李 冉

(河南能源化工集團(tuán)銷售公司，河南 鄭州 450018)

我國(guó)作為全球最大的煤炭生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，截至2017年底，我國(guó)的煤炭資源探明儲(chǔ)量為1.67萬億噸。煤焦化產(chǎn)業(yè)是煤炭資源利用的一個(gè)重要產(chǎn)業(yè)，主要用于生產(chǎn)焦炭，其次副產(chǎn)焦?fàn)t煤氣[1]。我國(guó)的焦炭產(chǎn)量巨大，2019年全國(guó)焦炭產(chǎn)量4.7億噸，其主要用于煉鐵和有色金屬冶煉。生產(chǎn)1 t焦炭副產(chǎn)400～460 Nm3的焦?fàn)t煤氣，煉焦行業(yè)每年副產(chǎn)的焦?fàn)t煤氣量高達(dá)900億標(biāo)立方米。焦?fàn)t煤氣中含有豐富的氫資源，而在實(shí)際生產(chǎn)中，小部分焦?fàn)t煤氣返回焦?fàn)t作燃料用外，大部分被排空造成資源浪費(fèi)[2]。因此，根據(jù)焦?fàn)t煤氣富含氫的特點(diǎn)，如何合理利用焦?fàn)t煤氣，使其轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的化工原料已成為當(dāng)今國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。

1 焦炭、焦?fàn)t煤氣制甲醇的工藝技術(shù)方案

氣化煤氣是甲醇原料氣的主要來源，現(xiàn)氣化煤氣制甲醇工藝在國(guó)內(nèi)發(fā)展的較為成熟，其具體工藝的流程是：原料煤預(yù)處理變成水煤漿后與氧氣在氣化爐氣化反應(yīng)生成粗合成氣，由于粗合成氣的氫碳比高達(dá)6.5，故粗合成氣需要進(jìn)入水煤氣變化單元，使部分CO轉(zhuǎn)化為H2同時(shí)生成CO2，再經(jīng)過凈化單元除去酸性氣體后，合成甲醇。此過程產(chǎn)生了大量的二氧化碳，加重凈化單元的處理量，耗費(fèi)了過多的能量[3]。因此，本文提出了一種煤制甲醇的新工藝。利用煤焦化工藝產(chǎn)生的焦炭和焦?fàn)t煤氣為原料耦合，兩種原料產(chǎn)生的合成氣氫碳互補(bǔ)，以此降低水煤氣單元變化度，減少二氧化碳的生成。本工藝共包括七個(gè)單元分別為：空分單元、加壓氣化單元、凈化單元、深冷分離單元、變壓吸附單元、甲烷部分氧化單元、甲醇合成單元。

焦炭、焦?fàn)t煤氣制甲醇工藝流程框圖見圖1，過程模擬軟件AspenPlus為工具，熱力學(xué)方法采用SRK和PENG-ROB[4]。

圖1 焦炭、焦?fàn)t煤氣制甲醇工藝流程框圖

1.1 空分單元

將空氣各組分氣體分離，生產(chǎn)氧氣提供給焦炭加壓氣化單元以及甲烷部分氧化單元。原料空氣由吸入塔吸入，除去灰塵和雜質(zhì)后，由離心壓縮機(jī)壓縮至0.8 MPa左右，再經(jīng)過凈化后的一部分空氣進(jìn)入精餾塔的上塔，另一部分經(jīng)過膨脹機(jī)膨脹冷卻后送入下塔，最終在上塔底部獲得高純度的氧氣，氧氣質(zhì)量為≥99.6%。

1.2 加壓氣化單元

焦炭是煙煤高溫干餾的固體產(chǎn)物，利用工廠生產(chǎn)的焦炭為原料，氧氣和二氧化碳為氣化劑，在氣化爐中進(jìn)行氣化反應(yīng)，制得粗合成氣。此合成氣的氫碳比為1.8～2.4。其反應(yīng)有以下幾步：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

其中由凈化單元回收的二氧化碳?xì)怏w降低了原料的消耗，還起到了載熱體與調(diào)節(jié)溫度的作用。

圖2 加壓氣化單元工藝流程圖

1.3 凈化單元

粗合成氣、粗焦?fàn)t煤氣經(jīng)過凈化單元脫除硫化物和高濃度的二氧化碳，得到凈化合成氣以及焦?fàn)t煤氣。脫除的硫化物進(jìn)入到克勞斯硫回收單元，脫除的大量的二氧化碳一部分循環(huán)回焦炭加壓氣化單元，為氣化爐提供氣化劑，變廢為寶，降低原料消耗，另一部分可由二氧化碳回收單元進(jìn)行回收，避免直接排出至空氣，影響全球氣候和環(huán)境。

1.4 深冷分離單元

深冷分離又稱低溫精餾法。通常利用機(jī)械方法將氣體壓縮，冷卻后，再利用不同氣體沸點(diǎn)上的差異進(jìn)行精餾，使不同氣體得到分離。本文中，合成氣經(jīng)過深冷分離單元后分離出甲烷和合成氣，分離出的甲烷送去甲烷部分氧化單元，合成氣送去甲醇合成單元。冷箱的工藝設(shè)備特點(diǎn)為運(yùn)行穩(wěn)定，提取率高，液化量大。

1.5 變壓吸附單元

粗焦?fàn)t煤氣的主要成分包括H2(55～60%)，CH4(23～27%)，CO(5～8%)，N2(3～6%)，CO2(< 2%)。經(jīng)過凈化單元后送入變壓吸附單元分離得到甲烷和氫氣。吸附床在過程的最高壓力下通入被分離的氣體混合物，其中強(qiáng)吸附組分被吸附劑選擇性吸收，弱吸附組分從吸附床另一端流出。再通過減壓解析，實(shí)現(xiàn)吸附劑再生，再?zèng)_壓達(dá)到吸附壓力完成一個(gè)循環(huán)。變壓吸附能夠在較低的溫度下實(shí)現(xiàn)焦?fàn)t煤氣中甲烷和氫氣的分離，得到純度為99.99%的氫氣，氫氣直接用于甲醇合成單元。

1.6 甲烷部分氧化單元

甲烷部分氧化反應(yīng)是利用溫和放熱氧化反應(yīng)來驅(qū)動(dòng)甲烷轉(zhuǎn)化過程，反應(yīng)壓強(qiáng)為15～30 atm，部分氧化過程涉及的反應(yīng)主要有[5]：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

本文中，部分氧化單元生成的合成氣氫碳比為1.5～2。

1.7 甲醇合成單元

由通過焦炭制的合成氣和通過焦?fàn)t煤氣制的合成氣以及氫氣為原料，通過甲醇合成單元生產(chǎn)甲醇產(chǎn)品。工業(yè)上合成甲醇工藝流程主要有高壓法和中、低壓法。高壓法用鋅鉻催化劑，在高溫高壓下合成甲醇。低壓法用高活性銅基催化劑，在5 MPa左右壓力下合成甲醇。本文采用高壓法，合成氣在甲醇合成塔內(nèi)于25 MPa壓力和400 ℃溫度下，由鋅鉻催化劑催化反應(yīng)生成甲醇。

2 成本分析

工廠成本是一項(xiàng)反映企業(yè)成本管理水平高低和整體工作效率及質(zhì)量的綜合指標(biāo)。估算內(nèi)容包括固定成本和可變成本。其中固定成本包括員工薪資和福利、生產(chǎn)裝置維修費(fèi)、折舊費(fèi)、攤銷費(fèi)以及其他費(fèi)用?？勺兂杀景ㄔ霞拜o助物料消耗和公用工程消耗成本。

生產(chǎn)設(shè)備凈殘值率為5%，折舊年限10 年；固定資產(chǎn)折舊均采用年限平均法。無形資產(chǎn)分15年攤銷。維修費(fèi)按固定資產(chǎn)的5%計(jì)算，其他費(fèi)用按固定成本(不含本項(xiàng))的6%計(jì)算。最后計(jì)算出以下成本分布：

圖3 原料及公用工程費(fèi)用成本分布

圖4 生產(chǎn)裝置投資成本分布

圖5 工程費(fèi)用分布

圖6 總成本分布

以某焦化企業(yè)提供的原料和公用工程價(jià)格為例：焦炭為2000元/噸，焦?fàn)t煤氣為0.5元/標(biāo)立，冷卻水0.2元/噸，工藝軟水10元/噸，污水處理費(fèi)5元/噸，電0.7元/度，動(dòng)力煤400元/噸。由圖3分析，焦炭、焦?fàn)t煤氣制甲醇裝置原材料和輔助材料成本中，焦?fàn)t煤氣占比最大，約占該部分成本的51%，其次是焦炭，約占該部分成本的33%，可知，制合成氣的原料氫氣和一氧化碳的合計(jì)成本占該部分的84%。輔助材料中，變壓吸附單元用的吸附劑占該部分成本的6%，甲醇合成單元的鋅鉻催化劑成本占該部分成本的6%。公用工程包括冷卻水、工藝軟水、污水處理費(fèi)、電、動(dòng)力煤，總占該部分成本的10%。

焦炭、焦?fàn)t煤氣制甲醇裝置的工程費(fèi)用分布以及生產(chǎn)裝置投資成本分布見圖4、圖5。由圖4、圖5分析，在沒有可直接利用的公用工程依托的情況下，新建一套此工藝裝置的配套系統(tǒng)占工程費(fèi)用投資的22%，廠外工程占總工程費(fèi)用投資的3%，主要工藝生產(chǎn)裝置占總工程費(fèi)用投資的75%，而在這其中，甲醇合成單元占生產(chǎn)裝置投資成本的65%，這表明了制甲醇所需的合成氣配置合理，該工藝最大程度地利用了原利用率低的原料。

由圖6可見，焦炭、焦?fàn)t煤氣制甲醇工藝總成本分布中，生產(chǎn)成本最大，占總成本的90%。其次是管理費(fèi)用，占總成本的4%，主要是管理部門人員的職工薪酬，無形資產(chǎn)折舊和攤銷費(fèi)用。最后是財(cái)務(wù)費(fèi)用和營(yíng)業(yè)費(fèi)用，各占總成本的3%。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)以焦炭、焦?fàn)t煤氣為原料，經(jīng)過空氣空分單元制氧氣，加壓氣化單元，凈化單元，深冷分離單元，變壓吸附單元，甲烷部分氧化單元，最后經(jīng)過甲醇合成單元可以制得甲醇產(chǎn)品。

(2)采用價(jià)格低廉的焦炭和焦?fàn)t煤氣制合成氣碳?xì)浠パa(bǔ)，凈化后的二氧化碳補(bǔ)回加壓氣化單元，充分體現(xiàn)資源重復(fù)利用，可持續(xù)發(fā)展的思想，有著較好的經(jīng)濟(jì)效益。

(3)以焦炭、焦?fàn)t煤氣為原料制合成氣的工藝具有更好的彈性，可以根據(jù)產(chǎn)品的市場(chǎng)價(jià)格變化調(diào)整生產(chǎn)方案。當(dāng)焦炭?jī)r(jià)格較低時(shí)，以焦炭制合成氣為主；焦炭?jī)r(jià)格較高時(shí)，以焦?fàn)t煤氣制合成氣為主。