煤制油尾氣脫碳裝置運行問題分析及對策

曹夢雪

（山西潞安煤基清潔能源有限責(zé)任公司，山西 長治 046000）

0 引言

國家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司煤制油分公司400 萬t／a 規(guī)模煤制油生產(chǎn)項目包含的油品合成裝置，在運行過程中的主要產(chǎn)物是液態(tài)蠟，與此同時，相關(guān)化學(xué)反應(yīng)過程中還會生成CO2氣體、水、醇類物質(zhì)、酸類物質(zhì)、酮類物質(zhì)、醛類物質(zhì)以及酯類物質(zhì)等含有氧元素的化學(xué)物質(zhì)。煤制油生產(chǎn)項目運作過程中的尾氣脫碳技術(shù)，與費托（F-T）合成生產(chǎn)技術(shù)配合使用，其主要作用在于圍繞生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)部包含的部分CO2氣體進(jìn)行脫除過程，確保生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)部執(zhí)行的各類化學(xué)反應(yīng)過程，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的物質(zhì)轉(zhuǎn)化。然而，在生產(chǎn)系統(tǒng)具體運行使用進(jìn)程中，通常會形成并展現(xiàn)出類型多樣的技術(shù)問題，需要擇取并運用適當(dāng)措施加以解決[1-2]。

1 工業(yè)裝置

煤制油生產(chǎn)項目尾氣脫碳裝置基本工藝流程示意圖，如圖1 所示。其執(zhí)行的基本技術(shù)原理為：在高壓與低溫技術(shù)環(huán)境中，尾氣中包含的CO2氣體與吸收劑K2CO3發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，繼而生成KHCO3溶液，而KHCO3溶液接續(xù)經(jīng)由循環(huán)組件進(jìn)入到再生系統(tǒng)中，在高溫技術(shù)與低壓技術(shù)環(huán)境下經(jīng)歷反復(fù)多次的閃蒸過程，實際再生形成的CO2氣體被排放到大氣當(dāng)中，且溶液物質(zhì)實現(xiàn)再生過程。在上述技術(shù)原理執(zhí)行過程中，吸收劑中包含的主要化學(xué)物質(zhì)成分涉及K2CO3、活化劑物質(zhì)以及V2O5等[3]。

圖1 煤制油生產(chǎn)項目尾氣脫碳技術(shù)裝置基本工藝流程示意圖

2 問題及對策

2.1 吸收塔和常壓再生塔壓差高

2.1.1 問題

伴隨著脫碳裝置的運行過程持續(xù)時間逐漸延長，吸收塔設(shè)備與常壓再生塔設(shè)備間的壓差呈現(xiàn)出逐漸增高變化趨勢。在大檢修環(huán)節(jié)開展前，吸收塔設(shè)備與常壓再生塔設(shè)備間的壓差持續(xù)升高且達(dá)到其最上限，繼而頻繁發(fā)生塔頂氣帶液以及液泛現(xiàn)象，并且給相關(guān)技術(shù)裝置執(zhí)行的高負(fù)荷運行過程施加顯著不良影響。

為全面支持滿足實際生產(chǎn)技術(shù)需求，應(yīng)當(dāng)將合成尾氣數(shù)量參數(shù)項目嚴(yán)格控制在設(shè)計值水平（580 000 m3/h）下，同時將半貧液流量參數(shù)項目從4 800 t/h 逐步調(diào)整降低到3 800 t/h。

在相關(guān)技術(shù)裝置具體運行過程中，假若塔壓差參數(shù)項目所處水平過高，通常需要添加使用適當(dāng)數(shù)量的消泡劑，且添加操作環(huán)節(jié)的實施頻次呈現(xiàn)出幅度顯著的增加變化趨勢，源于半貧液量參數(shù)呈現(xiàn)出逐漸降低變化趨勢，塔壓差參數(shù)穩(wěn)定性顯著不足，引致實際輸出的凈化氣體物質(zhì)中CO2氣體含量水平顯著超標(biāo)，最終嚴(yán)重影響脫碳裝置、壓縮裝置以及下游裝置的運行使用過程安全性與穩(wěn)定性[4]。

引致塔壓差過高的基本原因有：

1）由于生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)部雜質(zhì)物質(zhì)數(shù)量過多，對規(guī)整填料物質(zhì)施加堵塞，導(dǎo)致溶液在向下方流動過程中遭受到強度較大的阻力作用。

2）伴隨合成尾氣物質(zhì)進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)部的油類、烴類物質(zhì)，以及Fe3+離子等導(dǎo)致溶液呈現(xiàn)出發(fā)泡現(xiàn)象，影響破壞溶液流動的通暢性，同時集聚在塔板結(jié)構(gòu)上的溶液將較難正常穩(wěn)定地回落到塔底，客觀上導(dǎo)致塔壓差呈現(xiàn)出升高變化過程。

2.1.2 對策

在大檢修技術(shù)環(huán)節(jié)具體開展過程中，對吸收塔設(shè)備內(nèi)部和常壓再生塔設(shè)備內(nèi)部的規(guī)整填料物質(zhì)依次開展清洗和更換操作，圍繞貧液過濾系統(tǒng)開展技術(shù)改造處理，新安裝配置過濾泵設(shè)備和機械過濾器設(shè)備各1 臺，貧液過濾量參數(shù)項目從300 m3/h 增大到700 m3/h。

在檢修環(huán)節(jié)結(jié)束后，吸收塔設(shè)備和常壓再生塔設(shè)備間的壓差呈現(xiàn)出幅度顯著的下降變化，生產(chǎn)系統(tǒng)的運行負(fù)荷強度呈現(xiàn)出提高變化，消泡劑投入數(shù)量呈現(xiàn)出減少變化，貧液流量參數(shù)和半貧液流量參數(shù)均提高至設(shè)計指標(biāo)水平，凈化氣中實際包含的CO2氣體含量呈現(xiàn)出下降變化，不合格率顯著降低[5]。

2.2 系統(tǒng)接氣受阻

2.2.1 問題

在2022 年3 月—4 月時間階段，觀察到反復(fù)多次發(fā)生的循環(huán)氣-貧液換熱器設(shè)備和吸收塔設(shè)備塔底位置進(jìn)氣分布器區(qū)段組成部分壓降增大變化現(xiàn)象、生產(chǎn)系統(tǒng)接氣受阻現(xiàn)象，客觀上在上游區(qū)域F-T 合成尾氣不能順利進(jìn)入脫碳裝置內(nèi)部條件，引致F-T 反應(yīng)器設(shè)備的壓力強度超越限制范圍，繼而導(dǎo)致處在上游區(qū)域的技術(shù)裝置呈現(xiàn)出降低負(fù)荷強度生產(chǎn)運行狀態(tài)，甚至還會放火炬，且僅僅在10 d 之內(nèi)就出現(xiàn)4 起故障，客觀上直接影響生產(chǎn)裝置的正常穩(wěn)定運行。

引致該種故障問題的主要原因，可能涉及如下幾個具體方面：

1）在發(fā)生霧沫夾帶現(xiàn)象條件下，液相物質(zhì)形態(tài)基于循環(huán)氣-貧液換熱器組件低點位置完成分離過程后，引致管道組件的有效截面尺寸顯著縮小，同時進(jìn)氣阻力逐漸增大[6]。水洗塔洗劑水分布器設(shè)備新增1層，洗劑使用過程中的用水?dāng)?shù)量呈現(xiàn)出某種程度的增大變化，新補充脫鹽水調(diào)節(jié)閥和水洗塔設(shè)備液位高低水平串級控制機制，調(diào)節(jié)閥組件經(jīng)常處在完全打開狀態(tài)，洗劑水量呈現(xiàn)出大幅度波動現(xiàn)象，同時由于脫碳裝置的實際接氣量超過設(shè)計值，處在高速狀態(tài)下的氣流物質(zhì)極易將水洗塔設(shè)備內(nèi)部的氣相物質(zhì)帶入后序系統(tǒng)，并且基于低點位置完成分離過程，導(dǎo)致?lián)Q熱器設(shè)備底部位置氣相物質(zhì)形態(tài)的有效流道截面顯著縮小，進(jìn)氣過程遭受到阻礙。

2）在循環(huán)氣-貧液換熱器組件對應(yīng)的管程之中，因蠟油物質(zhì)呈現(xiàn)出凝固現(xiàn)象對氣道流程造成堵塞，引致接氣流程遭受阻礙。盡管合成尾氣物質(zhì)在進(jìn)入水洗塔設(shè)備內(nèi)部后會經(jīng)由洗劑將其中包含的含氧有機物質(zhì)成分去除，但是卻不能完全徹底脫除其中包含的蠟油物質(zhì)等凝固點相對處在較低水平的化學(xué)物質(zhì)。且由于3-4 月時間階段外界環(huán)境溫度水平相對較低，合成尾氣物質(zhì)在進(jìn)入尺寸狹窄的換熱器設(shè)備列管結(jié)構(gòu)后容易發(fā)生凝結(jié)現(xiàn)象，促使氣體物質(zhì)的流道尺寸明顯縮小，進(jìn)氣過程遭受阻礙[7]。

3）在循環(huán)氣-貧液換熱器組件發(fā)生內(nèi)漏現(xiàn)象后，貧液進(jìn)入氣相物質(zhì)內(nèi)部，在換熱器設(shè)備低點位置完成向外分離過程，造成進(jìn)氣過程遭受阻礙。由于換熱器設(shè)備殼程貧液壓力參數(shù)為3.5 MPa，管程氣相壓力參數(shù)為2.5 MPa，開停車技術(shù)環(huán)節(jié)、升降溫控制環(huán)節(jié)控制不當(dāng)，極易引致?lián)Q熱器組件發(fā)生損壞內(nèi)漏，液相物質(zhì)形態(tài)進(jìn)入氣相物質(zhì)形態(tài)內(nèi)部，合成尾氣帶液，導(dǎo)致進(jìn)氣過程遭受阻礙。

2.2.2 對策

降低水洗塔設(shè)備的液位高度、支持穩(wěn)定洗劑水循環(huán)數(shù)量；嚴(yán)格控制干預(yù)生產(chǎn)系統(tǒng)的進(jìn)氣溫度參數(shù)項目和冷貧液溫度參數(shù)項目；降低循環(huán)氣-貧液換熱器組件管程參數(shù)項目和殼程壓差參數(shù)項目，防止液相物質(zhì)形態(tài)漏入氣相物質(zhì)形態(tài)[8]。

2.3 Fe3+質(zhì)量濃度超標(biāo)及V2O5 消耗高

2.3.1 問題

熱鉀堿溶液對技術(shù)設(shè)備具有較強的腐蝕性作用，腐蝕過程產(chǎn)生的Fe3+離子物質(zhì)進(jìn)入溶液系統(tǒng)內(nèi)部。而Fe3+離子物質(zhì)的所處濃度高低水平，能夠直接反映生產(chǎn)設(shè)備的腐蝕程度。如果Fe3+離子物質(zhì)的質(zhì)量濃度呈現(xiàn)出升高變化，說明生產(chǎn)設(shè)備實際遭受的腐蝕問題較為嚴(yán)重，且能夠?qū)е律a(chǎn)設(shè)備的內(nèi)部厚度參數(shù)呈現(xiàn)出逐漸變薄趨勢。與此同時，在Fe3+離子物質(zhì)的質(zhì)量濃度處在較高水平條件下，通常會導(dǎo)致出現(xiàn)溶液發(fā)泡現(xiàn)象，同時還會引致塔壓差呈現(xiàn)出升高變化[9]。

2.3.2 對策

V2O5物質(zhì)能夠在CO2氣體的吸收過程中，同時發(fā)揮催化和緩解腐蝕強度作用，其屬于典型的氧化性緩蝕劑，能經(jīng)由氧化作用過程，導(dǎo)致碳鋼物質(zhì)的電極電位從活化區(qū)域逐漸轉(zhuǎn)移到鈍化區(qū)域，促使碳鋼物質(zhì)從活化狀態(tài)轉(zhuǎn)化成鈍化狀態(tài)，實現(xiàn)防止腐蝕問題發(fā)生目標(biāo)?；诖朔N情況可知，V2O5物質(zhì)的質(zhì)量濃度，發(fā)揮著極其關(guān)鍵且不容忽視的作用，其指向生產(chǎn)設(shè)備的腐蝕問題發(fā)生程度以及使用壽命均發(fā)揮決定影響。然而，實際運行過程中，部分釩化膜會在脫落后被過濾出生產(chǎn)系統(tǒng)，溶液中部分V5+會被活性炭過濾器去除[10]。

在此過程中，V5+的質(zhì)量濃度保持逐漸下降變化趨勢，在Fe3+的質(zhì)量濃度呈現(xiàn)出升高變化條件下，應(yīng)當(dāng)采取措施及時調(diào)整提升V5+的質(zhì)量濃度，在V5+的總體質(zhì)量濃度水平呈現(xiàn)出偏低表現(xiàn)情況下，應(yīng)當(dāng)及時開展V2O5物質(zhì)的補充添加操作。在正常運行條件下，應(yīng)當(dāng)控制確保溶液環(huán)境中V5+的質(zhì)量濃度長期保持在5.5 g/L 以上[11]。

源于設(shè)備內(nèi)部部分釩化膜發(fā)生脫落，同時新更換填料數(shù)量較多，系統(tǒng)內(nèi)部V5+的消耗數(shù)量較大，且溶液補充脫鹽水?dāng)?shù)量偏多。引致V5+和Fe3+的質(zhì)量濃度明顯降低，伴隨著儲罐設(shè)備內(nèi)部高濃度V5+的補加過程，V5+的質(zhì)量濃度呈現(xiàn)出上升變化。2021 年7 月22日開始向系統(tǒng)內(nèi)部補加V2O5物質(zhì)，V5+的質(zhì)量濃度逐漸升高，且在2021 年8 月12 日確認(rèn)提升到最高濃度。

3 結(jié)語

本次研究的主要結(jié)論有：

1）對已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重堵塞問題的規(guī)整填料物質(zhì)開展更換操作或者是清洗操作，能有效避免塔壓差發(fā)生的升高變化。

2）增加指向溶液的過濾處理數(shù)量，能支持全面徹底去除生產(chǎn)系統(tǒng)中存在的機械雜質(zhì)類物質(zhì)、烴類物質(zhì)以及Fe3+離子，同時還能有效避免塔壓差發(fā)生的升高變化過程，但是會顯著增加針對V2O5的使用消耗數(shù)量。