600kt／a醇氨聯(lián)產(chǎn)裝置單臺氣化爐帶甲醇、合成氨系統(tǒng)運行的研究和實踐

姚 剛，者有強，石 勇

（兗礦新疆煤化工有限公司，新疆烏魯木齊 830011）

0 引 言

兗礦新疆煤化工有限公司600kt／a醇氨聯(lián)產(chǎn)裝置產(chǎn)能為 300kt／a甲醇、300kt／a合成氨、520kt／a尿素。其中，氣化裝置采用兗礦集團與華東理工大學(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工藝，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年投產(chǎn)，已實現(xiàn)了安全、穩(wěn)定生產(chǎn)，取得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。

筆者等人于 《600kt／a醇氨聯(lián)產(chǎn)項目單臺氣化爐帶合成氨、尿素系統(tǒng)運行的研究和實踐》一文中，闡述了只有1臺氣化爐運行的情況下如何實現(xiàn)合成氨、尿素系統(tǒng)的正常運行。近1a來，隨著公司生產(chǎn)管理水平的不斷提高、工藝技術(shù)人員對裝置工藝特點的深入了解及各種情況下開停車實踐經(jīng)驗的積累，在查閱相關(guān)資料并反復(fù)對比論證后，我們又提出一個大膽的設(shè)想——單臺氣化爐能不能同時帶甲醇系統(tǒng)、合成氨系統(tǒng)運行？如果這種生產(chǎn)模式能夠?qū)崿F(xiàn)，裝置運行的靈活度將進一步提升，主要可帶來如下兩方面的好處：①在只運行1臺氣化爐且尿素系統(tǒng)又不具備開車投產(chǎn)條件的情況下，可以用單臺氣化爐帶甲醇系統(tǒng)、合成氨系統(tǒng)運行，盡可能保證工藝流程的暢通，待第2臺氣化爐投料后，可迅速并氣加量，節(jié)約開車時間，避免大量原料氣的放空損失；②全系統(tǒng)開車過程中，如第1臺氣化爐投料并氣正常后，第2臺氣化爐由于種種原因不能實現(xiàn)接續(xù)，需要延遲較長時間才具備并氣條件的情況下，我們就可以先用單臺氣化爐打通甲醇系統(tǒng)和合成氨系統(tǒng)，流程打通過程中出現(xiàn)的各類工藝、設(shè)備問題可提前處理，待第2臺氣化爐并氣后，就只剩下一個加量的過程，從而在較短時間內(nèi)就可恢復(fù)雙爐滿負荷運行。

經(jīng)分析，實現(xiàn)單臺氣化爐帶甲醇、合成氨雙系統(tǒng)運行的關(guān)鍵在于如何保證變換催化劑尤其是甲醇變換催化劑床層不超溫。甲醇變換系統(tǒng)采用配氣流程，部分水煤氣不經(jīng)過變換爐參與變換反應(yīng)，用以調(diào)配工藝氣中的CO含量，因此，甲醇變換催化劑床層的空速比合成氨變換系統(tǒng)更小，更容易出現(xiàn)催化劑床層超溫的情況，如果再碰上甲醇變換催化劑更新，因催化劑初期活性較好，其操作難度將更大。

1 600kt／a醇氨聯(lián)產(chǎn)裝置工藝流程簡介

兗礦新疆煤化工有限公司600kt／a醇氨聯(lián)產(chǎn)裝置以新疆本地低硫煤為原料，水煤漿在氣化爐內(nèi)被純氧部分氧化生成水煤氣，水煤氣經(jīng)洗滌除塵后送至變換工段。變換工段分為2套系統(tǒng)：一套為甲醇變換系統(tǒng)，即氣化工段來的水煤氣中的部分CO與水蒸氣反應(yīng)生成H2和CO2，通過配碳、低溫甲醇洗洗滌，最終將合成氣中的氫碳比調(diào)節(jié)至2.05～2.15后送至甲醇合成系統(tǒng)；另一套是合成氨變換系統(tǒng)，即氣化工段來的水煤氣中的CO與水蒸氣分別經(jīng)過中溫變換爐、低溫變換爐，將CO全部轉(zhuǎn)化為H2和CO2，再經(jīng)過低溫甲醇洗和液氮洗洗滌、配氮，最終將合成氣中的氫氮比調(diào)節(jié)至3∶1后送至氨合成系統(tǒng)。600kt／a醇氨聯(lián)產(chǎn)裝置工藝流程框圖見圖1。

圖1 600kt／a醇氨聯(lián)產(chǎn)裝置工藝流程框圖

甲醇變換系統(tǒng)采用部分變換工藝：氣化工段來的水煤氣分為3股，第1股水煤氣直接進入甲醇系統(tǒng)變換爐，CO與水蒸氣在變換催化劑的作用下發(fā)生反應(yīng)生成H2和CO2；第2股水煤氣進入甲醇系統(tǒng)變換爐中部，用于激冷 （調(diào)節(jié)變換爐下層溫度）；第3股水煤氣不經(jīng)變換爐，通過調(diào)節(jié)其流量使出變換工段的變換氣中CO含量約為20.9%（體積分數(shù)），之后變換氣送低溫甲醇洗工段。

合成氨變換系統(tǒng)采用中變串低變耐硫變換工藝：氣化工段來的水煤氣依次經(jīng)過中溫變換爐和低溫變換爐，在耐硫變換催化劑的作用下發(fā)生變換反應(yīng)，將CO全部變換成H2和CO2，出口變換氣送低溫甲醇洗工段、液氮洗工段。

600kt／a醇氨聯(lián)產(chǎn)裝置變換系統(tǒng)工藝流程見圖2。

圖2 醇氨聯(lián)產(chǎn)裝置變換系統(tǒng)工藝流程簡圖

變換催化劑裝填及使用情況：甲醇系統(tǒng)變換爐裝填寬溫耐硫變換催化劑51.5m3，使用時間5個月 （截至投稿時，下同），為催化劑使用初期；合成氨系統(tǒng)中溫變換爐裝填催化劑55.7m3、使用時間3年5個月，低溫變換爐裝填寬溫耐硫變換催化劑40.6m3、使用時間5年2個月，即合成氨變換系統(tǒng)2爐催化劑處于使用后期 （合成氨變換催化劑一般4～5a更換1次）。

2 單臺氣化爐帶甲醇、合成氨系統(tǒng)運行的實踐

實踐表明，在單臺氣化爐高負荷運行的情況下，通過合理分配氣量，可滿足甲醇系統(tǒng)變換爐、合成氨系統(tǒng)變換爐的最小空速要求，保證變換爐不超溫，甲醇系統(tǒng)、合成氨系統(tǒng) （簡稱雙系統(tǒng)）可低負荷運行。針對此種運行模式，公司采取了如下調(diào)控措施。

2.1 熱電工段

設(shè)計負荷下，220t／h的煤粉鍋爐兩開一備。在單臺氣化爐帶雙系統(tǒng)運行生產(chǎn)模式下，視后系統(tǒng)蒸汽使用情況，2臺煤粉鍋爐的負荷均控制在175～190t／h。

2.2 氣化工段

單臺氣化爐設(shè)計投煤量1500t／d，設(shè)計壓力6.5MPa。單臺氣化爐帶雙系統(tǒng)運行模式下，氣化爐負荷提至90%～95%，系統(tǒng)壓力保持在6.2MPa，氧煤比為485m3／m3左右，所產(chǎn)水煤氣中有效氣 （CO+H2）含量為79%、CH4含量為500×10-6、CO2含量為19%；同時，單臺氣化爐帶雙系統(tǒng)運行模式下，我們務(wù)必保證水煤漿濃度、粘度穩(wěn)定，以免影響水煤氣量而導(dǎo)致變換爐超溫。

2.3 變換工段

變換工段是單臺氣化爐帶雙系統(tǒng)運行模式下的關(guān)鍵操作工序，主要通過提高甲醇系統(tǒng)變換爐空速及降低甲醇系統(tǒng)變換爐入口溫度來維持甲醇變換催化劑床層溫度的穩(wěn)定，具體操作措施如下。

（1）甲醇變換系統(tǒng)接氣時，為保證甲醇變換催化劑床層有足夠的空速，以有效移出變換反應(yīng)熱，可先將甲醇系統(tǒng)變換爐調(diào)控CO含量的自動調(diào)節(jié)閥 （AV2001）關(guān)閉，以增大通過甲醇系統(tǒng)變換爐的水煤氣量，維持變換爐內(nèi)較高的空速，待變換爐催化劑床層溫度穩(wěn)定后再緩慢開啟AV2001，適當配入一定量的CO（實踐表明，在保證變換爐不超溫的前提下，適合本裝置的AV2001開度在10%左右）。

（2）要調(diào)節(jié)甲醇系統(tǒng)變換爐的入口溫度，可通過開大甲醇系統(tǒng)變換爐入口溫度調(diào)節(jié)閥（TV2003）及旁路閥，減少進入甲醇系統(tǒng)變換爐的水煤氣與出口變換氣的換熱量來達到降低變換爐入口溫度的目的，進而達到降低催化劑床層溫度的目的。

（3）甲醇系統(tǒng)變換爐入口溫度調(diào)節(jié)閥（TV2003）及旁路閥全開后，若爐溫仍然偏高或呈上漲趨勢，可逐漸關(guān)小水煤氣進入蒸汽過熱器／中溫換熱器 （E2002）的手動閥 （最小關(guān)至總閥位的1／5左右），減少進入 E2002的水煤氣量，降低變換爐入口溫度。

（4）甲醇系統(tǒng)變換爐下層催化劑超溫時，可通過微開激冷線閥 （TV2006）進行降溫，注意其開度不宜過大，以免造成變換爐上層催化劑床層空速過小而超溫。

（5）對于合成氨變換系統(tǒng)來說，由于所有水煤氣全部通過變換爐，空速較大，爐溫容易控制，因此水煤氣量要盡量加至甲醇變換系統(tǒng)，以提高甲醇變換系統(tǒng)的操作彈性。

截至投稿，單臺氣化爐帶雙系統(tǒng)運行在我公司已成功實踐多次，其與2臺氣化爐帶雙系統(tǒng)運行工況下變換系統(tǒng)主要運行參數(shù)的對比見表1。

表1 不同運行工況下變換系統(tǒng)主要運行參數(shù)的對比

3 不足之處

3.1 甲醇合成系統(tǒng)操作難度大

甲醇變換系統(tǒng)接氣后，為控制甲醇系統(tǒng)變換爐爐溫，首先，在一段操作時間內(nèi)CO含量自動調(diào)節(jié)副線閥 （AV2001）開度較小，變換工段出口氣體中CO含量降至10%左右 （正常值為20%）；其次，由于入甲醇變換系統(tǒng)的水煤氣量小，變換氣經(jīng)過低溫甲醇洗系統(tǒng)洗滌后，合成氣中CO2含量少，會導(dǎo)致甲醇合成系統(tǒng)入口新鮮氣氫碳比由正常的2.05～2.15升至4～5（見表2），入口新鮮氣氫碳比失調(diào)造成甲醇合成系統(tǒng)中H2累積和系統(tǒng)壓力升高，需間歇放空維持其運行。

表2 不同運行工況下的氣體指標

3.2 液氮洗工段及氮洗塔液位較難控制

單臺氣化爐高負荷運行時，整個合成氨系統(tǒng)壓力較高，液氮洗工段壓力最高達到5.9MPa左右，其與高壓氮氣 （6.1MPa）的壓差僅為0.2MPa左右，液氮洗工段的洗滌氮量變小，冷量減少，氮洗塔液位較難控制，需精心操作。

3.3 尿素系統(tǒng)未能實現(xiàn)連續(xù)造粒

單臺氣化爐帶甲醇系統(tǒng)、合成氨系統(tǒng)運行，為維持尿素系統(tǒng)造粒，我們采取了如下措施提高CO2解吸量：① 在保證甲醇變換催化劑床層不超溫的前提下，盡量增加氨合成系統(tǒng)的氣量，以增加進入低溫甲醇洗系統(tǒng)的CO2量；②調(diào)整進入甲醇洗滌塔Ⅰ （隸屬合成氨系統(tǒng)）和甲醇洗滌塔Ⅱ （隸屬甲醇系統(tǒng)）脫硫段的富甲醇流量，即在保證2臺主洗塔出口凈化氣中硫含量不超標的前提下，減少進入2臺主洗塔脫硫段的富甲醇流量，以增加進入CO2解吸塔的富CO2甲醇流量；③增加進CO2解吸塔循環(huán)氣閃蒸罐Ⅰ含硫富甲醇的流量，同時加大CO2解吸塔頂部回流富甲醇的流量，減少CO2解吸塔頂部富CO2甲醇進H2S濃縮塔的流量。

通過上述優(yōu)化調(diào)整，CO2解吸塔的解吸量得到提高，即提高了進尿素系統(tǒng)的原料CO2氣量，但由于各系統(tǒng)負荷平衡不確定性因素較多，如各車間操作人員業(yè)務(wù)水平、前后工段協(xié)調(diào)配合等問題，尿素系統(tǒng)仍然未能實現(xiàn)連續(xù)造粒。此外，CO2汽提法尿素裝置運行負荷需在70%以上的常規(guī)要求 （主要是為了保證CO2汽提塔的正常工作，否則會帶來一系列不良后果）也是制約單臺氣化爐帶甲醇系統(tǒng)、合成氨系統(tǒng)及尿素系統(tǒng)運行的重要因素。

4 取得的成效

實際生產(chǎn)中，若受形勢所迫，出現(xiàn)了單臺氣化爐帶甲醇系統(tǒng)、合成氨系統(tǒng)運行的情況，一般持續(xù)時間為幾個小時或者十幾個小時，最多不超過2d，生產(chǎn)條件具備了，就會恢復(fù)雙爐雙系統(tǒng)運行。單臺氣化爐帶甲醇系統(tǒng)、合成氨系統(tǒng)運行雖存在一些不足，但也取得了一定的成效，具體如下。

（1）該運行模式創(chuàng)新了生產(chǎn)操作，突破了工藝設(shè)計的限制，為600kt／a醇氨聯(lián)產(chǎn)裝置探索出了一種全新的運行模式，大大增加了系統(tǒng)調(diào)整的靈活性，提高了系統(tǒng)抗風險的能力。

（2）新疆地域環(huán)境特殊，冬季氣溫低，冬季停車裝置防凍工作異常艱難，而該運行模式下僅需1臺氣化爐即可維持雙系統(tǒng)的低負荷運行，從而可極大地減輕冬季全廠生產(chǎn)裝置防凍工作的難度。

（3）實踐表明，該運行模式可將系統(tǒng)中存在的問題提前暴露、提前處理，從而可縮短系統(tǒng)開車時間12～24h，并大大減少開停車過程中原料氣的放空，節(jié)能減排效益明顯。

5 結(jié)束語

綜上，單臺氣化爐帶甲醇、合成氨雙系統(tǒng)運行在我公司已成功實踐多次，雖然再帶尿素系統(tǒng)連續(xù)造粒的運行模式由于CO2氣量平衡方面的原因不太成功 （尿素系統(tǒng)未能實現(xiàn)連續(xù)造粒），但單臺氣化爐帶甲醇系統(tǒng)、合成氨系統(tǒng)及尿素系統(tǒng)的生產(chǎn)實踐還是為業(yè)內(nèi)提供了有益的參考與借鑒。關(guān)于此種生產(chǎn)模式下CO2氣量的平衡問題，仍有優(yōu)化提升的空間，也正是我們下一步努力的方向，相信在不久的將來，我們就會創(chuàng)出單臺氣化爐同時帶甲醇系統(tǒng)、合成氨系統(tǒng)和尿素系統(tǒng)運行的操作法。