葛超偉

(安徽晉煤中能化工股份有限公司，安徽 臨泉 236400)

0 引 言

安徽晉煤中能化工股份有限公司(簡(jiǎn)稱中能化工)有3套航天爐粉煤加壓氣化裝置(共3臺(tái)航天爐)，分3期建設(shè)；其中，三期航天爐項(xiàng)目為“600 kt/a合成氨原料路線調(diào)整節(jié)能技術(shù)改造項(xiàng)目”，三期項(xiàng)目一期工程(簡(jiǎn)稱三期合成氨裝置)于2020年6月投產(chǎn)。近年來(lái)，以航天爐為代表的粉煤加壓氣化工藝在國(guó)內(nèi)新型煤化工產(chǎn)業(yè)中被廣泛采用，其在煤制甲醇、煤制合成氨、煤制烯烴、煤制天然氣、煤制油、煤制乙二醇等諸多領(lǐng)域均有應(yīng)用業(yè)績(jī)。

中能化工三期合成氨裝置采用新型粉煤加壓氣化(航天爐)、可控移熱變換、低溫甲醇洗脫硫脫碳、液氮洗脫除微量CO、低壓氨合成工藝，于2020年6月打通全系統(tǒng)流程，產(chǎn)出合格產(chǎn)品。裝置投運(yùn)后，由于系統(tǒng)熱能回收利用效率不高、公用工程設(shè)計(jì)匹配度不盡合理等方面的原因，存在變換氣溫度偏高、變換除氧器放空量大、氨壓縮機(jī)負(fù)荷重、低溫甲醇洗系統(tǒng)尾氣H2S含量超標(biāo)等問(wèn)題，經(jīng)不斷地技術(shù)改造與優(yōu)化調(diào)整，現(xiàn)三期合成氨裝置運(yùn)行穩(wěn)定且已實(shí)現(xiàn)達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)。以下對(duì)有關(guān)情況作一總結(jié)。

1 變換系統(tǒng)問(wèn)題分析及優(yōu)化改造

1.1 變換氣溫度偏高

1.1.1 問(wèn)題描述與分析

三期合成氨裝置原始設(shè)計(jì)中，將變換系統(tǒng)蒸汽冷凝液(約80 t/h、105 ℃)直接收集后送往脫鹽水站除鐵過(guò)濾器除雜過(guò)濾后再利用，流程中未對(duì)冷凝液進(jìn)行降溫處理，冷凝液與新制脫鹽水在脫鹽水槽混合后外供各崗位。2021年2月，測(cè)得脫鹽水槽內(nèi)脫鹽水溫度高達(dá)52 ℃，而變換氣冷卻洗滌塔直接采用脫鹽水對(duì)變換氣進(jìn)行洗滌和冷卻，高溫脫鹽水對(duì)變換氣完全沒(méi)有冷卻效果，導(dǎo)致變換系統(tǒng)出口氣溫度高達(dá)44 ℃，溫度偏高的變換氣進(jìn)入低溫甲醇洗系統(tǒng)后，會(huì)在一定程度上增加低溫甲醇洗煤氣冷卻系統(tǒng)的負(fù)荷，致使循環(huán)甲醇溫度不易降低。

1.1.2 優(yōu)化改造措施

中能化工組織工藝人員對(duì)變換系統(tǒng)蒸汽冷凝液流程展開(kāi)分析與排查，與設(shè)計(jì)院進(jìn)行對(duì)接計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，若在其流程中設(shè)置蒸汽冷凝液冷卻器先行適當(dāng)降溫，然后再送往脫鹽水站，得到溫度適宜的新鮮脫鹽水供各用戶使用，可以解決變換系統(tǒng)出口氣溫度高的問(wèn)題?？紤]到三期合成氨裝置整體流程已經(jīng)成型，沒(méi)有條件進(jìn)行大范圍改造，再次梳理流程后經(jīng)討論決定，在合成崗位新增1臺(tái)列管式換熱器(φ1 400 mm×10 946 mm，換熱面積358.4 m2)，利用部分新鮮脫鹽水冷卻變換蒸汽冷凝液，冷卻后的蒸汽冷凝液，一部分去合成蒸發(fā)冷凝器，新鮮脫鹽水被加熱至約60 ℃后去往鍋爐給水預(yù)熱器，經(jīng)加熱和除氧后作為變換汽包補(bǔ)水；剩余部分蒸汽冷凝液經(jīng)新鮮脫鹽水冷卻后仍送往脫鹽水站進(jìn)行后續(xù)處理。

本項(xiàng)技改于2021年4月實(shí)施，新增蒸汽冷凝液冷卻器后工質(zhì)主要溫度數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 新增蒸汽冷凝液冷卻器后工質(zhì)主要溫度數(shù)據(jù) ℃

由表1可以看出，改造后脫鹽水站外供脫鹽水溫度由約52 ℃降至約37 ℃，變換系統(tǒng)出口氣溫度由約44 ℃降至約37 ℃。變換氣溫度降低后，夾帶的水分得到良好分離，低溫甲醇洗系統(tǒng)進(jìn)口原料氣冷卻器后工藝氣溫度下降約8 ℃，原料氣冷卻分離效果明顯增強(qiáng)，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2 變換除氧器放空量偏大

1.2.1 問(wèn)題描述與分析

中能化工三期合成氨裝置變換除氧器給水流程設(shè)置中，將部分汽輪機(jī)組透平冷凝液加熱后直接補(bǔ)入除氧器進(jìn)行熱力除氧后供變換汽包。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，透平冷凝液加熱器出口冷凝液溫度高達(dá)116 ℃，除氧器在不加外來(lái)蒸汽的工況下頂部運(yùn)行溫度達(dá)114 ℃(除氧器設(shè)計(jì)操作溫度105 ℃)，正常工況下透平冷凝液補(bǔ)入除氧器后產(chǎn)生大量閃蒸蒸汽。雖然通過(guò)改變部分換熱器運(yùn)行模式等常規(guī)手段調(diào)節(jié)后透平冷凝液溫度降至112 ℃，但除氧器平臺(tái)閃蒸蒸汽量仍偏大，水汽彌散到周邊管道、設(shè)備上造成腐蝕加劇，且不利于現(xiàn)場(chǎng)管理；同時(shí)，過(guò)大的放空量還帶來(lái)現(xiàn)場(chǎng)噪聲污染——放空口周邊1 m范圍內(nèi)噪聲高達(dá)85 dB(A)，不利于現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的職業(yè)衛(wèi)生防護(hù)。另外，據(jù)現(xiàn)場(chǎng)放空量測(cè)算，變換除氧器放空口排放的閃蒸蒸汽量約0.4～0.6 t/h，這在一定程度上增加了脫鹽水消耗。

1.2.2 優(yōu)化改造措施

透平冷凝液加熱器的主要作用是利用汽輪機(jī)組生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的蒸汽冷凝液冷卻變換爐出口的高溫變換氣，同時(shí)提升冷凝液的溫度，達(dá)到回收熱量的目的。由于現(xiàn)有生產(chǎn)系統(tǒng)工藝流程已經(jīng)固定，對(duì)氣/液相流程進(jìn)行改造的難度很大，設(shè)計(jì)單位不建議對(duì)主流程進(jìn)行改造。

中能化工于2021年3月上會(huì)討論上述問(wèn)題，經(jīng)相關(guān)部門(mén)多方調(diào)研與討論后，決定對(duì)變換除氧器閃蒸蒸汽進(jìn)行回收，達(dá)到消除噪聲和回收乏汽冷凝液的目的。經(jīng)技術(shù)人員討論，借鑒以往其他裝置的經(jīng)驗(yàn)，決定增設(shè)乏汽回收器，利用冷介質(zhì)在設(shè)備內(nèi)部與乏汽進(jìn)行充分的傳質(zhì)傳熱過(guò)程，既將乏汽轉(zhuǎn)化為冷凝液進(jìn)行回收，又將乏汽中攜帶的熱量予以回收，在實(shí)現(xiàn)乏汽減量化排放的同時(shí)減輕現(xiàn)場(chǎng)噪聲污染。變換除氧器增設(shè)乏汽回收器流程示意見(jiàn)圖1。

圖1 變換除氧器增設(shè)乏汽回收器流程示意圖

2021年5月底完成乏汽回收器(型號(hào)SNQ-500，規(guī)格φ400 mm×1 800 mm)配管及機(jī)泵調(diào)試等工作，2021年6月初乏汽回收器正式投用，投用后乏汽回收器部分運(yùn)行數(shù)據(jù)見(jiàn)表2?？梢钥闯?，變換除氧器周邊噪聲降至74 dB(A)左右，在很大程度上緩解了噪聲污染。另外，經(jīng)初步統(tǒng)計(jì)，乏汽回收器可通過(guò)冷卻乏汽的方式回收脫鹽水約3 200 t/a、回收乏汽汽化潛熱約200 tce(噸標(biāo)準(zhǔn)煤當(dāng)量)，實(shí)現(xiàn)了環(huán)保效益與經(jīng)濟(jì)效益的雙贏。

表2 乏汽回收器部分運(yùn)行數(shù)據(jù)

2 氨壓縮機(jī)負(fù)荷重問(wèn)題分析及優(yōu)化改造

三期合成氨裝置配備1臺(tái)氨壓縮機(jī)，額定制冷量708.8×104kcal，額定蒸汽耗量15 t/h，主要負(fù)荷為空分裝置1臺(tái)冷凍水氨冷器(冷量需求292×104kcal)、低溫甲醇洗系統(tǒng)3臺(tái)循環(huán)甲醇氨冷器和1臺(tái)酸性氣氨冷器(合計(jì)冷量需求378×104kcal)。

2.1 問(wèn)題描述與分析

2020年7月，三期合成氨裝置經(jīng)過(guò)中低負(fù)荷試車期后，負(fù)荷緩慢提升至約90%以上，此時(shí)氨壓縮機(jī)調(diào)節(jié)汽門(mén)開(kāi)度達(dá)92%，蒸汽用量達(dá)14.4 t/h，試圖再增大調(diào)節(jié)汽門(mén)開(kāi)度，蒸汽用量無(wú)明顯變化，氨壓縮機(jī)運(yùn)行負(fù)荷已達(dá)最大；而此時(shí)低溫甲醇洗系統(tǒng)循環(huán)甲醇氨冷器負(fù)荷并不能滿足生產(chǎn)所需，主要異常現(xiàn)象表現(xiàn)為CO2吸收塔頂貧甲醇溫度高出設(shè)計(jì)值約6 ℃，導(dǎo)致貧甲醇對(duì)CO2吸收效率下降，低溫甲醇洗系統(tǒng)出口凈化氣中CO2含量跑高至0.8%，不利于液氮洗系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

針對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題，綜合二期項(xiàng)目低溫甲醇洗系統(tǒng)運(yùn)行工況及三期項(xiàng)目低溫甲醇洗系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)三期合成氨裝置氨壓縮機(jī)運(yùn)行工況有較大幅度的偏離，其原因主要有如下兩方面。

(1)低溫甲醇洗系統(tǒng)設(shè)計(jì)貧甲醇循環(huán)量為280 m3/h，實(shí)際生產(chǎn)中由于前系統(tǒng)氣量和氣體成分發(fā)生變化，貧甲醇循環(huán)量加大至310 m3/h，高出設(shè)計(jì)值約10.7%，造成循環(huán)甲醇氨冷器負(fù)荷重，氣氨產(chǎn)生量大，氨壓縮機(jī)負(fù)荷重。

(2)流程排查中發(fā)現(xiàn)，空分裝置去往低溫甲醇洗系統(tǒng)的氣提氮?dú)夤芫€存在較大溫升，空分裝置外供低壓氮?dú)鉁囟缺３衷?0 ℃，而低溫甲醇洗界區(qū)氮?dú)夤芫€溫度升至32 ℃，據(jù)氣提氮?dú)鈿饬?約20 000 m3/h)測(cè)算，此溫升幅度將導(dǎo)致低溫甲醇洗系統(tǒng)增加約50 000 kcal的冷凍功耗，加重氨壓縮機(jī)的負(fù)荷。

2.2 優(yōu)化改造措施

(1)中能化工氣化系統(tǒng)開(kāi)車初期，為穩(wěn)定航天爐爐況、提高水冷壁的掛渣效果，選擇了與設(shè)計(jì)煤種接近的陜北煤，后隨著中能化工原料煤供應(yīng)渠道的拓展，不同種類的原料煤開(kāi)始摻燒和試燒，在煤種更換期間以及遇到不適宜的煤種時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)粗合成氣氣量及成分發(fā)生較大變化，進(jìn)而對(duì)低溫甲醇洗系統(tǒng)的運(yùn)行產(chǎn)生不良影響。為此，組織對(duì)開(kāi)車初期摻燒和試燒的煤種進(jìn)行對(duì)比分析，篩選出不超過(guò)3種原料煤及其固定配比作為氣化原料煤，與煤炭采購(gòu)部門(mén)溝通對(duì)接采購(gòu)和運(yùn)輸成本后，確定在供應(yīng)渠道暢通、價(jià)格合理的情況下盡可能采購(gòu)選定的煤種；并且，要求質(zhì)檢部門(mén)對(duì)進(jìn)廠原料煤按批次進(jìn)行全分析，根據(jù)煤種特性合理控制摻燒配比，優(yōu)化氣化系統(tǒng)運(yùn)行條件，加大對(duì)粉煤粒度、氧煤比、汽氧比等關(guān)鍵指標(biāo)的考核，以求獲得最佳工藝氣質(zhì)量；同時(shí)，加大低溫甲醇洗系統(tǒng)工況調(diào)整，在凈化氣氣質(zhì)合格的情況下最大限度地減少甲醇循環(huán)量，以降低循環(huán)甲醇氨冷器的負(fù)荷。

(2)排查發(fā)現(xiàn)，空分裝置至低溫甲醇洗系統(tǒng)氣提氮?dú)夤芫€為長(zhǎng)約420 m的DN700碳鋼管道，其中80%以上布置在管廊邊界處，主要以東西走向居多，天氣晴好時(shí)陽(yáng)光可以長(zhǎng)時(shí)間照射管道，致使管道內(nèi)的氣提氮?dú)獬霈F(xiàn)較大溫升。為此，聯(lián)系施工單位現(xiàn)場(chǎng)對(duì)接處理方案，確定按照施工規(guī)范和工藝需求對(duì)空分裝置至低溫甲醇洗系統(tǒng)長(zhǎng)約420 m的氣提氮?dú)夤芫€進(jìn)行保冷。2021年8月管線保冷施工結(jié)束，測(cè)得低溫甲醇洗界區(qū)氣提氮?dú)夤芫€內(nèi)的氮?dú)鉁囟冉抵?4 ℃，由此可減少低溫甲醇洗系統(tǒng)約43 500 kcal的冷損，使氨壓縮機(jī)低壓段負(fù)荷降低約3%，有效緩解了氨壓縮機(jī)負(fù)荷重的問(wèn)題。

3 低溫甲醇洗尾氣超標(biāo)問(wèn)題分析及優(yōu)化改造

三期合成氨裝置低溫甲醇洗系統(tǒng)采用大連理工低溫甲醇洗工藝，設(shè)置有H2S/CO2吸收塔(C2201/C2202)、閃蒸塔(C2203)、循環(huán)甲醇閃蒸塔(C2208)、氣提/CO2解吸塔(C2204)、常溫氣提塔(C2209)、熱再生塔(C2205)、甲醇/水分離塔(C2206)、尾氣洗滌塔(C2207)。變換氣中H2S和CO2分別在H2S/CO2吸收塔內(nèi)的H2S吸收段和CO2吸收段完成吸收。三期合成氨裝置于2020年6月打通全系統(tǒng)流程后，低溫甲醇洗系統(tǒng)運(yùn)行狀況良好，日常分析低溫甲醇洗系統(tǒng)C2207排放氣中總硫含量均在10×10-6以下(尾氣中總硫含量指標(biāo)為10×10-6以下)。

3.1 問(wèn)題描述與分析

2021年5月發(fā)生過(guò)一次供電系統(tǒng)故障，三期合成氨裝置重啟后出現(xiàn)低溫甲醇洗系統(tǒng)排放氣總硫含量超標(biāo)，最高超過(guò)280×10-6，尾氣放空管下風(fēng)向隱約可以嗅到硫化物臭味，不利于環(huán)境保護(hù)和作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)異味控制。

低溫甲醇洗尾氣主要源于兩部分，一部分為CO2產(chǎn)品氣經(jīng)回收冷量后的放空氣(即CO2產(chǎn)品氣供輸煤和尿素生產(chǎn)后富余的那部分)；另一部分為氣提/CO2解吸塔(C2204)B段閃蒸氣。尾氣超標(biāo)問(wèn)題出現(xiàn)后，對(duì)這兩股氣體進(jìn)行連續(xù)取樣分析統(tǒng)計(jì)，各工藝氣總硫含量分析數(shù)據(jù)見(jiàn)表3?？梢钥闯?，CO2產(chǎn)品氣中總硫含量一直穩(wěn)定在2×10-6左右，而C2204 B段閃蒸氣總硫含量一直偏高，取樣分析期間最高達(dá)到0.003%，這就印證了排放氣總硫超過(guò)280×10-6的可能性，并判斷排放氣總硫含量超標(biāo)主要是C2204 B段閃蒸氣總硫含量高所致，換言之，C2204 B段運(yùn)行工況是調(diào)整的重點(diǎn)。C2204 B段洗滌甲醇來(lái)自C2204 D段，D段不含硫甲醇通過(guò)降液管直接進(jìn)入B段對(duì)閃蒸氣進(jìn)行洗滌，由于來(lái)自D段的不含硫甲醇流量不可調(diào)整，因此只能對(duì)B段閃蒸壓力進(jìn)行微調(diào)，但收效甚微。

表3 低溫甲醇洗系統(tǒng)工藝氣總硫含量分析數(shù)據(jù)

低溫甲醇洗系統(tǒng)中，將尾氣洗滌塔塔底的甲醇溶液作為甲醇/水分離塔的進(jìn)料，同時(shí)將甲醇/水分離塔內(nèi)經(jīng)過(guò)分離后的廢水小部分作為尾氣洗滌塔的回流液，大部分作為廢水排放至污水處理系統(tǒng)；正常運(yùn)行期間，甲醇/水分離塔進(jìn)料管線(位于甲醇/水分離塔第56塊塔盤(pán)位置)補(bǔ)入堿液調(diào)節(jié)甲醇溶液的pH，同時(shí)希望補(bǔ)入的堿液可以帶入尾氣洗滌塔對(duì)尾氣中的硫化物起到中和洗滌的作用。運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，自甲醇/水分離塔進(jìn)料管補(bǔ)入的堿液多數(shù)通過(guò)廢水排放管線排入了污水處理系統(tǒng)，帶入尾氣洗滌塔的堿液量很小，未能發(fā)揮其中和尾氣中硫化物的作用。

3.2 優(yōu)化改造措施

通過(guò)多方論證后，計(jì)劃將堿液進(jìn)口由甲醇/水分離塔進(jìn)料口調(diào)整至尾氣洗滌塔回流液流量調(diào)節(jié)閥后，從尾氣洗滌塔(C2207)第8塊塔盤(pán)位置加入，將此堿液直接與尾氣接觸而達(dá)到中和尾氣中微量硫的目的。本項(xiàng)技改于2021年8月完成，技改后對(duì)C2207排放氣進(jìn)行取樣分析，排放氣中總硫含量降至5×10-6以下，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際異味及感觀狀況明顯好轉(zhuǎn)，改造達(dá)到了預(yù)期效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前，化工企業(yè)尤其是煤化工企業(yè)，一方面需滿足國(guó)家“碳達(dá)峰、碳中和”的遠(yuǎn)期要求，另一方面需積極自主開(kāi)展環(huán)保治理，同時(shí)還要應(yīng)對(duì)業(yè)內(nèi)的競(jìng)爭(zhēng)壓力，生存空間越來(lái)越窄。對(duì)于中小型化工裝置尤其是傳統(tǒng)化工裝置，只有在生產(chǎn)過(guò)程中做好自我管控，堅(jiān)持開(kāi)展技術(shù)創(chuàng)新和技術(shù)改造，才能生存下去。

煤化工裝置的運(yùn)行工況時(shí)刻都可能發(fā)生改變，生產(chǎn)中只有認(rèn)真對(duì)待和分析各種細(xì)小的變化，注重細(xì)節(jié)管理、強(qiáng)化過(guò)程控制，才能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理運(yùn)行中的問(wèn)題或缺陷，助力裝置的安、穩(wěn)、長(zhǎng)、滿、優(yōu)運(yùn)行。