石鋒

(湖南百利工程科技股份有限公司上海分公司,上海 200127)

焦?fàn)t煤氣、焦炭制乙二醇工藝及成本分析

石鋒

(湖南百利工程科技股份有限公司上海分公司,上海 200127)

焦?fàn)t煤氣制乙二醇是新型煤焦化工的重要路線(xiàn)之一,是近年國(guó)內(nèi)外關(guān)注的煤焦化工的投資熱點(diǎn)。本文對(duì)以焦?fàn)t煤氣和焦炭為源頭生產(chǎn)乙二醇裝置的技術(shù)經(jīng)濟(jì)方案進(jìn)行分析,詳細(xì)闡述以焦?fàn)t煤氣和焦炭為原料,經(jīng)過(guò)氫氣分離、焦炭制一氧化碳、二氧化碳回收、空分、合成氣制乙二醇等工藝路線(xiàn)的工藝裝置和公用工程配置,計(jì)算得出工藝裝置投資組成、生產(chǎn)成本分析等。認(rèn)為在投資焦?fàn)t煤氣制乙二醇裝置時(shí),應(yīng)充分考慮工藝方案的可行性和產(chǎn)品乙二醇的成本等因素。

焦?fàn)t煤氣 焦炭 乙二醇 技術(shù) 公用工程 投資 生產(chǎn)成本

焦?fàn)t煤氣利用不僅是煉焦生產(chǎn)資源綜合利用的重要方式，也是焦化行業(yè)節(jié)能減排的必要途徑。焦?fàn)t煤氣是僅次于焦炭的煉焦產(chǎn)品，除焦?fàn)t自身加熱使用外，每噸焦炭還有200多立方米的富余[1]，見(jiàn)圖1。

圖1 煉焦工藝流程示意圖

我國(guó)焦炭產(chǎn)量巨大，每年由此而產(chǎn)生的數(shù)百億立方米焦?fàn)t煤氣的綜合利用已經(jīng)成為我國(guó)煉焦行業(yè)亟待解決的事宜。根據(jù)焦?fàn)t煤氣含氫量高的特點(diǎn)，如何轉(zhuǎn)換為附加值高的化工原料路線(xiàn)引起了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注，主要是指焦?fàn)t煤氣發(fā)電、焦?fàn)t煤氣制氫、焦?fàn)t煤氣制天然氣、焦?fàn)t煤氣制合成氨、焦?fàn)t煤氣制甲醇和焦?fàn)t煤氣制乙二醇等利用方向[2]。其中，選擇哪種工藝路線(xiàn)，除緊密結(jié)合焦炭企業(yè)自身特點(diǎn)和近遠(yuǎn)期規(guī)劃外，按照衍生化學(xué)品的附加值來(lái)說(shuō)，焦?fàn)t煤氣制乙二醇是新型煤焦化工的重要路線(xiàn)之一。

近幾年，國(guó)內(nèi)部分焦化企業(yè)正在規(guī)劃和建設(shè)焦?fàn)t煤氣制乙二醇項(xiàng)目，其工藝流程：焦?fàn)t煤氣經(jīng)壓縮至甲烷非催化轉(zhuǎn)化，再經(jīng)低溫甲醇洗脫除酸性氣體后，凈化氣送冷箱和變壓吸附分離出一氧化碳和氫氣，送入合成氣制乙二醇裝置。該工藝路線(xiàn)長(zhǎng)、工藝裝置多、投資高，與已有焦化裝置上下游一體化的優(yōu)勢(shì)不明顯。

本文將采用以焦?fàn)t煤氣和焦炭為原料，生產(chǎn)氫氣、一氧化碳，再采用偶聯(lián)加氫合成法生產(chǎn)乙二醇，可實(shí)現(xiàn)原料本地化、上下游產(chǎn)品一體化、節(jié)能減排低碳化，促進(jìn)我國(guó)的焦炭工業(yè)跨上新的臺(tái)階。以焦?fàn)t煤氣和焦炭為源頭生產(chǎn)乙二醇裝置的技術(shù)經(jīng)濟(jì)方案進(jìn)行分析，從工藝技術(shù)方案、公用工程配置、投資及經(jīng)濟(jì)效益等方面進(jìn)行詳細(xì)闡述。

1 焦?fàn)t煤氣、焦炭制乙二醇裝置的工藝技術(shù)方案

焦?fàn)t煤氣、焦炭制乙二醇裝置工藝流程框圖見(jiàn)圖2。

圖2 焦?fàn)t煤氣、焦炭制乙二醇裝置工藝流程框圖

2 工藝裝置配置

焦?fàn)t煤氣、焦炭制乙二醇裝置的基本配置為：氫氣分離、焦炭制一氧化碳、二氧化碳回收、空分、合成氣制乙二醇，共五套工藝裝置。

2.1 氫氣分離裝置

焦?fàn)t煤氣富含H2、CO、CH4、CO2等，隨著煉焦配比和操作工藝參數(shù)的不同，焦?fàn)t煤氣的組成略有變化，一般焦?fàn)t煤氣的組成見(jiàn)表1[3]。

表1 焦?fàn)t煤氣的組成

本裝置采用變壓吸附提氫工藝技術(shù)。焦?fàn)t煤氣先進(jìn)入預(yù)處理系統(tǒng)，經(jīng)脫萘、干法脫硫、壓縮、除油等預(yù)處理后，進(jìn)入PSA-H2系統(tǒng)的吸附器，吸附壓力1.7MPa，吸附器頂部輸出的氫氣壓力約1.7MPa，經(jīng)氫氣緩沖罐后，送到后處理單元，經(jīng)脫氧、脫水、干燥后，產(chǎn)品氫氣直接送往乙二醇裝置，作為乙二醇加氫的原料氣。解吸氣作為預(yù)處理器和脫萘器的再生氣，對(duì)預(yù)處理器和脫萘器進(jìn)行再生后，直接輸出至焦?fàn)t作燃料。此流程技術(shù)成熟，具有操作可靠、穩(wěn)定運(yùn)行等特點(diǎn)[4]。

2.2 焦炭制一氧化碳

本裝置采用焦炭、純氧和二氧化碳連續(xù)制備技術(shù)[5]。裝置由造氣單元、脫硫工單元、變壓吸附等組成。以焦炭為原料，氧氣及二氧化碳為氣化劑，在新型一氧化碳?xì)饣癄t內(nèi)進(jìn)行氣化反應(yīng)，制得粗煤氣，選用濕法與干法結(jié)合脫硫工藝，再經(jīng)變壓吸附單元獲得高純一氧化碳直接送往乙二醇裝置。

新型一氧化碳?xì)饣癄t的特點(diǎn)是：連續(xù)加料，連續(xù)氣化，間歇排渣，自動(dòng)化控制水平高，操作運(yùn)行平穩(wěn)。爐體采用耐火隔熱層外加水夾套結(jié)構(gòu)，盡量減少副產(chǎn)蒸汽量保證熱量用于還原反應(yīng)。專(zhuān)用爐篦具有均勻布?xì)?、破渣、排渣等多種功能。爐體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，故障率低。

使用焦?fàn)t回收的CO2氣體，變廢為寶，降低原料消耗。二氧化碳除參加反應(yīng)外，還起到載熱體作用和調(diào)節(jié)溫度作用[6]，控制燃燒層最高溫度在灰熔點(diǎn)50℃以下，防止灰渣結(jié)塊。

圖2 工程費(fèi)用的組成

2.3 二氧化碳回收裝置

焦?fàn)t煙氣經(jīng)蓄熱室預(yù)熱空氣和余熱回收后，經(jīng)總煙道、煙囪排至大氣。由于煙道氣中含有大量二氧化碳，由此產(chǎn)生的“溫室效應(yīng)”也日益影響著全球氣候[7]。本文結(jié)合煙道氣的特性以及焦化企業(yè)的特點(diǎn)從資源化利用二氧化碳的角度提出從煙道氣中回收部分二氧化碳，不但為焦化企業(yè)節(jié)能減排、創(chuàng)造綠色經(jīng)濟(jì)做出貢獻(xiàn)，同時(shí)也滿(mǎn)足焦炭制備一氧化碳裝置的原料需求。

從煙道氣中回收CO2，國(guó)內(nèi)外主要采用MEA(一乙醇胺)法。但常規(guī)MEA法存在設(shè)備腐蝕性嚴(yán)重、溶劑降解損耗大和蒸汽消耗高等缺點(diǎn)?？紤]到煙道氣中CO2分壓低，且含O2，常規(guī)方法都不適用，為此本裝置采用從煙道氣中回收CO2新技術(shù)，該技術(shù)采用復(fù)合胺水溶液，同時(shí)添加抗氧劑和防腐劑。該溶劑具有較高的吸收速度和吸收能力；與傳統(tǒng)的MEA法相比，吸收能力提高25%，能耗降低30%，操作費(fèi)用降低30%以上，解決了MEA法存在的胺氧化降解等問(wèn)題。同時(shí)溶劑對(duì)設(shè)備基本不腐蝕，適用于回收低分壓CO2，尤其是回收煙道氣中的CO2，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

2.4 空分裝置

目前深冷法制取氧氣的空分裝置流程主要有兩大類(lèi)：全低壓外壓縮流程和液氧內(nèi)壓縮流程[8]。外壓縮流程就是空分設(shè)備生產(chǎn)低壓氧氣，然后經(jīng)氧壓機(jī)加壓至所需壓力供給用戶(hù)，也稱(chēng)之為常規(guī)空分。與外壓縮流程相比，內(nèi)壓縮流程主要的技術(shù)變化在兩個(gè)部分：精餾與換熱。外壓縮流程空分是由精餾塔直接產(chǎn)生低壓氧氣，再經(jīng)主換熱器復(fù)熱出冷箱；而內(nèi)壓縮流程空分是從精餾塔的主冷凝蒸發(fā)器抽取液氧，再由液氧泵加壓至所需壓力，然后再由一股高壓空氣與液氧換熱，使其汽化出冷箱作為產(chǎn)品氣體?？梢院?jiǎn)單地認(rèn)為，內(nèi)壓縮流程是用液氧泵加上空氣增壓機(jī)取代了外壓縮流程的氧壓機(jī)。

針對(duì)焦?fàn)t煤氣、焦炭制乙二醇裝置所需氧氣的條件，空分裝置采用常溫分子篩預(yù)凈化，空氣增壓透平膨脹機(jī)提供裝置所需冷量，液氧自增壓，全低壓精餾工藝。

2.5 合成氣制乙二醇裝置

以一氧化碳、氫氣和甲醇為原料，用草酸酯加氫合成法生產(chǎn)乙二醇。草酸酯加氫合成法有液相法和氣相法兩種技術(shù)[9]。與液相法相比，氣相法采用固定床，不需要催化劑分離裝置，減少了催化劑的損失；不需要高壓反應(yīng)器，減少了固定投資和動(dòng)力消耗；不需要脫水，副產(chǎn)物少等優(yōu)點(diǎn)。該方法在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，并隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，其優(yōu)勢(shì)更加明顯。

3 公用工程配置

焦?fàn)t煤氣、焦炭制乙二醇裝置需配套以下公用工程。

3.1 供熱

(1)蒸汽。焦?fàn)t煤氣、焦炭制乙二醇工藝裝置所需的供熱蒸汽主要由熱電站的外供蒸汽和工藝裝置自產(chǎn)蒸汽所組成。各裝置在使用蒸汽及余熱回收時(shí)，盡可能使用低等級(jí)蒸汽，發(fā)生高等級(jí)蒸汽，以提高熱利用率。

(2)鍋爐給水。熱電站設(shè)置公用鍋爐給水裝置，滿(mǎn)足工藝裝置區(qū)和動(dòng)力站的鍋爐給水系統(tǒng)使用。

(3)冷凝水回收系統(tǒng)。工藝裝置區(qū)和動(dòng)力站產(chǎn)生的工藝凝結(jié)水和透平凝結(jié)水，由泵送至凝結(jié)水站精制處理，再供工藝裝置使用。

(4)脫鹽水。工藝裝置所需的脫鹽水，主要由凝結(jié)水站提供的精制冷凝液為主，不足部分由脫鹽水站提供。

3.2 供配電和通信

作為煤焦化工工程，可靠的電力供應(yīng)是保證其正常運(yùn)作的前提條件之一。按照能量綜合利用的原則建設(shè)熱電站，不僅能提供工藝裝置所需的蒸汽， 還能提供所需部分電力，提高了資源的利用效率。焦?fàn)t煤氣、焦炭制乙二醇裝置建35kV變電所2座，分別位于各工藝裝置、公用工程及輔助生產(chǎn)設(shè)施內(nèi)，為各用電負(fù)荷供電。

裝置的電信設(shè)計(jì)包括以下系統(tǒng)：電話(huà)及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、電視監(jiān)控系統(tǒng)。

3.3 給排水

(1)給水系統(tǒng)需配置循環(huán)水系統(tǒng)、生活與生產(chǎn)水系統(tǒng)和消防水系統(tǒng)等。1)循環(huán)水系統(tǒng)需設(shè)置循環(huán)水場(chǎng)，供水壓力大于0.6MPG，回水壓力大于0.2MPG。出塔溫度與進(jìn)塔溫度的溫差10℃，采用余壓循環(huán)回水上塔。補(bǔ)充水為生產(chǎn)水。2)生活與生產(chǎn)水系統(tǒng)需設(shè)置凈水站，生活水水質(zhì)符合《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》GB 5749-2006的要求，主要用于安全淋浴器、洗眼器及洗臉盆等生活設(shè)施；生產(chǎn)水水質(zhì)滿(mǎn)足用戶(hù)的要求，主要用于沖洗水、生產(chǎn)用水、循環(huán)補(bǔ)充水等。3)消防水為穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)，由消防泵房供給。

(2)排水系統(tǒng)含雨水及事故水系統(tǒng)、生活污水系統(tǒng)、生產(chǎn)污水系統(tǒng)等：雨水及事故水系統(tǒng)需設(shè)置雨水收集池及監(jiān)控池，事故時(shí)產(chǎn)生的消防水和工藝物料泄露等污染水先進(jìn)入裝置內(nèi)的污染雨水儲(chǔ)存池，并通過(guò)溢流進(jìn)入雨水系統(tǒng)，匯集到全廠(chǎng)事故池進(jìn)行儲(chǔ)存，事故后根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)情況將事故水提升送至污水處理場(chǎng)進(jìn)行處理或送至廠(chǎng)外雨水系統(tǒng)。

生活污水系統(tǒng)通過(guò)各裝置內(nèi)的管道收集后，自流接入污水處理場(chǎng)。

各區(qū)域生產(chǎn)污水、初期雨水、地面沖洗水通過(guò)管道收集后自流至污水處理場(chǎng)。

3.4 儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)

儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)、廠(chǎng)內(nèi)外工藝及熱力管網(wǎng)主要包括廠(chǎng)內(nèi)原料罐區(qū)和乙二醇產(chǎn)品罐區(qū)，廠(chǎng)內(nèi)工藝及熱力管網(wǎng)及乙二醇成品的出廠(chǎng)設(shè)施。

3.5 空壓站

空壓站是為工藝用戶(hù)提供一般壓縮空氣、為儀表用戶(hù)提供潔凈、少油、無(wú)水的常溫壓縮空氣。

4 投資及經(jīng)濟(jì)效益分析

分析焦?fàn)t煤氣、焦炭制乙二醇裝置的總投資中工程費(fèi)用組成以及工藝生產(chǎn)裝置投資組成見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 工藝生產(chǎn)裝置投資組成

由圖3、圖4分析，若沒(méi)有公用工程可依托，完全新建一套焦?fàn)t煤氣、焦炭制乙二醇裝置的話(huà)，其配套系統(tǒng)占工程投資比例近30%。而工藝生產(chǎn)裝置的投資比例中，合成氣制乙二醇裝置比重最大，占到75%。這是因?yàn)橐叶妓韬铣蓺馀渲梅桨负侠?，最大限度地利用原有焦化裝置附加值低的產(chǎn)品，上下游一體化程度較好，合成氣配置的技術(shù)方案及投資費(fèi)用成為合成氣制乙二醇聯(lián)合裝置的關(guān)鍵所在。

以某焦化企業(yè)提供的原料和公用工程價(jià)格為例：焦?fàn)t煤氣為0.6元/標(biāo)立，焦炭為1800元/噸，原水為2元/噸，電為0.58元/度，動(dòng)力煤為500元/噸，進(jìn)行20萬(wàn)噸/年焦?fàn)t煤氣、焦炭制乙二醇裝置的各項(xiàng)成本初步測(cè)算，如表2。

表2 焦?fàn)t氣制乙二醇成本組成表

由表2可以分析焦?fàn)t煤氣、焦炭制乙二醇裝置的成本組成，見(jiàn)圖5、圖6。

圖5 焦?fàn)t煤氣、焦炭制乙二醇成本組成圖

圖6 原材料和輔助材料成本分布圖

由圖5分析，焦?fàn)t煤氣、焦炭制乙二醇裝置單位產(chǎn)品成本組成中：生產(chǎn)成本最大，占總成本的93%；其次是財(cái)務(wù)費(fèi)用約為3%，主要是利息的支出；再次是管理費(fèi)用，主要是無(wú)形資產(chǎn)的攤銷(xiāo)和其他管理費(fèi)用。

由圖6可見(jiàn)，焦?fàn)t煤氣是原材料和輔助材料成本中最大用戶(hù)，約占該部分成本的56%；其次是焦炭約為28%，由此可知，配置合成氣制乙二醇主要原料氫氣和一氧化碳的成本最大，占原材料和輔助材料成本的84%，說(shuō)明該配氣方案科學(xué)合理。

近幾年乙二醇價(jià)格波動(dòng)幅度較大，在這個(gè)過(guò)程中，高成本的乙烯法生產(chǎn)企業(yè)是市場(chǎng)價(jià)格的重要確定因素。預(yù)計(jì)在未來(lái)幾年中，這些高成本的企業(yè)將逐漸退出市場(chǎng)，從而讓草酸酯加氫合成法制乙二醇的生產(chǎn)企業(yè)享有可觀(guān)的利潤(rùn)。預(yù)計(jì)隨著市場(chǎng)供需的新一輪平衡，只有那些擁有先進(jìn)配置合成氣技術(shù)或(和)擁有經(jīng)濟(jì)的原料供應(yīng)的企業(yè)能夠勝出，則投資焦?fàn)t煤氣制乙二醇項(xiàng)目具有較低的生產(chǎn)成本，應(yīng)能取得較好的收益。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)以焦?fàn)t煤氣、焦炭為原料，經(jīng)過(guò)氫氣分離、焦炭制一氧化碳、二氧化碳回收、空分、合成氣制乙二醇等工藝路線(xiàn)，以氫氣、CO與甲醇為原料，采用草酸酯加氫合成法生產(chǎn)乙二醇是一條工藝可行的路線(xiàn)。

(2)焦?fàn)t煤氣、焦炭制乙二醇裝置的總成本為3231元/ t乙二醇產(chǎn)品，成本指標(biāo)優(yōu)勢(shì)明顯且處于國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。原材料消耗是整個(gè)乙二醇產(chǎn)品的最大成本，而副產(chǎn)品銷(xiāo)售的盈利以及焦?fàn)t煤氣脫氫后的尾氣做燃料氣，可較大降低產(chǎn)品成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

(3)合成氣制乙二醇裝置的成本關(guān)鍵看配置合成氣的價(jià)格，采用低廉的焦?fàn)t煤氣和焦炭組合配置合成氣的方案具有較低的生產(chǎn)成本，具有較好的經(jīng)濟(jì)收益。

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