煤氣化輸煤CO2壓縮工藝方案研究

張 釗

（北京石油化工工程有限公司西安分公司，陜西西安 710075）

氣流床粉煤加壓氣化技術(shù)是當(dāng)前國際上最先進(jìn)的煤氣化工藝之一，其典型的工藝國外有GSP粉煤氣化工藝、CCG（科林）粉煤氣化工藝、Shell粉煤氣化工藝，國內(nèi)有航天爐（HT-L）煤氣化技術(shù)等，其工藝流程是先經(jīng)磨煤粉碎、干燥，然后用高壓氣體加壓，將煤粉輸送到氣化爐與氧氣、蒸汽進(jìn)行氣化反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物為粗合成氣（主要成分CO、H2），經(jīng)凈化后送往下游裝置進(jìn)一步加工[1]。其中主要反應(yīng)中有如下兩個(gè)：

目前粉煤的輸送有采用氮?dú)獾模灿胁捎枚趸嫉模瑥纳鲜龇磻?yīng)可以看出，二氧化碳的存在有利于主反應(yīng)的進(jìn)行，提高碳轉(zhuǎn)化率，加快反應(yīng)速率，提高有效氣成分，采用CO2輸煤對(duì)煤氣化相對(duì)有利。從氣化裝置下游低溫甲醇洗裝置可以獲得純度很高的CO2，但其壓力較低且含有微量甲醇，根據(jù)GB31571—2015《石油化學(xué)工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》要求，排放廢氣中甲醇含量不能超過50mg/m3，因此必須對(duì)CO2中甲醇進(jìn)行脫除以達(dá)到環(huán)保要求。

本文以某煤制乙醇項(xiàng)目為研究對(duì)象，通過對(duì)比分析探討CO2中甲醇脫除方案的選擇及CO2壓縮機(jī)的選型。

1 甲醇脫除方案選擇

1.1 CO2氣組成及環(huán)保排放要求

某煤制乙醇項(xiàng)目低溫甲醇洗產(chǎn)生的CO2產(chǎn)品氣組成如表1所示。

表1 CO2產(chǎn)品氣組成

由于氣化單元要求CO2氣量為32 000m3（標(biāo)）/h，將表中甲醇含量折算質(zhì)量濃度后為378mg/m3，可以看出其值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于環(huán)保要求的50mg/m3，必須經(jīng)處理后才能排放。

1.2 甲醇脫除方法

目前常用的甲醇脫除方法可以分為兩大類，一類是物理法，另一類是化學(xué)法。物理法主要依靠物理原理除去CO2中的甲醇，其中有水洗法、吸附法以及膜分離法等[2]；而化學(xué)法是依靠化學(xué)原理從而除去CO2中的甲醇，最常用的方法就是催化燃燒法[3-4]。

水洗法是通過脫鹽水以填料塔或板式塔對(duì)CO2進(jìn)行洗滌，利用水吸收甲醇。該方法工藝流程簡單，投資相對(duì)較低，但存在水洗后CO2帶飽和水的問題，同時(shí)根據(jù)氣化要求需對(duì)水洗后CO2過熱，能耗較大。

吸附法即以分子篩對(duì)氣相中的雜質(zhì)進(jìn)行吸附脫除，常用方法有變壓吸附（PSA）、變溫吸附（TSA）等。該技術(shù)成熟可靠，適用范圍廣、產(chǎn)品回收率高，但對(duì)于CO2中脫甲醇來說，前期投資高、占地大。

膜分離法是在處理大氣量時(shí)存在一定限制，因此針對(duì)該項(xiàng)目32 000m3（標(biāo)）/h的CO2，且甲醇含量較低的情況不太適用。

催化燃燒法是采用貴金屬催化劑將CO2中微量的碳?xì)浠衔锛癏2、CO等可燃組分催化氧化生成CO2和H2O。該技術(shù)在食品級(jí)CO2領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，特別適用于大氣量的尾氣治理，流程短、操作方便，過程能耗低，但前期投資高，尤其是貴金屬催化劑需定期更換。

1.3 水洗方案選擇

綜合考慮甲醇脫除的各項(xiàng)技術(shù)，結(jié)合項(xiàng)目投資偏緊的情況，本項(xiàng)目選擇水洗法脫除甲醇。水洗法中水洗塔的位置可選擇在壓縮機(jī)前、壓縮機(jī)級(jí)間、壓縮之后以及氣化單元之后，其位置選擇對(duì)方案影響較大。

在壓縮之前水洗，一方面CO2壓力較低，需嚴(yán)格控制壓力降，同時(shí)水洗塔設(shè)備尺寸較大；另一方面，水洗后的CO2氣體含飽和態(tài)的水，必須經(jīng)過干燥后才能進(jìn)壓縮機(jī)，項(xiàng)目投資將會(huì)增大。在壓縮機(jī)級(jí)間水洗，同樣面臨氣相帶水問題，同時(shí)氣相含水量的增加對(duì)壓縮機(jī)動(dòng)平衡的影響較大，不利于壓縮機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。部分項(xiàng)目采用在氣化輸煤后，通過小布袋收集廢氣后送至低溫甲醇洗尾氣水洗塔水洗，經(jīng)考察后發(fā)現(xiàn)運(yùn)行并不穩(wěn)定，由于氣化后氣相帶灰，帶入低溫甲醇洗后勢必將影響系統(tǒng)穩(wěn)定。

采用壓縮機(jī)后設(shè)置水洗塔是一種相對(duì)較好的選擇。具體流程為來自低溫甲醇洗的低壓CO2經(jīng)壓縮機(jī)增壓，水冷器冷卻，水洗塔脫甲醇，最后復(fù)熱至氣化單元指定溫度100℃后送出界區(qū)。

以PROII軟件對(duì)流程模擬計(jì)算，水洗后CO2中甲醇含量降至0.5mg/m3以下滿足環(huán)保要求；同時(shí)100℃下氣相露點(diǎn)為41℃，滿足氣化單元對(duì)CO2氣露點(diǎn)≤60℃的要求。

2 CO2壓縮機(jī)選型

2.1 氣化單元CO2要求

氣化單元要求CO2氣量為32 000/m3（標(biāo)）h，其中CO2輸煤氣量為22 000m3（標(biāo)）/h（壓力5.5MPaG，溫度100℃左右，用于輸煤及氣化爐環(huán)形腔保護(hù)氣），CO2鎖斗氣量為10 000m3（標(biāo)）/h（壓力7.4MPaG，溫度100℃左右，用作鎖斗充壓）。

2.2 CO2壓縮機(jī)選型方案

來自低溫甲醇洗單元的CO2產(chǎn)品氣壓力較低，需經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮后，才能送至氣化單元輸煤。因此，CO2壓縮機(jī)的選擇顯得尤為重要，在運(yùn)行中一旦出現(xiàn)故障停機(jī)，將直接影響氣化爐的運(yùn)行，甚至整個(gè)裝置都將停產(chǎn)，因此需選用可靠性大、穩(wěn)定性高的CO2壓縮機(jī)。經(jīng)研究后提出以下三種方案進(jìn)行分析，以尋求合理的壓縮機(jī)方案。

方案一：32 000m3（標(biāo)）/h CO2氣體通過一臺(tái)單軸式離心壓縮機(jī)組（單缸）壓縮至5.5MPaG，經(jīng)水洗脫甲醇后，其中22 000m3（標(biāo)）/h復(fù)熱至100℃作為輸煤氣送往氣化單元；10 000/m3（標(biāo)）h氣體送至一臺(tái)往復(fù)機(jī)（1開1備）壓縮至7.4MPaG后作為鎖斗氣送往氣化單元，流程圖見圖1。

圖1 方案一壓縮工藝流程圖

方案二：采用一臺(tái)單軸式離心壓縮機(jī)組（雙缸），級(jí)間抽出22 000m3（標(biāo)）/h、5.5MPaG CO2經(jīng)水洗脫甲醇后，復(fù)熱至100℃作為輸煤氣送往氣化單元；壓縮機(jī)末極10 000m3（標(biāo)）/h氣體壓縮至7.4MPaG經(jīng)水洗脫甲醇后，復(fù)熱至100℃作為鎖斗氣送往氣化單元，流程圖見圖2。

圖2 方案二、三壓縮工藝流程圖

方案三：采用一臺(tái)多軸式離心壓縮機(jī)組，壓縮流程同方案二。

通過前期與壓縮機(jī)廠家交流、詢價(jià)，以及模擬計(jì)算，三種方案的能耗及投資對(duì)比見表2。

2.3 方案優(yōu)劣勢分析

方案一采用一臺(tái)離心壓縮機(jī)（單缸）+兩臺(tái)往復(fù)機(jī)，工藝設(shè)備少、占地少，投資相對(duì)較低，但往復(fù)式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由于承受交變載荷作用，運(yùn)行過程中出現(xiàn)故障的頻率比較高，影響到壓縮機(jī)的正常運(yùn)行，同時(shí)壓縮機(jī)后期維護(hù)成本較高[5]。

表2 三種方案能耗及投資對(duì)比

方案二與方案三采用一臺(tái)離心壓縮機(jī)，區(qū)別在于單軸壓縮與多軸壓縮。從表2可以看出，多軸壓縮機(jī)相比單軸壓縮機(jī)能節(jié)能，原因是多軸壓縮采用逐級(jí)冷卻，接近等溫壓縮，能耗降低，單軸壓縮軸系長，難于做到等溫壓縮；多軸式壓縮機(jī)采用進(jìn)口導(dǎo)葉調(diào)節(jié)，阻損小；同時(shí)多軸式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小[6]。方案二與方案三相對(duì)方案一設(shè)備數(shù)量增加相應(yīng)投資亦有增大，且方案三壓縮機(jī)投資在三種方案中最大，因此如何選擇還需結(jié)合項(xiàng)目的投資預(yù)算綜合考慮。

3 結(jié)論

通過上述分析，若是不考慮投資，從運(yùn)行安全可靠性、能耗、投資、后期維護(hù)等方面看，CO2脫除甲醇可選擇分子篩吸附法或者催化燃燒法，CO2壓縮機(jī)可選擇一臺(tái)多軸式離心壓縮機(jī)；但若投資預(yù)算不足，CO2氣脫甲醇技術(shù)可選擇水洗法，CO2壓縮機(jī)可選擇一臺(tái)離心壓縮機(jī)（單缸）+兩臺(tái)往復(fù)機(jī)。