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煤制合成天然气项目工艺方案与技术经济比较

浏览次数: 日期:2015-12-28 18:33:10

    一种清洁、高效的能源产品。我国经济的快速增长推动了对天然气需求,随着国内可持续发展战略和加强环保等政策的实施,国内对天然气的需求将与日俱增。基于我国“多煤,少油,缺气”这一能源的基本国情,近年来,煤制天然气项目成为了煤化工的一个重要发展方向[1—3]。笔者以某400万m3/d煤制合成天然气项目为例,针对3种不同类型的煤气化技术进行分析、对比和说明,以期对煤制合成天然气项目技术方案的选择提供参考和借鉴。

1、煤制天然气工艺技术概述

1.1、工艺路线

  煤制天然气工艺路线较为简单。原料煤经煤气化制得的粗煤气通过变换和净化后,合适比例的H2、CO、CO2经甲烷化反应合成得到富含甲烷的合成气,再经过天然气压缩和天然气干燥后即可制得满足要求的合成天然气(SNG)[4—6]。煤制天然气工艺路线见图1。

煤制天然气工艺路线

    从单个工艺单元来看,空分、变换及甲醇洗是在煤制合成氨、煤制甲醇及煤制油等煤化工项目中已得到广泛应用的成熟技术。因此对煤制天然气而言,需要选择的主要是煤气化及甲烷化技术[1]。其中,煤气化技术是煤制天然气工艺中的关键技术,不同的煤气化技术对全厂的工艺配置、公用工程消耗以及项目投资具有较大的影响。以下针对煤气化技术的选择进行相关论述。

1.2、煤气化技术选择要素[5]

  —般而言,气化技术的比较和选择需考虑的主要因素包括煤种适应性、装置规模、下游装置对合成气的要求、气化装置运行的可靠性和业绩、性能指标、国产化水平、环境影响等,兹分析如下。

  (1)煤种适应性。各种煤气化技术对原料煤质都有一定的要求,需要根据项目原料煤的情况,选用适宜的煤气化技术。

  (2)产品要求。不同的产品对煤气化有不同的要求,以煤为原料生产天然气与生产别的化工产品不同,气化产生的粗煤气中甲烷和烃类物质不仅是有效气成分,且热值更高,还可减少甲烷化的负荷。

  (3)气化装置运行的可靠性和业绩。正常情况下选择具有长周期稳定运行业绩的气化装置是气化技术的一个重要参考因数。

  (4)性能指标。评价煤气化技术的性能指标除技术指标,如有效气含量、氧耗、煤耗与动力消耗、冷煤气效率与热效率外,根据项目的实际情况对应经济指标,如配套锅炉用燃料煤的用量、备煤装置的投资、甲烷化装置的投资等经济指标也是选择要素的一个方面。

  (5)国产化水平。国产化水平不仅影响到投资费用,还影响到建设进度。在选取气化技术时应尽量考虑选择国产化程度高、专有设备少的煤气化技术。

  (6)环境影响。在对环保要求日益严格的今天,应尽量选择清洁、三废排放少的气化工艺。

1.3、项目特点

  (1)煤质分析。本项目所用原料煤为褐煤,煤种具有水分高(收到基水分的质量分数为39.75%)、灰分低(收到基灰分质量分数为9.14%)、灰熔点低(软化温度为1204 ℃,流动温度为1263 ℃)的特点。

  (2)项目规模。本项目规模为天然气产能400万m3/d。

  (3)下游装置要求。本项目以生产天然气为目的,下游甲烷化装置所需合成气中甲烷或高热值组成含量要求越高越好。

2、不同类型煤气化工艺技术对比

  根据本项目的特点,以及结合煤气化技术选择的多种因数,考虑采用以下3种不同类型的煤气化技术:①KBR工艺(流化床);②BGL工艺(固定床);③Shell上行水激冷工艺(气流床粉煤气化)。

2.1、KBR流化床气化技术[7]

  KBR输送床煤气化炉是一种先进的循环流化床反应器,没有内部部件或移动部件。设计模式是可以在空气和氧气2种状态下工作。TRIG的机械设计和操作是基于KBR的流化催化裂化(FCC)技术,已有70多年的成功商业运行经验。

  TRIG与传统的的循环流化床相比,其固体循环速率和气体速度要快很多,提升管密度要高很多,因此不仅具有较高的生产能力和碳转化率,而且混合均匀、传热和传质速率较高。TRIG的独特优势是能够在空气和氧气2种状态下工作:空气模式适用于IGCC发电用途;氧气模式提供合成气,适用于多种化学品和燃料的生产。KBR工艺的主要不足之处在于该技术还没有工业化装置运行经验,其实际运行情况尚待考验。

2.2、BGL固定床气化技术[8]

  英国燃气公司在原鲁奇固定床加压气化炉技术基础上,开发了液态排渣的BGL煤气化工艺。BGL气化工艺具有以下特点。

  (1)有效气(H2+CO)产气率高(石油焦气化有效气>90%,无烟煤和优质烟煤气化有效气88%~90%,褐煤气化有效气>78%)。

  (2)合成气中含有大量的CH4,对于以煤为原料生产城市煤气更有利。

  (3)BGL气化区温度在1300~1600 ℃范围,与鲁奇炉相比,大幅度提高了气化率,成倍提高了气化强度,同时将蒸汽使用量减少到鲁奇炉消耗量的10%~15%,蒸汽分解率超过90%。

  (4)冷煤气效率高(>89%,焦油等副产品计算在内)、碳转化率高(>99%)、热效率高、氧耗低、系统运行可靠性高、维护费用低。

  (5)对煤种的选择范围宽,可气化石油焦、无烟煤、烟煤、次烟煤、褐煤以及这些煤种的混合投料(对高灰熔点无烟煤,可通过增加助熔剂,应用BGL熔渣气化技术)。

  (6)渣可作为无污染副产品在建筑和筑路中使用,或安全地深埋。

  (7)相对于传统鲁奇气化工艺,BGL工艺的蒸汽分解率大幅提高,污水处理负荷大幅降低。

  BGL固定床气化工艺的缺点主要表现在:①对原煤热强度要求较高,一般需要进行型煤处理,且这部分投资较高;②气化及后序处理单元仍产生较多废水,由于废水成分复杂,处理困难,成本较高;③煤气中含有较多的焦油、酚、氨等杂质,后工序不易处理;④工艺流程复杂,占地较大,且存在环境污染。

2.3、壳牌上行水激冷气流床粉煤气化工艺[9-10]

  壳牌(Shell)干煤粉气化工艺是壳牌公司开发的煤粉气化工艺,具有鲜明的技术特色,是当前先进的第2代煤气化工艺。该气化工艺具有如下特点。

  (1)采用干煤粉作为气化原料,煤粉用惰气输送,操作十分安全。煤种适应性广泛,从褐煤、次烟煤、烟煤到石油焦均可使用。对煤灰熔点适应范围更宽,即使是高灰分、高水分、高硫的煤种也能使用。

  (2)气化温度高,一般在1400~1600℃,碳转化率高达99%,合成气质量好。

  (3)氧耗低。采用干煤粉进料与水煤浆气化相比不需在炉内蒸发水分,因而氧气用量可减少15%~25%,从而降低了成本。配套空分装置规模相对缩小,投资也可相应降低。

  (4)气化炉采用水冷壁结构,无耐火砖衬里,正常使用时维护量很小,运行周期长。

  (5)每台气化炉设置4~6个烧嘴,故对生产负荷调节比Texaco单个烧嘴更为灵活,范围也更宽。

  (6)热效率高,冷煤气效率达到78%~83%,其余~15%副产高压或中压蒸汽,总的原料煤热效率可达98%。

  (7)对环境影响小,气化过程无废气排放,排出的融渣和飞灰含碳低,可作为水泥等建筑材料,堆放时也无污染物渗出。气化污水不含焦油、酚等,容易处理,需要时可做到零排放。

3、技术方案及配置

3.1、技术方案

  褐煤中水分较高,本方案煤种水分达39.75%,典型的3种煤气化技术均需要对原煤进行预处理。全厂工艺生产装置主要包括原煤预处理装置、煤气化装置、空分装置、净化装置、甲烷化装置及硫回收装置等。

  工艺生产装置配套的公用工程和辅助生产设施包括:原水净化站、循环冷却水站、除盐水站、污水处理站、全厂事故水池、热电站、厂区总图运输、厂区供配电、厂区主控楼、厂区给排水管网、厂区外管、厂区通信、固体贮运设施、库区、全厂火炬系统、环保检测站、气体防护站、中央化验室、辅材贮存设施、服务设施等。

3.2、配置原则

  由于本项目规模较大,属于大型煤化工项目,受超限设备运输和制造能力等因素的限制,各主要工艺装置和配套设施都需要考虑按多系列、多台套系统进行规划与设计。在进行本方案工艺装置系列数的配置时,主要考虑的原则有以下几点。

  (1)满足设备尺寸、工艺管道、阀门及仪表阀门等要求。通常影响工艺装置选择的制约因素主要是设备尺寸、工艺管道、阀门及仪表阀门。根据经验,DN1000 mm及以上的管道只能采用焊接钢管,国内没有无缝钢管的制造业绩,制造周期较长,管件的制造也较困难。DN800 mm等级600LB的管道阀门可以国产,DN800 mm以上的阀门需要进口。由于大管径阀门的使用量较少,其价格较高,是常规阀门价格的数倍以上。由于DN800 mm以上的管道壁厚大、刚度很大,应力计算时可能很难通过,设备管口的载荷也会很大,因此,根据目前的制作与工程设计经验,对于热应力管道其规格最好低于DN800 mm,同时,设备布置时要给管道布置留有足够的空间,以满足系统柔性。与管道阀门不同的是大口径仪表阀门需要进口,最大的600LB进口蝶阀管径可达到DN1000 mm,价格方面与阀门规格关联,没有较大的波动。

  因此,选择工艺装置系列数时,主要工艺管道规格选择应不大于DN800 mm,系列数少流量大时可通过适当增加工艺气体流速减小管道尺寸,因气体流速增加而增加的管道阻力降可由下游的天然气压缩机弥补。一般工艺气体经济流速应不大于15 m/s,为降低主要工艺管道尺寸可将流速提高到约25 m/s,不高于30 m/s。存在的问题是高流速微量含尘工艺气体对管道弯头的冲刷腐蚀,故弯头需进行特殊处理,而对于高温应力管道,在考虑管系柔性的同时还需防止管系的震动。

  (2)上下游工艺装置应协调配置,以便于设备和管道的配套连接。一般可以多套或1套上游装置对应1套下游装置。例如,低温甲醇洗装置可根据上游变换装置和下游甲烷化装置的配置来选择。本项目推荐变换装置、净化装置和甲烷化装置保持一对一的配置,以便于生产管理和维护。

  (3)装置系列数的选择应经济合理,以节省项目投资。一般来说,装置系列数越少,投资越省,应在满足工艺要求的前提下,尽可能采用较少的装置系列数,同时需要在经济性与可靠性方面平衡国内自有技术与国外进口技术。

3.3、配置方案比较

  根据产品方案和采用的不同气化工艺方案,以及考虑到可靠、经济的系列数配置情况,对KBR工艺、BGL工艺和Shell上行水激冷工艺的各工艺生产装置及主要公用工程的配置进行综合比较。

4、原料及公用工程消耗

  3种煤气化工艺生产400万m3/d SNG项目消耗见表1。将消耗折算为km3 SNG产品的公用工程消耗见表2。

1   3种煤气化工艺生产400m3/dSNG项目消耗

 

序号

项目

KBR

BGL

Shell

1

原料煤/t.h-1

637.5

659.3

674

2

燃料煤/t.h-1

175.4

271.5

152.7

3

一次水/t.h-1

1674

1722

1010

4

总电耗/亿KW.h

5.69

7.34

5.41

5

外购电/亿KW.h

-0.81

0.84

-1.09

  km3SNG产品对应的原料及公用工程消耗

 

序号

项目

KBR

BGL

Shell

1

原料煤/t.

3.82

3.97

4.05

2

燃料煤/.h

1.05

1.63

0.92

3

总煤耗/t

4.87

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