刘昊明，朱明芳
兖州煤业榆林能化有限公司，陕西省 榆林市 719000
摘要：现阶段粉煤的输送有采用氮气的，也有采用二氧化碳的。煤气化反应主要是C+O2=CO+CO2,C+CO2=CO,从以上反应可以看出，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《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。
关键词：输煤CO2；甲醇脱除；CO2压缩机；
本文叙述了输煤CO2气中甲醇脱除方法如水洗法、吸附法、膜分离法及催化燃烧法，并进行了对比分析；同时提出了三种CO2气体压缩方案，从运行安全可靠性、能耗、投资、后期维护等方面进行优劣势分析，为CO2压缩机选型提供参考。
一、复合粉煤气化工艺
复合粉煤气化工艺是由某有限公司基于流化床粉煤气化工艺和高温逆流煤气煤粉气流床气化工艺研究开发的一种新型复合粉煤气化工艺。该工艺原料煤经粉碎过筛后，粒度φ＜6mm，与来自空分的O2和来自管网的低压蒸汽组成的气化剂共同进入一段流化床气化炉，在900～1 000℃下完成粉煤的第一级气化，生成的高温煤气携带未反应煤粉进入二段炉，在二段炉内与气化剂（O2和水蒸气）进一步进行第二级高温气化反应，气化温度约1 500℃（高于灰熔点100℃），高温熔渣在重力作用下落入激冷水中，熔渣经淬冷、降温后固化利用捞渣机将熔渣捞出。二段炉炉顶高温煤气与来自循环冷煤气风机的冷煤气换热降温至850℃后进入废热锅炉回收余热；一次降温后粗煤气通过省煤器进一步降温进入旋风分离器除尘，最后经除尘洗涤塔二次降温与除尘，送入气柜。该工艺具有以下特点。（1）原料煤适应广泛，烟煤、褐煤、高硫煤和无烟煤均适用；（2）二段炉气化温度可达1 400～1 600℃，没有焦油、酚类的产生，后续处理简单；（3）能够充分利用煤气的显热；一段炉的排灰和二段炉的排渣残碳量低；（4）一段炉的排灰有利于降低氧气的消耗；（5）设备国产化投资省，运行费用较低。该工艺已在中农化工投运，在运行期间存在一系列问题：气化炉喷嘴及内部流场设计需要进一步优化；给煤工段易发生蓬煤现象；二段炉对气化温度控制要求较高、可波动范围较小；气化压力为常压、单炉处理能力小。
二、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。
三、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；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。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 000m（标）3/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。
四、CO2压缩机选型
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.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 000m3（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，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，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1。
表1三种方案能耗及投资对比
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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。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1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。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。
总之，如果是不考虑投资，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。
参考文献：
[1]尹瑞萍.浅谈煤气化输煤CO2压缩工艺方案研究.2018.
[2]张凯.脱除输煤CO2气中甲醇的工艺方案探讨.2019.