IGCC电厂合成气净化工艺研究

【摘要】煤气净化技术是整体煤气化联合循环（IGCC）发电的一个关键环节。通过详细阐述IGCC合成气主要净化工艺并进行经济技术比较，提出了适合我国国情的IGCC合成气净化工艺路线，对IGCC电厂进行工艺选择具有一定的指导意义。

【关键词】整体煤气化联合循环；净化；合成气

引言

整体煤气化联合循环发电 (Integrated Gasification Combined Cycle，IGCC)，是将煤炭气化和燃气―蒸汽联合循环发电系统有机集成的一种洁净煤发电技术。IGCC发电技术因其高效环保等众多优点代表了未来煤电的发展方向，是“国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006―2020年)”明确的优先项目之一，有着良好的发展前景。但是以煤为原料的IGCC生产工艺中，粗合成气中含有大量多余的CO2、少量的H2S、COS等酸性气体，这些酸性气体不仅会污染环境，而且会直接对下游工艺及设备造成危害，必须将其脱除和回收，因此IGCC合成气净化技术核心就是酸性气脱除。目前，IGCC合成气常用的净化技术包括低温甲醇洗法（Rectisol）、聚乙二醇二甲醚法（NHD）以及MDEA法等。本文通过对上述三种净化工艺进行比选研究，提出了适合我国国情的IGCC合成气净化工艺路线，为我国IGCC电站净化工艺路线选择提供了参考。

1 IGCC合成气净化常用工艺分析

1.1 低温甲醇洗法

低温甲醇洗工艺于50年代初由德国林德公司和鲁奇公司联合开发，该工艺以冷甲醇为吸收溶剂，利用甲醇在低温下对酸性气体溶解度极大的优良特性，脱除原料气中的酸性气体。低温甲醇洗工艺属于冷法物理吸收工艺，吸收原理基于软硬酸碱理论，具体反应如下：

CH3OH+H2S+CO2=CH3---OH（1）

||

H-HSCO2

如上所示，甲醇吸收了二氧化碳以后，不影响对硫化氢的吸收，这就是低温甲醇装置吸收了二氧化碳的甲醇仍能用来吸收硫化氢的理论依据。同时，通过查询不同气体在甲醇的溶解度：CS2>H2S>COS>CO2>CH4>CO>N2>H2，溶解度越高的气体越容易吸收。因此，低温甲醇溶液可以选择性的吸收H2S和CO2。

图1 低温甲醇洗法工艺流程简图

低温甲醇洗工艺气体净化度高，选择性好，技术成熟，在工业上有着很好的应用业绩，被广泛应用于国内外合成氨、合成甲醇和其他羰基合成、城市煤气、工业制氢和天然气脱硫等气体净化装置中。在国内以煤、渣油为原料建成的大型合成氨装置中也大都采用这一技术。

1.2 MDEA法

MDEA法属于典型的化学吸收法，经过近30多年的发展，目前已经形成了多种MDEA的改进配方溶液，可以实现MDEA溶液与H2S、CO2、COS等酸性气体的反应速度与程度的控制，该方法具备反应热较低、腐蚀倾向小、蒸气压较低、对H2S选择性强等优点。

MDEA脱除H2S和CO2的反应方程式如下：

2CH3R2N+H2S(CH3R2NH)2S（2）

(CH3R2NH)2S +H2S2(CH3R2NH)HS（3）

2CH3R2N+H2O+CO2(CH3R2NH)2CO3（4）

(CH3R2NH)2CO3+H2O+CO22(CH3R2NH)HCO3（5）

图2 MDEA法工艺流程简图

国内外MDEA法的推广应用都取得了显著成就，遍及天然气、炼厂气、合成气和克劳斯尾气，产生了相当可观的经济效益。目前含MDEA的各种体系几乎覆盖了整个气体净化领域，如选择脱硫、酸气提浓、同时脱硫脱碳、脱碳及脱有机硫等。目前国外正在的运行IGCC电站大多都是采用的MDEA脱硫工艺，如西班牙Puertollano IGCC示范电站，美国Wabash River IGCC示范电站等。

1.3 NHD法

1965年，美国Allied公司首次采用聚乙二醇二甲醚做为物理溶剂，开发了NHD净化工艺，广泛应用于合成气、天然气、燃料气和城市煤气净化。目前，NHD法已成功应用于中国30多个合成氨厂、醋酸厂等工业装置的合成气净化。

图3 NHD法工艺流程简图

NHD气体净化技术经过国内外多年的工业推广，技术成熟可靠，在化肥厂、合成氨厂、甲醇厂等有着广泛的应用。国外IGCC电厂也有应用NHD法的案例，如美国Cool Water IGCC示范电站采用该工艺，在连续五年的运行中表现良好。另外，加拿大Genesee IGCC电站、英国Hatfield Colliery IGCC电站等项目已决定采用NHD法进行碳捕集。

2 低温甲醇洗、MDEA和NHD工艺比选

2.1 工艺分析与初投资比较

由于低温甲醇洗工艺是在低温下运行，其操作温度也在-40℃以下，对气体中H2O和NH3等组分以及溶剂中水含量提出较高要求，当气体及溶剂进入低温甲醇吸收塔之前必须彻底脱除。此外，为了有效地回收和维持系统内的冷量，其换热及制冷设备数量较多，换热设备结构又较为复杂，使得工艺流程冗长而复杂。由于在低温下操作，对设备材质要求较高，诸如低温钢材以及缠绕管式换热器等费用较高。

NHD法在仅需脱硫的场合时，操作温度为常温（20～40℃），设备材质一般用普通碳钢即可，只有脱硫塔、再生塔、闪蒸槽、高压闪蒸分离器等少数需耐高压或耐腐蚀的设备，采用16MnR低合金钢。国外对相同规模大型氨厂低温甲醇洗法与NHD法脱硫脱碳的技术经济比较表明，用低温甲醇洗脱碳时需用主要设备48台，而NHD法则只需30台，且NHD法总消耗费用和装置费用均较低，运行费用也只是低温甲醇洗的88.6%，表明NHD法流程简单，投资省，消耗低。经初步估算，低温甲醇洗的基建投资是NHD法的1.8倍。

MDEA法的设备要求与NHD法基本相似，吸收段为常温（20～45℃）操作，设备材料用普通碳钢即可，只有再生塔，闪蒸槽等少数设备需要用耐高温或耐腐蚀设备。如前文所述，MDEA法的工艺系统比NHD法更加简洁，特别是脱硫脱碳同时脱除，因此，设备费和建设初投资更低。

2.2 能耗比较

由于低温甲醇洗工艺采用低温吸收，常温解吸收方式，包含了较为庞大的制冷系统，而MDEA工艺和NHD工艺采用常温吸收，高温解吸收方式，因此，在其他条件相同的情况下，低温甲醇洗工艺的能耗最高。

MDEA工艺和NHD工艺相比，NHD工艺相对复杂，特别是NHD工艺的脱硫脱碳是分别布置，因此，NHD工艺的能耗较MDEA工艺高一些。

综上所述，从能耗上讲：低温甲醇洗法＞NHD法＞MDEA法。

2.3 优缺点综合比较

表1为低温甲醇洗、MDEA和NHD法工艺优缺点对比。

表1 低温甲醇洗，MDEA和NHD法工艺优缺点对比

低温甲醇洗 MDEA法 NHD法

溶剂稳定性 稳定 稳定 稳定

溶剂腐蚀性 低 低 无

溶剂消耗 较高 低 低

溶剂毒性 较高 低 无

溶剂价格 低 较高 较高

溶剂起泡 不起泡 起泡 不起泡

溶剂选择性 高 高 高

吸收塔压力 ～7.0MPa ～4.0MPa ～7.0MPa

运行温度 -40℃ 常温 常温

酸气净化度 高 高 高

能耗 高 低 低

初投资 高 低 较高

国产化水平 完全国产化 完全国产化 完全国产化

如表1所示，通过三种工艺的优缺点比较分析，低温甲醇洗工艺的初投资最高，且溶剂毒性较强，不符合环保的要求，而NHD工艺的运行能耗和初投资均高于MDEA法，因此MDEA工艺是最优的选择。

3 结论

通过对低温甲醇洗工艺、MDEA工艺和NHD三种工艺的吸收-解吸原理、工艺流程和经济型分析，总结了三种工艺的优缺点，得到以下结论：

（1）三种工艺都技术成熟可靠，实现了国产化，都能够实现高选择性和高吸收率。

（2）低温甲醇洗工艺的吸收剂毒性大，不适合绿色环保的要求，且初投资高，操作复杂，应当不予采用。

（3）MDEA工艺的初投资最低，运行能耗也低于NHD工艺，从经济性上讲是比NHD工艺更优的选择，因此，IGCC合成气净化应当采取MDEA工艺作为技术路线。

参考文献：

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基金项目：燃煤烟气排放控制重庆市企业重点实验室（中电投远达环保工程有限公司）。