變換冷凝液溫度對(duì)粗合成氣汽氣比的影響及解決方案

王 靚

(中石化南京工程有限公司，江蘇 南京 211100)

變換冷凝液溫度對(duì)粗合成氣汽氣比的影響及解決方案

王 靚

(中石化南京工程有限公司，江蘇 南京 211100)

采用了一種簡(jiǎn)易的ASPEN PLUS模型，研究了變換冷凝液溫度對(duì)水煤漿氣化粗合成氣產(chǎn)品汽氣比的影響，通過后續(xù)變換工序的熱負(fù)荷分析論述了提高變換冷凝液的方法。結(jié)果表明，提高變換冷凝液溫度可以起到提高粗合成氣汽氣比作用，并且可以利用一段變換后工藝氣的余熱作為升溫?zé)嵩础?/p>

水煤漿氣化；汽氣比；變換冷凝液溫度

水煤漿氣化屬于氣流床氣化工藝，配激冷流程(以下簡(jiǎn)稱氣化)所產(chǎn)生的粗合成氣中汽氣比較高，在滿足下游變換反應(yīng)的推動(dòng)力前提下，仍然有部分水蒸氣未參與反應(yīng)，在變換后氣體進(jìn)一步降溫過程中，大量的工藝?yán)淠罕环蛛x出來，其中部分凝液直接返回氣化工序回用，剩余部分經(jīng)蒸汽汽提除氨后再返回氣化工序。本文將首先介紹氣化產(chǎn)出粗合成氣汽氣比對(duì)變換轉(zhuǎn)化率的影響，并進(jìn)一步分析產(chǎn)出粗合成氣汽氣比的影響因素，結(jié)合國(guó)內(nèi)某煤制氫裝置就回用的變換冷凝液的溫度因素進(jìn)行重點(diǎn)分析，進(jìn)而提出解決方案。這里變換冷凝液指的是直接返回氣化工序的凝液(以下簡(jiǎn)稱變換冷凝液)，經(jīng)除氨處理的變換凝液返回氣化工序后對(duì)汽氣比不產(chǎn)生直接影響。

1 粗合成氣汽氣比對(duì)變換反應(yīng)的影響

國(guó)內(nèi)多數(shù)煙煤經(jīng)水煤漿氣化所得粗合成氣中汽氣比基本都在1.3～1.4左右，據(jù)此，普遍的變換工序的設(shè)計(jì)都采用的是三段變換反應(yīng)，最終變換后工藝氣中一氧化碳干基體積含量為0.4%～0.5%。但汽氣比若低于1.3則往往在變換催化劑末期活性較差時(shí)，難以保證變換氣的一氧化碳含量的指標(biāo)，造成下游甲烷化、變壓吸附或液氮洗偏離設(shè)計(jì)值，引起氫氣產(chǎn)品純度下降及有效氣損失。若要保證在相對(duì)低的汽氣比下，在催化劑后期仍然能滿足指標(biāo)，則必須增加催化劑裝填量、加大變換爐尺寸，導(dǎo)致建設(shè)投資和生產(chǎn)成本的增加。因此，粗合成氣汽氣比的相對(duì)穩(wěn)定，是氫氣產(chǎn)品合格的重要保障。

2 汽氣比研究模型的建立及分析結(jié)果

首先介紹氣化工序合成氣產(chǎn)出流程。來自氣化爐燃燒室的高溫合成氣經(jīng)來自碳洗塔激冷黑水和氣化爐激冷室水浴飽和降溫后，在文丘里管內(nèi)經(jīng)一部分變換冷凝液和黑水進(jìn)一步潤(rùn)濕后進(jìn)入碳洗塔由變換冷凝液和補(bǔ)充鍋爐給水洗滌合成氣所含灰分后送往變換工序。為將研究?jī)?nèi)容簡(jiǎn)化，將氣化爐激冷室、碳洗塔、文丘里管整體作為研究對(duì)象，由于本文主要研究變換冷凝液對(duì)粗合成氣汽氣比的影響，因此作出如下假定：一、除來自氣化爐燃燒室的高溫合成氣以及出氣化界區(qū)的飽和合成氣外，其他輸入物流均假定為純水；二、同研究模型相關(guān)的物流流量不隨變換返回變換冷凝液的溫度變化而變化。作出以上假設(shè)后，采用ASPEN PLUS中FLASH2模塊模擬氣化爐激冷室、碳洗塔、文丘里管研究對(duì)象，由于出氣化爐激冷室的黑水、去鎖斗的含渣黑水、出碳洗塔黑水工藝參數(shù)不盡相同，因此在這里采用FSPLIT模塊將出FLASH2模塊的液相分為三股，以傳遞給FLASH2模塊的熱物流來表達(dá)并區(qū)分出三股黑水之間的溫度區(qū)別。而由于是液相的緣故，壓力的差別忽略。研究模型示意如圖1。

圖中流股①～⑨分別對(duì)應(yīng)于表1和表2中1～9物流號(hào)，圖中FSPLIT模塊出口流股中，分別用HEATER模塊規(guī)定了⑥、⑦號(hào)流股的溫度及流量，流股⑨作為變量輸出。參照上述模型，以變換冷凝液的溫度作為自變量，基本可以模擬出出氣化單元的合成氣(流股⑧)及出碳洗塔的黑水(流股⑨)的工藝參數(shù)。現(xiàn)將相關(guān)輸入物流信息列于表1，輸出物流信息列于表2，以160℃為起始溫度來研究變換冷凝液對(duì)出氣化合成氣汽氣比的影響，表3列出了160～220℃范圍內(nèi)，變換冷凝液溫度變化的模擬結(jié)果。

圖1 研究模型示意圖

表2 研究模型輸出物流參數(shù)

表3 研究模型模擬結(jié)果

由表中數(shù)據(jù)可以看出當(dāng)一定量的變換冷凝液由160℃升溫至220℃，出氣化的合成氣汽氣比可增加約0.12，出碳洗塔的黑水流量減小。當(dāng)氣化單元熱損較大，主要反映為在灰水加熱器結(jié)垢情況下，返回碳洗塔的灰水溫度較低時(shí)，由變換凝液加熱所引入的熱量便可作為汽氣比不足的彌補(bǔ)手段。

誠(chéng)然，上述研究模型可以直接簡(jiǎn)化為由液態(tài)水的焓差轉(zhuǎn)化為汽化潛熱來計(jì)算合成氣汽氣比的增量，但該模型是實(shí)際流程的簡(jiǎn)化模型，如需更加貼近實(shí)際，還可以對(duì)該模型進(jìn)行拓展，如納入黑水閃蒸模塊、灰水加熱模塊、變換工序中變換氣冷凝模塊，都將影響上述結(jié)果，以上述研究模型作為基礎(chǔ)則更加具有實(shí)際意義，限于篇幅，這里不再贅述。

3 變換冷凝液提溫的方案

水煤漿氣化制氫裝置中，變換工序通常采用三段中低溫變換工藝，其中一段變換爐出口變換氣通常用來副產(chǎn)4.0MPaG等級(jí)的蒸汽，蒸汽發(fā)生器出口的溫度通常高于水蒸發(fā)溫度15～20℃，因此經(jīng)過蒸汽發(fā)生器的變換氣溫度可降至約265℃，而二段變換爐所需進(jìn)口溫度通常要求為235～245℃，這里尚有部分余熱可以利用。一段變換爐出口至二段變換爐進(jìn)口工藝流程如圖2所示。

圖2 變換工藝流程簡(jiǎn)圖(局部)

下面將從熱負(fù)荷的角度論述變換冷凝液加熱的可能性。以前述研究模型所在同一裝置變換工序?yàn)槔?，?列出了出氣化、進(jìn)入一段變換爐、出一段變換爐及進(jìn)入二段變換爐的工藝氣參數(shù)，一段變換爐將合成氣中一氧化碳干基含量體積比從43.51%降至4.58%。表5列出了將一段變換爐出口高溫工藝氣冷卻至二段變換爐進(jìn)口溫度要求248℃之間總冷卻熱負(fù)荷、流程上主要換熱設(shè)備熱負(fù)荷以及剩余熱負(fù)荷(催化劑中后期)。

表4 變換爐前后相關(guān)物流工藝參數(shù)

表5 變換高溫反應(yīng)熱回收負(fù)荷

該工序變換冷凝液流量M=92648kg/h，溫度171℃，壓力5.5MPaG，平均定壓比熱容CP=4.437kJ/(kg·℃)，如將表5中剩余熱負(fù)荷用來預(yù)熱變換冷凝液則有冷凝液溫升ΔT=Q×/(M·CP)=41.5℃，冷凝液可由171℃升溫至212.5℃。

綜上，前述的這部分余熱完全可作為冷凝液預(yù)熱的熱源，預(yù)計(jì)可將出氣化工序的工藝氣的汽氣比提高約0.08。當(dāng)催化劑末期，催化劑活性差時(shí)，加熱變換冷凝液可作為增加汽氣比的輔助手段，并且適當(dāng)?shù)奶岣吒碑a(chǎn)蒸汽的壓力或增大蒸汽發(fā)生器旁路的調(diào)節(jié)閥開度，提高蒸汽發(fā)生器出口溫度后，還可以進(jìn)一步提升冷凝液預(yù)熱的溫度；另外還可以將冷凝液預(yù)熱器同鍋爐給水預(yù)熱器并聯(lián)設(shè)置，當(dāng)催化劑初期活性較好時(shí)，可將該部分余熱作為預(yù)熱進(jìn)入蒸汽發(fā)生器的給水的熱源，這就更增加了操作的靈活性。

誠(chéng)然，出氣化工藝氣汽氣比還有其他的影響因素，變換冷凝液的溫度并非主因。返回碳洗塔的灰水經(jīng)高壓閃蒸氣加熱可顯著升溫，但加熱效果常因結(jié)垢堵塞而下降，該因素常被視為汽氣比下降的主要原因。但加熱變換冷凝液的措施不失為生產(chǎn)過程中一種可控的調(diào)節(jié)手段。

(本文文獻(xiàn)格式：王 靚.變換冷凝液溫度對(duì)粗合成氣汽氣比的影響及解決方案[J].山東化工，2016，45(24)：83-85.)

Influence and to Crude Syngas Steam/Gas Ratio of Condensate Temperature from Co-shift Unit and its Solution

Wang Liang

(Sinopec Nanjing Engineering Co., Ltd., Nanjing 211100，China)

The influence to coal slurry gasification crude syngas Steam/Gas ratio of condensate temperature from co-shift unit was studied by a kind of simple ASPEN PLUS model. And the way to increasing condensate temperature was studied by heat duty analyzing of co shift unit. The results show that crude syngas Steam/Gas ratio could be enhanced by increasing condensate temperature from co-shift unit. And waste heat after 1# co-shifter could be utilized as heat resource.

coal slurry gasification; steam/gas ratio; condensate temperature from co-shift unit.

2016-11-23

王 靚(1976—)，江蘇南京人，工程師，要主從事化工設(shè)計(jì)工作。

TQ545

A

1008-021X(2016)24-0083-03