煤气化输煤CO2压缩工艺方案研究

张 钊

（北京石油化工工程有限公司西安分公司，陕西西安 710075）

气流床粉煤加压气化技术是当前国际上最先进的煤气化工艺之一，其典型的工艺国外有GSP粉煤气化工艺、CCG（科林）粉煤气化工艺、Shell粉煤气化工艺，国内有航天炉（HT-L）煤气化技术等，其工艺流程是先经磨煤粉碎、干燥，然后用高压气体加压，将煤粉输送到气化炉与氧气、蒸汽进行气化反应，反应产物为粗合成气（主要成分CO、H2），经净化后送往下游装置进一步加工[1]。其中主要反应中有如下两个：

目前粉煤的输送有采用氮气的，也有采用二氧化碳的，从上述反应可以看出，二氧化碳的存在有利于主反应的进行，提高碳转化率，加快反应速率，提高有效气成分，采用CO2输煤对煤气化相对有利。从气化装置下游低温甲醇洗装置可以获得纯度很高的CO2，但其压力较低且含有微量甲醇，根据GB31571—2015《石油化学工业污染物排放标准》要求，排放废气中甲醇含量不能超过50mg/m3，因此必须对CO2中甲醇进行脱除以达到环保要求。

本文以某煤制乙醇项目为研究对象，通过对比分析探讨CO2中甲醇脱除方案的选择及CO2压缩机的选型。

1 甲醇脱除方案选择

1.1 CO2气组成及环保排放要求

某煤制乙醇项目低温甲醇洗产生的CO2产品气组成如表1所示。

表1 CO2产品气组成

由于气化单元要求CO2气量为32 000m3（标）/h，将表中甲醇含量折算质量浓度后为378mg/m3，可以看出其值远远大于环保要求的50mg/m3，必须经处理后才能排放。

1.2 甲醇脱除方法

目前常用的甲醇脱除方法可以分为两大类，一类是物理法，另一类是化学法。物理法主要依靠物理原理除去CO2中的甲醇，其中有水洗法、吸附法以及膜分离法等[2]；而化学法是依靠化学原理从而除去CO2中的甲醇，最常用的方法就是催化燃烧法[3-4]。

水洗法是通过脱盐水以填料塔或板式塔对CO2进行洗涤，利用水吸收甲醇。该方法工艺流程简单，投资相对较低，但存在水洗后CO2带饱和水的问题，同时根据气化要求需对水洗后CO2过热，能耗较大。

吸附法即以分子筛对气相中的杂质进行吸附脱除，常用方法有变压吸附（PSA）、变温吸附（TSA）等。该技术成熟可靠，适用范围广、产品回收率高，但对于CO2中脱甲醇来说，前期投资高、占地大。

膜分离法是在处理大气量时存在一定限制，因此针对该项目32 000m3（标）/h的CO2，且甲醇含量较低的情况不太适用。

催化燃烧法是采用贵金属催化剂将CO2中微量的碳氢化合物及H2、CO等可燃组分催化氧化生成CO2和H2O。该技术在食品级CO2领域中得到广泛应用，特别适用于大气量的尾气治理，流程短、操作方便，过程能耗低，但前期投资高，尤其是贵金属催化剂需定期更换。

1.3 水洗方案选择

综合考虑甲醇脱除的各项技术，结合项目投资偏紧的情况，本项目选择水洗法脱除甲醇。水洗法中水洗塔的位置可选择在压缩机前、压缩机级间、压缩之后以及气化单元之后，其位置选择对方案影响较大。

在压缩之前水洗，一方面CO2压力较低，需严格控制压力降，同时水洗塔设备尺寸较大；另一方面，水洗后的CO2气体含饱和态的水，必须经过干燥后才能进压缩机，项目投资将会增大。在压缩机级间水洗，同样面临气相带水问题，同时气相含水量的增加对压缩机动平衡的影响较大，不利于压缩机平稳运行。部分项目采用在气化输煤后，通过小布袋收集废气后送至低温甲醇洗尾气水洗塔水洗，经考察后发现运行并不稳定，由于气化后气相带灰，带入低温甲醇洗后势必将影响系统稳定。

采用压缩机后设置水洗塔是一种相对较好的选择。具体流程为来自低温甲醇洗的低压CO2经压缩机增压，水冷器冷却，水洗塔脱甲醇，最后复热至气化单元指定温度100℃后送出界区。

以PROII软件对流程模拟计算，水洗后CO2中甲醇含量降至0.5mg/m3以下满足环保要求；同时100℃下气相露点为41℃，满足气化单元对CO2气露点≤60℃的要求。

2 CO2压缩机选型

2.1 气化单元CO2要求

气化单元要求CO2气量为32 000/m3（标）h，其中CO2输煤气量为22 000m3（标）/h（压力5.5MPaG，温度100℃左右，用于输煤及气化炉环形腔保护气），CO2锁斗气量为10 000m3（标）/h（压力7.4MPaG，温度100℃左右，用作锁斗充压）。

2.2 CO2压缩机选型方案

来自低温甲醇洗单元的CO2产品气压力较低，需经过压缩机压缩后，才能送至气化单元输煤。因此，CO2压缩机的选择显得尤为重要，在运行中一旦出现故障停机，将直接影响气化炉的运行，甚至整个装置都将停产，因此需选用可靠性大、稳定性高的CO2压缩机。经研究后提出以下三种方案进行分析，以寻求合理的压缩机方案。

方案一：32 000m3（标）/h CO2气体通过一台单轴式离心压缩机组（单缸）压缩至5.5MPaG，经水洗脱甲醇后，其中22 000m3（标）/h复热至100℃作为输煤气送往气化单元；10 000/m3（标）h气体送至一台往复机（1开1备）压缩至7.4MPaG后作为锁斗气送往气化单元，流程图见图1。

图1 方案一压缩工艺流程图

方案二：采用一台单轴式离心压缩机组（双缸），级间抽出22 000m3（标）/h、5.5MPaG CO2经水洗脱甲醇后，复热至100℃作为输煤气送往气化单元；压缩机末极10 000m3（标）/h气体压缩至7.4MPaG经水洗脱甲醇后，复热至100℃作为锁斗气送往气化单元，流程图见图2。

图2 方案二、三压缩工艺流程图

方案三：采用一台多轴式离心压缩机组，压缩流程同方案二。

通过前期与压缩机厂家交流、询价，以及模拟计算，三种方案的能耗及投资对比见表2。

2.3 方案优劣势分析

方案一采用一台离心压缩机（单缸）+两台往复机，工艺设备少、占地少，投资相对较低，但往复式压缩机结构复杂，由于承受交变载荷作用，运行过程中出现故障的频率比较高，影响到压缩机的正常运行，同时压缩机后期维护成本较高[5]。

表2 三种方案能耗及投资对比

方案二与方案三采用一台离心压缩机，区别在于单轴压缩与多轴压缩。从表2可以看出，多轴压缩机相比单轴压缩机能节能，原因是多轴压缩采用逐级冷却，接近等温压缩，能耗降低，单轴压缩轴系长，难于做到等温压缩；多轴式压缩机采用进口导叶调节，阻损小；同时多轴式压缩机结构紧凑，占地面积小[6]。方案二与方案三相对方案一设备数量增加相应投资亦有增大，且方案三压缩机投资在三种方案中最大，因此如何选择还需结合项目的投资预算综合考虑。

3 结论

通过上述分析，若是不考虑投资，从运行安全可靠性、能耗、投资、后期维护等方面看，CO2脱除甲醇可选择分子筛吸附法或者催化燃烧法，CO2压缩机可选择一台多轴式离心压缩机；但若投资预算不足，CO2气脱甲醇技术可选择水洗法，CO2压缩机可选择一台离心压缩机（单缸）+两台往复机。