楊 璐

(中海油山東化學(xué)工程有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250101)

焦?fàn)t氣制LNG工藝技術(shù)優(yōu)化研究

楊 璐

(中海油山東化學(xué)工程有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250101)

焦?fàn)t煤氣制LNG是焦化行業(yè)的熱點(diǎn)，其不僅可降低環(huán)境污染，還能帶動(dòng)能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整。本文介紹了當(dāng)前主要的焦?fàn)t煤氣制LNG的工藝技術(shù)，并結(jié)合實(shí)際運(yùn)行情況，從工藝流程及設(shè)備配置等方面對(duì)焦?fàn)t煤氣制LNG的工藝進(jìn)行了優(yōu)化分析。

焦?fàn)t煤氣； LNG；工藝流程；設(shè)備配置；優(yōu)化

我國焦炭產(chǎn)量穩(wěn)居世界第一，同時(shí)副產(chǎn)大量焦?fàn)t煤氣，據(jù)統(tǒng)計(jì)，近年來我國約有500多億m3的焦?fàn)t煤氣沒有被回收利用，而是直接燃燒后排放至大氣中，造成能源浪費(fèi)的同時(shí)，也污染了大氣環(huán)境[1]。對(duì)焦?fàn)t氣的綜合利用成為國家發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)的重要環(huán)節(jié)之一，焦?fàn)t煤氣制甲醇、焦?fàn)t煤氣制天然氣、焦?fàn)t煤氣提氫、焦?fàn)t氣發(fā)電等技術(shù)逐步發(fā)展并得以工業(yè)化生產(chǎn)[2]，其中尤以焦?fàn)t煤氣制甲醇的技術(shù)最為成熟。

然而目前我國甲醇產(chǎn)能過剩，而天然氣資源短缺，焦?fàn)t煤氣制天然氣不僅可降低環(huán)境污染，還能帶動(dòng)能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整及技術(shù)進(jìn)步，是當(dāng)前較為熱點(diǎn)的焦?fàn)t煤氣再利用方法，焦?fàn)t煤氣制天然氣的方法主要分為兩類：一類是將焦?fàn)t煤氣甲烷化，另一類是將CH4從焦?fàn)t煤氣中分離出來[3]；第二種方法流程較為簡單、投資少，但是無法充分利用焦?fàn)t煤氣中的CO2、CO等成分，因此本文主要對(duì)焦?fàn)t煤氣甲烷化的工藝進(jìn)行分析研究。

1 焦?fàn)t氣制LNG工藝路線

1.1 技術(shù)原理

焦?fàn)t煤氣成分較為復(fù)雜，主要為H2、CH4、CO2、CO，另外還含有H2S、CS2、COS、NH3、HCN、焦油、苯、萘、噻吩、硫醇、硫醚等物質(zhì)[4]。

焦?fàn)t煤氣甲烷化主要是其中的CO2、CO與H2在催化劑的作用下反應(yīng)生成CH4，主反應(yīng)式見公式(1)和(2)。

(2)

上述反應(yīng)為強(qiáng)放熱反應(yīng)，每1% CO、CO2轉(zhuǎn)化CH4可使溫度升高60～70℃[5]，反應(yīng)過程中可使反應(yīng)器的溫度升高至650℃以上。

1.2 工藝流程

目前主要有兩種焦?fàn)t煤氣制LNG的工藝，基本流程相似，因甲烷化反應(yīng)溫升較高，其主要區(qū)別在于甲烷化工藝。一種是高溫甲烷化工藝，采用絕熱式反應(yīng)器，往往設(shè)三級(jí)或四級(jí)反應(yīng)，并且在每級(jí)反應(yīng)出口利用換熱器或廢熱鍋爐移走部分反應(yīng)熱；另一種是低溫甲烷化工藝，采用等溫反應(yīng)器[6]，反應(yīng)器溫度維持在450℃以下。

2 工藝技術(shù)優(yōu)化

某焦?fàn)t煤氣制LNG工廠主要的工藝流程為：焦?fàn)t煤氣利用變溫吸附(TSA)脫除焦?fàn)t煤氣中的焦油、苯、萘等雜質(zhì)，繼而利用脫硫槽及加氫反應(yīng)脫除H2S和有機(jī)硫，凈化后焦?fàn)t煤氣在催化劑的作用下進(jìn)行甲烷化反應(yīng)，甲烷化后的天然氣經(jīng)干燥、脫汞后利用混合冷劑進(jìn)行深冷液化，液化時(shí)副產(chǎn)的馳放氣經(jīng)脫氫、脫氮后得富甲烷氣和富氫氣，富甲烷氣回收利用，富氫氣送往火炬燃燒，液化后的LNG送入儲(chǔ)罐儲(chǔ)存，產(chǎn)生的BOG氣體回收利用，如圖1所示。

通過調(diào)研該工廠，發(fā)現(xiàn)焦?fàn)t煤氣制LNG的過程中出現(xiàn)產(chǎn)品苯含量偏高、催化劑失活過快、裝置能耗較高、生產(chǎn)不穩(wěn)定等問題。針對(duì)實(shí)際運(yùn)行的情況，從以下幾個(gè)方面對(duì)焦?fàn)t煤氣的工藝流程進(jìn)行了優(yōu)化。

圖1 焦?fàn)t煤氣制LNG工廠工藝流程

2.1 工藝流程優(yōu)化

2.1.1 原料氣預(yù)脫硫

產(chǎn)品中苯含量較高是由于預(yù)處理階段脫苯的催化劑吸附不佳，未把苯脫除干凈導(dǎo)致的，而脫苯催化劑吸附效果與焦?fàn)t氣中硫含量密切相關(guān)。當(dāng)焦?fàn)t煤氣中的硫含量較高時(shí)，其中的硫單質(zhì)會(huì)吸附在脫苯催化劑和脫萘催化劑表面，導(dǎo)致催化劑吸附效果不佳，裝置脫除苯和萘的效果下降，從而導(dǎo)致苯含量超標(biāo)。

因此，可在脫苯、脫萘開始前先進(jìn)行預(yù)脫硫，通過設(shè)置氧化鐵脫硫槽，使焦?fàn)t煤氣中的H2S轉(zhuǎn)化為Fe2S3·H2O，從而將進(jìn)入脫苯、脫萘裝置的焦?fàn)t煤氣中的硫含量維持在較低的水平，從而避免催化劑吸附效果下降、產(chǎn)品苯含量高的問題。

2.1.2 甲烷化工藝優(yōu)化

甲烷化反應(yīng)催化劑失活過快與甲烷化反應(yīng)器內(nèi)溫度偏高有關(guān)。甲烷化的反應(yīng)溫度較高時(shí)會(huì)伴隨析碳反應(yīng)的發(fā)生。析出的碳會(huì)沉積在催化劑的表面，從而導(dǎo)致催化劑的失活，另外，當(dāng)溫度過高時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致催化劑燒結(jié)失活，因此抑制甲烷化反應(yīng)深度或及時(shí)移除反應(yīng)熱，是甲烷化工藝的關(guān)鍵[4]。

可通過在焦?fàn)t煤氣中摻入較低溫度的水蒸氣來抑制甲烷化反應(yīng)的深度[7]，同時(shí)，可設(shè)置多級(jí)甲烷化反應(yīng)器，并且通過控制入口焦?fàn)t煤氣溫度使每級(jí)反應(yīng)器的出口氣體溫度不高于450℃[8]，通過該優(yōu)化，可有效降低甲烷化反應(yīng)器溫度，保證催化劑的使用壽命，同時(shí)可以擴(kuò)大反應(yīng)器材質(zhì)的選擇范圍。

在甲烷化反應(yīng)過程中，為降低反應(yīng)器溫度，一般將部分氣體換熱降溫后循環(huán)，近日，新開發(fā)了一種無須氣體循環(huán)，通過合理進(jìn)行每級(jí)出口反應(yīng)氣體換熱及補(bǔ)入水蒸氣的方法來控制反應(yīng)器溫度，該工藝流程減少了氣體循環(huán)所用的動(dòng)力設(shè)備，降低了設(shè)備故障率，有利于工廠的平穩(wěn)運(yùn)行。

2.1.3 馳放氣回收利用

液化工段副產(chǎn)的馳放氣經(jīng)PSA裝置脫氫、脫氮處理后得富甲烷氣及富氫氣，富甲烷氣經(jīng)風(fēng)機(jī)增壓后返回系統(tǒng)，而一般情況下，富氫氣則直接放火炬燃燒，造成了資源的浪費(fèi)。

經(jīng)分析，可將富氫馳放氣作為TSA預(yù)處理工段脫苯塔、脫萘塔的再生氣，并最終返回焦化廠，使資源得到充分利用。原TSA預(yù)處理工段的再生氣為預(yù)處理后的焦?fàn)t氣，采用該優(yōu)化工藝后，降低了能量的損耗。

優(yōu)化的工藝流程見圖2所示。

圖2 工藝流程優(yōu)化

2.2 設(shè)備配置優(yōu)化

焦?fàn)t煤氣制LNG項(xiàng)目主要的動(dòng)力設(shè)備為壓縮機(jī)，壓縮機(jī)的正確選型及配置是生產(chǎn)平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵。目前用于焦?fàn)t煤氣再利用行業(yè)的壓縮機(jī)為往復(fù)式壓縮機(jī)、螺桿式壓縮機(jī)及離心式壓縮機(jī)。

2.2.1 焦?fàn)t氣壓縮機(jī)

焦?fàn)t煤氣含有焦油、苯、萘、H2S等雜質(zhì)，極易造成往復(fù)式壓縮機(jī)冷卻器、閥門片等部件堵塞，也易對(duì)離心壓縮機(jī)葉輪造成致命損傷，而螺桿壓縮機(jī)運(yùn)行中可采用噴水工藝[9-10]，可在很大程度上避免了焦?fàn)t煤氣雜質(zhì)堵塞壓縮機(jī)的現(xiàn)象，因此需在焦?fàn)t煤氣凈化前增壓時(shí)，推薦使用螺桿式壓縮機(jī)。

螺桿式壓縮機(jī)本身無易損件，一般認(rèn)為其可長周期運(yùn)轉(zhuǎn)，很多情況下不設(shè)置備機(jī)，然而應(yīng)盡量避免單臺(tái)螺桿壓縮機(jī)打氣量過大的情況。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況，當(dāng)打氣量過大時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)軸故障、壓縮機(jī)振動(dòng)劇烈的情況，因此考慮增設(shè)備用壓縮機(jī)，氣量較大時(shí)開啟備用壓縮機(jī)，或者正常操作時(shí)設(shè)置兩臺(tái)壓縮機(jī)各50%負(fù)荷運(yùn)行。

2.2.2 冷劑壓縮機(jī)

在天然氣液化時(shí)，需要通過壓縮機(jī)對(duì)混合冷劑增壓，理論上往復(fù)式壓縮機(jī)及離心式壓縮機(jī)均可滿足工藝要求，氣量較大時(shí)，可考慮多臺(tái)往復(fù)式壓縮機(jī)并聯(lián)運(yùn)行。兩類壓縮機(jī)的主要特點(diǎn)如表1所示。

表1 往復(fù)式壓縮機(jī)及離心式壓縮機(jī)對(duì)比

雖然往復(fù)式壓縮機(jī)技術(shù)比較成熟，但實(shí)際運(yùn)行中，往復(fù)式壓縮機(jī)氣閥、活塞環(huán)等易損件多，每隔一段時(shí)間就要進(jìn)行維護(hù)，影響工廠的平穩(wěn)生產(chǎn)，另外，往復(fù)式壓縮機(jī)泄漏量較大，在運(yùn)行中需不斷補(bǔ)充混合冷劑，而離心式壓縮機(jī)日常維護(hù)量小，且通過干氣密封可大大減小泄漏量，另外，離心壓縮機(jī)內(nèi)部無需潤滑，可對(duì)介質(zhì)進(jìn)行無油壓縮，避免了介質(zhì)帶油的缺點(diǎn)。因此冷劑壓縮機(jī)建議采用離心式壓縮機(jī)，并根據(jù)工廠情況考慮設(shè)置備機(jī)。

3 結(jié)論

隨著天然氣需求的增長以及對(duì)焦化產(chǎn)業(yè)環(huán)保要求的提高，焦?fàn)t煤氣制LNG日益引起人們的關(guān)注，而在焦?fàn)t煤氣制LNG工廠實(shí)際運(yùn)行中，可能出現(xiàn)產(chǎn)品苯含量偏高、催化劑失活過快、裝置能耗較高、生產(chǎn)不穩(wěn)定等問題，因此，本文從焦?fàn)t煤氣預(yù)脫硫、甲烷化工藝、焦?fàn)t煤氣脫氮及馳放氣回收等方面對(duì)焦?fàn)t煤氣制LNG的工藝流程進(jìn)行了優(yōu)化分析，并且結(jié)合運(yùn)行情況，提出了焦?fàn)t煤氣壓縮機(jī)及混合冷劑壓縮機(jī)的選型建議。

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(本文文獻(xiàn)格式：楊 璐.焦?fàn)t氣制LNG工藝技術(shù)優(yōu)化研究[J].山東化工，2016，45(24)：93-95.)

Study on Process Optimization of Coke Oven Gas to Liquefied Natural Gas

Yang Lu

(CNOOC Shandong Chemical Engineering Co., Ltd., Jinan 250101，China)

Coke oven gas to liquefied natural gas become hotspot of coke industry, which not only can reduce the environmental pollution,but aslo can promote to adjust the energy structure. This paper describes main production processes of coke oven gas to natural gas, besides, on the basis of studying practical operating condition, proposes optimization of coke oven gas to liquefied natural gas from the aspects of process and equipment configuration.

coke oven gas; LNG; process; equipment configuration; optimization

2016-12-08

楊 璐(1990—)，女，山東濱州人，從事石油化工設(shè)計(jì)工作。

TQ522.6

A

1008-021X(2016)24-0093-03