(2020年6月27-30日4天日均值)與補(bǔ)碳后(2020年7月21-24日4天日均值以及2020年9月6-9日4天日均值) 有關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)的對比見表1。
7 效益分析
7.1 經(jīng)濟(jì)效益
以2套甲醇裝置焦?fàn)t氣總量62 650 m3/h、需配約1 500 m3/h 的CO2,甲醇裝置滿負(fù)荷生產(chǎn)所需氣量進(jìn)行計(jì)算,轉(zhuǎn)化氣流量為94 775 m3/h,配入1 500 m3/h的CO2,合成1個(gè)甲醇分子需要1個(gè)碳原子,則配入的碳理論上可合成51.43 t/d的甲醇,總碳轉(zhuǎn)化率以65%計(jì),理論上可增產(chǎn)精甲醇約33.43 t/d。甲醇產(chǎn)品以2020年1-6月平均銷售價(jià)1496.6 元/t計(jì)算(此銷售價(jià)為近年來的低點(diǎn),甲醇售價(jià)高時(shí)補(bǔ)碳項(xiàng)目的效益會(huì)更好),日可增加產(chǎn)值約5萬元; 按液體CO2價(jià)格585元/t、補(bǔ)入CO2氣量1 500 m3/h計(jì)算,日消耗的CO2成本為4.14萬元; 汽化CO2消耗低壓蒸汽約14.15 t/d,日消耗的低壓蒸汽成本約0.18萬元。上述各項(xiàng)合計(jì),焦?fàn)t氣補(bǔ)CO2項(xiàng)目投運(yùn)后日凈增產(chǎn)值約5-4.14-0.18=0.68萬元,每年以330 d計(jì)算,年凈產(chǎn)值可增加224.4萬元。
補(bǔ)入CO2增產(chǎn)后,甲醇裝置運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備電耗、甲醇精餾系統(tǒng)汽耗等增加甚微。對補(bǔ)碳前后單位產(chǎn)品(噸甲醇) 的消耗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),計(jì)算得補(bǔ)碳前的2020 年6 月27-30日甲醇生產(chǎn)成本約1 268.19元/t (均值) 、補(bǔ)碳后的2020年10月1-20日甲醇生產(chǎn)成本約1252.67 元/t (均值) 。由此可見,補(bǔ)入CO2后,噸甲醇生產(chǎn)成本可降低約15.52元,間接經(jīng)濟(jì)效益良好。
7. 2 社會(huì)效益
山西作為煤炭資源及煤焦化與煤化工產(chǎn)業(yè)大省,補(bǔ)碳項(xiàng)目可對高濃度CO2富集再利用,可增強(qiáng)工業(yè)固碳能力,減少大氣污染及碳排放,CO2的回收利用可助力“碳中和”工作,是化工企業(yè)綠色低碳發(fā)展的重要途徑之一,這對建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型企業(yè)及企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展均具有重要意義。
8 結(jié)束語
山西焦化通過在甲醇裝置原料焦?fàn)t氣中補(bǔ)入CO2,優(yōu)化了甲醇合成氣的成分,相較于僅采用焦?fàn)t氣生產(chǎn)甲醇而言,優(yōu)化了系統(tǒng)生產(chǎn),提高了甲醇產(chǎn)量,降低了單位產(chǎn)品生產(chǎn)成本,提升了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益,同時(shí)還形成了一種新的CO2資源化利用技術(shù),具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。此種CO2資源化利用技術(shù),可有效緩解CO2排放引發(fā)的環(huán)境問題,促進(jìn)煤化工企業(yè)在實(shí)施“碳中和”大背景下的新一輪供給側(cè)改革,為企業(yè)的綠色發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。
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