利用焦炉煤气缓解“气荒”的思考与实践

郭文龙、蔡京荣、孙兆飞、王杰

阳煤丰喜肥业（集团）有限责任公司泉稷能源公司    山西 运城043200

地址：运城市稷山县西社新型煤焦化循环经济示范区振西大街西侧

摘要：通过整合焦炉气资源，结合本公司的合成氨原料气净化配置的液氮洗装置，通过深冷分离技术生产LNG，缓解周边天然气供应问题。

关键词：焦炉气、甲烷、天然气、液氮洗、深冷分离

“气荒”这个词最早见诸报端是在2009年，当时因为遭受冰雪灾害导致天然气供应紧张，国家开始限制商业用气，全力保证民生。由于范围广、短缺严重，在国内大范围产生了“气荒”。但是让老百姓真真切切的感受到的“气荒”，则是在去年底的供暖季，LNG价格从2400元/吨涨到12000元/吨，且供不应求，一度影响了正常的生活和工作。据上海石油天然气交易中心10月8日数据，当日LNG价格比2017年最高价超出213元/吨，有预测“气荒”将是未来5年的常态。

1、天然气供应问题

我国是一个"富煤、少油、缺气"的国家，全球探明剩余可采天然气资源为185万亿方，而我国只有2.46万亿方，仅占全球资源量的1.3%，人均天然气资源量只有世界平均水平的1/7。但是随着人民生活水平的提高和环保压力加大，天然气消费量正在逐年攀升。

图1 我国天然气消费量走势

"要解决中国供气安全问题，必须多管齐下。"著名能源经济学家董秀成说，"在加大价格改革力度，即理顺天然气价格机制的同时，更要加快非常规天然气开发步伐，从源头上摆脱对国际天然气市场日益增长的依赖程度。"近些年我国也加大了非常规天然气（包括页岩气、煤层气和致密砂岩气等）的开发，比如属于现代煤化工示范项目范畴的煤制天然气。2017年1月发布的《能源发展“十三五“规划》提出，“十三五”期间，煤制天然气生产能力要达到170亿立方米左右。但由于成本和投资等原因，目前建成的4家总产能仅为51亿立方米/年，2018年上半年总产量11亿方米/年，产能发挥率不足50%，对缓解“气荒”作用甚微。为满足这种清洁能源的供应，在国内供应乏力的情况下，只能依靠大量进口，今年前8个月的进口增速已接近40%。

图2 我国天然气进口量与对外依存度

2、焦炉气利用现状

焦炉气是炼焦过程中的副产品，是焦化配煤在焦炉中经过高温干馏后，产生的一种可燃混合气体。每生产1吨焦炭可副产约427Nm³焦炉气，其中47%-52%作为回炉煤气（正在研究替代热源）用于满足炼焦提温需要，剩余外送。

现在国内对焦炉气的资源化利用，基本处于初级阶段。普遍用作燃料或焦化厂自备电厂发电，但焦炉气的低位发热值只有18250kJ/Nm³，甚至低于H₂的18790 kJ/Nm³，只有CH₄的一半左右，燃烧在经济效益上很不合算，只能视为一种应急的环保措施。

表1 焦炉气和城市用煤气成分对比

随着科技的进步，西南院等一些研究机构通过变压吸附或膜分离提纯H₂和CO等，再进一步合成高附加值的化学品。也有如华东理工大学等通过转化为合成气，生产合成氨、甲醇或者乙二醇等化工产品。阳煤丰喜集团曾于2007年利用焦炉气直接催化转化技术，在全国首先实现了焦炉气的资源化利用，获得了不错的经济效益。

但焦炉气中含有近1/4的CH₄，这部分现成的天然气作为城市煤气的补充，却一直没有引起业界的关注。2018年8月全国焦炭产量3670万吨，1-8月更是达到28581万吨，预计全年可外送焦炉气近1000亿Nm³，可提取纯CH₄近250亿Nm³，超过2017年全国用量的10%。

3、焦炉气生产LNG

阳煤丰喜集团泉稷能源公司主要利用焦炉气生产合成氨和尿素，同时联产6.5万吨LNG，于2015年12月底投产。主要的生产单元包括：焦炉气净化、压缩、变换、低温甲醇洗、液氮洗和氨合成等。

3.1主要工艺路线

引自焦化厂的3kPa焦炉气，通过快断安全水封后进入电捕焦油器除去大部分的灰尘和焦油（≤ 5mg/Nm³），预热到65～75℃后进入喷淋式饱和器，用硫酸将焦炉气中的NH₃脱除（＜30mg/Nm³），降温后送入气柜。气柜中的焦炉气由螺杆机提压至0.6MPa后送入变温吸附（TSA），采用二段变温吸附净化工艺，进一步脱除焦炉气中的苯、萘、焦油、氨及其它重烃类有机杂质，同时脱除部分H₂S、COS、CS₂、噻吩、硫醚等硫化物，使焦炉气得以深度净化（H₂S≤50mg/Nm³、有机硫200～300mg/Nm³、苯≤3mg/Nm³、萘≤1mg/Nm³、焦油≤0.5mg/Nm³、氨≤7mg/Nm³）。TSA在吸附-降压-升温-恒温-吹冷-升压全过程不断循环进行，由DCS程序自动控制实现。

深度净化后的焦炉气经提压到4.0 MPa后送入脱汞加氢工段，通过镍钼催化剂将有机硫转化为无机硫，烯烃加氢转化为饱和烃，送入变换系统。通过等温变换将CO转化为CO₂，然后通过低温甲醇洗除去合成气中的CO₂、H₂S、COS、H₂O、HCN、NH₃和石脑油等杂质，其中分离出的CO₂送尿素单元，H₂S送硫回收单元生产硫酸。净化后的合成气进入液氮洗，进一步脱除其中的CO、CH₄和Ar等杂质。液氮洗单元的功能主要有两个：一是经过粗配氮和精配氮得到H₂:N₂=3:1的合成气，完成NH₃合成反应；二是将液氮洗装置中深冷分离出的富CH₄液体经过蒸发、冷凝和回流得到LNG产品。其中深冷分离生产LNG工艺由丰喜集团和中泰深冷公司共同开发，开LNG制备先河。

3.2深冷技术生产LNG流程

从甲醇洗工序来的-50℃的粗原料气（H₂:84.56%、CH₄:11.28%、N₂:3.44%）经分子筛吸附器将CO₂和CH₃OH等杂质脱除后，进入1^#原料气冷却器（E-2305）与氮洗塔（C-2301）顶部出来的合成气以及甲烷塔（C-2302）尾气逆流换热，温度降至-125℃，再进入甲烷塔底再沸器（E-2310），换热后温度降到-143℃返回2^#原料气冷却器（E-2306），温度继续降低到-167℃后分两部分，一部分直接进入原料气分离器（S-2301），另一部分经氮洗塔底再沸器（E-2307）降温后，返回原料气分离器。

图3 液氮洗、甲烷深冷分离二合一工艺流程简图

1. 分子筛吸附器；2. 氮气冷却器；3. 1^#原料气冷却器；4. 2^#原料气冷却器；5. 原料气分离器；6. 氮洗塔；7. 氢气分离器；8. 甲烷分馏塔；9. 氢氮混合器

出原料气分离器的气体（CH₄：3.14%）返回2^#原料气冷却器（E-2306），温度降低到-182℃，进入氮洗塔（C-2301）分离段继续分离液态CH₄。分离段气体进入上部洗涤段经液氮洗涤CO、Ar和O₂后由塔顶出氮洗塔（温度-190℃、H₂：87.97%、N₂：12.03%），经2^#原料气冷却器（E-2306）回收冷量，温度提高到-132℃进入混合器（M-2301）进行粗配氮，氢氮比基本达到3:1，再经1^#原料气冷却器（E-2305）复热到-54℃。分为两部分：大部分气体（85251Nm³/h）返回低温甲醇洗工段经三气换热器、原料气/净化气换热器提供冷量，然后返回液氮洗工序；少部分气体（24862 Nm³/h）经高压氮气冷却器（E-2304）回收冷量后出冷箱，二者在冷箱外混合后（温度36.7℃），经精配氮合格送往合成工序。    

原料气分离器（S-2301）分离出的富CH₄（93%）液体减压至0.26MPa，与氮洗塔分离段分离出的富CH₄（92%）液体混合（温度-156℃），进入甲烷精馏塔（C-2302）中段，经过蒸发、冷凝和回流，在塔底得到纯度较高的液态CH₄，再经LNG过冷器（E-2308）降温后得到-162℃的LNG产品（CH₄≥99%）送LNG储罐。

4、结论

焦炉气深冷分离生产LNG开辟了行业先河，工艺技术先进、运行指标平稳、产品纯度高、流程简单、成本低、经济效益好。LNG可通过罐车运输，也可以直接气化进入城市煤气管网，社会效益同样明显。我公司6.5万吨LNG相当于1亿Nm³的天然气，基本能满足北方一个地级市全年的用气量，为缓解“气荒”找到一条便捷之路。目前在当地政府的大力推动下，正与国化能源公司洽谈，合作建立应急调峰储备站，保障山西南部的民用天然气供应安全。