朱炳利 王萬和
（寶雞市泰和化工科技有限公司 陜西 寶雞）
在我國的能源結構中，貧油少氣、煤炭儲量相對豐富。從1994年起我國已從石油小量的出口國轉變?yōu)槭瓦M口國，到2008年我國對進口石油的依存度達到了50%以上。而且工業(yè)發(fā)展對石油的需求每年都有大幅度的增加，經濟發(fā)展與資源貧乏的矛盾已非常突出。積極尋找替代能源，發(fā)展煤化工已成為人們關注的熱點。研發(fā)煤化工新技術、新工藝利用焦化廠焦爐煤氣制甲醇聯(lián)產合成氨是近代煤化工節(jié)能減排、非常經濟、非常有效的途徑。
隨著我國國民經濟建設的高速發(fā)展，對鋼鐵的需求與日俱增，所以鋼鐵冶煉所需的主要原料焦炭產量大幅提升，我國是目前世界上鋼鐵、焦炭最大的生產國和出口國，在國民經濟中有著舉足輕重的作用。但焦化行業(yè)的發(fā)展，焦炭產量的提高，同時會產生大量富余的焦爐煤氣，過去接近城市的焦化廠聯(lián)建煤氣公司，將焦爐煤氣稍作處理作為居民生活煤氣予以利用。遠離城鎮(zhèn)的地方焦化廠，只能將煉焦煤氣排放到空氣中，不僅對環(huán)境造成嚴重污染，而且也是資源的嚴重浪費。且目前在許多城市因天然氣的清潔環(huán)保而替代原來的城市煤氣（含焦爐煤氣）。也促使我們如何開發(fā)和利用好焦爐煤氣。
所以，如何合理利用焦爐煤氣，促進節(jié)能減排是擺在各級政府和企業(yè)、科研單位面前的一項重要課題。
利用焦爐煤氣制甲醇技術雖已問世多年，但甲醇生產中有大量的馳放氣，其中主要成分為H279.4% 、CO3.8%、CO23.2% 、N2 10.8%。傳統(tǒng)的做法將很珍貴的化工原料氣體送煉焦廠作為燃氣燃燒，很不經濟。而且還有部分不燃氣體隨煙氣放入大氣污染環(huán)境。
韓城黑貓能源利用有限責任公司焦爐氣、甲醇馳放氣綜合利用項目采用寶雞市泰和化工科技有限公司研發(fā)、設計用焦爐煤氣及甲醇馳放氣制合成氨聯(lián)產甲醇的新工藝，于2008年6月開始設計，2008年底開工建設，2009年底建成投產投產。一次開車成功。我們有必要來看看它的現(xiàn)狀并為它的未來做一些有益的工作，使其能為國民經濟的可持續(xù)發(fā)展做出應有的貢獻。
該裝置的建成，成功的解決了富裕焦爐煤氣、甲醇裝置馳放氣、合成氨馳放氣放空污染環(huán)境的問題，實現(xiàn)了資源的綜合利用，為企業(yè)創(chuàng)造了一定的經濟效益。
本項目利用剩余和置換出來的焦爐氣，建設15萬噸/年氨醇裝置，通過變壓吸附提氫、聯(lián)產甲醇，最終生產當地需求較好的液氨。其中，對焦爐氣采用變壓吸附提氫是原料氣前段處理的一條新工藝。
總的來說，焦爐煤氣可以用來發(fā)電、作燃料、制氫氣和液化甲烷、合成天然氣、制取甲醇或合成氨。但就從投資和經濟效益方面以及現(xiàn)在的市場和社會環(huán)境來看，生產甲醇和合成氨才是經濟效益和社會效益較好的方案，過去由于焦爐煤氣制合成氨要進行催化轉化、變換，銅洗或甲烷化等操作工序，流程較長、投資和消耗都比較高，而目前由寶雞市泰和化工科技有限公司研發(fā)的新工藝完全可以和制甲醇相媲美，這是焦爐氣制合成氨的一次重大革新。同時焦爐氣制甲醇和合成氨遠較其它原料制甲醇的成本要低400~800元/噸.氨.醇，因此從這兩個主要方面的因素來看是目前較好的選擇。
生產技術及工藝路線
寶雞市泰和化工科技有限公司為韓城市黑貓能源利用有限公司研發(fā)設計的工藝流量簡圖
工藝流程簡述：
經焦化廠化工產品回收，脫硫后的焦爐氣，進入本裝置介區(qū)后，首先進入氣柜，經始降、緩沖、穩(wěn)壓后，經羅茨風機加壓至0.03MPa，送到粗脫硫工段進行預處理，然后經精濾氣分兩路，一路送至老甲醇系統(tǒng)，送至壓縮機一入。 另一路預處理氣經壓縮機一、二段壓縮后至0.8MPa，再與老甲醇系統(tǒng)放空氣及會合。在混合穩(wěn)壓罐內混合后送至變溫、變壓吸附工段的吸附塔內，利用加壓狀態(tài)下，在不同的吸附劑中（固態(tài)）選擇性的將CH4+Ar及CO2吸附，而H2及CO、N2穿過吸附劑床層成為制甲醇和合成氨的原料氣送入下一工序，通過多次均壓降壓、回收部分有效成分后，吸附塔最后經抽真空將其吸附的CH4+Ar及CO2解析出來送至焦化廠（該氣主要成分為O2 0.14%，N2 4.94%，CO 14.47%，CH4 43.03%，CO2 12.12%，CnHm 2.13%，H2 23.47%，熱值約為21297.02kJ/Nm3較焦爐氣高4%）作為燃料氣配燒焦炭。
原料氣經精脫硫變溫變壓工序后，氣體主要成分為H2 89.72 % ，N25.05%，CO4.29%，CO20.12%，CH4+Ar0.79%，與空分裝置來的氮氣（含N2 99.99%）經過DCS后調裝置按比例配用N2氣在均壓混合罐內混合后，送至氫、氮氣壓縮機三入；經壓縮機三、四、五段（段間設有冷卻分離裝置）壓縮至12Mpa，送至醇化工段。
在醇化工段，首先經洗氨塔用脫鹽水將氣體中的氨脫除至20ppm以下，然后與甲醇循環(huán)機來的循環(huán)氣混合后進入油分，分離掉油和水，由塔頂進入塔內外體環(huán)隙，然手由塔底部進入塔底換熱器與反應后出塔熱氣換熱，再經觸媒層冷管換至220℃左右由中心管進入甲醇觸媒層。在觸媒的作用下 2H2+CO=CH3OH 3H2+CO2=CH3OH+H2O 反應后的氣體經塔底換熱器出塔依次進入脫鹽水加熱器、水冷器將溫度降至25～35℃進入醇分，分離掉其中的甲醇（粗醇），甲醇經液位自控系統(tǒng)調節(jié)放入中間槽后送至甲醇罐區(qū)。閃蒸汽回壓縮三入。有醇分出來的氣體、一路經循環(huán)機加壓后與壓縮五出來氣混合后進入油分循環(huán)，另一路進入甲醇洗塔，塔洗掉夾帶的甲醇后，氣送壓縮機六入。洗醇水濃度達到45～50℃后送中間槽。
由醇化工段來的氣體，H2、N2（其中CO+CO2≤0.5%）經壓縮機六段加壓至22～31.4MPa，送甲烷化凈化段，首先進入循環(huán)機油分（循環(huán)機主要是在觸媒升溫，還原時使用，正常生產時不開啟循環(huán)機），然后進入塔底預熱器與甲醇化出塔氣換熱，然后進入甲烷化塔底部換熱器與出觸媒層氣換熱，進入中心管。通過電爐加熱至260℃后由觸媒層頂部進入，CO、CO2與H2在觸媒作用下生成CH4及H2O和部分高級醇，使CO+CO2及其它對氨觸媒有害物質降至25ppm以下，達到凈化的目的。反應后的氣體依次進入塔底換熱器、出塔后進入塔前分熱器與進塔氣換熱，并使自身溫度降至70℃，依次進入水冷器、水分離器、氨冷器、分離器，分離掉其中的水及高級醇后，送氨合成系統(tǒng)。（另有一條管路送循環(huán)機經循環(huán)機加壓循環(huán)，用于觸媒的升溫還原）。
送合成工段的新鮮氣（其中H2 74 % ，N2 25% ，CO+CO2≤25ppm，CH4+Ar～0.8%）首先進入合成一氨冷與冷交來循環(huán)氣混合，然后進入二氨冷將溫度降至 -15～-20℃，再進入冷交下部分離段、分離掉其中的液氨，再進入上部的換冷段、與循環(huán)機油分來的氣體換冷回收冷量，出冷交的氣體經進合成塔的主，副閥及冷激閥控制，依次進入合成塔的內外件環(huán)隙及塔前預熱器、塔離換器、觸媒層冷管，進入中心管，溫度被提升至385℃，進入觸媒層。在觸媒的作用下，3H2+N2=2NH3+Q，反應區(qū)分四段，沒軸徑向流程以降低后流阻力，段間溫度設冷激、結合冷管、調節(jié)溫度，使其保證在最佳溫度范圍和較高出塔氨含量。反應后的氣體，依次進入塔底換熱器，出塔后（出塔氣氨含量17%）進入廢熱鍋爐（副產1.3MPa蒸汽、0.6T/每噸氨）然后今日塔前預熱器、水加熱器及水冷器，將其溫度降至≤35℃后進入一氨分，分離掉部分冷凝液氨，然后進入循環(huán)氣加壓，經油分分離掉油水后，出來反應完的循環(huán)氣與壓縮機六段來新鮮氣混合進入一氨冷循環(huán)生產合成氨。由冷交及氨分分離掉的液氨通過液位自控系統(tǒng)送至液氨貯罐，經液氨充裝站充裝槽車計量出售。
冷凍系統(tǒng)：由氨槽來的液氨分別加至一、二級氨冷器殼程，循環(huán)氣為溫度將液氨氣化，氣化產生的冷量被循環(huán)氣吸收，氨自身氣化，溫度升高。由冰機將氣氨加壓至1.6MPa，通過蒸發(fā)式冷凝器將其降溫至≤35℃，使其液化成液氨（1.58MPa 40℃ 時氣氨就可液化為液氨） 然后送至氨槽循環(huán)使用。
分工段流程敘述
對焦爐氣采用變壓吸附提氫是近幾年興起的新工藝。其主要優(yōu)點是操作方便、能耗較低。具體特點如下:
韓城黑貓集團工藝的主要特點
1、率先在國內采用工業(yè)化變溫、變壓吸附提H2，脫除CH4及CO2技術，使其成分達到合成氨聯(lián)產甲醇的配比要求；同時輔產的解析氣將CH4含量由20%濃縮至63%，此氣熱值比焦爐氣高35% ，并為后續(xù)新產品液化甲烷（CH4）創(chuàng)造了良好的條件。本工藝相對比傳統(tǒng)的部分氧化、催化轉化工藝投資節(jié)省20%，且流程短、產品消耗低。一次性總投資和單位產品投資低，施工周期短，運行費用低，工藝控制自動化程度高，安全性高，主要是采用物理方法和非化學方法提氫脫碳（CH4、CO2）所以不需要特殊的設備和材料以及高溫下運行的貴金屬觸媒。該工藝應用的吸附劑可用15年以上。
2、該工藝采用目前先進的雙甲（甲醇、甲烷化）工藝，對合成氨原料氣進行凈化，副產部分甲醇（根據實際需求可適應調節(jié)甲醇產量）使氣體不但得到了凈化達到CO+CO2≤25ppm的合成氨氣要求，同時得到了產品甲醇。與傳統(tǒng)的冷機脫碳、醋酸銅氨化銅洗、或低溫甲醇洗、液氨洗工藝相比，有投資省、工藝路線短、運行費用低、無污染及廢氣廢液排放及有效氣利用率高的特點，是該裝置的一大亮點。
3、該工藝采用空分來的氮氣與提氫脫碳來的氣體，通過上述兩種氣體流量及雙甲后氣體成分及氨合成循環(huán)氣成分，采用自主研發(fā)的DCS控制系統(tǒng)，及時合理的調節(jié)H2/N2，確保氨合成系統(tǒng)成分穩(wěn)定、高產、低耗、運行平穩(wěn)。
4、采用焦爐煤氣、提氫氣與氨氣在壓縮機三入混合（即 二合一機組）省去了氮氣壓縮機、做到了H2、N2氣同加同減，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。同時節(jié)省了投資、減少了壓縮機總功耗及運行費用（中、小維修費及輔材消耗）
技術經濟指標分析
以年產10萬噸甲醇+液氨或甲醇計算，投資、成本及經濟技術指標
（1）總投資
表1 焦爐氣制10萬噸液氨5萬噸甲醇
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工程項目 |
費用/萬元 | ||
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①投資建設 |
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15455 | |
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固定資產投資 |
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13302 |
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遞延資產 |
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60 |
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預備案 |
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2093 |
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②建設期貨款利息 |
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443.5 |
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③流動資金 |
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1680 |
（2）消耗
氨聯(lián)產醇：~2816 M3/噸甲醇
表2 單位成本（以1噸甲醇或液氨為一個單位）
|
項目名稱 |
年耗 |
單價 |
費用 |
備注 |
|
原材料（m3） |
2816M3/T NH3 |
0.3元/m3 |
844.8 |
焦爐氣價格按0.3元/m3計 |
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電耗（Kwh） |
810 |
0.4元/Kwh |
324 | |
|
工資及附加費 |
205×40 |
10 |
82 | |
|
折舊費 |
|
|
133 | |
|
維修費及輔材 |
|
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79.8 | |
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財務費用 |
|
|
38 | |
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管理費 |
|
|
29 | |
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合計 |
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1530.60 |
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注：1、目前甲醇市場售價（出廠價）2000~2700元/T
液氨售價（出廠價）2500~3000元/T
2、定員按生產崗位205人，每人每年40000元計工資及附加。
3、固定資產按13302萬元計，其中折舊按每年10%計，維修費及輔材消耗按6%計。
4、年產量按氨 醇 總量10萬噸計
年利稅總額： 以最低出廠價2500元/T NH3計
（2500-1530.6）×105 = 9.694×107元
利潤總額：按銷一進項 ≈12%計
利潤總額為9.694×107 -(2500×12%)×105 = 6.894×107元
每年折舊費總額為133×105 = 1.33×107
投資回報期為（15455+443.5）×104÷{（6.894+1.33）×107 }≈1.93年
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