粉煤熱解分餾系統(tǒng)主要工藝和控制

常 娟，李慧杰，樊 花，童澤明

(陜煤集團榆林化學(xué)有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719000)

低階粉煤氣固熱載體雙循環(huán)快速熱解技術(shù)(SM-SP)是由勝幫公司和陜北乾元能源化工有限公司共同開發(fā)，借鑒了催化裂化技術(shù)的工程經(jīng)驗，采用雙循環(huán)氣流床反應(yīng)器進行粉煤快速熱解，實現(xiàn)秒級反應(yīng)時間，并通過氣固熱載體技術(shù)保障固體的充分混合接觸，實現(xiàn)粉煤完全熱解，該工藝流程簡圖如圖1所示。

圖1 工藝流程簡圖

該工藝流程包括磨煤干燥單元、粉煤進料單元、反應(yīng)-燒炭單元、分餾單元和粉焦冷卻單元。原煤送入磨煤機，在研磨過程中與來自CO鍋爐的高溫?zé)煔饨佑|進行干燥，粉碎至規(guī)定粒徑的煤粉在煙氣的作用下輸送至原料罐，粉煤從底部由原料罐送至計量給料罐。來自計量給料罐的粉煤在循環(huán)煤氣的汽提作用下，與來自燒炭器的粉焦熱載體快速混合后進入提升管反應(yīng)器，發(fā)生快速熱解反應(yīng)，生成的產(chǎn)品油氣、粉焦隨后進入沉降器，進行氣固快速分離。分離出的高溫油氣進入分餾塔分離得到煤氣、輕油和焦油，煤氣加壓后部分返回提升管循環(huán)，剩余作為產(chǎn)品送出裝置；沉降器底部的粉焦部分作為循環(huán)粉焦，其余部分經(jīng)換熱冷卻后作為產(chǎn)品送出裝置。循環(huán)粉焦在燒炭器內(nèi)發(fā)生部分燃燒而升溫至一定溫度后，作為熱載體循環(huán)至提升管反應(yīng)器。燒炭器內(nèi)煙氣除塵后送至 CO 鍋爐系統(tǒng)進行余熱回收后，送回磨煤干燥單元使用。

1 粉煤熱解分餾單元主要任務(wù)

粉煤熱解工藝借鑒了催化裂化技術(shù)的工程經(jīng)驗，尤其是反應(yīng)-燒炭單元、分餾單元部分。但其原料性質(zhì)不同，催化裂化原料是渣油，粉煤熱解原料是原煤，所以經(jīng)過反應(yīng)后生成油氣組分不同，導(dǎo)致性質(zhì)差異較大。

表1 催化裂化產(chǎn)品分布表

表2 粉煤熱解產(chǎn)品分布表

對比分析分餾塔進料來看，催化裂化反應(yīng)油氣攜帶少量催化劑粉末，膠質(zhì)含量少，主要輕組分含量高，粉煤熱解油氣含粉塵、膠質(zhì)大，重組分含量高，容易造成分餾系統(tǒng)設(shè)備、管線、塔器、容器結(jié)焦、堵塞。

粉煤熱解分餾塔與常規(guī)分餾塔相比，其原料油密度大，固含量高，目標(biāo)產(chǎn)品是熱解焦油，且其分離效率要求不高。粉煤熱解分餾塔的主要任務(wù)不同于常規(guī)分餾塔，包括以下幾點：

(1)將反應(yīng)油氣脫過熱，把塔底油餾分冷凝下來。

(2)提高塔底油的收率。

(3)洗滌反應(yīng)油氣攜帶的粉焦，減輕塔頂產(chǎn)品油氣中的焦粉量，維持分餾塔長周期穩(wěn)定運行。

(4)按照產(chǎn)品分布，熱量平衡，調(diào)整循環(huán)比。

(5)實現(xiàn)煤焦油與煤氣的完全分離。

(6)控制產(chǎn)品質(zhì)量合格。

粉煤熱解分餾系統(tǒng)依據(jù)油氣/油品固含量高、膠質(zhì)含量高等性質(zhì)，容易造成管道堵塞、結(jié)焦等，分餾塔在結(jié)構(gòu)上分為兩段，上段為精餾段，設(shè)有固閥塔盤，下段為脫過熱段，裝有格柵填料，同時，在格柵板的底部裝有人字型擋板，防止固體顆粒隨油氣上升。在塔頂、塔側(cè)和塔底有抽出或回流口，并有為方便檢修操作的平臺、走梯和人孔等。

浮閥塔盤的特點：a.機械故障少，不會卡閥；b.阻力小，不易堵塞；c.制造方便，成本低；d.效率低，漏液大等，分餾塔上部設(shè)有30層固閥塔盤。格柵填料的比表面積較低，主要用于要求壓降小、負(fù)荷大及防堵等場合。分餾塔底脫過熱段氣液流量很大，為了避免阻力過大，并防止固體堵塞，塔底設(shè)了2層格柵填料[1]。

2 分餾系統(tǒng)主要工藝簡介

2.1 分餾系統(tǒng)工藝流程

由沉降器頂來的反應(yīng)油氣進入分餾塔底部，通過格柵填料和塔板與冷油逆流接觸，洗滌反應(yīng)油氣中的粉焦使油氣在飽和狀態(tài)中進行分餾。分餾塔底油通過分餾塔底油泵加壓后分為兩路，一路直接進入分餾塔底部起到攪拌的作用，一路進入分餾塔底油蒸汽發(fā)生器，經(jīng)換熱冷卻后分為兩路，一路返回分餾塔，起到攪拌與沖洗的作用，另一路依次經(jīng)過外甩油除鹽水換熱器和外甩油采暖水換熱器換熱冷卻后送出裝置。

分餾塔上部1#集油箱中的熱油經(jīng)分餾塔頂循環(huán)泵加壓后經(jīng)過采暖水取熱器分成兩路，一路直接返回分餾塔，一路經(jīng)頂循環(huán)空冷器降溫后返回分餾塔頂部，控制塔頂溫度。分餾塔中部2#集油箱中的熱油經(jīng)二中油循環(huán)泵加壓后分為兩路，一路作為下回流直接返回分餾塔，另一路送至二中油蒸汽發(fā)生器降溫后返回分餾中部。分餾塔塔頂油氣經(jīng)分餾塔頂空冷器、分餾塔頂冷卻器冷卻后，進入分餾塔頂回流罐進行氣液液三相分離。分餾塔頂回流罐分離出的污水由分餾塔頂污水泵抽出裝置；煤氣進入電捕焦油器處理后通入循環(huán)煤氣壓縮機，電捕焦油器捕捉到的焦油自流入焦油緩沖罐，通過焦油泵輸入分餾塔頂回流罐，進行油水分離；分離出的輕油由分餾塔頂產(chǎn)品泵抽出進入油水分離罐進一步分離，產(chǎn)品油直接出裝置，污水返回分餾塔頂回流罐；煤氣經(jīng)過循環(huán)煤氣壓縮機升壓后的煤氣有以下幾方面的用途；

(1)作為輸送氣先經(jīng)過余熱鍋爐預(yù)熱后進入進料系統(tǒng)底部輸送粉煤；

(2)作為葉輪給料機底部輸送煤氣用來輸送粉煤；

(3)作為熱載體提升管的提升煤氣輸送熱載體粉焦進入沉降器；

(4)作為燃料氣去動力站。

工藝流程示意圖如圖2所示：

圖2 工藝流程示意圖

2.2 粉煤熱解分餾塔的工藝特點

粉煤熱解分餾塔的工藝特點主要包括以下6點：

(1)粉煤熱解主要產(chǎn)品是：熱解焦油、煤氣、輕油，熱解焦油固含量、膠質(zhì)含量高，容易造成分餾塔底、二中各個設(shè)備結(jié)焦堵塞，所以分餾二中、分餾塔底過濾器進口，二中油泵、塔底油泵進出口都設(shè)有蘭炭油沖洗管線；

(2)分餾塔無側(cè)線產(chǎn)品抽出，只要控制住分餾塔頂溫度在精確指標(biāo)內(nèi)即可，所以分餾塔一中、二中設(shè)置了集液箱，使得分餾塔的操作容易平穩(wěn)控制；

(3)不同于催化裂化，粉煤熱解目標(biāo)產(chǎn)品是熱解焦油，分餾塔塔底循環(huán)返塔量較少，主要起攪拌和沖洗的作用，大部分作為產(chǎn)品送出裝置量大；

(4)二中循環(huán)量大，分餾塔取熱集中在二中，這樣既可以控制住分餾塔上、下部溫度，又可以提高目標(biāo)產(chǎn)物熱解焦油的收率[2]；

(5)為了防止分餾塔容易結(jié)焦，二中下回流又分成兩路返回分餾塔，下面一路對分餾塔底上升的氣相進一步進行了沖洗；

(6)裝置設(shè)置了開工水洗塔，開工或反應(yīng)工況發(fā)生變化，油氣攜帶大量粉塵、膠質(zhì)時，可切換至水洗塔，防止分餾塔造成堵塞而影響后期正常運行。

3 操作影響因素及主要控制方法

3.1 操作因素

常規(guī)分餾塔的操作控制通常要求滿足處理量、產(chǎn)品的質(zhì)量指標(biāo)、產(chǎn)品產(chǎn)量和能量消耗四個方面的標(biāo)準(zhǔn)[3]進行對比研究。

粉煤熱解裝置分餾系統(tǒng)操作因素異于常規(guī)分餾系統(tǒng)，主要因為它們目標(biāo)產(chǎn)品和任務(wù)不同。粉煤熱解裝置目標(biāo)產(chǎn)品是塔底產(chǎn)品熱解焦油，無側(cè)線產(chǎn)品抽出，主要任務(wù)是將煤熱解反應(yīng)產(chǎn)生的油氣中的煤焦油和固體焦粉顆粒進行有效分離。所以設(shè)計、操作都依據(jù)高處理量、低消耗和提高焦油收率、提高焦油質(zhì)量為原則。為了保證分餾塔較大處理量、高效率的作用，除選擇合理的工藝流程和先進的設(shè)備外，主要靠穩(wěn)定、成熟的操作水平。其中包括在生產(chǎn)工況不變時，如何保持平穩(wěn)操作以及在生產(chǎn)工況改變時，如何在新的條件下快速建立新的平穩(wěn)操作。

分餾塔系統(tǒng)平穩(wěn)操作主要依靠三大平衡來實現(xiàn)：物料平衡、熱量平衡、氣液平衡。三大平衡相互影響，相互制約。物料平衡是最基本的，維持住穩(wěn)定的物料平衡，才能通過調(diào)整各回流段取熱量的大小來保持熱量平衡，熱量平衡是實現(xiàn)氣液相平衡的基本保證。氣液相平衡是分餾塔穩(wěn)定操作的基本條件。影響分餾塔操作的主要工藝因素有塔各進料溫度、塔壓力、進出塔的物料流量、中段回流，各種段液面等。

3.1.1 溫度

高溫油氣進入分餾塔底部，塔底到塔頂要形成一個穩(wěn)定的溫度梯度，特別是塔頂溫度要嚴(yán)格控制。要保持分餾塔的平穩(wěn)操作，最重要的是維持反應(yīng)溫度、油氣入口量恒定。油氣入口量和溫度直接影響進入分餾塔內(nèi)的熱量，當(dāng)它們發(fā)生變化時，分餾塔頂和分餾塔各段溫度都要發(fā)生變化，產(chǎn)品質(zhì)量、收率也隨著變化。當(dāng)入口油氣量、油氣溫度不變時，回流量、回流溫度、餾出物數(shù)量的改變也會破壞塔內(nèi)熱平衡狀態(tài)，引起各段溫度變化，其中最能靈敏地反映出熱平衡變化的是塔頂溫度[4]。

3.1.2 壓力

油品餾出所需溫度與其油氣分壓有關(guān)，油氣分壓越低，餾出同樣的油品所需的溫度越低。油氣分壓是設(shè)備內(nèi)的操作壓力與油品分子分?jǐn)?shù)的乘積；當(dāng)塔內(nèi)水蒸氣量和惰性氣體量不變時，油氣分壓隨塔內(nèi)的操作壓力降低而降低。因此，在塔內(nèi)負(fù)荷允許的情況下，降低塔內(nèi)操作壓力，適當(dāng)?shù)卦黾尤胨魵饬慷伎梢允褂蜌夥謮航档汀?/p>

3.1.3 回流量和回流返塔溫度

回流量的大小、回流返塔溫度的高低由全塔熱平衡決定，隨著塔內(nèi)溫度條件的改變，適當(dāng)調(diào)節(jié)塔頂回流量和回流溫度是維持全塔溫度平衡的手段，借以達(dá)到調(diào)節(jié)產(chǎn)品質(zhì)量、收率的目的。

3.1.4 塔底液面

塔底液面的變化反應(yīng)物料平衡的變化，物料平衡又取決于溫度、流量和壓力的平衡。原煤加工量、反應(yīng)深度、熱解焦油送出量對液面影響較大。當(dāng)原煤加工量不變時，原煤性質(zhì)、反應(yīng)深度發(fā)生變化時，由送出熱解焦油量的大小來控制分餾塔底液位。

3.2 主要操作參數(shù)的控制調(diào)節(jié)

3.2.1 分餾塔頂溫度[5]

分餾塔頂溫的控制：正常生產(chǎn)過程中，分餾塔頂溫度通過分餾塔頂循環(huán)回流控制器控制調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)回流量，控制分餾塔頂溫度；分餾塔頂溫度高，開大分餾塔頂循環(huán)回流調(diào)節(jié)閥；分餾塔頂溫度低，關(guān)小分餾塔頂循環(huán)回流調(diào)節(jié)閥。

3.2.2 分餾塔頂壓力

分餾塔頂壓力控制：正常生產(chǎn)過程中，通過控制分餾塔頂油氣蝶閥開度，控制分餾塔頂壓力，從而控制沉降器壓力在正常工藝指標(biāo)范圍內(nèi)，所以分餾塔頂壓力控制方法與沉降器壓力控制方法相同；分餾塔頂壓力高，開大分餾塔頂油氣蝶閥；分餾塔頂壓力低，關(guān)小分餾塔頂油氣蝶閥。

3.2.3 分餾塔頂回流罐液位

分餾塔頂回流罐液位控制：正常生產(chǎn)過程中，分餾塔頂回流罐液位由液位控制器控制調(diào)節(jié)閥開度。調(diào)節(jié)塔頂產(chǎn)品泵出口熱解輕油至熱解輕油罐區(qū)流量，控制分餾塔頂回流罐液位在工藝所需的范圍內(nèi)；分餾塔頂回流罐液位高，開大熱解輕油至熱解輕油罐區(qū)調(diào)節(jié)閥分餾塔頂回流罐液位低，關(guān)小熱解輕油至熱解輕油罐區(qū)調(diào)節(jié)閥。

3.2.4 分餾塔頂回流罐界位

分餾塔頂回流罐界位控制：正常生產(chǎn)過程中，分餾塔頂回流罐界位由界位控制器控制調(diào)節(jié)閥開度。調(diào)節(jié)塔頂污水泵出口污水量，控制分餾塔頂回流罐界位在工藝所需的范圍內(nèi)；分餾塔頂回流罐界位高，開大污水出裝置量調(diào)節(jié)閥；分餾塔頂回流罐界位低，關(guān)小污水出裝置量調(diào)節(jié)閥。

1#集油箱液位控制：正常生產(chǎn)過程中，通過控制器控制一中油下回流調(diào)節(jié)閥開度。1#集油箱液位高，開大一中油下回流調(diào)節(jié)閥，1#集油箱液位低，關(guān)小一中油下回流調(diào)節(jié)閥。

2#集油箱液位控制：正常生產(chǎn)過程中，通過控制器控制二中油下回流調(diào)節(jié)閥開度調(diào)節(jié)。2#集油箱液位高，開大二中油下回流調(diào)節(jié)閥；2#集油箱液位低，關(guān)小二中油下回流調(diào)節(jié)閥。

分餾塔底液位控制：指標(biāo)50%±10%；分餾塔底液位由分餾塔底液位控制器控制出裝置分餾塔底油調(diào)節(jié)閥開度，調(diào)節(jié)分餾塔底液位在工藝需要的正常范圍。液面過低容易造成分餾塔底油泵抽空、破壞全塔物料平衡、熱平衡中斷分餾塔底油循環(huán)回流而發(fā)生塔底結(jié)焦、沖塔、超溫及超壓事故；液面過高會淹沒反應(yīng)油氣入口，使反應(yīng)系統(tǒng)憋壓，造成嚴(yán)重后果；分餾塔底液位低，關(guān)小出裝置分餾塔底油調(diào)節(jié)閥開度，分餾塔底液位高，開大出裝置分餾塔底油調(diào)節(jié)閥。

4 結(jié) 語

粉煤熱解裝置是榆林化學(xué)公司依據(jù)國家十四五能源規(guī)劃，煤炭向清潔高效利用方向發(fā)展而建設(shè)的煤炭分質(zhì)利用制化工新材料示范項目。借鑒了催化裂化工藝設(shè)計，但由于原料性質(zhì)不同，目標(biāo)產(chǎn)物不同，因而分餾塔系統(tǒng)的設(shè)備、工藝、操作也大不相同。本文主要簡述粉煤熱解裝置分餾系統(tǒng)的主要任務(wù)、流程、工藝特點和主要控制參數(shù)及控制方法，實現(xiàn)粉煤熱解裝置后路產(chǎn)品分離的平穩(wěn)操作，為粉煤熱解裝置長周期運行奠定了堅實的基礎(chǔ)。