焦爐煤氣制甲醇工藝ASPEN 動態(tài)模擬

鄭泥泥

（山西興新安全生產(chǎn)技術(shù)服務有限公司，山西 太原 030024）

焦爐煤氣制甲醇為企業(yè)回收廢棄的焦爐煤氣，不僅減少對環(huán)境的污染，而且還直接為企業(yè)增加經(jīng)濟效益。針對焦爐煤氣制甲醇工藝具有高溫高壓、易燃易爆的危險特性，一旦發(fā)生事故將造成不可估量的后果。目前，大多數(shù)企業(yè)焦爐煤氣制備甲醇的裝置及工藝研究存在的問題主要為聯(lián)鎖設計不合理、聯(lián)鎖保護欠缺以及投用率過低等。本文針對焦爐煤氣制備甲醇的裝置及工藝的特點，基于ASPEN 軟件對其工藝進行模擬，為規(guī)范企業(yè)針對焦爐煤氣制備甲醇工藝、儀器、裝置的管理提供參考和依據(jù)[1]。

1 焦爐煤氣制備甲醇工藝概述

所謂焦爐煤氣制備甲醇指的是以焦爐煤氣作為原材料，將其進行脫硫處理后，通過在反應爐中加入一定類型的催化劑并將其設定在一定的溫度和壓力下制備出合格的甲醇。在實際生產(chǎn)中進入焦爐煤氣壓縮機的原材料需經(jīng)過脫硫，并經(jīng)過進汽水封的濕式螺旋氣柜緩沖等處理；一般情況，焦爐煤氣壓縮機需經(jīng)歷四段壓縮機，并保證進入精脫硫處理的焦爐煤氣的壓力為2.5 MPa，溫度為40 ℃。轉(zhuǎn)化爐內(nèi)經(jīng)精脫硫處理后的焦爐煤氣與蒸汽充分混合并預熱后的氣體，在此階段燃燒溫度可達到1 100℃～1 300℃，經(jīng)脫硫分液、脫氯處理后的氣體送入合成壓縮機；在合成單元合成產(chǎn)物通過氣液分離得到粗甲醇，粗甲醇經(jīng)過三塔精餾工藝送入預精餾塔中得到精甲醇產(chǎn)品[2]。

2 焦爐煤氣制甲醇工藝的動態(tài)模擬研究

本節(jié)重點對焦爐煤氣制甲醇工藝進行動態(tài)模擬研究，為解決當前焦爐煤氣制備甲醇裝置及工藝的聯(lián)鎖設計不合理、聯(lián)鎖保護欠缺提供理論支撐，最終得出最為合理的聯(lián)鎖值和響應時間。重點動態(tài)模擬的內(nèi)容包括有轉(zhuǎn)化工段流程、合成工段流程以及各個回路聯(lián)鎖設定值和響應值等[3]。

2.1 轉(zhuǎn)化工段的動態(tài)模擬流程

本工段的預熱爐燃燒室采用RGibbs 絕熱反應器。結(jié)合相關理論研究，焦爐煤氣與氧氣進行充分燃燒反應時其引燃溫度可達609℃，其中主要參與反應的氣體包括H2、CO、CH4、C2H6和C3H8；同時，在此次模擬中對反應中的析炭反應忽略不計。其他動態(tài)模擬的參數(shù)設置如下：

將焦氧比例設置為0.223，焦爐煤氣與蒸汽充分混合后進入反應爐中，溫度設定為650℃，將氧氣與蒸汽充分混合進入反應爐中的溫度設定為123℃?？紤]到在實際反應中存在一定的熱損失，結(jié)合相關理論研究該熱損失值為4 759.4 kW，且對應的壓力損失值為0.1 MPa。上述動態(tài)模擬的計算模型包括有HeatX 和Flash2 兩個模塊，經(jīng)模擬可知，轉(zhuǎn)化工段需要的補水量為25.6 t/h，對應所產(chǎn)生的汽包的壓力值為2.6 MPa，溫度為225℃，最終達到的排污量為4.9 t/h。

2.2 合成工段的動態(tài)模擬流程

經(jīng)過轉(zhuǎn)化工段的焦爐煤氣在二級冷卻、氣液分離以及過濾處理后的氣體進入二段壓縮機，期間設定的二級冷卻器的溫度為40 ℃；經(jīng)二級壓縮機壓縮后的氣體在三段壓縮機的作用后壓力升至6 MPa，并在反應器的作用下將其溫度換熱至220 ℃。上述處理后的氣體最終進入甲醇合成塔中實現(xiàn)粗甲醇的制備[4]。

合成工段的動態(tài)模擬參數(shù)設置如下：將鍋爐給水的壓力設定為2.75 MPa，合成塔的溫度設定為245 ℃，鍋爐給水的流量設定為13 t/h。

2.3 各回路聯(lián)鎖設定值與響應時間的模擬結(jié)果

2.3.1 轉(zhuǎn)化爐相關聯(lián)鎖動態(tài)模擬

結(jié)合實際生產(chǎn)工況，可將轉(zhuǎn)化爐對應的聯(lián)鎖反應設定為兩種工況，包括有焦爐煤氣流量不變，氧氣流量上升的工況（工況一）；焦爐煤氣流量下降，氧氣流量不變的工況（工況二）。

工況一：在焦爐煤氣流量不變，氧氣流量上升工況的仿真結(jié)果如圖1 所示。

圖1 工況一仿真結(jié)果

如圖1 所示，當工況一的氧氣流量上升時，對應的焦氧體積比下降，容易導致催化劑失效。因此，單純考慮轉(zhuǎn)化率催化劑的活性溫度為1 300℃，應將焦氧體積比設定為大于3.5。同時，由于氧氣流量的上升，存在爆炸的風險。

工況二：爐煤氣流量下降，氧氣流量不變工況的仿真結(jié)果如圖2 所示。

圖2 工況二仿真結(jié)果

如圖2 所示，在此工況下氧氣濃度與焦氧體積比之間的關系明顯，即，氧氣濃度隨焦氧體積比的變化相對明顯。通過仿真可知，當焦氧體積比達到2.1時對應催化劑的活性已經(jīng)失效。因此，將工況二中轉(zhuǎn)化率的焦氧體積比設定為大于2.1。

同時，正常工況下對應轉(zhuǎn)化爐中的焦氧體積比為4.5。綜上所述，應將轉(zhuǎn)化爐焦氧體積比設定在3.5～4.5。

2.3.2 預熱爐相關聯(lián)鎖動態(tài)模擬

結(jié)合實際生產(chǎn)工況，預熱爐在實際生產(chǎn)中容易出現(xiàn)燃料壓力過低導致加熱爐熄火，工作人員進行再次點火時容易發(fā)生閃爆的事故，從而造成極大的人員傷亡[5]。此外，當預熱爐中空氣的流量過低時，容易導致相關裝置的反應停止，也容易引起爐膛的閃爆事故。

針對預熱爐燃料壓力過低的工況，本次動態(tài)模型通過切斷進爐燃料的流率模擬實際生產(chǎn)中壓力過低的工況，并得出如圖3 所示的動態(tài)模擬曲線。

圖3 壓力過低對應的動態(tài)模擬曲線

如圖3 所示，當切斷燃燒室的燃料的進爐速率后80 s 內(nèi)氧氣濃度上升，說明燃燒爐在80 s 發(fā)生熄火。在此種情況，如果通過燃料極易發(fā)生爐膛閃爆的風險。

針對預熱爐內(nèi)空氣流量過低的工況，通過切斷空氣進入預熱爐對其進行模擬，并得出如圖4 所示的動態(tài)模擬曲線。

圖4 空氣流量過低對應的動態(tài)模擬曲線

如圖4 所示，當預熱爐內(nèi)的空氣切斷180 s 后其中甲烷的含量明顯增加，此時若通過一定量的空氣極易導致爐膛閃爆的風險。

3 結(jié)語

焦爐煤氣制備甲醇為當前工業(yè)生產(chǎn)中對焦爐煤氣再利用的主要途徑，不僅會減少焦爐煤氣制備排放對環(huán)境造成的污染，而且還會間接地為企業(yè)帶來一定的經(jīng)濟收益。但是，在當前焦爐煤氣制備甲醇的裝置和工藝中存在聯(lián)鎖設計不合理、聯(lián)鎖保護欠缺的問題。為此，本文開展焦爐煤氣制備甲醇工藝的動態(tài)模擬，旨在為焦爐煤氣制備甲醇工藝和裝置的改進提供參考，并重點對轉(zhuǎn)化爐和余熱爐的動態(tài)模擬進行研究，并總結(jié)如下：

1）針對轉(zhuǎn)化爐焦氧比，綜合考慮催化劑活性將其焦氧比的聯(lián)鎖值設定在3.5～4.5；

2）針對預熱爐空氣流量過低和燃料壓力過低的問題，得出燃料壓力過低80 s 后爐內(nèi)發(fā)生熄火，空氣流量過低180 s 爐內(nèi)甲烷濃度升高。