煤制氫氨裝置燃料消耗高原因分析與處理

黃哲

（中國(guó)石化巴陵分公司，湖南岳陽(yáng)414003）

中國(guó)石化巴陵分公司煤制氫氨裝置采用殼牌粉煤氣化技術(shù)，以煤為主要生產(chǎn)原料，生產(chǎn)無(wú)水液氨和氫氣。煤氣化裝置設(shè)置一臺(tái)日投煤量為0.2萬(wàn)t級(jí)粉煤氣化爐，合成氨產(chǎn)能為43 萬(wàn)t/a，氫氣產(chǎn)能為5 萬(wàn)t/a。主要生產(chǎn)單元包括原料煤的混配、磨煤與干燥、粉煤氣化與粗煤氣的預(yù)處理、凈化、粗氫氣提純、氨合成以及配套的公用工程系統(tǒng)等。

隨著裝置產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的調(diào)整，外供氫氣量逐步增加、合成氨負(fù)荷下降，導(dǎo)致煤制氫氨裝置燃料消耗量呈逐年上升趨勢(shì)，裝置生產(chǎn)成本增加，一定程度上影響了裝置整體競(jìng)爭(zhēng)力。系統(tǒng)分析裝置各燃料氣用戶，針對(duì)性地提出了優(yōu)化控制措施，徹底解決了裝置燃料消耗高的問(wèn)題，提高了裝置經(jīng)濟(jì)性，提升了產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。

1 燃料氣及相關(guān)管網(wǎng)流程

煤制氫氨裝置燃料氣包括外供的液化石油氣以及裝置副產(chǎn)的馳放氣，主要為煤氣化及火炬焚燒單元提供所需的燃料，其流程見圖1。

1.1 液化石油氣管網(wǎng)

煤制氫氨裝置所需燃料為液化石油氣，來(lái)自于內(nèi)部?jī)?chǔ)運(yùn)系統(tǒng)液化石油氣罐區(qū)，管輸進(jìn)入液化石油氣管網(wǎng)，再分別送入火炬界區(qū)的工藝、氨酸火炬的長(zhǎng)明燈、火炬頭燃燒場(chǎng)的伴燒氣管路、氣化磨煤干燥單元的長(zhǎng)明燈及伴燒氣管路。液化石油氣管路沿線均采用保溫加蒸汽伴熱措施，同時(shí)在進(jìn)入各界區(qū)后經(jīng)蒸汽氣化后送入各液化石油氣燒嘴，各單元設(shè)施管路均設(shè)置單獨(dú)的流量計(jì)量器具。

液化石油氣作為氣化磨煤干燥、火炬焚燒單元的主要燃料氣，控制入爐煤水分達(dá)標(biāo)、保障火炬長(zhǎng)明燈運(yùn)行正常以及燃燒場(chǎng)燃燒充分。磨煤及火炬焚燒單元均設(shè)有溫度補(bǔ)償線，當(dāng)?shù)陀谠O(shè)定的控制溫度時(shí)，則自動(dòng)補(bǔ)加伴燒液化石油氣，達(dá)到提高火炬燃場(chǎng)及磨煤?jiǎn)卧h(huán)氣溫度的目的。

1.2 馳放氣管網(wǎng)

該裝置氨合成單元設(shè)有一套普利森馳放氣回收系統(tǒng)，非滲透氣作為馳放氣送入馳放氣管網(wǎng)，替代部分伴燒液化石油氣。

圖1 煤制氫氨裝置燃料氣流程

為控制氨合成塔中惰性氣體（甲烷及氬氣）含量穩(wěn)定，需要從合成塔循環(huán)氣中馳放掉一部分含氫（約65%）、甲烷等組分的合成氣。放出的合成氣先經(jīng)過(guò)一套普利森膜回收設(shè)施，將合成氣中氫氣回收至合成回路大系統(tǒng)內(nèi)，殼側(cè)非滲透氣送入馳放氣管網(wǎng)，用作磨煤干燥、火炬焚燒單元的伴燒補(bǔ)充氣，確保磨煤?jiǎn)卧霠t煤水分、火炬燃燒場(chǎng)溫度及環(huán)保需求。

氨合成塔通過(guò)馳放出循環(huán)氣中一部分氣體，達(dá)到控制合成塔入口合成氣中的惰氣含量即甲烷含量在6%～8%之間，馳放氣的流量與氨合成回路產(chǎn)氨負(fù)荷相匹配。

2 液化石油氣使用情況及存在的問(wèn)題

液化石油氣主要供給公用工程部分的火炬焚燒單元、氣化磨煤及干燥單元使用。公用工程部分火炬焚燒單元液化石油氣消耗包括工藝及氨酸火炬長(zhǎng)明燈、工藝及氨酸火炬伴燒，其中工藝及氨酸火炬長(zhǎng)明燈各一個(gè)，總耗氣量約14 kg/h。氨酸火炬燃燒場(chǎng)溫度主要通過(guò)馳放氣進(jìn)行伴燒，當(dāng)馳放氣流量不足時(shí)增加液化石油氣伴燒。受上游用戶放空氣量及伴燒馳放氣流量以及外界環(huán)境等影響，液化石油氣耗量波動(dòng)較大，一般為0 ～100 kg/h，短時(shí)間最大達(dá)300 kg/h以上。工藝火炬日常生產(chǎn)期間無(wú)放空氣，伴燒氣無(wú)消耗。

磨煤及干燥單元液化石油氣消耗主要為惰氣爐長(zhǎng)明燈與伴燒。正常生產(chǎn)期間投用一盞長(zhǎng)明燈，長(zhǎng)明燈耗氣約10 kg/h，消耗量較穩(wěn)定。惰氣爐設(shè)置一路液化石油氣伴燒及一路馳放氣伴燒，正常液化石油氣消耗量為50 ～500 kg/h。惰氣爐伴燒液化石油氣消耗量受煤種水分、環(huán)境溫度及馳放氣總量影響，波動(dòng)較頻繁。

2017年8月至2018年4月，裝置在運(yùn)行過(guò)程中受諸多因素影響，造成液化石油氣月度消耗偏離年度消耗定值（10.000 kg/m3），最高達(dá)26.031 kg/m3，裝置消耗明顯增加。

3 液化石油氣消耗高的原因分析

根據(jù)液化石油氣在煤制氫氨裝置中的作用，對(duì)裝置全流程各消耗點(diǎn)進(jìn)行分析。

3.1 火炬焚燒單元消耗

火炬焚燒單元設(shè)有工藝、氨酸兩路火炬，其中工藝火炬處理事故狀態(tài)下的工藝系統(tǒng)放空氣，氨酸火炬處理氣化、凈化裝置的冷凝液處理汽提塔尾氣。原始設(shè)計(jì)中主要燃料氣為液化石油氣，后續(xù)裝置技術(shù)改進(jìn)過(guò)程中將氨合成回路產(chǎn)生的高熱值馳放氣引入火炬焚燒單元，與放空氣混合進(jìn)入氨酸火炬進(jìn)行焚燒。

為了保證異常狀態(tài)下火炬放空氣燃燒完全，在工藝及氨酸火炬管路上均設(shè)置有一路液化石油氣伴燒控制回路，當(dāng)火炬頭燃燒場(chǎng)溫度低于150℃時(shí)，聯(lián)鎖啟動(dòng)，控制液化石油氣伴燒閥打開，通過(guò)液化石油氣補(bǔ)償來(lái)保證燃燒場(chǎng)溫度≥200℃。

2017年5月裝置大修開車后，外界氫氣需求增加，造成氨合成回路弛放氣量減少引起氨酸火炬液化石油氣伴燒閥開度較大，液化石油氣消耗量在100 kg/h 以上，偶爾增長(zhǎng)至300 kg/h。同時(shí)在日?？刂七^(guò)程中，為防止燃燒場(chǎng)溫度過(guò)低，造成燃燒不充分引發(fā)環(huán)境污染，操作人員將燃燒場(chǎng)溫度控制過(guò)高。溫度控制過(guò)高也是造成氨酸火炬液化石油氣消耗高的原因之一。

3.2 氣化磨煤干燥單元消耗

氣化磨煤干燥單元作為氣化爐入爐煤水分的關(guān)鍵控制單元，通過(guò)投加燃料氣焚燒產(chǎn)生的熱量將原煤中水含量（外水＋內(nèi)水）降至入爐煤指標(biāo)范圍內(nèi)（＜2%）。磨煤干燥單元燃料氣主要為液化石油氣，氨合成回路產(chǎn)生的高熱值馳放氣也作為輔助燃料氣送入惰氣爐進(jìn)行伴燒。

2017年5月大檢修后，煤制氫氨裝置負(fù)荷維持在93%以上，氣化裝置原料煤日消耗量為0.21 萬(wàn)t以上，全部需要經(jīng)磨煤及干燥單元，通過(guò)馳放氣及液化石油氣進(jìn)行加熱后達(dá)到降低入爐煤水分的要求。因外供氫氣量增加，氨合成回路產(chǎn)量下降，馳放氣量相應(yīng)減少，送入磨煤?jiǎn)卧母邿嶂雕Y放氣同步減少，為保障磨煤?jiǎn)卧婷盒Ч柙龃笠夯蜌庥昧?。同時(shí)近期原料煤水分較高，部分煤種水分含量達(dá)17%，混配后原煤水分基本在11%左右，較歷史同期高近1%，原煤水含量高引起烘煤過(guò)程消耗的燃料氣總量增加。

負(fù)荷變化、馳放氣量減少以及煤種水分高均是引起磨煤?jiǎn)卧夯蜌庀脑黾拥脑颉?/p>

4 改進(jìn)措施

針對(duì)上述引起裝置液化石油氣消耗高的原因，分別從系統(tǒng)集成優(yōu)化、工藝關(guān)鍵點(diǎn)控制、原料煤管控等方面采取措施，達(dá)到降低裝置消耗的目的。

4.1 系統(tǒng)集成優(yōu)化，利用高熱值馳放氣部分替代液化石油氣

氨合成回路放掉的部分合成氣經(jīng)普利森膜回收有效氫氣后，外排至燃料管網(wǎng)的馳放氣中氫氣含量約42%、甲烷含量約16%、氮?dú)饧捌渌铓夂考s42%。根據(jù)混合氣體熱值計(jì)算公式[1]，測(cè)算該裝置馳放氣所對(duì)應(yīng)的理論燃燒熱值為11.72 MJ/m3。目前裝置所使用的液化石油氣理論熱值為47 MJ/kg。

通過(guò)對(duì)合成回路馳放氣熱值與液化石油氣燃燒熱值進(jìn)行等價(jià)值的理論核算，以所需要的熱量為基準(zhǔn)，結(jié)合當(dāng)前公司結(jié)算價(jià)格體系進(jìn)行測(cè)算，使用液化石油氣產(chǎn)生的費(fèi)用明顯高于使用馳放氣產(chǎn)生的費(fèi)用。通過(guò)理論測(cè)算，使用高熱值馳放氣替代液化石油氣從經(jīng)濟(jì)性方面完全可行。

考慮到氨合成回路的內(nèi)部平衡，無(wú)限量的增大馳放氣流量，會(huì)造成系統(tǒng)內(nèi)甲烷含量降低，引起馳放氣熱值變化。需要根據(jù)各裝置特點(diǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中跟蹤測(cè)算，確定最終替代量。

4.2 工藝關(guān)鍵點(diǎn)控制

1）火炬焚燒單元的優(yōu)化控制

火炬燃燒場(chǎng)溫度過(guò)低，易造成排放氣焚燒不徹底，污染物排放超標(biāo)，引起環(huán)保事故。操作過(guò)程中，為了提高燃燒場(chǎng)溫度，可通過(guò)開大液化石油氣伴燒以及加大馳放氣流量來(lái)實(shí)現(xiàn)。

經(jīng)過(guò)理論測(cè)算驗(yàn)證，逐步實(shí)施馳放氣替代試驗(yàn)，將氨合成回路馳放氣流量提高約200 m3/h，液化石油氣伴燒控制閥可完全關(guān)閉，且可完全滿足氨酸火炬的燃燒場(chǎng)要求，年平均節(jié)約液化石油氣量50 kg/h以上。

將氨酸火炬燃燒場(chǎng)溫度控制范圍進(jìn)一步優(yōu)化，通過(guò)逐步降低至火炬單元馳放氣伴燒量，將燃場(chǎng)溫度控制范圍由調(diào)整前的250℃以上逐步縮小至200 ～220℃。精確控制燃燒場(chǎng)溫度，避免了至火炬單元馳放氣放空過(guò)大引起的浪費(fèi)，同時(shí)可增加至磨煤干燥單元馳放氣流量，燃場(chǎng)溫度控制降低約50℃，相當(dāng)于節(jié)省液化石油氣消耗10 kg/h。

2）磨煤干燥單元的優(yōu)化控制

磨煤干燥單元通過(guò)燃燒燃料氣將原煤中水含量控制在入爐煤指標(biāo)范圍內(nèi)（＜2%），在以往的操作過(guò)程中，將液化石油氣作為主要燃料來(lái)保障惰氣爐燃燒溫度，馳放氣作為輔助手段進(jìn)行微調(diào)。經(jīng)過(guò)上下游協(xié)同調(diào)整，進(jìn)一步開展磨煤系統(tǒng)馳放氣替代試驗(yàn)。逐步加大合成回路馳放氣量，將原經(jīng)放空至火炬焚燒單元的馳放氣引入磨煤?jiǎn)卧鳛橹饕{(diào)控手段，通過(guò)加大磨煤?jiǎn)卧鸟Y放氣用量，逐步取代原伴燒用液化石油氣用量。試驗(yàn)證明，增大磨煤?jiǎn)卧诜艢饬髁考s300 m3/h，可節(jié)省液化石油氣用量約70 kg/h。

4.3 原料煤管控

原料煤通過(guò)磨煤干燥后，將原煤中水含量降低至2%以內(nèi)，達(dá)到氣化爐入爐煤水分指標(biāo)。原料煤水含量受煤種產(chǎn)地、原煤運(yùn)輸?shù)扔绊?，造成各煤種中水分波動(dòng)大。通過(guò)多煤種試驗(yàn)，進(jìn)行多元配方調(diào)配，尋找開發(fā)更多適合氣化爐使用的新煤種，同時(shí)加強(qiáng)運(yùn)輸過(guò)程中的防水管理，避免外界因素引起的煤種水分波動(dòng)。

5 實(shí)施效果

火炬焚燒單元通過(guò)實(shí)施將馳放氣替代液化石油氣伴燒，合成回路馳放氣量由之前的0.82萬(wàn)m3/h提高至0.88 萬(wàn)m3/h，達(dá)到停運(yùn)火炬焚燒單元液化石油氣伴燒，降低磨煤干燥單元液化石油氣用量的目的，也實(shí)現(xiàn)了裝置的安全、環(huán)保、高負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)加強(qiáng)原料煤水分的管控，采用多煤種試燒，開發(fā)新煤種配方等，選用適合氣化爐使用且水含量較低的煤種，降低了烘煤過(guò)程中的液化石油氣消耗。

煤制氫氨裝置各用戶液化石油氣消耗明顯下降，液化石油氣單耗由調(diào)整之前的19.7 kg/m3下降至10 kg/m3以內(nèi)，詳見表1。

表1 改進(jìn)前后煤氣化—合成氨裝置液化石油氣消耗對(duì)比

以煤氣化裝置有效氣負(fù)荷95%計(jì)算，液化石油氣單耗降低9.7 kg/m3，月度可節(jié)省液化石油氣量約95 t。液化石油氣價(jià)格以3 800元/t計(jì)算，月度可降耗約36萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

6 結(jié)論

煤制氫氨裝置燃料液化石油氣消耗高的原因較多，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，輔以理論測(cè)算，針對(duì)運(yùn)行過(guò)程中因生產(chǎn)工藝、裝置負(fù)荷、原料變化等因素進(jìn)行了分析與排查，通過(guò)集成優(yōu)化、優(yōu)化工藝控制以及過(guò)程管控，解決了液化氣消耗高問(wèn)題。

優(yōu)化混配煤方案、開發(fā)新煤種配方等，選用適合該裝置氣化爐且水含量較低的煤種，有利于降低裝置能耗、物耗。利用馳放氣替代液化石油氣作燃料，降低了液化石油氣消耗，為裝置進(jìn)一步節(jié)能降耗提供了保障，也為國(guó)內(nèi)同類型裝置降低燃料氣消耗提供了運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。