1、1费托合成油驰放气利用方案技术经济分析苏会斌 1）2） 邓蜀平 2） 蒋云峰 2） 熊志建 3） 刘永 3）摘要：利用 Aspen plus 流程模拟软件模拟了 300 万吨规模合成油项目驰放气制备 LNG（液化天然气）及 LNG-合成氨联产流程，在此基础上分析了两种方案的技术经济指标。结果表明，LNG单产项目温室气体 CO2 的排放量比 LNG-合成氨联产项目少 4.94 万 t/a，能源利用效率比联产项目高 22.2%，利润少 164165 万元/a。综合比较了 CO2 排放量、能效及利润，得出 LNG 单产项目技术经济指标优于 LNG-合成氨联产项目。关键词：驰放气;LNG;LNG- 合
2、成氨联产 ;技术经济 我国能源结构呈“ 富煤贫油少气 ”的特点，而煤基合成油将固体燃料转化为液体燃料，在一定程度上可以有效缓解油品供需矛盾，并且凭借其在煤炭利用过程中对 CO2及其他污染物捕集利用优势及能源转化效率的不断提高日益受到我国政府的高度关注。从国家宏观政策看，国家鼓励以煤为原料发展石油、天然气替代产品，因此，煤制油事业在我国将会得到广阔的发展。研究结果表明，费托合成油的驰放气量约占新鲜气的 3%8%，其主要成分是CO、H 2、N 2 及低碳烃类。这部分气体如果直接排放或者烧掉，不仅会浪费大量宝贵资源，而且对环境造成一定的污染，因此，如何经济、合理的利用这部分驰放气，减少环境污染及资源
3、浪费成为费托合成过程必须面对的重要课题之一。 我国天然气需求旺盛，预计 2010 年我国天然气的需求量将达到 10001100 亿 ，3m而同期的天然气产量只能达到 900950 亿 ，且随着国民经济的发展，供需矛盾会3m日益突出 1 。氨是关系国计民生的重要化工原料，在国民经济中占有重要地位。费托合成在空分阶段产生大量氮气；驰放气中含有不饱和烃类，不能直接进行甲烷水蒸气重整；而 LNG-合成氨联产，可以利用一部分 N2 资源，减少排放量。因此，本文结合某 300 万吨费托合成油项目驰放气组成数据，取驰放气排放量为新鲜气的 7%，提出了驰放气制 LNG、LNG- 合成氨联产两种方案。借助 As
4、pen plus 流程模拟软件模拟了 LNG、LNG-合成氨联产流程，比较了两种方案的技术经济指标，为合成油驰放气合理利用方案提供一种参考。1）硕士研究生，中国科学院研究生院山西煤炭化学研究所，100049，Email： 2）研究员，山西煤炭化学研究所，太原， 030001 3）助理研究员，山西煤炭化学研究所，太原， 03000121 基于 Aspen plus 模拟的 LNG 流程模拟及技术经济分析1.1 LNG 流程模拟某项目费托合成油驰放气组成如表 1 所示：表 1 某费托合成油项目驰放气组成（Mole frac ）Table 1 Composition of the Fischer-T
5、ropsch Chi deflated gas （Mole frac ）H2 N2 CH4 C2H4 C2H6 CO CO2 H2O0.097 0.122 0.259 0.032 0.057 0.405 0.015 0.013由表 1 可知，该驰放气组成复杂，惰性组分 N2 及 CH4 含量很高。目前，国内外关于 PSA（变压吸附）浓缩 CH4/N2 中的甲烷仍局限于理论实验研究阶段，未能进入工程试验阶段 2 ，因此本文选用深冷分离用于最终分离 CH4/N2。合成油驰放气制备 LNG 流程如图 1.1 所示：1.1 LNG 流程图Figure1.1 The flow diagram of LN
6、G process由图 1.1 可知，LNG 流程较长，为直观表示，将流程划分为变换（CS） 、脱碳（DC） 、甲烷化（MET） 3 及深冷分离（CS）四个模块， 如图 1.2 所示：费托合成油驰放气（FT-TAIL ）一部分送入变换模块调整氢碳比；另一部分没有经变换的费托合成油驰放气与变换后的气体一起进入脱碳模块，捕集高纯度 CO2；脱碳后的合成气送入甲烷化模块；从甲烷化模块出来的气体送入深冷分离模块，分离后得到产品 LNG，驰放气（TAIL ，主要为氮气）直接排空。费托合成油驰放气制 LNG 各关键物流号所对应的模拟参数如表 2 所示：3经 Aspen plus 流程模拟软件模拟得到，产品
7、 LNG 产量为 8.13 万 t/a，高纯度 CO2捕集量为 12.08 万 t/a，循环水用量 19 万 t/a，电力消耗 840 万 kw/年。图 1.2 LNG 流程简图Figure 1.2 The flow diagram of LNG process表 2 费托合成油驰放气制 LNG 各关键物流参数Table 2 The key logistics parameter for Fischer-Tropsch Chi deflated gas synthesis LNG project TagFT-TAIL1 2 3 4 5 6 7 8Temperature（K） 473 473 4
8、73 771.6 223 233 500 103 103Pressure （ MPa） 2 2 2 1.9 1.9 1.9 1.8 1.8 1.8Mole Flow（kmol/hr） 1291.1 1000.6 290.5 2151 381.24 1254.1 1532.1 605.3 162.6Mole FracH2 0.097 0.097 0.097 0.213 0 0.388 0.002 0.023 0N2 0.122 0.122 0.122 0.057 0 0.126 0.103 0.97 0CH4 0.259 0.259 0.259 0.121 0 0.267 0.324 0.003
9、 0.813C2H4 0.032 0.032 0.032 0.015 0 0.033 0.027 0 0.067C2H6 0.057 0.057 0.057 0.026 0 0.058 0.048 0 0.12CO 0.405 0.405 0.405 0.02 0 0.128 0 0 0CO2 0.015 0.015 0.015 0.175 1 0 0 0 0H2O 0.013 0.013 0.013 0.373 0 0 0.496 0 01.2 能效计算4能效计算常用如下公式： niikjjPFH（ ）（ ） +C：能量利用效率P：产品物各组成的流率，kmol/hF：原料气各组成的流率，km
10、ol/hH：燃烧热，kcal/molC：能量消耗，包括水、电等根据表 2 数据，计算得到 LNG 流程的能量利用效率为 75.29%。1.3 LNG 的技术经济分析1.3.1 计算假定工程生产年限为 15 年，折现率取 10；原料价格费托合成驰放气 0.30.5 元，循环水 1.8 元/吨，电 0.5 元/kwh；固定资产维护费率 2.5%（固定资产原值扣除3m建设期利息） 4 。1.3.2 LNG 成本估算与分析规模指数法是工程项目早期计算装置投资费用的常用方法 5 。由表 2 可知各个模块的装置生产能力，根据规模指数法可计算各个模块的投资费用。I：各个模块的投资费用Q：装置生产能力n：指数
11、，0.60.7I2、Q 2 及工资福利参考山西某地 SNG 项目可行性研究报告。化工投资计算中，投资费用包含催化剂费用；消耗包括水、电等，不考虑催化剂损耗；其它费用包括折旧、利息及销售费用等，计算公式如下 6 ：I：投资费用i：折现率ni1I其 它 费 用 （ ）n12=()I5n：工程生产年限：系数，1.11.2.。费托合成油驰放气制 LNG 的投资与运行维护费用如表 3 所示：表 3 费托合成油驰放气制 LNG 的投资与运行维护费用Table 3 Investment、operating and maintenance costs for Fischer-Tropsch Chi defla
12、ted gas synthesis LNG projectInvestment costMillion RMB Operating expenses Million RMB/aCS Part 13.9 Chi-deflated cost 110.47184.12DC Part 31.3 Consumption cost 42.32MET Part 47.6 Pay and Welfare 6.5CS Part 36.7 Repairs expense 5.58Accessory and Utility 93.6 Other cost 32Total 223.1 Total 196.87270.
13、52LNGLNG费 托 合 成 油 驰 放 气 费 用 消 耗 工 资 及 福 利 维 护 费 用 其 它 费 用成 本 产 量图 2 驰放气价格对 LNG 成本的影响6Figure 2 Chi deflated gas prices on the cost of LNG由图 2 可知，随着驰放气价格的增加，LNG 的成本是增加的。当驰放气价格为0.3 元/ m 时，LNG 的成本约为 2422 元/吨，当驰放气的价格为 0.5 元/m 时，LNG 成3 3本增加到 3327 元/吨左右，成本均低于国内 LNG 产品现行市场价格 3538 元/ 吨；当驰放气价格高于 0.55 元时，LNG 生
14、产成本高于市场价格。2 基于 Aspen plus 模拟的 LNG-合成氨联产流程系统模拟及技术经济分析2.1 LNG-合成氨联产流程系统模拟LNG-合成氨联产流程如图 3.1 所示：图 3.1 LNG-合成氨联产工艺流程图Figure 3.1 The flow diagram of Ammonia-LNG-generation process同上，划分 LNG-合成氨联产流程为变换（ CS） 、脱碳(DC)、深冷分离(CS)、液氮洗(LNW)及氨合成 (AS)7 五个模块，见图 3.2：7图 3.2 LNG-合成氨联产工艺流程简图Figure 3.2 The flow diagram of
15、Ammonia-LNG-generation process费托合成油驰放气经变换模块变换后进入脱碳模块，脱除 CO2；然后进入深冷分离模块，分离得到产品；经深冷分离后进入液氮洗模块，脱除 CO 等杂质气体；净化后的合成气和来自合成油空分模块的氮气进入氨合成模块，得到纯净的产品（NH 3） 。LNG-合成氨联产各关键物流号所对应的模拟参数如表 4 所示：表 4 LNG-合成氨联产各关键物流参数Table 4 The key logistics parameter of Ammonia-LNG-generation projectTag FT-TAIL 1 2 3 4 5 6 7 8Temper
16、ature（ K） 473 485.9 233 233 103 103 85 298 276Pressure （MPa） 2 2 2 2 2 2 2 0.1 3.7Mole Flow（kmol/hr） 1291.1 2791.1 1537.1 1254.1 448.8 805.3 645.87 215.29 408.9Mole Frac NH3 0 0 0 0 0 0 0 0 0.997H2 0.097 0.231 0 0.515 0 0.802 1 0 0.001N2 0.122 0.056 0 0.126 0 0.195 0 1 0.002CH4 0.259 0.12 0 0.267 0.
17、746 0 0 0 0C2H4 0.032 0.015 0 0.033 0.091 0 0 0 0C2H6 0.057 0.026 0 0.058 0.163 0 0 0 0CO 0.405 0.001 0 0.002 0 0.002 0 0 0CO2 0.015 0.194 0.352 0 0 0 0 0 0H2O 0.013 0.357 0.648 0 0 0 0 0 0经 Aspen plus 流程模拟软件模拟得到，合成氨产量 5 万 t/a，LNG 产量 6.26 万t/a，高纯度 CO2 捕集量 17.12 万 t/a，循环水 21 万 t/a，电 1140 万 kw/年。 2.2
18、能效计算同上，计算得到 LNG-合成氨联产项目的能效为 53.09%。2.3 LNG-合成氨联产的技术经济分析2.3.1 计算假定8工程生产年限、贴现率、固定资产维护费率、费托合成驰放气、水及电的价格同上。由于联产项目氨合成模块消耗的氮气来自费托合成油空分模块，为避免重复计价，本文假定氮气价格为零。2.3.2 LNG-合成氨联产成本估算与分析同上，计算得到 LNG-合成氨联产各个模块的投资费用及运行维护费用。LNG- 合成氨联产的投资与运行维护费用见表 5表 5 LNG-合成氨联产的投资与运行维护费用Table 5 Investment、operating and maintenance co
19、sts for Ammonia-LNG-generation project Investment cost Million RMB Operating expenses Million RMB/aCS Part 14.3 Chi-deflated cost 110.47184.12DC Part 32.8 Consumption cost 57.39CS Part 33.7 Pay and Welfare 6.8LNW Part 36.8 Repairs expense 5.83AS Part 17.6 Other cost 34Accessory and Utility 97.8Tatol
20、 233Tatol 214.49288.14 （ 费 托 合 成 油 驰 放 气 费 用 消 耗 工 资 及 福 利 维 护 费 用 其 它 费 用 ） *合 成 氨 成 本 合 成 氨 产 量LNGLNG(费 托 合 成 油 驰 放 气 费 用 消 耗 工 资 及 福 利 维 护 费 用 其 它 费 用 )成 本 产 量*合 成 氨 价 格 合 成 氨 产 量合 成 氨 价 格 合 成 氨 产 量 价 格 产 量19图 4 驰放气价格对氨、LNG 成本的影响Figure 4 Chi deflated gas prices on the Ammonia and LNG由图 4 可知，随着驰放气
21、价格的增加，合成氨、LNG 的成本是增加的。当驰放气价格为 0.3 元/ m 时，氨成本约为 1192 元/吨，LNG 的成本约为 2474 元/吨；当驰放气3的价格为 0.5 元/m 时，氨成本增加到 1601 元/吨，LNG 成本增加到 3323 元/ 吨左右，氨、LNG 成本均低于各自的市场价格 3538 元/吨和 1708 元/ 吨；当驰放气价格高于0.56 元时，氨、LNG 生产成本均高于各自的市场价格。3 LNG、LNG-合成氨项目利润比较LNG、 LNG-合成氨联产项目随着驰放气价格变动各自的利润表如表 6 所示：表 6 LNG、LNG-合成氨利润表Table 6 Income
22、statement of LNG and Ammonia-LNG projects Project Chi-deflated price（yuan/m 3 ）LNG（million RMB/a）LNG-Ammonia Co-production（million RMB/a）0.3 90.77 92.410.4 53.95 55.610.5 17.13 18.7810由表可知，在相同驰放气价格、不计氮气成本的条件下，LNG 单产项目利润比LNG-合成氨联产少 164 165 万元/年。不过，如果考虑到联产项目氮气成本，LNG 单产项目利润与联产项目的利润差额会更小，或者甚至超过联产项目。综合考虑
23、到国家宏观节能减排政策、天然气供需矛盾等因素，基于各自项目利润分析得到 LNG 单产项目具有较好的技术经济指标。4 结语通过 Aspen plus 流程模拟及技术经济分析，得到如下结论：（1）LNG 单产方案 LNG 产量为 8.13 万 t/a，高纯度 CO2 捕集量为 12.08 万t/a； LNG-合成氨联产方案氨、 LNG 产量依次为 5 万 t/a 和 6.26 万 t/a，高纯度 CO2 捕集量 17.12 万 t/a。可知，LNG 单产方案温室气体 CO2 排放量比 LNG-合成氨联产方案少 4.94 万 t/a，更加符合国家节能减排政策。（2）LNG 单产方案能效为 75.29
24、%；LNG- 合成氨联产方案能效为 53.09%。可知，LNG 单产方案能效比 LNG-合成氨联产方案高 22.2%，极大地提高了能源利用效率。（3）在相同驰放气价格条件下，LNG 单产项目利润比 LNG-合成氨联产少164165 万元/年，利润额相差不大。随着国内可持续发展战略和加强环保等政策的实施，国内对天然气的需求将与日俱增，供需矛盾也会显现并越来越突出。将费托合成油驰放气转化为洁净、高附加值的 LNG，一方面为解决费托合成油必须面对的驰放气问题提供了一种思路，另一方面在减少资源浪费的同时实现了费托合成油产品结构的多样化，从而间接提高了费托合成过程的整体能量利用效率，因此，费托合成油驰放
25、气联产 LNG 有着重要的意义。11Technical and economic analysis of how to use the Fischer-Tropsch Chi-deflated gasAbstract: Based on the 3 million tons-scale project of Fischer-Tropsch Chi-deflated gas data, the processes of Chi-deflated gas to LNG (liquefied natural gas) and LNG-ammonia-generation projects were
26、simulated using the Aspen plus simulation software respectively; meanwhile, the technical and economic index of the two programs were analyzed. The simulation results showed that the emission of greenhouse gases CO2 of the LNG project is less 49,400 t/a than that of the LNG-ammonia-generation projec
27、ts, the energy efficiency higher 22.2% than that of the latter one, while the profit is less 1.641.65 million Y/a.According to a comprehensive consideration of CO2 emissions, energy efficiency, and profit, we believe that the project of LNG is better than co-generation.Key words: Chi-deflated gas; L
28、NG; LNG-Ammonia-generation; technique and economic 12参考文献1刘志光，龚华俊，余黎明.我国煤制天然气发展的探讨. J煤化工，2009，4（2）：1-52 刘克万，辜敏，鲜学福. 变压吸附浓缩甲烷/ 氮气中甲烷的研究进展J. 现代化工，2007,27（12）：15-183 Kayvan Khorsand.Modeling and simulation of methanation catalytic reactor in ammonia unitJ.Petroleum Coal，49（1）：46-534 王武龙、于守法、陆君明等著.投资项目经济咨询评估指南 M.中国经济出版社，1998：4-1915 陆振东、赵安吉、周永德著.化工工艺设计手册（上册） M.化学工业出版社，1996：114-1156 王明华，李政.坑口煤制代用天然气的技术经济分析及发展路线构思J.现代化工，2008，28（3）：16-197 朱继承、王弘轼、房鼎业. 大型氨合成回路系统流程模拟J. 华东理工大学学报，1999，25（3） ：233-23713
