煤制天然氣裝置低位熱能回收利用總結(jié)

李永亭

(伊犁新天煤化工有限責(zé)任公司，新疆 伊寧 835000)

0 引 言

伊犁新天煤化工有限責(zé)任公司(簡稱新天煤化)20×108m3/a 煤制天然氣項目，熱電站選用粉煤鍋爐，空分裝置采用杭州杭氧空氣深冷分離技術(shù)，化工主裝置(兩個系列)氣化系統(tǒng)采用魯奇碎煤加壓氣化工藝，配套處理氣化廢水的煤氣水分離系統(tǒng)、酚回收系統(tǒng)(3個系列，三開無備)、污水處理系統(tǒng)、回用水系統(tǒng)以及多效蒸發(fā)系統(tǒng)，氣化爐產(chǎn)出的粗煤氣依次經(jīng)鈷鉬耐硫變換、低溫甲醇洗(配套混合制冷系統(tǒng))、甲烷化(合成SNG)、SNG干燥及壓縮，最終得到合格的天然氣送至管網(wǎng)。

新天煤化熱電裝置配備4臺480 t/h粉煤鍋爐(三開一備)，3臺50 MW抽汽凝汽式汽輪發(fā)電機組(兩開一備)，全廠蒸汽管網(wǎng)根據(jù)壓力的不同分為4個等級——9.8 MPa、540 ℃高壓蒸汽管網(wǎng)，5.2 MPa、460 ℃中壓蒸汽管網(wǎng)，1.5 MPa、260 ℃低壓蒸汽管網(wǎng)，0.5 MPa、158 ℃低壓蒸汽管網(wǎng)，以滿足全廠生產(chǎn)所需。鍋爐所產(chǎn)蒸汽用于驅(qū)動大型壓縮機組、發(fā)電、參與化學(xué)反應(yīng)、加熱、管線伴熱、采暖等，各生產(chǎn)系統(tǒng)蒸汽使用后形成的冷凝液送脫鹽水站制脫鹽水循環(huán)利用，由于各等級蒸汽冷凝液溫度較高，需大幅降溫后方可滿足制備脫鹽水的需求，而無論是水冷還是風(fēng)冷，冷量均需消耗電能來獲取，成本較高。

近年來，新天煤化技術(shù)團(tuán)隊積極探索節(jié)能降耗措施，針對(蒸汽冷凝液)低位熱能的回收利用，多次召開專題會議，各車間積極響應(yīng)，提出了多項低位熱能回收利用的技術(shù)方案，其中，酚回收車間提出的150 ℃冷凝液加熱酚回收系統(tǒng)水塔進(jìn)料的優(yōu)化技改方案、生產(chǎn)運行部提出的冬季118 ℃冷凝液替代0.5 MPa低壓蒸汽加熱換熱站采暖回水的技術(shù)方案通過了專題討論，其后組織實施。以下對有關(guān)情況作一總結(jié)。

1 全廠蒸汽冷凝液原回收利用情況

新天煤化全廠蒸汽冷凝液分3路回收至脫鹽水站冷凝液精制系統(tǒng)，通過換熱器降溫至40～45 ℃進(jìn)入冷凝液水箱繼而送至脫鹽水站。3路冷凝液分別為：① 來自空分裝置、熱電裝置的透平冷凝液，流量350 t/h、溫度60 ℃，經(jīng)脫鹽水換熱器被外送脫鹽水降溫至40～45 ℃后進(jìn)入透平冷凝液水箱；② 來自甲烷化系統(tǒng)、低溫甲醇洗系統(tǒng)、冷凍站、硫回收系統(tǒng)、換熱站、污水處理系統(tǒng)的工藝凝液匯集于全廠工藝凝液管網(wǎng)，流量650 t/h、溫度118 ℃，經(jīng)循環(huán)水換熱器被循環(huán)水降溫至40～45 ℃后進(jìn)入工藝?yán)淠核?；?來自氣化系統(tǒng)、酚回收系統(tǒng)的工藝?yán)淠?，流?80 t/h、溫度150 ℃，經(jīng)生產(chǎn)水換熱器被生產(chǎn)水(生產(chǎn)水用于制脫鹽水)降溫至40～45 ℃后也進(jìn)入工藝?yán)淠核洹?/p>

2 酚回收系統(tǒng)工藝流程簡述

煤氣水分離系統(tǒng)的產(chǎn)品煤氣水經(jīng)循環(huán)水冷卻至30～45 ℃后進(jìn)入酚回收系統(tǒng)脫酸塔精餾處理，脫酸塔塔頂采出的酸性氣送至硫回收系統(tǒng)，脫酸塔釜液由酚水泵送至脫氨塔。脫氨塔塔頂采出的130～149 ℃粗氨氣進(jìn)入氨氣凈化塔，氨氣凈化塔塔頂采出的氨氣進(jìn)入氨氣吸收冷卻器，被脫鹽水/生產(chǎn)水噴淋吸收成氨水后進(jìn)入氨水罐，氨水罐內(nèi)合格的氨水經(jīng)稀氨水泵送至煙氣脫硫裝置/罐區(qū)，脫氨塔釜液則用酚水泵輸送至預(yù)萃取單元。酚水泵送來的脫氨塔釜液與萃取物貯槽來的萃取物進(jìn)入靜態(tài)混合器混合，再進(jìn)入油水分離器靜置分離，完成預(yù)萃?。挥退蛛x器上部萃取物溢流至2#萃取物貯槽，后作為合格萃取物進(jìn)入酚塔，油水分離器下部廢水則用預(yù)萃取酚水泵輸送至萃取塔上部，并用溶劑循環(huán)泵將溶劑循環(huán)槽中的二異丙基醚輸送至萃取塔下部，將酚水中的大部分酚萃取出來，萃取塔上部萃取相溢流入萃取物貯槽，作為預(yù)萃取段萃取劑，經(jīng)溶劑泵輸送至靜態(tài)混合器，萃取塔萃余相則送至水塔。水塔塔頂采出的醚蒸氣，進(jìn)入萃取物貯槽與萃取塔上部萃取相溢流液作為預(yù)萃取段萃取劑，再經(jīng)溶劑泵輸送至靜態(tài)混合器，水塔塔釜合格稀酚水則送至污水處理系統(tǒng)。萃取物用萃取物泵送入酚塔，酚塔塔頂采出的65～75 ℃醚蒸氣，經(jīng)冷凝冷卻至35～40 ℃進(jìn)入溶劑循環(huán)槽中作為萃取劑循環(huán)使用；酚塔回流泵將溶劑循環(huán)槽中的二異丙基醚送至酚塔作為塔頂回流液，酚塔塔釜混合酚則經(jīng)混合酚換熱器降溫至40～60 ℃后由混合酚泵輸送至罐區(qū)。

3 150 ℃冷凝液低位熱能回收利用

新天煤化酚回收系統(tǒng)自原始開車以來，3個系列酚回收系統(tǒng)實現(xiàn)了穩(wěn)定、長周期運行；其中，單系列水塔負(fù)荷達(dá)到設(shè)計值300 t/h，運行穩(wěn)定且各項工藝指標(biāo)均在指標(biāo)范圍內(nèi)，水塔再沸器使用0.5 MPa、158 ℃低壓飽和蒸汽18 t/h。酚回收系統(tǒng)外送低壓冷凝液溫度為150 ℃，冷凝液送至脫鹽水裝置需由循環(huán)水降溫至45 ℃后再制取脫鹽水。水塔進(jìn)料經(jīng)稀酚水換熱器換熱后的溫度為60～75 ℃，60～75 ℃的稀酚水進(jìn)入水塔經(jīng)塔釜再沸器加熱至110～112 ℃進(jìn)行精餾。

酚回收系統(tǒng)水塔再沸器使用的是0.5 MPa、158 ℃低壓蒸汽，進(jìn)入冬季后全廠0.5 MPa低壓蒸汽用量大，氣化廢鍋、變換系統(tǒng)余熱回收器、氣水分離余熱回收器副產(chǎn)的0.5 MPa、158 ℃低壓蒸汽流量穩(wěn)定，0.5 MPa、158 ℃低壓蒸汽不足部分只能通過減溫減壓站獲取，造成全廠蒸汽管網(wǎng)供需平衡壓力較大。而酚回收系統(tǒng)一系列冷凝液匯集進(jìn)入冷凝液儲罐，150 ℃冷凝液需經(jīng)循環(huán)水降溫后制脫鹽水，造成熱量損失。據(jù)實際生產(chǎn)情況，經(jīng)分析與研究，新天煤化酚回收車間決定于2022年實施回收利用150 ℃冷凝液低位熱能的技改，以提高水塔進(jìn)料溫度、降低水塔再沸器0.5 MPa、158 ℃低壓蒸汽用量。

3.1 優(yōu)化改造措施

據(jù)系統(tǒng)工藝流程及各介質(zhì)流向、流量、溫度等參數(shù)進(jìn)行模擬計算與分析，可在稀酚水換熱器至水塔進(jìn)料管線上增設(shè)1臺低位熱能換熱器，利用150 ℃冷凝液加熱水塔進(jìn)料，保證稀酚水指標(biāo)合格的前提下減少水塔再沸器蒸汽用量、降低外送低壓冷凝液溫度。

150 ℃冷凝液送至低位熱能換熱器與水塔進(jìn)料換熱后，再送至冷凝液外送管網(wǎng)，原冷凝液外送主管自調(diào)閥前管線上新增截止閥，冷凝液進(jìn)/出管線分別位于新增截止閥前后，如此一來，新增低位熱能換熱器及冷凝液進(jìn)/出管線與閥組相當(dāng)于冷凝液外送主管的“副線”，萃取塔塔釜稀酚水用萃取塔酚水泵輸送，先經(jīng)稀酚水換熱器換熱、再經(jīng)低位熱能換熱器(管程)換熱后作為進(jìn)料進(jìn)入水塔。酚回收系統(tǒng)3個系列各新增1臺低位熱能換熱器，低位熱能換熱器設(shè)計殼程工作壓力0～1.2 MPa、管程工作壓力0～1.0 MPa、殼程工作溫度95 ℃/158 ℃、管程工作溫度75 ℃/86 ℃。

3.2 低位熱能換熱器操作要求及注意事項

(1)低位熱能換熱器投運前，操作人員精心調(diào)整，控制好萃取塔的工藝指標(biāo)，保證萃取塔出料溫度在75～86 ℃，水塔進(jìn)料壓力控制在0～1.0 MPa范圍內(nèi)。

(2)現(xiàn)場確認(rèn)低位熱能換熱器稀酚水進(jìn)水/回水閥全開后，緩慢關(guān)閉低位熱能換熱器殼程冷凝液旁路閥，據(jù)系統(tǒng)溫度、壓力按操作規(guī)程逐步打開冷凝液進(jìn)水/回水閥，保證低位熱能換熱器投運過程中不出現(xiàn)超溫、超壓現(xiàn)象。

(3)低位熱能換熱器投運時，先投冷進(jìn)料萃取塔塔釜稀酚水、再投熱進(jìn)料蒸汽冷凝液；隔離切出時先停熱進(jìn)料蒸汽冷凝液、再停冷進(jìn)料萃取塔塔釜稀酚水。

(4)投用酚回收系統(tǒng)三系列低位熱能換熱器(殼程)時，需進(jìn)行暖管操作，防止投用過程中發(fā)生液擊現(xiàn)象。

(5)酚回收系統(tǒng)三系列低位熱能換熱器投用過程中，若出現(xiàn)工藝異?；蛟O(shè)備泄漏，現(xiàn)場人員應(yīng)立即聯(lián)系中控人員，及時將低位熱能換熱器切出予以處理。

3.3 技改效果及效益分析

2022年9月低位熱能換熱器投運后，水塔運行工況穩(wěn)定，各項工藝指標(biāo)正常，外送稀酚水總酚、COD含量均符合公司級控制指標(biāo)要求，水塔再沸器0.5 MPa、158 ℃低壓蒸汽用量明顯減少且外送冷凝液溫度明顯降低。低位熱能換熱器投運前后酚回收系統(tǒng)一系列典型生產(chǎn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 低位熱能換熱器投運前后典型生產(chǎn)數(shù)據(jù)

3.3.1 節(jié)汽效益分析

低位熱能換熱器投運后，外送冷凝液溫度由之前的150 ℃降至75 ℃，酚回收系統(tǒng)一系列水塔再沸器0.5 MPa、158 ℃低壓蒸汽用量大致由之前的18 t/h降至8 t/h，3個系列的低位熱能換熱器投運后可節(jié)省低壓蒸汽30 t/h，按0.5 MPa、158 ℃低壓蒸汽生產(chǎn)成本約60元/t及全年運行8 000 h計，全年節(jié)汽效益約1 440萬元。

3.3.2 節(jié)電效益分析

酚回收系統(tǒng)3個系列外送冷凝液總量為155×3=465 t/h，外送冷凝液溫度由之前的150 ℃降至75 ℃，循環(huán)水換熱量減少Q(mào)=cm(T1-T0)=465×103×4.2×(150-75)=146 475 000 kJ/h[水的比熱容c取4.2 kJ/(kg·℃)]；脫鹽水站循環(huán)水總量為36 200 t/h，共9臺冷卻風(fēng)機(夏季九開無備，冬季根據(jù)循環(huán)水溫度調(diào)整風(fēng)機運行臺數(shù))、單臺風(fēng)機配套電機功率為290 W，據(jù)實際經(jīng)驗值，正常運行時每臺風(fēng)機可使循環(huán)水降溫約1.5 ℃(不包括極端天氣)，據(jù)公式Q=cm(T1′-T0′)計算可得T1′=32.96 ℃(降溫前循環(huán)水溫度T0′取32.0 ℃)，降溫后脫鹽水站循環(huán)水溫度較低位熱能換熱器投運前降低約0.96 ℃，循環(huán)水系統(tǒng)變頻風(fēng)機(電流)由之前的95%負(fù)荷調(diào)整至40%負(fù)荷運行，小時節(jié)電約145 kW·h，按工業(yè)用電0.22元/(kW·h)、全年運行8 000 h計，全年節(jié)電效益約25.52萬元。

4 118 ℃冷凝液低位熱能回收利用

新天煤化全廠換熱站(共3個換熱站)將來自各用戶的50 ℃的采暖回水經(jīng)換熱器加熱(加熱熱源采用0.5 MPa低壓蒸汽)至70 ℃后作為采暖供水，采暖水經(jīng)循環(huán)泵加壓后送至各用戶，如此循環(huán)；加熱蒸汽換熱后形成的凝結(jié)水溫度約80 ℃，通過凝結(jié)水泵送至脫鹽水站。其中，第一換熱站采暖循環(huán)水量為596 t/h、熱負(fù)荷17.3 MW，第二換熱站采暖循環(huán)水量為120.6 t/h、熱負(fù)荷3.5 MW，第三換熱站采暖循環(huán)水量為810 t/h、熱負(fù)荷 23.5 MW。

4.1 118 ℃冷凝液低位熱能回收利用措施

綜合考慮全廠118 ℃冷凝液經(jīng)循環(huán)水換熱器降溫后會造成熱量損失，而冬季因0.5 MPa低壓蒸汽副產(chǎn)量不足還需減壓站予以補充后方可保證0.5 MPa低壓蒸汽的供應(yīng)，經(jīng)分析與研究，與換熱站實際循環(huán)量結(jié)合，新天煤化決定冬季第三換熱站由采用0.5 MPa、158 ℃低壓蒸汽改為用118 ℃冷凝液與采暖循環(huán)水換熱，夏季則恢復(fù)為原流程，第三換熱站采暖循環(huán)水與脫鹽水站循環(huán)水換熱后降溫至40～45 ℃進(jìn)入冷凝液水箱，用于制脫鹽水。

4.2 技改效果及效益分析

2022年9月本項技改實施后，冬季第三換熱站采暖系統(tǒng)運行穩(wěn)定，外送采暖水溫度均能保證在75 ℃以上，符合換熱站外送采暖水溫度要求。0.5 MPa、158 ℃飽和蒸汽焓值為2 748.59 kJ/kg，噸0.5 MPa蒸汽的熱量折合熱負(fù)荷為0.763 MW(3 600 kJ/h=1 kW)，第三換熱站0.5 MPa蒸汽用量23.5÷0.763=30.80 t/h。北方采暖期較長，大致為每年10月15日至次年4月15日，共計180 d，0.5 MPa、158 ℃低壓蒸汽生產(chǎn)成本按60元/t計，118 ℃冷凝液低位熱能回收利用后全年節(jié)汽效益約798.34萬元。

5 結(jié)束語

近年來，新天煤化技術(shù)團(tuán)隊與時俱進(jìn)、敢于創(chuàng)新，深挖煤制天然氣裝置的節(jié)能降耗潛力。在低位熱能回收利用方面，通過不懈努力與分析論證，提出并實施了酚回收系統(tǒng)3個系列外送低壓冷凝液加熱水塔進(jìn)料(增設(shè)低位熱能換熱器實現(xiàn))以及第三換熱站(冬季)采暖系統(tǒng)改用118 ℃冷凝液加熱采暖回水的優(yōu)化技改方案。技改后，減少了0.5 MPa、158 ℃低壓蒸汽用量，降低了循環(huán)水系統(tǒng)電耗，助力了煤制天然氣裝置的安全、穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)運行。