煤-天然氣綜合利用制甲醇CO2減排分析

瞿 磊 ，李勝乾 ，江莉莎

摘要 陜西延長(zhǎng)中煤榆林能源化工有限公司180萬(wàn)t/a煤-天然氣綜合利用制甲醇項(xiàng)目利用了煤氣化“氫少碳多”和天然氣轉(zhuǎn)化“氫多碳少”的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了“碳?xì)浠パa(bǔ)”和能源的綜合利用。介紹了該項(xiàng)目的工藝流程，統(tǒng)計(jì)了系統(tǒng)中各主要裝置CO₂的排放情況，并與傳統(tǒng)煤制甲醇裝置CO₂排放情況進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果顯示：煤-天然氣綜合利用制甲醇裝置噸甲醇CO₂排放量為0.85t，為傳統(tǒng)煤制甲醇裝置排放量的41.3%，較180萬(wàn)t/a 傳統(tǒng)煤制甲醇裝置CO₂減排217.8萬(wàn)t/a。

       2020年9月22日，習(xí)近平主席在第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上鄭重向全世界承諾，中國(guó)二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。作為一項(xiàng)重要的戰(zhàn)略決策，習(xí)主席提出的碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)（以下簡(jiǎn)稱“雙碳”目標(biāo)）有利于實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展和促進(jìn)生態(tài)環(huán)境改善。2021 年以來(lái)，我國(guó)陸續(xù)推出“雙碳”目標(biāo)相關(guān)政策，從而引導(dǎo)“雙碳”落地，國(guó)家明確發(fā)文遏制“兩高”項(xiàng)目盲目發(fā)展，政策指導(dǎo)層面已經(jīng)越來(lái)越清晰—“雙碳”目標(biāo)已 成為長(zhǎng)期國(guó)家戰(zhàn)略。煤制甲醇行業(yè)因其高耗能、高 CO2 排放特性，受政策影響尤為嚴(yán)重。

       陜西延長(zhǎng)中煤榆林能源化工有限公司（以下簡(jiǎn)稱“榆能化”）位于陜西省靖邊縣能化工業(yè)園區(qū)，建有兩套年產(chǎn)180萬(wàn)t的煤-天然氣綜合利用制甲醇裝置。 該裝置利用煤氣化“氫少碳多”和天然氣轉(zhuǎn)化“氫多碳少”的特點(diǎn)，進(jìn)行“碳?xì)浠パa(bǔ)”和能源的綜合利用，有效提高了碳元素的回收利用率，大幅降低了CO₂排放量，被評(píng)為“聯(lián)合國(guó)清潔煤技術(shù)示范項(xiàng)目，為甲醇行業(yè)的發(fā)展提供了一個(gè)新的方向。本文以榆能化180萬(wàn)t/a 煤-天然氣綜合利用制甲醇項(xiàng)目為基礎(chǔ)，與傳統(tǒng)煤制甲醇裝置進(jìn)行對(duì)比，分析煤-天然氣綜合利用制甲醇裝置在提高碳資源利用率、減少CO2 排放方面的優(yōu)勢(shì)。

1 煤-天然氣綜合利用制甲醇聯(lián)合裝置流程

       榆能化180萬(wàn)t/a 煤-天然氣綜合利用制甲醇項(xiàng)目主要工藝流程示意圖見(jiàn)圖 1。甲醇聯(lián)合裝置主要由煤氣化、凈化、天然氣轉(zhuǎn)化及甲醇合成四部分組成。氣化裝置采用西北化工研究院多元料漿氣化專利技術(shù)，以煤為原料，按照一定的水煤比在磨煤機(jī)中粉碎研磨進(jìn)行制漿。水煤漿經(jīng)高壓煤漿泵加壓，與空分來(lái)的純度為 99.6%以上的O₂在6.5MPa、1350℃～1400℃工況下的氣化爐內(nèi)進(jìn)行部分氧化反應(yīng)，產(chǎn)生主要以CO、H₂為有效氣的粗煤氣（有效氣產(chǎn)氣率＞78%），粗煤氣經(jīng)增濕、降溫、除塵后送入變換工序，經(jīng)變換爐調(diào)節(jié)氫碳比后送入凈化裝置。凈化裝置由低溫甲醇洗和硫回收兩個(gè)裝置組成。

       低溫甲醇洗裝置采用德國(guó)林德專利技術(shù)，在高壓（5.6MPa）、低溫（-50.5℃）工況下利用甲醇將氣化送來(lái)的變換氣脫除CO₂、H₂S，得到合格的凈化氣送往甲醇合成裝置，解吸的CO₂氣體就地放空，H₂S氣體送往硫回收裝置；硫回收裝置采用美國(guó) KPS工藝技術(shù)，設(shè)計(jì)包括50t/d 硫磺產(chǎn)品和86.4m³/d 酸性水汽提兩個(gè)單元，其中硫磺產(chǎn)品單元由硫磺回收、尾氣吸收與處理、富液再生三個(gè)系統(tǒng)組成。

       甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化裝置采用英國(guó)戴維公司專利技術(shù)，天然氣站送入的原料天然氣經(jīng)過(guò)脫硫后送入飽和塔，與工藝?yán)淠褐苯咏佑|達(dá)到蒸汽飽和，飽和后的天然氣添加中壓蒸汽后進(jìn)入預(yù)轉(zhuǎn)化爐，并最終進(jìn)入轉(zhuǎn)化爐進(jìn)行蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)，產(chǎn)生H₂、CO、CO₂等混合氣（CH4體積分?jǐn)?shù)≤3.35%，CO₂體積分?jǐn)?shù)≤7.08%）作為合成甲醇的新鮮氣，經(jīng)各級(jí)分離罐分離降溫后送入合成裝置。甲醇合成裝置采用英國(guó)戴維公司專利技術(shù)，自甲烷轉(zhuǎn)化來(lái)的轉(zhuǎn)化合成氣、渣油催化熱裂解（DCC）裝置的富氫氣經(jīng)合成氣壓縮機(jī)壓縮至7.96MPa，與自煤基合成氣壓縮機(jī)來(lái)的煤基合成氣混合后進(jìn)入合成裝置，進(jìn)行預(yù)熱及合成，反應(yīng)后經(jīng)過(guò)兩臺(tái)合成塔中間換熱器、空冷器、水冷器、粗甲醇分離器，反應(yīng)生成的粗甲醇進(jìn)行減壓膨脹后進(jìn)入穩(wěn)定塔去除輕組分，最后合格MTO 級(jí)甲醇送至中間儲(chǔ)罐，經(jīng)儲(chǔ)運(yùn)供MTO裝置使用。

2 甲醇聯(lián)合裝置主要 CO₂排放情況

       榆能化一期 180萬(wàn)t/a煤-天然氣綜合利用制甲醇項(xiàng)目主要CO₂排放點(diǎn)共五個(gè)：低溫甲醇洗產(chǎn)品CO₂（該部分CO₂純度達(dá)到97.5%，作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)，但目前未進(jìn)行回收利用）、低溫甲醇洗尾氣、硫回收裝置尾氣、轉(zhuǎn)化爐煙氣、合成裝置輕組分，詳見(jiàn)表 1。其中低溫甲醇洗CO₂產(chǎn)品氣、低溫甲醇洗尾氣中CO₂ 主要源自煤氣化煤炭燃燒及變換裝置CO變換所產(chǎn)生，產(chǎn)品氣中CO₂年排放量約為35.55萬(wàn) t，尾氣中CO₂年排放量約為39.76萬(wàn)t；硫回收裝置尾氣中CO₂主要源自低溫甲醇洗酸氣中攜帶（根源來(lái)自煤氣化）及焚燒爐內(nèi)燃燒反應(yīng)，年排放量約為3.86 萬(wàn)t；轉(zhuǎn)化爐煙氣為燃料氣燃燒反應(yīng)（為轉(zhuǎn)化反應(yīng)提供熱量）后所產(chǎn)生，年排放量約為70.89萬(wàn)t；合成裝置輕組分為甲醇精餾塔塔頂輕組分，該部分無(wú)法回收利用，放空至火炬，年排放量約為2.86萬(wàn)t。綜合表1可知，該項(xiàng)目年CO₂排放量152.91萬(wàn)t，噸甲醇CO₂排放量0.85t。

3 與傳統(tǒng)煤制甲醇裝置的對(duì)比

甲醇合成反應(yīng)是CO、CO₂、H₂在催化劑作用下進(jìn)行的合成反應(yīng)，其反應(yīng)式主要有式（1）、式（2）：CO+2H₂→CH₃OH+Q

       （1） CO₂+3H₂→CH₃OH+H₂O+Q

       （ 2） 生產(chǎn)運(yùn)行中一般將甲醇合成反應(yīng)過(guò)程中氫碳比 [(φ(H₂)-φ(CO₂)]/ [(φ(CO₂)+φ(CO)]控制在2.05～ 2.15，可保證合成反應(yīng)在可控的前提下得到最高的甲醇產(chǎn)量。

3.1 傳統(tǒng)煤制甲醇CO₂排放情況

       傳統(tǒng)煤制甲醇主要采用水煤漿加壓氣化、粉煤氣化等方式得到粗煤氣，粗煤氣主要成分為CO、CO2、H₂等，其中CO含量高、H₂含量少，無(wú)法滿足合成反應(yīng)所需要的氫碳比，因此需要通過(guò)變換反應(yīng)將部分CO與蒸汽反應(yīng)生成CO₂和H₂，以滿足氫碳比要求，其反應(yīng)式為：CO+H₂O(g)→H₂+CO₂+Q。

       以傳統(tǒng)年產(chǎn)60萬(wàn)t甲醇的水煤漿氣化裝置為例（其粗煤氣組分見(jiàn)表2），為達(dá)到合成反應(yīng)所需要的氫碳比2.05～2.15，氣化粗煤氣中約有57000 m³ /h CO需通過(guò)變換反應(yīng)轉(zhuǎn)化成為CO₂，同時(shí)生成等體積的H₂，占到煤氣化反應(yīng)生成CO總量的47.3%。傳統(tǒng)煤制甲醇工藝合成氣中CO₂體積分?jǐn)?shù)一般控制在3%，多余CO₂ 在低溫甲醇洗工段利用甲醇進(jìn)行吸附后，直接放空，導(dǎo)致碳資源大量浪費(fèi)，也成為煤化工行業(yè)碳排放的主要來(lái)源之一。目前國(guó)內(nèi)煤制甲醇行業(yè)噸甲醇 CO₂排放量達(dá)到2.06 t，單位產(chǎn)品排放量較高，僅此一項(xiàng)，180萬(wàn)t/a 甲醇生產(chǎn)裝置年CO₂ 排放量就達(dá)到370.8萬(wàn)t。

3.2 甲醇聯(lián)合裝置與傳統(tǒng)煤制甲醇裝置的對(duì)比

       榆能化甲醇聯(lián)合裝置煤氣化裝置設(shè)計(jì)甲醇產(chǎn)量60萬(wàn)t/a，天然氣轉(zhuǎn)化裝置設(shè)計(jì)甲醇產(chǎn)量90萬(wàn)t/a，再通過(guò)回收約13470m³ /hDCC富氫氣，并進(jìn)行綜合配比后，甲醇產(chǎn)量達(dá)到180萬(wàn)t/a。甲醇聯(lián)合裝置充分利用了煤氣化裝置生產(chǎn)粗煤氣中CO含量高、H₂含量低和天然氣轉(zhuǎn)化裝置生產(chǎn)轉(zhuǎn)化氣中CO含量低、H₂含量高的特點(diǎn)，極大減少了CO變換反應(yīng)比例，僅有約11000 m³ /h CO被轉(zhuǎn)化為CO₂(甲醇聯(lián)合裝置原料氣組分見(jiàn)表3），大大提升了原煤中碳元素、天然氣中氫元素利用率，降低了CO₂排放量，提升了甲醇產(chǎn)量。該裝置噸甲醇 CO₂排放量為0.85t，僅為傳統(tǒng)煤化工2.06t 的41.3%，相較180萬(wàn)t/a 傳統(tǒng)煤制甲醇生產(chǎn)裝置，年減排CO₂量達(dá)到217.8萬(wàn)t。

4 結(jié)語(yǔ)

4.1 榆能化180萬(wàn)t/a 煤-天然氣綜合利用制甲醇較傳統(tǒng)煤制甲醇有明顯的優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在以下幾方面：

   （1）煤-天然氣綜合利用制甲醇裝置極大減少CO變換反應(yīng)的發(fā)生和CO₂的生成及排放，該裝置噸甲醇CO₂排放量?jī)H為0.85t，為傳統(tǒng)煤制甲醇的41.3%。

   （2）煤-天然氣綜合利用制甲醇裝置極大提高了原料煤中碳元素利用率和天然氣中氫利用率，在煤氣化設(shè)計(jì)甲醇產(chǎn)量 60萬(wàn)t/a、天然氣轉(zhuǎn)化設(shè)計(jì)甲醇產(chǎn)量 90萬(wàn)t/a的情況下，通過(guò)“氫碳互補(bǔ)”達(dá)到年產(chǎn)甲醇 180萬(wàn)t規(guī)模，經(jīng)濟(jì)效益提升明顯。

   （3）煤-天然氣綜合利用制甲醇裝置一氧化碳變換反應(yīng)減少，對(duì)應(yīng)的裝置投資、催化劑成本同比下降。

4.2煤-天然氣綜合利用制甲醇裝置相較傳統(tǒng)煤制

        甲醇裝置，不僅能耗低，而且碳排放量大幅下降，在目前全國(guó)大力推行“雙碳”目標(biāo)的背景下，優(yōu)勢(shì)更加突出。隨著近年來(lái)國(guó)內(nèi)千億方級(jí)天然氣田不斷被發(fā)現(xiàn)、探明，以及南海、海外氣田項(xiàng)目的逐步投用，國(guó)內(nèi)天然氣供應(yīng)短缺問(wèn)題逐漸得到緩解，為煤-天然氣綜合利用制甲醇裝置的發(fā)展提供了更好的條件。

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