范文一:煤制烯烃工艺技术分析
煤炭加工与综合利用
No.2,2013
COALPROCESSING&COMPREHENSIVEUTILIZATION
53
煤制烯烃工艺技术分析
张香兰,许
宏
(中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院,北京100083)
要:从煤气化制合成气、合成气制甲醇及甲醇制烯烃三个过程论述了这些工艺技术的
——鲁奇公司的甲研发进展和应用现状;介绍了国内外具有代表性的四种甲醇制烯烃工艺技术—
摘
醇制丙烯技术、UOP/NORSKHydro的甲醇制烯烃技术、中国大连化物所开发的甲醇制烯烃技
术以及清华大学的流化床甲醇制丙烯技术。
关键词:煤气化;甲醇;乙烯;丙烯中图分类号:TQ54文献标识码:A
乙烯和丙烯是现代化学工业中的重要基础原
料,随着化学工业的发展,其需求量逐年增加
[1]
8397(2013)02-0053-05文章编号:1005-开发及处于研究发展中的气化方法不下百种。按
生产装置的化学工程特征分类,可将煤气化方法分为4大类,即固定床气化法、流化床气化法、气流床气化法和熔融床气化法。目前世界上已实现工业化、技术先进可靠、具有商业化业绩的气化方法主要有鲁奇固定床层加压气化法、水煤浆加压气化法及干煤粉加压气化法。各种煤气化方法的系统比较见表1。2
甲醇合成工艺技术现状
合成甲醇的主要原料气包括CO、CO2、H2
以及少量的N2和CH4。目前,主要采用气相合成工艺,催化剂是以铜和氧化锌为主要物质,并加入铝或铬的氧化物。各工艺采用的设备基本相同,但不同工艺使用的反应器和操作单元的组合相差较大。气相法工艺技术主要有ICI低压甲醇合成技术和Lurgi低压甲醇合成工艺。主要反应器有TEC新型反应器、托普索径向流甲醇合成反应器和卡萨利新型等温甲醇合成反应器。ICI、Lurgi、CasaleIMC工艺技术特点见表2。
气相合成甲醇工艺具有合成效率低、能耗高等多种不利因素,而液相合成法可弥补此不足。Sherwin和Blum受费托工艺中浆态床的启发,在1975年首先提出甲醇的液相合成方法。液相合成技术是在反应器中将催化剂分散到碳氢化合物的
[5]
惰性油介质中,反应开始时,合成气先溶解分散到介质油中,然后再到达催化剂表面,反应产物也需经历相似的过程才能分离出来。由此可见,
。乙烯和丙烯的传统制备方法是采用裂解石
脑油或轻柴油工艺,但石油是不可再生资源,在我国储量严重不足;另一方面,石油价格波动较大,因此世界各国都在研究利用其他资源来制备乙烯和丙烯类低碳烯烃。其中,利用煤或天然气
[2]
经甲醇制备低碳烯烃工艺受到重视。我国能源结构具有多煤、贫油、少气的特点,这种以煤为
主要能源的格局在很长时间内也不会有大的变[3]
化。目前国内外甲醇制备乙烯、丙烯等低碳烯烃的工艺技术已相当成熟,这就为我国利用丰富的煤炭资源,采用先进的煤化工技术,大力发展煤制烯烃产业提供了良好机会。不仅有利于优化我国传统煤炭产业的产品格局,而且对缓解我国石油短缺的现状具有重要的战略和现实意义。使用煤炭为原料制取低碳烯烃的工艺技术包括煤气化、甲醇合成及甲醇制烯烃三项核心技术。工艺路线为:煤气化生成主要成分为CO和H2的合成气,合成气净化后合成甲醇,最后将甲醇转化为低碳烯烃。1
煤气化工艺现状
煤气化技术有着悠久的历史,迄今为止,已
11-22收稿日期:2012-作者简介:张香兰(1968—),女,山西阳泉人,2002年毕业于中国矿业大学(北京)矿物加工工程专业,工学博士,中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院副教授。
54
煤炭加工与综合利用2013年第2期
液相合成甲醇法是典型的气—液—固三相反应。
液相合成技术由于使用了热熔高、导热系数大的石蜡类长链烃类化合物作为介质,这使甲醇合成反应可以在等温条件下进行。同时,由于合
表1
项目气化工艺
成气均匀分散到了液相介质中,大大增加了与催化剂的接触面积,提高了反应速度。目前,液相法使用的设备主要是滴流床和浆态床,但大型的甲醇合成装置还没有商业化运行的业绩。
气化工艺技术比较(以投煤量1500t/d为例的最佳值)
GSP粉煤气化气流床、液态排渣褐煤、烟煤、次油渣
2.0~4.01400~1600
1500~400
~600(灰分19.9%,
水分4.7%)
~9977~8290~929560~120中低高13000
德士古气化气流床、液态排渣次烟煤、烟煤、油渣分1500
从单个工艺单元来看。空分、变换及甲醇洗是在煤制合成氨、煤制甲醇及煤制油等煤化工中已得到广泛应用的成熟技术。因此对煤制天然气来讲,需要选择的主要是煤气化及甲烷化技术。
然气、甲醇、氨及发电.从而成为解决城市天然气调3煤制天然气工艺技术
天然气项目是位于美国北达科他州的大平原合成燃料厂。该项目始于1972年秋,但由于煤资源、用水许可、环保、贷款担保等问题,拖至1980年7月25日才正式宣布开工建设.业主是大平原气化协会(GPGA)。项目设计采用14台直径14fi(04267mml每天生产1.25xlOSft3(标准)的天然气,相当于Et产天然气354x104m3(标准)。
天然气首次从大平原厂通过直径24in(4,609.6ram)、
第6期付国忠等.我国天然气供需现状及煤制天然气工艺技术和经济性分析
裹3某煤制天然气项目关键物流点工艺数据
.31.
图5中物料号
相态
C0H2
l23456
固相(煤)
气相
O.00000.0000O.0000O.O000O.0000O.00004.00E—03O.O0000.99600.0000
气相
O.12950.25750.1919O.3429O.06692.14E-032.68E-03O.0000O.0000O.000231856.033
18l2.98
气相
0.11780.43090.33733.10E一030.09483.02E-033.80E一03O.00000.O000
气相
O.1764O.6485O.0204O.00()0O.1406O.00005.68E-030.00000.0000
气相
7.68lE一030.02534.84E—030.OooOO.95450.00000.01540.OooO0.0000
C02H20
CH4
H2S
N2Ar
02
NH,
总物质的量流量/(kmol?h。1
温度,℃压力/MPa
481.91t/h2650.2195
1203.5
22462.771
402.79
14129.297
302.45
5482.3849
40
2.0
3.1煤气化技术
煤制天然气的竞争力主要来自于可以采用低价劣质煤.例如含水含灰高、低热值的褐煤。这种煤不太适用于干粉或水煤浆的气流床气化。而比较适于碎煤加压固定床或流化床气化。
鲁奇炉是目前世界上应用最多的碎煤加压固定床煤气化炉。正在运行中的达到数百台。主要应用于生产城市煤气和化工合成气。鲁奇炉现已发展到第五代Mark一5。在南非Sasol一共使用了9r7台鲁奇炉。其中13台Mark一3、83台Mark一4、l台Mark一5。在美国大平原煤制天然气项目中共应用了14台Mark一4。表4给出了不同规格的鲁奇炉的尺寸和生
产能力。
袭4鲁奇炉规格
炉型
Mark-3一38002834000
Mark-4—42005465000
Mark-5—50007590000
表S褐煤作原料时鲁奇炉典型煤气组成(干基)%
序号
l2345678
项目
C0H2
数据
14.538.332.012.51.5O.2O.8O.2
C02
C}LN20C。H,l
H芦
当然,流化床气化炉(如U—gas及KBR等)技术也适用于劣质煤气化,但由于操作压力的限制,其单炉生产能力较小。难以应用于煤制天然气这样大规模的煤气化项目。另外还可以考虑BGL(BritishGas—Lursi英国燃气一鲁奇)块/碎煤熔渣气化技术,它是在原鲁奇固定床加压气化炉技术的基础上开发出来的新型煤气化技术。BGL熔渣气化技术将高温熔渣气化与加压固定床气化技术结合在一起,兼具双方的优势,克服各自的一些缺点,是一种既高效又经济的气化技术。目前,BGL技术已完成大规
炉径/mm进煤m/(t?h一11
粗煤气(标准)产量/(m3?h。)
鲁奇煤气化工艺在国内经过消化、吸收、创新,无论设计还是运行。都已积累了相当的经验。其气化效率较高,氧耗低;煤种适用范围广。可使用高灰分、高水分、高灰融点、低热值的劣质煤:煤气组成中CH。含量高(见表5),当用于煤制天然气时,可以大大减轻甲烷化单元的负荷。节约建设投资和运行成本:同时气化污水达标排放近年也取得了重大进展。因此,鲁奇煤气化工艺是煤制天然气项目首选的煤气化技术。
模中试和工业化示范。2005年。中国云南煤化工集团与Advantica公司合作.在其下属的云南解化集团改造了一台固定床加压气化炉。并作为示范炉,试烧当地高含水量(约35%)褐煤。但总体来说,目前该技术还缺少商业运行的业绩。
3.2甲烷化技术
合成气甲烷化技术是鲁奇与南非Sasol在20世纪70年代开发的,CO转化率达100%,C02转化率达98%。通过甲烷化制备的天然气中甲烷含量高
中外能源
?32?
SINO—GLOBAL
ENERGY
2010年第15卷
达95%。鲁奇甲烷化技术在美国大平原工厂的成功应用。也是世界上第一个商业化业绩。
丹麦托普索公司在20世纪70年代后期开发了甲烷化循环工艺(a'P,.EMP'rM)技术,目前已在半商业规模的不同装置中得到证明。正在美国拟建一座18x105,n3/h(标准)的合成天然气厂。在TREMPTM工艺中.反应在绝热条件下进行,反应产生的热量会导致很高的温升。通过循环来控制第一甲烷化反应器的温度。TREMtrI'M工艺一般有3个反应器,第二和第三绝热反应器可用一个沸水反应器(BWR)代替,虽然投资较高,但能够解决空间有限的问题。
Davy甲烷化技术(CRG)最初是由英国燃气公司开发的,20世纪90年代末期,Davy公司获得了将CRG技术对外转让许可的专有权,并对该技术及其催化剂进行了进一步开发。Davy甲烷化工艺第二甲烷化反应器采用等温反应器,用来产生高压过热蒸汽。另据报道,其催化剂具有变换功能,合成气不需调节H/C比。转化率高。催化剂使用范围很宽,在230。700℃范围内都具有很高且稳定的活性111。
甲烷化催化剂为A120,基或者陶瓷基的镍催化剂。主要包括德国BASF的GI一85、英国JMC的CR.GIM、丹麦托普索的MRC一2X,其中仅有BASF的催化剂在南非Sasol半工业化甲烷化装置及大平原工厂长期使用过.其性能稳定。4煤制天然气经济性分析
下面仍以前面提到的年产10x10sin3(标准)天然气项目为例.对煤制天然气的经济性进行分析。
该项目产品为300x105C/d(标准)天然气,副产品为2.2×104t/a汽油、7.0xl&t/a柴油和1.73×l&t/a硫磺。项目投资估算见表6,成本估算见表7,销售收入及利润见表8、表9。
表6年产10x10sra3煤制天然气项目投资估算
序号
项目
费用,万元
l
工艺生产装置(包括空分、煤气化、268390
变换、甲醇洗、甲烷化、硫回收等)
2辅助生产装置24803
公用工程
368804
固定资产其他费用
1580
5其他(包括无形资产、递延资产、预91734
备费、贷款利息等)
6
固定资产投资合计
401064
注:以上投资未含征地费及厂外工程(如管输投资)。
表7年产10×1吨n3煤制天然气项目成本估算
项目单价年消耗量
成本,万元
原料煤120元,t3855200t46262燃料煤120元,t
442880t5315催化剂及5600t
3280
化学品电3419元/(10'kW?h117722x104I【W?h
6059水17699元/10*t
1220xlo‘t
2159其他动力费2335工资及福利费
1900修理费10174折旧费23442其他8261总成本费用109187
单位成本
1.09元/m3(标准)
注:成本估算基于计算期中间年份。
表8煤制天然气项目年销售收入
项目单价产量
销售收入,万元
天然气
15929元/llYm310x10'm3159292柴油
2504元,t70D00t17530汽油2632元,t22000t5791硫磺82l元,t
17300t
1420合计
184033
表9煤制天然气项目年利润总额
万元产品、副产品销售税金产品总成本利润总额
销售收入
及附加
及费用
184033
1307
109187
73539
根据以上数据。在目前国际和国内天然气价格下,该煤制天然气项目投资利润率16.16%(平均),全部投资内部收益率16.21%(所得税后),投资回收期7.72年,在经济上是可行的。5煤制天然项目风险分析
在条件具备的地方适度发展煤制天然气,可以部分缓解我国天然气供需缺口。如果在制备天然气的同时实行多联产。还可以对天然气的供应起到调峰作用.同时发展煤制天然气也是国家能源战略的组成部分。但现在一些地方和企业不顾地域条件,
过高估计煤制天然气的利润空间。热捧煤制天然气项目,而对煤制天然气项目的风险认识不足,这是应该引起我们注意的。
5.1正确评价煤制天然气的能源效率和C02排放
煤制天然气在能源转化效率及水耗上的确优于其他煤化工产品(见表10)m。然而需要指出的是,虽然煤制天然气能源转化效率高。但并不说明用煤
第6期付国忠等.我国天然气供需现状及煤制天然气工艺技术和经济性分析
.33.
制取天然气作为燃气使用就是最合理最高效的能源转化利用方式,因为需要评估包括煤制天然气及终端用户在内的全过程的能量效率。比如说,如果
仅从能源效率上说。煤发电可能比煤制天然气供居民使用效率会更高一些。因此,过分强调和夸大煤制天然气这个单一过程的高能源效率是不客观的。
表10不同煤制能源产品的能量效率、水耗和C02排放■
项目煤制甲醇,t煤制二甲醚It间接煤制油,t煤制天然气研1000m,煤制天然气。,1000m3
低位热值,MJ
2025928405426423464878
单位能耗,MJ
46194750631222136583675852
能量效率.%
43.8637.8434.8952.5745.98
单位水耗,t
1522165.636.84
单位热值水耗,(t?GJ“)
工艺C02公用工程C02排放,(t?GJ4)
0.060O.06lO.0660.0490.019
总COs排放/(t?GJ。)
0.159O.1600.1430.1260.134
排放,(t?GJ“)
O.09190.099O.077O.077O.115
0.746
O.7750.3750.1600.196
注:①采用鲁奇炉气化技术;(函采用水煤浆气化技术。
另外,煤制天然气项目的CO:排放量大。大平原项目是通过建设205mile(约330km)的管道。每天将9500x104ft3(约270x104m3)的C02输送到邻国加拿大.注入油田用于提高油田采收率.这不仅减少了温室气体排放。每年还为公司带来了1500万美元
的利润。
费和管理费形成最终零售价。因此。预期煤制天然气项目投产后就能有可观的盈利未免太过于乐观。大平原项目就是最好的例证。5.3煤制天然气项目产品关联度低
煤制天然气是我国新兴煤化工和能源战略的重要组成部分,我们应该坚持科学发展观,实事求是地评价煤制天然气在我国新兴煤化工产业中的作用。从战略的高度看。发展新型煤化工技术,构建现代化的煤化工产业.对延伸煤炭产业链,提升和改造煤炭工业。实现煤炭产业的可持续发展有着重要的战略意义。但是,与煤制甲醇、煤制二甲醚、煤制乙二醇、煤制烯烃以及煤制油项目相比,煤制天然气项目产品附加值低,产业链短,产品关联度低,带动区域经济发展的能力弱。因此,煤制天然气最好能与其他煤化工实现联产。如在天然气用量低谷时改产甲醇等,灵活应对市场,并对天然气供需起到调峰的作用。
5.4受天然气管网建设和管理的制约
最后。还需要指出的是,从发达国家的发展经验来看,随着天然气的普及,构建全国性的统一的天然气输配干网势在必行。而我国现在的天然气管网主要由中国石油、中国石化拥有,煤制天然气如何进入这些管网?入网价如何确定?这些问题如果不能妥善解决。都将从根本上影响项目的可行性。
5.2原料煤及产品价格是制约煤制天然气项目的关
键因素
煤制天然气项目对煤炭价格是敏感的。当煤价从120元It上涨到200元/t时。其天然气成本就会从1.09元,m3上升到1.44元/m3。由于这只是出厂价。如果再加上从工厂到天然气管网的管输费用,肯定会比国内气田入网价高。估计与中亚进口天然气相比也没有价格优势可言。因此。煤制天然气项目必须利用劣质低价煤.并尽可能将项目建设在坑口,以减少煤的运费。
此外,天然气的销售价格也直接决定着煤制天然气项目的经济性。从长远来看。国内天然气价格与国际接轨是必然的。但我国天然气价格体系很复杂,不同气源的价格不一样,同一气源的不同用户价格也不一样.国内气价和进121气价也不同;从天然气气价分段上来看也同样复杂。气价主要由出厂价、管道运费和城市燃气终端价格组成,前两者由国家发改委定价,后者由地方政府定价。
可见,气价向上涉及到国家层面,向下涉及到千家万户,非常敏感,这就注定这个过程可能是渐进和漫长的。短期内。天然气价格形成机制只能是在财政给予适当补贴的情况下。由政府指导的天然气出厂价,加上地方政府根据各地不同的管道运输
参考文献:
【1】刘志光,龚华俊,余黎明.我国煤制天然气发展的探讨【J】.煤
化工,2009,37(2):1-8.
(编辑张峰)
中外能源
?34?
SINO—GLOBAL
ENERGY
2010年第15卷
NGDemandandSupplyinChinaandEconomicand
TechnicalAnalysisofCoal
GasificationTechnology
Fu
Guozhong,Chen
Chao
(AirLiquideEngineeringServiceAsia。Shanghai200233)
【Abstract】China’S
natural
gas
markethas
beenexpandingcontinuously.In
2008。China’S
natural
gas
con.sumptionreached
807×10am3,up10.1%fromthe
previous
year.In2020.China’S
natural
gasdemandis
ex.
pected
to
rise
to
2500x108IIl3and
the
country’S
natural
gas
shortageis
expected
tohit
1000x10Sm3.Compared
withinternational
naturalgasprices,China’Sdomestic
natural
gas
prices
arc
stilltoo
low.Coal—derived
natural
gas
can
beusedas
a
substitutefor
liquefiedpetroleum
gasandconventionalnaturalgasto
easenaturalgas
supplyshortfall.ne
petitiveness
of
coal—derivednatural
gasliesinthe
use
of
low—price.10w-quality
coaland
technologies
needed
ale
coal
gasification
and
methane
production
techniques.High-water,hi}sh—ash
and
low。。calorificvaluelignite
is
relativelymoresuitablefor
gasification
in
pressurized
fixed
beds
or
fluidized
coal
gasificationtechnology
is
the
best
optionfor
coal
gasification
projects.Other
technologies
include
fluidized
bed
gasificationfurnacetechnology
and
BGLlump/fine
coalslaggasificationtech-
Lurgi
methanationtechnology
is
the
wodd
7
S
firstmercializedcoalgasification
technology.Other
technologiesincludeTopsoe’SRecycle
Methanation
Processand
7
Davy
s
methanation
technobgy.Take
a
lOxlOSm3
coal
gasificationprojectfor
an
example.Its
rate
ofreturns
on
investment
wouldbe
16.16%(on
av—
rate
ofreturns
on
total
investment
wouldbe16.21%(afterinetax)andinvestmentwould
recovered
in7.72
years.Such
a
project
would
be
economically
viable.Some
local
governmentsandenter-
are
not
fully
aware
ofthe
risksinvolvedincoal
gasification
projects.Prior
to
launching
a
coal
gasifi=
project,the
investorshouldfirstevaluatethe
energyefficiencyandcarbondioxideemissionlevelofthe
would
not
be
objective
to
overemphasizeand
exaggerate
thehiIshenergy
efficiencyof
a
coalgasifi.
project
itself.Itmustbe
notedthat
the
prices
offeedstockcoal
andfinished
products
are
the
mostdeterminantsfordevelopinga
coal
gasification
project.In
addition,such
project
has
relatively
low
mix
consistency
and
is
subject
tolimitations
associatedwiththeconstructionandregulationofnatural
pipelines.
gas
demand;coal-derived
naturalgas;low-quality
coal;coalgasification
technology;metha-
technology;economicviability;energyefficiency
全球三大石油期货市场
全球主要石油期货市场有纽约商品交易所、伦敦国际石油交易所以及近些年兴起的东京工业品交易所。2003#-纽约(供稿泠风)
beds.Lurgi’S
available
nology.Thesimilar
erage),internal
be
prisescation
pmject.It
cation
significant
productgas
fKeywords】naturalnation
?能源知识?
商品交易所能源期货和期权交易量超过l亿手,占到三大能源交易所总量的60%。其上市交易的西德克萨斯中质原油(WTD是全g交易量最大的商品期货,也是全球石油市场最重要的定价基准之一。伦敦国际石油交易所交易的北海布伦特原油也是全球最重要的定价基准之一,全球原油贸易的50%/a右都参照布伦特原油定价。
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