煤化工裝置燃料氣系統(tǒng)優(yōu)化探討

廖家勢，趙慶雯

（大唐內(nèi)蒙古多倫煤化工有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 錫林郭勒盟 027300）

大唐內(nèi)蒙古多倫煤化工有限責(zé)任公司年產(chǎn) 46萬噸聚丙烯項目采用Lurgi“三合一”（合成氣凈化、甲醇合成和 MTP工藝）技術(shù)，將煤氣化裝置生產(chǎn)的粗煤氣轉(zhuǎn)化為丙烯、乙烯等聚烯烴單體。在合成氣制甲醇及甲醇制烯烴過程中，產(chǎn)生大量弛放氣和不凝氣，在目前的工藝狀況下，這些氣體大部分排放至火炬系統(tǒng)燃燒。但這部分氣體中含有50%以上的H2、CO、CH4、乙烷、乙烯、丙烯等可燃?xì)怏w，通過對這部分氣體進(jìn)行研究，加以合理優(yōu)化利用，不僅可減少企業(yè)資源浪費、降低經(jīng)濟(jì)成本，實現(xiàn)資源利用效益最大化，同時降低企業(yè)廢氣排放，對環(huán)境保護(hù)亦十分有意義。

1 現(xiàn)有燃料氣系統(tǒng)簡介

燃料氣系統(tǒng)中燃料氣由甲醇裝置和 MTP裝置提供，主要用戶為凈化裝置、MTP裝置和動力裝置，見圖1。

燃料氣主要來源為甲醇裝置弛放氣，這些氣體一部分直接進(jìn)入燃料氣系統(tǒng)，另一部分經(jīng)PSA裝置回收其中大多數(shù)氫氣后進(jìn)入燃料氣系統(tǒng)。其他燃料氣來源有甲醇裝置預(yù)塔進(jìn)料閃蒸氣和塔頂閃蒸氣，以及MTP裝置氧化物閃蒸氣和不凝氣，這部分氣體流量較小，且氣體組成中含甲醇、乙烯、丙烯等氣體（表1、表2），會造成部分燃料氣用戶結(jié)炭[1]。

由于含有烯烴的燃料氣無法被用戶裝置使用，全部直接排放火炬。燃料氣管網(wǎng)中燃料氣均由甲醇弛放氣提供，不僅造成大量可燃?xì)庵苯优欧牛沂谷剂蠚鉄o法滿足下游用戶需求，需另向系統(tǒng)補(bǔ)充大量昂貴的LPG，運行成本較高。

2 優(yōu)化方案

為有效利用系統(tǒng)產(chǎn)生的燃料氣，尤其是甲醇弛放氣，達(dá)到減少排放、降低能耗、經(jīng)濟(jì)效益最大化的目的。對燃料氣系統(tǒng)提出兩種優(yōu)化方案（圖2），回收燃料氣中的H2、CO等有效氣體進(jìn)行再利用。

表1 甲醇裝置燃料氣流量和主要組分（體積分?jǐn)?shù)）

表2 其他裝置燃料氣流量和主要組分（體積分?jǐn)?shù)）

優(yōu)化方案一中，對原燃料氣系統(tǒng)管網(wǎng)進(jìn)行改造，將裝置產(chǎn)生的含烯烴、甲醇較多的燃料氣單獨引至動力裝置，作為風(fēng)道加熱熱源。同時在維持現(xiàn)PSA裝置正常運行的前提下，增加一套尾氣回收裝置，回收燃料氣中的 CO、H2，使燃料氣系統(tǒng)達(dá)到物料平衡，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

圖1 現(xiàn)有燃料氣系統(tǒng)流程

圖2 兩種燃料氣系統(tǒng)優(yōu)化方案及流程

優(yōu)化方案二中，同樣將含烯烴、甲醇較多的燃料氣單獨引至動力裝置，用于風(fēng)道加熱。同時在原PSA氫回收裝置基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)能改造[2]，使經(jīng)回收后的燃料氣所能產(chǎn)生的總熱能與用戶所需總熱量匹配，以達(dá)到減少燃料氣排放、節(jié)省燃料氣用戶LPG用量的目的。

3 物料核算

在兩種優(yōu)化方案中，涉及的有效物料包括甲醇、H2、CO、CH4、C2H6、C2H4、C3H8、C3H6、LPG和變換用中壓蒸汽。各種有效物料根據(jù)各自低位熱值與LPG有對應(yīng)換算關(guān)系，見表3。

設(shè)將含烯烴、甲醇等氣體的燃料氣單獨引向動力裝置后，每小時可節(jié)省LPG量為QLPG，含烯烴、甲醇?xì)怏w燃料氣中各組分流量分別為 QH2、QCO、Q CH4、Q C2H4、Q C2H6、Q C3H6、Q C3H8、Q甲醇，則有：

表3 有效組分熱能與LPG折算

將含烯烴燃料氣單獨引向動力裝置后，原燃料氣系統(tǒng)中燃料氣來源僅甲醇弛放氣和經(jīng)過弛放氣回收裝置處理后的尾氣。重新計算燃料氣系統(tǒng)物料平衡可得表4。

表4 燃料氣系統(tǒng)部分優(yōu)化后燃料氣供需

從粗煤氣合成甲醇的主要反應(yīng)過程如式（1）～式（3）。

實際生產(chǎn)中，甲醇合成氣中H2由CO產(chǎn)生，生成的CO2直接放空，造成碳損失。因此，氫氣的回收可增加甲醇合成量，同時可以減少因氫氣排放而產(chǎn)生額外的中壓蒸汽消耗量[3]。而 CO的回收增加了碳轉(zhuǎn)化率，同樣可提升甲醇合成量[4-5]。

根據(jù)回收量的不同，對甲醇弛放氣的回收可分為不回收（Q＝0）、部分回收（0≤Q≤32000m3/h）和完全回收（Q=32000m3/h）三種情況。以此為邊界條件建立甲醇合成變化量Δ甲醇、蒸汽消耗變化量Δ蒸汽、LPG消耗變化量ΔLPG與甲醇弛放氣回收量 Q的函數(shù)，并以不回收弛放氣（Q=0）時為計算基準(zhǔn)，可得以下結(jié)果。

回收H2時，若回收弛放氣量為Q m3/h，由弛放氣中 H2含量可知回收 H2量為 0.66Q m3/h，即29.5Q mol/h，并假設(shè)H2回收率為100%。則

回收CO時，若回收弛放氣量為Q m3/h，由弛放氣中 CO含量可知回收 CO為 0.16Q m3/h，即7.15Q mol/h，并假設(shè)CO回收率為100%，以合成氣中H∶C=2.3計算，則

弛放氣中CO折合LPG約721.2m3/h，全部回收時，可調(diào)整PSA負(fù)荷以確保CO的回收對LPG不產(chǎn)生影響，則

此時H2回收對LPG的影響可修正為

4 效益核算

兩種優(yōu)化方案中，各物料的變化量正值為增加產(chǎn)量或減少用量，負(fù)值為減少產(chǎn)量或增加用量。結(jié)合各物料單價（表5），可對各種工況下物料回收情況的經(jīng)濟(jì)效益W進(jìn)行如下核算。

表5 各物料單價

核算回收CO產(chǎn)生的效益時，CO引起的LPG流量波動可以通過調(diào)整H2回收量來進(jìn)行補(bǔ)償，此時只需考慮回收CO時引起的甲醇產(chǎn)量增加和蒸汽耗量增加；核算回收H2產(chǎn)生的效益時，需要分別對只回收H2、同時回收H2和CO兩種情況進(jìn)行核算，以確定最佳回收方案。結(jié)合物料核算，可做3種情況下經(jīng)濟(jì)效益與回收量的函數(shù)圖，見圖3。

圖3 幾種工況下收益與回收量函數(shù)關(guān)系

由圖3可以看出，若僅回收H2，當(dāng)回收量較低時，回收弛放氣不會引起LPG使用量增加，但可增加甲醇產(chǎn)量，降低變換中壓蒸汽使用量，此時經(jīng)濟(jì)效益隨回收量增加而增加。當(dāng)回收量達(dá)17833.8m3/h時（100%氫回收率），經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到最高值。之后，隨著回收量的增加，LPG用量同時增加，收益開始下降。實際運行過程中，PSA裝置氫回收裝置的氫回收率在75%左右，因此，這個最佳回收流量點修正為23778.4m3/h。

回收CO時，同時進(jìn)行H2回收，回收CO的經(jīng)濟(jì)效益與回收量成正比關(guān)系。此時氫回收量與效益的關(guān)系與單獨回收H2時相同，弛放氣用于氫回收的最佳回收量為8541.45m3/h。考慮到PSA裝置氫回收率，此值修正為11388.6m3/h。

比較效益可見，兩種優(yōu)化方案中，對原PSA氫回收裝置進(jìn)行改造，使其回收弛放氣量達(dá)到最佳流量點的方案比增加CO回收裝置的裝置具有更高的經(jīng)濟(jì)效益。同時，CO較H2更難從其他氣體中分離，CO回收裝置一般采用三級分離，工藝流程復(fù)雜，安全性、穩(wěn)定性相對較差，設(shè)備投資、運行維護(hù)成本比相同處理能力的氫回收裝置高出2～3倍。通過上述分析可見，方案二與方案一比較，在效益回收、成本投資以及可行性等方面更具優(yōu)勢。

5 結(jié) 論

（1）在現(xiàn)有燃料氣管網(wǎng)基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，將含烯烴、甲醇較多的燃料氣直接引向動力裝置作為熱源，可有效降低動力裝置LPG使用量。

（2）僅回收H2，弛放氣回收量為23778.4m3/h時，相對于弛放氣全部放空可以產(chǎn)生最大經(jīng)濟(jì)效益，當(dāng)大于這個回收量時，將造成收益降低。

（3）當(dāng)CO和H2同時回收時，相對于弛放氣全部放空可以產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益，此時弛放氣中的 CO全部回收，用于 H2回收的弛放氣量為11388.6m3/h時為最佳操作點，當(dāng)氫氣回收量超過此值時，收益開始降低。

（4）結(jié)合回收CO收益和回收H2收益看，同時回收 PSA裝置負(fù)荷，使之達(dá)到最佳操作點的方案，比增加回收CO裝置的方案更為理想。

[1] 劉清華，劉東方.克勞斯硫回收裝置的分析應(yīng)用[J].化肥工業(yè)，2008，35（1）：69-70.

[2] 許慶本，高健康.變壓吸附提純氫氣及其影響因素[J].甘肅科技，2008，24（12）：7-33.

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