水煤漿氣化生產(chǎn)甲醇配套變換工藝與布置探討

向國(guó)軍

（武漢金中石化工程有限公司，湖北武漢 430223）

水煤漿氣化生產(chǎn)甲醇配套變換工藝與布置探討

向國(guó)軍

（武漢金中石化工程有限公司，湖北武漢 430223）

結(jié)合水煤漿氣化工藝產(chǎn)粗煤氣中工藝?yán)淠毫髁看?、變換系統(tǒng)余熱回收設(shè)備多的特點(diǎn)，對(duì)傳統(tǒng)布置方案存在的弊端進(jìn)行了分析，并提出了優(yōu)化后的設(shè)備布置方案。通過優(yōu)化設(shè)備布置，消除了變換系統(tǒng)存在的安全隱患，為變換裝置的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行打好基礎(chǔ)。

水煤漿氣化；變換裝置；工藝；設(shè)備布置

由于國(guó)際原油價(jià)格的不斷波動(dòng)，影響著我國(guó)的能源安全和我國(guó)貧油、少氣、多煤的資源稟賦，發(fā)展煤基甲醇，進(jìn)而生產(chǎn)醇醚燃料的新型煤化工成為國(guó)家積極引導(dǎo)扶持的熱門產(chǎn)業(yè)[1]。

GE公司水煤漿氣化技術(shù)是在國(guó)內(nèi)工業(yè)化應(yīng)用最早使用業(yè)績(jī)最多的氣化技術(shù)。迄今在國(guó)內(nèi)已有178臺(tái)氣化爐投入運(yùn)行[2]。其配套變換單元是煤制甲醇工藝中重要的工序，作用是調(diào)整煤氣化單元產(chǎn)生的粗煤氣中的H2/CO的比值，以滿足下游甲醇裝置對(duì)合成氣的要求，同時(shí)分解COS和HCN等有機(jī)物、回收熱量。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)項(xiàng)目工程實(shí)例，對(duì)水煤漿氣化生產(chǎn)甲醇配套變換工藝及布置方案進(jìn)行探討。

1 工藝流程概述及分析

1.1主工藝流程概述

本項(xiàng)目為年產(chǎn)180萬(wàn)t甲醇規(guī)模，變換單元采用雙系列設(shè)置。

變換工藝采用了部分耐硫變換流程：來自煤氣化的粗煤氣一部分經(jīng)廢熱鍋爐降溫、分離冷凝液后進(jìn)入變換爐參與變換反應(yīng)，而另一部分粗煤氣作為調(diào)節(jié)氣，直接經(jīng)過廢熱鍋爐降溫、分離冷凝液后與變換氣混合，通過控制進(jìn)變換爐和旁路的流量分配來滿足甲醇合成對(duì)氫碳比的要求。分離出冷凝液的變換氣經(jīng)洗滌水洗掉變換氣中的氨后送至低溫甲醇洗工序。主工藝流程見圖1。

圖1　變換裝置主工藝流程

1.2工藝流程特點(diǎn)分析

1.2.1原料氣特點(diǎn)

來自上游水煤漿氣化單元所產(chǎn)粗煤氣溫度為242℃，壓力6.38 MPaA，單系列粗煤氣流量為772847 m3（標(biāo)）/h，組成見表1。

表1　變換單元原料氣組成

由表1分析可知，粗煤氣中水蒸氣含量高達(dá)58.223%，即粗煤氣中攜帶飽和水蒸汽為361.36t/h，出變換單元的變換氣為40℃，可知變換單元冷凝后的工藝?yán)淠禾幚砹糠浅４?。另外，由于粗煤氣水蒸氣冷凝溫度高，因此變換單元可回收余熱較多。

1.2.2工藝流程分析

一氧化碳變換反應(yīng)為放熱反應(yīng)，反應(yīng)熱量大，為最大限度地回收熱量和減小循環(huán)水的消耗、減少能耗，需根據(jù)系統(tǒng)余熱來副產(chǎn)不同等級(jí)蒸汽以及預(yù)熱鍋爐給水、脫鹽水等。變換單元采用一段絕熱變換即可滿足甲醇合成氫碳比的要求，變換核心反應(yīng)設(shè)備并不復(fù)雜，但配套余熱回收的各類換熱器、廢熱鍋爐則比較復(fù)雜，其設(shè)備數(shù)量占變換單元總設(shè)備數(shù)量的60%以上。這是水煤漿氣化工藝生產(chǎn)甲醇配套變換單元的顯著特點(diǎn)。

2 工藝設(shè)備布置特點(diǎn)

2.1傳統(tǒng)布置方案

針對(duì)本項(xiàng)目工藝流程特點(diǎn)，設(shè)備布置采用雙系列對(duì)稱布置，輔助公用工程采用單套共用。以單系列為例，簡(jiǎn)述傳統(tǒng)變換布置方案見圖2。

單系列占地面積為60m X 40m，北側(cè)為鋼結(jié)構(gòu)框架區(qū)，包含管廊區(qū)和鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)。管廊區(qū)為三層，寬10m，作為變換單元與外部的聯(lián)系通道。鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)層高為EL5.5m，寬9m，布置了部分換熱器。也作為變換爐、洗氨塔的操作平臺(tái)。南側(cè)為地面區(qū)，布置有廢熱鍋爐、水分離器。由地面生根的鋼結(jié)構(gòu)框架支撐消音器和放空筒。

圖2　傳統(tǒng)變換工藝設(shè)備平面布置

2.2傳統(tǒng)布置方案存在的問題

（1）由于粗煤氣處理量大，因此變換系統(tǒng)工藝氣管線管徑大，最大為DN900，最小也為DN600。且管道多為厚壁Cr-Mo合金鋼及奧氏體不銹鋼。傳統(tǒng)變換布置采用了流程化布置方式，根據(jù)主工藝流程順序依次布置工藝設(shè)備。由于工藝流程較長(zhǎng)，設(shè)備眾多。因此傳統(tǒng)布置方案占地較大，管道長(zhǎng)。投資較大。

（2）變換爐操作檢修不便。變換爐是變換單元的核心設(shè)備，在開車之前需要裝填催化劑并升溫硫化，催化劑失效時(shí)需卸除催化劑并更換，裝置正常運(yùn)行時(shí)變換爐進(jìn)出口的溫度、壓力參數(shù)是外操人員在巡檢時(shí)需要重點(diǎn)關(guān)注的參數(shù)。由此可見，在設(shè)備布置時(shí)應(yīng)給變換爐操作檢修預(yù)留足夠的空間。傳統(tǒng)布置方案中是將變換爐布置在框架內(nèi)，變換爐周邊布滿了管道和閥組，因此給裝置開停車時(shí)催化劑的裝卸及正常運(yùn)行時(shí)巡檢都帶來了很大的不便。

（3）變換裝置在開車運(yùn)行過程中，發(fā)現(xiàn)易產(chǎn)生冷凝液的奧氏體不銹鋼工藝氣管線多處出現(xiàn)裂紋，多處焊縫或支管連接處出現(xiàn)工藝氣泄漏現(xiàn)象，管材腐蝕問題突出，并且存在重大安全隱患。針對(duì)此類問題，多處文獻(xiàn)已有詳細(xì)的報(bào)道[3-5]?？偨Y(jié)管材失效的原因，除了焊接質(zhì)量問題引起的應(yīng)力腐蝕外，主要是工藝氣中腐蝕性介質(zhì)對(duì)管材的腐蝕作用。傳統(tǒng)布置方案中部分廢熱鍋爐及換熱器布置在地面上，由于換熱器底部管口低于分離器工藝氣入口管口，因而這段管道在換熱器出口處形成了“袋形”。工藝氣經(jīng)換熱器換熱后會(huì)產(chǎn)生冷凝液，冷凝液中富含H2S、CO2、HCN等酸性介質(zhì)以及系統(tǒng)富集的Cl-，在出口管道“袋形”的低點(diǎn)處易對(duì)管道形成“水擊”作用，管道局部積液及氣液兩相對(duì)管道的沖擊作用更加快管道的腐蝕速度。

（4）由于廢熱鍋爐布置在地面上，廢鍋頂部的安全閥只能就近布置在廢鍋頂部平臺(tái)上。由于安全閥排放介質(zhì)為高溫蒸汽，且對(duì)空排放，在裝置運(yùn)行過程中安全閥起跳具有隨機(jī)性，在排放過程中對(duì)裝置內(nèi)操作巡檢人員的安全都存在潛在的隱患。

（5）裝置內(nèi)有兩臺(tái)蒸汽放空消音器就近布置在廢熱鍋爐附近，在開車階段或運(yùn)行異常工況下，大量蒸汽需要通過消音器外排。噪音較大，對(duì)工作人員身心健康造成不利的影響。

2.3改進(jìn)布置方案

為解決變換工藝氣管線低點(diǎn)積液?jiǎn)栴}及消除廢熱鍋爐頂部安全閥、消音器的安全隱患，并適當(dāng)縮減占地，對(duì)圖2設(shè)備布置圖方案進(jìn)行優(yōu)化見圖3。

根據(jù)變換單元特點(diǎn)，主工藝設(shè)備主要分為二大類：第一類是立式設(shè)備，包括變換爐、水分離器、洗氨塔等；第二類是臥式設(shè)備，包括廢熱鍋爐、鍋爐給水加熱器、臥式儲(chǔ)槽等。由于變換系統(tǒng)操作壓力較高，因此大多數(shù)換熱器殼體都為全焊接形式，因而不需要預(yù)留抽芯檢修的空間。只需要預(yù)留換熱器封頭人孔的操作空間即可。

結(jié)合工藝流程和換熱設(shè)備特點(diǎn)，并遵循同類設(shè)備適當(dāng)集中布置的原則，在傳統(tǒng)布置方案鋼結(jié)構(gòu)框架上新增加一層EL9.000樓面，用于布置原方案放置在地面上的廢熱鍋爐。該樓層南側(cè)外挑3m，擴(kuò)大樓面上管道布置及操作檢修的空間。將原方案穿過框架樓面的變換爐、第二水分離器、洗氨塔移除至框架南側(cè)。立式設(shè)備成組成排布置布置在框架南側(cè)的地面上。立式設(shè)備根據(jù)操作檢修要求設(shè)置圓形平臺(tái)及直爬梯。

圖3　改進(jìn)后的變換平面設(shè)備布置

通過優(yōu)化布置方案，改進(jìn)后的布置方案有以下優(yōu)點(diǎn)。

（1）采用框架式集成布置，充分利用空間，節(jié)約占地，操作檢修相對(duì)集中。節(jié)省管道、電纜等材料。

（2）變換爐操作、檢修都很方便。變換爐南側(cè)為空地，方便車輛通行。立式設(shè)備成組布置在一條線上，整體緊湊美觀。

（3）將廢熱鍋爐的支撐標(biāo)高抬高到EL9.000m樓面后，廢熱鍋爐底部管口便高于水分離器的入口管口，工藝氣管線自廢鍋底部引出后“步步低”接入水分離器的入口。經(jīng)過廢鍋換熱冷凝下來的工藝?yán)淠嚎梢皂樍鬟M(jìn)入水分離器，不會(huì)造成“積液”現(xiàn)象。

（4）廢鍋位于框架的頂平臺(tái)上，廢熱鍋爐頂部的安全閥出口管線可以高出頂平臺(tái)EL2.200m就近排放。廢鍋出口蒸汽管線上的消音器可以利用EL11.000m的管廊部分，局部加高用于支撐。由于安全閥出口和消音器均位于整個(gè)單元的最高點(diǎn)，安全隱患得以排除。

3 設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的一些問題

針對(duì)改進(jìn)后的設(shè)備布置方案，在設(shè)計(jì)中還需要注意以下問題。

1）設(shè)備吊裝問題

采用兩層框架式布置，設(shè)備布置緊湊、占地小。但應(yīng)注意施工階段設(shè)備的吊裝問題。應(yīng)在框架設(shè)備全部吊裝到位后，方可開始南側(cè)立式設(shè)備的安裝。

2）工藝氣管線操作溫度高，管壁厚，管道熱應(yīng)力大。在管道布置時(shí)需優(yōu)化設(shè)計(jì)，多利用自然補(bǔ)償，盡量減少?gòu)椈芍Ъ芗疤厥夤芗?，以?jié)省配管空間。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)水煤漿氣化生產(chǎn)甲醇配套變換裝置傳統(tǒng)布置方案存在的弊端，本文通過改進(jìn)布置方案，消除了安全隱患，并從源頭杜絕了工藝?yán)淠旱摹胺e液”帶來的局部腐蝕加劇問題，為變換裝置的長(zhǎng)周期安全穩(wěn)定運(yùn)行打好良好基礎(chǔ)。

[1] 孫銘緒，趙黎明，林彬彬.水煤漿氣化生產(chǎn)甲醇配套變換工藝[J].化學(xué)工程，2011，（1）：99-102.

[2] 戴厚良，何祚云.煤氣化技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀和進(jìn)展[J].石油煉制與化工，2014，（4）：1-7.

[3] 余建良.甲醇裝置變換系統(tǒng)管道焊縫裂紋的原及解決措施[J].化肥設(shè)計(jì)，2011，（6）：37-42.

[4] 李敏.水煤漿變換系統(tǒng)材料失效情況總結(jié)及應(yīng)對(duì)措施[J].大氮肥，2014，（2）：13-20.

[5] 劉強(qiáng).煤制烯烴項(xiàng)目變換管線腐蝕開裂分析及對(duì)策[J].中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2013，（6）：268-269.

Discussion on Process and Equipment Arrangement for CO Shift of Coal-water Slurry Gasification Methanol Production

Xiang Guo-jun

Combining the characteristics of large fl ow rate of process condensate and multiple equipment of waste heat recovery in co shift unit，the author analysis the disadvantage of traditional equipment arrangement，and put forward the improved scheme.It will eliminate hidden danger，and create a favorable condition for the long period stable operation of shift unit.

coal-water slurry gasifi cation；co shift unit；equipment process

TQ223.121

A

1003-6490（2016）01-0014-02

2015-12-25

向國(guó)軍（1983—），男，湖北宜昌人，注冊(cè)化工工程師，主要從事化工項(xiàng)目工藝和管道設(shè)計(jì)工作。