單臺氣化爐帶甲醇、合成氨雙系統(tǒng)運(yùn)行總結(jié)

李樂倫，徐美同，李家棟，張永軍

（兗礦新疆煤化工有限公司，新疆烏魯木齊 830011）

兗礦新疆煤化工有限公司600kt／a醇氨聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目是兗礦集團(tuán)在新疆啟動的第一個煤化工項(xiàng)目，產(chǎn)能為 300kt／a合成氨、520kt／a尿素、300kt／a甲醇。其中，氣化裝置采用兗礦集團(tuán)與華東理工大學(xué)共同研發(fā)的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的多噴嘴對置式水煤漿加壓氣化技術(shù)，配備3臺氣化爐 （兩開一備），單臺氣化爐投煤量1500t／d。裝置于2012年9月正式投料生產(chǎn)，現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)安全、穩(wěn)定、高效、長周期運(yùn)行。

1 工藝流程簡述

正常運(yùn)行時，熱電車間雙臺鍋爐運(yùn)行，生產(chǎn)的9.8MPa過熱蒸汽通過減溫減壓器將部分蒸汽降壓至3.8MPa、2.5MPa、1.2MPa，供后系統(tǒng)使用?？辗周囬g通過鍋爐提供的9.8MPa蒸汽驅(qū)動汽輪機(jī)帶動空氣壓縮機(jī)壓縮環(huán)境空氣，空氣經(jīng)預(yù)冷和純化后進(jìn)入分餾塔，采用低溫精餾的方法分離出O2、N2、Ar，為后系統(tǒng)提供純度99.6%的O2和純度99.99%的N2。

氣化車間以高壓O2和水煤漿為原料，輸送至氣化爐內(nèi)反應(yīng)產(chǎn)生主要成分為 （CO+H2）的水煤氣，水煤氣經(jīng)旋風(fēng)分離器和水洗塔除塵洗滌后送至變換工段。變換工段分為甲醇變換系統(tǒng)和合成氨變換系統(tǒng)。其中，合成氨變換系統(tǒng)將水煤氣中的CO全部變換成H2和CO2，并回收工藝余熱副產(chǎn)不同壓力等級的蒸汽，之后變換氣中的CO2和 H2S等酸性氣體在低溫甲醇洗工段中予以脫除，得到的凈化氣送入液氮洗工段精制，并配氮使氨合成氣的氫氮比達(dá)到3∶1，合成氣進(jìn)入合成氣壓縮機(jī)，升壓至14.5MPa后送入氨合成系統(tǒng)合成氨；低溫甲醇洗系統(tǒng)解吸出的 CO2則送往尿素裝置CO2壓縮系統(tǒng)。而甲醇變換系統(tǒng)是將水煤氣中的CO部分變換成H2和CO2，以滿足甲醇合成系統(tǒng)生產(chǎn)所需的H2／CO，并回收工藝余熱副產(chǎn)不同等級的蒸汽，之后變換氣送往低溫甲醇洗系統(tǒng)吸收 （脫除）有毒有害氣體，合格凈化氣 （H267.81% 、CO28.86%、CO22.69%）送往甲醇合成系統(tǒng)，在甲醇合成塔內(nèi)銅基催化劑的作用下合成粗甲醇，再通過甲醇精餾系統(tǒng)脫除粗甲醇中的二甲醚、水、乙醇等雜質(zhì)組分，生產(chǎn)出符合美國AA級和 《工業(yè)用甲醇》（GB338—2004）產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的精甲醇。 600kt／a醇氨聯(lián)產(chǎn)裝置工藝流程見圖1。

圖1 600kt／a醇氨聯(lián)產(chǎn)裝置工藝流程框圖

2 單爐帶甲醇、合成氨雙系統(tǒng)運(yùn)行的可行性

2.1 實(shí)施背景

2017年9月系統(tǒng)計(jì)劃檢修結(jié)束，僅具備單臺氣化爐投運(yùn)條件。甲醇變換催化劑與甲醇合成催化劑為新更換催化劑，均為氧化態(tài)，尚無活性，不具備使用條件，而甲醇變換催化劑與甲醇合成催化劑的硫化或還原均需H2，當(dāng)時新疆化工市場上無符合條件的H2，若從疆外采購，成本高且耗時長。為此，公司決定單爐帶合成氨系統(tǒng)運(yùn)行，用自產(chǎn)H2對甲醇變換催化劑和甲醇合成催化劑進(jìn)行硫化與還原，如此不僅可避免用槽車給系統(tǒng)充裝H2帶來的風(fēng)險(xiǎn)，且可降本增效。

當(dāng)甲醇合成催化劑還原完成 （具有活性）后，按照催化劑廠家提出的技術(shù)要求，該甲醇合成催化劑在投用初期需低負(fù)荷運(yùn)行一段時間，大致為5～7d，期間需逐漸增大負(fù)荷并在不同負(fù)荷下運(yùn)行一定時間，使之深度還原，以穩(wěn)定甲醇合成催化劑的結(jié)構(gòu)和延長其使用壽命，保證其在今后的生產(chǎn)中能發(fā)揮出最大的活性。

甲醇合成系統(tǒng)輕負(fù)荷生產(chǎn)期間，常規(guī)運(yùn)行模式為甲醇系統(tǒng)導(dǎo)氣、氨合成系統(tǒng)停車，即單爐帶甲醇系統(tǒng)低負(fù)荷運(yùn)行，并將大量水煤氣放空。我們在借鑒以往操作經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，集思廣益，通過論證、攻關(guān)，創(chuàng)新性地提出了 “單臺氣化爐帶甲醇、合成氨雙系統(tǒng)運(yùn)行”的思路，通過優(yōu)化調(diào)節(jié)和合理分配甲醇系統(tǒng)與合成氨系統(tǒng)的負(fù)荷，達(dá)到既滿足甲醇合成催化劑低負(fù)荷運(yùn)行的要求又可將本應(yīng)放空的水煤氣用于生產(chǎn)液氨的目的，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、降耗增效。

2.2 可行性分析

對于新更換的甲醇合成催化劑，投用初期需經(jīng)歷一段低負(fù)荷運(yùn)行時間，逐漸增加負(fù)荷使甲醇合成催化劑達(dá)到深度還原；投用初期，甲醇合成塔原料氣流量約50000m3／h，經(jīng)核算，其對應(yīng)的低溫甲醇洗系統(tǒng)原料氣流量為80000m3／h。而合成氨系統(tǒng)最低負(fù)荷運(yùn)行時，合成氣壓縮機(jī)入口原料氣流量約68000m3／h，對應(yīng)的液氮洗系統(tǒng)新鮮氣流量約46000m3／h，低溫甲醇洗系統(tǒng)原料氣流量約75000m3／h?？梢钥闯觯灰?dú)饣b置外供水煤氣流量大于290000m3／h，即可保證后系統(tǒng)的低負(fù)荷運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)單臺氣化爐帶甲醇、合成氨雙系統(tǒng)運(yùn)行的目標(biāo)。

在甲醇變換催化劑和甲醇合成催化劑硫化或還原階段，即單爐帶合成氨系統(tǒng)運(yùn)行時，A#氣化爐在5.5MPa壓力下運(yùn)行，外供水煤氣量約250000m3／h，水煤氣主要成分為 （H2+CO）79.5%、CO220.2%、CH4128×10-6，該工況下氣化爐的運(yùn)行負(fù)荷為84.6%，尚有一定的提升空間。據(jù)以往的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)氣化爐爐膛壓力從5.5MPa（對應(yīng)負(fù)荷為84.6%）提至6.5MPa（對應(yīng)負(fù)荷為100%），所需 O2量增至40320 m3／h，水煤氣流量至少增加50000m3／h，即水煤氣總量最少可達(dá)300000m3／h，具備單臺氣化爐帶甲醇、合成氨雙系統(tǒng)運(yùn)行的基本條件。因此，從物料平衡方面來看是完全可行的。

3 單爐帶雙系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)施及調(diào)控措施

3.1 單爐帶雙系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)施

2017年9月14日，空分裝置外供合格產(chǎn)品，隨即A#氣化爐投料；9月15日08：00液氮洗原料氣合格，合成氨系統(tǒng)投運(yùn)，甲醇合成催化劑開始升溫還原，并于9月17日15：00升溫還原結(jié)束。

為使甲醇合成催化劑按時進(jìn)入低負(fù)荷運(yùn)行期，9月17日11：00系統(tǒng)開始向單臺氣化爐帶甲醇、合成氨雙系統(tǒng)運(yùn)行過渡。當(dāng)日11：35—13：35A#氣化爐開始緩慢加負(fù)荷至 6.3MPa；11：40甲醇變換系統(tǒng)開放空均壓，合成氨系統(tǒng)逐漸退氣減量至最低負(fù)荷運(yùn)行；13：15甲醇變換系統(tǒng)接氣，13：45甲醇低溫甲醇洗系統(tǒng)接氣，15：35甲醇合成系統(tǒng)接氣。

3.2 調(diào)控措施及注意事項(xiàng)

（1）導(dǎo)氣過程中系統(tǒng)壓力波動，造成氣化爐壓力與負(fù)荷不匹配，必須合理分工、恰當(dāng)安排，合成氨系統(tǒng)保量以防合成氣氣量大幅波動，甲醇變換系統(tǒng)保壓，雙系統(tǒng)密切配合，緩慢推進(jìn)導(dǎo)氣進(jìn)度，確保平穩(wěn)操作。

（2）氣化爐負(fù)荷達(dá)97% （爐膛壓力6.3MPa）時，煤漿泵轉(zhuǎn)速998r／min，逼近最高設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速，是建廠以來的首次高轉(zhuǎn)速紀(jì)錄，具有高風(fēng)險(xiǎn)性，需嚴(yán)格按照預(yù)定方案進(jìn)行精細(xì)操作，調(diào)度對各工段統(tǒng)一協(xié)調(diào)指揮，并做好應(yīng)急安排。

（3）在甲醇變換系統(tǒng)接氣的過程中，由于要兼顧合成氨系統(tǒng)低負(fù)荷條件下的穩(wěn)定運(yùn)行，進(jìn)入甲醇變換爐的水煤氣流量會不足，甲醇變換爐的空速低，易造成甲醇變換爐催化劑床層超溫，此時操作過程中要充分利用甲醇變換新催化劑的低溫活性和激冷線，將進(jìn)入甲醇變換爐水煤氣的溫度控制在其露點(diǎn)之上 （250℃左右），以利于有效控制甲醇變換爐催化劑床層的溫度。

（4）甲醇變換系統(tǒng)接氣過程中，當(dāng)甲醇變換系統(tǒng)水煤氣流量低時，不僅需要控制好甲醇變換爐的爐溫，還需考慮出甲醇變換系統(tǒng)變換氣的氣質(zhì)要求，即在滿足甲醇變換爐床層溫升可控的情況下，操作過程中要盡量滿足變換氣的氫碳比要求，防止因變換氣中CO2含量過高而增加低溫甲醇洗系統(tǒng)的負(fù)荷，并防止甲醇合成氣中有效成分 （CO+H2）過低影響甲醇合成催化劑的深度還原而導(dǎo)致能耗增加。

（5）首次嘗試單爐帶甲醇、合成氨雙系統(tǒng)運(yùn)行，毫無經(jīng)驗(yàn)可循，雙系統(tǒng)低負(fù)荷運(yùn)行，操作彈性?。粴饣到y(tǒng)運(yùn)行壓力高，對設(shè)備、管道、機(jī)泵及安全附件的要求苛刻。因此，現(xiàn)場需加強(qiáng)巡檢力度，中央控制室注意各項(xiàng)工藝數(shù)據(jù)的變化，及時進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

4 單爐帶雙系統(tǒng)運(yùn)行情況及效益

4.1 運(yùn)行情況

通過優(yōu)化調(diào)整，當(dāng)氣化爐負(fù)荷達(dá)97%時，氣化爐爐膛壓力為6.3MPa，所產(chǎn)水煤氣量約為300000m3／h，達(dá)到了單爐帶甲醇、合成氨雙系統(tǒng)運(yùn)行的基本條件，調(diào)整過程中氣化裝置不同負(fù)荷下的運(yùn)行參數(shù)如表1所示。整個過程中，利用合成氨系統(tǒng)自產(chǎn)H2嚴(yán)格把控甲醇變換催化劑與甲醇合成催化劑的硫化或還原的升溫速率，順利完成了甲醇系統(tǒng)催化劑的還原；2017年9月17日成功實(shí)現(xiàn)單爐帶雙系統(tǒng)運(yùn)行后，低負(fù)荷運(yùn)行期間，甲醇合成催化劑床層溫度均處于可控范圍內(nèi)，單臺氣化爐帶甲醇、合成氨雙系統(tǒng)低負(fù)荷、穩(wěn)定運(yùn)行達(dá)96h，雙系統(tǒng)各項(xiàng)工藝指標(biāo)正常，液氨產(chǎn)量約 21.56t／h，粗醇產(chǎn)量約 24t／h，標(biāo)志著公司首創(chuàng)的 “單臺氣化爐帶甲醇、合成氨雙系統(tǒng)運(yùn)行”模式取得成功。

表1 氣化裝置不同負(fù)荷下的運(yùn)行參數(shù)

4.2 效益分析

經(jīng)分析，本次單臺氣化爐帶甲醇、合成氨雙系統(tǒng)低負(fù)荷運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益非常明顯：①解決了甲醇變換催化劑和甲醇合成催化劑更換后硫化或還原所需H2的供應(yīng)問題，并滿足了甲醇合成催化劑需低負(fù)荷運(yùn)行一段時間的要求；②合成氨系統(tǒng)不停車、保持最低負(fù)荷運(yùn)行，節(jié)約了合成氨系統(tǒng)停車再開車的各項(xiàng)費(fèi)用約150萬元；③將甲醇變換系統(tǒng)本應(yīng)均壓放空的合成氣用于生產(chǎn)液氨，避免了浪費(fèi)，合成氨系統(tǒng)低負(fù)荷運(yùn)行時產(chǎn)量約 21.56t／h（約 517t／d），以液氨市價(jià) 2500元／t計(jì)，合成氨系統(tǒng)低負(fù)荷運(yùn)行6d的液氨銷售收入為517×2500×6÷10000＝775.5萬元。

此外，本次單臺氣化爐帶甲醇、合成氨雙系統(tǒng)低負(fù)荷運(yùn)行保障了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，避免了系統(tǒng)開停車期間工況不穩(wěn)而易產(chǎn)生噪聲、有毒有害氣體排放等環(huán)保問題，環(huán)保效益也非常突出。

5 結(jié)束語

600kt／a醇氨聯(lián)產(chǎn)裝置是一個復(fù)雜龐大的系統(tǒng)，屬典型的高溫高壓、有毒有害化工生產(chǎn)系統(tǒng)。兗礦新疆煤化工有限公司結(jié)合實(shí)際，大膽設(shè)想、小心求證，于2017年9月首次創(chuàng)新性地成功實(shí)施了 “單臺氣化爐帶甲醇、合成氨雙系統(tǒng)運(yùn)行”，不僅滿足了甲醇系統(tǒng)低負(fù)荷運(yùn)行的要求，而且合成氨系統(tǒng)的低負(fù)荷運(yùn)行 （無需停車）達(dá)到了節(jié)能減排、增產(chǎn)創(chuàng)效的目的。這不僅是大膽嘗試、技術(shù)革新，而且為化工生產(chǎn)領(lǐng)域的生產(chǎn)運(yùn)行和管理開創(chuàng)了新的思維模式，引領(lǐng)了新的創(chuàng)新方向。