焦爐煤氣、焦炭制乙二醇工藝及成本分析

石鋒

(湖南百利工程科技股份有限公司上海分公司,上海 200127)

焦爐煤氣、焦炭制乙二醇工藝及成本分析

石鋒

(湖南百利工程科技股份有限公司上海分公司,上海 200127)

焦爐煤氣制乙二醇是新型煤焦化工的重要路線之一,是近年國內外關注的煤焦化工的投資熱點。本文對以焦爐煤氣和焦炭為源頭生產乙二醇裝置的技術經濟方案進行分析,詳細闡述以焦爐煤氣和焦炭為原料,經過氫氣分離、焦炭制一氧化碳、二氧化碳回收、空分、合成氣制乙二醇等工藝路線的工藝裝置和公用工程配置,計算得出工藝裝置投資組成、生產成本分析等。認為在投資焦爐煤氣制乙二醇裝置時,應充分考慮工藝方案的可行性和產品乙二醇的成本等因素。

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焦爐煤氣利用不僅是煉焦生產資源綜合利用的重要方式，也是焦化行業(yè)節(jié)能減排的必要途徑。焦爐煤氣是僅次于焦炭的煉焦產品，除焦爐自身加熱使用外，每噸焦炭還有200多立方米的富余[1]，見圖1。

圖1 煉焦工藝流程示意圖

我國焦炭產量巨大，每年由此而產生的數百億立方米焦爐煤氣的綜合利用已經成為我國煉焦行業(yè)亟待解決的事宜。根據焦爐煤氣含氫量高的特點，如何轉換為附加值高的化工原料路線引起了國內外的廣泛關注，主要是指焦爐煤氣發(fā)電、焦爐煤氣制氫、焦爐煤氣制天然氣、焦爐煤氣制合成氨、焦爐煤氣制甲醇和焦爐煤氣制乙二醇等利用方向[2]。其中，選擇哪種工藝路線，除緊密結合焦炭企業(yè)自身特點和近遠期規(guī)劃外，按照衍生化學品的附加值來說，焦爐煤氣制乙二醇是新型煤焦化工的重要路線之一。

近幾年，國內部分焦化企業(yè)正在規(guī)劃和建設焦爐煤氣制乙二醇項目，其工藝流程：焦爐煤氣經壓縮至甲烷非催化轉化，再經低溫甲醇洗脫除酸性氣體后，凈化氣送冷箱和變壓吸附分離出一氧化碳和氫氣，送入合成氣制乙二醇裝置。該工藝路線長、工藝裝置多、投資高，與已有焦化裝置上下游一體化的優(yōu)勢不明顯。

本文將采用以焦爐煤氣和焦炭為原料，生產氫氣、一氧化碳，再采用偶聯加氫合成法生產乙二醇，可實現原料本地化、上下游產品一體化、節(jié)能減排低碳化，促進我國的焦炭工業(yè)跨上新的臺階。以焦爐煤氣和焦炭為源頭生產乙二醇裝置的技術經濟方案進行分析，從工藝技術方案、公用工程配置、投資及經濟效益等方面進行詳細闡述。

1 焦爐煤氣、焦炭制乙二醇裝置的工藝技術方案

焦爐煤氣、焦炭制乙二醇裝置工藝流程框圖見圖2。

圖2 焦爐煤氣、焦炭制乙二醇裝置工藝流程框圖

2 工藝裝置配置

焦爐煤氣、焦炭制乙二醇裝置的基本配置為：氫氣分離、焦炭制一氧化碳、二氧化碳回收、空分、合成氣制乙二醇，共五套工藝裝置。

2.1 氫氣分離裝置

焦爐煤氣富含H2、CO、CH4、CO2等，隨著煉焦配比和操作工藝參數的不同，焦爐煤氣的組成略有變化，一般焦爐煤氣的組成見表1[3]。

表1 焦爐煤氣的組成

本裝置采用變壓吸附提氫工藝技術。焦爐煤氣先進入預處理系統，經脫萘、干法脫硫、壓縮、除油等預處理后，進入PSA-H2系統的吸附器，吸附壓力1.7MPa，吸附器頂部輸出的氫氣壓力約1.7MPa，經氫氣緩沖罐后，送到后處理單元，經脫氧、脫水、干燥后，產品氫氣直接送往乙二醇裝置，作為乙二醇加氫的原料氣。解吸氣作為預處理器和脫萘器的再生氣，對預處理器和脫萘器進行再生后，直接輸出至焦爐作燃料。此流程技術成熟，具有操作可靠、穩(wěn)定運行等特點[4]。

2.2 焦炭制一氧化碳

本裝置采用焦炭、純氧和二氧化碳連續(xù)制備技術[5]。裝置由造氣單元、脫硫工單元、變壓吸附等組成。以焦炭為原料，氧氣及二氧化碳為氣化劑，在新型一氧化碳氣化爐內進行氣化反應，制得粗煤氣，選用濕法與干法結合脫硫工藝，再經變壓吸附單元獲得高純一氧化碳直接送往乙二醇裝置。

新型一氧化碳氣化爐的特點是：連續(xù)加料，連續(xù)氣化，間歇排渣，自動化控制水平高，操作運行平穩(wěn)。爐體采用耐火隔熱層外加水夾套結構，盡量減少副產蒸汽量保證熱量用于還原反應。專用爐篦具有均勻布氣、破渣、排渣等多種功能。爐體結構簡單，故障率低。

使用焦爐回收的CO2氣體，變廢為寶，降低原料消耗。二氧化碳除參加反應外，還起到載熱體作用和調節(jié)溫度作用[6]，控制燃燒層最高溫度在灰熔點50℃以下，防止灰渣結塊。

圖2 工程費用的組成

2.3 二氧化碳回收裝置

焦爐煙氣經蓄熱室預熱空氣和余熱回收后，經總煙道、煙囪排至大氣。由于煙道氣中含有大量二氧化碳，由此產生的“溫室效應”也日益影響著全球氣候[7]。本文結合煙道氣的特性以及焦化企業(yè)的特點從資源化利用二氧化碳的角度提出從煙道氣中回收部分二氧化碳，不但為焦化企業(yè)節(jié)能減排、創(chuàng)造綠色經濟做出貢獻，同時也滿足焦炭制備一氧化碳裝置的原料需求。

從煙道氣中回收CO2，國內外主要采用MEA(一乙醇胺)法。但常規(guī)MEA法存在設備腐蝕性嚴重、溶劑降解損耗大和蒸汽消耗高等缺點?？紤]到煙道氣中CO2分壓低，且含O2，常規(guī)方法都不適用，為此本裝置采用從煙道氣中回收CO2新技術，該技術采用復合胺水溶液，同時添加抗氧劑和防腐劑。該溶劑具有較高的吸收速度和吸收能力；與傳統的MEA法相比，吸收能力提高25%，能耗降低30%，操作費用降低30%以上，解決了MEA法存在的胺氧化降解等問題。同時溶劑對設備基本不腐蝕，適用于回收低分壓CO2，尤其是回收煙道氣中的CO2，具有較高的實用價值。

2.4 空分裝置

目前深冷法制取氧氣的空分裝置流程主要有兩大類：全低壓外壓縮流程和液氧內壓縮流程[8]。外壓縮流程就是空分設備生產低壓氧氣，然后經氧壓機加壓至所需壓力供給用戶，也稱之為常規(guī)空分。與外壓縮流程相比，內壓縮流程主要的技術變化在兩個部分：精餾與換熱。外壓縮流程空分是由精餾塔直接產生低壓氧氣，再經主換熱器復熱出冷箱；而內壓縮流程空分是從精餾塔的主冷凝蒸發(fā)器抽取液氧，再由液氧泵加壓至所需壓力，然后再由一股高壓空氣與液氧換熱，使其汽化出冷箱作為產品氣體?？梢院唵蔚卣J為，內壓縮流程是用液氧泵加上空氣增壓機取代了外壓縮流程的氧壓機。

針對焦爐煤氣、焦炭制乙二醇裝置所需氧氣的條件，空分裝置采用常溫分子篩預凈化，空氣增壓透平膨脹機提供裝置所需冷量，液氧自增壓，全低壓精餾工藝。

2.5 合成氣制乙二醇裝置

以一氧化碳、氫氣和甲醇為原料，用草酸酯加氫合成法生產乙二醇。草酸酯加氫合成法有液相法和氣相法兩種技術[9]。與液相法相比，氣相法采用固定床，不需要催化劑分離裝置，減少了催化劑的損失；不需要高壓反應器，減少了固定投資和動力消耗；不需要脫水，副產物少等優(yōu)點。該方法在經濟和技術上具有較強的競爭力，并隨著生產規(guī)模的擴大，其優(yōu)勢更加明顯。

3 公用工程配置

焦爐煤氣、焦炭制乙二醇裝置需配套以下公用工程。

3.1 供熱

(1)蒸汽。焦爐煤氣、焦炭制乙二醇工藝裝置所需的供熱蒸汽主要由熱電站的外供蒸汽和工藝裝置自產蒸汽所組成。各裝置在使用蒸汽及余熱回收時，盡可能使用低等級蒸汽，發(fā)生高等級蒸汽，以提高熱利用率。

(2)鍋爐給水。熱電站設置公用鍋爐給水裝置，滿足工藝裝置區(qū)和動力站的鍋爐給水系統使用。

(3)冷凝水回收系統。工藝裝置區(qū)和動力站產生的工藝凝結水和透平凝結水，由泵送至凝結水站精制處理，再供工藝裝置使用。

(4)脫鹽水。工藝裝置所需的脫鹽水，主要由凝結水站提供的精制冷凝液為主，不足部分由脫鹽水站提供。

3.2 供配電和通信

作為煤焦化工工程，可靠的電力供應是保證其正常運作的前提條件之一。按照能量綜合利用的原則建設熱電站，不僅能提供工藝裝置所需的蒸汽， 還能提供所需部分電力，提高了資源的利用效率。焦爐煤氣、焦炭制乙二醇裝置建35kV變電所2座，分別位于各工藝裝置、公用工程及輔助生產設施內，為各用電負荷供電。

裝置的電信設計包括以下系統：電話及計算機網絡系統、火災報警系統、電視監(jiān)控系統。

3.3 給排水

(1)給水系統需配置循環(huán)水系統、生活與生產水系統和消防水系統等。1)循環(huán)水系統需設置循環(huán)水場，供水壓力大于0.6MPG，回水壓力大于0.2MPG。出塔溫度與進塔溫度的溫差10℃，采用余壓循環(huán)回水上塔。補充水為生產水。2)生活與生產水系統需設置凈水站，生活水水質符合《生活飲用水衛(wèi)生標準》GB 5749-2006的要求，主要用于安全淋浴器、洗眼器及洗臉盆等生活設施；生產水水質滿足用戶的要求，主要用于沖洗水、生產用水、循環(huán)補充水等。3)消防水為穩(wěn)高壓消防給水系統，由消防泵房供給。

(2)排水系統含雨水及事故水系統、生活污水系統、生產污水系統等：雨水及事故水系統需設置雨水收集池及監(jiān)控池，事故時產生的消防水和工藝物料泄露等污染水先進入裝置內的污染雨水儲存池，并通過溢流進入雨水系統，匯集到全廠事故池進行儲存，事故后根據水質監(jiān)測情況將事故水提升送至污水處理場進行處理或送至廠外雨水系統。

生活污水系統通過各裝置內的管道收集后，自流接入污水處理場。

各區(qū)域生產污水、初期雨水、地面沖洗水通過管道收集后自流至污水處理場。

3.4 儲運系統

儲運系統、廠內外工藝及熱力管網主要包括廠內原料罐區(qū)和乙二醇產品罐區(qū)，廠內工藝及熱力管網及乙二醇成品的出廠設施。

3.5 空壓站

空壓站是為工藝用戶提供一般壓縮空氣、為儀表用戶提供潔凈、少油、無水的常溫壓縮空氣。

4 投資及經濟效益分析

分析焦爐煤氣、焦炭制乙二醇裝置的總投資中工程費用組成以及工藝生產裝置投資組成見圖3、圖4。

圖3 工藝生產裝置投資組成

由圖3、圖4分析，若沒有公用工程可依托，完全新建一套焦爐煤氣、焦炭制乙二醇裝置的話，其配套系統占工程投資比例近30%。而工藝生產裝置的投資比例中，合成氣制乙二醇裝置比重最大，占到75%。這是因為乙二醇所需合成氣配置方案合理，最大限度地利用原有焦化裝置附加值低的產品，上下游一體化程度較好，合成氣配置的技術方案及投資費用成為合成氣制乙二醇聯合裝置的關鍵所在。

以某焦化企業(yè)提供的原料和公用工程價格為例：焦爐煤氣為0.6元/標立，焦炭為1800元/噸，原水為2元/噸，電為0.58元/度，動力煤為500元/噸，進行20萬噸/年焦爐煤氣、焦炭制乙二醇裝置的各項成本初步測算，如表2。

表2 焦爐氣制乙二醇成本組成表

由表2可以分析焦爐煤氣、焦炭制乙二醇裝置的成本組成，見圖5、圖6。

圖5 焦爐煤氣、焦炭制乙二醇成本組成圖

圖6 原材料和輔助材料成本分布圖

由圖5分析，焦爐煤氣、焦炭制乙二醇裝置單位產品成本組成中：生產成本最大，占總成本的93%；其次是財務費用約為3%，主要是利息的支出；再次是管理費用，主要是無形資產的攤銷和其他管理費用。

由圖6可見，焦爐煤氣是原材料和輔助材料成本中最大用戶，約占該部分成本的56%；其次是焦炭約為28%，由此可知，配置合成氣制乙二醇主要原料氫氣和一氧化碳的成本最大，占原材料和輔助材料成本的84%，說明該配氣方案科學合理。

近幾年乙二醇價格波動幅度較大，在這個過程中，高成本的乙烯法生產企業(yè)是市場價格的重要確定因素。預計在未來幾年中，這些高成本的企業(yè)將逐漸退出市場，從而讓草酸酯加氫合成法制乙二醇的生產企業(yè)享有可觀的利潤。預計隨著市場供需的新一輪平衡，只有那些擁有先進配置合成氣技術或(和)擁有經濟的原料供應的企業(yè)能夠勝出，則投資焦爐煤氣制乙二醇項目具有較低的生產成本，應能取得較好的收益。

5 結語

(1)以焦爐煤氣、焦炭為原料，經過氫氣分離、焦炭制一氧化碳、二氧化碳回收、空分、合成氣制乙二醇等工藝路線，以氫氣、CO與甲醇為原料，采用草酸酯加氫合成法生產乙二醇是一條工藝可行的路線。

(2)焦爐煤氣、焦炭制乙二醇裝置的總成本為3231元/ t乙二醇產品，成本指標優(yōu)勢明顯且處于國內先進水平。原材料消耗是整個乙二醇產品的最大成本，而副產品銷售的盈利以及焦爐煤氣脫氫后的尾氣做燃料氣，可較大降低產品成本，提高經濟效益。

(3)合成氣制乙二醇裝置的成本關鍵看配置合成氣的價格，采用低廉的焦爐煤氣和焦炭組合配置合成氣的方案具有較低的生產成本，具有較好的經濟收益。

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