【全析】神华鄂尔多斯百万吨煤制油项目

神华鄂尔多斯108万吨/年煤制油项目

国家重大能源战略工程项目,百万吨级煤直接液化关键技术及示范项目

 

【1】项目进展回顾

1997年

神华集团与美国合作完成了项目的(预)可行性研究,从技术上和经济上进行了建设大规模煤液化装置的论证和讨论;

2001年3月

项目建议书获国务院批准;

2002年8月

可行性研究报告获国务院批准;

2004年8月

国家发改委批准项目一期工程开工建设;

2005年1月

上海煤液化中试装置(PDU)投煤试运行,获得试用试验油品,工艺流程全面打通;

2005年4月

项目核心装置开始建设;

2005年10月

上海煤液化中试装置(PDU)优化改造后再次投煤开工,试验装置运转稳定,各项控制参数正常;经化验数据分析,装置蒸馏油收率达到54%—56%,转化率为90%—91%,神华煤直接液化工艺技术的可行性和可靠性在试验中得到验证;

2007年底

建成

2008年12月31日

经过一年试车,打通全流程,产出合格油品和化工产品;

后续几年:工艺优化和改造,实现了装置的安全稳定较长周期运行。项目操作弹性、生产符合、开工率、油收率、能源转化效率均达到设计值。

2010年5月

项目平均日产量达2000—2800吨;

2010全年

最长连续运转2071小时,共运行5000小时,生产油品45万吨;

2011年上半年

项目生产油品46.7万吨,实现利税8亿元;

2011年7月

百万吨级煤直接液化关键技术及示范,国家重大能源战略工程项目通过专家鉴定;

2011全年

全年开车运行6744小时,年产油量79万吨,总利润为10.05亿元人民币,净利润达到4.06亿元人民币;

2012全年

全年开车运行7248小时,年产油86.5万吨,总利润为18.6亿元人民币,净利润为5.8亿元人民币;

2013全年

全年开车运行7556小时,首次超过设计值7440小时。共生产油品86.6万吨、聚烯烃产品54.5万吨、精甲醇127.9万吨、型煤9.4万吨,实现营业收入148亿元。

【2】 工艺流程介绍

神华直接液化工艺流程图

流程说明

项目工艺流程主要包括煤炭洗选单元,制氢工艺单元,催化剂制备单元,煤液化反应单元,加氢改质单元等。

神华煤直接液化项目以神府东胜煤田的高品质原煤为原料,洗选后的原煤经皮带机输送到备煤装置,加工成煤液化装置及其他装置所需的煤粉。催化剂原料在催化剂制备装置加工,并与供氢溶剂混合调配成液态催化剂,送至煤液化装置,在高温、高压、临氢和催化剂的作用下,发生裂化反应生成煤液化油送至加氢稳定装置(T-Star),反应剩余的煤粉和部分油质组成的油渣送至自备电站作为燃料。

加氢稳定装置主要是生产满足煤液化要求的供氢溶剂,同时将煤液化粗油脱除硫、氮、氧等杂质进行预精制。其中,柴油馏分送至加氢改质装置进一步提高油品质量,轻质溶剂返回煤液化装置和备煤装置作为供氢溶剂使用。

各加氢装置产生的含硫气体经轻烃回收及脱硫装置处理后作为燃料气。加氢稳定产物分馏切割出的石脑油至轻烃回收及脱硫装置处理,重石脑油进一步到加氢改质装置处理。

各装置产生的酸性水在含硫污水汽提装置处理后循环使用。煤液化、煤制氢、轻烃回收及脱硫和含硫污水汽提等装置脱出的含硫化氢酸性气体,经硫回收装置制取硫磺。

各加氢装置所需的氢气,由煤制氢装置生产供给。空分装置制取氧气和氮气,供煤制氢、煤液化等装置使用。

【3】核心工艺的选择

世界上典型的煤直接液化工艺主要有3种,即德国的IGOR工艺、日本的NEDOL工艺和美国的HTI工艺,如何在这3种工艺中作出合理正确的选择,是项目规避技术风险的重要环节。选择煤液化工艺首先要考虑煤质的适应性,试验表明神华煤非常适合采用直接液化工艺。同时采用煤直接液化工艺投资省、运行成本低,因而投资回报率高。

为确定最佳煤直接液化工艺,神华集团多次组织国内、外专家对上述技术进行研究和比较论证,2002年6月神华集团与美国HTI公司签订了技术转让许可证协议,2002年8月HTI提交经过修改后的工艺包。为确保第一条生产线的稳定可靠,神华集团对HTI工艺进行了重大修改,最终确定采用此项世界上最先进的煤直接液化工艺。其突出特点如下:

1、在反应器设置外动力循环方式来实现液化反应器的全返混运转模式,油收率较高。

2、使用新一代的高效催化剂,添加量少,成本低。

3、全馏分离线加氢,供氢溶剂配制煤浆,实现长期稳定运转。

4、反应条件相对比较温和。

美国HTI工艺

HTI工艺是在H-COAL工艺和CTSL工艺的基础上发展起来的。

H-COAL是由美国碳氢化合物研究公司研制的,其前身是沸腾床重油加氢裂化H-OIL工艺。H-COAL以褐煤、次烟煤或烟煤为原料,生产合成原油或低硫燃料油。原料煤经破碎、干燥后与循环油一起制成煤浆,加压到21MPa并与氢气混合,进入沸腾床催化剂反应器进行加氢液化反应,经分离、蒸馏加工后制得轻质油和重油。该工艺特点是:高活性载体催化剂,采用固、液、气三相沸腾床催化反应器;残渣作气化原料制氢气。CTSL工艺是在H-COAL工艺基础上发展起来的催化两段液化工艺。特点是反应条件缓和,采用两个与H-COAL工艺相同的反应器,达到全返混反应模式;催化剂为采用专利技术制备的铁基胶状催化剂,催化剂活性高、用量少;在高温分离器后面串联有加氢固定床反应器,起到液化油加氢精制的作用;固液分离采用临界溶剂萃取的方法,从液化残渣中最大程度回收重质油。

在上述两种工艺的基础上,利用悬浮床反应器和铁基催化剂进行工艺改进,形成了HTI煤液化新工艺。HTI工艺的主要特点是:反应条件比较缓和,反应温度440~450℃,压力17MPa;采用悬浮床反应器,到达全返混反应模式;煤液化的第一段和第二段都是装有高活性加氢和加氢裂解催化剂(Ni、Mo或Co、Mo)的沸腾床反应器,两个反应器既分开又紧密相连,可以使加氢裂解和催化加氢反应在各自的最佳条件下进行。液化产物先用氢淬冷,重质油回收作溶剂,排出的产物主要组成是未反应煤和灰渣。同氢-煤工艺相比较,C4以上在402℃馏分油增加53%,液化1吨无水无灰煤生成的馏分油从3.3桶提高到点5.0桶;C1~C3气体烃产率从11.3降到8.6%,氢利用率从8.4%提高到10.7%;油品质量提高,氮、硫杂原子减少50%,从而使煤液化经济性明显改善,液化油成本降低了17%。

【4】关键工艺技术及装置选型

煤直接液化反应器的制造

煤液化反应器的制造是煤液化项目中的核心制造技术。煤液化反应器在高温高压临氢环境下操作,条件苛刻,对设备材质的杂质含量、常温力学性能、高温强度、低温韧性、回火脆化倾向等都有特殊要求。反应器材质为2.25Cr-1Mo-1/4V,是中国一重集团新开发的钢种。反应器外径5.5m,壁厚335mm,设备单体质量达2050t。反应器由中国石化工程建设公司和中国第一重型机械集团公司设计院联合设计。

采用悬浮床反应器,具有两个优点:(1)通过强制内循环,改善反应器内流体的流动状态,使反应器设计尺寸可以不受流体流动状态的限制,因此,单台设备和单系列装置处理能力大;(2)由于悬浮床反应器处于全返混状态,径向和轴向反应温度均匀,可以充分利用反应热加热原料,降低进料温度;同时气、液、固三相混合充分,反应速度快,效率高。

煤直接液化催化剂

新型高效“863”合成催化剂是国家高新技术研究发展计划(863计划)的一项课题成果,性能优异,具有活性高、添加量少、油收率高等特点。该催化剂为人工合成超细铁基催化剂,主要原料为无机化学工业的副产品,国内供给充足,价格便宜,制备工艺流程简单,生产成本低廉,操作稳定。由于催化剂用量少,在催化剂制备装置将催化剂原料加工,并与供氢溶剂调配成液态催化剂,有效解决了催化剂加入煤浆难的问题。

煤直接液化制氢单元

采用Shell粉煤加压气化工艺,该工艺是目前世界上较先进的典型的煤气化工艺之一,气化炉有效气体(CO+H2)生产能力为150 000m3/h。Shell煤气化属加压气流床粉煤气化,以干煤粉进料,纯氧做气化剂,液态排渣。煤气中的有效成分高达90%以上,甲烷含量很低,煤中约83%以上的热能转化为有效气,约15%的热能以中压蒸汽的形式回收。

煤直接液化空分装置

采用德国林德公司空分技术,由两条生产线组成,单条生产线制氧能力为50000m3/h。空分装置主要为煤制氢装置提供高压高纯度氧气,为煤液化、煤制氢、加氢改质、轻烃回收等装置提供高、中、低压高纯度氮气,为各装置提供仪表空气。

煤直接液化控制系统

美国霍尼韦尔公司(Honeywell)为项目提供9套集散控制系统(DCS)、2套紧急停车系统(ESD)、3套安全栅、9套可燃气体及有毒气体检测报警系统,以及相关的机柜、系统接口、系统集成和备品备件,以保证项目的整体运行安全、可靠和高效。

煤直接液化固液分离系统

采用成熟的减压蒸馏技术进行固液分离,减压蒸馏技术在石油化工领域广泛使用,并且十分成熟。一个减压蒸馏塔可代替上百台离心过滤机,因此处理量大,且不需烦琐的过滤操作,使设备和操作大为简化,且采用该技术所获得的油收率并不低。根据试验结果,按照控制减压塔底固体质量分数50%来操作,非固体成分大部分是沥青类液体,实际残渣带走的油只有塔底物的3%左右,对整个油收率的影响在1%以下。

【5】副废处理

 1、煤直接液化残渣利用

不论煤直接液化采用哪种工艺,煤的转化率都不能达到100%,最后总是有少量未反应的煤需要排出液化装置,加上煤中夹带的无机矿物和加入煤浆的催化剂,另外还有一些煤液化的中间产物,都是以固体与液化油混合在一起。分离液化油后的剩余物质称为液化残渣。它是一种高炭、高灰和高硫的物质,产量一般达到原料煤的30%左右。所以无论从经济性还是从环保角度考虑,对残渣的利用研究都是液化工艺开发的重要组成部分。煤液化残渣的性质取决于液化煤的种类、液化工艺条件和固液分离方法,而最主要的决定因素是固液分离方法,神华液化工艺用有减压蒸馏、溶剂萃取和过滤等方法将它们与液化油分开。如何有效的利用和处理直接液化所产生的大量残渣是工业化必须解决的一个问题,残渣是非均一物质,是一种组成复杂的混合物,不同的液化工艺,尤其是固液分离技术对残渣的组成影响甚大。从神华煤直接液化工艺流程图中可以得知,产应残渣的主要是煤液化单元,制氢单元,加氢改质单元,和T-star单元。神华煤液化工艺所得减压蒸馏残渣的典型组成为:重质油30%、沥青烯20%、前沥青烯5%和四氢吠喃不溶物(未反应的煤和矿物质)45%,其中未反应的煤约占残渣30%左右。煤液化残渣的利用途径主要有气化、干馏焦化和燃烧三种方式。

干馏焦化

煤直接液化减压蒸馏残渣中含有高沸点油类、沥青烯等物质,通过干馏的方法可将其进一步转化为可蒸馏油、气体和焦炭。增加了液体产品的同时,产生的气体可用于制氢,焦炭可去气化、燃烧等。干馏利用方式可回收残渣中的重质油,尤其是残渣的加氢焦化,可使残渣中的沥青烯最大限度地转化为重质油和可蒸馏油,增加了煤液化工艺的目标产品—液体产品收率。但是,这种利用方式仅实现了残渣的部分利用,需要进一步寻求焦化主要产物—半焦或焦炭的最佳利用方式。

燃烧发电

煤直接液化残渣具有较高的发热量,特别是采用减压蒸馏分离技术所得的残渣,其发热量更高。如:神华煤液化工艺所得残渣发热量高达29.42MJ•kg-1与优质动力煤相比,其热值也毫不逊色。此外,残渣可作为化工原料加工成高附加值的碳素材料,如电极石墨材料或碳纤维材料。但是,鉴于液化厂的规模和液化残渣的数量,残渣被作为加工碳素材料的原料时,其加工规模难与液化厂规模相匹配。

气化

煤加氢液化过程中需要大量的氢气,将煤液化残渣用于气化制氢,既为煤液化过程提供了部分氢源,又可消耗掉全部液化残渣,通过一氧化碳变换后被分离氢气后的煤气循环参与反应,最后将生产的CO和HC;等气体用于燃气发电或制取蒸汽等供液化厂使用,实现残渣利用与煤液化生产的有机结合,从而提高煤液化的经济效益。

2、神华煤直接液化污水回用

煤制油项目一期工程日需新鲜水28248m3,拟回用自身污水18648m3/d,分三条生产线,一条生产线日需新鲜水1.2万m3,神华项目所在的神东矿区处在世界著名的毛乌素沙地与黄土高原的结合部位,具有明显的大陆性干草原气候,天然水资源量有限,时空分布极不均匀,因而使神东矿区成为比较缺水的地区。随着神东矿区生产规模日益扩大及煤制油项目的全面实施,用水量大幅度增长,供需矛盾日愈尖锐。为了缓解水资源的供需矛盾,需要积极寻求开辟新水源的各种途径。其中将煤制油自身产生的污水回用就是最为可行的一条途径,因为污水回用具有不受气候影响,不与邻近地区争水,就地可取,稳定可靠,保证率高,水量大等优点。污水回用在一定使用范围内,提供了一个经济可靠的新水源,并且可以节省饮用水源。充分发挥现有水厂生产能力,全面开展污水回用,不足部分可以抽取部分地下水或在丰水季节提升河漕水补充到处理实施中。

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