張鴻儒

(河南龍宇煤化工有限公司,河南 永城 476600)

以傳統(tǒng)煤、石油等化石燃料為能源的現(xiàn)代工業(yè)是碳排放的主要來源之一,其中碳一化工技術(shù)是現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù),并且在近10年的工業(yè)化應(yīng)用上已取得重大成功。碳一化工是含有一個(gè)碳原子的物質(zhì),如一氧化碳、二氧化碳、甲烷、甲醇及甲醛為原料,轉(zhuǎn)化合成化工產(chǎn)品、液體燃料或化工材料的過程,特別是以合成氣(CO+H2)為基礎(chǔ)原料的現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)。作為化工行業(yè)重要的碳排放領(lǐng)域,煤化工是未來重點(diǎn)改造、升級(jí)的產(chǎn)業(yè),無論是以固體燃料還是烴類為原料生產(chǎn)的原料氣中,經(jīng)一氧化碳變換后都含有相當(dāng)量的二氧化碳?xì)怏w。二氧化碳是大氣中溫室氣體的主要成分,溫室效應(yīng)已成為全世界最受關(guān)注的環(huán)境問題之一。二氧化碳及其他溫室氣體使地球氣候變暖的潛在性不容置疑,溫室效應(yīng)將對(duì)人類的生存和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成極其嚴(yán)重的威脅。所以在現(xiàn)代煤化工行業(yè)中,應(yīng)當(dāng)做好二氧化碳?xì)怏w的綜合利用,實(shí)現(xiàn)節(jié)能降碳。

河南龍宇煤化工有限公司一期工程為年產(chǎn)50萬(wàn)t甲醇,20萬(wàn)t二甲醚并副產(chǎn)硫黃的生產(chǎn)裝置;二期裝置為年產(chǎn)40萬(wàn)t醋酸和2個(gè)年產(chǎn)20萬(wàn)t乙二醇裝置。生產(chǎn)正常運(yùn)行中,一、二期煤氣化裝置和變換裝置產(chǎn)生大量的二氧化碳?xì)怏w,如何做好該部分氣體的綜合利用是大型煤化工裝置生產(chǎn)中考慮的首要問題,以確保早日實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和,引領(lǐng)企業(yè)節(jié)能環(huán)保,實(shí)現(xiàn)利益最大化。

1 工業(yè)生產(chǎn)中二氧化碳?xì)怏w的來源

煤化工裝置生產(chǎn)中二氧化碳主要來源為煤粉氣化燃燒及粗煤氣變換反應(yīng)。

1.1 煤粉氣化燃燒產(chǎn)生二氧化碳?xì)怏w

煤的氣化是在一定溫度、壓力下,用氣化劑對(duì)煤進(jìn)行熱化學(xué)加工,將煤中有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)槊簹獾倪^程。就是以煤、半焦或焦炭為原料,以空氣、富氧(純氧)、水蒸氣、二氧化碳或氫氣為氣化介質(zhì),使煤經(jīng)過部分氧化和還原反應(yīng),將其中所含碳、氫等物質(zhì)轉(zhuǎn)化成為一氧化碳、氫、甲烷等可燃組分為主的氣體產(chǎn)物的多相反應(yīng)過程。

一期殼牌煤氣化裝置設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力產(chǎn)氣量13.2×104Nm3/h(CO+H2),二期五環(huán)爐煤氣化裝置設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力產(chǎn)氣量2×6.9×104Nm3/h(CO+H2)。裝置正常生產(chǎn)時(shí)殼牌煤氣化爐和五環(huán)煤氣化爐粉煤燃燒產(chǎn)生大量的二氧化碳,粗煤氣組分分析數(shù)據(jù)見表1。

表1 殼牌爐和五環(huán)爐粗煤氣組分分析數(shù)據(jù) %

1.2 粗煤氣變換反應(yīng)生成CO2

為適應(yīng)甲醇、醋酸、乙二醇合成反應(yīng)需要,采用部分原料氣變換工藝,調(diào)整原料氣適當(dāng)?shù)臍涮急?粗煤氣經(jīng)變換裝置變換反應(yīng)產(chǎn)生二氧化碳?xì)怏w。一、二期變換氣組分見表2。

表2 一、二期變換氣組分表 %

2 煤化工裝置CO2氣體的用途

在低溫甲醇洗工序中,-50 ℃條件下低溫甲醇可以吸收合成氣中絕大部分的 CO2,并通過甲醇再生將之前吸收的CO2釋放出來。為減少二氧化碳工業(yè)氣體的排放,減少溫室效應(yīng),達(dá)到節(jié)能、環(huán)保效益,公司對(duì)二氧化碳?xì)怏w進(jìn)行了綜合應(yīng)用,作為下游裝置原料氣、輸送載氣、設(shè)備保護(hù)氣等使用。

2.1 作為液體二氧化碳裝置原料氣

由于二氧化碳?xì)怏w是在低溫甲醇洗裝置將粗變換氣凈化過程獲得的,在氣提或閃蒸過程得到的CO2氣體中含有CO、氮?dú)狻⒓状嫉冉M分,CO2氣體組分見表3。副產(chǎn)二氧化碳?xì)怏w在液態(tài)二氧化碳裝置經(jīng)脫硫、干燥、冷卻、液化、提純等工序得到高純度液體二氧化碳。

表3 副產(chǎn)CO2產(chǎn)品氣體設(shè)計(jì)組分 %

將低溫甲醇洗副產(chǎn)的大量二氧化碳?xì)怏w液化提純,變廢為寶,減少了溫室氣體的排放,達(dá)到節(jié)能減排增效的效果,提純后的液體二氧化碳應(yīng)用廣泛。提純后的二氧化碳產(chǎn)品在食品、衛(wèi)生、工業(yè)、餐飲、人工降雨等方面有著十分廣泛的用途。液態(tài)二氧化碳作為環(huán)保型清洗劑,在織物干洗方面達(dá)到了較好的清洗效果。在食品工業(yè)中,液體二氧化碳可以用于水果和蔬菜的保鮮。在工業(yè)中應(yīng)用二氧化碳滅火器是直接用液化的二氧化碳滅火,二氧化碳也可用作焊接用的保護(hù)氣體,二氧化碳用于塑料行業(yè)的發(fā)泡劑,二氧化碳也可用于制堿工業(yè)和制糖工業(yè)等。

2.2 作為輸送載氣使用

煤氣化裝置的煤粉輸送原設(shè)計(jì)使用氮?dú)廨斔?公司改造使用二氧化碳?xì)怏w作為煤粉輸送載氣,實(shí)現(xiàn)了二氧化碳綜合利用,在煤粉氣化燃燒過程中,二氧化碳參與反應(yīng),提高粗煤氣中有效氣(CO+H2)組分。

優(yōu)化合成氣系統(tǒng)中的有效氣含量降低了惰性氣體成分,提升了變換和合成催化劑的轉(zhuǎn)化率,減少了合成壓縮機(jī)循環(huán)量,提高壓縮機(jī)組效率,降低蒸汽使用量。合成氣組分中氮?dú)夂拷档?弛放氣排放量減少約3 000 Nm3/h。提高甲醇產(chǎn)量,避免了利用一期合成氣送二期出現(xiàn)深冷分離裝置的波動(dòng),提高了CO產(chǎn)品純度,提升CO產(chǎn)品品質(zhì),降低CO產(chǎn)品中氮?dú)夂?避免醋酸裝置因CO純度波動(dòng)出現(xiàn)工況波動(dòng),降低催化劑沉淀風(fēng)險(xiǎn),減少高壓尾氣放空量,提高產(chǎn)品合成效率。

2.3 作為保護(hù)氣使用

將工業(yè)CO2氣體作為安全閥吹掃氣、振打器密封氣使用。將原設(shè)計(jì)使用氮?dú)庾鳛榇祾邭獾牟课桓臑镃O2氣體,如安全閥吹掃氣、振打器密封氣等,降低煤氣化裝置氮?dú)馐褂昧?達(dá)到降低原料氣中氮?dú)夂康哪康?同時(shí)達(dá)到節(jié)能減排的效果。

3 二氧化碳?xì)怏w品質(zhì)控制

使用CO2氣體代替N2作為粉煤輸送載氣、吹掃氣、密封氣等,起到了節(jié)能減排的效果;同時(shí)也達(dá)到了提高甲醇產(chǎn)量、提升物料綜合利用率的目的。但是往復(fù)壓縮機(jī)提供的CO2氣體含油會(huì)導(dǎo)致裝置運(yùn)行中出現(xiàn)一些問題,如作為反吹氣使用的CO2帶油會(huì)導(dǎo)致高溫高壓反吹濾芯內(nèi)部受到油污染,堵塞濾芯的篩孔,反吹效率降低。粉煤輸送載氣CO2帶油導(dǎo)致管道充氣器和笛管粘油污染,致使輸送氣流量波動(dòng)、煤線波動(dòng),嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)跳煤線現(xiàn)象。

解決CO2氣體帶油的措施:①在往復(fù)式壓縮機(jī)出口使用高精度過濾器和油分離器,對(duì)CO2氣體中油過濾分離,定期排放油分離器導(dǎo)淋,將分離的油質(zhì)排放。②加強(qiáng)往復(fù)壓縮機(jī)出口CO2氣中油分析數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè),進(jìn)行氣中油周分析發(fā)現(xiàn)異常,及時(shí)進(jìn)行往復(fù)壓縮機(jī)設(shè)備檢修,避免氣中油含量長(zhǎng)時(shí)間超標(biāo)。③在條件允許的情況下,使用離心式壓縮機(jī)代替往復(fù)式壓縮機(jī),達(dá)到氣中無油的效果。

4 結(jié)論

大型煤化工裝置進(jìn)行CO2的綜合利用,可以有效減少二氧化碳工業(yè)氣體的排放,減少溫室效應(yīng),達(dá)到節(jié)能降耗的目的。隨著科研技術(shù)的不斷進(jìn)步,如CO2捕集封存,CO2一步法制甲醇等技術(shù)發(fā)展的進(jìn)步,CO2的利用將會(huì)更加寬廣。做好CO2氣體的綜合利用,實(shí)現(xiàn)節(jié)能降碳,最終達(dá)到碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)。