煤直接液化減頂不凝氣并入加熱爐燃燒方案研究

杜海勝 楊 東 王喜武

（中國(guó)神華煤制油化工有限公司鄂爾多斯煤制油分公司，內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市，017209）

神華煤炭直接液化項(xiàng)目采用神華集團(tuán)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的煤炭直接液化工藝技術(shù)。煤炭直接液化裝置（以下稱 “煤液化裝置”）是煤液化項(xiàng)目核心裝置，承擔(dān)著將煤炭與循環(huán)溶劑油混合成的油煤漿，在一定壓力、溫度及催化劑的作用下，直接與氫氣反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為液體油品的工藝過(guò)程。從2008年年底首次開(kāi)車(chē)運(yùn)行以來(lái)，單次運(yùn)行超過(guò)7000h 以上，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。煤液化裝置反應(yīng)后物料固液分離采用減壓蒸餾的技術(shù)，減壓塔真空度正?？刂圃?kPa（表壓）左右，控制減壓塔底固體含量約占總質(zhì)量的50%來(lái)操作，減壓塔頂產(chǎn)生的不凝氣稱為 “減頂不凝氣”，以下簡(jiǎn)稱 “不凝氣”。

由于不凝氣實(shí)際組成與設(shè)計(jì)的偏差，以及不凝氣帶液嚴(yán)重，至開(kāi)工以來(lái)，一般情況下，都是走現(xiàn)場(chǎng)高點(diǎn)放空。當(dāng)下雨打雷時(shí)容易將排放氣點(diǎn)燃，存在很大的安全隱患。所以，當(dāng)打雷時(shí)須及時(shí)改為走低壓放空系統(tǒng)，如脫液不及時(shí)，容易造成低壓放空系統(tǒng)凍凝，這樣，既浪費(fèi)了能源，污染了環(huán)境，又容易造成減壓塔的真空度波動(dòng)，影響減底物料成型，增加生產(chǎn)運(yùn)行中的工作量。

1 不凝氣組成分析

減頂不凝氣組成的設(shè)計(jì)值來(lái)自石油化工行業(yè)積累的數(shù)據(jù)，與煤液化工業(yè)化裝置實(shí)際運(yùn)行組成的值存在很大偏差。實(shí)際生產(chǎn)中，不凝氣氣體中氫氣占主要組成，導(dǎo)致大量的不凝氣不能被冷凝下來(lái)，標(biāo)準(zhǔn)工況下不凝氣量達(dá)1300m3／h，比標(biāo)準(zhǔn)工況設(shè)計(jì)值452m3／h高848m3／h。主要原因是，氫氣在煤液化產(chǎn)物與石油系油品中的溶解度不同，反應(yīng)產(chǎn)物中溶解了大量的氫氣。減頂不凝氣組成的設(shè)計(jì)值、實(shí)際值的分析數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 減頂不凝氣組成的設(shè)計(jì)值與實(shí)際值對(duì)比

根據(jù)不凝氣組成分析結(jié)果可知，不凝氣為可燃?xì)怏w，可以作為加熱爐燃料進(jìn)行燃燒，起到節(jié)能的效果。但是，不凝氣的壓力遠(yuǎn)低于現(xiàn)用燃料氣壓而難以并入加熱爐，因此需要對(duì)加熱爐燃燒器進(jìn)行改造?，F(xiàn)用加熱爐燃料氣組成如下：H2，63.01；O2+Ar，0.18；N2，0.67；CO，3.21；CO2，1.83；CH4，18.81；C2H4，0.1；C2H6，8.59；C3H8，1.3；C3H6，0.08；i-C4H10，0.02；n-C4H10，0.28；i-C5H12，0.39；n-C5H12，0.78；C6+，0.58。從燃料氣組成可以看出，加熱爐現(xiàn)用燃料氣組成中含有1／2 以上的氫氣組分，其次為甲烷組分，與不凝氣組分相似。不凝氣與加熱爐現(xiàn)用燃料氣性質(zhì)對(duì)比表2。從表2中可以看出，不凝氣的密度、熱值、壓力和溫度都沒(méi)有現(xiàn)用燃料氣高，其中現(xiàn)用燃料氣的壓力是不凝氣壓力的4.8倍。

表2 不凝氣與加熱爐現(xiàn)用燃料氣性質(zhì)對(duì)比

2 不凝氣利用方案研究

針對(duì)以上對(duì)不凝氣和現(xiàn)用燃料氣的組成和性質(zhì)分析，如不采取一定的措施，是不能將減頂不凝氣并入減壓爐進(jìn)行燃燒利用的。經(jīng)過(guò)對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)院和加熱爐燃燒器廠家調(diào)研發(fā)現(xiàn)，洛陽(yáng)某石化機(jī)械有限公司擁有一種引射技術(shù)，高低壓瓦斯氣可以同時(shí)在一個(gè)燃燒器中燃燒，高壓瓦斯作為引射介質(zhì)，把沒(méi)有壓力的不凝氣引入燃燒器氣槍，與高壓瓦斯混合后噴出進(jìn)行燃燒，這樣可以節(jié)省燃料。更換引射瓦斯槍后，在公稱負(fù)荷下，每臺(tái)圓形燃燒器發(fā)熱量保持不變。同時(shí)，瓦斯槍安裝、檢修方便。

2.1 方案研究及核算

2010年煤液化裝置采用引射技術(shù)，對(duì)減壓加熱爐 （公稱負(fù)荷為1.0 MW）兩個(gè)爐膛、共16個(gè)圓形燃燒器進(jìn)行試驗(yàn)改造，即把不凝氣引入圓形燃燒器中與高壓瓦斯氣進(jìn)行燃燒，改造后燃燒效果可保證燃燒器火焰形狀、顏色、高度等燃燒特性不發(fā)生大的改變，加熱爐能夠安全、高效運(yùn)行。由于實(shí)際運(yùn)行的不凝氣量高于原設(shè)計(jì)值，同時(shí)要考慮減頂抽真空后壓力的要求，原改造的16臺(tái)燃燒器無(wú)法將所有的不凝氣并入，還有富余，多余不凝氣走現(xiàn)場(chǎng)放空。

根據(jù)對(duì)燃料氣消耗的標(biāo)定結(jié)果，大約節(jié)約了標(biāo)準(zhǔn)工況下燃料氣500 m3／h。后經(jīng)標(biāo)定，將所有不凝氣全量配燒后，還可以節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)工況下燃料氣250m3／h。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)工況條件下高壓燃料氣熱值與不凝氣熱值進(jìn)行平衡計(jì)算，得出標(biāo)準(zhǔn)工況條件下不凝氣量為：

6000 kcal／m3×750m3／h÷3422 kcal／m3=1315m3／h；

減壓加熱爐每臺(tái)燃燒器配入標(biāo)準(zhǔn)工況條件下不凝氣的量為：

6000kcal／m3×500 m3／h÷3422kcal／m3÷16臺(tái)=54.79m3／h；

除了減壓爐配入的不凝氣外，富余的不凝氣還可以配入燃燒器的臺(tái)數(shù)為：

6000kcal／m3×250 m3／h÷3422 kcal／m3÷54.79m3／h=8臺(tái)。

根據(jù)以上計(jì)算可知，需在現(xiàn)有基礎(chǔ)上再增加8臺(tái)低壓燒嘴，才能將減頂不凝氣全部由現(xiàn)場(chǎng)高點(diǎn)直排，改入加熱爐燃燒。

2.2 改造流程設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)以上核算，還需8 臺(tái)燃燒器才能滿足要求。而氫氣加熱爐共有9臺(tái)燃燒器，全部改造后，可將多余的不凝氣并入就近的氫氣加熱爐進(jìn)行燃燒，在將來(lái)負(fù)荷調(diào)整時(shí)，也可以將富余的不凝氣全部并入。其改造流程設(shè)計(jì)如下：

減頂不凝氣先經(jīng)過(guò)分液罐分液，分液后的減頂不凝氣分兩路分別配入減壓加熱爐和氫氣加熱爐內(nèi)，然后再分別配入各自的燃燒器中進(jìn)行燃燒。減頂不凝氣配入加熱爐燃燒流程示意如圖1所示，不凝氣接入燃燒器示意如圖2所示。

圖1 減頂不凝氣配入加熱爐燃燒流程示意圖

3 配燒方案

在低壓火嘴點(diǎn)燃后，保持減壓塔頂不凝氣壓力大于20 kPa，不凝氣進(jìn)低壓火嘴前壓力大于10kPa，防止回火造成事故。如果壓力偏低，關(guān)閉部分低壓火嘴手閥，保持壓力大于10kPa。根據(jù)以上對(duì)壓力的要求，確定不凝氣配入燃燒器的臺(tái)數(shù)為：減壓加熱爐16臺(tái)，氫氣加熱爐5臺(tái)，其余燃燒器作為備用。在此過(guò)程中，密切關(guān)注減壓加熱爐和氫氣加熱爐的運(yùn)行情況，以及上游設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)。低壓火嘴投用期間，注意加強(qiáng)脫液罐脫液。

圖2 不凝氣接入燃燒器示意圖

4 改造效果

改造后，在不凝氣并入減壓爐的同時(shí)，將多余的不凝氣體并入氫氣爐中燃燒，燃燒效果良好，能滿足加熱爐的運(yùn)行要求；解決了減頂不凝氣現(xiàn)場(chǎng)排放的安全隱患，變廢為寶，有效降低了燃料氣的消耗。氫氣爐和減壓爐配燒不凝氣后的燃燒效果如圖3和圖4所示。

圖3 氫氣加熱爐并入減頂不凝氣燃燒效果圖

5 經(jīng)濟(jì)效益分析

在裝置負(fù)荷為85%的情況下，根據(jù)加熱爐實(shí)際運(yùn)行情況，在加熱爐達(dá)到相同熱負(fù)荷的情況下，配入減頂不凝氣后，減壓加熱爐和氫氣加熱爐分別可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)工況下的燃料氣500 m3／h 和300m3／h，裝置年運(yùn)行時(shí)間按照7440h計(jì)算，每年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)工況下的燃料氣大約為5952km3，約合3571t；燃料氣以800元／t的價(jià)格計(jì)算，可節(jié)約成本285.68萬(wàn)元／a。

圖4 減壓加熱爐并入減頂不凝氣燃燒效果圖

［1］ 吳秀章，舒歌平.強(qiáng)制內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器在煤直接液化工藝中的應(yīng)用 ［J］.煉油技術(shù)與工程，2009 （8）

［2］ 吳秀章，舒歌平.煤炭直接液化起始溶劑油的研究［J］.煉油技術(shù)與工程，2007 （8）

［3］ 吳秀章.神華煤炭直接液化項(xiàng)目氫氣系統(tǒng)優(yōu)化 ［J］.煉油技術(shù)與工程，2008 （6）

［4］ 鐘瑞娥.淺談煤直接液化裝置常減壓塔的平穩(wěn)運(yùn)行［J］.內(nèi)蒙古石油化工，2009 （19）

［5］ 韓來(lái)喜，杜海勝.煤直接液化減壓塔真空度波動(dòng)原因分析及改造 ［J］.煤化工，2013 （6）