上海石洞口煤氣制氣有限公司 李海濤
上海石洞口煤氣制氣有限公司于 2009年在原輕油制氣生產(chǎn)線上,成功實現(xiàn)了以天然氣代替石腦油為原料生產(chǎn)城市人工煤氣的轉(zhuǎn)變。生產(chǎn)原料和工藝條件的改變需要對原生產(chǎn)線進行部分技術(shù)改造,同時又要對每個生產(chǎn)系統(tǒng)的適應性進行充分的論證,以滿足天然氣改質(zhì)生產(chǎn)煤氣的要求并提供相應的技術(shù)條件。
天然氣制氣的關(guān)鍵是天然氣改質(zhì)部分。天然氣改質(zhì)就是通過一定的生產(chǎn)工藝將高熱值天然氣改制成低熱值的改質(zhì)氣。天然氣在含鎳催化劑的作用下,高熱值的天然氣與水蒸氣產(chǎn)生反應,生成 H2、CO和CO2。通過反應達到降低氣體熱值的目的,即天然氣改質(zhì)。由于這些改質(zhì)反應以吸熱為主,因此反應所需要的熱量由天然氣和空氣燃燒產(chǎn)生的高溫煙氣提供。
石洞口煤氣制氣有限公司利用原生產(chǎn)線,將天然氣引入生產(chǎn)裝置,經(jīng)過加氫脫硫凈化后進行預轉(zhuǎn)化、改質(zhì)轉(zhuǎn)化反應、CO變換反應,最后生成的合成氣經(jīng)減壓后與天然氣及變壓吸附生產(chǎn)的富氮氣混兌,生產(chǎn)出符合《城鎮(zhèn)燃氣分類和基本特性》(GB/T 13611—2006)中5R標準的城市煤氣出廠。
改質(zhì)爐中發(fā)生的主要反應如下:
工藝流程圖如下:
圖1 天然氣制氣工藝流程
石洞口煤氣制氣有限公司為實現(xiàn)天然氣改質(zhì)生產(chǎn)煤氣,需要對原輕油制氣生產(chǎn)線進行改造,同時又要保留用輕油進行生產(chǎn)的能力,因而生產(chǎn)線的改造力求簡單有效。我們根據(jù)天然氣制氣的生產(chǎn)條件,提出了需要亟待處理的幾個問題。
原設計中天然氣進生產(chǎn)裝置壓力為3 500 kPa,為恒定壓力。但實際情況是天然氣壓力隨管網(wǎng)壓力變化而變化,變動范圍可從3 000 kPa至4 000 kPa,從而給生產(chǎn)系統(tǒng)帶來不穩(wěn)定因素。因而我們考慮在天然氣進廠總管上設置穩(wěn)壓調(diào)節(jié)閥,控制信號接入中央控制系統(tǒng),壓力設定值由控制室操作人員根據(jù)工藝條件進行設定,設定后調(diào)節(jié)閥切入自動調(diào)節(jié)狀態(tài)。穩(wěn)壓閥的設置,不僅穩(wěn)定了生產(chǎn)線天然氣的供應,同時給天然氣孔板計量提供了良好的工作條件。
對于危險作業(yè)場所,安全工作一直是我們工作中的首位。在緊急情況下,應急處置方案是減少損失、減小災害的保障體系中的重要一環(huán)。因此一旦生產(chǎn)線發(fā)生危險狀況時,必須及時切斷天然氣的供應。根據(jù)此目的,我們在天然氣埋地總管出土后增加了緊急切斷閥,可以在第一時間及時關(guān)閉,切斷天然氣供應,為生產(chǎn)提供了一道安全保障。緊急切斷閥由中央控制室發(fā)出信號,控制開與關(guān)。在發(fā)出信號不起作用時可以現(xiàn)場手動進行操作,但需耗費一些時間。
制氣原料由輕油改為天然氣后,生產(chǎn)系統(tǒng)的壓力發(fā)生了較大的變化,原加氫壓縮機已不適應現(xiàn)有的工作條件。具體變化情況如下:原輕油制氣時加氫壓縮機進出口壓力分別為3 600 kPa和5 300 kPa,現(xiàn)天然氣制氣時壓縮機進出口壓力分別為1 400 kPa和3 500 kPa,壓縮機壓縮比大大提高,原加氫壓縮機無法滿足生產(chǎn)要求。經(jīng)研究,準備在現(xiàn)有的基礎上,對加氫壓縮機進行改造,并保證能夠在較短時間內(nèi)恢復壓縮機原系統(tǒng)以適用于輕油制氣生產(chǎn)工況。
原壓縮機:進、出口壓力分別為3 600 kPa、5 300 kPa;額定流量:1 090 m3/h。
改造后壓縮機:進、出口壓力分別為1 400 kPa、>3 500 kPa;額定流量:520 m3/h。
我們要求在原機型上進行改造,改造后滿足上述技術(shù)參數(shù)要求;改造過程力求簡單、可靠;二種生產(chǎn)工藝之間可以互相變換,改造后壓縮機能恢復原技術(shù)參數(shù)。
根據(jù)我們提供的生產(chǎn)數(shù)據(jù)和要求,意大利公司派出技術(shù)人員來實施和指導改造工作,并提供壓縮機需要更換的組件,操作人員現(xiàn)場進行調(diào)試,調(diào)試結(jié)果反饋改造小組技術(shù)人員。
測試中發(fā)現(xiàn)改造后壓縮機在工作條件下出口氣體溫度與原工藝比較有 25 ℃左右的溫升,不過在低于130 ℃的警示溫度下可正常運行。經(jīng)過試生產(chǎn),改造后的壓縮機運行狀況良好,且能滿足循環(huán)加熱催化劑的要求。壓縮機的改造獲得成功。
輕油制氣生產(chǎn)線使用的催化劑負責輕油加氫脫硫凈化、輕油預轉(zhuǎn)化、富甲烷氣改質(zhì)和一氧化碳變換。輕油原料改為天然氣后,反應方式發(fā)生變化,需要對各催化劑的適應性作出評估,并做出調(diào)整意見。
生產(chǎn)線使用的鎳鉬加氫轉(zhuǎn)化催化劑適用于天然氣、煉廠氣、石腦油等烴類中的有機硫化物、氮化物及不飽和烴的加氫轉(zhuǎn)化,因而在用天然氣作為原料時,化學反應機理不變,僅需要根據(jù)天然氣的硫含量對加氫量做出相應調(diào)整,其余控制參數(shù)不變即可滿足生產(chǎn)要求。
輕油預轉(zhuǎn)化催化劑的鎳含量高于 60%,配比定量的過熱蒸汽可將石腦油轉(zhuǎn)換成甲烷含量 64%左右的煤氣,總反應為放熱反應,溫升控制在 60 ℃附近。經(jīng)過研究,輕油預轉(zhuǎn)化催化劑也可用于天然氣改質(zhì),但總反應為吸熱反應,估計有 50~60℃的溫降。需要說明的是,生產(chǎn)線目前的輕油預轉(zhuǎn)化催化劑在用于天然氣改質(zhì)后將不能再用于石腦油預轉(zhuǎn)化,除非使用油、氣兩用型催化劑,但兩用型催化劑價格是我們必須考慮的因素。預轉(zhuǎn)化反應器在天然氣改質(zhì)工藝中的操作條件有所提高,能夠?qū)唵蔚臒N類有裂解作用,從而保護了改質(zhì)爐中的催化劑;并且對甲烷有淺度的改質(zhì)作用,降低了改質(zhì)爐的操作負荷。下面是輕油預轉(zhuǎn)化催化劑在兩種不同原料下的溫度曲線和相應的操作條件:
圖2 石腦油原料
圖3 天然氣原料
表1 兩種原料下預轉(zhuǎn)化催化劑的操作條件
原料從石腦油改為天然氣后,雖提高預轉(zhuǎn)化催化劑的進口溫度有利于天然氣預轉(zhuǎn)化反應,但受制于預轉(zhuǎn)化加熱爐的溫度限制(<510 ℃)。相反,降低進口溫度,會導致預轉(zhuǎn)化氣出口溫度過低,不利于下段工序改質(zhì)爐的操作。綜合各方面因素,我們將進口溫度控制于 480~500℃。在天然氣工況下,設置預轉(zhuǎn)化反應器,能起到重要的作用:
(1)提高了裝置的原料適應性,基于預轉(zhuǎn)化,原料供給若發(fā)生變化,裝置能在不同的原料條件下運行,賦予了裝置運行更高的靈活性;
(2)提高裝置的產(chǎn)能,有了預轉(zhuǎn)化,總的裝置產(chǎn)能將能得到提高;
(3)對改質(zhì)爐提供保護作用,有了預轉(zhuǎn)化,改質(zhì)轉(zhuǎn)化催化劑只需要處理不含高級烴的甲烷,避免催化劑可能受到原料中未預知的高級烴組分而導致催化劑結(jié)碳的風險。
隨著預轉(zhuǎn)化反應器的操作條件發(fā)生變化,改質(zhì)催化劑的操作條件也會相應改變。CO變換催化劑按照原操作條件操作。
表2 兩種原料下改質(zhì)催化劑的操作條件
天然氣改質(zhì)制氣中共由三種氣源混合而成,分別是改質(zhì)氣、富氮氣和天然氣,三種氣源混合后輸送入出廠煤氣管網(wǎng)。為確保氣源混合后各項指標滿足城市人工煤氣標準,需要進行分析、氣源調(diào)整,測試合格后才能送入管網(wǎng)。調(diào)整過程生產(chǎn)的混合煤氣在達到合格前需通過專用管道排放,而在原有的出廠煤氣管道上沒有這樣一套符合要求的放散系統(tǒng)。為了便于調(diào)整氣源、化驗分析出廠煤氣,我們對原出廠管道改造,增加一套混合后產(chǎn)品煤氣放散系統(tǒng)。放散系統(tǒng)需考慮以下要求:出廠管道有煤氣計量系統(tǒng),增加管道應不影響煤氣計量;盡量控制改造成本;符合操作習慣,自動化控制程度高。為此,我們在出廠煤氣總管處開孔,連接一根管道作為放散主管,放散口接入原生產(chǎn)線的不合格氣放散煙囪處(為確保安全),并利用原增量系統(tǒng)的架空管架,盡量減少設備投資。在放散管上設置必要的手動閥門、壓力調(diào)節(jié)閥,實現(xiàn)放散過程的自動控制。同時設置取樣管,用于煤氣取樣分析;又可通入在線熱值儀,實時顯示混合煤氣有關(guān)數(shù)據(jù),及時調(diào)整各類氣源配給量。此處指出壓力調(diào)節(jié)閥的選型非常重要,應根據(jù)初始放散量及放散壓力來選擇,提供的數(shù)據(jù)必須正確可靠。通過放散系統(tǒng)的設置,不僅減少配氣時間,降低能耗,又方便操作,實現(xiàn)自動化控制。
經(jīng)過天然氣制氣生產(chǎn)調(diào)試,采集了各項數(shù)據(jù),尤其涉及到原料流量、蒸汽流量、壓力、溫度等關(guān)鍵數(shù)據(jù),與設計數(shù)據(jù)逐一對比驗證。根據(jù)天然氣工況下調(diào)試獲得的實際參數(shù),對孔板流量計的工作范圍重新核算。在涉及到的7類孔板中,將不符合天然氣工況的流量孔板更換,對其余孔板的參數(shù)進行了調(diào)整,確保在其他生產(chǎn)線調(diào)試時獲得的數(shù)據(jù)正確可靠。
2009年我們對三條生產(chǎn)線分別進行調(diào)試,變壓吸附制氮系統(tǒng)投入運行,通過摻混天然氣調(diào)整熱值后,出廠氣送入城市煤氣管網(wǎng)。經(jīng)測試每條生產(chǎn)線最高負荷達到設計值60萬m3/d。表3列出了某日天然氣改質(zhì)的生產(chǎn)分析數(shù)據(jù),當日摻混出廠氣燃燒特性:燃燒勢為 83.90(范圍 54.4~95.6);華白指數(shù)為22.69 MJ/m3(范圍19.81~23.17 MJ/m3),各項指標達到設計要求。
表3 改質(zhì)氣與出廠氣組份
改質(zhì)合成氣熱值:14.837 MJ/m3,摻混出廠氣熱值:15.969 MJ/m3。
石洞口煤氣制氣公司將原三條輕油制氣生產(chǎn)線改造成既能用天然氣又能用輕油作為生產(chǎn)原料的制氣生產(chǎn)線,改造后具有180萬m3/d人工煤氣供氣規(guī)模。改造中以原生產(chǎn)線為基礎,結(jié)合自身生產(chǎn)裝置的特點及生產(chǎn)條件,成功實現(xiàn)天然氣改質(zhì)制氣的目的。