大型煤化工裝置節(jié)能增效技術(shù)探索與應(yīng)用

蔣都?xì)J

(河南龍宇煤化工有限公司, 河南永城 476600)

河南龍宇煤化工有限公司一期為年產(chǎn)50萬t甲醇及20萬t二甲醚項(xiàng)目,二期為年產(chǎn)40萬t醋酸及20萬t乙二醇項(xiàng)目,三期為利用二期富裕合成氣新建20萬t乙二醇項(xiàng)目。其中,二期氣源采用五環(huán)科技股份有限公司與河南煤業(yè)化工集團(tuán)公司合作開發(fā)的具有國內(nèi)自主知識產(chǎn)權(quán)的新型五環(huán)爐(WHG)干煤粉加壓氣化工藝,該工藝具有轉(zhuǎn)化率高、節(jié)能環(huán)保的特點(diǎn)[1]。原料煤通過WHG干煤粉加壓氣化工藝轉(zhuǎn)變?yōu)橐訡O和H2為主要成分的粗煤氣,經(jīng)濕洗除灰和濕法洗滌等初步凈化處理過程后,制備出含灰質(zhì)量濃度≤1 mg/m3、溫度為203 ℃、被水蒸氣飽和的粗合成氣,送CO變換工序調(diào)整氫碳比后,送后續(xù)裝置繼續(xù)加工。

河南龍宇煤化工有限公司主要產(chǎn)品為甲醇、二甲醚、醋酸及乙二醇,在全系統(tǒng)開車運(yùn)行時,由于變換裝置更換催化劑需要升溫硫化,導(dǎo)致裝置長期低負(fù)荷運(yùn)行,造成極大浪費(fèi);受限于氣化爐負(fù)荷問題,甲醇裝置無法保持滿負(fù)荷運(yùn)行,同時在化工生產(chǎn)過程中出現(xiàn)低品位熱源無法全部綜合利用的情況,造成后續(xù)用水緊急,影響裝置安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 氣化爐無法長時間保持滿負(fù)荷運(yùn)行

1.1 原因分析

(1) 煤粉鎖斗(V3204)容積設(shè)計(jì)偏小。

目前從雙系列100%高負(fù)荷運(yùn)行的實(shí)際情況來看,氣化爐用煤質(zhì)量流量約為50 t/h。煤粉鎖斗(V3204)容積為57 m3,每次下料約35 t。煤粉輸送順控(32KS0001)每一個循環(huán)包括充壓、下料、排堵、泄壓、收料等環(huán)節(jié),其中充壓時間約16 min、順利下料時間約10 min、泄壓時間約13 min、收料時間約3 min,整個煤粉輸送順控(32KS0001)大約42 min進(jìn)行1次正常循環(huán)。若出現(xiàn)由煤質(zhì)問題、煤粉濕度大、粒度不合格、充氣錐或充氣墊板破損等造成的下料困難,CO2量小、壓力低、帶油等引起的CO2用量緊張,或與另一系列同時充壓等,都會耽誤煤粉輸送順控(32KS0001),進(jìn)而影響氣化爐長周期穩(wěn)定運(yùn)行。

(2) 0系列氣化爐激冷量偏低。

激冷氣壓縮機(jī)(K01301)最高負(fù)荷運(yùn)行時,最大氣體體積流量約為14.3萬m3/h。當(dāng)氣化爐100%高負(fù)荷運(yùn)行時,由于激冷量低,使輸氣管出口溫度在660 ℃,造成出激冷罐合成氣水氣比增大,使合成氣攜帶的灰含量增加,容易造成濕洗塔洗滌負(fù)荷增加,造成去激冷罐管線結(jié)垢。當(dāng)溫度波動時,垢片脫落造成濕洗水循環(huán)泵(P03601)、激冷水過濾器(S03305)堵塞,激冷流量降低,影響激冷罐液位,嚴(yán)重時激冷罐液位無法維持,濕洗塔合成氣帶液,使整個濕洗系統(tǒng)受到污染,加快結(jié)垢速率。

(3) 濕洗塔塔盤結(jié)垢,壓差增大。

目前0系列氣化爐使用的是固閥塔盤,一般運(yùn)行60 d左右開始壓差上漲,出現(xiàn)液泛現(xiàn)象,隨著塔板壓差增加,合成氣帶液嚴(yán)重,給變換裝置運(yùn)行帶來較大的風(fēng)險,可能造成變換爐催化劑失效。從1系列氣化爐濕洗塔3、4層固閥塔盤更改為河北工業(yè)大學(xué)立體傳質(zhì)塔盤的使用效果來看,基本解決了濕洗塔塔盤結(jié)垢堵塞、液泛帶水嚴(yán)重等不正常情況;但從合成氣洗滌效果來看,激冷氣冷卻塔(C13311)檢修時發(fā)現(xiàn)塔盤結(jié)垢、底流泵(P13311)過濾器出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象,說明更換立體傳質(zhì)塔盤后還是存在合成氣洗滌效果降低,少量帶灰問題。

(4) 配煤質(zhì)量對氣化爐造成影響。

由氣化爐適用的原料煤經(jīng)過4 a的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)看,原料煤煤質(zhì)要求灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于20%較為合適?；曳謱饣癄t的影響是非常關(guān)鍵的,其中灰的熔融溫度是氣化爐設(shè)計(jì)時必須考慮的關(guān)鍵因素之一,煤灰熔融溫度及黏溫特性決定了原料煤種的工藝適用性及氣化爐的操作溫度,而灰分的組成決定了灰渣的熔融溫度及黏溫特性。在灰分熔融溫度區(qū)間內(nèi),灰分的黏溫曲線變化應(yīng)該盡量平緩,因?yàn)榛曳逐厍€出現(xiàn)突變易導(dǎo)致氣化爐下渣口堵塞。當(dāng)灰組分發(fā)生變化時,灰渣的熔融溫度及黏溫特性也隨之發(fā)生變化,氣化爐的工況也會發(fā)生改變,增大了操作難度。煤灰組分及其含量直接影響黑水系統(tǒng)結(jié)垢的速度及程度;若長期使用灰分含量較高的煤種,對裝置長周期運(yùn)行不利。不利影響主要表現(xiàn)在:①合成氣洗滌系統(tǒng)結(jié)垢、磨損嚴(yán)重,如濕洗塔塔盤結(jié)垢、激冷罐及其循環(huán)水管線結(jié)垢、去閃蒸排水角閥磨損嚴(yán)重等;②分散劑和絮凝劑消耗量增加。

當(dāng)配煤不均或煤種更換頻繁時,煤的黏溫特性變化較大,導(dǎo)致操作難度較大,引起氣化爐工況波動較大,易出現(xiàn)堵渣事故。配煤不均對煤的灰熔點(diǎn)影響較大,氧煤比調(diào)整幅度較大,爐溫不穩(wěn)定,掛渣不均,使燒嘴罩運(yùn)行周期大大降低。從氣化爐運(yùn)行4 a檢修情況來看,因燒嘴罩泄漏而導(dǎo)致停車的次數(shù)增加,每次停車都有出現(xiàn)不同程度的燒蝕,更換新燒嘴罩最多運(yùn)行0.5 a就會出現(xiàn)泄漏。

1.2 改造措施

(1) 優(yōu)化煤粉輸送順控(32KS0001),減少順控的執(zhí)行時間,使用發(fā)熱量較高、灰分含量較低的優(yōu)質(zhì)煤種解決煤粉鎖斗(V3204)下料不足的問題。

(2) 在原壓縮機(jī)的基礎(chǔ)上,通過更換葉輪來提升壓縮機(jī)的負(fù)荷。

(3) 將濕洗塔的固閥塔盤改為立體傳質(zhì)塔盤,解決了濕洗塔運(yùn)行一段時間出現(xiàn)塔盤結(jié)垢堵塞、液泛帶水嚴(yán)重的問題。

(4) 配煤優(yōu)化,具體方案見表1。

通過多種配煤方案及經(jīng)濟(jì)性綜合對比,選出其中較為合適的新沫煤、小莊煤、高家堡煤3個煤種及2套配比方案(方案3、方案4),1用1備。

1.3 改造效果

采取以上一系列措施后,改造優(yōu)化后的實(shí)施效果見表2。

表2 氣化爐無法長時間保持滿負(fù)荷運(yùn)行的改造效果

2 更換催化劑后升溫硫化期間系統(tǒng)放空浪費(fèi)大

2.1 原因分析

隨著國內(nèi)大型煤化工裝置的興建和投運(yùn),低水氣比耐硫變換催化劑因蒸汽耗量和污水量大幅度降低、操作穩(wěn)定和卓越的性價比,被廣泛應(yīng)用于煤制甲醇、氫氣、氨、油和烯烴等領(lǐng)域。該催化劑的活性組分為硫化鈷和硫化鉬,催化劑出廠為氧化態(tài)(氧化鈷和氧化鉬),到達(dá)生產(chǎn)裝置后,裝入變換爐后再進(jìn)行硫化制備。催化劑的硫化過程控制極其重要,該過程不僅能耗高、耗時長、控制難,而且存在CS2、H2S和H2等?；沸孤⒅鹕踔帘ǖ娘L(fēng)險,分析原因?yàn)?

(1) 硫化時組分不易控制,在催化劑硫化過程中,由于H2和CS2的加入量波動,導(dǎo)致硫化時組分不穩(wěn)定,過程控制難度大。

(2) 由于系統(tǒng)CH4聚集,受間斷置換、H2的不斷補(bǔ)入和氣體膨脹等因素影響,流量(空速)控制難度大。

(3) 受加熱蒸汽和化學(xué)反應(yīng)熱雙重影響,溫度不易控制。

受上述因素影響,在硫化過程中容易出現(xiàn)超溫?zé)Y(jié)、浸水粉化、硫化不徹底和活性降低等事故。這個過程大概需要130 h左右,時間相對較長,導(dǎo)致生產(chǎn)裝置無法盡快發(fā)揮效益。

2.2 改造措施

根據(jù)變換催化劑現(xiàn)狀,果斷提出使用提前預(yù)硫化好的催化劑,這樣既可以滿足催化劑性能要求,又能最大限度節(jié)約開車時間[2]。根據(jù)試驗(yàn)的制備方法,與技術(shù)方提前制備15 m3預(yù)硫化催化劑。按照氧化態(tài)催化劑的升溫脫水和硫化方案制備出硫化態(tài)的催化劑;在N2環(huán)境下對已經(jīng)完成預(yù)硫化的催化劑進(jìn)行裝填;按照正常生產(chǎn)開車步驟和程序?qū)Υ呋瘎┻M(jìn)行升溫(省去了硫化環(huán)節(jié))。

2.3 改造效果

改造前,催化劑升溫硫化時間為136 h,公用工程消耗費(fèi)用為500萬元;采取以上一系列措施后,催化劑升溫硫化時間降低為48 h,公用工程消耗費(fèi)用降低為200萬元。

3 低品位熱源無法全部利用

3.1 原因分析

氣化爐低壓廢鍋每小時產(chǎn)0.4 MPa蒸汽25 t,醋酸裝置廢鍋每小時副產(chǎn)0.4 MPa蒸汽15 t,原低壓蒸汽廢鍋去甲醇裝置工藝?yán)淠喊逼崴鳛闊嵩醇訜峁に嚴(yán)淠?并將脫除CH4和CO2氣體的冷凝液進(jìn)行回收利用。由于蒸汽量較大導(dǎo)致氨汽提塔塔頂溫度增加造成火炬系統(tǒng)頻繁帶液和塔釜泵頻繁汽蝕。

3.2 改造措施

循環(huán)水泵汽輪機(jī)拖動改造,利用成熟的小型汽輪機(jī)拖動技術(shù),將原有的2臺電動循環(huán)水泵改造為汽輪機(jī)直接驅(qū)動,水泵保持原設(shè)備不變,電機(jī)動力源更換為汽輪機(jī)[3]。驅(qū)動蒸汽采用0.4 MPa蒸汽管網(wǎng)的富余蒸汽,解決蒸汽管網(wǎng)富余的情況和氨汽提塔熱負(fù)荷高的問題,同時節(jié)約了大量的電力資源。

3.3 改造效果

改造前,循環(huán)水泵耗電量為3 200 kW/h,氨洗滌塔頂溫度為115 ℃;采取以上一系列措施后,循環(huán)水泵由汽輪機(jī)直接驅(qū)動,耗電量為0,氨洗滌塔頂溫度降低至83 ℃,有效解決了氨汽提塔熱負(fù)荷高的問題,同時月節(jié)約電費(fèi)180萬元。

4 園區(qū)水資源無法有效充分利用

4.1 原因分析

一、二期全負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)對原水需求量較大,而礦井水(原水)供應(yīng)量受到地質(zhì)條件的限制,原水需求有一定缺口。河南龍宇煤化工有限公司配套污水處理系統(tǒng)2套,其中一期污水處理站主要處理一、二期裝置工藝廢水和生活污水,處理后的廢水需要再到二期區(qū)域污水處理廠和部分居民生活廢水混合后再處理,最終處理后實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。經(jīng)過實(shí)際水質(zhì)分析,該部分水的水質(zhì)完全滿足循環(huán)水系統(tǒng)補(bǔ)充需要,可以回收利用來解決原水短缺問題,不僅緩解了裝置用水緊張問題,同時也避免了廢水外排對環(huán)境造成的影響。

4.2 改造措施

(1) 新建1座磚混結(jié)構(gòu)的廢水回收水池,設(shè)計(jì)尺寸為8 m×8 m×3 m,水池設(shè)計(jì)為敞口地下式。一、二期除鹽水站地溝排水從西門排放至回收水池。新增2臺回收水池提升泵,設(shè)計(jì)體積流量為100 m3/h,揚(yáng)程為30 m,1用1備,利用原中水回用管網(wǎng)直接進(jìn)入一期循環(huán)水池。

(2) 在污水廠出水的重力自流管路上增加修建1座混凝土水池(24 m×12 m×5 m),接收并暫存中水,并在水池中設(shè)置3臺潛水泵,依靠泵出口配套的管路系統(tǒng),可以將流入中水回用水池的中水通過水泵輸送至一期循環(huán)水站循環(huán)水池,最大可實(shí)現(xiàn)每小時輸送500 m3中水,作為補(bǔ)充水來使用[4]。

4.3 改造效果

中水回用可以有效節(jié)約原水使用量,年節(jié)約原水237.6萬t,按照2元/t計(jì)算,年節(jié)約水資源費(fèi)用475.2萬元。

每天可回收反洗水約1 800 m3,有效降低水資源消耗量,按照裝置年運(yùn)行330 d、原水費(fèi)用2元/m3計(jì)算,每年可實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益約118.8萬元。

5 結(jié)語

通過積極開展余熱綜合利用、中水回用等一系列新技術(shù)、新工藝的運(yùn)用和技術(shù)改造,實(shí)現(xiàn)了五環(huán)化爐滿負(fù)荷運(yùn)行,充分發(fā)揮出了化工裝置的規(guī)模效應(yīng),獲得了非常好的經(jīng)濟(jì)效益和安全效益。提出并推廣實(shí)施預(yù)硫化催化劑技術(shù)和工藝,有效縮短了開車時間、節(jié)約開車費(fèi)用,具有非常大的推廣和應(yīng)用價值。