焦炉煤气综合利用制取液化天然气

1 问题提出

近年来, 我国对焦化行业实施“准入”制度，焦炉煤气的综合利用成为炼焦企业生存与发展的关键。一些大型的炼焦企业建设了焦炉煤气制甲醇项目，并取得了良好的经济效益，为大型炼焦企业综合利用焦炉煤气到了新方法。但中小焦化企业生产规模相对较小，焦炉煤气产量少，成本优势不明显，多家企业联合又困难，影响了焦化企业对焦炉煤气的综合利用。

2 焦炉煤气生产LNG的技术特点

为了解决中小企业焦炉煤气综合利用的问题，中科院理化技术研究所改变利用思路，将有效成分甲烷和氢气作为两种资源综合利用，开发出了焦炉煤气低温液化生产LNG联产氢气技术（已申请专利），新技术具有以下特点：

1) 可以省去甲烷转化工序，大大节省投资成本。

2) 由于新工艺拥有独立的循环制冷系统，操作弹性非常大，适应性强，运行稳定。

3) 产生的氢气可以利用氢气锅炉为全厂提供动力和热力，这方面的技术已经非常成熟。有经济实力的企业还可以配套合成氨等装置，相对投资少，效益更高。并随着氢气利用技术的日益发展可以生产液氢产品等。

4) 产品市场好。预计未来15年中国天然气需求将呈爆炸式增长，到2010年，中国天然气需求量将达到1000×109 m3，产量约800×109 m3,缺口将达到200×109 m3蕲蛇酶注射液；到2020年天然气需求量将超过2000×109 m3 ，而产量仅有1000 ×109 m3, 50％将依赖进口。

5) 整套方案中工艺流程短，操作简单。处理量1 ×106 m3 /d的生产装置，只需要40～50操作工，非常适合中小型焦化企业对焦炉煤气的综合利用。

3 焦炉煤气生产LNG联产氢气工艺路线

液化天然气是天然气经过预处理，脱除重质烃、硫化物、二氧化碳、水等杂质后，在常压下深冷到－162℃液化制成，液化天然气是天然气以液态的形式存在，其体积仅为气态时的1/625。天然气液化后可以大大节约储运空间和成本，运输方式更为灵活，而且提高了燃烧性能。随着低温分离技术的发展，LNG的原料气已经多元化，煤层气（矿井瓦斯）、合成氨放散气、焦炉煤气等富含甲烷的气体都可以作为LNG的原料。

在焦炉煤气生产LNG联产氢气的工艺中，关键技术就是将焦炉煤气中的一氧化碳、氮气等和甲烷分离，而在这方面中国科学院理化技术研究所低温技术组已经有了成熟的经验，先后完成了小型天然气液化试验装置、中国第一套15×105 m3 /d 的轮胎帘布LNG装置（现在运行指标优于同等规模进口装置）、2007年晋城含氧煤层气液化装置（4300m3/d)一次开车成功。由中科院理化技术研究所总承包的太工天成80×105 m3 /d焦炉煤气液化项目也进入施工阶段， 2009年5月投产，所以在技术上已经非常成熟，在实际液化分离工程方面也积累了大量的经验。

3.1 工艺流程简介

焦炉煤气综合利用制取LNG工艺见图1。该装置由焦炉煤气升压粗脱硫、脱苯、脱萘及焦油、有机硫水解催化转化、脱二氧化碳、精脱硫、脱水、膜分离脱氢、预冷、液化精馏、LNG储运、氮气循环制冷系统、氢气回收利用和公用工程等单元组成。

图1 焦炉煤气综合利用制取LNG工艺

如图1 所示，焦炉煤气经加压粗脱硫后进入预处理过程，在此除掉煤气中的苯、萘及焦油等杂质后，压缩至较高压力后进入水解脱硫工序，经水解脱除硫化氢，并利用N-甲基二乙醇胺（MDEA）溶液除掉二氧化碳等酸性气体后，经吸附过程脱掉残余硫化物、汞、水分、高碳(C5以上化合物）即可进入膜分离装置。经过膜分离装置的焦炉煤气组分主要为甲烷、还有少量H2、N2、CO。经过膜分离装置得到的焦炉煤气降温至－170℃后，进入低温精馏塔，液态甲烷将在精馏塔底部排出，装入液态甲烷槽车。H2、N2、CO等将从精馏塔顶部抽出，复热后送蒸汽锅炉燃烧以产生动力用蒸汽。整个系统的绝大多数冷量由一个闭式氮气膨胀制冷循环或氮气甲烷混合物膨胀制冷循环提供。

对膜分离产生的高纯氢气，进行综合回收利用，以下方案可以选择。

方案一：氢气直接进入氢气锅炉，产生蒸汽，为脱碳、脱水单元再生提供热量，推动蒸汽轮机，为原料气压缩机和循环制冷系统压缩机提供动力，以及全厂供暖，从而大大降低生产能耗。

方案二：利用氢气生产液氢产品，中国科学院理化技术研究所低温技术组已经有成熟技术。从膜分离得到的纯氢压缩后进入PSA纯化，以得到桶盖99.999％的高纯氢，这部分氢作为原料氢进入液化冷箱，首先进入液氮槽降温至70K，在此温区进行一次正仲氢转化，转化后的氢气进一步被冷却到30K后减压进入液氢储槽，在此过程中再进行一到两次正仲氢的转化。制冷系统采用氢作为制冷循环工质，利用膨胀机膨胀制冷。

其他：也可以根据工厂的经济实力将氢作为化工原料生产新的化工产品。

3.2 焦炉煤气低温分离生产LNG的优势

1) 运输成本优势。原来的LNG生产厂由于靠近天然气气田，而市场大多在内地，所以运输成本不可忽视。而焦化厂大多在内地，接近市场，运输成本将大幅降低。

2) 能耗方面优势，虽然原料气中含有大量的氢气、氮气等，但是在液化之前，大部分氢气将被提前脱除，不参加甲烷低温分离，所以能耗不会很高，如果采用MRC制冷流程，能耗还会进一步降低。另外，工艺中氢气被回收利用作为大机组的动力，不仅解决了氢气的综合利用, 而且大大降低了综合能耗。

双导程蜗轮蜗杆 3) 原料成本优势。天然气液化采用的天然气井口价格在0.9元／m3左右，美国现在井口价已经达到1.99元／m3，而焦炉煤气的价格相对比较低，生产成本主要是能耗成本，所以生产出来的LNG在价格上也非常有竞争力，即使将来LNG工厂生产能力变大，相对于以天然气为原料的LNG厂也有很大的优势。

4) 政策方面的优势。国家大力支持节能减排，鼓励企业对焦炉煤气综合利用。另一方面2007年8月30日国家发展改革委员会正式颁布《天然气利用政策》，明确表示“禁止以大、中型气田所产天然气为原料建设液化天然气项目”，限制了天然气液化厂的建设，减少了市场的竞争。

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4 经济分析

压差显示仪 1) 投资分析。经过综合的估算，建设一座LNG产量为10×105 m3 /d的液化分离工厂，投资大概在15000万元左右，主要设备有原料气预处理装置、原料气压缩机组、原料气净化装置、膜提氢装置、液化冷箱、氮气压缩机、膨胀机、LNG储罐、公用工程及其全厂控制系统，氢气回收部分由选择的回收方案来确定。投资仅相当于甲醇项目的一半。另外当处理量较小时，可以采用往复压缩机组，节约设备投资，但是运行成本相对会提高。