焦炉煤气制合成氨联产LNG项目工艺方案设计探讨

李 响

（陕西启创能源化工科技有限公司，陕西西安 048400）

0 引 言

焦化行业属于传统化工行业，技术和资金壁垒不高，近年来焦化行业一直面临产能过剩和高耗能、高污染等问题，供给侧改革以来，一系列“去产能”政策出台，违规产能和不环保产能被淘汰，国内几乎已将4.3m以下焦炉全部淘汰，新上焦化装置焦炉都在6m以上。近年来，产业结构调整加快、 “关小上大”，焦化行业通过联产解决环保问题，同时增加企业经济效益。数据显示，2019年全国焦炭产量为4.72×108t，表观消费量为4.65×108t。

焦炉煤气是焦化行业重要的副产品，焦炉煤气中含有近60%的H2、约23%的CH4和8%的CO，是较好的化工原料，近年来焦炉煤气制甲醇、液化天然气（LNG）、合成氨、尿素、乙二醇、乙醇项目成为热点，基本上已经取代了焦炉煤气直接发电项目。当焦炉煤气量为30000m3／h左右时，建议投建甲醇、液化天然气 （LNG）项目；当焦炉煤气量超过40000m3／h时，建议投建甲醇联产合成氨或者合成氨联产LNG项目。近年由于甲醇市场比较疲软，同时市场对LNG的需求增大，合成氨联产LNG项目的经济效益较好。目前，已投运的焦炉煤气制合成氨联产LNG项目采用的工艺路线有2条，最主要的区别在于是否设置CO变换工段。以下笔者就焦炉煤气制合成氨联产LNG项目是否设置CO变换工段谈一点认识，供业内参考。

1 焦炉煤气制合成氨联产LNG项目工艺方案

据目前国家的有关批复情况，2800kt／a焦化项目副产的焦炉煤气量约为80000m3／h（干基），以此为基础建设焦炉煤气制合成氨联产LNG项目，以及其焦炉煤气的典型组分（见表1）为基准进行的工艺设计及探讨如下。

表1 2800kt／a焦化项目副产焦炉煤气典型组分

1.1 工艺方案一——不设置变换工段

焦化装置送来的焦炉煤气进入气柜缓冲稳压，经一次增压后进入变温吸附（TSA）净化系统，除去焦油、萘、苯后进行二次增压，增压后进入铁钼加氢精脱硫系统，将气体中的总硫脱至0.1×10-6以下；脱硫后的净化气经MDEA脱碳后，采用液氮洗／深冷分离工艺将气体中的甲烷及少量多碳烃分离出来作为LNG产品，同时在冷箱内进行洗涤配氮，达到配比要求后的氢氮气送往氨合成系统生产液氨。

1.2 工艺方案二——设置变换工段

焦化装置送来的焦炉煤气进入气柜缓冲稳压，经一次增压后进入TSA净化系统，除去焦油、萘、苯后进行二次增压，增压后进入变换工段，通过变换反应将气体中的CO含量降至1.2%以下；变换气经湿法脱硫、MDEA脱碳和活性炭精脱硫后，采用液氮洗／深冷分离工艺将气体中的甲烷及少量多碳烃分离出来作为LNG产品，同时在冷箱内进行洗涤配氮，达到配比要求后的氢氮气送往氨合成系统生产液氨。当然，工艺方案二也可以设计为在工艺方案一的精脱硫系统与MDEA脱碳系统中间设置变换工段，但如此一来项目的投资及运行能耗较高。

2 2种工艺方案的比较

2.1 产品产量比较

采用上述2种工艺方案，除变换工段的设置会影响液氨和LNG的产量外，2种工艺方案深冷分离出来的富CO气量也不同（富CO气返回焦炉燃烧置换出部分焦炉煤气供化工生产使用）。2种工艺方案之液氨和LNG产量的对比见表2。可以看出：方案一回炉气量较大，而富CO气的热值较高，所以方案一置换出的焦炉煤气量较大，由于不设置变换工段，置换出的较大焦炉煤气量相应地会提高LNG的产量；方案二因为设置有变换工段，焦炉煤气中的CO与水蒸气经变换反应转化成了CO2和H2，相应地会增加液氨的产量。简言之，方案二（设置变换工段）比方案一（不设置变换工段）液氨产量高15.3kt／a而LNG产量少12.0kt／a。

表2 2种工艺方案之液氨和LNG产量对比

2.2 公用工程消耗比较

由于方案一与方案二返炉富CO气量的不同，使得不同的工艺方案下装置的实际运行负荷不同，因而公用工程的消耗也有较大区别。不过，2种方案均需在液氮洗／深冷分离工序之前将气体中的总硫脱除至0.1×10-6以下，只是采用的脱硫工艺不同而已（为便于直观地比较，脱硫系统称为精脱硫，下同）。2种工艺方案各工序公用工程消耗的对比见表3。

表3 2种工艺方案各工序公用工程消耗对比

由表3可以看出：方案二设置了CO变换系统，需外界提供4.0MPa高压过热蒸汽，变换后H2产量增加并生成大量的CO2，导致方案二较之于方案一MDEA脱碳系统能耗增加；方案一的水耗（0.45MPa循环水）为7798t／h、电耗（10kV）为42420（kW·h）／h、4.0MPa过热蒸汽耗为0t／h、3.4MPa饱和蒸汽耗为2.5t／h、副产的0.5MPa饱和蒸汽10t／h，方案二的水耗（0.45MPa循环水）为8620t／h、电耗（10kV）为42834（kW·h）／h、4.0MPa过热蒸汽耗为14.5t／h、3.4MPa饱和蒸汽耗为2.5t／h、副产的0.5MPa饱和蒸汽25t／h，综合来看，方案二的公用工程消耗——水耗、电耗、蒸汽耗均比方案一的高。

2.3 项目投资比较

2种工艺方案的投资对比见表4。可以看出：因方案二设置了CO变换系统，同时工艺气中CO2含量大幅增加，导致方案二相较于方案一来说MDEA脱碳系统的投资翻倍，且由于2种工艺方案采用的脱硫方式不同，投资差距较大，整体而言，方案二比方案一的投资要高出2630万元。此外，若要满足方案二中高压（4.0MPa）过热蒸汽的使用要求，还需增设1台锅炉，整体投资还要增加约1000万元。

表4 2种工艺方案的投资对比万元

2.4 综合经济效益比较

由表3可以得出，方案二较方案一多耗循环水822t／h、电414（kW·h）／h、（副产的）低压蒸汽15t／h、高压蒸汽14.5t／h，以方案一的各项现有数据作为比较基准，装置年运行时间按8000h计，可计算出方案二因多耗循环水、电、低压蒸汽、高压蒸汽而增加的成本，再将方案二增加的投资以15a折旧分配到年增成本中，可测算出方案二较方案一增加的成本（亦即减少的效益），具体见表5。可以看出：方案二的年效益会比方案一低约2310.01万元。

表5 方案二较方案一增加的成本（亦即减少的效益）

3 分析与结论

3.1 产量与产品市场

2种工艺方案在焦炉煤气初压、TSA净化、焦炉煤气增压、液氮洗／深冷分离、氨合成几个工段的数据相差不大，其区别主要在于是否设置变换工段以利用焦炉煤气中的CO提高H2含量，而液氨和LNG的产量会因气体组分中的H2、CH4、CO含量不同而有区别：方案一返回焦炉的富CO气量较大，可以置换出更多的焦炉煤气，故其LNG产量比方案二高；方案二设置变换工段，利用焦炉煤气中CO的变换反应产生了更多的H2，故其液氨产量比方案一高。

方案二虽然通过设置变换工段利用了焦炉煤气中的CO提高H2含量，进而增加了液氨产量，但由于置换出的焦炉煤气量较方案一少，因而其LNG产量较方案一少；虽然2种产品的总产量方案二较方案一高，但由于LNG的市场价格总体上高于液氨的市场价格，且其市场前景看好，加之方案二的综合投资高于方案一，因此从产品产量、市场价格方面来说，方案一更具优势。

3.2 运行成本与运行稳定性

（1）方案二增产了液氨，但同时增加了中压氮气使用量和电耗，且合成气压缩机和氨冰机消耗的增加比方案一深冷分离消耗的增加要多，因而方案二的公用工程消耗总体较方案一高。

（2）方案二返回焦炉的富CO气量较方案一少，需有较多净化后的焦炉煤气返回用于TSA系统的再生，从而会增加焦炉煤气初压和TSA系统的操作负荷，造成运行不经济。

（3）方案二比方案一排放的CO2尾气增加约5460m3／h，会对火炬及环保造成一定的影响。

（4）方案一比方案二少一个运行工段，且其MDEA脱碳系统操作简单，人员配置少，检修量也相应少一些，生产的稳定性相对高一些。

综上所述，焦炉煤气制合成氨联产LNG项目所采用的2条工艺路线——设置变换工段和不设置变换工段，设置变换工段虽可提高液氨产量，但其投资高、能耗高，加上产品市场价格方面的因素，其综合经济效益并不好，没有优势。因此，笔者认为，焦炉煤气制合成氨联产LNG项目采用不设置变换工段的工艺方案更为合理。