單臺氣化爐帶甲醇、合成氨、尿素全系統(tǒng)運行的嘗試及優(yōu)化總結(jié)

李樂倫，李 娜，陳 祥

（1.兗礦新疆煤化工有限公司，新疆 烏魯木齊 830011；2.新疆大學，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引 言

兗礦新疆煤化工有限公司600kt／a醇氨聯(lián)產(chǎn)項目是兗礦集團在新疆啟動的第一個化工項目，項目以新疆當?shù)責熋簽樵希捎枚鄧娮焖簼{加壓氣化爐生產(chǎn)水煤氣，設(shè)計產(chǎn)能為300kt／a甲醇、300kt／a合成氨、520kt／a尿素。公司共5個生產(chǎn)車間——熱電車間、氣化車間、甲醇車間、尿素車間、給排水車間；2個輔助車間——電儀車間、維修車間。近兩年來，公司在先后嘗試單臺氣化爐帶合成氨、尿素系統(tǒng)運行，單臺氣化爐帶甲醇、合成氨雙系統(tǒng)運行實踐的基礎(chǔ)上，又進行了單臺氣化爐帶甲醇、合成氨、尿素全系統(tǒng)運行（簡稱單爐帶全系統(tǒng)運行）的實踐，并取得了成功。以下對單爐帶全系統(tǒng)運行的情況作一總結(jié)。

1 醇氨聯(lián)產(chǎn)項目工藝流程簡述

在多噴嘴水煤漿氣化爐內(nèi)，高壓氧氣和水煤漿發(fā)生氣化反應，生成主要成分為（CO＋H2）的粗煤氣，粗煤氣經(jīng)旋風分離器和水洗塔除塵洗滌后送至變換系統(tǒng)（變換系統(tǒng)分為甲醇變換系統(tǒng)和合成氨變換系統(tǒng)）。

合成氨變換系統(tǒng)將水煤氣中的CO全部轉(zhuǎn)變成H2，變換氣中的CO2和H2S等酸性氣通過低溫甲醇洗系統(tǒng)予以脫除后，凈化氣再送入液氮洗系統(tǒng)進行精制；配氮后的精制氣（通過粗配氮氣和細配氮氣使合成氣中的氫氮比達到3∶1）經(jīng)合成氣壓縮機升壓至14.5MPa后送入氨合成系統(tǒng)生產(chǎn)液氨，之后液氨與來自低溫甲醇洗再生系統(tǒng)的CO2氣經(jīng)壓縮后在CO2汽提法尿素裝置合成系統(tǒng)中合成尿素。

甲醇變換系統(tǒng)將水煤氣中的部分CO與水蒸氣反應生成H2和CO2，之后通過配碳、低溫甲醇洗，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)；甲醇合成系統(tǒng)采用華東理工大學的“管殼外冷-絕熱復合式固定床催化反應器”，2臺反應器并聯(lián)運行，合成系統(tǒng)壓力為5.0MPa；甲醇合成系統(tǒng)產(chǎn)出的粗甲醇，經(jīng)甲醇精餾系統(tǒng)精餾后，生產(chǎn)出符合美國AA級和《工業(yè)用甲醇》（GB338—2004）的精甲醇產(chǎn)品。

600kt／a醇氨聯(lián)產(chǎn)項目工藝流程見圖1。整套裝置生產(chǎn)過程中所需蒸汽源自熱電車間2臺鍋爐及各工段副產(chǎn)蒸汽。

2 單爐帶全系統(tǒng)運行的實施背景

2.1 實施背景

2017年9月，系統(tǒng)計劃檢修結(jié)束后，甲醇變換催化劑和甲醇合成催化劑均需硫化及還原，在僅有1臺氣化爐具備投用條件的情況下，實施了單爐先帶合成氨系統(tǒng)運行自產(chǎn)H2用以還原催化劑，隨后首次創(chuàng)新性地實現(xiàn)單爐帶甲醇、合成氨雙系統(tǒng)運行模式的生產(chǎn)實踐，并在此模式下低負荷穩(wěn)定運行了96h，運行過程中各項工藝指標正常，液氨產(chǎn)量約22t／h，粗醇產(chǎn)量約24t／h，各催化劑床層熱點溫度平穩(wěn)，均在可控范圍之內(nèi)；后期又經(jīng)過繼續(xù)嘗試及運行發(fā)現(xiàn)，還可以先用單臺氣化爐帶甲醇、合成氨雙系統(tǒng)運行，以盡可能提前打通工藝流程，待第2臺氣化爐投料后，迅速并氣加量，從而節(jié)約開車時間，避免大量原料氣放空損失及其他消耗。

圖1 600kt／a醇氨聯(lián)產(chǎn)項目工藝流程框圖

2018年初雙爐雙系統(tǒng)（合成氨、甲醇系統(tǒng)）運行時，其中1臺氣化爐工況惡化需緊急停車，備用氣化爐烘爐初期無法實現(xiàn)在線倒爐，生產(chǎn)系統(tǒng)面臨停車問題，而當時正處于冬季嚴寒時期，若系統(tǒng)停車，防凍問題難以應對，考慮到醇氨聯(lián)產(chǎn)裝置已經(jīng)有之前的單爐帶甲醇、合成氨雙系統(tǒng)運行的經(jīng)驗且液氨庫存充足，公司決定在此基礎(chǔ)上嘗試維持尿素系統(tǒng)運行，即實施單爐帶全系統(tǒng)運行，一則可以避免尿素系統(tǒng)停車造成的人力、財力、物力消耗，二則可以避免嚴冬季節(jié)尿素系統(tǒng)停車繁雜的防凍工作和一些不必要的損失。

2.2 催化劑使用情況

單爐帶甲醇、合成氨雙系統(tǒng)運行時，水煤氣總量低且有限，那么按一定比例分配至甲醇變換系統(tǒng)和合成氨變換系統(tǒng)的水煤氣量就很低，要維持甲醇合成系統(tǒng)、氨合成系統(tǒng)的低負荷運行，就需確保（甲醇、合成氨系統(tǒng)）變換催化劑、甲醇合成催化劑，特別是甲醇變換催化劑不超溫。之前的生產(chǎn)實踐表明，通過氣量平衡手段，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。

此次準備嘗試單爐帶全系統(tǒng)運行時，變換催化劑裝填及使用情況如下：甲醇系統(tǒng)變換爐裝填寬溫耐硫變換催化劑51.5m3，使用時間為5個月，為催化劑使用初期；中溫（氨）變換爐裝填催化劑55.7m3，使用時間為3年5個月，低溫（氨）變換爐裝填寬溫耐硫變換催化劑40.6m3，使用時間為5年2個月，從CO變換率和催化劑床層熱點溫度觀察，2爐（氨）變換催化劑處于使用后期。

3 調(diào)控措施

關(guān)于單爐帶甲醇、合成氨雙系統(tǒng)低負荷運行實踐的實施過程、調(diào)控措施及注意事項等在筆者等人曾撰寫的《單臺氣化爐帶甲醇、合成氨雙系統(tǒng)運行總結(jié)》一文中已有詳細闡述，此處僅作簡要總結(jié)。實現(xiàn)單臺氣化爐帶甲醇、合成氨雙系統(tǒng)運行，一是要確保催化劑床層不超溫，即氣化工段、甲醇凈化工段、甲醇合成工段及合成氨系統(tǒng)需緊密配合，調(diào)度嚴格把控進度節(jié)點，統(tǒng)一指揮、協(xié)調(diào)；二是導氣過程中必須合理分工、恰當安排，合成氨系統(tǒng)保量防止合成氣氣量大幅波動，甲醇變換系統(tǒng)保壓，兩系統(tǒng)密切配合，放緩導氣進度，確保平穩(wěn)操作；三是當氣化爐負荷達96%、氣化系統(tǒng)壓力達6.3MPa、煤漿泵轉(zhuǎn)速達997r／min（逼近設(shè)計最高轉(zhuǎn)速）時，具有高風險性，需嚴格按照方案進行精細操作，并做好應急安排。

在實現(xiàn)單爐帶甲醇、合成氨雙系統(tǒng)運行后，低溫甲醇洗系統(tǒng)低負荷運行時，若CO2解吸量不足，勢必會造成CO2壓縮機頻繁喘振，無法實現(xiàn)尿素系統(tǒng)的低負荷運行?？梢?，尿素系統(tǒng)能否持續(xù)運行的瓶頸在于CO2氣量。故此次嘗試單爐帶全系統(tǒng)運行的主要任務就是解決CO2氣量的問題，即通過各種優(yōu)化手段實現(xiàn)尿素系統(tǒng)的低負荷運行。

3.1 CO2氣量的調(diào)控措施

（1）提高氣化爐負荷（以氣化爐燃燒室的壓力計），使之在6.3MPa負荷下穩(wěn)定運行，優(yōu)化氣化爐操作，增加水煤氣產(chǎn)量及有效氣含量。

（2）在確保甲醇系統(tǒng)催化劑床層不超溫的前提下，盡量將水煤氣量分配至合成氨系統(tǒng)，以使全變換反應產(chǎn)出較多的CO2進入低溫甲醇洗系統(tǒng)，從而增加CO2解吸量。

（3）調(diào)整進入合成氨系統(tǒng)甲醇洗滌塔（T3001Ⅰ）和甲醇系統(tǒng)甲醇洗滌塔（T3001Ⅱ）脫硫段的富甲醇量，在保證2臺主洗塔出口凈化氣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量，以增加富CO2甲醇進入CO2解吸塔的量。

（4）增加循環(huán)氣閃蒸罐Ⅰ含硫富甲醇進CO2解吸塔的量，同時加大CO2解吸塔頂部回流富甲醇的量，減少CO2解吸塔頂部富CO2甲醇進H2S濃縮塔的量，以增加CO2解吸量。

采取上述調(diào)控措施后，CO2解吸量可得到有效增加，使后系統(tǒng)CO2流量達到17000m3／h，并且CO2放空閥還有4～5個閥位，再通過CO2壓縮機的調(diào)控，尿素產(chǎn)量可達23～28t／h。

3.2 CO2壓縮機的調(diào)控措施

在1臺氣化爐準備停爐開始進行變換系統(tǒng)前放空時，CO2氣量會由28000m3／h逐漸減到18000m3／h，為防止CO2壓縮機出現(xiàn)喘振，需對CO2壓縮機進行調(diào)控，具體調(diào)節(jié)手段如下：CO2壓縮機一段防喘振閥開度由82%增至100%，二段防喘振閥開度由0%增至50%，三段防喘振閥開度由0%增至45%，CO2壓縮機轉(zhuǎn)速由8510r／min調(diào)至8300r／min，CO2壓縮機一段入口壓力由0.130MPa降至0.127MPa，防腐空氣的加入量由730m3／h降至560m3／h，并監(jiān)控CO2壓縮機的其他各項運行指標。

3.3 尿素合成工段的調(diào)控措施

尿素合成工段根據(jù)CO2氣量調(diào)節(jié)相應的工藝指標：調(diào)度通知氨合成工段大幅減少輸氨量，及時調(diào)節(jié)輸氨泵出口壓力，將進尿素合成工段液氨量由38.5t／h減至27t／h；尿素控制室人員調(diào)節(jié)入高壓圈的甲銨液量，由36m3／h減至24m3／h；低壓汽包壓力由0.37MPa增至0.45MPa，蒸發(fā)量由85m3／h降至56m3／h，解吸水解系統(tǒng)據(jù)管網(wǎng)蒸汽用量減到最低運行負荷19m3／h。

4 單爐帶全系統(tǒng)運行的注意事項

（1）氣化水煤漿濃度較低（水煤漿濃度56%）、氣化爐負荷高且調(diào)整幅度大時，會出現(xiàn)爐膛壓力與負荷不匹配的問題，若調(diào)節(jié)不及時有可能造成氣化爐爐膛溫度相較于正常工況偏低，從而導致渣口壓差上漲、排渣不暢，時間長了可能出現(xiàn)堵渣現(xiàn)象。因此，當氣化水煤漿濃度較低（水煤漿濃度56%）、氣化爐負荷高且調(diào)整幅度大時，相應的調(diào)節(jié)一定要及時跟進。

（2）在水煤氣平衡分配的過程中，由于要兼顧合成氨系統(tǒng)低負荷下的穩(wěn)定運行，如此一來進入甲醇系統(tǒng)變換爐的水煤氣量就會不足，甲醇變換系統(tǒng)的空速低，易造成甲醇變換催化劑床層超溫。因此，操作過程中要充分利用甲醇變換新催化劑低溫活性好和激冷線的調(diào)溫作用，將進入甲醇系統(tǒng)變換爐水煤氣的溫度控制在其露點之上（250℃左右），從而實現(xiàn)甲醇系統(tǒng)變換爐催化劑床層溫度的有效控制。

（3）單爐帶全系統(tǒng)運行時，進入甲醇變換系統(tǒng)的水煤氣量少，而生產(chǎn)中不但要控制好甲醇系統(tǒng)變換爐的爐溫，還需考慮出甲醇變換系統(tǒng)變換氣的氫碳比要求。因此，操作中在滿足甲醇系統(tǒng)變換爐床層溫升可控的情況下應盡量滿足變換氣的氫碳比要求，防止由于變換氣中CO2含量過高而增加低溫甲醇洗系統(tǒng)的負荷，以及甲醇合成氣有效成分過低影響甲醇合成催化劑的還原深度而導致能耗增加。

（4）單臺氣化爐高負荷運行時，2套系統(tǒng)（甲醇、合成氨系統(tǒng)）的壓力較高，尤其是液氮洗工段，系統(tǒng)壓力最高達到5.9MPa左右，與高壓氮氣（6.1MPa）壓差僅有0.2MPa左右，液氮洗工段的洗滌氮量變少，產(chǎn)生的冷量減少，氮洗塔液位較難控制，需精心操作。

5 結(jié)束語

在單臺氣化爐帶甲醇、合成氨雙系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)上，兗礦新疆煤化工有限公司又實現(xiàn)了單臺氣化爐帶全系統(tǒng)（甲醇系統(tǒng)、合成氨系統(tǒng)、尿素系統(tǒng)）運行，為600kt／a醇氨聯(lián)產(chǎn)項目開辟出了一種全新的運行模式，增加了系統(tǒng)調(diào)節(jié)的靈活性，增強了生產(chǎn)系統(tǒng)抗風險的能力。

兗礦新疆煤化工有限公司所處地域——新疆，具有特殊的地域環(huán)境，冬季氣溫極低，冬季停車時裝置的防凍工作異常艱難，而所開創(chuàng)的單爐帶全系統(tǒng)運行的生產(chǎn)模式可在氣化系統(tǒng)異常時僅用1臺氣化爐維持全系統(tǒng)的低負荷運轉(zhuǎn)，從而極大地降低冬季全廠生產(chǎn)系統(tǒng)防凍工作的難度，可為同類型化工企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)運行方式的調(diào)整提供一點參考與借鑒。