天然氣造氣裝置向乙醇和甲醇裝置供應合成氣改造方案探討

張 明

（陜西興化集團有限責任公司設計室，陜西興平 713100）

天然氣造氣裝置向乙醇和甲醇裝置供應合成氣改造方案探討

張 明

（陜西興化集團有限責任公司設計室，陜西興平 713100）

陜西興化集團現有兩套天然氣換熱式轉化造氣裝置，下游產品為合成氨，氣體流程主線為轉化裝置—中低變—一次（二次）脫碳（熱鉀堿法）—甲烷化—合成氣壓縮機—高壓合成氨。2017年初，煤基乙醇裝置投產，由于乙醇合成原料氣需要從甲醇裝置分離一部分原料氣，造成甲醇合成裝置負荷不能加滿，各種消耗較高，且陜西興化集團的氣頭合成氨裝置噸氨成本高，處于虧損狀態，將原料氣送往附加值較高的甲醇和乙醇裝置是企業的當務之急，因此對原料氣由生產合成氨改甲醇乙醇原料氣的工藝進行分析研究，給出改造方案，并計算了改造后的原料氣成本，證明了氣煤組合方案從技術經濟上是可行的。

轉化裝置；原料氣；甲醇；乙醇

Abstract：There are two sets of natural gas heat transfer gas generator in Shaanxi Xinghua Group.The downstream product is ammonia，the main line of gas flow is the conversion device-medium and low change-one（secondary）decarburization（hot potassium alkali method）-methane Chemical synthesis gas compressor-high pressure synthetic ammonia，2017 early，coal-based ethanol plant put into operation，due to ethanol synthesis of raw materials need to be separated from the methanol plant part of the raw material gas，resulting in methanol synthesis device load can not fill，a variety of high consumption，and Shaanxi Xinghua Group's gas-fired ammonia plant with high cost of ammonia，in a loss state，the raw material sent to the higher value-added methanol and ethanol equipment is the top priority of enterprises，this paper on the production of raw materials from ammonia ammonia ethanol feed gas process The paper analyzes the research and gives the transformation plan and calculates the cost of the raw material gas after the reform，which proves that the gas-coal combination scheme is technically feasible.

Key words：conversion device；raw material gas；methanol；ethanol

1 改造背景

陜西興化集團公司的天然氣轉化裝置制合成氨裝置（以下簡稱老系統）近年來在天然氣價格逐漸提高、農業優惠電價取消，硝酸銨產品市場嚴重過剩的情況下，連年虧損，生產經營困難。興化化工公司（以下簡稱新系統）煤制30萬t/a甲醇及30萬t/a合成氨裝置于2012年初投產，新系統煤制甲醇裝置成本較低，目前甲醇和乙醇市場較好，產品有一定盈利空間。陜西興化集團公司10萬t/a合成氣制乙醇科技示范項目2017年初建成試生產，產出合格無水乙醇。乙醇項目所用的原料合成氣取自煤氣化合成甲醇系統，用于生產乙醇后年少產甲醇8～9萬t，為了調整產品結構，提高公司整體效益，多產市場情況較高的甲醇和乙醇產品，有必要對成本較高的天然氣制合成氨裝置的產能進行壓縮，停產部分天然氣制合成氨裝置，將天然氣系統所產的合成氣輸送到甲醇和乙醇裝置，生產市場狀況好的甲醇和乙醇產品，具有重要的意義。

2 改造方案的提出

2.1 老系統現有氣頭合成氨流程簡介

老系統的天然氣轉化裝置采用天然氣純氧換熱式二段轉化，現有并列的兩套轉化裝置（東西各一套），轉化壓力為3.2MPa，出轉化廢鍋的轉化氣壓力約2.9MPa，溫度360℃，轉化氣通過轉化氣總管送往中變爐，出中變爐的溫度約430℃，經過甲烷化調整換熱器，溫度降到380℃后去中變廢鍋，中變廢鍋副產3.6MPa中壓蒸汽去管網，出中變廢鍋的氣體溫度約255℃，去中變鍋爐給水預熱器預熱轉化汽包和中變汽包補水，出預熱器的氣體去低變爐，出低變爐的變換氣體溫度約230℃，經過低變廢鍋副產蒸汽后，去脫碳系統，變換氣分別經過加壓再生塔底部的低變煮沸器，常壓再生塔底部的煮沸器后去低變水冷器及分離器出凝液后，去一次吸收塔進行吸收，脫除大部分二氧化碳后，出塔氣體含二氧化碳約1.5%，此氣體去二次吸收塔底部，在塔內被加壓塔底部用貧液泵輸送來的貧液逆流吸收，最終出塔精制氣二氧化碳含量約0.3%，配氮氣后，去甲烷化換熱器，甲烷化調整加熱器，被加熱后的氣體去甲烷化爐進行反應，出爐氣體經過甲烷化換熱器，甲烷化水冷器，甲烷化分離器后，經過壓縮機提壓，輸送到氨合成系統見圖1。

圖1 現有氣頭合成氨流程

2.2 新系統甲醇及乙醇原料氣路線簡介

新系統的甲醇合成氣制備采用了煤頭路線，即采用了水煤漿氣化，中溫耐硫變換，低溫甲醇洗工藝來制備甲醇合成氣，新系統的甲醇合成壓力為5.2MPa，采用四塔精餾工藝。其中乙醇裝置所需要的合成氣從甲醇合成氣總管抽出。

甲醇合成氣組成如表1所示：

表1 甲醇新鮮合成氣參數

2.3 改造思路

將老系統的天然氣頭制得的合成氣輸送到新系統，確保甲醇裝置達到日產1 100t負荷（110%負荷），乙醇裝置滿負荷（100%負荷），對新老系統進行技術升級改造，對老系統的轉化氣組成進行分析，其氫碳比高，氫氣含量高達70.65%，而一氧化碳僅為15.96%，二氧化碳含量為12.92%，計算=2.32，但甲醇合成氣需要的二氧化碳含量為2%～3%左右，因此天然氣二段轉化氣若要配置成甲醇合成氣，經過余熱回收后，經過部分脫碳（一次脫碳后CO2約1.5%），輸送至新系統去調節煤頭低溫甲醇洗出口的甲醇合成氣，粗煤氣可以通過改變主副線氣體比例調節氫碳比，二股氣體混合若要配置成合格的甲醇合成氣，粗煤氣的主副線比例需要進行調整，即根據物料衡算重新確定。

3 原料氣調整物料衡算

3.1 單煤頭現有工況

單煤頭100%負荷工況日產千噸精醇，計算變換主線及副線工藝氣體量：

變換粗煤氣組成如表2所示：

表2 粗煤氣組成

甲醇新鮮氣組成：氣量96 700m3/h，經過計算：單煤頭日產千噸甲醇，主線氣體比例約56%，副線氣體比例約44%。

3.2 氣頭與煤頭組合工況

在兩臺氣化爐為100%負荷前提下，日產1 100t精醇及日產300t乙醇，計算變換主線及副線工藝氣體量：日產1 100t精醇需要甲醇合成氣110 000m3/h，日產300t乙醇需要合成氣20 000m3/h，因此共需要合成氣130 000m3/h，煤氣化制備的合成氣約96 700m3/h，因此天然氣制備的甲醇合成氣應為130 000-96 700=33 300m3/h，天然氣轉化制備的合成氣經過余熱回收，一次脫碳后制得的合成氣中CO2含量為1.5%，一次脫碳氣氫碳比為4.01∶1，高于甲醇合成氣所需要的氫碳比，因此氫氣過量，此氣體去調節煤頭的低溫甲醇出口的洗滌氣，煤頭洗滌氣需要適當減少氫碳比，即少變換一些，才能與氣頭的一次脫碳氣摻合后配置成符合要求的甲醇合成氣，經過計算得如下：進變換爐的主線氣體量為V1=55 849.5，副線量為V2=62 201.5，主線氣體比例=47.3%，副線氣體比例=52.7%，可以看出，氣煤組合方案僅需要調整煤頭變換工序的主副線氣體比例就可以實現甲醇合成氣組成要求。

4 改造方案的確定

4.1 老系統改造方案

根據氣煤組合物料衡算的結果，并根據一次脫碳的物料平衡可以計算老系統轉化氣總管出口需要分流的干氣量為37 667 m3/h，折合原料天然氣量為10 959m3/h，基本相當于一套轉化裝置的投氣量，因此只需要將此一套轉化氣經過余熱回收，一次脫碳后即可送往新系統。

改造路線（見圖2）如下：轉化系統不做改造，將來自轉化廢鍋總管的轉化氣引至一期中變廢鍋入口，氣體經一期中變廢鍋、一期中變廢鍋給水預熱器后送至一期低變廢鍋、一期低變煮沸器、一期低變水冷器、一期低變分離器，再經一期一次脫碳吸收塔，工藝氣體從一次脫碳吸收塔底進入，與塔頂來的脫碳溶液逆流接觸，脫除工藝氣體中的二氧化碳，控制脫碳后工藝氣體中二氧化碳含量≤1.5%。從脫碳塔頂來的工藝氣體經一次脫碳吸收塔后分離器后去一期小甲烷化水冷器、一期小甲烷化分離器、凈化后的工藝氣體送往新系統，停用一套氨合成裝置。由于新系統壓力較高5.2MPa，老系統甲烷化后壓力僅為2.45MPa，因此需要新增一臺合成氣提壓壓縮機將老系統氣體提壓后送往新系統低溫甲醇洗出口甲醇合成氣體總管，混合均勻后約20 000m3/h的合成氣送乙醇裝置，其余110 000m3/h送甲醇合成裝置。

4.2 老系統改造方案

表3 老系統改造方案

圖2 改造后氣煤組合流程

4.3 新系統改造方案

表4 新系統改造方案

由以上方案可以看出，老系統僅新增一臺往復式甲醇合成氣壓縮機，輸送管線利用舊管線，老系統中變和低變、甲烷化增加旁路，并抽加盲板，原有合成氨流程給予保留。新系統沒有大的改造，僅僅是變換工藝氣主副線比例。

5 氣頭甲醇合成氣成本計算

原一套合成氨原料氣路線改為甲醇原料氣路線后，原料氣的成本是至關重要因素，由于改造路線已經確定，應按照改造后的路線確定制造成本。以單套轉化，原料天然氣量為10 959m3/h，轉化干氣量37 667m3/h，甲醇合成氣33 300m3/h為基準計算。

表5 核心動設備數據表

表6 成本分析表

現有新系統煤頭的甲醇合成氣實際制造成本為0.75元/m3，氣煤組合方案，實現了碳氫互補，摻和后成本為0.735 6元/Nm3，較原先單煤甲醇合成氣制造成本下降0.014 4元/m3，每小時節約成本1 872元，年按330d運行，年節約成本1482.62萬元。氣煤組合方案生產甲醇乙醇實現了原料來源的兩路保障，使得企業抵御風險能力更強，因此天然氣造氣裝置向甲醇乙醇裝置供應合成氣在技術經濟上是可行的。

6 結束語

該項目已經于2017年初全面實施，工程設計由公司設計室設計，整個項目投資約740萬元，目前已經進入合成氣壓縮機的招標階段，預計2018年初整個項目將投入使用，該項目投用，使興化集團將一套天然氣轉化生產的合成氣，再生產高附加值的甲醇和乙醇產品，停用一套能耗很高的高壓合成氨裝置后，老系統的氨加工裝置所缺的氨由新系統來提供，新系統的氨生產成本更低，用新系統的氨去老系統，使得整個系統得到優化，同時氣煤組合生產甲醇乙醇將使興化集團實現原料氣及產品結構調整的轉型升級。

Discussion on the Supply of Synthetic Gas to Ethanol and Methanol Plant in Natural Gas Gas Making Unit

Zhang Ming

TQ223.121

A

1003–6490（2017）09–0003–03

2017–07–07

張明（1981—），男，陜西興平人，工程師，主要從事化工工藝設計工作。