鄭泥泥

（山西興新安全生產(chǎn)技術(shù)服務(wù)有限公司，山西 太原 030024）

焦?fàn)t煤氣制甲醇為企業(yè)回收廢棄的焦?fàn)t煤氣，不僅減少對(duì)環(huán)境的污染，而且還直接為企業(yè)增加經(jīng)濟(jì)效益。針對(duì)焦?fàn)t煤氣制甲醇工藝具有高溫高壓、易燃易爆的危險(xiǎn)特性，一旦發(fā)生事故將造成不可估量的后果。目前，大多數(shù)企業(yè)焦?fàn)t煤氣制備甲醇的裝置及工藝研究存在的問題主要為聯(lián)鎖設(shè)計(jì)不合理、聯(lián)鎖保護(hù)欠缺以及投用率過低等。本文針對(duì)焦?fàn)t煤氣制備甲醇的裝置及工藝的特點(diǎn)，基于ASPEN 軟件對(duì)其工藝進(jìn)行模擬，為規(guī)范企業(yè)針對(duì)焦?fàn)t煤氣制備甲醇工藝、儀器、裝置的管理提供參考和依據(jù)[1]。

1 焦?fàn)t煤氣制備甲醇工藝概述

所謂焦?fàn)t煤氣制備甲醇指的是以焦?fàn)t煤氣作為原材料，將其進(jìn)行脫硫處理后，通過在反應(yīng)爐中加入一定類型的催化劑并將其設(shè)定在一定的溫度和壓力下制備出合格的甲醇。在實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)入焦?fàn)t煤氣壓縮機(jī)的原材料需經(jīng)過脫硫，并經(jīng)過進(jìn)汽水封的濕式螺旋氣柜緩沖等處理；一般情況，焦?fàn)t煤氣壓縮機(jī)需經(jīng)歷四段壓縮機(jī)，并保證進(jìn)入精脫硫處理的焦?fàn)t煤氣的壓力為2.5 MPa，溫度為40 ℃。轉(zhuǎn)化爐內(nèi)經(jīng)精脫硫處理后的焦?fàn)t煤氣與蒸汽充分混合并預(yù)熱后的氣體，在此階段燃燒溫度可達(dá)到1 100℃～1 300℃，經(jīng)脫硫分液、脫氯處理后的氣體送入合成壓縮機(jī)；在合成單元合成產(chǎn)物通過氣液分離得到粗甲醇，粗甲醇經(jīng)過三塔精餾工藝送入預(yù)精餾塔中得到精甲醇產(chǎn)品[2]。

2 焦?fàn)t煤氣制甲醇工藝的動(dòng)態(tài)模擬研究

本節(jié)重點(diǎn)對(duì)焦?fàn)t煤氣制甲醇工藝進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬研究，為解決當(dāng)前焦?fàn)t煤氣制備甲醇裝置及工藝的聯(lián)鎖設(shè)計(jì)不合理、聯(lián)鎖保護(hù)欠缺提供理論支撐，最終得出最為合理的聯(lián)鎖值和響應(yīng)時(shí)間。重點(diǎn)動(dòng)態(tài)模擬的內(nèi)容包括有轉(zhuǎn)化工段流程、合成工段流程以及各個(gè)回路聯(lián)鎖設(shè)定值和響應(yīng)值等[3]。

2.1 轉(zhuǎn)化工段的動(dòng)態(tài)模擬流程

本工段的預(yù)熱爐燃燒室采用RGibbs 絕熱反應(yīng)器。結(jié)合相關(guān)理論研究，焦?fàn)t煤氣與氧氣進(jìn)行充分燃燒反應(yīng)時(shí)其引燃溫度可達(dá)609℃，其中主要參與反應(yīng)的氣體包括H2、CO、CH4、C2H6和C3H8；同時(shí)，在此次模擬中對(duì)反應(yīng)中的析炭反應(yīng)忽略不計(jì)。其他動(dòng)態(tài)模擬的參數(shù)設(shè)置如下：

將焦氧比例設(shè)置為0.223，焦?fàn)t煤氣與蒸汽充分混合后進(jìn)入反應(yīng)爐中，溫度設(shè)定為650℃，將氧氣與蒸汽充分混合進(jìn)入反應(yīng)爐中的溫度設(shè)定為123℃?？紤]到在實(shí)際反應(yīng)中存在一定的熱損失，結(jié)合相關(guān)理論研究該熱損失值為4 759.4 kW，且對(duì)應(yīng)的壓力損失值為0.1 MPa。上述動(dòng)態(tài)模擬的計(jì)算模型包括有HeatX 和Flash2 兩個(gè)模塊，經(jīng)模擬可知，轉(zhuǎn)化工段需要的補(bǔ)水量為25.6 t/h，對(duì)應(yīng)所產(chǎn)生的汽包的壓力值為2.6 MPa，溫度為225℃，最終達(dá)到的排污量為4.9 t/h。

2.2 合成工段的動(dòng)態(tài)模擬流程

經(jīng)過轉(zhuǎn)化工段的焦?fàn)t煤氣在二級(jí)冷卻、氣液分離以及過濾處理后的氣體進(jìn)入二段壓縮機(jī)，期間設(shè)定的二級(jí)冷卻器的溫度為40 ℃；經(jīng)二級(jí)壓縮機(jī)壓縮后的氣體在三段壓縮機(jī)的作用后壓力升至6 MPa，并在反應(yīng)器的作用下將其溫度換熱至220 ℃。上述處理后的氣體最終進(jìn)入甲醇合成塔中實(shí)現(xiàn)粗甲醇的制備[4]。

合成工段的動(dòng)態(tài)模擬參數(shù)設(shè)置如下：將鍋爐給水的壓力設(shè)定為2.75 MPa，合成塔的溫度設(shè)定為245 ℃，鍋爐給水的流量設(shè)定為13 t/h。

2.3 各回路聯(lián)鎖設(shè)定值與響應(yīng)時(shí)間的模擬結(jié)果

2.3.1 轉(zhuǎn)化爐相關(guān)聯(lián)鎖動(dòng)態(tài)模擬

結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)工況，可將轉(zhuǎn)化爐對(duì)應(yīng)的聯(lián)鎖反應(yīng)設(shè)定為兩種工況，包括有焦?fàn)t煤氣流量不變，氧氣流量上升的工況（工況一）；焦?fàn)t煤氣流量下降，氧氣流量不變的工況（工況二）。

工況一：在焦?fàn)t煤氣流量不變，氧氣流量上升工況的仿真結(jié)果如圖1 所示。

圖1 工況一仿真結(jié)果

如圖1 所示，當(dāng)工況一的氧氣流量上升時(shí)，對(duì)應(yīng)的焦氧體積比下降，容易導(dǎo)致催化劑失效。因此，單純考慮轉(zhuǎn)化率催化劑的活性溫度為1 300℃，應(yīng)將焦氧體積比設(shè)定為大于3.5。同時(shí)，由于氧氣流量的上升，存在爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。

工況二：爐煤氣流量下降，氧氣流量不變工況的仿真結(jié)果如圖2 所示。

圖2 工況二仿真結(jié)果

如圖2 所示，在此工況下氧氣濃度與焦氧體積比之間的關(guān)系明顯，即，氧氣濃度隨焦氧體積比的變化相對(duì)明顯。通過仿真可知，當(dāng)焦氧體積比達(dá)到2.1時(shí)對(duì)應(yīng)催化劑的活性已經(jīng)失效。因此，將工況二中轉(zhuǎn)化率的焦氧體積比設(shè)定為大于2.1。

同時(shí)，正常工況下對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)化爐中的焦氧體積比為4.5。綜上所述，應(yīng)將轉(zhuǎn)化爐焦氧體積比設(shè)定在3.5～4.5。

2.3.2 預(yù)熱爐相關(guān)聯(lián)鎖動(dòng)態(tài)模擬

結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)工況，預(yù)熱爐在實(shí)際生產(chǎn)中容易出現(xiàn)燃料壓力過低導(dǎo)致加熱爐熄火，工作人員進(jìn)行再次點(diǎn)火時(shí)容易發(fā)生閃爆的事故，從而造成極大的人員傷亡[5]。此外，當(dāng)預(yù)熱爐中空氣的流量過低時(shí)，容易導(dǎo)致相關(guān)裝置的反應(yīng)停止，也容易引起爐膛的閃爆事故。

針對(duì)預(yù)熱爐燃料壓力過低的工況，本次動(dòng)態(tài)模型通過切斷進(jìn)爐燃料的流率模擬實(shí)際生產(chǎn)中壓力過低的工況，并得出如圖3 所示的動(dòng)態(tài)模擬曲線。

圖3 壓力過低對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)模擬曲線

如圖3 所示，當(dāng)切斷燃燒室的燃料的進(jìn)爐速率后80 s 內(nèi)氧氣濃度上升，說明燃燒爐在80 s 發(fā)生熄火。在此種情況，如果通過燃料極易發(fā)生爐膛閃爆的風(fēng)險(xiǎn)。

針對(duì)預(yù)熱爐內(nèi)空氣流量過低的工況，通過切斷空氣進(jìn)入預(yù)熱爐對(duì)其進(jìn)行模擬，并得出如圖4 所示的動(dòng)態(tài)模擬曲線。

圖4 空氣流量過低對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)模擬曲線

如圖4 所示，當(dāng)預(yù)熱爐內(nèi)的空氣切斷180 s 后其中甲烷的含量明顯增加，此時(shí)若通過一定量的空氣極易導(dǎo)致爐膛閃爆的風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié)語

焦?fàn)t煤氣制備甲醇為當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)焦?fàn)t煤氣再利用的主要途徑，不僅會(huì)減少焦?fàn)t煤氣制備排放對(duì)環(huán)境造成的污染，而且還會(huì)間接地為企業(yè)帶來一定的經(jīng)濟(jì)收益。但是，在當(dāng)前焦?fàn)t煤氣制備甲醇的裝置和工藝中存在聯(lián)鎖設(shè)計(jì)不合理、聯(lián)鎖保護(hù)欠缺的問題。為此，本文開展焦?fàn)t煤氣制備甲醇工藝的動(dòng)態(tài)模擬，旨在為焦?fàn)t煤氣制備甲醇工藝和裝置的改進(jìn)提供參考，并重點(diǎn)對(duì)轉(zhuǎn)化爐和余熱爐的動(dòng)態(tài)模擬進(jìn)行研究，并總結(jié)如下：

1）針對(duì)轉(zhuǎn)化爐焦氧比，綜合考慮催化劑活性將其焦氧比的聯(lián)鎖值設(shè)定在3.5～4.5；

2）針對(duì)預(yù)熱爐空氣流量過低和燃料壓力過低的問題，得出燃料壓力過低80 s 后爐內(nèi)發(fā)生熄火，空氣流量過低180 s 爐內(nèi)甲烷濃度升高。