煤制天然氣的工藝流程與經(jīng)濟(jì)性.doc

煤制天然氣的工藝流程與經(jīng)濟(jì)性 摘要：本文描述了以煤為原料制取高效清潔的代用天然氣的技術(shù)路線及其關(guān)鍵技術(shù)之一-甲烷化技術(shù)，并采用PRO對(duì)煤制代用天然氣工藝進(jìn)行了流程模擬計(jì)算。除此之外，本文對(duì)其經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析。通過(guò)上述分析可看出，在我國(guó)積極穩(wěn)步推進(jìn)煤制天然氣發(fā)展勢(shì)在必行。關(guān)鍵詞：代用天然氣（SNG） 甲烷化經(jīng)濟(jì)性1 前言隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的繼續(xù)推進(jìn)，對(duì)天然氣的需求將持續(xù)攀升。而我國(guó)天然氣儲(chǔ)量并不豐富，為了保障用于城市燃?xì)獾奶烊粴獾墓?yīng)，我國(guó)2007年11月已經(jīng)禁止了天然氣制甲醇，并且限制煤炭充足地區(qū)的天然氣發(fā)電。據(jù)預(yù)測(cè)，我國(guó)2010年、2015年和2020年對(duì)天然氣的需求分別達(dá)到1200億m3、1700億m3和2000億m3，相應(yīng)地，天然氣缺口分別為300億m3、650億m3和1000億m3。目前我國(guó)天然氣的進(jìn)口途徑主要有兩條，一條是從俄羅斯和中亞國(guó)家通過(guò)長(zhǎng)輸管道進(jìn)口的天然氣，另一條是在東南沿海等地進(jìn)口的液化天然氣（LNG）。地緣治和國(guó)際天然氣的運(yùn)輸及價(jià)格都將影響我國(guó)天然氣的供應(yīng)。因此，發(fā)展煤制代用天然氣（Substitute Natural Gas-SNG）就具有了保障我國(guó)能源安全的重要性。煤制SNG可以高效清潔地利用我國(guó)較為豐富的煤炭資源，尤其是劣質(zhì)煤炭；還可利用生物質(zhì)資源，拓展生物質(zhì)的利用形式，來(lái)生產(chǎn)國(guó)內(nèi)能源短缺的天然氣，然后并入現(xiàn)有的天然氣長(zhǎng)輸管網(wǎng)；再利用已有的天然氣管道和NGCC電廠，在冬天供暖期間，將生產(chǎn)的代用天然氣供給工業(yè)和用作為燃料用于供暖；在夏天用電高峰時(shí)，部分代用天然氣用于發(fā)電；在非高峰時(shí)期，可以轉(zhuǎn)變?yōu)長(zhǎng)NG以作戰(zhàn)略儲(chǔ)備；從而省去了新建燃煤電廠或改建IGCC電廠的投資和建立鐵路等基礎(chǔ)設(shè)施的費(fèi)用，并保證了天然氣供應(yīng)的渠道和實(shí)現(xiàn)了CO2的減排。由此可見(jiàn)，煤制SNG是一舉數(shù)得的有效措施，有望成為未來(lái)劣質(zhì)煤炭資源和生物質(zhì)資源等綜合利用的發(fā)展方向。本文以某廠煤制SNG項(xiàng)目為例，首先對(duì)總工藝流程進(jìn)行了簡(jiǎn)要描述，并對(duì)其中甲烷化技術(shù)進(jìn)行了介紹。其次對(duì)流程進(jìn)行了模擬計(jì)算，得出客觀可靠數(shù)據(jù)。最后對(duì)煤制SNG在節(jié)能減排方面的優(yōu)勢(shì)以及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析。2 工藝簡(jiǎn)介煤制SNG技術(shù)是利用褐煤等劣質(zhì)煤炭，通過(guò)煤氣化、一氧化碳變換、酸性氣體脫除、高甲烷化工藝來(lái)生產(chǎn)代用天然氣。本文所研究項(xiàng)目的工藝流程如圖1所示，其中氣化采用BGL技術(shù)，并配有空分裝置和硫回收裝置。主要流程為：原煤經(jīng)過(guò)備煤?jiǎn)卧幚砗?，?jīng)煤鎖送入氣化爐。蒸汽和來(lái)自空分的氧氣作為氣化劑從氣化爐下部噴入。在氣化爐內(nèi)煤和氣化劑逆流接觸，煤經(jīng)過(guò)干燥、干餾和氣化、氧化后，生成粗合成氣。粗合成氣的主要組成為氫氣、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、硫化氫、油和高級(jí)烴，粗合成氣經(jīng)急冷和洗滌后送入變換單元。粗合成氣經(jīng)過(guò)部分變換和工藝廢熱回收后進(jìn)入酸性氣體脫除單元。粗合成氣經(jīng)酸性氣體脫除單元脫除硫化氫和二氧化碳及其它雜質(zhì)后送入甲烷化單元。在甲烷化單元內(nèi)，原料氣經(jīng)預(yù)熱后送入硫保護(hù)反應(yīng)器，脫硫后依次進(jìn)入后續(xù)甲烷化反應(yīng)器進(jìn)行甲烷化反應(yīng)，得到合格的天然氣產(chǎn)品，再經(jīng)壓縮干燥后送入天然氣管網(wǎng)。原料煤氣化空分氧氣變換甲烷化酸性氣體脫除硫回收SNG產(chǎn)品硫磺圖1 煤制SNG總工藝流程示意圖3 甲烷化技術(shù)煤制SNG工藝流程中主要包括煤氣化、變換、酸性氣體脫除、甲烷化等工藝技術(shù)，其中高甲烷化技術(shù)為關(guān)鍵技術(shù)之一。3.1 托普索甲烷化技術(shù)丹麥托普索公司開(kāi)發(fā)甲烷化技術(shù)可以追溯至20世紀(jì) 70年代后期，該公司開(kāi)發(fā)的甲烷化循環(huán)工藝（TREMPTM）技術(shù)具有豐富的操作經(jīng)驗(yàn)和實(shí)質(zhì)性工藝驗(yàn)證，保證了這一技術(shù)能夠用于商業(yè)化。該工藝已經(jīng)在半商業(yè)規(guī)模的不同裝置中得到證明，在真實(shí)工業(yè)狀態(tài)下生產(chǎn)200 m3/h3000 m3/h的SNG。在TREMPTM工藝中，反應(yīng)在絕熱條件下進(jìn)行。反應(yīng)產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致了很高的升，通過(guò)循環(huán)來(lái)控制第一甲烷化反應(yīng)器的度。TREMPTM工藝一般有三個(gè)反應(yīng)器，第二和第三絕熱反應(yīng)器可用一個(gè)沸水反應(yīng)器（BWR）代替，雖投資較高，但能夠解決空間有限問(wèn)題。另外，在有些情況下，采用四個(gè)絕熱反應(yīng)器是一種優(yōu)化選擇，而在有些條件下，使用一個(gè)噴射器代替循環(huán)壓縮機(jī)。除了核心技術(shù)外，因?yàn)樯a(chǎn)甲烷的過(guò)程要放出大量的熱量，如何利用和回收甲烷化熱量是這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵。托普索工藝可以將這些熱量再次利用，在生產(chǎn)天然氣的同時(shí)，產(chǎn)出高壓過(guò)熱蒸汽。3.2 Davy甲烷化技術(shù)20世紀(jì)90年代末期，Davy工藝技術(shù)公司獲得了將CRG技術(shù)對(duì)外轉(zhuǎn)讓許可的專有權(quán)，并進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了 CRG技術(shù)和最新版催化劑。Davy甲烷化工藝技術(shù)除具有托普索TREMPTM工藝可產(chǎn)出高壓過(guò)熱蒸汽和高品質(zhì)天然氣特點(diǎn)外，還具有如下特點(diǎn)：催化劑已經(jīng)過(guò)工業(yè)化驗(yàn)證，擁有美國(guó)大平原等很多業(yè)績(jī)。催化劑具有變換功能，合成氣不需要調(diào)節(jié)H/C比，轉(zhuǎn)化率高。催化劑使用范圍很寬，在230700范圍內(nèi)都具有很高且穩(wěn)定的活性。3.3 魯奇甲烷化技術(shù)魯奇甲烷化技術(shù)首先由魯奇公司、南非沙索公司在20世紀(jì)70年代開(kāi)始在兩個(gè)半工業(yè)化實(shí)驗(yàn)廠進(jìn)行試驗(yàn)，證明了煤氣進(jìn)行甲烷化可制取合格的天然氣，其中CO轉(zhuǎn)化率可達(dá)100，CO2轉(zhuǎn)化率可達(dá)98，產(chǎn)品甲烷含量可達(dá)95，低熱值達(dá)8500kcal/Nm3，完全滿足生產(chǎn)天然氣的需求。4 工藝流程模擬4.1計(jì)算基準(zhǔn)氣化技術(shù)采用BGL技術(shù)，天然氣產(chǎn)量為20億Nm3/a，其中甲烷含量為96.46。原料煤煤質(zhì)組成及熱值如下：表1 原料煤煤質(zhì)組成及熱值分析項(xiàng)目水分 （ad）灰分（ad）全硫（ad）碳（ad）氫（ad）氧（ad）氯（ad）高位發(fā)熱量MJ/kg12.114.280.2769.053.839.680.00426.894.2關(guān)鍵物流數(shù)據(jù)通過(guò)流程模擬得到各關(guān)鍵物流的數(shù)據(jù)如表2所示，其中物流號(hào)與圖1相對(duì)應(yīng)。表2 煤制SNG物流數(shù)據(jù)表物流號(hào)12345組成（mol）CO24.61934.1171.5041.64H2S0.0900.068COSCS20.008CO60.64911.12516.64931ppmH225.66348.70472.8880.31CH47.7845.3968.07596.46C2 C40.5830.3880.580.01NH30.277HCN0.034N2Ar0.2930.2030.3041.580.2O299.8流量 Nm3/h8433001216587812924250000176245力 MPaA4.03.653.35.75.3該裝置的主產(chǎn)品為20億Nm3/a天然氣，副產(chǎn)品中除了一些油品外還有10000t/a的硫磺。通過(guò)對(duì)全廠熱量平衡計(jì)算，需配備3臺(tái)460t/h的鍋爐，滿足全廠供汽后可發(fā)電120MW。4.3主要原料和公用工程消耗表3 煤制SNG消耗表序號(hào)項(xiàng) 目單 位年消耗量1原料煤t38346002燃料煤t9913523催化劑及化學(xué)品t652644電KWh3584537605原水t136916805經(jīng)濟(jì)性分析5.1計(jì)算假定項(xiàng)目投產(chǎn)后第一年生產(chǎn)負(fù)荷為90、第二年生產(chǎn)負(fù)荷為90，以后各年均為100，生產(chǎn)期15年，工程計(jì)算期18年。原料煤價(jià)格為160元/t，水資源費(fèi)為6元/t，電價(jià)為0.36元/ KWh，天然氣價(jià)格為1.67元/Nm3，硫磺價(jià)格為700元/t。5.2投資本文所研究的煤制SNG項(xiàng)目的投資估算見(jiàn)下表：表7 煤制SNG投資估算表項(xiàng) 目費(fèi)用（萬(wàn)元）工藝生產(chǎn)裝置包括空分，氣化，變換，酸脫，甲烷化，硫回收509419公用工程239901輔助生產(chǎn)裝置44025全廠系統(tǒng)168774廠內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施31907廠外系統(tǒng)109682其它費(fèi)用341475總計(jì)14451835.3成本估算表8 煤制SNG成本估算表序號(hào)項(xiàng) 目單 位單 價(jià)（元）年消耗量成本1 原料煤t1603834600613542 燃料煤t160991352158623 催化劑及化學(xué)品t6526479094 電KWh0.36358453760128685 原水t6.001369168082156工資及福利費(fèi)149407制造費(fèi)用1056138生產(chǎn)成本511559天然氣單位成本元/Nm31.075.4 效益分析本文所研究項(xiàng)目的產(chǎn)品天然氣單位生產(chǎn)成本為1.07元/Nm3，影響成本的主要因素為原料煤價(jià)格及建設(shè)投資。該項(xiàng)目所得稅后全部投資財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率為10.65，財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值（i=10）為54463萬(wàn)元。財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率大于基準(zhǔn)收益率，說(shuō)明盈利能力高于行業(yè)規(guī)定。所得稅后的投資回收期為9.77年（含建設(shè)期3年），均小于行業(yè)基準(zhǔn)回收期，表明項(xiàng)目投資能按時(shí)收回。 此外，根據(jù)敏感性分析，隨著原料煤價(jià)格的下降以及天然氣價(jià)格的上漲，稅后內(nèi)部收益率還會(huì)提高。由此可見(jiàn)，煤制SNG具有較好的經(jīng)濟(jì)可行性。6 結(jié)論總之，在