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费托合成油尾气利用方案的技术经济分析
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Aspenplus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164～165万元/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、H2、N2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1000～1100亿
，而同期的天然气产量只能达到900～950亿
，且随着国民经济的发展，供需矛盾会日益突出［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Aspenplus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基于Aspenplus模拟的LNG流程模拟及技术经济分析
1.1LNG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（Molefrac）
Table1CompositionoftheFischer-TropschChideflatedgas（Molefrac）
H2
N2
CH4
C2H4
C2H6
CO
CO2
H2O
0.097
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：
1.1LNG流程图
Figure1.1TheflowdiagramofLNGprocess
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：
经Aspenplus流程模拟软件模拟得到，产品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1.2LNG流程简图
Figure1.2TheflowdiagramofLNGprocess
表2费托合成油驰放气制LNG各关键物流参数
Table2ThekeylogisticsparameterforFischer-TropschChideflatedgassynthesisLNGproject
Tag
FT-TAIL
1
2
3
4
5
6
7
8
Temperature（K）
473
473
473
771.6
223
233
500
103
103
Pressure（MPa）
2
2
2
1.9
1.9
1.9
1.8
1.8
1.8
MoleFlow（kmol/hr）
1291.1
1000.6
290.5
2151
381.24
1254.1
1532.1
605.3
162.6
MoleFrac
H2
0.097
0.097
0.097
0.213
0
0.388
0.002
0.023
0
N2
0.122
0.122
0.122
0.057
0
0.126
0.103
0.97
0
CH4
0.259
0.259
0.259
0.121
0
0.267
0.324
0.003
0.813
C2H4
0.032
0.032
0.032
0.015
0
0.033
0.027
0
0.067
C2H6
0.057
0.057
0.057
0.026
0
0.058
0.048
0
0.12
CO
0.405
0.405
0.405
0.02
0
0.128
0
0
0
CO2
0.015
0.015
0.015
0.175
1
0
0
0
0
H2O
0.013
0.013
0.013
0.373
0
0
0.496
0
0
1.2能效计算
能效计算常用如下公式：
：
能量利用效率
P：
产品物各组成的流率，kmol/h
F：
原料气各组成的流率，kmol/h
H：
燃烧热，kcal/mol
C：
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%。
1.3LNG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0.3～0.5元／
，循环水1.8元/吨，电0.5元/kwh；固定资产维护费率2.5%（固定资产原值扣除建设期利息）［4］。
1.3.2LNG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，0.6～0.7
I2、Q2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
n：
工程生产年限
：
系数，1.1～1.2.。
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
Table3Investment、operatingandmaintenancecostsforFischer-TropschChideflatedgassynthesisLNGproject
Investmentcost
MillionRMB
Operatingexpenses
MillionRMB/a
CSPart
13.9
Chi-deflatedcost
110.47～184.12
DCPart
31.3
Consumptioncost
42.32
METPart
47.6
PayandWelfare
6.5
CSPart
36.7
Repairsexpense
5.58
AccessoryandUtility
93.6
Othercost
32
Total
223.1
Total
196.87～270.52
图2驰放气价格对LNG成本的影响
Figure2ChideflatedgaspricesonthecostofLNG
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生产成本高于市场价格。
2基于Aspenplus模拟的LNG-合成氨联产流程系统模拟及技术经济分析
2.1LNG-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3.1LNG-合成氨联产工艺流程图
Figure3.1TheflowdiagramofAmmonia-LNG-generationprocess
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：
图3.2LNG-合成氨联产工艺流程简图
Figure3.2TheflowdiagramofAmmonia-LNG-generationprocess
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（NH3）。
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4LNG-合成氨联产各关键物流参数
Table4ThekeylogisticsparameterofAmmonia-LNG-generationproject
Tag
FT-TAIL
1
2
3
4
5
6
7
8
Temperature（K）
473
485.9
233
233
103
103
85
298
276
Pressure（MPa）
2
2
2
2
2
2
2
0.1
3.7
MoleFlow（kmol/hr）
1291.1
2791.1
1537.1
1254.1
448.8
805.3
645.87
215.29
408.9
MoleFrac
NH3
0
0
0
0
0
0
0
0
0.997
H2
0.097
0.231
0
0.515
0
0.802
1
0
0.001
N2
0.122
0.056
0
0.126
0
0.195
0
1
0.002
CH4
0.259
0.12
0
0.267
0.746
0
0
0
0
C2H4
0.032
0.015
0
0.033
0.091
0
0
0
0
C2H6
0.057
0.026
0
0.058
0.163
0
0
0
0
CO
0.405
0.001
0
0.002
0
0.002
0
0
0
CO2
0.015
0.194
0.352
0
0
0
0
0
0
H2O
0.013
0.357
0.648
0
0
0
0
0
0
经Aspenplus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%。
2.3LNG-合成氨联产的技术经济分析
2.3.1计算假定
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。
2.3.2LNG-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5LNG-合成氨联产的投资与运行维护费用
Table5Investment、operatingandmaintenancecostsforAmmonia-LNG-generationproject
Investmentcost
MillionRMB
Operatingexpenses
MillionRMB/a
CSPart
14.3
Chi-deflatedcost
110.47～184.12
DCPart
32.8
Consumptioncost
57.39
CSPart
33.7
PayandWelfare
6.8
LNWPart
36.8
Repairsexpense
5.83
ASPart
17.6
Othercost
34
AccessoryandUtility
97.8
Tatol
214.49～288.14
Tatol
233
图4驰放气价格对氨、LNG成本的影响
Figure4ChideflatedgaspricesontheAmmoniaandLNG
由图4可知，随着驰放气价格的增加，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。
3LNG、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6LNG、LNG-合成氨利润表
Table6IncomestatementofLNGandAmmonia-LNGprojects
Project
Chi-deflatedprice
（yuan/m3）
LNG（millionRMB/a）
LNG-AmmoniaCo-production（millionRMB/a）
0.3
90.77
92.41
0.4
53.95
55.61
0.5
17.13
18.78
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Aspenplus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%；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164～165万元/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，费托合成油驰放气联产LNG有着重要的意义。
TechnicalandeconomicanalysisofhowtousetheFischer-TropschChi-deflatedgas
Abstract:
Basedonthe3milliontons-scaleprojectofFischer-TropschChi-deflatedgasdata,theprocessesofChi-deflatedgastoLNG（liquefiednaturalgas）andLNG-ammonia-generationprojectsweresimulatedusingtheAspenplussimulationsoftwarerespectively;meanwhile,thetechnicalandeconomicindexofthetwoprogramswereanalyzed.ThesimulationresultsshowedthattheemissionofgreenhousegasesCO2oftheLNGprojectisless49,400t/athanthatoftheLNG-ammonia-generationprojects,theenergyefficiencyhigher22.2%thanthatofthelatterone,whiletheprofitisless1.64～1.65millionY/a.AccordingtoacomprehensiveconsiderationofCO2emissions,energyefficiency,andprofit,webelievethattheprojectofLNGisbetterthanco-generation.
Keywords:
Chi-deflatedgas;LNG;LNG-Ammonia-generation;techniqueandeconomic
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