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1、化学工业第二设计院 辽宁大唐国际阜新煤制天然气项目 Second Design institute of Chemical Industry 可行性研究报告4 工艺技术选择及技术来源4.1 工艺技术选择本项目是利用锡林浩特丰富的煤炭资源，建设公称能力为1200万Nm3/d合成天然气装置。主要工艺技术采用：l 碎煤加压气化l 粗煤气耐油耐硫变换、冷却l 低温甲醇洗净化l 低压蒸汽吸收制冷l ClausScot硫回收工艺l 甲烷化l 废水综合利用、残液焚烧工艺4.1.1 煤气化工艺技术选择 煤气化工艺有十几种，在工业上大量采用的也就是几种，可分为固定床、流化床、气流床三种类型。煤气化工艺选择原则是
2、：（1）根据煤质选择相适应的煤气化工艺。（2）根据煤气加工的产品及用途选择煤气化工艺。（3）装置规模的大型化。本项目采用锡林浩特高水份褐煤。收到基水份34.1%（Mar），低位热值14.4MJ/kg煤（ar）。灰熔点1200-1250。气化生成的煤气加工成1200万Nm3/d合成天然气。依据上述三个原则，由于煤含水分高，不可能制出符合德士古所要求的水煤浆浓度60%以上，流化床气化工艺比较适应年青褐煤气化，但气化压力1Mpa，飞灰太多且含碳高，碳转化率、气化效率较低，在装置大型化方面还存在一定问题，BGL固定床液态排渣压力气化，虽然较好适应高水份褐煤气化，且有蒸汽消耗低，煤气中甲烷含量高的特点，
3、但技术还不成熟。因此大唐国际阜新煤制天然气项目可供选择的气化工艺有GSP、Shell干粉煤、液态排渣气流床压力气化，Lurgi碎煤固定床干法排灰压力气化。为此对三种气化工艺进行详细的比较如下：GSP、Shell、Lurgi三种气化工艺比较名称GSPShellLurgi原料要求（1）褐煤无烟煤全部煤种，石油焦、油渣、生物质；（2）粒径250m500m含水2%干粉煤（褐煤8%）；（3）灰熔融性温度1500；（4）灰分1%20%（1）褐煤无烟煤全部煤种；（2）90%100目含水2%干粉煤（褐煤8%）；（3）灰熔融性温度1500；（4）灰分8%20%除主焦煤外全部煤种，5-50mm碎煤，含水35%以下
4、，灰25%以下， 灰熔点1200气化温度/1450155014501550取决煤灰熔点，在DT-ST间操作气化压力/Mpa4.04.03.0-4.0气化工艺特点干粉煤供料，顶部单喷嘴，承压外壳内有水冷壁，激冷流程，由水冷壁回收少量蒸汽，除喷嘴外材质全为碳钢干粉煤供料，下部多喷嘴对喷，承压外壳内有水冷壁，废锅流程，充分回收废热产蒸汽，材质碳钢、合金钢、不锈钢粒状煤供料，固体物料和气化剂逆流接触，煤通过锁斗加入到气化炉，通过灰锁斗将灰排出炉外，气化炉由承压外壳、水夹套、转动炉篦组成，炉内物料明显分为干燥、干馏、煤气化洗涤除焦油/尘后进入废锅。材质为碳钢投煤2000t/d，单台气化炉尺寸/mm内=3
5、500H-17000内=4600（投煤2300t/d）H=31640内=4000 H=11000投煤量800-1000t/d耐火砖或水冷壁寿命/a2020喷嘴寿命10a，前端部分1a1a1.5a气化炉台数161646冷激室或废锅尺寸/mm冷激室内=3500约为2500除尘冷却方式分离+洗涤干式过滤+洗涤洗涤去变换温度/22040180185建筑物（不包括变换）装置占地：9000m2高约55m（气化部分）装置占地：9000 m2高约85m90m（气化部分）40m标煤消耗t/106KJ（包括干燥）34.2（包括干燥）34.2（包括焦油等副产品）33氧耗Nm3/106KJ（99.6%）292910（
6、包括焦油热值）蒸汽消耗kg/106KJ（包括造气变换副产的中低压蒸汽）0-3.60电耗KW/106KJ3.65.80.3碳转化率%999999（包括焦油等副产品）冷气效率%808080（包括焦油等副产品）气化热效率%909690（包括焦油等副产品）投资 万元1200104Nm3/d天然气967000（其中空分522000）1272000（其中空分522000）480000（其中空分184000）由上表可知：（1） 三种煤气化工艺在消耗指标上，消耗高水份原料煤基本一样，差别最大的是氧气消耗，Shell、GSP气化是Lurgi气化的2.9倍。电：Shell是Lurgi气化的19倍，GSP是Lurg
7、i气化的12倍。蒸汽：GSP、Lurgi比Shell每106KJ多消耗3.5kg。（2） 包括焦油等副产品在内，三种气化工艺的碳转化率、气化效率、气化热效率基本一样。（3） 三种煤气化投资相差很大。Shell投资是Lurgi的2.6倍，GSP是Lurgi的2倍。造成投资大的主要原因除气化装置外，空分装置影响更大。煤气化、空分比较结果还不能代表全部工艺的比较结果，对于以煤原料生产合成天然气，Lurgi煤气化生产煤气中按热值分布，焦油约占煤总热值的10%，甲烷热值约占煤气总热值30%。H2、CO约占60%。因此采用Lurgi煤气化工艺合成天然气比Shell、GSP煤气化工艺，变换、低温甲醇洗净化装
8、置、甲烷化装置处理量大大减少，消耗、投资大大降低。综上所述煤气化推荐选Lurgi煤气化。4.1.2 粗煤气变换：由于粗煤气中含硫、含焦油等杂质，因此只能选择耐硫耐油催化剂进行CO变换，使煤气中H2/CO=3.13.3。4.1.3 煤气净化工艺技术的选择众所周知，碎煤加压气化由于逆流气化过程，煤气出炉温度低，粗煤气成分复杂，其气体组分包括CO、H2、CO2、CH4、H2S、有机硫、C2H4、C2H6、C3H8、C4H10、HCN、N2、Ar以及焦油、脂肪酸、酚、氨、石脑油、油、灰尘等。在这些组分中除CO、H2、CH4有效组分和N2，Ar等惰性气体外，其余所有组分包括CO2和硫化物都是需要脱除的有
9、害杂质，可见其净化任务的艰巨。纵观当今各种气体净化工艺，能担当此重任者非低温甲醇洗莫属。这是因为只有低温甲醇洗净化才可以在同一装置内全部干净地脱除各种有害成分，诸如CO2、H2S、COS、C4H10S、HCN、NH3、H2O、C2以上烃类（包括轻油、芳香烃、石脑油、烯烃及胶质物等）以及其他化合物等。另外碎煤加压气化原料气压力较高，气体中CO2、H2S分压相对较高，所以本身就有利于发挥低温甲醇洗物理吸收的特性。除此之外，低温甲醇洗工艺与其他净化工艺相比还有着如下各种显著的优点：l 吸收能力强，溶液循环量小l 再生能耗低l 气体净化度高l 溶剂热稳定性和化学稳定性好，溶剂不降解、不起泡，纯甲醇对设
10、备不腐蚀l 溶液粘度小，有利于节省动力l 甲醇和水可以互溶，利用此特性可以用其干燥原料气，而且利用其与水的互溶性用水可以将石脑油从甲醇中萃取出来l 甲醇溶剂价廉易得l 流程合理，操作简便低温甲醇洗在同一装置中实现了多种杂质的脱除，相对于其他净化方法的多种净化工艺组合而言，工序相对单一、合理，便于操作管理。低温甲醇洗与NHD净化工艺相比由于装置在低温下操作，需用低温材料，因此投资较高。但由于NHD的吸收能力较低温甲醇洗低，溶剂循环量大，用电消耗大，加之NHD溶剂较贵，总体操作费用较高。总体而言，低温甲醇洗综合运行的经济性优于NHD净化工艺。所以鉴于碎煤加压气化复杂的气体杂质，基于低温甲醇洗净化可
11、以一次性综合脱除各种杂质的独特优势，无疑碎煤加压气化配套低温甲醇洗是最合理的组合。化二院国产化的技术主要基于：l 对众多引进装置的消化吸收化二院（天脊集团项目）20世纪70年代末从德国鲁奇公司引进低温甲醇洗净化技术，原化工部购买了林德公司低温甲醇洗、液氮洗专利技术，供部属设计院使用。随后从民主德国PKM公司、德国林德公司总共引进建设了五套大型低温甲醇洗装置的基础设计及关键设备。分别配套碎煤加压气化及壳牌气化，最终产品分别是城市煤气联产甲醇或单产合成氨。无疑这是对低温甲醇洗技术进行消化吸收的有利基础。l 完成国家“七五”“八五”重点科技攻关课题之一碎煤加压气化日产100万立方城市煤气的低温甲醇洗
12、基础设计本课题的完成最重要的成果是在国家科委及化工部组织的课题攻关中，由国内实力很强的上海化工研究院、南京化工研究院配合化二院进行了大量的相平衡数据及热力学数据测定，从而根本上解决了困扰低温甲醇洗国产化设计所需的物性数据库问题。l 完成国家“九五”科技攻关课题加压气化优化设计低温甲醇洗课题利用国内自行测定的物性数据对众多引进装置进行核算检验，在对物性数据的修正及计算程序的优化中，化学工业第二设计院建立了完整的低温甲醇洗数据库以及ASPEN技术软件为平台的模拟计算数学模型，至此完成了国内技术软件的积累工程。l 国内低温甲醇洗硬件已基本实现国产化三十多年来在国内有关部委的支持下，在有关生产企业的通
13、力配合下，国内硬件技术应该说已经基本解决。对于低温甲醇洗所必需的低温钢、低温管件、低温阀门、低温泵的制造以及塔内件的设计和难度较大的设备制造（如缠绕式换热器）已基本实现了国产化。目前即使引进的低温甲醇洗装置硬件供应也全部是国内生产。当然需要说明的是因批量或制造周期原因有些低温材料国内订货困难，也可能从国外引进。此外对于流量大、扬程高的低温泵为保证长周期、可靠运行也可考虑从国外引进。4.1.4 制冷工艺的选择低温甲醇洗装置所需-40级冷量为8586106kcal/h，0级冷量13.92106kcal/h。干燥装置所需-40级冷量为13.86106kcal/h，制冷有三种方案可供选择：（1）混合制
14、冷 此方案是将蒸发后的气氨经离心式氨压机提压后再去吸收制冷，避免了吸收器在负压下操作，使生产操作更加稳妥可靠，混合制冷采用工艺付产的低压蒸汽作热源，系统中的溶解热及冷凝热由冷却水带出。（2）吸收制冷 根据冷量级别可采用一级吸收制冷或两级吸收制冷。吸收制冷是在低压低温下用水吸收冷媒，在蒸汽提供热源的条件下将冷媒在一定温度、压力下蒸馏出来。然后冷却减压制冷。吸收制冷要消耗大量蒸汽和循环水，制冷效率较低，只有在流程中有大量低位热能或低压蒸汽找不到用途时，才显示其优越性。（3）压缩制冷离心式压缩机制冷量大；结构紧凑、重量轻、尺寸小，因而占地面积小；没有气阀、填料、活塞环等往复易损零件，因而工作可靠，操
15、作方便，运转率高，但投资要大。 该项目煤气化、变换、甲烷化装置大量低位废热或付产的低压蒸汽，没有可利用的用户，所以推荐采用双级吸收制冷工艺。4.1.5 甲烷化技术选择甲烷化技术是鲁奇公司、南非沙索公司工程师在20世纪70年代开始在两个半工业化实验厂上进行试验证明了煤气进行甲烷化可制取合格的合成天然气。CO转化率可达100%，CO2转化率可达98%，甲烷可达95%，低热值达8500kcal/Nm3。美国大平原煤气化制合成天然气已于1984年投产，它是世界上第一座由鲁奇固定床干法排灰压力煤气化生产的煤气净化后经甲烷化合成天然气的大型商业化工厂。原计划分为两个阶段建设一座778万Nm3/d的合成天然气工厂。第一期工程的设计能力为日产合成天然气389万米3（相当于日产原油2万桶），于1980年7月破土动工，1984年4月完工并投入试运转，1984年7月28
